CN1348506A - 制造轧制多用途耐候钢板的方法以及由此方法制造的产品 - Google Patents

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Abstract

一种耐候钢板的制造方法,其步骤包括建立如下的最小屈服强度钢板的厚度目标值:344MPa(50KSI)厚达10.16cm(4英寸);447MPa(65KSI)厚达3.81cm(1.5英寸)；481MPa(70KSI)厚达3.17cm(1.25英寸)。把含有有效含量锰、碳、铌、钒、氮和钛的改进的耐候级合金铸成板坯。板坯被加热和粗轧成中间厚度钢板。根据最小屈服强度和厚度目标值,控制轧制中间厚度钢板并空冷或加速冷却。在控制合金化学组成、轧制和冷却条件下,最终厚度的钢板表现出不连续屈服,并用于以下应用需求中:最小屈服强度481MPa(70KSI)厚达3.17cm(1.25英寸);最小屈服强度447MPa(65KSI)厚达3.81cm(1.5英寸);最小屈服强度344MPa(50KSI)厚达10.16cm(4英寸)。

Description

制造轧制多用途耐候钢板的方法以及由此方法制造的产品
发明领域
本发明涉及制造轧制多用途耐候钢板的方法以及由此方法制造的产品，更具体地说是涉及使用控制合金化学成分和控制轧制以及冷却条件生产轧制和冷却的耐候级、能满足很多ASTM规格所需的力学性能和成分的钢板的方法。
技术背景
在先前技术中，低碳、高强度(或高性能钢，HPS)耐候钢在桥梁、支撑和其它高强度应用中的使用逐渐增加。这种钢铁材料与混凝土和其它类型的钢铁材料比有三个优点。首先，使用高强度材料能减少所建造结构的总重，并且也能减少材料的花费。因此，使用这些耐候钢的设计比混凝土和那些使用低强度钢的设计更具竞争力。其次，耐候钢或抗大气腐蚀级钢能通过免除油漆的需要明显降低结构的维护费用，例如桥梁或支撑。在难以正常维护的应用中特别需要这些耐候钢，例如，位于边远区域的桥梁或支撑。第三，较低的碳含量(最多0.1％)和较低的碳当量水平改善钢的焊接性和韧性。
ASTM规格中指示出了这些类型钢的使用。对于中等强度的应用，如ASTM A588 B级或A709 50W级，指定要用最小屈服强度为50KSI的耐候钢。这些钢通常含有约0.16重量％的碳。
其它通常应用于桥梁和支撑的耐候钢的ASTM规格包括，用于桥梁的A709 70W级和HPS 70W，以及用于杆或管的A871 65级。桥梁建设中70W级的最小屈服强度为70KSI。此规格中要求这些级别的钢通过轧制、淬火和回火的过程进行生产。传统70W级钢是较高碳级别的(0.12重量％)，而较新的HPS70W级钢使用了较低的碳含量(0.10重量％)。HPS70W级钢一般制成板，厚度最高达3英寸。表1列出了ASTM规格，表2详细列出了不同规格所需的力学性能。表3详细列出这些规格所需的成分。这里公开的ASTM规格A871、A852、A709和A588在此作为参考文献。如上所述，高强度规格需要热轧、淬火和回火工艺。并且，拉伸强度规定为一个范围，即90～110KSI，而不是其它规格中使用的最小值，例如A871 65级规定拉伸强度大于或等于80KSI。
这些高强度ASTM规格并不是没有缺点。首先，热轧、淬火和回火的生产工艺过程能耗高。其次，这些淬火和回火钢板的长度因炉子长度的局限而受到限制。换句话说，仅仅是某些长度的钢板能在淬火操作后被热处理，因为炉子仅能容纳特定的长度，在某些情况下，最高仅能达到600英寸。桥梁建设者特别需要不断增加建设用钢板的长度(以减少所需焊接接点的数量和节约建造成本)，而目前高强度钢板的制造技术不能满足这样的需要。
第三，对于需要最小屈服强度为70KSI的高强度ASTM规格，由于指定了拉伸强度的上限，即对于A709 70W级为110KSI，也产生了一个难题。更具体地说，不能仅是要求70KSI的最小屈服强度来满足A709规格，因为太高的屈服强度也将导致拉伸强度超过110KSI的最大值。
考虑到目前高强度耐候钢规格的弱点，就需要开发长度增加和更节约费用(较低的生产成本和较快的交货)的板材制造技术。另外，需要开发制造多用途板材的方法，以满足很多具有单一合金化学组成和/或处理顺序的不同ASTM规格。这种发展需要长的连铸机列和分级合并，提高产量和降低板坯库存。
为满足上述需要，本发明提供制造多用途耐候钢板的方法以及由此方法制造的产品。更具体地说，本发明方法使用控制合金化学组成、控制轧制和控制冷却来生产轧制和冷却的耐候钢板，按照成分和力学性能的需要满足很多ASTM规格。本发明方法把控制轧制和加速冷却与控制合金化学组成结合起来，以分别满足ASTM规格中对最小屈服强为65KSI和70KSI以及板厚最高达1.5英寸和1.25英寸的需要。工艺非常节约能源，因为不需要二次奥氏体化和回火。
在Bodnar等人的美国专利5,514,227中公开了加速冷却和热轧的使用(在此全文引用作为参考文献)。此专利描述了炼钢的方法，以满足ASTM A572 50级，其最小屈服强度规格为50KSI。此专利中的合金化学组成中有低水平的钒和1.0～1.25％锰。Bodnar等人没有涉及耐候钢和制造屈服强度在65～70KSI范围内的板材的方法。
发明概述
因此，本发明的第一个目标是提供改善的制造耐候钢板的方法。
本发明的另一个目标是提供制造耐候钢板的方法，此钢板适于不同的强度需要和相应的板材厚度。
本发明的再一个目标是提供制造耐候钢板的方法，此钢板具有优异的韧性、可铸造性、可成形性和可焊接性。
本发明的另一个目标是多用途耐候钢板，通过使用控制合金化学组成、控制轧制和冷却参数以满足不同的ASTM规格。
本发明的又一个目标是提供制造轧制或冷却的耐候钢板的方法，与淬火和回火耐候板材比，此板材的制造更经济并且交货期短。
