CN108950380A

CN108950380A - 一种q690gj建筑钢板及其制备方法

Info

Publication number: CN108950380A
Application number: CN201810592924.3A
Authority: CN
Inventors: 邓伟; 崔强; 李昭东; 李恒坤
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2018-12-07

Abstract

本发明公开了Q690GJ建筑钢板，按质量百分比包括如下化学成分：C：0.03‑0.15％、Si：0.20‑0.60％、Mn：1.30‑2.10％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Cr：0.35‑1.20％、Ni：0.30‑1.50％、Mo：0.25‑0.80％、Cu：0.20‑0.60％、Nb：≤0.11％、V：≤0.12％、Ti：0.01‑0.03％、B：≤0.0030％、Al：0.01‑0.06％，余量为Fe和杂质；还公开了其制备方法：冶炼连铸、轧制和热处理。性能指标为：屈服强度≥690MPa，抗拉强度770‑940MPa，延伸率≥18％，屈强比≤0.85，‑40℃冲击功≥150J。

Description

一种Q690GJ建筑钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及Q690钢板及其制备方法，具体涉及Q690GJ建筑钢板及其制备方法。

背景技术

目前国内应用的建筑结构用钢板以Q235级、Q345级为主，少量使用Q390级，最高屈服强度不超过460MPa。而国外已经开始应用屈服强度600-700MPa钢板，甚至开发更高强度的建筑钢结构用钢材。随着我国现代城市建筑向超高层、大跨度、高安全性及节约环保的方向发展，需要开发更高强度钢板满足建筑钢结构的设计施工要求，由此提出采用Q690GJ钢板作为其建筑钢结构主体材料。与GB/T1591-2008和GB/T16270-2009中规定的Q690级钢板不同，Q690GJ作为一种建筑钢结构用专用钢板，在材料强度范围、屈强比和断后伸长率等多个方面提出更高要求。

抗震性是建筑结构用钢板需要达到的主要指标之一，所有建筑都需要满足抗震设计规范GB50011-2010的要求，要求钢材屈强比不应大于0.85。目前Q690GJ低屈强比抗震建筑钢板还未见成功报道。

CN105420632A公开了一种Q690CF热轧钢板及其制备方法，其屈强比≤0.93，不能满足抗震设计规范屈强比≤0.85的要求；CN106399840A公开了低成本低屈强比调质型Q690E钢板及生产方法，其延伸率≥14％，不具有高塑性的要求，且-40℃冲击功≥34J，低温韧性较差。CN107058898A公开了一种Q690D低碳贝氏体钢及其生产方法，其所制得的钢板屈服强度、抗拉强度及屈强比可满足建筑钢的要求，但只能满足-20℃低温冲击，不能满足-40℃低温冲击要求。

发明内容

发明目的：为了解决现有Q690系列钢板不能满足建筑钢板的性能需求，本发明一方面提供了一种Q690GJ建筑钢板，本发明第二方面提供了Q690GJ建筑钢板的制备方法；得到包括M³组织、超高强度、高韧性、高塑性、低屈强比、耐火、耐候的优良建筑钢板。

针对Q690GJ高性能建筑结构用钢板的高强度、高韧性、高塑性与低屈强比的力学性能特点，本发明采用M³组织调控技术进行Q690GJ钢的成分组织设计。所谓M³组织调控技术即多相Multi-phase、亚稳Meta-stable、多尺度Multi-scale组织设计及其热处理调控技术。

技术方案：本发明所述一种Q690GJ建筑钢板，其按质量百分比包括如下化学成分：C：0.03-0.15wt.％、Si：0.20-0.60wt.％、Mn：1.30-2.10wt.％、P：≤0.015wt.％、S：≤0.008wt.％、Cr：0.35-1.20wt.％、Ni：0.30-1.50wt.％、Mo：0.25-0.80wt.％、Cu：0.20-0.60wt.％、Nb：≤0.11wt.％、V：≤0.12wt％、Ti：0.01-0.03wt.％、B：≤0.0030wt.％、Al：0.01-0.06wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。

