CN114592156A - 一种高强度钢梁及其加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢结构技术领域，具体涉及一种高强度钢梁及其加工工艺，所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.3％‑0.5％、Si：0.25％‑0.45％、Mn：0.4％‑0.8％、Cr：0.5％‑1.5％、Ni：0.1％‑0.3％、Mo：0.25％‑0.45％、Nb：0.01％‑0.05％、Ti：0.2％‑0.6％、V：0.2％‑0.4％、Zr：0.05％‑0.25％、Ta：0.04％‑0.08％、混合稀土RE：0.1％‑0.3％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。本发明高强度钢梁通过采用C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、V、Zr、Ta和混合稀土RE元素，并严格控制各元素的重量配比，具有较高的抗拉强度和屈服强度韧性，且还具有较高的韧性、硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，综合性能优异。

Description

一种高强度钢梁及其加工工艺
技术领域
本发明涉及钢结构技术领域，具体涉及一种高强度钢梁及其加工工艺。
背景技术
钢结构是由钢制材料组成的结构，是主要的建筑结构类型之一。结构主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。因其自重较轻，且施工简便，广泛应用于大型厂房、场馆、超高层等领域，通常作为支撑件使用，因而对其强度有着特别的要求。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高强度钢梁及其加工工艺。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高强度钢梁，所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.3％-0.5％、Si：0.25％-0.45％、Mn：0.4％-0.8％、Cr：0.5％-1.5％、Ni：0.1％-0.3％、Mo：0.25％-0.45％、Nb：0.01％-0.05％、Ti：0.2％-0.6％、V：0.2％-0.4％、Zr：0.05％-0.25％、Ta：0.04％-0.08％、混合稀土RE：0.1％-0.3％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。
本发明通过将C元素用量控制在0.3％-0.5％，可以提高材料的强度；通过将Si元素用量控制在0.25％-0.45％，提高材料的强度和耐腐蚀性，并起到较好的脱氧作用；通过将Mn元素用量控制在0.4％-0.8％，在不影响材料的韧性和耐腐蚀性情况下，可以提高材料的强度和硬度；通过将Cr元素用量控制在0.5％-1.5％，可以提高材料的抗氧化性和耐腐蚀性；通过将Ni元素用量控制在0.1％-0.3％，使材料对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力；通过将Mo元素用量控制在0.25％-0.45％，有利于提高焊接部位冲孔剪断面的耐腐蚀性，还可以通过固溶强化提高其强度；通过将Nb元素和Ti元素用量分别控制在0.01％-0.05％和0.2％-0.6％，两者可以起到稳定化元素的作用，还能提高钢的再结晶温度，使钢的晶粒细化，提高了钢的抗拉强度和屈服强度；可以起到稳定化元素的作用；通过将V元素用量控制在0.2％-0.4％，能细化材料的晶粒组织，提高材料的强度、韧性和耐磨性；通过将Zr元素用量控制在0.05％-0.25％，能提高钢的强度、硬度，尤其是提高钢的耐磨性能及改善钢的焊接性能；通过将Ta元素用量控制在0.04％-0.08％，通过固溶强化的形式，能够大幅度提升材料的强度，同时具有较好的韧性；通过将混合稀土RE：0.1％-0.3％，可以提高材料的强度、耐腐蚀性能和焊接性能，改善热加工性，提高材料的塑性、韧性、耐磨性和高温抗氧化性能。P和S都是钢中的有害成份，过高的磷和硫含量会导致钢的强度急剧下降，会导致钢材变脆，必须严格的控制。因此，本发明采用的P的质量百分含量控制在0.015％以下，S的质量百分含量控制在0.01％以下。
本发明的高强度钢梁通过采用上述元素，并严格控制各元素的重量配比，具有较高的抗拉强度和屈服强度韧性，且还具有较高的韧性、硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，综合性能优异。
