CN109112392B - Tmcp型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板及制备方法 - Google Patents

Tmcp型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板及制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板及制备方法，该钢板化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.08％、Si：0.12～0.18％、Mn：1.4～1.6％、Nb：0.045～0.058％、Ti：0.01～0.02％、Cu：0.30～0.35％、Cr：0.22～0.30％、Ni：0.45～0.55％、Al：0.02～0.04％、Mo：0.05～0.12％、P≤0.009％、S≤0.005％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。本发明的优点在于产品性能优异，屈服强度大于500MPa、‑60℃裂纹尖端张开位移指数不低于0.3mm，1000万次下疲劳强度不低于170MPa，腐蚀失重速率≤3.0g/(m2·h)。

Description

TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板及制备方法
技术领域
本申请属于冶金技术领域，特别涉及一种TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板及制备方法。
背景技术
我国桥梁建造技术的高速发展推动了桥梁用钢的快速更新换代和发展。目前一些新建的斜拉桥主跨跨度已达到千米级，普通强度桥梁钢已无法满足桥梁杠件的受力要求，Q370qD/E级高性能桥梁钢已成为主流使用钢级，而更高性能的Q500qE级也已被应用到正在建设中的沪通大桥、平潭大桥等国家重点工程项目。
高性能桥梁钢需要具备高强度(屈服370MPa及以上)、高韧性(冲击功不低于120J)、低屈强比(一般不高于0.85)、高疲劳性能和良好的焊接性。而具有更好的耐腐蚀性能的桥梁钢可以减少防腐涂层的使用，降低桥梁建设成本，减少后期维护的工作量，同时也可以更好的满足现代桥梁结构的长寿命、环保、美观等要求，将成为桥梁钢的优先选择钢种。目前，高性能耐候桥梁钢在国外已经得到广泛应用。
公开号为CN 107326304 A提出一种TMCP型屈服强度500MPa级桥梁结构钢及其生产方法，其强度级别达到了500MPa级，但其冲击吸收能量仅限为-40℃下的测量值，且轧后钢板需要进行回火热处理，增加了生产成本，且其产品性能并未涉及疲劳强度和耐腐蚀性能。
公开号为CN 106222560 A提出一种止裂型特厚高性能耐侯桥梁钢Q500qENH钢板及其生产办法，其所制得钢板达到了Q500qE级，但其实施例中50mm厚钢种屈强比较高(YR＝0.86)且其产品性能并未涉及疲劳强度和耐腐蚀性能。
公开号为CN 106811704 A提出一种屈服强度500MPa级低屈强比桥梁钢及其制造方法，其强度级别达到了500MPa级，且钢板屈强比在0.85以下，但其冲击吸收能量仅限为-40℃下的测量值，且其产品性能并未涉及疲劳强度和耐腐蚀性能。
综上所示，与现有的专利文献相比，本专利提出的TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板及其制备方法具有独创性和新颖性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板及制备方法，该钢板目标屈服强度不低于500MPa，抗拉强度不低于660MPa，屈强比≤0.85，保证-60℃V型缺口冲击吸收能量不低于220J，-60℃裂纹尖端张开位移指数(CTOD)不低于0.3mm，拉应力循环1000万次下疲劳强度不低于170MPa，腐蚀失重速率≤3.0g/(m2·h)，具有优良的焊接性能，最大厚度60mm。制造工艺简单，填补国内空白。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开了一种TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板，其化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.08％、Si：0.12～0.18％、Mn：1.4～1.6％、Nb：0.045～0.058％、Ti：0.01～0.02％、Cu：0.30～0.35％、Cr：0.22～0.30％、Ni：0.45～0.55％、Al：0.02～0.04％、Mo：0.05～0.12％、P≤0.009％、S≤0.005％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
优选的，在上述TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板中，该钢板的碳当量指数Ceq≤0.47，冷裂纹敏感性指数Pcm≤0.19％，ASTMG101-01耐腐蚀指数I≥6.2。
优选的，在上述TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板中，钢板屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥660MPa，屈强比≤0.85，-60℃下的V型缺口冲击吸收能量≥220J，-60℃裂纹尖端张开位移指数≥0.3mm，拉应力循环1000万次下疲劳强度≥170MPa，腐蚀失重速率≤3.0g/(m2·h)，成品厚度≤60mm。
