CN105543704B - 一种高强度抗震耐火耐蚀钢板及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度抗震耐火耐蚀钢板及制造方法，所述钢板包括：C：0.02～0.06wt.％、Cr：3.0～6.0wt.％、Mo：0.15～0.60wt.％、Mn：0.10～1.00wt.％、Si：<0.80wt.％、P：<0.015wt.％、S：<0.01wt.％、Nb：0.08～0.16wt.％、Ti：0.01～0.03wt.％、Al：0.01～0.05wt.％；Ni：＜1.00wt.％、V：＜0.10wt.％，余为Fe和不可避免的杂质；所述制备方法：冶炼、连铸、轧制和热处理，获得低温回火贝氏体和马氏体组织。该钢板制造工艺简单，具有高屈服强度、低屈强比和高延伸率的综合力学性能，同时具有抗震、耐火耐蚀的功能，焊接性能良好。

Description

一种高强度抗震耐火耐蚀钢板及制造方法
技术领域
本发明涉及建筑结构用钢技术领域，尤其涉及一种高强度抗震耐火耐蚀钢板及制造方法。
背景技术
目前国内屈服强度460MPa级别以下的建筑结构用抗震钢板逐渐在大型建筑中推广应用。随着现代大型建筑向高层、大跨度、高安全性及节约环保的趋势发展，需要开发更高强度的建筑结构用抗震钢板，例如屈服强度为550MPa和690MPa级别的高强度抗震钢板。建筑抗震设计规范GB50011-2010对所有强度级别抗震建筑结构用钢的其他力学性能还要求：钢材的屈强比(屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值)不应大于0.85，伸长率不应小于20％。屈服强度级别越高，以上性能同时达到的难度越高。目前屈服强度690MPa级抗震建筑用钢板的制造方法均采用较为复杂的两次两相区热处理，生产工艺复杂，成本较高。此外，传统建筑结构用钢板的耐火性和耐蚀性未充分得到重视，特别是使用过程中的耐候性欠佳，维护成本高，导致实际寿命周期不能满足建筑设计要求。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高强度抗震耐火耐蚀钢板及制造方法，钢板屈服强度达到550～690MPa级，同时满足抗震建筑用钢对屈强比、伸长率的要求，制造工艺简单，同时具有较高的耐火和耐蚀性能。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明一种高强度抗震耐火耐蚀钢板，包括：C：0.02～0.06wt.％、Cr：3.0～6.0wt.％、Mo：0.15～0.60wt.％、Mn：0.10～1.00wt.％、Si：<0.80wt.％、P：<0.015wt.％、S：<0.01wt.％、Nb：0.08～0.16wt.％、Ti：0.01～0.03wt.％、Al：0.01～0.05wt.％；Ni：＜1.00wt.％、V：＜0.10wt.％，余为Fe和不可避免的杂质；
其中，所述钢板中Cr、Mo、Mn、Nb、Ti、Al、Ni和V总量不超过7wt.％；
所述钢板的组织为低温回火贝氏体和马氏体组织。
本发明各元素的作用及配比依据进行如下说明：
碳：碳是关系强度、淬透性和稳定奥氏体的重要元素之一，具有强烈的固溶强化和相变强化作用，也是形成纳米MC(M为合金元素)型第二相的必要元素；在合金含量能够保证淬透性的前提下，碳含量越高，贝氏体或马氏体组织的韧塑性越差，钢的焊接性越差，因此碳含量不能太高，但C含量也不能过低，否则不能形成较多的纳米MC相。本发明采用超低碳含量(0.02～0.06wt.％)设计，与较高Cr含量配合获得低温回火贝氏体和马氏体组织，具有意想不到的高强度高塑性低屈强比特点；超低碳含量设计可以使得复合微合金元素Nb、V、Mo等在热处理过程中绝大部分固溶于奥氏体中，但在钢板遇火升温的过程中可以在铁素体基中析出细小、不易粗化的纳米MC相，可以抑制贝氏体和马氏体组织的回复与再结晶，还起沉淀强化作用，起到较强的耐火作用。
