CN111455287A - 一种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢及其制造方法 - Google Patents

一种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢及其制造方法，由以下质量百分比的成分组成C：0.04～0.09％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.40～1.50％、P：0.009～0.015％、S：≤0.002％、Nb：0.020～0.050％、Ti：0.010～0.020％、V：0.010～0.030％、Cu：0.30～0.40％、Ni：0.30～0.45％、Cr：0.45～0.60％、Mo：0.08～0.15％、Alt：0.02～0.04％，余量的Fe及不可避免的杂质。通过科学的成分设计及相匹配的控轧控冷+回火的制造方法，使得该耐候桥梁钢兼具低屈强比、高低温韧性和高延展性的特点。

Description

一种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种耐候钢，具体涉及一种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢及其制造方法。
背景技术
随着大型钢结构桥梁向大跨度、重载荷、全焊接结构方向发展，对桥梁结构的安全可靠性要求越来越严格。这对设计者提出了更高的要求，同时也对钢板质量提出了更高的标准，即不仅要求钢板具有高强度以满足结构轻量化要求，而且还应具有优良的塑性、低温韧性、焊接性、耐腐蚀性能等，以满足桥梁跨径更大，荷载更重的工况条件。因此高强高韧高塑高耐候桥梁钢的应用，可以降低桥梁结构自重，降低桥梁工程设计、制造、施工难度等，同时可以提高使用寿命。
但是，随着钢的强度提高，钢的屈强比一般也会升高，甚至可以达到0.93 以上。由于屈强比很高，一旦构件发生过载，如在地震等条件下，将迅速达到钢种极限强度而导致事故的发生。因此，较高的屈强比，限制了高强度结构钢在桥梁工程上的应用。地震的频发和其造成的灾难性后果，引起了国外对桥梁抗震性的高度关注，并在一些结构设计规范中作了相关规定。低屈强比、高强、高韧、高塑、高耐候桥梁钢是桥梁建设的发展趋势。
公开号为CN101892431A的发明，公开了一种热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢及其制造方法，其Mo含量达到了0.15-0.35％，且需稀土处理，成本较高。申请号为CN201811494831.3的发明中介绍了一种Q550qENH及其生产方法，但其厚度规格为12～60mm，个别厚度规格钢板屈强比已达到0.87。公开号为 CN103103458A的发明，公开了一种高强度耐候钢及其制备方法，但是其C含量 0.01～0.05％，属于超低碳钢，冶炼难度较大，Mn含量1.5～2.0％，铸坯易产生中心偏析，且成品是薄规格的卷板，不能满足大厚度、宽规格现代桥梁结构建设的需求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明公开了一种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢，该耐候桥梁钢兼具低屈强比、高低温韧性和高延展性的特点。
本发明的另一目的是提供一种上述500MPa级低屈强比耐候桥梁钢的制造方法。
技术方案：本发明所述的一种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢，由以下质量百分比的成分组成C：0.04～0.09％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.40～1.50％、P： 0.009～0.015％、S：≤0.002％、Nb：0.020～0.050％、Ti：0.010～0.020％、V：0.010～ 0.030％、Cu：0.30～0.40％、Ni：0.30～0.45％、Cr：0.45～0.60％、Mo：0.08～ 0.15％、Alt：0.02～0.04％，余量的Fe及不可避免的杂质。