优选的，所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.35％-0.45％、Si：0.30％-0.40％、Mn：0.5％-0.7％、Cr：0.8％-1.2％、Ni：0.15％-0.25％、Mo：0.30％-0.40％、Nb：0.02％-0.04％、Ti：0.3％-0.5％、V：0.25％-0.35％、Zr：0.1％-0.2％、Ta：0.05％-0.07％、混合稀土0.15％-0.25％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。
更为优选的，所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.4％、Si：0.35％、Mn：0.6％、Cr：1.0％、Ni：0.2％、Mo：0.35％、Nb：0.03％、Ti：0.4％、V：0.3％、Zr：0.15％、Ta：0.06％、混合稀土0.2％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。
优选的，所述混合稀土RE是由Nd、Pm、Sm、Yb和Y以质量比2-4：1.5-2.5：1：0.8-1.2：0.1-0.5组成的混合物。
本发明通过在高强度钢梁中加入稀土元素RE，并筛选出Nd、Pm、Sm、Yb和Y，对材料有脱气、脱硫和消除其他有害杂质的作用，还可以改善夹杂物的形态和分布，改善钢的铸态组织，从而提高钢的质量；同时稀土元素还有固溶强化和稀土化合物第二相强化作用，可以进一步提高材料的强度、耐腐蚀性能和焊接性能，改善热加工性，提高材料的塑性、韧性、耐磨性和高温抗氧化性能。发明人的大量实验研究表明，添加含有Nd、Pm、Sm、Yb和Y共5种稀土元素的混合稀土的效果比添加一种或少数几种稀土元素的效果都更好，因此，选择添加0.01％-0.03％的混合稀土，优选的，混合稀土添加量为0.02％。
优选的，所述高强度钢梁的化学成分满足以下公式：1.4％≤C+2Si+Mn≤2.0％。C、Si、Mn是影响材料的强度和韧性的因素，在本发明中将C+2Si+Mn限定在1.4％-2.0％范围内。通过实验证明，当(C+2Si+Mn)小于1.4％时，得到的材料强度较差，且脱氧效果不好；当(C+2Si+Mn)大于2.0％时，得到的材料热加工性和韧性较差，因此，从提高材料的强度和脱氧作用出发，(C+2Si+Mn)应控制在1.4％以上，从提高材料的热加工性和韧性出发，(C+2Si+Mn)应控制在2.0％以下。
优选的，所述高强度钢梁的化学成分满足以下公式：2.0％≤Cr+Ni+4Mo≤3.2％。Cr、Ni、Mo是影响材料的强度和耐腐蚀性的因素，在本发明中将Cr+Ni+4Mo限定在2.0％-3.2％的范围内。Cr、Ni和Mo都具有耐腐蚀性的作用，但Cr和Ni复配使用的效果更加显著，通过实验证明，当(C+2Si+Mn)小于2.0％时，得到的材料耐腐蚀性能较差，且强度小；当(C+2Si+Mn)大于3.2％时，导致材料的塑性和韧性下降。因此，从提高材料的强度和耐腐蚀性出发，(C+2Si+Mn)应控制在2.0％以上，从提高材料的塑性和韧性出发，(C+2Si+Mn)应控制在3.2％以下。
优选的，所述高强度钢梁的化学成分满足以下公式：0.6％≤12Nb+1.5Ti≤1.2％。Nb、Ti是影响材料的强度和稳定性的因素，在本发明中将12Nb+1.5Ti限定在0.6％-1.2％范围内。通过实验证明，当(12Nb+1.5Ti)小于0.6％时，得到的材料强度小，且稳定性较差，当(12Nb+1.5Ti)大于1.2％时，材料的制造工艺复杂，不经济。因此，从提高材料的强度和稳定性出发，(12Nb+1.5Ti)应控制在0.6％以上，从简化材料的制造工艺出发，(12Nb+1.5Ti)应控制在1.2％以下。
优选的，所述高强度钢梁的化学成分满足以下公式：1.8％≤V+8(Zr+2.5Ta)≤3.6％。V、Zr、Ta是影响材料的强度和韧性的因素，在本发明中将V+8(Zr+2.5Ta)限定在1.8％-3.6％范围内，通过实验证明，当V+8(Zr+2.5Ta)小于1.8％时，得到的材料强度小，且韧性较差，当V+8(Zr+2.5Ta)大于3.6％时，影响合金的力学性能和加工性能。因此，从提高材料的强度和韧性出发，V+8(Zr+2.5Ta)应控制在1.8％以上，从材料的力学性能和加工性能出发，V+8(Zr+2.5Ta)应控制在3.6％以下。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：一种高强度钢梁的加工工艺，包括如下步骤：
(1)按照上述化学成分的配比将原料在1550-1650℃温度下熔炼成钢水，冷却后浇铸获得钢锭；
(2)将步骤(1)中的钢锭升温至进行热轧处理，退火后冷却至室温，然后进行冷轧处理，获得冷轧钢板；
(3)将步骤(2)中的冷轧钢板先进行预热，之后再升温加热至1050-1100℃进行固溶处理，保温30-60min，然后采用水冷淬火处理，获得高强度钢梁。
