CN109957707B

CN109957707B - 一种1000MPa级紧固件用耐候冷镦钢盘条及其生产方法

Info

Publication number: CN109957707B
Application number: CN201711333475.2A
Authority: CN
Inventors: 高航; 郭大勇; 车安; 常宏伟; 杨辉; 张博; 马立国; 王秉喜; 王宏亮; 李琳
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: CN109957707A

Abstract

本发明提供了一种1000MPa级紧固件用耐候冷镦钢盘条及其生产方法，该盘条的成分按重量百分比计如下：C：0.25％～0.55％、Si：0.10％～0.40％、Mn：0.80％～1.20％、P：≤0.035％、S：≤0.040％、Cr：0.40％～0.70％、Ni：0.15％～0.45％、Cu：0.20％～0.40％、Mo：0.15％～0.45％，其它为Fe和不可避免杂质元素。生产方法包括铁水预处理－转炉冶炼－LF炉精炼－连铸－连轧－钢坯清理－加热－轧制－精整；使用本发明所涉及冷镦钢盘条制造的1000MPa级耐候连接副各项性能均符合标准要求，加速腐蚀试验中腐蚀速率低于普通冷镦钢的1/3。

Description

一种1000MPa级紧固件用耐候冷镦钢盘条及其生产方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，尤其涉及一种1000MPa级紧固件用耐候冷镦钢盘条及其生产方法。

背景技术

相较于钢筋混凝土结构来说，钢结构由于装配简便，可回收，环境友好等优点逐渐得到更广泛的应用，除传统的输电铁塔、风电塔之外，钢结构在桥梁的应用也越来越多，目前在欧美国家，钢结构桥梁占新建桥梁的比例在90％以上。然而钢结构需要面临一个重要的问题——腐蚀，对于普通的结构钢来说，由于其表面腐蚀产物结构疏松，腐蚀可以沿着腐蚀层与基体的界面不断向基体内部推进，从而大大缩短钢结构的使用寿命并产生安全隐患。为了解决上述问题，可采用表面涂漆或涂镀来增加抗腐蚀能力，但前者需要持续的维护，后者在涂镀层受外力因素破坏后将失去保护作用，因此需要开发钢结构本体耐腐蚀的材料。目前国内对于桥梁用板材、铁架用型材的耐腐蚀材料已经有较广泛的研究，但对于用于生产紧固件的耐候冷镦钢的研究工作还较少，对于作为连接件的耐候螺栓来说，除常规的力学性能和耐腐蚀性能外，随强度的提高，对延迟断裂敏感性也逐渐提高，因此需采取措施改善材料的韧性和抗延迟断裂性能。

发明《耐大气腐蚀冷镦钢热轧盘条及其生产方法》(申请号：201610129356.4)公开了一种耐大气腐蚀冷镦钢热轧盘条及其生产方法，其成分按重量百分含量为：C 0.12～0.18％、Si 0.15～0.35％、Mn 0.60～0.90％、P≤0.030％、S≤0.030％、Cr 0.70～0.90％、Ni 0.20～0.50％、Cu 0.20～0.50％，其余为铁和微量杂质。但从其成分来看，显然难以满足10.9级以上紧固件对性能的要求。

发明《一种耐大气腐蚀的高强度免退火冷镦钢的制备方法》(申请号：201310290465.0)公开了制备方法包括熔化、氧化、检测合金成分并调整、精炼、浇铸、热轧、热处理，其化学元素重量的百分比为：C0.35-0.50、硅0.45-0.55、锰0.25-0.356、磷0.005-0.025、硫0.005-0.02、铬0.35-0.55、铜0.65-0.80、锌1.0-1.2、钨0.2-0.3、Bi0.19-0.22、Yb0.01-0.02、Ni0.08-0.12、Sn0.01-0.03、Gd0.02-0.04、Dy0.12-0.18、余量为铁；该发明在大气和水环境下，材料表面耐氧化腐蚀，具有较长的使用寿命，冷墩成型无须退火，进行热处理，金属消耗小，但强度高，可用于加工8.8级螺栓及配套螺母；与普通中高强度冷墩钢比，含碳量大大降低，具有优良的焊接性能。除可适用的强度级别较低外，该钢添加的合金种类和数量均较多，会对冶炼过程造成困难并引起成本的提高。