本发明成分配比的确定是通过改变某些元素的含量和加入可以强化并改善材料力学性能的合金元素来实现的，遵循多元少量的原则，采用控轧控冷+回火的方法，获得了厚度规格8～80mm且屈强比≤0.83的钢，其交货状态为TMCP+ 回火处理。
具体而言，本发明成分中钢中碳含量不宜过高，同时降低硫、气体杂质并控制耐蚀元素磷含量，确保钢质纯净并具有强韧性。本发明以回火贝氏体为主的组织类型实现了低屈强比和高低温韧性和高延伸性，各成分及含量的说明如下：
C是钢中不可缺少的提高钢材强度及硬度的元素，对钢组织影响显著。C溶入基体形成间隙固溶体，起到固溶强化的作用，显著增加基体的强度。随着碳含量的增加，钢的抗拉强度和屈服极限会提高而延伸率、缺口冲击韧性则下降。当钢材中C含量较高时易加剧产生冷裂纹的，因此，本发明采用超低碳设计，少量的C在钢中形成微合金元素碳化物，起到第二相强化和细化晶粒作用，本发明C百分含量设定为0.04～0.09％。
Mn是铁标钢中一种主要元素，锰元素可以提高材料强度，虽然提高C含量或Cr也可提高强度，但碳元素过多影响成型性及焊接线，而Cr元素价格太高且储量有限，不利于降低成本，Mn元素在钢中还是防止热脆性的主要元素，综合考虑所以提高了锰含量至上限，本发明Mn百分含量设定为1.40～1.50％。
Si元素在钢中主要以很强的固溶强化形式提高钢的强度，也是炼钢脱氧的必要元素，可以提高耐大气腐蚀性能，但明显降低钢的塑性和韧性且显著降低钢的表面涂镀性能，因此，综合考虑强度、韧性、塑性等因素，本发明Si百分含量设定为0.15～0.30％。
P促进锈层非晶态转变，一般而言，Cu、P复合具有最优的耐候效果，是比较经济的耐蚀元素，考虑到P导致低温脆性和裂纹敏感性，在重要焊接结构用耐候钢中，一般限制P的含量，本发明P百分含量控制窄区间为0.009～0.012％。
Cu元素在钢中主要起到固溶强化作用，适量的铜可提高强度而不降低韧性，也可提高钢的耐蚀性，本发明Cu百分含量为0.30～0.40％。
Cr是在实际工业生产中应用比较广泛，它对提高钢的屈服强度仅次于碳元素，对降低屈强比不利，且我国铬元素储量较少，所以降低了铬元素的含量，用Mn 及Si元素代替，本发明Cr百分含量为0.45～0.60％。
Mo是较强的固溶强化元素，强烈提高淬透性，可明显提高热硬性，并提高回火稳定性，显著降低回火脆性，本发明Mo百分含量为0.08～0.15％。
V是中等程度的碳化物形成元素，可形成简单立方晶体结构的合金碳化物 VC，可进入渗碳体提高渗碳体稳定性，提高回火稳定性，本发明V百分含量为 0.010～0.030％。
Ti可使C曲线右移，钛能显著提高强度，起到细化晶粒作用，也可提高钢的韧性，适量的Ti可以形成第二项质点，提高金属的韧性，本发明Ti百分含量为 0.010～0.020％。
进一步的，该钢的耐大气腐蚀性指数I≥6.5。其中，耐大气腐蚀性指数 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)2。
对应于上述500MPa级低屈强比耐候桥梁钢，本发明提供的制造方法所采用的技术方案的工序包括冶炼、连铸、均热、轧制、弛豫、冷却以及离线回火；
其中，连铸坯在均热工序中加热至中心温度为1130～1230℃；
轧制工序是对除鳞后的连铸坯进行再结晶区轧制和未再结晶区轧制，所述再结晶区轧制的累积变形量为连铸坯厚度的50％以上；
中间坯待温800℃～990℃，待温厚度为2～4倍的成品厚度，到温后进行所述未再结晶区轧制，终轧温度控制在790～830℃；
弛豫工序中，弛豫至始冷温度为730℃～760℃；
冷却工序是自所述始冷温度进行层流冷却，返红温度控制在420～600℃，随后空冷至室温；
离线回火工序中，回火温度在450～550℃，并在此温度下保温20～40min，且保温时间与成品厚度成正比，随后自然冷却至室温。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过科学的成分设计及相匹配的控轧控冷+回火的制造方法，得到具有低屈强比、高韧性和高延性的500MPa级低屈强比耐候桥梁钢。其屈服强度545MPa以上，抗拉强度682MPa以上，成品钢的屈强比小于等于0.83，-40℃Akv在180J以上，且延伸率≥20％，综合性能好，适应于桥梁结构的应用。
附图说明
图1为实施例2中产品的500倍光学金相组织图。
具体实施方式