优选地，所述建筑钢板按质量百分比包括如下化学成分：C：0.08-0.15wt.％、Si：0.25-0.50wt.％、Mn：1.40-2.00wt.％、P：＜0.014wt.％、S：＜0.006wt.％、Cr：0.40-1.20wt.％、Ni：0.40-1.50wt.％、Mo：0.30-0.80wt.％、Cu：0.25-0.60wt.％、Nb：0.03-0.11wt.％、V：0.04-0.12wt％、Ti：0.01-0.03wt.％、B：0.0001-0.0025wt.％、Al：0.02-0.05wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。

更优选地，所述建筑钢板按质量百分比包括如下化学成分：C：0.08-0.14wt.％、Si：0.30-0.45wt.％、Mn：1.40-1.90wt.％、P：＜0.014wt.％、S：＜0.005wt.％、Cr：0.45-1.10wt.％、Ni：0.50-1.50wt.％、Mo：0.40-0.80wt.％、Cu：0.30-0.50wt.％、Nb：0.06-0.11wt.％、V：0.045-0.12wt％、Ti：0.01-0.03wt.％、B：0.0001-0.0022wt.％、Al：0.02-0.05wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。

其中，＜或≤包括质量百分比为0的情况。

本发明的Q690GJ钢板中，对化学成分配比设计作详细叙述：

C：本发明中的建筑钢采用低碳成分设计，C含量范围为0.06-0.15％，有效解决了C含量较高对钢的冲击韧性尤其是上平台冲击功不利的不利影响，明显损害焊接性能这一技术问题；C同时提高屈服强度和抗拉强度，但对抗拉强度提升更大，因此，适当增加钢中的碳含量，有利于降低试验钢的屈强比。然而，随着碳含量增加，钢的低温韧性下降，Ceq和Pcm显著提高，焊接性能恶化。因此，将试验钢的C含量控制在0.06-0.15％的范围内。

Si：本发明钢的Si含量范围为0.20-0.60％，有效防止了过量的Si对于钢的韧性及焊接性能的恶化；Si在钢中增加残余奥氏体或M-A岛数量，有利于降低屈强比，但过高的Si含量降低焊接热影响区的低温韧性，不适于在钢中添加过高的Si。因此，将Si含量控制在0.20-0.60％的范围内。

Mn：本发明钢Mn含量范围为1.30-2.10％，不仅扩大了微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积，避免过多的微合金碳氮化物在轧制过程中形变诱导析出，同时防止在铸坯中的偏析倾向增加而对焊接性能造成的不利。

P和S：本发明中P和S的含量分别控制在0.015％和0.008％以内，其为钢中杂质元素，控制含量能够显著提高塑韧性和焊接性能。

Cr：本发明中Cr含量控制在0.35～1.20％，不仅提高钢的淬透性、耐大气腐蚀性能及耐火性，同时防止较高的Cr将降低焊接性能；Cr是铁素体形成元素，0.35％以上的含量可以保证在钢中生成一定比例的铁素体软相，有利于降低屈强比；Cr促使致密内锈层的形成，有利于提高耐候性能。

Ni：本发明中Ni含量控制在0.30～1.50％，Ni提高锈层的稳定性，有利于提高耐候性能；逆转变奥氏体的控制是提高该钢韧性及塑性的技术核心，而逆转变奥氏体是通过Ni、Mn等奥氏体稳定化元素在两相区热处理过程中发生局部配分和元素富集得到的。Ni含量控制在0.30～1.50％时，通过热处理在细晶铁素体或回火马氏体基体中获得适量的、纳米或亚微米级尺寸且弥散分布、稳定性高的逆转变奥氏体，亚稳奥氏体含量5％～10％。逆转变奥氏体含量越高，尺寸越细小，且以薄膜状在马氏体板条间析出时，对钢的塑性提高和屈强比降低越有利。Ni含量低于0.3％，上述效果不明显，高于1.5％则成本高。