相应的，还公开了一种TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板的制备方法，依次包括连铸坯的冶炼、钢板的控制轧制和控制冷却过程，所述连铸坯的冶炼依次包括铁水预脱硫处理、转炉炼钢、LF钢包精炼、RH真空脱气、厚板坯连铸制备，所述钢板的控制轧制和控制冷却过程包括连铸板坯再加热、保温、粗轧、中间坯控制冷却、精轧、成品钢板控制冷却。
优选的，在上述的TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板的制备方法中，所述连铸板坯再加热过程中，加热温度为1180～1250℃，所述保温时间为120-240min。
优选的，在上述的TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板的制备方法中，所述粗轧阶段的开轧温度为980～1100℃。
优选的，在上述的TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板的制备方法中，所述中间坯控制冷却为待温坯待温时经水冷，冷却速率5～30℃/min，中间坯上下表面终冷温度≥810℃。
优选的，在上述的TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板的制备方法中，所述精轧阶段开轧温度为810～850℃，终轧温度为800～840℃。
优选的，在上述的TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板的制备方法中，所述成品钢板控制冷却阶段，冷却速率8～20℃/s，终冷温度320～400℃，然后冷床空冷至室温。
其中，
碳当量指数：
Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；
冷裂纹敏感性指数：
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+V/10+Ni/60+5B；
耐腐蚀指数：
I＝26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P–7.29CuNi–9.1NiP–33.39Cu2
C：碳是较强的固溶强化元素，是影响高强钢力学性能的主要元素之一，当碳含量低于0.05％时强度低，但含量过高会恶化钢板的塑性、低温韧性和焊接性，本发明碳上限值为0.08％。
Si：硅在炼钢过程中可作为脱氧剂和还原剂，具有一定的固溶强化作用。但含量过高对钢板的低温韧性和焊接性不利，本发明硅含量控制在0.12～0.18％。
Mn：锰元素对提高钢的强度、改善低温韧性、降低钢的韧脆转变温度有重要作用，且成本低廉。但过高的锰易造成铸坯的偏析，使轧后钢板产生不易消除的带状组织，降低钢板的横向性能和抗层状撕裂性能，本发明锰含量控制在1.4～1.6％
Nb：铌是细晶强化的关键元素之一，其通过两种途径来细化晶粒，一是铌对奥氏体再结晶有明显的延迟作用，提高再结晶温度，防止再结晶奥氏体晶粒长大；二是随着轧制温度的降低，铌的碳、氮化物可以在奥氏体向铁素体转变前弥散析出，成为铁素体的形核质点，使铁素体在较小的过冷度下形成，不易长大，从而细化铁素体晶粒。作为非再结晶温度区间扩大的铌元素，通过细化晶粒来提高大角度晶界面积和分数，进而改善钢板的止裂韧性，本发明铌含量控制在0.045～0.058％。
Ti：微量钛与钢中的C、N结合，形成细小稳定的C、N化物颗粒，在板坯加热过程中可有效阻止奥氏体晶粒的粗化，钛的氮化物在焊接时可以抑制焊接热影响区的晶粒粗化，从而改善基体金属和焊接热影响区的低温韧性，本发明钛含量控制在0.01～0.02％。
Ni：镍能有效改善钢的低温韧性和耐腐蚀性能，但随着镍含量的增多，生成成本会显著增加，本发明镍含量控制在0.45～0.55％。
Cu：铜是奥氏体稳定化元素，适量的铜可以提高钢板的强度和耐腐蚀性能，但加入过多易造成钢的热脆，破坏钢板表面质量，本发明铜含量控制在0.30～0.35％。
Cr：铬能显著提高钢的强度，但同时降低钢的塑性和韧性。铬还可提高钢的抗氧化和耐腐蚀性能，本发明铬含量控制在0.22～0.30％。
Al：铝是重要的脱氧元素，微量的铝可有效减少钢中的夹杂物含量，并细化晶粒，但过多的铝会增加铸坯表面产生裂纹的倾向，本发明铝含量控制在0.02～0.04％。
与现有技术相比，本发明优势在于
1、合理的成分设计：采用了超低C、Nb+V+Ti微合金化、复合添加Cr、Cu、Ni、Mo的成分设计，并对钢中的有害元素P、S进行上限控制，以提高钢的纯净度，改善钢的韧性。同时对碳当量指数Ceq，冷裂纹敏感指数Pcm进行上限控制，以保证良好的焊接性。同时不低于6.2的耐腐蚀指数保证较好的耐腐蚀性能。
2、独特的待温坯冷却控制工艺：本发明设计中间待温采用水冷控制技术，并对冷却参数进行具体，一方面可以有效节省中间待温时间，提高轧制生产节奏；二是可以有效控制轧后奥氏体组织，使其相变后组织以细晶粒铁素体为主要组成，这种细化的铁素体晶粒所具有的大角度晶界能增加裂纹启裂及扩展的阻力，从而实现钢板的高韧性和疲劳性能。
3、独特的产品性能：屈服强度大于500MPa、-60℃裂纹尖端张开位移指数(CTOD)不低于0.3mm，1000万次下疲劳强度不低于170MPa，腐蚀失重速率≤3.0g/(m2·h)。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为实施例中30mm钢板厚度中心t/2处金相组织图；
图2所示为实施例中30mm钢板距离钢板表面t/4处金相组织图；
图3所示为实施例中60mm钢板厚度中心t/2处金相组织图；