优选的，所述步骤(2)中，热轧采用将钢锭加热到1200-1250℃，保温2-4h后出炉轧制，热轧始锻温度为1060-1160℃，终轧温度为880-980℃；冷轧温度为850-900℃，保温时间为8-12min。
本发明的加工工艺通过采用熔炼、热轧、冷轧、固溶强化，并严格控制各步骤的工艺参数，可以改善材料的强度、塑性和韧性，并降低了高强度钢梁成品的生产成本，且有较好的塑性，满足变形加工的需要。
本发明的有益效果在于：本发明高强度钢梁通过采用C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、V、Zr、Ta和混合稀土RE元素，并严格控制各元素的重量配比，具有较高的抗拉强度和屈服强度韧性，且还具有较高的韧性、硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，综合性能优异。
本发明的加工工艺通过采用熔炼、热轧、冷轧、固溶强化，并严格控制各步骤的工艺参数，可以改善材料的强度、塑性和韧性，并降低了高强度钢梁成品的生产成本，且有较好的塑性，满足变形加工的需要。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种高强度钢梁，所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.35％、Si：0.30％、Mn：0.5％、Cr：0.8％、Ni：0.15％、Mo：0.30％、Nb：0.02％、Ti：0.3％、V：0.25％、Zr：0.1％、Ta：0.05％、混合稀土0.15％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。
所述混合稀土RE是由Nd、Pm、Sm、Yb和Y以质量比2：1.5：1：0.8：0.1组成的混合物。
一种高强度钢梁的加工工艺，包括如下步骤：
(1)按照上述化学成分的配比将原料在1550℃温度下熔炼成钢水，冷却后浇铸获得钢锭；
(2)将步骤(1)中的钢锭升温至进行热轧处理，退火后冷却至室温，然后进行冷轧处理，获得冷轧钢板；
(3)将步骤(2)中的冷轧钢板先进行预热，之后再升温加热至1050℃进行固溶处理，保温60min，然后采用水冷淬火处理，获得高强度钢梁。
所述步骤(2)中，热轧采用将钢锭加热到1200℃，保温4h后出炉轧制，热轧始锻温度为1060℃，终轧温度为880℃；冷轧温度为850℃，保温时间为8min。
实施例2
一种高强度钢梁，所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.4％、Si：0.35％、Mn：0.6％、Cr：1.0％、Ni：0.2％、Mo：0.35％、Nb：0.03％、Ti：0.4％、V：0.3％、Zr：0.15％、Ta：0.06％、混合稀土0.2％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。
所述混合稀土RE是由Nd、Pm、Sm、Yb和Y以质量比3：2：1：1：0.3组成的混合物。
一种高强度钢梁的加工工艺，包括如下步骤：
(1)按照上述化学成分的配比将原料在1600℃温度下熔炼成钢水，冷却后浇铸获得钢锭；
(2)将步骤(1)中的钢锭升温至进行热轧处理，退火后冷却至室温，然后进行冷轧处理，获得冷轧钢板；
(3)将步骤(2)中的冷轧钢板先进行预热，之后再升温加热至1080℃进行固溶处理，保温45min，然后采用水冷淬火处理，获得高强度钢梁。
所述步骤(2)中，热轧采用将钢锭加热到1230℃，保温3h后出炉轧制，热轧始锻温度为1110℃，终轧温度为930℃；冷轧温度为880℃，保温时间为10min。
实施例3
一种高强度钢梁，所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.45％、Si：0.40％、Mn：0.7％、Cr：1.2％、Ni：0.25％、Mo：0.40％、Nb：0.04％、Ti：0.5％、V：0.35％、Zr：0.2％、Ta：0.07％、混合稀土0.25％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。
所述混合稀土RE是由Nd、Pm、Sm、Yb和Y以质量比4：2.5：1：1.2：0.5组成的混合物。
一种高强度钢梁的加工工艺，包括如下步骤：
(1)按照上述化学成分的配比将原料在1650℃温度下熔炼成钢水，冷却后浇铸获得钢锭；
(2)将步骤(1)中的钢锭升温至进行热轧处理，退火后冷却至室温，然后进行冷轧处理，获得冷轧钢板；
(3)将步骤(2)中的冷轧钢板先进行预热，之后再升温加热至1100℃进行固溶处理，保温30min，然后采用水冷淬火处理，获得高强度钢梁。
所述步骤(2)中，热轧采用将钢锭加热到1250℃，保温2h后出炉轧制，热轧始锻温度为1160℃，终轧温度为980℃；冷轧温度为900℃，保温时间为8min。