Mo：本发明中Mo的范围为0.25-0.80％，显著提高钢的淬透性，抑制P、S等杂质元素在晶界的偏聚，降低回火脆性，在钢中主要是起到高温固溶强化和析出强化作用，提高耐火性；Mo可以起到稳定锈层，提高耐候性的独特作用；Mo含量低于0.25％时，上述作用效果不明显；Mo显著促进贝氏体转变、降低贝氏体转变点Bs，从而有利于贝氏体的细化，提高钢的屈服强度，同时也提高钢的屈强比，因此Mo含量低于0.80％。

Cu：本发明中Cu的范围为0.20-0.60％，Cu能提高淬透性，提高强度和韧性，特别是Cu通过形成稳定的表面锈层，阻止腐蚀，显著提高耐大气腐蚀性能。另外Cu能提高钢中奥氏体的稳定性，有利于形成亚稳奥氏体；Cu含量低于0.20％时，耐大气腐蚀性能不明显，Cu含量超过0.60％时，在热加工过程容易产生热脆，塑性显著降低，并对降低可焊性。

Nb：本发明中Nb含量应控制在0.11％以下，轧制过程中固溶于奥氏体中的Nb和形变诱导析出碳氮化铌粒子显著提高奥氏体未再结晶温度，获得薄饼状奥氏体，保证获得长宽比大于3的扁平奥氏体晶粒，有助于细化铁素体和马氏体组织；固溶于奥氏体中的Nb还能够提高淬透性，固溶于铁素体和贝氏体中的Nb对提高高温强度也有显著作用，固溶于铁素体和马氏体中的Nb对提高强度也有显著作用。Nb含量超过0.11％，难以全部固溶，会在钢中以粗大的夹杂物形态存在，恶化钢的韧性和塑性。

V：本发明中V的含量不超过0.12％，由于V具有较低的全固溶温度，均热时基本全部固溶，轧制过程中固溶的V能有效提高淬透性和提高再结晶温度，热处理过程中，V的碳氮化物大量析出，显著提高强度；V含量超过0.12％，在钢中以粗大的夹杂物形态存在，恶化钢的韧性和塑性。

Ti：本发明钢中加入少量Ti是为了形成纳米级尺寸的TiN粒子，可以细化铸坯加热过程中奥氏体晶粒，Ti含量控制在0.01-0.03％范围内，低于0.01％所形成TiN数量较少，细化晶粒作用很小；高于0.03％将形成微米级尺寸的液析TiN，不仅不能起到细化晶粒作用，而且对钢板韧性有害；另外，在焊接过程中，TiN粒子阻止热影响粗晶区晶粒长大，提高焊接接头低温韧性。

B：本发明控制B范围为不超过0.0030％，B强烈偏聚于晶界而显著提高淬透性，替代Ni、Mo、Cr等贵重合金，提高强度，节约资源，降低成本；过量的硼将产生含B析出相，带来不利影响，因此B含量不超过0.0030％。

Al：本发明中铝的含量为0.01-0.06％，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，提高低温冲击韧性，降低钢的脆性转变温度。Al还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，Al与Cr、Si合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。

其中，Q690GJ建筑钢板耐大气腐蚀指数I≥6.0；I指数计算公式为I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)(％Cu)，％为质量百分比。

Q690GJ建筑钢板的性能指标为：屈服强度(ReL)≥690MPa，770MPa≤抗拉强度(Rm)≤940MPa，延伸率(A)≥18％，屈强比≤0.85，-40℃冲击功≥150J，600℃高温拉伸屈服强度≥460MPa，其耐候性能是普通Q235的2倍以上。

Q690GJ建筑钢板的微观组织为回火马氏体+纳米析出相+5％-10％(体积百分比)的亚稳奥氏体的M³组织。

本发明第二方面提供Q690GJ建筑钢板的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼、连铸

按Q690GJ建筑钢板的化学成分及配比，冶炼、连铸得到连铸坯；

(2)轧制

采用控制轧制+在线淬火工艺，轧制前连铸坯的再加热温度根据第二相在钢中的固溶度积公式计算确定，确保轧前连铸坯再加热温度高于NbC的全固溶温度；轧制过程中精轧阶段变形量≥50％，总压缩比≥5；轧制结束立即进行在线淬火处理，终冷温度≤100℃，冷却速率≥5℃/s；

