CN114875297B - 一种耐疲劳的极限规格低屈强比钢板生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，本发明的钢板经过特定比例及组分组成，有利于细化晶粒，细晶强化既可以提高钢板强度又可以提高钢板塑性，还能提高钢板疲劳性能和低温韧性；本发明生产工艺为炼钢、连铸、卷板轧制、采用双机架开平机开平、热处理消应力。本发明方法可生产出厚度规格为4～8mm的双相组织钢板，钢板板形良好，优于厚板轧机钢板，钢板的屈服强度为550～600MPa，抗拉强度为715～760MPa，屈强比为0.75～0.80，条件疲劳极限为540～585MPa，‑40℃纵向冲击功≥300J，综合性能优良。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种耐疲劳的极限规格低屈强比钢板生产方法。
背景技术
近年来，国家大力发展基础设施建设，钢结构装配式建造形式在桥梁、高建、铁路等行业得到大力推行。随着钢板质量的不断提升和人们对基础设施外观的要求，以及企业对节能减排的日益重视，高强度、高质量薄规格钢板的用量越来越大，尤其是4～8mm极限规格钢板。
目前宽厚板生产线可生产的极限规格钢板为6mm，且生产过程中突出存在生产周期长、成材率低、产能影响大、轧制风险高等问题，导致钢厂极限规格钢板生产成本明显偏高，成为影响极限规格钢板接单、扩量的瓶颈之一。为解决极限规格钢板生产难度大，生产成本高的难题，本发明采用卷板开平工艺进行极限规格钢板生产研究。
其中，卷板开平后，开平板存在部分区域内应力偏高，钢板内应力分布不均匀等问题。内应力分布不均匀会导致钢板在切割加工后翘曲变形，最终会因钢板板形不合而无法使用。此外，内应力也是影响钢板疲劳寿命的一个主要因素。
随着全球地震灾害频发，国家对基础设施建设抗震性能的要求也越来越高。屈强比是衡量钢加工硬化能力的一个重要参数，屈强比越低，抗震性能就越好，其中双相组织是降低钢板屈强比可行思路。但相关研究表明，双相组织因变形应力小，其疲劳强度较差。
专利CN101603119B公开了一种用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的方法，该发明采用淬火+回火的工艺进行热处理，淬火温度为910～960℃，回火温度为240～420℃，得到的组织是回火马氏体组织，强度高、屈强比高、韧性差，无法作为桥梁钢和高建钢使用。
专利CN103114253B公开了一种极薄规格超高强度钢板的生产方法，生产工艺为采用纯净钢冶炼、热连轧成型、卷板开平、热轧基板淬火回火，并控制铸坯加热温度、发挥轧制时大压下作用、挖掘热处理最大潜能，以工艺手段保证组织超细化，生产出成品厚度3～10mm的极薄规格、抗拉强度为1000-1500Mpa的超高强度度钢板，具有优异的低温韧性指标，碳当量控制在CEN≤0.4％，具有良好的焊接性能。该发明采用两次淬火+回火的工艺进行热处理，两次淬火能耗高，且钢板屈强比高。
专利CN105463317A公开了一种低屈强比热轧管线钢原卷或开平板及其制备方法，在低C中低Mn体系的基础上，通过仅添加了少量的Nb、Cr、Ti等合金元素。同时，通过优化TMCP生产工艺，最终获得在线淬火工艺生产的低屈强比热轧管线钢原卷。该发明采用在线淬火的工艺，在线淬火板内应力较高，且开平后也未进行消应力处理，该发明钢板无内应力要求，且钢板不平度不大于5/1000mm，对钢板板形要求较低。
专利CN112458360A公开了一种具有低残余应力的桥梁U肋用热连轧板的生产方法，包括步骤：1)冶炼；2)铸坯加热；3)粗轧；4)精轧；5)冷却；6)卷取；7)缓冷；8)平整；9)热连轧卷开平横切工序；10)热处理：将每捆钢卷逐包装入连续式热出炉进行消应力热处理；11)纵向分切。采用本发明的方案得到的345～370MPa级桥梁U肋用热连轧板的残余应力在-15～+15MPa以内。该发明热处理工艺采用450～530℃热处理工艺，钢板抗拉强度为345～370MPa，强度较低，且对屈强比无要求。
鉴于以上原因，特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术存在的以上技术问题，本发明提供了一种耐疲劳的极限规格低屈强比钢板生产方法，本发明方法生产的钢板既具有良好的抗震性能和抗疲劳性能，还具有较低内应力的钢板，具有较高的强度，良好的低温韧性，提高了钢板的使用价值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，按照质量百分比，所述的钢板由如下组分组成：C：0.060～0.075％、Si：0.15～0.20％、Mn：1.05～1.25％、P≤0.015％、S≤0.008％、Nb：0.025～0.035％、Ti：0.01～0.015％、Mo：0.25～0.35％、Al：0.03～0.04％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；
