CN108396228B - 一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢及其热处理工艺 - Google Patents

一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢及其热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢及其热处理工艺。屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，包括以下化学成分及重量百分比：C：0.06～0.10，Si：0.20～0.40，Mn：0.40～0.70，P：≤0.035，S：≤0.010，Cr：2.00～3.50，Ni：0.30～0.50，Cu：0.30～0.50，V：0.015～0.035，Alt：0.020～0.040，其余为Fe及不可避免的杂质。其热处理回火工艺包括以下步骤：以5℃/s～20℃/s加热至600℃～700℃，保温2h后空冷。据所述热处理工艺得到的高耐候热轧H型钢的屈服强度超过480MPa，抗拉强度超过600MPa，断后伸长率超过20％，‑40℃KV2型冲击功不低于65J，具备良好低温冲击韧性。

Description

一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢及其热处理工艺
技术领域
本发明属于金属材料生产技术领域，具体涉及一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢及其热处理工艺。
背景技术
耐候热轧H型钢主要应用于铁路货车底架和桥梁结构，随着国内轨道交通运输向高速化、重载化、长寿命发展，在不同的气候区域穿梭运行，而桥梁向大跨度、轻量化发展，建设服役环境也覆盖国内的不同气候区域，铁路货车底架和桥梁结构制造迫切需要同时具有高耐候性、高强度、高韧性的热轧H型钢。
热轧H型钢为达到高耐候性要求(相对Q345B腐蚀率≤30％)，其Cr、Ni、Cu含量较高，超过目前国内已开发的普通耐候热轧H型钢(如Q450NQR1牌号，相对Q345B腐蚀率≤55％)，尤其是Cr含量超过2.0wt％，远高于普通耐候产品的0.3wt％。于此同时，由于要求具备较高的强度ReL≥450MPa和优良的低温韧性-40℃KV2≥27J，对于热轧H型钢的制造工艺要求很高。
由于目前国内热轧H型钢的生产工艺和装备限制，奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制均无法实现大压下，轧后采用空冷或喷水冷却，经过多次验证，仅采用国内目前的热轧H型钢工装，热轧态的高耐候性热轧H型钢，其显微组织基本为粒状贝氏体或上贝氏体，产品的强度高但塑韧性差，屈服强度通常超过800MPa，抗拉强度超过900MPa，而其-40℃KV2型冲击功均值仅为15J左右，在承受动载或冲击时，容易出现脆断，严重影响铁路货车和桥梁的服役安全，对结构加工也非常不利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，精确控制钢的化学成分。
本发明的另一目的在于提供一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的热处理工艺，通过对回火工艺及参数的控制，获得具备良好低温冲击韧性的屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢。
本发明的另一目的还在于提供一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的制备方法，通过热轧和热处理工艺及参数的控制，降低了高耐候热轧H型钢的轧制难度并获得良好低温冲击韧性的高耐候热轧H型钢。
本发明提供的一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，包括以下化学成分及重量百分比：C：0.06～0.10％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.40～0.70％，P：≤0.035％，S：≤0.010％，Cr：2.00～3.50％，Ni：0.30～0.50％，Cu：0.30～0.50％，V：0.015～0.035％，Alt：0.020～0.040％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，优选为包括以下化学成分及重量百分比：C：0.07～0.09％，Si：0.25～0.32％，Mn：0.52～0.63％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Cr：2.45～3.35％，Ni：0.34～0.42％，Cu：0.35～0.45％，V：0.021～0.028％，Alt：0.022～0.034％，其余为Fe及不可避免的杂质。
更进一步地，优选为包括以下化学成分及重量百分比：C：0.08％，Si：0.29％，Mn：0.56％，P：0.012％，S：0.009％，Cr：3.10％，Ni：0.40％，Cu：0.42％，V：0.026％，Alt：0.023％，其余为Fe及不可避免的杂质。
在上述配方中，各化学成分的作用如下：
C：提高强度最经济有效的元素，但为提升可焊性，以及避开包晶区，采用较低的含量，控制范围0.06～0.10％。
Si：固溶强化提高强度，但为避免恶化可焊性，控制范围0.20～0.40％。
Mn：降低相变温度，细化显微组织，也有固溶强化效果，同时降低S对力学性能的不利影响，但为避免大幅淬透性，恶化可焊性，控制范围0.40～0.70％。