铬：固溶Cr能够显著提高钢的淬透性、耐蚀性和耐火性；Cr也能进入到MC相中，进一步提高耐火性；特别是较高的Cr含量与超低碳配合，获得了高强度高塑性低屈强比低温回火贝氏体和马氏体组织。Cr含量低于3.0wt％，淬透性不足且耐蚀性不突出；Cr含量高于6.0wt.％，一方面增加合金成本，另一方面淬透性过高，不能得到足够多的贝氏体组织，对较低的屈强比和较高的塑性控制不利。本发明将Cr含量范围为3.0～6.0wt.％。
钼：固溶Mo显著提高钢的淬透性、耐火性和耐蚀性，遇火升温时Mo还与Nb、V、Ti形成纳米MC相，一方面增加MC析出量，另一方面分布于MC相粒子表面和降低MC与基体间的界面从而抑制MC相粗化，因此进一步提高耐火性；Mo含量低于0.15wt.％时上述作用不显著；钼含量超过0.60wt.％时，一方面成本较高，另一方面与高Cr含量一样会使淬透性过高。因此，本发明钢钼含量控制在0.15-0.60wt.％范围内。
锰：显著提高奥氏体的稳定性和钢的淬透性，也是钢中的脱氧元素之一；Mn含量高于1.0wt.％对控制成分偏析不利和对适宜的淬透性控制不利。本发明钢的锰含量范围为0.10～1.00wt.％。
硅：钢中脱氧元素之一，但过量的Si将恶化钢的韧性及焊接性能。本发明钢的硅含量控制在0.80wt.％以下。
铌：固溶Nb起抑制奥氏体粗化与再结晶、提高淬透性的作用，析出MCN(M为合金元素)相抑制奥氏体粗化、再结晶和沉淀强化作用，因此固溶Nb和析出Nb都提高耐火性，低于0.08wt.％，不能保证高的耐火性，而高于0.16wt.％的Nb提高成本。本发明钢铌含量在0.08-0.16wt.％以内。由于NbC的固溶度积与TiC相当，都较低，而VC的固溶度积较大，且Nb的耐火性比Ti、V要高得多，因此本发明选择较高的Nb微合金化，而Ti和V作为提高耐火性的微合金化辅助元素。
钒：固溶V显著提高淬透性，析出MC相具有沉淀强化作用，也提高耐火性；过高含量的V，其沉淀强化效果提高不明显，且成本较高。本发明钢V含量控制在0.10wt.％以内，
钛：本发明主要微Ti处理细化加热奥氏体晶粒。Ti主要与N结合，从固态钢中沉淀析出，形成纳米级尺寸的TiN粒子。在现代先进钢铁冶炼控制下，N含量一般不超过70ppm，因此按照TiN的理想化学配比，Ti含量添加一般不超过0.03wt.％，过高的Ti反而容易形成粗大的液析TiN，严重损害钢的韧塑性；过低的Ti不能形成有效数量的固析TiN，因此本发明钢Ti含量应控制在0.01-0.03wt.％范围内。
镍：镍提高钢的淬透性，并具有耐大气和氯盐腐蚀性能；但其价格较高，因此控制在1.00wt.％以内。
铝：铝是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒作用。
磷和硫：钢中杂质元素，显著降低塑韧性，其含量应分别控制在0.015wt.％和0.01wt.％以内。
本发明一种高强度抗震耐火耐蚀钢板的制造方法，包括按照合金成分规则常规冶炼钢水、钢水连铸成坯或铸造开坯，然后将铸坯进行轧制和热处理步骤，其特征在于，轧制和热处理具体如下：
(1)轧制：在加热炉中加热所述铸坯至1200～1280℃，保温0.5～3h，较高的加热温度可以使微合金元素完全固溶和采用高温大压下以便获得均匀的再结晶晶粒；然后在轧机中将所述铸坯轧制为钢板：先进行2～5道次粗轧再进行3～10道次精轧，然后冷却至室温，其中所述粗轧初轧温度为1100-1200℃、终轧温度为1050-1100℃，所述粗轧每道次压下量大于25％，所述精轧初轧温度为1020-1080℃、终轧温度为900～1000℃，所述精轧每道次压下量大于15％，粗轧和精轧过程中控制较高的温度且不待温以获得均匀细小的等轴奥氏体晶粒；