对比例1
本实施例与上述实施例1的不同之处在于：不添加混合稀土RE。
实施例1-3即对比例1制得的高强度钢梁的机械物理性能如下表所示。
测试项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
抗拉强度(MPa) 918 942 935 854
屈服强度(MPa) 764 783 775 698
断裂伸长率(％) 46 48 47 42
硬度(HRC) 54 56 55 48
从上表可以看出，本发明的高强度钢梁的抗拉强度≥918Mpa，屈服强度≥764Mpa；断裂伸长率≥46％，硬度≥52HRC，还具有较高的韧性、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，综合性能优异；且从本发明实施例1添加混合稀土RE与对比文件1不添加混合稀土RE相比，其抗拉强度和屈服强度均得到了显著的提高。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度钢梁，其特征在于：所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.3％-0.5％、Si：0.25％-0.45％、Mn：0.4％-0.8％、Cr：0.5％-1.5％、Ni：0.1％-0.3％、Mo：0.25％-0.45％、Nb：0.01％-0.05％、Ti：0.2％-0.6％、V：0.2％-0.4％、Zr：0.05％-0.25％、Ta：0.04％-0.08％、混合稀土RE：0.1％-0.3％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强度钢梁，其特征在于：所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.35％-0.45％、Si：0.30％-0.40％、Mn：0.5％-0.7％、Cr：0.8％-1.2％、Ni：0.15％-0.25％、Mo：0.30％-0.40％、Nb：0.02％-0.04％、Ti：0.3％-0.5％、V：0.25％-0.35％、Zr：0.1％-0.2％、Ta：0.05％-0.07％、混合稀土0.15％-0.25％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高强度钢梁，其特征在于：所述高强度钢梁的化学成分包括如下重量百分比的元素：C：0.4％、Si：0.35％、Mn：0.6％、Cr：1.0％、Ni：0.2％、Mo：0.35％、Nb：0.03％、Ti：0.4％、V：0.3％、Zr：0.15％、Ta：0.06％、混合稀土0.2％、P≤0.015％、S≤0.01％，余量为铁和其它不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种高强度钢梁，其特征在于：所述混合稀土RE是由Nd、Pm、Sm、Yb和Y以质量比2-4：1.5-2.5：1：0.8-1.2：0.1-0.5组成的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种高强度钢梁，其特征在于：所述高强度钢梁的化学成分满足以下公式：1.4％≤C+2Si+Mn≤2.0％。
6.根据权利要求1所述的一种高强度钢梁，其特征在于：所述高强度钢梁的化学成分满足以下公式：2.0％≤Cr+Ni+4Mo≤3.2％。
7.根据权利要求1所述的一种高强度钢梁，其特征在于：所述高强度钢梁的化学成分满足以下公式：0.6％≤12Nb+1.5Ti≤1.2％。
8.根据权利要求1所述的一种高强度钢梁，其特征在于：所述高强度钢梁的化学成分满足以下公式：1.8％≤V+8(Zr+2.5Ta)≤3.6％。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种高强度钢梁的加工工艺，其特征在于：包括如下步骤：
(1)按照上述化学成分的配比将原料在1550-1650℃温度下熔炼成钢水，冷却后浇铸获得钢锭；
(2)将步骤(1)中的钢锭升温至进行热轧处理，退火后冷却至室温，然后进行冷轧处理，获得冷轧钢板；
(3)将步骤(2)中的冷轧钢板先进行预热，之后再升温加热至1050-1100℃进行固溶处理，保温30-60min，然后采用水冷淬火处理，获得高强度钢梁。
10.根据权利要求9所述的一种高强度钢梁的加工工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，热轧采用将钢锭加热到1200-1250℃，保温2-4h后出炉轧制，热轧始锻温度为1060-1160℃，终轧温度为880-980℃；冷轧温度为850-900℃，保温时间为8-12min。
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