P：避免冷脆影响，降低可焊性和低温冲击韧性，控制范围≤0.035％。
S：避免硫化物夹杂对强度和韧性的不利影响，降低连铸坯裂纹发生概率，控制范围≤0.010％。
Cr：提升锈层致密性和稳定性，大幅提升耐腐蚀性，为弥补因P含量较低无法有效发挥Cu-P提升耐腐蚀性能的作用效果，其含量较高，控制范围2.00～3.50％。
Ni：显著提升耐腐蚀性能，同时避免Cu热脆引起的网裂，Ni/Cu比控制在1左右，但价格昂贵，控制范围0.30～0.50％。
Cu：提升耐腐蚀性的主要合金元素，固溶强化和沉淀强化提高强度，但为避免恶化低温冲击韧性，也降低连铸坯加热时的表面裂纹敏感性，控制范围0.30～0.50％。
V：利用V-N的固溶强化和沉淀强化，大幅提升强度，但为避免过多恶化低温冲击韧性，控制范围0.015～0.035％。
Alt：主要脱氧元素，细化奥氏体晶粒，但为避免会氧化物夹杂数量大幅增加，降低钢的韧性和耐蚀性，控制范围0.020～0.040％。
本发明还提供了所述屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的热处理工艺，包括以下步骤：以5℃/s～20℃/s加热至600℃～700℃，保温2h后空冷。
热轧H型钢由于形状复杂，加热过程中横截面各点的加热速度不同，尤其是端部与内圆角，外层与芯部，差别较大，各点的加热温度控制在5℃/s～20℃/s，均能获得目标力学性能。加热速度过低，能耗加大，生产效率降低，而加热温度过高，外层与芯部热应力大，易出现裂纹影响表面质量。
如回火温度低于600℃时，显微组织为粒状贝氏体加铁素体，M/A岛外形狭长，块状铁素体析出数量较多，且相互连接形成网状，基体连续性被破坏，同时碳化物与铁素体基体脱离共格关系并聚集长大，沿贝氏体板条和网状铁素体界面析出，在部分截面形成连续碳化物薄膜，晶界弱化，综合力学性能差。本发明将回火温度控制在600℃～700℃，合金碳化物在贝氏体板条间以颗粒状析出，推迟了铁素体再结晶，仅形成少量多边形铁素体，而通过贝氏体板条合并形成大量准多边形铁素体，剩下的位错重新排列形成二维位错网格并多边化，碳化物大量析出并聚集球化，且未形成薄膜状，大幅降低了位错塞积和盘结，综合力学性能明显提升。如回火温度继续升高，合金碳化物颗粒过渡粗化，反而恶化力学性能。
进一步地，所述热处理工艺中优选为包括以下步骤：以8℃/s～16℃/s加热至638℃～684℃，保温2h后空冷至室温。
进一步地，所述热处理工艺中更优选为包括以下步骤：包括以下步骤：以10℃/s加热至680℃，保温2h后空冷至室温。
根据所述热处理工艺得到的高耐候热轧H型钢的屈服强度超过480MPa，抗拉强度超过600MPa，断后伸长率超过20％，-40℃KV2型冲击功不低于65J。
本发明还提供了所述屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的制备方法，包括如下步骤：坯料采用无控轧控冷的热轧工艺制备得到H型钢，再经上述热处理工艺进行处理。
进一步地，所述热轧工艺中，坯料加热温度1226℃，在炉2h，开轧温度1093℃，终轧温度907℃。
本发明提供的所述屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的热处理工艺，在对热轧钢进行回火处理后，获得近似回火屈氏体的高温回火组织，碳化物以细小弥散的颗粒状分布于铁素体基体上，显微组织分布均匀，产品屈服强度和抗拉强度降低，断后伸长率及低温冲击韧性明显提高。
本发明的原理为：采用常规热轧工艺生产的屈服强度450MPa级耐候热轧H型钢，由于促进贝氏体析出的合金元素含量较高，在空冷的条件下形成的热轧态组织几乎都为粒状贝氏体组织，而由于当前炼钢设备限制导致的C含量偏高，其以间隙形态分布于α-Fe晶格内，晶格畸变大，严重降低了产品的低温冲击韧性。通过采用轧后的重新加热回火热处理工艺，使得C以化合物形态形式析出和偏聚，呈细小的颗粒状分布于铁素体基体上，同时铁素体基体内部的位错通过合并重新排列，显著降低了位错密度，至此能够获得近似回火屈氏体的高温回火组织，而由于增强淬透性的合金元素含量高，该组织具有良好的均匀性和综合力学性能。
通过本发明公开的方法，能够保证高耐候性的热轧H型钢获得屈服强度超过480MPa，抗拉强度超过600MPa，断后伸长率超过20％，-40℃KV2型冲击功均值不低于65J的的力学性能；此法对原始组织要求不高，无论显微组织是粒状贝氏体、上贝氏体、还是贝氏体加铁素体的混合组织，通过此法均能获得满足技术要求的产品；由于高耐候热轧H型钢的Cr含量高，轧制压力大，但此法对显微组织不敏感，可采用无控制控冷的常规热轧工艺，降低了高耐候热轧H型钢的轧制难度及生产。
附图说明
图1为实施例1中的热轧H型钢回火后的SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，按质量百分比(wt％)，熔炼化学成分配比为：C：0.08，Si：0.29，Mn：0.56，P：0.012，S：0.009，Cr：3.10，Ni：0.40，Cu：0.42，V：0.026，Alt：0.023，其余为Fe及其他不可避免的杂质。
所述屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的制备方法为：
以17mm翼缘厚度的热轧H型钢为例，坯料经热轧工艺加工：加热温度1226℃，在炉2h，开轧温度1093℃，终轧温度907℃；
然后经回火工艺进行热处理：从冷态以10℃/s加热至680℃，保温2h，出炉后空冷。
本实施例得到的屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的最终的屈服强度为519MPa，抗拉强度为624MPa，断后伸长率为21.0％，-40℃KV2型冲击功均值为76J。