(2)热处理：对轧制后所述钢板淬火：淬火温度为900～950℃，保温时间为20min～1h，以获得较小的奥氏体晶粒尺寸同时大部分微合金元素固溶，水冷至250℃以下后冷却至室温；对淬火后所述钢板回火：回火温度为200～250℃，保温时间为0.5～2h，冷却至室温，回火的目的是为了消除相变应力。
进一步地，步骤(1)中所述轧机为中厚板轧机，所述中厚板轧机可以轧制6mm以上的中厚钢板，且轧制后可进行多种冷却方式。
进一步地，步骤(1)中所述冷却方式为层流冷却或空冷，其中层流冷却方式为：在所述轧机上对精轧后所述钢板层流冷却至250℃以下，然后空冷至室温，其中所述层流冷却速度大于15℃/s。
进一步地，厚度小于40mm的钢板，在步骤(1)中采用层流冷却方式时，可不经所述步骤(2)热处理，同时所述层流冷却空冷时，将所述钢板进行堆垛空冷，堆垛空冷以消除相变应力。
进一步地，步骤(2)中所述水冷至250℃以下后冷却至室温的冷却方式为空冷；所述回火的冷却方式为空冷。
本发明有益效果如下：
本发明提供的一种高强度抗震耐火耐蚀钢板及制造方法，采用低C、以Cr为主的合金设计和Nb-Mo-Ti等复合微合金化，对常规冶炼和连铸得到的铸坯进行轧制、淬火和回火，对于厚度小于40mm的钢板可以在轧机上通过层流冷却进行直接淬火，再结合堆垛空冷，就可获得低温回火贝氏体和马氏体组织，钢板屈服强度达到550～690MPa级，同时满足抗震建筑用钢对屈强比、伸长率的要求；制造工艺简单，制造的钢板具有高屈服强度、低屈强比和高延伸率的综合力学性能，同时具有抗震、耐火耐蚀的功能，焊接性能良好。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例1#钢板组织OM照片；
图2为实施例1#钢板组织SEM照片；
图3为实施例1#钢板组织中Nb、Ti、Mo复合纳米碳化物析出相TEM照片；
图4为实施例1#钢板组织中Nb、Ti、Mo复合纳米碳化物析出相EDS能谱图(Cu峰来自Cu网)。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明所述高强度指550MPa级以上。
实施例1
本发明实施例通过真空感应炉，利用常规冶炼方法冶炼了四种高强度抗震耐火耐蚀钢水，然后经过常规浇铸后锻造开坯形成220mm厚的钢板，分别标记为1#、2#、3#和4#，其四种钢板的主要化学成分如表1所示，由表可以看出，四种钢板的成分均符合要求。
然后将四种钢板按照以下步骤进行轧制和热处理：
(1)轧制：在加热炉中加热所述铸坯至1200～1280℃，保温0.5～3h；然后在轧机中将所述铸坯轧制为钢板：先进行2～5道次粗轧再进行3～10道次精轧，然后冷却至室温，其中所述粗轧初轧温度为1100-1200℃、终轧温度为1050-1100℃，所述粗轧每道次压下量大于25％，所述精轧初轧温度为1020-1080℃、终轧温度为900～1000℃，所述精轧每道次压下量不大于15％；其中所述冷却方式为层流冷却或空冷，其中层流冷却方式为：在所述轧机上对精轧后所述钢板层流冷却至250℃以下，然后空冷至室温，其中所述层流冷却速度大于15℃/s；
(2)热处理：对轧制后所述钢板淬火：淬火温度为900～950℃，保温时间为20min～1h，水冷至250℃以下后空冷至室温；对淬火后所述钢板回火：回火温度为200～250℃，保温时间为0.5～2h，空冷至室温；
由于钢板厚度小于40mm，因此在轧制过程中采用层流冷却方式冷却的钢板可以不经过步骤(2)的热处理过程，同时在进行所述层流冷却空冷时，控制所述钢板进行堆垛空冷，四种钢板的具体轧制和热处理制度如下：
1#：将铸坯加热至1200℃，保温时间3h，粗轧开轧温度为1140℃，粗轧终轧温度为1065℃，经4道次粗轧，每道次压下量为27％，将钢板厚度由220mm轧制为64mm，精轧开轧温度为1050℃，精轧终轧温度为940℃，经5道次精轧，每道次压下量为20％，将钢板厚度由64mm轧制为22mm；以18℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至200℃，然后堆垛空冷至室温，不经过热处理；