本发明的另一个目标是提供制造长度不受热处理炉尺寸限制的耐候钢板的方法。
本发明的其它目标和优点将在下面的描述中更加清晰。
为达到上述目标和优点，本发明提供了通过选择最小屈服强度制造轧制和冷却的耐候钢板的方法：板厚从下面选取，50KSI厚达4英寸；65KSI厚达1.5英寸；70KSI厚达1.25英寸。所提供的加热板坯的基本成分如下以重量百分数表示：
碳：约0.05％～约0.12％，
锰：约0.505～约1.35％，
磷：最多约0.04％，
硫：最多约0.05％，
硅：约0.15％～约0.65％，
铜：约0.20％～约0.40％，
镍：最多约0.50％，
铬：约0.40％～约0.70％，
钒：约0.01％～约0.10％，
铌：约0.01％～约0.05％，
钛：约0.005％～约0.02％，
氮：约0.001％～约0.015％，
铝：最多约0.1％，
其余为铁和附带的杂质。
铸造板坯在奥氏体再结晶终止温度(即TR)以上加热和粗轧成中间厚度的板材。中间厚度的板材的终轧在低于TR的中间温度(即，奥氏体非再结晶区)开始直到Ar3温度以上的终轧温度得到最终厚度的板材。
当板材的最小屈服强度为50KSI，板厚达4英寸时，在空气中冷却最终厚度的板材；或者当板材的最小屈服强度为65KSI，板厚达1.5英寸和最小屈服强度为70KSI，板厚达1.25英寸时，在液体介质和/或空气/水混合物中加速冷却最终厚度的板材。不管是空气冷却还是加速冷却，开始冷却温度高于Ar3温度，以保证在整个板材长度上的力学性能均匀。加速冷却板材直到最终冷却温度低于Ar3温度。加速冷却是使用水、空气/水混合物或其它淬火剂冷却，可以快速地把热加工的最终厚度板材冷却到Ar3温度以下，用于生产具有韧性好和强度高的、细小晶粒微观结构的板材。在控制屈服行为和满足不同ASTM力学性能要求上，加速冷却的开始和终止温度是重要的，下文将有说明。
在给定的板材厚度下为优化板材的性能，其合金化学组成有优选的实施例。锰的含量约为0.70％～1.00％，更优选的是约0.70％～0.90％。铌的含量约为0.02％～0.04％，更优选的范围是0.03％～0.04％。钛的含量约为0.01％～0.02％，更优选的是0.010％～0.015％。钒的含量约为0.06％～0.09％，更优选的是0.06％～0.08％。氮的含量约为0.006％～0.008％。
当使用加速冷却时，加热板坯的成分和加速冷却使冷却的最终厚度板材产生不连续屈服效应。加速冷却阶段的优选冷却速度范围为：0.5～1.5英寸厚的板约为5～50°F/秒。冷却速度更具体的范围是，最厚约0.5英寸厚的板为10～50°F/秒；约0.5～1.25英寸厚的板约为8～35°F/秒；约1.25～1.5英寸厚的板约为5～25°F/秒；厚达4英寸厚的板为1～10°F/秒。
优选地，在加速冷却期间，开始冷却温度的范围约为1350～1600°F，更优选的是约1400～1550°F。终冷却温度的范围约为900～1300°F，更优选的是约1000～1150°F。
本发明也包括用本发明方法制造的板材用作轧制和冷却的耐候钢板，而不是淬火和回火的板材。板材满足下面的一项：(1)板材厚度最小1.25英寸，最小屈服强度70KSI；(2)板材厚度最小1.5英寸，最小屈服强度65KSI；(3)板材厚度达4英寸，最小屈服强度50KSI。合金化学组成或组成也是本发明的一部分，按其宽的范围和优选的范围。
附图的简要说明
现在参看本发明的附图，其中：
图1A是根据实验室得到的数据绘制的图，表示了对于1.0英寸厚的钢板锰和屈服现象对屈服强度和拉伸强度的作用；
图1B是根据实验室得到的数据绘制的图，表示了对于1.5英寸厚的钢板锰和屈服现象对屈服强度和拉伸强度的作用；
图2A是根据实验室得到的数据绘制的图，表示了对于1.0英寸厚的钢板锰含量和空冷、加速冷却的变化对YS/TS比的影响；
图2B是根据实验室得到的数据绘制的图，表示了对于1.0英寸厚的钢板终冷温度和屈服现象对屈服强度和拉伸强度的作用；
图3是根据工厂得到的数据绘制的柱形图，比较了在先技术合金轧制和冷却的板材厚度、屈服强度和拉伸强度；
图4是根据工厂得到的数据绘制的柱形图，比较了使用本发明工艺和成分的板材厚度、屈服强度和拉伸强度；
图5是根据实验室得到的数据绘制的图，表示了钒的含量和终冷温度对屈服强度的作用；和
图6是根据实验室得到的数据绘制的图，表示了铌的含量对屈服强度的作用以及冷却速度、终轧温度和终冷温度对两种含铌量合金屈服强度的作用。
优选实施方案的描述
按照节约成本，改善工厂生产率、灵活性，改善成形性、铸造性和焊接性，以及节约能源，本发明在生产耐候钢板上有明显的进步。本发明方法生产轧制或冷却的耐候钢板，从而去除了在目前耐候钢板生产中使用淬火和回火的需要(即降低生产成本，缩短供货时间)。使用本发明工艺，能达到不同ASTM规格所需的化学成分和力学性能，因此本发明能生产多用途耐候钢板。耐候钢的平均合金化学组成如同上面参考ASTM规格的例子，使用有效含量的铜、镍、铬和硅，以达到耐大气腐蚀，从而可以在某些应用中裸露地(即不涂油漆)使用钢材。
另外，所生产钢板的长度不受需要适应目前奥氏体化和回火炉长度的限制。这样，能生产长度超过600英寸或更长的钢板满足特殊的需要，如桥梁建设和实用支撑的使用。因此，在桥梁建设中能使用较长的板材，从而减少了焊接接头的数量。
本发明方法结合最小屈服强度的选择：板材厚度的目标值是通过首先铸造成一定形状，如板坯或铸锭，它具有控制的合金化学组成，随后控轧成板材。优选连铸板坯，以完全达到氮化钛技术的优点。也就是，连铸能产生细小分布的氮化钛颗粒，在再加热期间和每次奥氏体再结晶后能抑制晶粒长大。接着是控制轧制，再通过空冷或加速冷却冷却最终厚度轧制板材，这取决于最小屈服强度和板材目标厚度。