(3)热处理

将步骤(2)得到的体系进行亚温淬火，加热温度为730-800℃，保温时间为10-50min，出炉后以≥5℃/s的冷却速率冷却至室温；然后进行回火处理，加热温度为650-750℃，保温时间为10-120min，出炉后空冷至室温。

步骤(1)中，冶炼、连铸的步骤如下：铁水预处理进行降硫至0.003-0.005wt.％；转炉出钢挡渣防止回磷；保证白渣精炼时间10-15min，吸附夹杂物和减少钢中的S、O等元素含量；喂钙线150-200m进行钙处理，改善夹杂物形态；真空处理15-25min，降低H、N等有害元素含量；控制过热度5-20℃和拉速0.5-1.5m/min，得到连铸坯，中心偏析C1.0级。

步骤(2)中，轧制前连铸坯的再加热温度根据NbC第二相在钢中的固溶度积公式计算确定，保证钢中所加的Nb元素全部处于固溶态，从而在随后的轧制过程中起到通过溶质拖曳机制显著阻止奥氏体再结晶的作用，钢的均热温度应高于NbC的全固溶温度；所述全固溶温度为1030-1230℃，进而确定连铸坯的再加热温度为1050-1250℃；

固溶度积公式如下：lg{[Nb]·[C]}γ＝2.96-7510/T

其中：[Nb]和[C]分别为钢中Nb和C的质量百分含量；

γ为奥氏体；

T为钢中NbC的固溶温度，K。

轧制过程中精轧阶段变形量≥50％，总压缩比≥5，保证获得长宽比大于3的扁平奥氏体晶粒，保证扁平化及硬化的奥氏体，提高形核驱动力；淬火过程中获得细小的淬火马氏体。

步骤(3)中，亚温淬火的目的是通过加热获得数量40-50％的奥氏体，随后淬火转变成马氏体，达到软硬马氏体协同降低屈强比和完成初步的奥氏体稳定元素再分配；回火处理时加热温度较临界区淬火热处理的低，目的是获得逆转变亚稳的奥氏体，保留至室温以提高韧性和塑性。

有益效果：(1)本发明采用M³组织调控技术进行Q690GJ钢的成分组织设计，M³目标组织是在微米级软硬马氏体组织+纳米析出相+微米级亚稳奥氏体，通过奥氏体扁平化的思路细化直接淬火马氏体基体组织，通过两步临界区热处理获得软硬马氏体、纳米析出相和亚稳奥氏体；(2)通过固溶度积公式精确计算NbC第二相在钢中的全固溶温度，并据此确定连铸坯的加热温度，可以保证Nb全部固溶于钢基体中，起到加入Nb的预期效果；(3)通过轧制及在线淬火，获得长宽比大于3的扁平、硬化的奥氏体，并最终得到细小的淬火马氏体，为热处理组织转变提供基础；(4)通过合理的亚温淬火+回火两阶段热处理可以得到软硬马氏体，提高强度，同时降低屈强比；得到纳米析出相，提高强度；控制组织，获得合适的软硬相的比例，最终得到细小均匀的回火马氏体、纳米析出相和5-10％逆转变奥氏体的混合组织；(5)本发明Q690GJ钢具有超高强、高韧、高塑性、低屈强比、耐候等优良的综合性能；(6)本发明的Q690GJ钢的制备方法，对轧机负荷要求不是太高，一般的中厚板轧机均可生产，因此，适用性广，适合国内大多数中厚板厂生产。