2#：将铸坯加热至1250℃，保温时间1h，粗轧开轧温度为1200℃，粗轧终轧温度为1085℃，经4道次粗轧，每道次压下量为27％，将钢板厚度由220mm轧制为64mm，精轧开轧温度为1055℃，精轧终轧温度为960℃，经5道次精轧，每道次压下量为20％，将钢板厚度由64mm轧制为22mm，然后空冷至室温；然后将钢板进行热处理：淬火：将钢板加热到930℃，保温30min后水冷200℃后空冷至室温；回火：加热到200℃，保温2h，空冷至室温；
3#：将铸坯加热至1200℃，保温时间1h，粗轧开轧温度为1120℃，粗轧终轧温度为1055℃，经4道次粗轧，每道次压下量为27％，将钢板厚度由220mm轧制为64mm，精轧开轧温度为1025℃，精轧终轧温度为905℃，经5道次精轧，每道次压下量为20％，将钢板厚度由64mm轧制为22mm，然后以20℃/s的冷却速度层流冷却至237℃，空冷至室温；然后将钢板进行热处理：淬火：将钢板加热到900℃，保温1h后水冷至250℃空冷至室温；回火：加热到225℃，保温1h，空冷至室温；
4#：将铸坯加热至1280℃，保温时间0.5h，粗轧开轧温度为1200℃，粗轧终轧温度为1090℃，经4道次粗轧，每道次压下量为27％，将钢板厚度由220mm轧制为64mm，精轧开轧温度为1080℃，精轧终轧温度为980℃，经5道次精轧，每道次压下量为20％，将钢板厚度由64mm轧制为22mm，然后以22℃/s的冷却速度层流冷却至206℃，空冷至室温；然后将钢板进行热处理：淬火：将钢板加热到950℃，保温0.5h后水冷至200℃空冷至室温；回火：加热到250℃，保温0.5h，空冷至室温。
将四种钢板进行力学性能测试，结果如表2所示，由表可以看出，1#和2#钢板的室温屈服强度达到550MPa级，3#和4#钢板的室温屈服强度达到690MPa级，且各钢板的屈强比不高于0.73，延伸率不低于22％；说明四种钢板均满足抗震建筑用钢的综合力学性能要求；600℃屈服强度均大于室温屈服强度标准(550MPa级和690MPa级)的2/3，说明四种钢板均具有良好的耐火性。
然后将四种钢板进行耐腐蚀性能测试，实验条件为：室温下，在pH＝7的2％NaCl溶液中浸蚀168h，以Q345钢为对比钢板，腐蚀结果如表3所示，以Q345钢板的腐蚀结果为1，本发明四种钢板的腐蚀结果不高于Q345钢板腐蚀结果的25％，说明本发明四种钢板具有良好的耐腐蚀性能。
四种钢板屈服强度达550MPa和690MPa级，且其屈强比和伸长率均满足抗震建筑用钢的要求，同时具有较高的耐火耐蚀性能。
表1 化学成分(wt％)
编号 C Si Mn S P Cr Mo Ni Nb Ti V Al
1# 0.026 0.50 0.50 0.005 0.012 5.10 0.21 - 0.12 0.012 - 0.025
2# 0.032 0.35 0.78 0.006 0.014 4.05 0.32 0.25 0.09 0.015 0.03 0.016
3# 0.052 0.25 0.35 0.005 0.011 3.26 0.52 0.45 0.10 0.01 0.08 0.035
4# 0.047 0.25 0.55 0.005 0.004 3.47 0.56 0.82 0.15 0.012 - 0.028
表2 力学性能
表3 耐腐蚀性能
钢板 Q345 1# 2# 3# 4#
相对腐蚀率 100％ 23％ 25％ 22％ 21％
实施例2
本发明对1#钢板进行微观组织实验，OM的实验条件：将1#钢板试样经机械抛光后采用3％硝酸酒精溶液进行浸蚀，然后分别在Zeiss 40MAT数字金相显微镜观察1#钢板的微观OM照片，如图1所示，可以看出本发明1#钢板热处理后组织为低温回火贝氏体和马氏体组织；