最小屈服强度50KSI的板材厚度范围能达到4英寸；最小屈服强度65KSI的板材厚度达到1.5英寸；最小屈服强度70KSI的板材厚度达到1.25英寸。
合金的化学组成中包括的合金元素有碳、锰、和有效数量的硅、铜、镍和铬。后四种元素决定轧制或冷却的钢板的耐候性或耐大气腐蚀的性能。ASTM G101“估计低合金钢耐大气腐蚀的指南”中，含有这些元素的轧制或冷却的钢板的最小腐蚀指数至少为6.0，优选的至少为6.7。
有效数量的氮也与微合金化元素钛、铌和钒一起使用。其余的合金化学组成是铁，以及其它的炼钢基本元素如硫、磷、铝和那些通常在这些类型的钢中夹带的杂质。
碳应控制在低水平，即低于包晶断裂敏感区，以改善铸造性、焊接性和成形性。钛的存在可生成细小的氮化钛颗粒，抑制奥氏体晶粒在再加热和每道次粗轧后或奥氏体再结晶步骤后的长大。碳氮化铌的存在推迟轧制期间的奥氏体再结晶，并在冷却后的微观结构中提供沉淀强化。添加钒在相变微观结构中产生沉淀硬化。
也应该明白的是，合金的化学组成应有助于轧制或冷却的钢板出现不连续屈服。不连续屈服的特点是在工程应力-应变曲线中存在屈服下降。更具体地说，在这些类型的材料中，很快出现弹性变形，直到达到明显屈服点。在屈服点，出现不连续性，即应力不再随着施加的应变连续增加。超过屈服点后，应力/应变的连续增大将进一步产生塑性变形。另一方面，连续屈服的特点是存在明显的屈服点，这样从弹性变形到塑性变形表现出连续的过渡。根据钢的成分和微观结构，与相似的、表现出不连续屈服的钢相比，塑性变形的开始时间可以提前(较低的屈服强度)或与之相似。
通常在偏移0.2％处测量屈服强度以解释在很多材料中不连续屈服现象或屈服点。但是，使用0.2％偏移测量屈服强度，对于表面出连续屈服行为的材料(当塑性变形的开始出现在较低强度时)，测量的屈服强度有些偏低。因此，表现出连续屈服的材料不满足用于上述ASTM规格的最小屈服强度。
本发明方法在合金化学组成和控制轧制/冷却方面适于生产不连续屈服的钢板，以保证最终厚度的钢板具有满足不同ASTM规格所需的最小屈服强度和拉伸强度。
一旦确定了目标钢板的屈服强度和厚度，就把合金铸成锭或板坯，用于随后的热变形。由于这种铸造技术在本领域中是公知的，因此不必对此作进一步描述也能理解本发明。铸造后，铸造的板坯约在2000～2400°F下重新加热，优选的约在2300°F，再进行控制热轧。热轧过程的第一步是在再结晶终止温度(一般约为1800°F)之上粗轧板坯。此温度在本领域中是公知，因此不必对此作进一步描述也能理解本发明。在粗轧过程中，在每个轧制道次中通过奥氏体再结晶将铸造板坯的粗大晶粒细化。压下量的变化取决于最终目标钢板的厚度和铸造板坯的厚度。例如，当铸造板坯厚10英寸时，在粗轧过程中板坯的粗轧厚度范围为1.5～7英寸。
接着把中间或过渡厚度的钢板如下所述进行控制终轧。中间厚度的钢板在低于再结晶终止温度但高于奥氏体相变开始温度(Ar3)的温度下终轧到最终厚度。从中间厚度到最终厚度，此过程的压下量也是变化的，但压下量的范围约为50～70％，优选的为60～70％。在此终轧过程中，最终冷却产品的晶粒变平，增强了晶粒细化。
一旦终轧过程结束，根据最小屈服强度和目标钢板厚度，通过空冷或加速冷却，冷却最终厚度的钢板。如下面将要详细描述的，钢板厚度最高达3～4英寸，最小屈服强度为50KSI的目标仅通过空冷最终厚度的板材就能实现(如果需要额外的强度以保证大厚度板材，如4英寸厚度，强度的一致性，即≥50KSI，可以使用加速冷却)。另外，可以使用加速冷却(AC)达到65KSI或70KSI的最小屈服强度。使用加速冷却可以使厚度为1.25英寸的钢板达到70KSI的最小屈服强度。厚度为1.5英寸的钢板达到65KSI的最小屈服强度。换句话说，通过控制成分、控制轧制和空冷或加速冷却，可以制造多用途耐候钢板满足不同ASTM规格。
在适当的条件下进行控制终轧。即终轧温度在Ar3以上，从而在最终厚度的板材中得到非常细小的晶粒结构，并且提高工厂生产率。通过在明显高于Ar3的温度终轧，轧制需要的总时间较短，从而提高了生产率。终轧温度的范围约为1400～1650°F。在Ar3温度以上轧制在最终厚度的钢板产生不均匀的结构。
加速冷却过程有助于在最终厚度钢板中出现不连续屈服特征。更具体地说，如果加速冷却过程不恰当，最终厚度的板材中将含有大量马氏体，这将导致连续屈服行为并产生低的屈服强度。因此，就需要加速冷却过程的终冷温度足够高，把在最终厚度的钢板中大量马氏体的形成减小到最低程度。终轧温度的优选范围约为850～1280°F。
如上所述，轧制在Ar3温度以上完成，开始冷却也应在此温度之上进行。优选的开始冷却温度范围约为1350～1550°F(取决于每种成分钢的实际Ar3温度)。
不同合金元素宽的和更优选的重量百分数范围和限制以重量百分数表示如下：
碳：0.05～0.12％，优选为0.07～0.10％，更优选为0.075～0.085％，目标值0.08％；
锰：0.5～1.35％，优选为0.60～1.25％，更优选为0.70～0.90％，最优选为0.75～0.85％，目标值0.80％；
磷：最多约0.04％；
硫：最多约0.05％；
硅：约0.15～约0.65％；
铜：约0.20～约0.40％；
铬：约0.40～约0.70％；
镍：最多约0.50％，优选为0.20～0.40％；
钒：0.01～0.10％，优选为0.03～0.10％，更优选为0.06～0.09％，目标值0.07％或0.08％；
铌：0.01～0.05％，优选为0.02～0.04％，更优选为0.03～0.04％，目标值0.035％；
钛：0.005～0.02％，优选为0.01～0.02％，更优选为0.01～0.015％，目标值0.012％；