附图说明

图1为实施例1热处理后得到的Q690GJ钢板在金相显微镜下典型的组织形貌图。

具体实施方式

一种Q690GJ建筑钢板，其按质量百分比包括如下化学成分：C：0.03-0.15wt.％、Si：0.20-0.60wt.％、Mn：1.30-2.10wt.％、P：≤0.015wt.％、S：≤0.008wt.％、Cr：0.35-1.20wt.％、Ni：0.30-1.50wt.％、Mo：0.25-0.80wt.％、Cu：0.20-0.60wt.％、Nb：≤0.11wt.％、V：≤0.12wt％、Ti：0.01-0.03wt.％、B：≤0.0030wt.％、Al：0.01-0.06wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。

实施例1-5和对比例1-3通过钢铁冶炼、连铸、轧制、热处理制备Q690GJ建筑钢板，具体步骤如下：

(1)冶炼、连铸

按Q690GJ建筑钢板的化学成分及配比，冶炼、连铸得到连铸坯：铁水预处理进行降硫至0.003-0.005％；转炉出钢挡渣防止回磷；保证白渣精炼时间10-15min，吸附夹杂物和减少钢中的S、O等元素含量；喂钙线150-200m进行钙处理，改善夹杂物形态；真空处理15-25min，降低H、N等有害元素含量；控制过热度5-20℃和拉速0.5-1.5m/min，最终得到内部质量优良的连铸坯，中心偏析C1.0级。

(2)轧制

采用控制轧制+在线淬火工艺，轧制前连铸坯的再加热温度，根据NbC第二相在钢中的固溶度积公式计算确定，确保轧前连铸坯再加热温度高于NbC的全固溶温度，确定加热温度1100-1230℃；轧制过程中精轧阶段变形量54-76％，总压缩比5.5-25，保证获得长宽比大于3的扁平奥氏体晶粒；轧制结束立即进行在线淬火处理，终冷温度≤100℃，冷却速率≥5℃/s。

(3)热处理

首先进行亚温淬火，加热温度为730-800℃，保温时间为10-50min，出炉后以≥5℃/s的冷却速率冷却至室温；然后进行回火处理，加热温度为650-750℃，保温时间为10-120min，出炉后空冷至室温。

实施例1-5和对比例1-3的Q690GJ建筑钢板的化学成分如表1所示：

表1本发明实施例的化学成分(wt.％)

实施例1-5和对比例1-3的轧制工艺参数如表2所示：

表2轧制工艺参数

实施例1-5和对比例1-3的热处理工艺参数如表3所示：

表3热处理工艺参数

实施例1-5和对比例1-3制备得到的Q690GJ建筑钢板的力学性能如表4所示，其中实施例1制备得到的Q690GJ建筑钢板在500倍光学显微镜下组织为回火马氏体+纳米析出相+5％-10％的逆转变奥氏体的M³组织，参见图1，表5。

表4实施例1-5和对比例1-3的Q690GJ建筑钢板力学性能

表5实施例1-5和对比例1-3的Q690GJ建筑钢板微观组织

	原始奥氏体长宽比	亚稳奥氏体含量，％
			实施例1	10	6.8
实施例2	5	7.3
			实施例3	4.5	6.7
实施例4	8	9.9
			实施例5	6	5.4
对比例1	4	1.3
			对比例2	3	0.9
对比例3	2	1.1

由表4可知，本发明实施例1-5获得的Q690GJ低屈强比抗震建筑钢板，屈服强度ReL≥690MPa，抗拉强度Rm：770-940MPa，延伸率≥18％，屈强比≤0.85，-40℃冲击功≥150J，600℃高温拉伸屈服强度≥460MPa，各项性能优异。而对比例1-3得到的钢板，屈服强度、抗拉强度不能满足国家标准对Q690GJ钢的要求，屈强比也超过0.85，-40℃低温冲击功远低于本发明实施例，600℃高温拉伸屈服强度远低于本发明实施例。

实施例1-5和对比例1-3获得的Q690GJ钢板的腐蚀试验为干湿交替加速腐蚀试验，试验周期为45天，腐蚀环境为0.01mol/L的NaHSO₃水溶液，pH值为4.5，湿度60RH，45℃恒温。通过腐蚀失重检测钢的耐候性。试验数据如表6所示，实施例1-5耐候性能是普通Q235的2倍以上，而对比例1-3耐候性能与Q235相当或优势不明显。

