CN111996453B - 一种多析出增强型抗震耐蚀耐火h型钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢及其制备方法，钢的化学成分的重量百分比为：C 0.04％‑0.07％、Si 0.15％‑0.30％、Mn 1.1％‑1.6％、Cr 0.3％‑0.6％、Ti 0.06％‑0.12％、Mo 0.1％‑0.2％、Ni 0.80％‑1.20％、Cu 0.80％‑1.20％、Al 0.01％‑0.03％、P≤0.008％、S≤0.004％，余量为Fe和不可避免的杂质组成，采用常规真空冶炼并浇注成坯，对铸坯进行加热，经过再结晶区轧制成H型钢，空冷至室温，得到铁素体和贝氏体双相组织。依靠轧后空冷产生的相间析出和遇火产生的大量Cu析出，提高耐火性能。本发明设计的多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢，具有降低合金化成本、制备工艺简单、力学性能优异等特点，可广泛应用于同时满足抗震、耐蚀及耐火要求的建筑H型钢。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构用钢技术领域，尤其涉及一种多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢及其制备方法。
背景技术
低合金高强度结构钢具有良好性能，广泛应用于桥梁、船舶、锅炉、车辆及重要建筑结构中。作为低合金高强度结构钢的主要应用渠道之一，建筑用钢具有较高的应用要求，但是钢结构建筑的耐火性能比砖结构和钢筋混凝土结构差。一般采用耐火材料涂覆来对钢材进行保护，但这样使得建筑成本增加、还会危害人的身体健康并造成环境污染。因此，提高钢材本身的耐火性能是减少防火涂层、增强建筑物抗火能力最为有效的方法。研究发现，通过微合金化能提高钢的高温性能，使钢具有良好的耐火性能。钼是提高钢高温性能的有效元素，但钼属于贵重金属，提高钼含量会是成本大幅度提高。本发明的特征在于通过多元微合金的复合作用来替代钼，降低钼含量，特别是通过Ti的相间析出和Cu的大量析出来保证良好性能的同时，使成本降低。
经检索，公开号为CN108546882A的文献，公开了一种Cu析出增强型高强耐火耐蚀钢及其制造方式，其化学成分组成按质量百分比为：C 0.01％-0.03％、Si 0.10％-0.30％、Mn 0.10％-0.50％、Ti 0.010％-0.030％、Ni 3.00％-5.00％、Cu 0.80％-1.50％、Al0.015％-0.035％、P＜0.015％、S＜0.010％，其余为铁和不可避免的杂质。在热处理后进行喷水快速层流冷却，获得贝氏体和马氏体组织，使室温钢板获得过饱和的固溶铜，保证耐火性能，相对工艺复杂不适合H型钢的生产。Ni、Cu元素的适当耦合来保证耐海洋大气腐蚀性能。并且为提高耐蚀等性能，Ni的添加量非常大，达到3％以上，相对成本较高。本发明中主要依赖于Ti的相间析出配合Cu的析出来保证耐火性能，并大大减少了Ni的添加。此外，针对H型建筑钢，结构不均匀，喷水快速层流冷却可能会导致钢坯各处冷速不同而导致应力不同，在本发明中采用空冷，能使钢坯各处冷速较为均匀，且空冷成本低，操作简单，并且只在再结晶区进行轧制，进一步简化生产流程。
发明内容
本发明目的在于针对H型钢生产工艺要求特殊、抗震耐蚀耐火性能耦合困难等问题，提供一种通过成分设计和控制轧制工艺来实现一种多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢及其制备方法。通过控轧控冷工艺得到贝氏体+铁素体双相组织，利用双相组织获得较低的屈强比，获得良好的抗震性能。同时利用轧后空冷的工艺，在奥氏体向铁素体相变时，形成大量以Ti为主的相间析出，提高铁素体的室温强度，同时利用相间析出在高温时不易粗化长大的特点，提高本发明钢的耐火性能，在遇火过程中，除已形成的相间析出，在相间析出排列处会形成非均匀形成的Cu析出，此外在基体中会形成大量的过饱和Cu析出，这两类Cu析出都进一步提高本发明钢在高温时强度，进而改善耐火性能。同时成分设计时大量添加了Cu、Ni等元素，大量提高本发明钢的耐蚀性能。综上所述本发明钢，可广泛应用于高层、超高层同时要求高强度及抗震、耐火、耐蚀性能等的建筑H型钢。
本发明多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢的化学成分重量百分比为：C 0.04％-0.07％、Si 0.15％-0.30％、Mn 1.1％-1.6％、Cr 0.3％-0.6％、Ti 0.06％-0.12％、Mo0.1％-0.2％、Ni 0.80％-1.20％、Cu 0.80％-1.20％、Al 0.01％-0.03％、P≤0.008％、S≤0.004％，余量为Fe和不可避免的杂质组成。
本发明主要化学成分限定理由如下：