所述的生产方法具体如下：
(1)按照质量百分比称取各原料，进行冶炼，得到钢水；
(2)将钢水连铸成220mm厚铸坯，再对铸坯进行加热至温度为1230～1250℃，粗轧、精轧、冷却、卷取，空冷到常温，进行卷板开平，对开平板进行消应力热处理，冷却，得到所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板。
以下对本发明钢板中所含组分的作用及其用量的选择具体分析说明：
C元素是钢中主要的强化元素，但C含量过高会降低钢板的焊接性能，且对低温韧性不利，因此C含量控制在0.060～0.075％。
Si元素为固溶强化元素，有利于降低钢板屈强比，但Si含量高于0.20％时，钢板不易除鳞，影响钢板表面质量，因此Si含量控制在0.15～0.20％。
Mn元素能够提高钢的强度、硬度和淬透性，但加热时Mn容易促使奥氏体晶粒长大，对组织细化不利，且Mn含量增加会降低钢的抗腐蚀能力和焊接性能，因此Mn含量控制在1.05～1.25％。
Nb元素具有很好的细晶强化和析出强化的作用，粗轧阶段可抑制奥氏体的长大，细化钢板组织，对提高强度和韧性有利，但Nb含量太高对屈强比不利，回火阶段的析出强化会引起钢板屈服强度升高，因此Nb含量控制在：0.025～0.035％。
Ti元素起到很好的固氮效果，但Ti含量过高易形成大尺寸的Nb、Ti碳氮化合物复合夹杂，对低温冲击韧性不利，因此Ti含量控制在0.01～0.015％。
Mo元素为铁素体稳定元素；还具有较强的碳化物形成能力，可使较低含碳量的合金钢也具有较高的硬度；而且Mo元素能够阻止奥氏体化的晶粒粗大，起到细化晶粒的作用；此外Mo会造成C曲线的右移，可极大提高钢板的淬透性，但Mo价格昂贵，因此Mo含量控制在0.25～0.35％。
进一步的，步骤(1)中冶炼包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼和RH真空精炼。
进一步的，步骤(2)中粗轧每道次压下率＞25％，粗轧终轧温度为T再结晶～T再结晶+30℃，精轧终轧温度为780～800℃，卷取温度为450～500℃。
进一步的，步骤(2)中开平板厚度为4～8mm，长度为8000～12000mm，宽度为1300～1550mm。
进一步的，步骤(2)中热处理为加热到800～840℃，保温1.5min/mm，水淬到室温；再加热到550℃，保温2.0min/mm。
进一步的，所述的钢板的厚度为4～8mm，内应力＜20MPa，钢板不平度＜3mm/m，钢板组织为晶粒尺寸＜5μm的铁素体+贝氏体双相组织，钢板的屈服强度为550～600MPa，抗拉强度为715～760MPa，屈强比为0.75～0.80，常温下条件疲劳极限(应力比R＝0.1)为540～585MPa，-40℃纵向冲击功≥300J。
进一步的，铁素体占20％～30％，贝氏体占70～80％。
本发明的生产方法的作用具体分析如下：
(1)本发明通过低Mn、微Nb、高Mo的成分设计可通过抑制奥氏体晶粒长大细化钢板组织，还可使钢板经过亚温淬火+回火处理后获得稳定的铁素体+较硬的贝氏体双相组织；
(2)较大的粗轧压下率可充分细化奥氏体组织，较低的粗轧终轧温度可避免再结晶后的奥氏体组织进一步长大；
(3)较低的精轧终轧温度可使奥氏体晶粒内的位错亚结构和形变带有效保留下来，增加相变形核点，使相变后的组织进一步细化；
(4)卷板开平工艺生产极限规格钢板，替代了传统的宽厚板车间生产，为极限规格钢板的生产提供了新的思路；
(5)亚温淬火是指钢板加热到奥氏体+铁素体两相区，钢板组织未完全奥氏体化，组织中会产生部分铁素体组织，在随后入水快冷到室温的过程中，奥氏体组织转变为板条贝氏体，剩余的铁素体保留了下来；
(6)对开平板进行亚温淬火+回火热处理，使开平板的内应力明显降低，且残余内应力分布均匀；
(7)本发明的组分和轧制工艺设计细化了钢板轧态组织，且热处理保温时间短，最终钢板组织为晶粒尺寸钢板组织为晶粒尺寸＜5μm的铁素体+贝氏体双相组织。