SEM的实验条件：将1#钢板试样经机械抛光后采用3％硝酸酒精溶液进行浸蚀，然后分别在日本Hitachi S-4300扫描电子显微镜下观察1#钢板的微观SEM照片，如图2所示，可以看出本发明1#钢板的组织为低温回火贝氏体和马氏体组织；
TEM和EDS的实验条件：将1#钢板试样采用10％硝酸酒精腐蚀、喷碳、再腐蚀、脱膜，然后用Cu网固定制作复型碳膜样品，然后放入FEI Tecnai G2F20透射电子显微镜下进行观察析出物和析出物的能谱分析，析出物形貌如图3所示，析出物的能谱分析如图4所示，由图4可以看出析出物为V、Cr、Mo的复合碳化物，由图3析出物尺寸约10nm，说明Nb、Ti、Mo的复合碳化物属于纳米级别，而Nb、Ti、Mo的复合纳米碳化物在1#钢板中起显著的沉淀强化作用。
综上所述，本发明实施例提供了一种高强度抗震耐火耐蚀钢板及制造方法，采用低C、以Cr为主的合金设计和Nb-Mo-Ti等复合微合金化，对常规冶炼和连铸得到的铸坯进行轧制、淬火和回火获得低温回火贝氏体和马氏体组织，钢板屈服强度达到550～690MPa级，同时满足抗震建筑用钢对屈强比、伸长率的要求；制造工艺简单，制造的钢板具有高屈服强度、低屈强比和高延伸率的综合力学性能，同时具有抗震、耐火耐蚀的功能，焊接性能良好。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高强度抗震耐火耐蚀钢板的制造方法，其特征在于，所述钢板包括：C：0.02～0.06wt.％、Cr：3.0～6.0wt.％、Mo：0.15～0.60wt.％、Mn：0.10～1.00wt.％、Si：<0.80wt.％、P：<0.015wt.％、S：<0.01wt.％、Nb：0.08～0.16wt.％、Ti：0.01～0.03wt.％、Al：0.01～0.05wt.％；Ni：＜1.00wt.％、V：＜0.10wt.％，余为Fe和不可避免的杂质，其中，所述钢板中Cr、Mo、Mn、Nb、Ti、Al、Ni和V总量不超过7wt.％，所述钢板的组织为低温回火贝氏体和马氏体组织；
所述方法包括按照合金成分规则常规冶炼钢水、钢水连铸成坯或铸造开坯，然后将铸坯进行轧制和热处理步骤，其特征在于，轧制和热处理具体如下：
(1)轧制：在加热炉中加热所述铸坯至1200～1280℃，保温0.5～3h；然后在轧机中将所述铸坯轧制为钢板：先进行2～5道次粗轧再进行3～10道次精轧，然后冷却至室温，其中所述粗轧初轧温度为1100-1200℃、终轧温度为1050-1100℃，所述粗轧每道次压下量大于25％，所述精轧初轧温度为1020-1080℃、终轧温度为900～1000℃，所述精轧每道次压下量大于15％；
(2)热处理：对轧制后所述钢板淬火：淬火温度为900～950℃，保温时间为20min～1h，水冷至250℃以下后冷却至室温；对淬火后所述钢板回火：回火温度为200～250℃，保温时间为0.5～2h，冷却至室温。
2.根据权利要求1所述高强度抗震耐火耐蚀钢板的制造方法，其特征在于，步骤(1)中所述轧机为中厚板轧机。
3.根据权利要求1所述抗震耐火耐蚀钢板的制造方法，其特征在于，步骤(1)中所述冷却方式为层流冷却或空冷，其中层流冷却方式为：在所述轧机上对精轧后所述钢板层流冷却至250℃以下，然后空冷至室温，其中所述层流冷却速度大于15℃/s。
4.根据权利要求3所述高强度抗震耐火耐蚀钢板的制造方法，其特征在于，厚度小于40mm的钢板，在步骤(1)中采用层流冷却方式时，可不经所述步骤(2)热处理，同时所述层流冷却空冷时，将所述钢板进行堆垛空冷。
5.根据权利要求1所述高强度抗震耐火耐蚀钢板的制造方法，其特征在于，步骤(2)所述水冷至250℃以下后冷却至室温中的冷却方式为空冷；所述回火的冷却方式为空冷。
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