实施例2
一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，按质量百分比(wt％)，熔炼化学成分配比为：C：0.06，Si：0.28，Mn：0.42，P：0.010，S：0.006，Cr：2.52，Ni：0.33，Cu：0.38，V：0.019，Alt：0.026，其余为Fe及其他不可避免的杂质。，
所述屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的制备方法为：
以17mm翼缘厚度的热轧H型钢为例，坯料经热轧工艺加工：加热温度1226℃，在炉2h，开轧温度1093℃，终轧温度907℃；
然后经回火工艺进行热处理：从冷态以6℃/s加热至615℃，保温2h，出炉后空冷。
本实施例得到的屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的最终的屈服强度为510MPa，抗拉强度为609MPa，断后伸长率为24.0％，-40℃KV2型冲击功均值为88J。
实施例3
一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，按质量百分比(wt％)，熔炼化学成分配比为：C：0.09，Si：0.36，Mn：0.61，P：0.010，S：0.009，Cr：2.80，Ni：0.46，Cu：0.45，V：0.033，Alt：0.036，其余为Fe及其他不可避免的杂质。
所述屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的制备方法为：
以17mm翼缘厚度的热轧H型钢为例，坯料经热轧工艺加工：加热温度1226℃，在炉2h，开轧温度1093℃，终轧温度907℃；
然后经回火工艺进行热处理：从冷态以18℃/s加热至700℃，保温2h，出炉后空冷。
本实施例得到的屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的最终的屈服强度为526MPa，抗拉强度为633MPa，断后伸长率为20.5％，-40℃KV2型冲击功均值为70J。
比较例1
其他同实施例1，只是其中的热处理工艺为：从冷态以10℃/s加热至500℃，保温2h，出炉后空冷。
本比较例得到的高耐候热轧H型钢的最终的屈服强度为507MPa，抗拉强度为614MPa，断后伸长率为14.5％，-40℃KV2型冲击功均值为16J。
比较例2
其他同实施例1，只是钢成分及重量百分比为：C：0.12，Si：0.42，Mn：0.31，P：0.015，S：0.010，Cr：3.80，Ni：0.26，Cu：0.42，V：0.012，Alt：0.023，其余为Fe及其他不可避免的杂质。
本比较例得到的高耐候热轧H型钢的最终的屈服强度为443MPa，抗拉强度为562MPa，断后伸长率为18.0％，-40℃KV2型冲击功均值为22J，产品表面出现翘皮和折叠。
上述参照实施例对一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢及其热处理工艺进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，其特征在于，包括以下化学成分及重量百分比：C：0.07～0.09％，Si：0.25～0.32％，Mn：0.52～0.63％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Cr：2.45～3.35％，Ni：0.34～0.42％，Cu：0.35～0.45％，V：0.021～0.028％，Alt：0.022～0.034％，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的制备方法包括以下步骤：坯料采用无控轧控冷的热轧工艺制备得到热轧H型钢，再经热处理工艺进行处理；
所述热轧工艺中，坯料加热温度1226℃，在炉2h，开轧温度1093℃，终轧温度907℃；
所述的屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的热处理工艺为：以5℃/s～20℃/s加热至600℃～700℃，保温2h后空冷；
所述屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢的-40℃KV2型冲击功不低于65J。
2.根据权利要求1所述的屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，其特征在于，包括以下化学成分及重量百分比：C：0.08％，Si：0.29％，Mn：0.56％，P：0.012％，S：0.009％，Cr：3.10％，Ni：0.40％，Cu：0.42％，V：0.026％，Alt：0.023％，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，其特征在于，包括以下步骤：以8℃/s～16℃/s加热至638℃～684℃，保温2h后空冷。
4.根据权利要求1所述的屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，其特征在于，包括以下步骤：以10℃/s加热至680℃，保温2h后空冷。
5.根据权利要求1所述的屈服强度450MPa级高耐候热轧H型钢，其特征在于，根据所述热处理工艺得到的高耐候热轧H型钢的屈服强度超过480MPa，抗拉强度超过600MPa，断后伸长率超过20％。
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