本发明采用特定组分、轧制和热处理工艺生产出既具有良好的抗震性能和抗疲劳性能，还具有较低内应力的钢板，提高钢板的使用价值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的钢板经过特定比例及组分组成，有利于细化晶粒，细晶强化既可以提高钢板强度又可以提高钢板塑性，还能提高钢板疲劳性能和低温韧性；该成分设计的钢板在经过淬火+回火处理后获得稳定的铁素体组织为钢板提供相对较低的屈服强度，获得的较硬的贝氏体组织为钢板提供较高的抗拉强度，从而降低钢板屈强比，降低晶粒尺寸既能阻止疲劳裂纹在晶界处萌生，又能阻止疲劳裂纹的扩展，因此细化晶粒能有效提高钢的抗疲劳性能，细化的铁素体+贝氏体双相组织即具有较高的强度，还具有很好的抗震性能和抗疲劳性能；
(2)粗轧阶段奥氏体组织的充分细化会遗传到相变后的钢板组织中，较低精轧终轧温度为相变提够了足够的形核点，轧制工艺的精确控制为钢板提够了细化的轧态组织，为最终较细的双相组织奠定了良好的基础；
(3)卷板开平工艺生产极限规格钢板，与宽厚板车间生产极限规格钢板相比，缩短了生产周期、提高了钢板成材率、减少了产能损失、降低了轧制风险，使得生产成本大大降低；
(4)亚温淬火工艺使钢板升温过程中产生了部分铁素体软相组织，冷却过程中形成了部分硬相贝氏体组织，最终获得了双相组织，使得钢板的屈强比明显降低，亚温淬火+回火热处理工艺在保证钢板性能的同时，降低了开平板的内应力，使得钢板经切割加工后仍不易翘曲变形，此外，内应力的降低和均匀化，避免了应力集中，有利于钢板抗疲劳性能的提高。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例的一种耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取各组分原料：铁水、钼铁、硅铁、金属锰、铝块、铌铁、钛铁，进行冶炼，冶炼包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼和RH真空精炼，得到钢水，其中钢水中化学成分为C：0.06％、Si：0.15％、Mn：1.15％、P：0.012％、S：0.002％、Nb：0.035％、Ti：0.015％、Mo：0.25％、Al：0.03％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；
(2)将钢水连铸成220mm厚铸坯，再对铸坯进行加热至温度为1230℃，粗轧，粗轧每道次压下率为26％，粗轧终轧温度为970℃，精轧，精轧终轧温度为800℃，经过层流冷却，卷取，卷取温度为500℃，空冷到常温，进行卷板开平，开平板厚度为6mm，长度为12000mm，宽度为1550mm，对开平板进行消应力热处理，热处理为加热到820℃，保温9min，水淬到室温；再加热到550℃，保温12min，出炉后空冷，得到所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板。
本实施例制备的钢板钢板组织为晶粒尺寸＜5μm的铁素体+贝氏体双相组织，铁素体占30％，贝氏体占70％。
实施例2
本实施例的一种耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取各组分原料：铁水、钼铁、硅铁、金属锰、铝块、铌铁、钛铁，进行冶炼，冶炼包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼和RH真空精炼，得到钢水，其中钢水中化学成分为C：0.07％、Si：0.18％、Mn：1.85％、P：0.012％、S：0.002％、Nb：0.030％、Ti：0.012％、Mo：0.35％、Al：0.035％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；
(2)将钢水连铸成220mm厚铸坯，再对铸坯进行加热至温度为1240℃，粗轧，粗轧每道次压下率为27％，粗轧终轧温度为960℃，精轧，精轧终轧温度为790℃，经过层流冷却，卷取，卷取温度为480℃，空冷到常温，进行卷板开平，开平板厚度为8mm，长度为8000mm，宽度为1300mm，对开平板进行消应力热处理，热处理为加热到840℃，保温12min，水淬到室温；再加热到550℃，保温16min，出炉后空冷，得到所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板。
本实施例制备的钢板钢板组织为晶粒尺寸＜5μm的铁素体+贝氏体双相组织，铁素体占25％，贝氏体占75％。
实施例3