C：碳对钢的强度、韧性、焊接性有明显的影响。降低碳含量不仅能保证合金钢有良好的塑性和韧性，而且能有效地提高钢材的冷、热变形能力。而且，随着碳含量的降低，可以使合金钢能保持良好的可焊接性和低的脆性转变温度。因此，为了保证钢良好的综合性能，本发明的C含量重量百分比为0.04％-0.07％。
Si：硅是固溶强化元素，可促进铁素体形成，阻碍渗碳体粗化，有利于高温强度，但硅会加速高温剥层，若其含量高于0.3％，则不利于焊接性能，本发明的Si含量重量百分比为0.15％-0.30％。
Mn：锰有脱氧、脱硫作用，在钢中与硫反应生成MnS，防止热脆性。此外锰在450℃左右与氮有应变交互作用，利于高温拉伸强度，但不利于高温延性，还会导致回火脆性。提高锰含量可降低碳扩散速度，细化碳化物，本发明的Mn含量重量百分比为1.1％-1.6％。
Cr：铬能显著提高钢的耐蚀性能，还能提高钢的淬透性，具有二次硬化作用，但含量过高会降低基体和热影响区的韧性，本发明的Cr含量重量百分比为0.3％-0.6％。
Ti：通过沉淀强化来提高钢的高温强度，且钛的氮化物在钢水凝固阶段形成，不溶于奥氏体，能在钢的加热过程控制基体晶粒尺寸，提高钢的室温强度和高温强度。形成的第二相质点，能阻止焊接过程中粗晶区的长大，提高焊接金属的韧性。还能控制硫化物的形态，改善钢性能的不均匀性，提高钢的冲击韧性。同时在轧后空冷过程中极易形成不易粗化长大的相间析出，对耐火性能的提升有着明显效果，本发明的Ti含量重量百分比为0.06％-0.12％。
Mo：钼的添加增加了淬透性，有利于贝氏体组织的生成，钼含量越高，贝氏体体积分数越大。主要通过钼的固溶强化以及Mo2C和Mo富集区的沉淀强化提高高温强度，还可以在高温抑制位错湮灭。但钼属于贵重金属，本发明的Mo含量重量百分比0.1％-0.2％。
Ni：奥氏体稳定元素，提高淬透性、耐蚀性。降低位错运动阻力，促进交滑移，改善韧性。还能强化基体，但属于贵重金属，本发明的Ni含量重量百分比为0.80％-1.20％。
Cu：提高淬透性和耐大气腐蚀能力，具有一定的沉淀强化作用，固溶于基体中的铜原子在温度升高时能快速析出，提高高温强度。本发明的Cu含量重量百分比为0.80％-1.20％。
Al：强脱氧元素，氮化物能细化奥氏体晶粒，本发明的Al含量重量百分比为0.01％-0.03％。
P和S：杂质元素，显著降低钢的塑性韧性和焊接性，本发明的P和S含量重量百分比为P≤0.008％、S≤0.004％。
如上所述的多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢的生产工艺，其特征在于，依次包括：真空冶炼、浇铸成坯、热轧成H型钢，空冷至室温。其中热轧工艺采用奥氏体再结晶区轧制，轧制工艺中控制的技术参数为：再加热温度1150-1200℃，保温2小时以上；开轧温度控制在1050-1069℃；终轧温度控制在950-969℃；空冷至室温。
本发明涉及到的生产工艺主要是利用其成分特点和H型钢生产的特殊工艺要求，在再结晶区进行轧制，不但有利于H型钢的生产，同时大大缩短了生产工艺，节省成本；同时相比于两阶段轧制，还能明显提升贝氏体的比例，进而提高耐火性能。
如上所述的多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢，其特征在于，显微组织为贝氏体+铁素体双相组织，内含有大量以Ti为主的相间析出，遇火后相间析出不易粗化长大，并出现在相间析出上析出的Cu析出和大量的过饱和Cu析出。
如上所述的多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢的室温屈服强度≥530MPa，抗拉强度≥700MPa，屈强比低于0.78，延伸率A≥22％，冲击吸收功Akv(-40℃)≥90J，相对腐蚀速率(以Corten A为标准)低于60％；在600℃保温3h后高温屈服强度不低于室温下强度的2/3。
综上所述，本发明在低合金钢的基础上添加一定含量Ti、Cu、Ni等，提高钢的耐火性和耐蚀性。利用铁素体+贝氏体双相组织，降低屈强比，提高抗震性能。轧后空冷产生的相间析出和遇火产生的大量Cu析出，使得钢的力学性能得到保证，且具有较好的耐火性能。同时大量Cu、Ni等的添加增加了耐蚀性能。本发明采用再结晶区控制轧制和空冷的处理方式，工艺简单，有较好的应用前景。
附图说明：
图1本发明实施例1钢经过硝酸酒精侵蚀后的光学显微镜观察的金相图，
图2本发明实施例1钢透射电镜观察的析出物分布及形貌。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分及重量百分比含量列表；
表2为本发明各实施例及对比例的轧制主要工艺参数取值列表；
表3为本发明各实施例及对比例的力学性能与腐蚀性能检测结果列表。
本发明各实施例是根据以下工艺步骤进行生产：