氮：最多0.015％，优选为0.001～0.015％，更优选为0.006～0.008％；
铝：最多0.1％，一般的是在钢冶炼过程中完全脱氧的数量，优选为约0.02～0.06％；
其余为铁和附带的夹杂物。
一种优选的目标化学组成为：0.07～0.09％C，0.75～0.85％Mn，0.3～0.5％Si，0.2～0.4％Cu，0.2～0.4％Ni，0.4～0.6％Cr，0.03～0.04％Nb，0.06～0.08％V，0.01～0.015％Ti，0.006～0.008％N，其余为铁和附带的夹杂物；目标值为：0.08％C，0.80％Mn，0.4％Si，0.3％Cu，0.3％Ni，0.5％Cr，0.035％Nb，0.07％V，0.012％Ti，0.007％N，其余为铁和附带的夹杂物。
在板材中不希望有产生连续屈服行为的元素或者成为合金组成的一部分，例如超过0.025％的钼，硼等等。尽管在基本炼钢过程中使用的原材料引入的钼或硼在钢坯中存在一定数量，这些元素的存在被认为是杂质而不能作为改变钢板物理性能的合金元素，特别是钼的含量约为0.025％或更少，更优选的是0.015％或更少。
在加工时钢可以是完全脱氧状态或半脱氧状态，但考虑到铸造性和改善韧性优选的是完全脱氧。由于通常需要加入传统的脱氧元素对钢脱氧，例如铝，这是本领域所公知的，本发明的这一方面没有必要作进一步的详细描述。
在实验室规模和工厂规模都进行了实验，以研究本发明的不同方面。以下详细描述了与实验室和工厂实验有关的过程和结果。应该明白的是，按照本发明使用的不同过程和组成参数实际进行的实验是为了例证。这些实验并不能认为是对所附权利要求限定的本发明范围的限制。除特别说明外，百分数都是重量百分数。实验值的公制转换可以使用以下的因子：1KSI＝6.92MPa，1KSI＝1.43kg/mm2，℃＝5/9(°F-32)，1英寸＝2.54cm。实验室实验过程
实验成分含有三种不同锰含量(0.75％Mn，1.00％Mn和1.25％Mn)，用真空感应炉熔化并铸成500 lb铸锭，尺寸约为8.5英寸正方，20英寸长。制造了两个铸锭含0.75％Mn，两个铸锭含1.25％Mn，一个铸锭含1.00％Mn。每一炉铸锭的成分分析列于表4。每个铸锭在2300°F保温3小时，热轧成4英寸厚5英寸宽的方坯，或6英寸厚5英寸宽的方坯。从每个方坯上切下小的4英寸～5英寸长的条，重新加热到2300°F并控制轧制成0.5英寸、1英寸和1.5英寸厚的板。研究AC过程制造的所有板的轧制和冷却参数的范围，结果列于表5。
所用的实验室设备能模拟加速冷却处理的生产。设备包括气动淬火架和冷却箱，冷却箱中充满1～4％(体积百分数)的Aqua Quench 110、聚合物淬火剂和水。最后一道次终轧后，把板移到架上，并在箱内的冷却桌上淬火。通过嵌入的热电偶连续测量板中间厚度处的温度，当温度达到所需的终止冷却温度时(FCT)，从溶液中取出板并在空气中冷却。在某些情况下，为了证实结果就制造多块板。
为了评估力学性能，从0.5英寸板(全厚度，平螺纹试样)以及1英寸和1.5英寸板(1/4厚度，0.505英寸直径的试样)上加工出多个横向拉伸试样。从每块板中取下三个纵向全尺寸夏氏V缺口(CVN)试样，对于0.5英寸板在1/2厚度的位置处，对于1英寸和1.5英寸厚的板在1/4厚度处。测试温度为-10°F或-20°F。对于金相测试，小的全厚度样品从每块板上取下并把纵向的面抛光，用4％苦味酸酒精溶液和2％硝酸酒精溶液浸蚀，并在光学显微镜中观察。除了加速冷却模拟研究外，使用控制终止温度(CFT)轧制和空冷生产了2英寸厚含0.75％Mn的钢板，以确定此成分是否能满足A588/A709-50W的要求。实验室实验结果
表4表示了五种合金A-E的实际成分，用于研究不同锰含量的作用，即0.75％，1.00％和1.25％。另外，表4还显示了合金A-E与表3中ASTM规格的成分的明显不同。更具体地说，本发明控制合金化学组成一般使用较低含量的锰，有效数量的铌和钛，并控制钼夹杂的含量。表4中耐候元素硅、铜、镍、和铬保持在表3中这些元素的范围内。
按照表4的成分冶炼、控制轧制和加速冷却的板材的微观结构随锰含量的增加而变化。含0.75％Mn的合金A和B主要含有多角形铁素体和珠光体，另外有少量的贝氏体和马氏体。含1.00％Mn的合金C也含有大量多角形的铁素体，但第二相主要是贝氏体和马氏体以及一些珠光体。含有1.25％Mn的合金D和E，多角形铁素体很少，较多的是贝氏体和马氏体，以及非常少的珠光体。对于0.5英寸厚的板材，轧制过程是在中等的条件下进行，即目标中间温度1750°F，终轧温度1600°F，中间温度与终轧温度之间的压下量60％。中等的轧制条件是与传统控轧和空冷钢板的更严格条件，即中间温度1650°F、终轧温度1350°F以及中间温度与终轧温度之间的压下量60％，相比而言的。对于0.5英寸厚的板材，加速冷却过程的开始冷却温度通常为1500°F，终冷温度为1100°F，冷却速度25°F/秒。
相似的中等轧制和加速冷却条件也用于1英寸和1.5英寸厚的钢板。1英寸厚板的中等轧制条件为1800°F/1600°F/70％(中间温度(IT)/终轧温度(FRT)/％IT和FRT间的压下量)，加速冷却的条件是1550°F/1100°F/20°F/秒(开始冷却温度(SCT)/终冷温度(FCT)/冷却速度(CR))。含0.75％Mn和1.0％Mn的1英寸钢板的微观结构与0.5英寸的板相似。但是，含1.25％Mn的合金D和E含有非常少的多角形铁素体，很多的贝氏体和马氏体，以及如果存在的话，非常少的珠光体。
1.5英寸厚板的控制轧制和冷却的顺序分别为1700°F/1550°F/60％(轧制)和1470°F/1150°F/10°F/秒(加速冷却)。一般地，随板厚增大，微观结构变得更粗大。
为了比较起见，每个合金A-E也经过了控轧和空冷。
