CN111187977B - 一种690MPa级抗震耐蚀耐火中厚板钢及其制造方法 - Google Patents

一种690MPa级抗震耐蚀耐火中厚板钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种屈服强度≥690MPa，延伸率≥20％，屈強比≤0.85，600℃屈服强度(保温3小时)≥2/3室温屈服强度(460MPa),低温韧性Akv(‑40℃)≥100J，其成分和重量百分含量为：C：0.08％～0.16％、Si：0.20％～0.35％、Mn：1.8％～2.2％、Cr：0.2％～0.6％、Mo：0.2％～0.6％、Nb：0.05％～0.15％、V：0.02％～0.08％、Ti：0.02％～0.03％、Ni：1.3％～3.0％、Cu：1.3％～2.5％、Al：0.01％～0.04％、S≤0.005％、P≤0.010％、余量为Fe及不可避免杂质。其中Nb+V+Ti：≤0.20％，Cr+Mo：≤1.20％，Cu/Ni：≤1.0。本发明还提供其制造方法：采用2阶段轧制，轧后弛豫到600℃～750℃后层流冷却至室温，热轧板厚度为40mm～80mm。轧后钢板加热至700℃～800℃之间，保温1～3小时后空冷至室温进行临界区回火，然后加热至200℃～400℃之间，保温0.5～3小时空冷至室温进行低温回火。

Description

一种690MPa级抗震耐蚀耐火中厚板钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种通过多步回火热处理制造690MPa级抗震耐蚀耐火用中厚板钢的工艺，属于高强度低合金钢制造领域。
背景技术
随着人类生产力的发展，目前的城市化进程越来快，人口的聚集程度越来越高，因此城市的大型建筑越来越多向着高层、大跨度及架构复杂化发展。目前中国正在建筑的北京亚洲金融大厦建设运用创新钢板剪力墙系统，大幅提升空间使用率，其结构材料全部采用了高强度、大厚度、抗震、耐蚀、耐火的钢材。因此发展高强抗震耐蚀耐火中厚板有着迫切的需求，目前国内主要钢厂的690MPa 级耐火钢生产工艺并未成熟，还存在着强度较低，成本高等问题，难以满足城市化发展的需求。因此，发展一种稳定的生产高强抗震耐蚀耐火钢的新工艺具有较大的意义。
经检索：中国专利申请号CN 108546882 A的专利文献公开了一种Cu析出增强型高强耐火耐蚀钢及其制造方法，其化学成分(按重量百分比)为：C：0.01～ 0.03％、Si：0.1～0.30％、Mn：0.10～0.50％、Ni：3.00～5.00％、Cu：0.80～1.50％、 Ti：0.010～0.030％、P:≤0.015％、S:≤0.010％、Al：0.015～0.035％、余量为Fe 及不可避免杂质。或其化学成分(按重量百分比)为：C：0.015～0.026％、Si： 0.24～0.25％、Mn：0.28～0.45％、Ni：3.55～4.45％、Cu：0.92～1.45％、Ti：0.021～ 0.025％、P:≤0.015％、S:≤0.010％、Al：0.021～0.023％、余量为Fe及不可避免杂质。该专利文献涉及钢材强度仅为390MPa～560Mpa，无法达到690MPa级钢的使用要求，而且在600℃，保温3小时后的屈服强度达不到耐火钢的性能要求。
经检索：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，强度能达到690MPa级但是不具有耐火性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种690MPa级抗震耐火建筑用钢及制造方法。通过多步回火热处理工艺，制造出高强度抗震耐火建筑用钢。这种钢具有优良的力学性能：屈服强度≥690MPa，延伸率≥20％，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℃)≥100J，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：0.08％～0.16％、 Si：0.20％～0.35％、Mn：1.8％～2.2％、Cr：0.2％～0.6％、Mo：0.2％～0.6％、 Nb：0.05％～0.15％、V：0.02％～0.08％、Ti：0.02％～0.03％、Ni：1.3％～3.0％、 Cu：1.3％～2.5％、Al：0.01％～0.04％、S≤0.005％、P≤0.010％、余量为Fe及不可避免杂质。其中Nb+V+Ti：≤0.20％，Cr+Mo：≤1.20％，Cu/Ni：≤1.0。
本发明中的的合金元素的作用及含量依据如下：
碳：钢中的C能固溶起到固溶强化作用，也能与Fe、Mn、Cr等形成合金渗碳体析出，同时也能在回火过程中与Nb、Ti、Mo、V形成碳化物析出，钢中合理的C含量能有效强化作用，而且成本较低，但是大量的C会造成韧性及塑性的降低，因此本发明C含量控制在0.08％～0.16％。
硅：钢中的Si能起到固溶强化的作用，也能抑制钢中大量的渗碳体的析出，但是Si含量过高会造成钢的韧性较差，因此本发明Si含量控制在Si：0.20％～ 0.35％。
锰：Mn是钢中常见的强化元素，成本较低，能有效的提高强度，也能扩大钢的奥氏体区，是稳定奥氏体的元素之一。但是Mn过高会造成偏析，使得韧性下降，因此本发明Mn含量控制在1.8％～2.2％。
铬：Cr能增加钢的淬透性，当固溶在基体中的时候起到固溶强化的作用，在高温下，会析出Cr、Mo、V的复合析出，起到增强高温性能的作用，同时Cr 也能提高钢的耐腐蚀能力，但是Cr属于贵金属，因此本发明Cr含量控制在 0.2％～0.6％。
钼：Mo在高温回火过程中在晶界、板条界等处形成碳化物析出，而且析出不易粗化，是钢中显著提高耐火性能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 0.2％～0.6％。
钒：固溶在钢中的V能起到细化奥氏体晶粒的作用，在回火过程中V也非常容易与C结合，形成碳化物的析出，能有效提高钢的强度，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 0.05％～0.15％。
钛：一般钢在精炼过程会加入Ti脱氧，钢中加入Ti也能形成TiC的析出，作为非均匀形核的质点，起到细化晶粒以及析出强化作用，但是TiC的析出不易控制，容易形成大尺寸的析出，不利于韧性的提高，因此本发明Ti含量控制在 0.02％～0.03％。
铜：Cu是钢中有效稳定奥氏体的元素之一，加入Cu能有助于获得残奥组织， Cu在时效过程形成纳米尺度的析出物，能有效地提高钢的强度，对于提高厚板钢的心部强度有非常明显的作用，同时Cu还能提高钢的耐腐蚀能力，但是过量的Cu不利于韧性的提高，因此Cu含量控制在1.3％～2.5％。
镍：Ni也是形成和稳定奥氏体的主要合也金元素，Ni含量提高能有益于获得残余奥氏体组织，同时也能有效提高钢的低温韧性，一般在钢中Cu与Ni等比例加入会有效防止铜脆的产生，因此本发明Ni含量控制在1.3％～3.0％。
铝：钢中加入Al一般会增加钢水的粘度，不利于钢水的浇铸，同时也会形成大量的夹杂物，因此本发明Al含量控制在0.01％～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690MPa级抗震耐蚀耐火中厚板钢涉及的制造工艺如下：
按本发明合金成分配料，采用转炉炼钢，浇铸成连铸坯，采用2阶段轧制，轧后进行两步回火，将热轧板重新加热至700℃～800℃之间，保温1～3小时后空冷至室温进行临界区回火，然后加热至200℃～400℃之间，保温0.5～3小时空冷至室温进行低温回火。
所述2阶段轧制是先将连铸坯加热至1100℃～1200℃，保温2小时，然后进行轧制，第一阶段轧制开轧温度控制在1050℃～1200℃，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℃，轧后弛豫到600℃～750℃后层流冷却至室温；热轧钢板厚度在40mm～80mm之间。
本发明的热轧及热处理工艺的主要原理是，通过2阶段的轧制来细化组织，得到板条马氏体的组织，轧后的缓冷过程中可以获得少量的针状铁素体的组织，以利于改善韧性。轧后的临界回火处理主要在于使得钢进入两相区，得到逆转变的奥氏体组织，C元素及合金元素Mn、Ni、Cu在两相间进行配分，得到部分合金元素富集的奥氏体组织。部分逆转变的奥氏体组织在冷却过程中稳定到室温，得到残余奥氏体组织，部分高温下的逆转变的奥氏体组织转变为贝氏体组织，在低温回火过程中合金富集的组织会进一步促进Cu元素的析出，特别是在厚板中心的析出能够有效提高中心的强度，以弥补心部与表面强度的差异。
本发明具有如下优点:(1)控制合金元素Cr、Mo的含量，主要采用Cu、 Nb、V、的析出强化来提高强韧性(2)热处理回火温度工艺窗口较宽，容易控制，有效提高成材率；(3)钢板室温强度级别高(屈服强度≥690MPa)、延伸率高(≥20％)、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，≥460MPa)，且具有良好的低温冲击韧性Akv(-40℃)≥ 100J。
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.％)
Figure BDA0002358012610000041
Figure BDA0002358012610000051
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1050℃～ 1200℃，终轧温度控制在950℃以上，第二阶段开轧温度控制在920℃，终轧温度在820℃以上，轧后空冷至600℃、650℃、700℃后层流冷却至室温，热轧钢板厚为80mm；热轧板重新加热至700℃、720℃、740℃、760℃、780℃、800℃，保温1小时后空冷至室温进行临界区回火；然后加热至200℃～400℃，保温0.5 小时空冷至室温进行低温回火(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 BDA0002358012610000052
表3本发明实施例的力学性能
Figure BDA0002358012610000053
Figure BDA0002358012610000061
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0.85以下，低于为保证钢材抗震性能要求。此外本实施例钢的还具有良好的低温冲击韧性(Akv(-40℃)≥100J)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小于COR-TEN A钢的2/3，说明试验钢具有良好的耐腐蚀性能。