本发明所述的多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢的生产工艺依次包括：真空冶炼、浇铸成坯、热轧成H型钢，空冷至室温。其中热轧工艺采用奥氏体再结晶区轧制，轧制工艺中控制的技术参数为：再加热温度1150-1200℃，保温2小时以上；开轧温度控制在1050-1069℃；终轧温度控制在950-969℃；空冷至室温。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分及重量百分比含量列表
| 编号 | C | Si | Mn | Cr | Ti | Mo | Ni | Cu | Al | P | S |
| 实施例1 | 0.043 | 0.25 | 1.28 | 0.39 | 0.110 | 0.12 | 1.07 | 1.15 | 0.014 | 0.005 | 0.003 |
| 实施例2 | 0.046 | 0.15 | 1.52 | 0.52 | 0.098 | 0.18 | 0.96 | 1.01 | 0.023 | 0.004 | 0.003 |
| 实施例3 | 0.057 | 0.17 | 1.45 | 0.46 | 0.109 | 0.15 | 0.89 | 0.92 | 0.019 | 0.005 | 0.004 |
| 对比例1 | 0.049 | 0.20 | 1.43 | 0.44 | 0.012 | 0.14 | 0.84 | 0.93 | 0.017 | 0.005 | 0.003 |
| 对比例2 | 0.053 | 0.17 | 1.37 | 0.43 | 0.112 | 0.13 | 0.91 | 0 | 0.013 | 0.004 | 0.004 |
| 对比例3 | 0.052 | 0.18 | 1.46 | 0.45 | 0.106 | 0.17 | 1.00 | 0.97 | 0.014 | 0.004 | 0.003 |
表2本发明各实施例及对比例的轧制主要工艺参数取值列表
| 编号 | 开轧温度 | 终轧温度 |
| 实施例1 | 1150 | 960 |
| 实施例2 | 1165 | 954 |
| 实施例3 | 1158 | 967 |
| 对比例1 | 1156 | 959 |
| 对比例2 | 1160 | 952 |
| 对比例3 | 1053 | 834 |
表3本发明各实施例及对比例的力学性能与腐蚀性能检测结果列表
通过表3数据可以看出：
本发明所述的多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢实施例钢材产品的强度、屈强比、延伸率、低温冲击韧性都符合抗震耐火建筑钢的要求。同时，耐火性能优异，600℃保温3小时后的高温屈服强度不低于室温屈服强度的2/3，满足要求。耐蚀性能也有显著的提升。
通过实施例与对比例1的对比，可以看出：通过添加Ti元素，在其相间析出的效果下，室温强度和高温强度都有明显提升，有效的提高钢材的高温性能。
通过实施例与对比例2的对比，可以看出：通过添加Cu元素，在其沉淀强化和高温下析出强化的效果下，有效的提高钢材的力学性能，尤其提高高温性能，且耐蚀性能也有明显的提升。
通过实施例与对比例3的对比，可以看出：通过对生产工艺的控制，提高终轧温度，在再结晶区进行控制轧制，可以提高钢的贝氏体相比例，提高室温强度和高温强度，改善耐火性能。
Claims (2)
1.一种多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢，其特征在于，抗震耐火耐蚀H型建筑钢的化学成分组成按质量百分比为：C 0.04%-0.07%、Si 0.15%-0.30%、Mn 1.1%-1.6%、Cr 0.3%-0.6%、Ti 0.06%-0.12%、Mo 0.1%-0.2%、Ni 0.80%-1.20%、Cu 0.80%-1.20%、Al 0.01%-0.03%、P≤0.008%、S≤0.004%，余量为Fe和不可避免的杂质组成；
所述的多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢的制备方法，依次包括：真空冶炼、浇铸成坯、热轧成H型钢，空冷至室温； 其中热轧工艺采用奥氏体再结晶区轧制，轧制工艺中控制的技术参数为：再加热温度1150-1200℃，保温2小时以上；开轧温度控制在1050-1069℃；终轧温度控制在950-969℃；空冷至室温；
所述抗震耐蚀耐火H型钢显微组织为贝氏体+铁素体双相组织，内含有大量以Ti为主的相间析出，遇火后相间析出不易粗化长大，并出现在相间析出上析出的Cu析出和大量的过饱和Cu析出。
2.根据权利要求1所述的多析出增强型抗震耐蚀耐火H型钢，其特征在于，所述抗震耐蚀耐火H型钢室温屈服强度≥530MPa，抗拉强度≥700MPa，屈强比低于0.78，延伸率A≥22%，冲击吸收功Akv（-40℃）≥90J，相对腐蚀速率以Corten A为标准低于60%；在600℃保温3h后高温屈服强度不低于室温下强度的2/3。
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