按照不同锰含量、空冷和加速冷却以及不连续和连续屈服，分析了不同合金A-E的力学性能。图1A和1B比较了不同锰含量空冷和加速冷却钢板的拉伸强度和屈服强度。图1A表示的是从1.0英寸厚钢板得出的数据，图1B表示从1.5英寸厚钢板得出的数据。
首先，图1A和1B显示锰含量的增加将增大拉伸强度。其次，这些图还显示出所有空冷的合金都出现不连续屈服。相反，某些加速冷却的合金表现出不连续屈服，这些由菱形符号代表，而其它的合金表现出连续屈服，这些钢板由圆圈代表。
参看图1B，含0.75％Mn的加速冷却和不连续屈服材料不能满足ASTM规格A709-70W的最小拉伸强度90KSI。
图1A和1B还说明锰对屈服行为有明显影响。即锰含量越高，钢的硬化能力越高，冷却钢板中的马氏体和贝氏体的体积分数越高。与铁素体/珠光体微观结构相比，这些未回火的马氏体和贝氏体微观结构中高密度的可移动位错改变了加工硬化行为，并导致早期阶段连续屈服和拉伸实验接近结束时的高拉伸强度。当出现连续屈服时(塑性变形的发生相当快)，用0.2％偏移进行测量时将得到明显低的屈服强度。从图1A中明显看出，含0.75％锰的合金产生连续屈服的趋势小，而含1.25％锰的合金易于产生连续屈服。因此，几块含0.75％锰的钢板的屈服强度一般满足最小屈服强度70KSI的要求，而大多数含1.25％锰的钢板不能满足这一最小值，在某些情况下，甚至不能满足最小屈服强度65KSI的要求。
当检测屈服强度与拉伸强度之比时，表现出连续屈服行为的试样一般具有低的屈服强度和高的拉伸强度，从而获得低的YS/TS比。相反，空冷钢板表现出最高的YS/TS比(即＞0.85)，不连续屈服加速冷却的钢板的YS/TS比(即0.73～0.82)介于连续屈服加速冷却钢板和空冷钢板之间。图2A表示不同处理的1.0英寸厚钢板的YS/TS比。图2A也证实了高的锰含量对连续屈服的作用，即高的锰含量将导致较低的YS/TS比。
检测了不同合金的夏氏冲击功。测试的结果表明所有成分和轧制及冷却条件都满足ASTM规格A709-70W(美国公路和运输公务员协会-AASHTO)的断裂临界区3的要求：-10°F最小值35ft-lbs。
再看图1B，需要注意的是，对于1.5英寸厚的钢板，加速冷却和不连续屈服钢板不能满足最小屈服强度70KSI和最小拉伸强度90KSI。但是，此图显示这些厚度的钢板能满足最小屈服强度65KSI。换句话说，本发明方法能用于制造满足ASTM A871规格的最小屈服强度65KSI的1.5英寸厚钢板，并且如下所述，1.25英寸厚以下的钢板能满足最小屈服强度70KSI的规格。
在研究终轧温度的影响时，确定了决定屈服行为和最终强度的更重要因素是冷却参数，即终冷温度和冷却速度。没有注意到与强度水平和终轧温度有关的特别趋势。需要注意的是，在中间温度以下优选总压下量的最小值60％，以保证在再结晶温度终止温度(估计约为1800°F)以下有足够的热加工，从而保证恰当的晶粒细化。
图2B表示1英寸厚加速冷却钢板屈服强度和拉伸强度对终冷温度的影响。此图显示终冷却温度太低将产生大量马氏体，从而出现连续屈服行为和低的屈服强度。对于0.5英寸厚级别的钢板终冷却温度不是关键性的，而对于更厚钢板它变得很重要。在生产过程中终冷温度可能太低的一个原因是在冷却过程中出现再喷湿。再喷湿是淬火过程泡核沸腾状态的开始，这种状态比稳定膜沸腾更剧烈。再喷湿使控制热流变得困难，并容易使钢板过冷却，导致表面粗糙、变形和性能不均匀。在加速冷却过程中，厚的表面氧化膜、高冷却流量和低的终冷温度能促进再喷湿。通过轧制过程好的去氧化膜技术和优化冷却策略能把再喷湿减小到最低程度。但是，对于厚规格的钢板，例如大于1.5英寸，完全消除再喷湿是不可能的，在加速冷却这些类型的钢板时必须注意。
含0.75％Mn 2英寸厚钢板在控制轧制到特定温度并空冷时显示出铁素体加珠光体的微观结构。钢板的屈服强度为59KSI，拉伸强度为75KSI，从而表明空冷2英寸厚钢板满足A588 50W级规格对2英寸钢板的要求。夏氏冲击实验也表明满足这一级别在+10°F的最小值30ft-lbs。通过这些结果，使用本发明方法(控制轧制和空气冷却的最终温度)制造的厚达4英寸的钢板也可以满足A588 50W级规格。在需要时，可能使用适度的加速冷却过程以保证大厚度级别A588钢板有足够的强度。
实验室的实验清楚地表明，如上所述控制合金化学组成和轧制/冷却，空冷或加速冷却，可以得到多用途钢板，对于给定厚度的钢板能满足几种ASTM规格。工厂实验过程
把本发明实验室开发的合金用300吨BOF(氧气顶吹转炉)熔炼一炉，记为合金X，连铸成10英寸厚的板坯。在相同的实验中，把满足目前A709 HPS 70W，Q&T规格的合金板坯，记为合金Y(即在先技术的材料)，也轧制和加速冷却，从而确定是否此合金也可通过加速冷却过程生产以达到A709-70W所需的力学性能。这两炉钢的化学分析列于表6。合金X和合金Y中的碳含量及所有耐候元素(即Si，Cu，Ni，Cr)的含量基本相同。但是合金Y中的锰含量高于合金X(分别为1.2％和0.8％)。并且，合金Y的设计是进行淬火和回火处理，不含钛(即使用TiN技术细化晶粒)和铌(即用于晶粒细化，控制奥氏体再结晶和沉淀强化)。在实验中评价了四种公称厚度：0.75英寸、1.0英寸、1.25英寸和1.5英寸。这些轧制和冷却参数一般是根据实验室的模拟研究。如上所述，在实验室的加速冷却模拟中，温度控制是根据在中间厚度的位置的实际测量。相反，在加速冷却的工厂生产中使用表面温度进行控制。由于表面氧化膜和穿过厚度方向温度梯度的存在，在实验室中间厚度位置和工厂表面位置的温度有差异，因此工厂实验的目标温度略高于实验室测量值。加速冷却和热矫直后，钢板在空气中冷却到环境温度。