发明《10.9级耐大气腐蚀冷镦钢热轧盘条及其生产方法》(申请号：201610833875.9)公开了一种10.9级耐大气腐蚀冷镦钢热轧盘条，其成分按重量百分比为：C 0.25～0.35％、Si 0.15～0.35％、Mn 0.60～0.90％、P≤0.030％、S≤0.030％、Cr 0.60～0.90％，Ni 0.20～0.50％、Cu 0.20～0.50％，其余为铁和微量杂质。本热轧盘条通过化学成分的优化设计，通过加入合金Cu、Cr等元素，使紧固件在使用过程中通过表面锈蚀，自然形成一种致密且与基体结合紧密的非晶态金属，使材料具有耐大气腐蚀的效果；通过加入合金元素Ni，使材料热轧时具有良好的表面质量，后续的拉拔、冷镦过程表面没有明显的开裂现象；具有力学性能、腐蚀性好、成型性能好等特点。但该专利并未进行成品紧固件安全性的探讨。

发明《免涂装钢结构用耐工业大气腐蚀高强螺栓钢及制造方法》(申请号：201710375650.8)提供了一种成分为：C 0.16-0.45％，Si 0.01-2.0％，Mn 0.3-2.2％，P0.025-0.12％，S0.002-0.025％，B 0.0005-0.0100％，Ti 0.04-0.50％，V 0.01-0.20％，Al0.02-0.10％，Cu0.2-0.5％，Ni 0.2-1.0％，其余为Fe和微量杂质的10.9级耐工业大气腐蚀的螺栓钢，并提供了调质工艺，使螺栓具备良好的强韧性和耐腐蚀性能。该产品以P和Cu作为耐腐蚀元素，对于需要保证安全性的螺栓用钢来说，加入较大量的磷可能造成冷脆现象，从而在低温服役时引起钢结构失效。

专利《免涂装桥梁结构用耐海洋大气腐蚀高强螺栓钢及制造方法》(申请号：201710375682.8)提供了10.9级耐海洋大气腐蚀的螺栓钢产品，成分上在以下化学成分上与前者存在差异：Si0.01-2.2％，Mn0.3-2.5％，P0.001-0.024％，B0.0005-0.0100％，Ti0.01-0.50％，Al 0.001-0.15％，Cr 0.35-3.2％，Cu 0.2-0.6％，Ni 0.2-2.5％，并提供了调质工艺，使螺栓具备良好的强韧性和耐腐蚀性能。但该专利也未进行成品紧固件安全性的探讨。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种可以满足1000MPa级高强紧固件的性能要求，并具有良好的耐腐蚀能力和安全性能，从而达到免涂装或少涂装的效果，减少钢结构全寿命周期内的使用成本的一种1000MPa级紧固件用耐候冷镦钢盘条及其生产方法。

本发明目的是这样实现的：

一种1000MPa级紧固件用耐候冷镦钢盘条，该盘条的成分按重量百分比计如下：C：0.25％～0.55％、Si：0.10％～0.40％、Mn：0.80％～1.20％、P：≤0.035％、S：≤0.040％、Cr：0.40％～0.70％、Ni：0.15％～0.45％、Cu：0.20％～0.40％、Mo：0.15％～0.45％，其它为Fe和不可避免杂质元素。

本发明成分设计理由如下：

C：C是钢中固溶强化作用最明显的元素，随C含量增加，钢的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，为满足10.9级紧固件的强度需要，并使其具有较好的淬透性和足够的韧性，因此将其范围定为0.25％～0.55％。

Si：Si是铁素体固溶强化元素，同时在炼钢过程中起脱氧作用，但Si含量过高时，其固溶强化效果达到饱和，且钢的组织产生石漠化和脱碳程度增加，钢坯高温加热易使奥氏体经理长大，淬火组织也较粗大，对塑性、韧性不利，故Si的范围为0.10％～0.40％。

Mn：Mn起固溶强化和细晶强化的作用，并推迟珠光体和铁素体转变，同时是提高淬透性的有效合金元素，为使盘条具有较好的淬透性和适宜的强度，规定提Mn的范围为0.80％～1.20％。

P、S：P、S都是以偏析的杂质元素，为提高冷镦钢组织和性能的均匀性，进而提高其均匀变形能力，改善加工性能，因此要求其达到较低的水平，其中P≤0.035％，S≤0.040％。

Cr：Cr可以显著提高钢的淬透性，从而减小珠光体片层间距，细化组织，改善冷镦钢的球化工艺性能。同时Cr元素可以改善钢材表面腐蚀层的密度和附着能力，提高材料的耐腐蚀能力。综合考虑强度、组织控制和耐腐蚀能力等因素，确定Cr的成分范围为0.40％～0.70％。