本实施例的一种耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比称取各组分原料：铁水、钼铁、硅铁、金属锰、铝块、铌铁、钛铁，进行冶炼，冶炼包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼和RH真空精炼，得到钢水，其中钢水中化学成分为C：0.075％、Si：0.20％、Mn：1.10％、P：0.010％、S：0.002％、Nb：0.025％、Ti：0.015％、Mo：0.3％、Al：0.035％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；
(2)将钢水连铸成220mm厚铸坯，再对铸坯进行加热至温度为1250℃，粗轧，粗轧每道次压下率为27％，粗轧终轧温度为980℃，精轧，精轧终轧温度为780℃，经过层流冷却，卷取，卷取温度为460℃，空冷到常温，进行卷板开平，开平板厚度为4mm，长度为10000mm，宽度为1300mm，对开平板进行消应力热处理，热处理为加热到800℃，保温6min，水淬到室温；再加热到550℃，保温8min，出炉后空冷，得到所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板。
本实施例制备的钢板钢板组织为晶粒尺寸＜5μm的铁素体+贝氏体双相组织，铁素体占20％，贝氏体占80％。
对比例1
本对比例的一种极限规格钢板生产方法与实施例1相同，不同之处在于步骤(2)中，进行卷板开平后，不进行消应力热处理，直接得到所述的极限规格钢板。
试验例1
测试实施例1-3和对比例1制备的钢板的性能，结果如表1所示。
表1
其中，-40℃纵向冲击功经过三次测定，求取平均值得到。
由表1可以看出，采用本发明中的成分和工艺设计，生产出了板形合格的极限规格钢板，钢板不平度小于3mm/m；钢板不仅具有较高的强度还具有良好的低温韧性，此外钢板还具有很好的抗疲劳性能和抗震性能，对比例1中未经过消应力热处理，内应力较高，板形较差，抗震性能和抗疲劳性能也较差。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，其特征在于，按照质量百分比，所述的钢板由如下组分组成：C：0.060～0.075％、Si：0.15～0.20％、Mn：1.05～1.25％、P≤0.015％、S≤0.008％、Nb：0.025～0.035％、Ti：0.01～0.015％、Mo：0.25～0.35％、Al：0.03～0.04％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述的钢板的厚度为4～8mm；钢板组织为晶粒尺寸＜5μm的铁素体+贝氏体双相组织，铁素体占20％～30％，贝氏体占70～80％；钢板的屈强比为0.75～0.80；
所述的生产方法具体如下：
(1)按照质量百分比称取各原料，进行冶炼，得到钢水；
(2)将钢水连铸成220mm厚铸坯，再对铸坯进行加热至温度为1230～1250℃，粗轧、精轧、冷却、卷取，空冷到常温，进行卷板开平，对开平板进行消应力热处理，冷却，得到所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板；
其中，步骤(2)中粗轧每道次压下率＞25％，粗轧终轧温度为T再结晶～T再结晶+30℃，精轧终轧温度为780～800℃。
2.根据权利要求1所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，其特征在于，步骤(1)中冶炼包括铁水脱硫、转炉冶炼、钢包精炼和RH真空精炼。
3.根据权利要求1所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，其特征在于，卷取温度为450～500℃。
4.根据权利要求1所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，其特征在于，步骤(2)中开平板厚度为4～8mm，长度为8000～12000mm，宽度为1300～1550mm。
5.根据权利要求1所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，其特征在于，步骤(2)中热处理为加热到800～840℃，保温1.5min/mm，水淬到室温，再加热到550℃，保温2.0min/mm。
6.根据权利要求1-5任一所述的耐疲劳的极限规格低屈强比钢板的生产方法，其特征在于，所述的钢板内应力＜20MPa，钢板不平度＜3mm/m，钢板的屈服强度为550～600MPa，抗拉强度为715～760MPa，常温下条件疲劳极限为540～585MPa，-40℃纵向冲击功≥300J。
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