在大多数情况下，在钢板的中间宽度处、前端(头部)和后端(尾部)取样进行横向拉伸和纵向CVN性能的检测。所选的钢板从中间切断，检测中间长度处的性能。工厂实验结果
工厂实验的结果基本证实了实验室的结果，即轧制和冷却的钢板满足厚度达1.25英寸钢板最小屈服强度70KSI的要求，并且厚度达1.5英寸钢板也满足最小屈服强度70KSI的要求。同样的，工厂实验证实了锰含量和钢板厚度不同，显微结构不同。
现在参看图3和图4，按照屈服和拉伸强度及钢板厚度比较了表6中所列的合金Y和合金X。从图3看出，对于0.75英寸、1.25英寸和1.5英寸厚的钢板，轧制和冷却的HPS70W规格合金化学组成(合金Y)不能很好地满足最小屈服强度70KSI。相反，从图4看出，直到1.25英寸厚的钢板(合金Y)都满足最小屈服强度70KSI。然而，对于1.5英寸厚的钢板，虽然不满足最小屈服强度70KSI，但仍可用于需要最小屈服强度65KSI的规格。
图3的合金Y由于具有高的硬化能力以及在冷却的钢板中有大量马氏体，从而表现出连续屈服行为。由于存在大量马氏体，合金Y的冲击韧性小于合金X。另外的实验研究和结果
为研究钒和铌的作用，对于0.5英寸厚加速冷却钢板进行了另外的实验室/工厂研究。所有合金的基本成分为0.08％C、0.8％Mn、0.40％Si、0.35％Cu、0.20％Ni、0.49％Cr、0.035％Nb和0.011％Ti，钒的含量分别为0.02％、0.054％和0.079％。图5表示三种不同钒含量的合金在三种不同轧制温度下的屈服强度变化。从图中可以明显看出，为了满足最小屈服强度70KSI(49kg/mm2)，钒的含量应高于0.054％，目标含量约为0.07％。从图中还可以看出，为保持足够的屈服强度，优选较高的终轧温度。在此实验中，开始冷却温度的范围是1390～1680°F，终冷温度范围是1020～1130°F，冷却速度15～17°F/秒。最佳终轧温度约1560°F。
在研究铌时，基本成分为0.08％C、0.82％Mn、0.42％Si、0.36％Cu、0.21％Ni、0.49％Cr、0.074％V和0.013％Ti，考察了两种铌含量：0.022％和0.033％。图6证明含有0.022％Nb的合金不能一直满足最小屈服强度49kg/mm2(70KSI)的要求。图6还显示太低的冷却速度将对最小屈服强度产生负作用。另外，终轧温度太高以及终冷温度太高都对最小屈服强度有负作用。根据图6的实验，最佳工艺条件为终轧温度约1530°F，终冷温度约1110°F，冷却速度约18°F/秒。
实验室/工厂的实验清楚地证明了一种制造轧制和冷却状态的低碳、高铸造性、焊接性和成形性、高韧性的耐候钢板的方法。使用本发明方法，能制造轧制状态的、满足几种ASTM规格的板材。特别是，使用控制轧制和加速冷却能生产厚达1.25英寸的A709-70W级规格的钢板。使用控制轧制和加速冷却也能生产厚达1.5英寸的ASTM规格A871-65级的钢板。使用控制轧制和空气冷却，和/或加速冷却，能生产厚达3～4英寸的A709-50W级规格的钢板。
这样，按照体现了本发明每一个目标的优选的实施例对本发明进行了公开，本发明提供了一种新的和改进的制造轧制耐候钢板和由此而得的板材的方法。
当然，在不偏离本发明的精神和范围时，那些本领域熟知的人员可能做出对本发明改变、修改和变换。本发明仅由所附的权利要求所限制。
                        表1  用于耐候钢桥梁和支撑建设应用的ASTM规格
    ASTM规格   厚度范围      工艺     典型C含量     应用       特性
    A588-B级   ≤4英寸    CFT/air1   0.13～0.16％   桥梁，支撑   传统中强度轧制钢
  A709-50W级-B型   ≤4英寸    CFT/air1   0.13～0.16％     桥梁   传统中强度轧制钢
  A871-65W级-II型   根据协议    ARorQ&T2     0.12％     支撑   传统轧制或Q&T钢
      A852   ≤4英寸    HR/Q&T3     0.12％     结构   传统Q&T高C钢
    A709 70W   ≤4英寸    HR/Q&T3     0.12％     桥梁   传统Q&T高C钢
   A709 HPS 70W   ≤4英寸    HR/Q&T3     0.09％     桥梁  新型Q&T低C HPS级
1.CFT/air＝控制最终温度轧制和空冷
2.ARorQ&T＝轧态直到厚度≤3/4英寸，对于厚度＞3/4英寸淬火和回火
3.HR/Q&T＝热轧及淬火和回火
4.CR/AC＝控制轧制和加速冷却
                         表2  耐候钢桥梁建设和支撑钢的力学性能要求
    ASTM规格/新产品  屈服强度，ksi   拉伸强度，ksi 延伸率(2英寸)，％   纵向CVN冲击功
A588-B级/A709 50W B型     ≥50      ≥70     最小值21   AASHTO要求1
    A871-65级-II型     ≥65      ≥80     最小值17   在-20°F下15ft-lbs
      A709 70W     ≥70     90-110     最小值19   AASHTO要求1，2
    A709 HPS 70W     ≥70     90-110     最小值19   AASHTO要求1，2
1.AASHTO(美国国家公路和运输公务员协会)CVN韧性要求，用在工作温度区域临界断裂或非临界断裂的应用
2.对70W材料最严格的AASHTO要求是用于地区3(最低的工作温度是低于-30～60°F)的临界断裂冲击试验。