下面，结合具体实施例进一步对本发明进行说明。
实施例1的成分以质量百分比计为：C：0.04％、Si：0.28％、Mn：1.50％、P：0.014％、S：0.0010％、Nb：0.020％、Ti：0.015％、V：0.010％、Ni：0.30％、Cu： 0.40％、Cr：0.45％、Mo：0.08％、Alt：0.02％，余量为Fe及不可避免杂质。原料通过冶炼、精炼、合金化、钙处理，得到钢水，钢水上板坯连铸，铸坯厚度为 150mm，耐大气腐蚀性指数I为6.51。连铸坯堆冷24小时以上，把坯料在1230℃下均热，温度均匀性小于20℃，加热150min后进行除磷，随后进行两阶段轧制。再结晶区轧制温度是1080℃，总变形量为79％，中间坯厚度控制在成品厚度4 倍。未再结晶区轧制开轧温度为990℃，达到最终产品厚度8mm，终轧为830℃。
终轧后进行弛豫至始冷温度730℃，对在始冷温度下的钢板进行层流冷却，返红温度为600℃，而后空冷至室温，然后对钢板进行回火，回火温度在550℃，并在此温度下保温20min。
对控轧控冷+回火后的试样金相组织进行观察发现，显微组织类型为“回火贝氏体”组织，材料的屈服强度为575MPa，抗拉强度为693MPa，成品钢屈强比为0.83，-40℃Akv为180J，延伸率A为20％。
实施例2的成分以质量百分比计为：C：0.06％、Si：0.30％、Mn：1.46％、P：0.010％、S：0.0015％、Nb：0.040％、Ti：0.020％、V：0.020％、Ni：0.35％、Cu： 0.30％、Cr：0.60％、Mo：0.10％、Alt：0.04％，余量为Fe及不可避免杂质。原料通过冶炼、精炼、合金化、钙处理，得到钢水，钢水上板坯连铸，铸坯厚度为 320mm的坯料，耐大气腐蚀性指数I为6.70。连铸坯堆冷48h以上，把坯料在 1160℃均热，温度均匀性小于20℃，加热352min后进行除磷，随后进行两阶段轧制。再结晶区轧制温度是1070℃，总变形量为53％，中间坯厚度控制在成品厚度2.5倍。未再结晶区轧制开轧温度为850℃，达到最终产品厚度60mm，终轧温度为810℃。
终轧后进行弛豫处理至始冷温度750℃，对在始冷温度下的钢板进行层流冷却，返红温度为480℃，而后空冷至室温，然后对钢板进行回火，回火温度在500℃，并在此温度下保温35min。
如图1所示，对控轧控冷+回火后的试样金相组织进行观察发现，显微组织类型为“回火贝氏体”组织，材料的屈服强度为556MPa，抗拉强度为682MPa，成品钢屈强比为0.82，-40℃Akv为225J，延伸率A为21％。
实施例3的成分以质量百分比计为：C：0.09％、Si：0.15％、Mn：1.40％、P：0.0090％、S：0.0020％、Nb：0.035％、Ti：0.018％、V：0.030％、Ni：0.45％、 Cu：0.37％、Cr：0.50％、Mo：0.15％、Alt：0.02％，余量为Fe及不可避免杂质。原料通过冶炼、精炼、合金化、钙处理，得到钢水，钢水上板坯连铸，铸坯厚度为320mm的坯料，耐大气腐蚀性指数I为6.53。铸坯堆冷48h以上，把坯料在 1130℃均热，温度均匀性小于20℃，加热320min后进行除磷，随后进行两阶段轧制。再结晶区轧制温度是1040℃，粗轧总变形量为50％，中间坯厚度控制在成品厚度2.0倍。未再结晶区轧制开轧温度为800℃，达到最终产品厚度80mm，终轧温度为790℃。
终轧后进行弛豫处理至始冷温度760℃，对在始冷温度下的钢板进行层流冷却，返红温度为420℃，而后空冷至室温，然后对钢板进行回火，回火温度在450℃，并在此温度下保温40min。
对控轧控冷+回火后的试样金相组织进行观察发现，低倍镜下的显微组织类型为“回火贝氏体”组织，组织结构的均匀性好，材料的屈服强度为545MPa，抗拉强度为673MPa，成品钢屈强比为0.81，-40℃Akv为216J，延伸率A为22％。
实施例4的成分以质量百分比计为：C：0.05％、Si：0.20％、Mn：1.45％、P：0.015％、S：0.0012％、Nb：0.050％、Ti：0.010％、V：0.018％、Ni：0.40％、Cu： 0.38％、Cr：0.48％、Mo：0.12％、Alt：0.025％，余量为Fe及不可避免杂质。原料通过冶炼、精炼、合金化、钙处理，得到钢水，钢水上板坯连铸，铸坯厚度为 260mm的坯料，耐大气腐蚀性指数I为6.59。铸坯堆冷36h以上，把坯料在1200℃均热，温度均匀性小于20℃，加热286min后进行除磷，随后进行两阶段轧制。再结晶区精轧温度是1100℃，粗轧总变形量为63％，中间坯厚度控制在成品厚度3.0倍。未再结晶区轧制开轧温度为870℃，达到最终产品厚度32mm，终轧温度为810℃。