Ni：Ni是奥氏体形成元素，与铬配合改善钢的高温抗氧化、应力腐蚀能力，提高可塑性、可焊接性和韧性等。故Ni的成分范围为0.15％～0.45％。

Cu：Cu能显著提高钢的抗大气腐蚀性能，使钢表面的锈层致密并提高附着性，Cu与Cr的配合使用可以促进表面钝化膜的形成，降低钢基体的腐蚀诱发敏感性，提高钢材的耐蚀性能。故Cu的成分控制在0.20％～0.40％。

Mo：Mo可以提高钢的回火抗力和晶界结合强度，从而明显改善钢的耐延迟断裂性能和冲击韧性，为保证高强度紧固件在钢结构使用时的安全性，将Mo的范围定为：0.15％～0.45％。

本发明提供的技术方案之二是一种1000MPa级紧固件用耐候冷镦钢盘条的生产方法，包括铁水预处理－转炉冶炼－LF炉精炼－连铸－连轧－钢坯清理－加热－轧制－精整，

LF炉精炼：采用预熔渣造弱碱性渣，精炼时间20～40min，精炼后弱吹氩，氩气流量150-250NL/min，吹氩时间20～50min，静置20～50min；从而是夹杂物塑性化并保证较大尺寸的夹杂物充分上浮和去除。

连铸：采用大方坯连铸，过热度不大于25℃，结晶器电磁搅拌+凝固末端电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流强度为400A～500A，凝固末端电磁搅拌电流强度为400A～600A；

连轧：将大方坯加热并轧制小方坯；并对钢坯进行探伤，表面有裂纹、划伤等缺陷位置进行修磨，保证钢坯表面无缺陷。

轧制：

钢坯加热温度1050～1200℃，加热炉采用弱氧化性气氛，根据连轧坯尺寸，保温时间0.7-1.2min/mm，通条温差≤30℃；使钢坯充分奥氏体化并使合金元素固溶和均匀化。

在轧制本发明所述冷镦钢盘条前，轧制辊道、轧辊、导卫过钢量不小于500吨；

控制开轧温度为950～1020℃，精轧入口温度为900～950℃，吐丝温度850～950℃；使盘条具有合理的晶粒度和组织构成。

冷却：采用缓冷方式，冷速不高于0.5℃/s。

本发明的有益效果在于：采用本发明轧制生产的

高强度耐候冷镦钢盘条，抗拉强度为720～820MPa、延伸率为15～25％、面缩率为45～60％，各类夹杂物级别不大于1.5级，表面缺陷深度不大于0.05mm，使用本发明所涉及冷镦钢盘条制造的1000MPa级耐候连接副各项性能均符合标准要求，加速腐蚀试验中腐蚀速率(依据GB/T19746-2005)低于普通冷镦钢的1/3。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行铁水预处理－转炉冶炼－LF炉精炼－连铸－连轧－钢坯清理－加热－轧制－控冷－精整，LF炉精炼：采用预熔渣造弱碱性渣，精炼时间20～40min，精炼后弱吹氩，氩气流量150-250NL/min，吹氩时间20～50min，静置20～50min；

连铸：断面尺寸为(280～310)*(380～420)mm的大方坯，过热度不大于25℃，结晶器电磁搅拌+凝固末端电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流强度为400A～500A，凝固末端电磁搅拌电流强度为400A～600A；

连轧：将大方坯加热并轧制成120－180mm尺寸的小方坯；

轧制及控冷：

钢坯加热温度1050～1200℃，加热炉采用弱氧化性气氛，保温100～150min，通条温差≤30℃；

控制开轧温度为950～1020℃，精轧入口温度为900～950℃，吐丝温度850～950℃；

控冷：采用缓冷方式，冷速不高于0.5℃/s。

本发明实施例盘条的成分见表1。本发明实施例盘条的性能指标见表2。采用本发明实施例盘条生产的螺栓性能见表3。本发明实施例盘条与普通冷镦钢盘条耐延迟断裂性能比较件表4，本发明实施例盘条与普通冷镦钢盘条加速腐蚀试验中的腐蚀速率见表5。

表1本发明实施例盘条的成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo
										1	0.27	0.23	0.84	0.009	0.003	0.68	0.46	0.39	0.18
2	0.38	0.20	1.05	0.008	0.002	0.42	0.19	0.23	0.35
										3	0.42	0.19	0.93	0.009	0.005	0.39	0.32	0.23	0.37

实施例一：

依据本发明所述1000MPa级耐候冷镦钢盘条的化学成分进行冶炼，精炼时间30分钟，氩气流量200NL/min，吹氩时间20分钟，静置25分钟后上机浇注成断面尺寸为280*380mm的大方坯，过热度23℃，结晶器电磁搅拌电流强度为450A，凝固末端电磁搅拌电流强度为500A。将280*380mm的大方坯加热并轧制成断面为155*155mm尺寸的钢坯，而后钢坯进行探伤，对表面缺陷位置进行修磨。然后使用合格的钢坯在高速线材轧机轧制

