CN111101063A - 一种690MPa级抗震耐蚀耐火中板钢及其制造方法 - Google Patents

一种690MPa级抗震耐蚀耐火中板钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种690MPa级抗震耐蚀耐火中板钢及其制造方法，其化学成分的重量百分比为：0.03％～0.10％C、0.20％～0.35％Si、Mn：1.50％～1.80％、Cr：0.20％～0.60％、Mo：0.20％～0.60％、Nb：0.02％～0.10％、V：0.02％～0.08％、Ti：0.02％～0.04％、Ni：1.00％～1.80％、Cu：1.00％～1.50％、Al：0.02％～0.04％、S≤0.005％、P≤0.010％、余量Fe及不可避免杂质，经一定条件的热轧及热处理工艺后，中板钢的室温屈服强度≥690MPa，延伸率≥18％，屈強比≤0.85，Akv(‑40℃)/J≥200J。

Description

一种690MPa级抗震耐蚀耐火中板钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种690MPa级抗震耐火中板钢及制造方法，属于高强度低合金钢制造领域。
背景技术
目前，各大钢铁公司研制与生产的抗震耐火钢，强度级别主要以345MPa及 460MPa为主，虽有报道一些耐火耐候抗震建筑用钢达到了高强度，但综合考虑其他性能仍难以满足越来越多的高层、超高层建筑及大型钢结构的需求。
如经检索，中国专利申请号CN 103695773 A的专利文献公开了一种耐火耐候抗震建筑用钢，其化学成分(按重量百分比)为：C：0.051％～0.155％、Si： 0.2％～0.60％、Mn：1.82％～2.55％、P:≤0.008％、S:≤0.002％、Nb：0.081％～ 0.090％、Ti：0.010％～0.025％、Mo：0.41％～0.60％、W：0.08％～0.10％、Mg： 0.0071％～0.0095％、O：0.0010％、余量为Fe及不可避免杂质。该专利文献涉及钢材强度为690MPa，其特征在于：添加Sb：0.08％～0.10％或Zr：0.08％～0.12％、 S:≤0.001％。采用热轧成型技术，轧后未热处理，其低温韧性仅为-20℃的韧性，不满足-40℃的低温韧性的要求。
又如中国专利申请号CN 103710622A的专利文献公开了屈强强度690MPa 级低屈强比抗震钢及其制造方法，其化学成分(按重量百分比)为：C：0.05％～ 0.13％、Si：0.00％～0.50％、Mn：1.50％～2.50％、P:＜0.012％、S:＜0.006％、 Mo：0.15％～0.50％、Nb：0.02％～0.12％、V：0.00％～0.15％、Ti：0.01％～0.025％、 B：0.0010～0.0030％、Al：0.01～0.06％余量为Fe及不可避免杂质。该专利文献涉及钢材强度为690MPa，其特征在于：添加Cu：0.00％～0.80％或Cr：0.00％～ 0.50％、Ni:0.00％～1.00％，并且采用DQ的热轧工艺，轧后采用720-800℃的水淬+620-700℃的回火处理，强度级别为690MPa但不满足耐火性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种690MPa级高强度抗震耐火建筑用钢及制造方法。这种钢具有优良的力学性能：屈服强度≥690MPa，延伸率≥18％，屈強比≤0.85，600℃高温屈服强度(保温3h)大于2/3室温屈服强度(≥460MPa)，并且具有良好的低温冲击韧性，Akv(-40℃)/J≥200J，满足高层、超高层建筑及大型钢结构的需求。
本发明提供的高强钢，其化学成分(按照重量百分比)为C：0.03％～0.10％、 Si：0.20％～0.35％、Mn：1.50％～1.80％、Cr：0.20％～0.60％、Mo：0.20％～0.60％、 Nb：0.02％～0.10％、V：0.02％～0.08％、Ti：0.02％～0.04％、Ni：1.00％～1.80％、 Cu：1.00％～1.50％、Al：0.02％～0.04％、S≤0.005％、P≤0.010％、余量为Fe 及不可避免杂质。其中Nb+V+Ti：≤0.12％，Cr+Mo：≤1.00％，Cu/Ni：≤1.0。
本发明中的合金元素的作用及含量依据如下：
碳：C是钢中最有效最廉价的强化元素之一，必要的C起到固溶强化的作用，同时部分C原子将与加入微量Nb、Ti、Mo、V作用，形成微合碳化物析出。钢中随着含碳量增加，屈服和抗拉强度升高，但塑性和冲击韧性降低，焊接性能也差，因此本发明C含量控制在0.03％～0.10％。
硅：Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中，能提高钢的强度，同时还能抑制渗碳体的析出，但是不利于低温韧性，因此本发明Si含量控制在0.20％～0.35％。
锰：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，能显著提高淬透性。Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，随Mn含量的提高而上升，冲击韧性则随之下降，因此本发明Mn含量控制在1.50％～1.80％。
铬：Cr能显著增加钢的淬透性，同时固溶强化基体，细化组织，显著改善钢的抗氧化作用，增加其抗腐蚀的能力，并且Cr与Mo相互作用能显著提高钢的耐火性能，过高的Cr会大量增加合金成本，因此本发明Cr含量控制在0.20％～ 0.60％。
钼：Mo是中强碳化物形成元素，在钢中主要以碳化物的形式存在，弥散地分布在基体中强化基体，提高钢的硬度。也是钢中显著提高耐火性能的最有效的合金元素之一，但是Mo较昂贵，过量的Mo会导致合金成本上升以及焊接性能下降，因此本发明Mo含量控制在0.20％～0.60％。