Claims (1)

1.一种690MPa级抗震耐蚀耐火中厚板钢的制造方法，其特征在于，按合金成分配料，采用转炉炼钢，浇铸成连铸坯，再采用2阶段轧制，轧后弛豫到600℃～750℃后层流冷却至室温，热轧板厚度为40mm～80mm，然后进行两步回火，将热轧板重新加热至700℃～800℃之间，保温1～3小时后空冷至室温进行临界区回火，然后加热至200℃～400℃之间，保温0.5～3小时空冷至室温进行低温回火；
所述2阶段轧制是先将连铸坯加热至1100℃～1200℃，保温2小时，然后进行轧制，第一阶段轧制终轧温度控制在950℃以上，第二阶段开轧温度控制在920℃～950℃，终轧温度为820℃～860℃，轧后弛豫到600℃～750℃后层流冷却至室温；热轧钢板厚度在40mm～80mm之间；
中厚板钢化学成分按重量百分比计为：C：0.08%～0.16%、Si：0.20%～0.35%、Mn：1.8%～2.2%、Cr：0.2%～0.6%、Mo：0.2%～0.6%、Nb：0.05%～0.15%、V：0.02%～0.08%、Ti：0.02%～0.03%、Ni：1.3%～3.0%、Cu：1.3%～2.5%、Al：0.01%～0.04%、S≤0.005%、P≤0.010%、余量为Fe及不可避免杂质，其中Nb+V+Ti：≤0.20%，Cr+Mo：≤1.20%，Cu/Ni：≤1.0。
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