盘条，轧制工艺如下：将钢坯加热到1075℃，保温110分钟，通条温差26℃；控制开轧温度为970℃，精轧入口温度为920℃，吐丝温度930℃，之后扣罩缓冷，冷速0.45℃/s。

实施例二：

依据本发明所述1000MPa级耐候冷镦钢盘条的化学成分进行冶炼，精炼时间40分钟，氩气流量180NL/min，吹氩时间30分钟，静置30分钟后上机浇注成断面尺寸为280*380mm的大方坯，过热度22℃，结晶器电磁搅拌电流强度为450A，凝固末端电磁搅拌电流强度为550A。将280*380mm的大方坯加热并轧制成断面为155*155mm尺寸的钢坯，而后钢坯进行探伤，对表面缺陷位置进行修磨。然后使用合格的钢坯在高速线材轧机轧制

盘条，轧制工艺如下：将钢坯加热到1050℃，保温120分钟，通条温差25℃；控制开轧温度为980℃，精轧入口温度为925℃，吐丝温度920℃，之后缓冷，冷速0.37℃/s。

实施例三：

依据本发明所述1000MPa级耐候冷镦钢盘条的化学成分进行冶炼，精炼时间40分钟，氩气流量220NL/min，吹氩时间30分钟，静置30分钟后上机浇注成断面尺寸为280*380mm的大方坯，过热度24℃，结晶器电磁搅拌电流强度为500A，凝固末端电磁搅拌电流强度为500A。将280*380mm的大方坯加热并轧制成断面为155*155mm尺寸的钢坯，而后钢坯进行探伤，对表面缺陷位置进行修磨。然后使用合格的钢坯在高速线材轧机轧制

盘条，轧制工艺如下：将钢坯加热到1100℃，保温120分钟，通条温差25℃；控制开轧温度为930℃，精轧入口温度为870℃，吐丝温度910℃，之后扣罩缓冷，冷速0.33℃/s。

表2本发明实施例盘条的性能指标

表3采用本发明实施例盘条制成的螺栓性能

表4本发明实施例盘条与普通冷镦钢盘条耐延迟断裂性能比较

	实施例1	实施例2	实施例3	普通冷镦钢
					缺口断裂应力/MPa	1520	1473	1550	1310
断裂应力比	0.80	0.775	0.90	0.625

表5本发明实施例盘条与普通冷镦钢盘条加速腐蚀试验中的腐蚀速率(g/m²·h)

	实施例1	实施例2	实施例3	普通冷镦钢
					腐蚀速率	0.078097	0.031808	0.033093	0.228412

注：周浸，72h，NaHSO₃溶液。

由表3可以看出，采用本发明实施例盘条生产的螺栓除满足GB/T 1231规定的机械性能要求外，-40℃冲击功在100J以上，说明螺栓具有优秀的低温韧性。由表4可以看出，采用本发明实施例盘条生产的螺栓的缺口断裂应力和断裂应力比均高于普通冷镦钢，说明其具备足够的安全性；由表5可以看出，采用本发明实施例盘条的耐腐蚀性能较普通冷镦钢提高3倍以上。

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种1000MPa级紧固件用耐候冷镦钢盘条，其特征在于，该盘条的成分按重量百分比计如下：C：0.25％～0.55％、Si：0.10％～0.40％、Mn：0.80％～1.20％、P：≤0.035％、S：≤0.040％、Cr：0.40％～0.70％、Ni：0.15％～0.45％、Cu：0.20％～0.40％、Mo：0.15％～0.45％，其它为Fe和不可避免杂质元素；

所述1000MPa级紧固件用耐候冷镦钢盘条的生产方法，包括铁水预处理－转炉冶炼－LF炉精炼－连铸－连轧－钢坯清理－加热－轧制－控冷－精整，

LF炉精炼：采用预熔渣造弱碱性渣，精炼时间20～40min，精炼后弱吹氩，吹氩流量为150-250NL/min，吹氩时间20～50min，静置20～50min；

轧制：

(1)钢坯加热温度1050～1200℃，加热炉采用弱氧化性气氛，根据连轧坯尺寸，保温时间0.7-1.2min/mm，通条温差≤30℃；

(2)控制开轧温度为950～1020℃，精轧入口温度为900～950℃，吐丝温度850～950℃；

(3)控冷：采用缓冷方式，冷速不高于0.5℃/s。