终轧后进行弛豫处理至始冷温度740℃，对在始冷温度下的钢板进行层流冷却，返红温度为550℃，而后空冷至室温，然后对钢板进行回火，回火温度在480℃，并在此温度下保温30min。
对控轧控冷+回火后的试样金相组织进行观察发现，显微组织类型为“回火贝氏体”组织，材料的屈服强度为571MPa，抗拉强度为713MPa，成品钢屈强比为0.80，-40℃Akv为332J，延伸率A为21％。
从上述实施例可知，采用中厚板轧机生产的这种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢，通过其成分设计辅助控轧控冷+离线回火的制造工艺，有效的降低了耐候桥梁钢的屈强比，能够保证成品钢的屈强比≤0.83。

Claims (10)

1.一种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成C：0.04～0.09％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.40～1.50％、P：0.009～0.015％、S：≤0.002％、Nb：0.020～0.050％、Ti：0.010～0.020％、V：0.010～0.030％、Cu：0.30～0.40％、Ni：0.30～0.45％、Cr：0.45～0.60％、Mo：0.08～0.15％、Alt：0.02～0.04％，余量的Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的500MPa级低屈强比耐候桥梁钢，其特征在于，金相组织为回火贝氏体。
3.根据权利要求1所述的500MPa级低屈强比耐候桥梁钢，其特征在于，8～80mm厚度的钢板的屈强比≤0.83。
4.根据权利要求3所述的500MPa级低屈强比耐候桥梁钢，其特征在于，耐大气腐蚀性指数I≥6.5。
5.根据权利要求1所述的500MPa级低屈强比耐候桥梁钢，其特征在于，质量百分比的成分组成中C为0.06～0.09％，Mn为1.40～1.46％。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的500MPa级低屈强比耐候桥梁钢的制造方法，其特征在于，工序包括冶炼、连铸、均热、轧制、弛豫、冷却以及离线回火；
其中，连铸坯在均热工序中加热至中心温度为1130～1230℃；
轧制工序是对除鳞后的连铸坯进行再结晶区轧制和未再结晶区轧制，所述再结晶区轧制的累积变形量为连铸坯厚度的50％以上；
中间坯待温800℃～990℃，待温厚度为2～4倍的成品厚度，到温后进行所述未再结晶区轧制，终轧温度控制在790～830℃；
弛豫工序中，弛豫至始冷温度为730℃～760℃；
冷却工序是自所述始冷温度进行层流冷却，返红温度控制在420～600℃，随后空冷至室温；
离线回火工序中，回火温度在450～550℃，并在此温度下保温20～40min，且保温时间与成品厚度成正比，随后自然冷却至室温。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，制造厚度为8～80mm的成品所采用的连铸坯厚度为150～320mm。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，连铸工序的连铸坯堆冷24h以上，且连铸坯的厚度增大堆冷的时间随之增大，对于320mm的连铸坯，堆冷时间在48h以上。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，连铸坯在均热工序中温度均匀性小于20℃。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在均热工序中，加热时间≥连铸坯厚度*1min/mm。
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