图4所示为实施例中60mm钢板距离钢板表面t/4处金相组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例涉及的TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板厚度为30和60mm，其中焊接冷裂纹敏感系数Pcm值越小，表明钢的焊接性能越好，焊接时不易产生焊接冷裂纹；耐腐蚀性指数I是根据美国材料与试验协会标准ASTM G101-01中修正的Legault-Leckie公式计算得出，I值越大，表明钢的耐腐蚀性越强，ASTM G101-01推荐I≥6.0，钢板各组分百分比含量见下表，余量为铁和不可避免的杂质(单位：％)：
Figure BDA0001733257700000061
并且满足如下条件：
Figure BDA0001733257700000062
碳当量指数：
Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；
冷裂纹敏感性指数：
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+V/10+Ni/60+5B；
耐腐蚀指数：
I＝26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P–7.29CuNi–9.1NiP–33.39Cu2
本实施例制备方法如下：
根据上述钢板化学成分配制冶炼原料，经铁水预脱硫处理、转炉炼钢、钢包精炼(LF)、真空脱气(RH)和板坯连铸工序生产320mm厚连铸板坯。
将板坯加热到1200℃，保温160min；钢板的热轧成形是在配备5000mm四辊可逆轧机和MULPIC-AcC加速冷却系统的工业生产线进行的。
热轧工艺参数见下表：
Figure BDA0001733257700000063
钢板的常规力学性能见下表：
Figure BDA0001733257700000071
其中Rp0.2—屈服强度；Rm—抗拉强度；A.—断后伸长率；YR—屈强比。
依据BS 7448标准，对实施例中所制得的60mm厚钢板进行了-60℃裂纹尖端位移指数(CTOD)检测，检验结果见下表：
Figure BDA0001733257700000072
对实施例中所制得的钢板进行疲劳性能测试，疲劳试验结果见下表：
Figure BDA0001733257700000073
Figure BDA0001733257700000081
对试验数据进行回归分析，分别得到30和60mm厚钢板试验回归曲线为：
(1)30mm厚钢板：lg N＝39.6972-14.2169lgσ，σ0(107)＝199.47(MPa)
相关系数γ＝-0.8654，均方差S＝0.3493，取97.7％保证率，减去两个标准差，回归曲线下限为：lg N＝38.9986-14.2169lgσ，σ0(107)＝178.13(MPa)
(2)60mm厚钢板：lg N＝42.0234-15.2786lgσ，σ0(107)＝196.03(MPa)
相关系数γ＝-0.8347，均方差S＝0.4278，取97.7％保证率，减去两个标准差，回归曲线下限为：lg N＝41.1678-14.2169lgσ，σ0(107)＝172.31(MPa)
因此，从1000万次疲劳强度来看，30mm厚钢板的疲劳强度为178.13MPa，60mm厚钢板的疲劳强度为172.31MPa。
对实施例中所制得的60mm厚钢板(Q500qFNH)进行周期浸润试验，同时选用普通低合金钢Q345钢作为对比钢种。试验在干湿周期浸润腐蚀试验机内进行，液槽温度：45℃；空气湿度：75％；试样表面最高温度：70℃。所用浸润溶液为pH在4.4～4.8范围内的0.01mol/L的NaHSO3。试样取自钢板表面，每组3个试样，试样腐蚀时间为144h，试验后试样经腐蚀失重处理，并按TB/T2375-93规定计算腐蚀率。腐蚀试验结果见下表：
Figure BDA0001733257700000082
结果表明，本实施例的60mm厚Q500qFNH平均腐蚀失重速率为2.797g/(m2·h)，只相当于Q345钢的66.7％。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板，其特征在于，其化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.08％、Si：0.12～0.18％、Mn：1.4～1.6％、Nb：0.045～0.058％、Ti：0.01～0.02％、Cu：0.30～0.35％、Cr：0.22～0.28％、Ni：0.45～0.55％、Al：0.02～0.04％、Mo：0.05～0.10％、P≤0.009％、S≤0.005％，其余为Fe和其他不可避免的杂质，该钢板的碳当量指数Ceq≤0.47，冷裂纹敏感性指数Pcm≤0.19％，ASTMG101-01耐腐蚀指数I≥6.2，钢板屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥660MPa，屈强比≤0.85，-60℃下的V型缺口冲击吸收能量≥220J，-60℃裂纹尖端张开位移指数≥0.3mm，拉应力循环1000万次下疲劳强度≥170MPa，腐蚀失重速率≤3.0g/(m2·h)，成品厚度≤60mm，依次包括连铸坯的冶炼、钢板的控制轧制和控制冷却过程，所述连铸坯的冶炼依次包括铁水预脱硫处理、转炉炼钢、LF钢包精炼、RH真空脱气、厚板坯连铸制备，所述钢板的控制轧制和控制冷却过程包括连铸板坯再加热、保温、粗轧、中间坯控制冷却、精轧、成品钢板控制冷却，所述连铸板坯再加热过程中，加热温度为1180～1250℃，所述保温时间为120-240min，所述粗轧阶段的开轧温度为980～1100℃，所述中间坯控制冷却为待温坯待温时经水冷，冷却速率5～30℃/min，中间坯上下表面终冷温度≥810℃，所述精轧阶段开轧温度为810～850℃，终轧温度为800～840℃，所述成品钢板控制冷却阶段，冷却速率8～20℃/s，终冷温度320～400℃，然后冷床空冷至室温。
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