钒：钢中加V可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，提高钢的强度，因此本发明V含量控制在0.02％～0.08％。
铌：轧制过程中奥氏体中固溶的Nb和形变诱导析出的Nb(C、N)能提高未再结晶温度，Nb与C形成的碳化物，形成析出强化，提高强度；高温过程析出的NbC或与V、Mo的复合析出能提高高温性能，因此本发明Nb含量控制在 0.02％～0.10％。
钛：Ti是钢中强脱氧剂。它能细化奥氏体、铁素体晶粒，故在改善钢的韧性，塑性及时效性能起到了好的作用，但是Ti含量过高易形成大块的含Ti夹杂物，不利于冲击韧性，因此本发明Ti含量控制在0.02％～0.04％。
铜：Cu能提高钢的强度和耐大气腐蚀的能力，而且相对Cr、Mo价格较低，同时在高温时效过程中会产生大量的Cu析出，起到强化效果，因此Cu含量控制在1.00％～1.50％。
镍：Ni镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。镍能提高钢的强度，能提高钢的塑韧性，特别是低温韧性，在含铜的钢中加入适量 Ni能有效防止铜脆的产生，因此本发明Ni含量控制在1.00％～1.80％。
铝：Al是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，过多Al难以控制，易形成夹杂物，因此本发明Al含量控制在0.02％～0.04％。
硫和磷：对于本钢种，P和S为有害元素，一般控制含量越低越好，因此本发明要求S≤0.005％、P≤0.010％。
本发明所涉及的690MPa级抗震耐火中板钢制造工艺如下：
按本发明合金成分配料，采用转炉炼钢，浇铸成连铸坯板坯，然后加热至 1100℃～1200℃，保温1～3小时，再采用2阶段轧制工艺，热轧后的钢板厚度在20mm～40mm之间，再将热轧后的钢板重新加热至680℃～720℃之间，保温 45min～180min后空冷至室温，进行临界回火。
所述2阶段轧制工艺是第一阶段轧制开轧温度控制在1000℃～1100℃，终轧温度控制在950℃以上，第二阶段开轧温度控制在920℃～950℃，终轧温度为 820℃～860℃，轧后空冷到600℃～750℃后层流冷却至室温。
本发明的热轧及热轧工艺的原理是通过热轧后的缓冷弛豫过程中获得少量的针状铁素体的组织，以利于改善韧性，层流冷却得到马氏体的组织，临界回火工艺获得马氏体、残余奥氏体、贝氏体、针状铁素体软硬相结合的复相组织，通过组织中的马氏体硬相组织提高钢的强度，通过残余奥氏体组织提高低温韧性及延伸率。同时在临界热处理过程中Nb、V、Mo、Cu少量析出相来强化组织，并保持一定量的合金元素固溶量，在600℃高温保温过程进一步析出来改善高温性能。
本发明具有如下优点:(1)主要采用低的合金成分添加少量的Cr、Mo、Ni 合金元素，采用较为廉价的Mn、Cu强化元素，主要通过后续的热处理进行组织调控来实现综合性能；(2)工艺简单，通过TMCP及临界回火处理即可获得优良的综合性能；(3)钢板具有较高的延伸率，能够达到18％以上，远高于国标要求的14％；(4)钢板室温强度级别高(屈服强度不低于690MPa)、屈強比低(≤ 0.85)、耐火性能较好(600℃，保温3小时屈服强度不低于室温强度的2/3),且具有良好的低温冲击韧性Akv(-40℃)/J≥200。
附图说明
图1为热轧及热处理工艺示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例进行详细的描述，但不仅限于此：
根据本发明的化学成分及性能要求，冶炼钢的化学成分如表1所示，余量为 Fe及不可免除杂质
表1本发明实施例的化学成分表(wt.％)
实施例 C Si Mn S P Cr Mo Nb Ti V Cu Ni Al
1 0.05 0.20 1.64 0.003 0.005 0.45 0.25 0.08 0.02 0.02 1.08 1.10 0.032
2 0.07 0.25 1.60 0.005 0.008 0.45 0.30 0.05 0.02 0.05 1.08 1.09 0.033
3 0.06 0.25 1.58 0.004 0.007 0.48 0.32 0.04 0.02 0.04 1.16 1.25 0.037
4 0.06 0.28 1.58 0.004 0.006 0.45 0.32 0.04 0.03 0.05 1.26 1.28 0.037
5 0.08 0.30 1.55 0.004 0.006 0.46 0.35 0.04 0.02 0.05 1.12 1.30 0.037
6 0.09 0.29 1.52 0.004 0.008 0.48 0.36 0.06 0.02 0.04 1.18 1.26 0.037
连铸坯送入加热炉中经过2～3小时的加热及均热，炉温控制在1150℃～ 1200℃，连铸坯出炉后进行2阶段轧制，第一阶段轧制开轧温度控制在1000℃～ 1100℃，终轧温度控制在950℃以上，第二阶段开轧温度控制在920℃以上，终轧温度在820℃以上，轧后空冷至600℃、650℃、700℃后层流冷却至室温；热轧后的钢板重新加热至680℃～700℃，保温120min进行临界回火处理(如图1 所示)。
表2本发明实施例的轧制及热处理工艺参数
Figure RE-RE-GDA0002427276540000051
表3本发明实施例的力学性能
Figure RE-RE-GDA0002427276540000052
通过表3可知，本发明实施例钢的屈服强度、抗拉强度及延伸率均能达到目标要求，屈強比均在0.80以下，低于为保证钢材抗震性能要求的屈强比小于 0.85。此外本实施例钢还具有良好的低温冲击韧性(Akv(-40℃)≥200J)以及良好的高温屈服强度(600℃保温3小时≥460MPa)，能满足相应级别耐火钢对高温性能的要求。
采用3.5％NaCl溶液，每天完成两次干湿循环试验，经过180天测得试验钢的失重量仅为COR-TEN A钢的2/3，说明试验钢具有良好的耐腐蚀性能。