                                   表3  目前ASTM耐候钢级别的成分范围
       钢   C    Mn     P     S    Si    Cu    Ni    Cr    Mo    V    Al     N
  A709-50W-B(A588-B)  最小   0.75   0.15   0.20   0.40   0.01
 最大  0.20   1.35    0.04    0.05   0.50   0.40   0.50   0.70   0.10
A871-65-II  最小   0.75   0.15   0.20   0.40   0.01
 最大  0.20   1.35    0.04    0.05   0.50   0.40   0.50   0.70   0.10
  A709 70W(A852)  最小   0.80   0.20   0.20   0.40   0.02
 最大  0.19   1.35    0.035    0.04   0.65   0.40   0.50   0.70   0.10
A709 HPS 70W  最小   1.15   0.35   0.28   0.28   0.50   0.04   0.05   0.01
 最大  0.11   1.30    0.020    0.006   0.45   0.38   0.38   0.60   0.08   0.07   0.04   0.015
                                                          表4  本发明耐候钢的成分
  钢    C    Mn     P     S    Si    Cu    Ni    Cr    Mo     V    Nb    Ti    Al    N
合金A  0.75Mn   0.08   0.76   0.020   0.010   0.42   0.29   0.29   0.51   0.013    0.080   0.034   0.014   0.044   0.0082
合金B  0.75Mn   0.09   0.74   0.017   0.009   0.43   0.26   0.30   0.52   0.011    0.080   0.035   0.014   0.045   0.0067
合金C  1.00Mn   0.08   0.98   0.017   0.009   0.43   0.31   0.29   0.52   0.012    0.086   0.034   0.013   0.039   0.0074
合金D  1.25Mn   0.08   1.26   0.017   0.009   0.42   0.24   0.28   0.52   0.011    0.078   0.034   0.014   0.043   0.0082
合金E  1.25Mn   0.08   1.26   0.017   0.010   0.42   0.31   0.28   0.52   0.011    0.082   0.032   0.013   0.038   0.0074
    钢     Ar3 1    CI2    CE3     Pem4
  合金A     1473    6.78    0.37     0.186
  合金B     1470    6.61    0.37     0.194
  合金C     1440    6.84    0.41     0.199
  合金D     1404    6.42    0.45     0.208
  合金E     1401    6.81    0.45     0.212
1. Ar3：冷却过程中奥氏体转变开始温度；
2. CI：腐蚀指数(ASTM G101)＝26.01 Cu+3.88 Ni+1.20 Cr+1.49 Si+17.28 P-7.29(Cu)(Ni)-9.1(Ni)(P)-33.39Cu2
3. CE：IIW碳当量＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15
                              表5  本发明加速冷却钢板工艺参数的总结
钢板厚度 级别  板坯再加热温度，°F 中间温度以下的压下量，％    终轧温度范围，°F   开始冷却温度，°F   终冷温度，°F   冷却速度，°F/秒
0.5英寸   0.75Mn1.00Mn1.25Mn 2300 60 1450～1650 1350～1550 950～1200 10～50
1英寸   0.75Mn1.00Mn1.25Mn 2300 70 1450～1650 1400～1550 850～1270 8～35
1.5英寸   0.75Mn1.00Mn1.25Mn 2300 60 1400～1600 1380～1520 900～1280 5～25
                                                表6  工厂实验70W级别钢的成分
钢/规格    C    Mn     P     S    Si    Cu    Ni    Cr    Mo    V    Nb    Ti    Al    N
A709HPS70W规格  最小   1.15   0.35   0.28   0.28   0.50   0.04   0.05   0.01