表6实施例1-5和对比例1-3的Q690GJ建筑钢板的耐候性能

材料	腐蚀速率,g/m2·h	耐候性是Q235的倍数
			实施例1	1.82	2.23
实施例2	1.76	2.31
			实施例3	1.57	2.59
实施例4	1.80	2.26
			实施例5	1.92	2.12
对比例1	3.85	1.06
			对比例2	2.67	1.52
对比例3	4.02	1.01
			Q235	4.07	1.00

Claims

1.一种Q690GJ建筑钢板，其特征在于，所述建筑钢板按质量百分比包括如下化学成分：C：0.03-0.15wt.％、Si：0.20-0.60wt.％、Mn：1.30-2.10wt.％、P：≤0.015wt.％、S：≤0.008wt.％、Cr：0.35-1.20wt.％、Ni：0.30-1.50wt.％、Mo：0.25-0.80wt.％、Cu：0.20-0.60wt.％、Nb：≤0.11wt.％、V：≤0.12wt％、Ti：0.01-0.03wt.％、B：≤0.0030wt.％、Al：0.01-0.06wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种Q690GJ建筑钢板，其特征在于，所述建筑钢板按质量百分比包括如下化学成分：C：0.08-0.15wt.％、Si：0.25-0.50wt.％、Mn：1.40-2.00wt.％、P：＜0.014wt.％、S：＜0.006wt.％、Cr：0.40-1.20wt.％、Ni：0.40-1.50wt.％、Mo：0.30-0.80wt.％、Cu：0.25-0.60wt.％、Nb：0.03-0.11wt.％、V：0.04-0.12wt％、Ti：0.01-0.03wt.％、B：0.0001-0.0025wt.％、Al：0.02-0.05wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种Q690GJ建筑钢板，其特征在于，所述建筑钢板按质量百分比包括如下化学成分：C：0.08-0.14wt.％、Si：0.30-0.45wt.％、Mn：1.40-1.90wt.％、P：＜0.014wt.％、S：＜0.005wt.％、Cr：0.45-1.10wt.％、Ni：0.50-1.50wt.％、Mo：0.40-0.80wt.％、Cu：0.30-0.50wt.％、Nb：0.06-0.11wt.％、V：0.045-0.12wt％、Ti：0.01-0.03wt.％、B：0.0001-0.0022wt.％、Al：0.02-0.05wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种Q690GJ建筑钢板，其特征在于，所述建筑钢板耐大气腐蚀指数I≥6.0。

5.根据权利要求1所述的一种Q690GJ建筑钢板，其特征在于，所述建筑钢板的屈服强度≥690MPa，770MPa≤抗拉强度≤940MPa，延伸率≥18％，屈强比≤0.85，-40℃冲击功≥150J，600℃高温拉伸屈服强度≥460MPa。

6.根据权利要求1所述的一种Q690GJ建筑钢板，其特征在于，所述建筑钢板的微观组织为回火马氏体+纳米析出相+5％-10％的亚稳奥氏体的M³组织。

7.权利要求1-6任意一项所述的Q690GJ建筑钢板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)冶炼、连铸

(2)轧制

采用控制轧制+在线淬火工艺，轧制前连铸坯的再加热温度根据NbC第二相在钢中的固溶度积公式计算确定，确保轧前连铸坯的再加热温度高于NbC的全固溶温度；轧制过程中精轧阶段变形量≥50％，总压缩比≥5；轧制结束立即进行在线淬火处理，终冷温度≤100℃，冷却速率≥5℃/s；

(3)热处理

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述冶炼、连铸的步骤如下：铁水预处理进行降硫至0.003-0.005wt.％；转炉出钢挡渣防止回磷；保证白渣精炼时间10-15min；喂钙线150-200m进行钙处理；真空处理15-25min；控制过热度5-20℃和拉速0.5-1.5m/min，得到连铸坯，中心偏析C1.0级。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述NbC第二相的全固溶温度为1030-1230℃，所述连铸坯的再加热温度为1050-1250℃。