Claims (3)

1.一种690MPa级抗震耐蚀耐火中板钢，其特征在于，中板钢的化学成分按重量百分比计为：C：0.03％～0.10％、Si：0.20％～0.35％、Mn：1.50％～1.80％、Cr：0.20％～0.60％、Mo：0.20％～0.60％、Nb：0.02％～0.10％、V：0.02％～0.08％、Ti：0.02％～0.04％、Ni：1.00％～1.80％、Cu：1.00％～1.50％、Al：0.02％～0.04％、S≤0.005％、P≤0.010％、余量为Fe及不可避免杂质，其中Nb+V+Ti：≤0.12％，Cr+Mo：≤1.00％，Cu/Ni：≤1.0。
2.权利要求1所述的690MPa级抗震耐蚀耐火中板钢的制造方法，其特征在于，按合金成分配料，采用转炉炼钢，浇铸成连铸坯板坯，然后加热至1100℃～1200℃，保温1～3小时，加热后采用2阶段轧制工艺，热轧后的钢板厚度在20mm～40mm之间，再将热轧后的钢板重新加热至680℃～720℃之间，保温45min～180min后空冷至室温，进行临界回火。
3.如权利要求2所述的690MPa级抗震耐蚀耐火中板钢的制造方法，其特征在于，所述2阶段轧制工艺是第一阶段轧制开轧温度控制在1000℃～1100℃，终轧温度控制在950℃以上，第二阶段开轧温度控制在920℃～950℃，终轧温度为820℃～860℃，轧后空冷到600℃～750℃后层流冷却至室温。
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