 最大   0.11   1.30   0.020   0.006   0.45   0.38   0.38   0.60   0.08   0.07   0.04   0.015
合金X   0.09   0.79   0.012   0.006   0.38   0.33   0.27   0.49   0.005   0.066   0.041   0.014   0.03   0.0090
合金Y   0.09   1.19   0.015   0.006   0.37   0.31   0.30   0.50   0.053   0.055   0.004   0.002   0.032   0.0090

Claims (26)

1.一种制造轧制和冷却耐候钢板的方法，包括：
a)从下面的组中选取最小屈服强度钢板的目标厚度：50KSI厚达4英寸，65KSI厚达1.5英寸，70KSI厚达1.25英寸；
b)提供的加热板坯的基本成分如下以重量百分数表示：
碳：约0.05％～约0.12％，
锰：约0.50％～约1.35％，
磷：最多约0.04％，
硫：最多约0.05％，
硅：约0.15％～约0.65％，
铜：约0.20％～约0.40％，
镍：最多约0.50％，
铬：约0.40％～约0.70％，
钒：约0.01％～约0.10％，
铌：约0.01％～约0.05％，
钛：约0.005％～约0.02％，
铝：最多约0.1％，
氮：约0.001％～约0.015％，
其余为铁和附带的杂质；
c)在再结晶终止温度以上把加热的板坯粗轧成中间厚度的板材；
d)在低于再结晶终止温度的中间温度到Ar3温度以上的终轧温度之间终轧中间厚度的板材，得到最终厚度的板材；
e)当最小屈服强度为50KSI的钢板的目标厚度达4英寸时，空冷或加速冷却最终厚度的板材；当最小屈服强度为65KSI的钢板的目标厚度达1.5英寸和最小屈服强度为70KSI的板厚达1.25英寸时，在液体介质中加速冷却最终厚度的板材，空冷的开始冷却温度高于Ar3温度，加速冷却的开始冷却温度高于Ar3温度，终冷温度低于Ar3温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中锰的含量约为0.70％～1.00％。
3.如权利要求2所述的方法，其中锰的含量约为0.70％～0.90％。
4.如权利要求1所述的方法，其中铌的含量约为0.02％～0.04％。
5.如权利要求4所述的方法，其中铌的含量约为0.03％～0.04％。
6.如权利要求1所述的方法，其中钛的含量约为0.01％～0.02％。
7.如权利要求6所述的方法，其中钛的含量约为0.010％～0.015％。
8.如权利要求1所述的方法，其中锰的含量约为0.70％～0.90％，钛的含量约为0.01％～0.02％，铌的含量约为0.02％～0.04％。
9.如权利要求1所述的方法，其中使用加速冷却，并且所述加热板坯的组成和加速冷却在冷却的最终厚度板材中产生不连续的屈服效应。
10.如权利要求1所述的方法，其中对于厚度为0.5～4英寸的板材，加速冷却的冷却速度约为5～50°F/秒。
11.如权利要求10所述的方法，其中对于厚度达到约0.5英寸的板材冷却速度的范围为10～50°F/秒，约0.5～约1.25英寸厚的板为8～35°F/秒，约1.25～1.5英寸厚的板为5～25°F/秒，厚度达4英寸厚的板为1～10°F/秒。
12.如权利要求1所述的方法，其中加速冷却的终冷却温度范围约为900～1300°F。
13.如权利要求12所述的方法，其中终冷却温度范围约为1000～1200°F。
14.如权利要求1所述的方法，其中开始冷却温度的范围约为1350～1600°F。
15.如权利要求14所述的方法，其中开始冷却温度的范围约为1400～1515°F。
16.如权利要求1所述的方法，其中对于50KSI，选择目标厚度达4英寸和空冷或加速冷却的钢板。
17.如权利要求1所述的方法，其中对于70KSI，选择目标厚度达1.25英寸和加速冷却的钢板。
18.如权利要求1所述的方法，其中对于65KSI，选择目标厚度达1.5英寸和加速冷却的钢板。
19.如权利要求1所述的方法，其中钢板的ASTM G101腐蚀指数最小为6.0。
20.一种按照权利要求1所述的方法制造的轧制和冷却耐候钢板，钢板厚度至少为1.25英寸，屈服强度最小为70KSI。
21.一种按照权利要求1所述的方法制造的轧制和冷却耐候钢板，钢板厚度至少为1.5英寸，屈服强度最小为65KSI。
22.一种按照权利要求1所述的方法制造的轧制和冷却耐候钢板，钢板厚度至少为4.0英寸，屈服强度最小为50KSI。
23.一种按照权利要求1所述的方法制造的轧制和冷却耐候钢板，钢板的ASTM G101腐蚀指数最小为6.0。
24.如权利要求1所述的方法，其中中间厚度的钢板经过50～70％的轧制压下量轧制成最终厚度板材。
25.一种耐候钢组合物，基本组成以重量百分数表示为：
碳：约0.05％～约0.12％，
磷：最多约0.04％，
硫：最多约0.05％，
硅：约0.15％～约0.65％，
铜：约0.20％～约0.40％，
镍：最多约0.50％，
铬：约0.40％～约0.70％，
钒：约0.01％～约0.10％，
铌：约0.01％～约0.05％，
钛：约0.005％～约0.02％，
铝：最多约0.1％，
氮：约0.001％～约0.015％，
其余为铁和附带的杂质。
26.如权利要求25所述的组合物，其中碳的含量约为0.07～0.09％，锰的含量约为0.70～0.90％，钛的含量约为0.01～0.02％，铌的含量约为0.03～0.04％，钒的含量约为0.06～0.09％。
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