屈服強度690MPa級低屈強比抗震鋼及其製造方法
2023-05-30 03:24:21
屈服強度690MPa級低屈強比抗震鋼及其製造方法
【專利摘要】一種屈服強度690MPa級低屈強比抗震鋼及其製造方法，屬於建築用結構鋼【技術領域】。化學成分為：C：0.05～0.13wt.%、Si：0.00～0.50wt.%、Mn：1.50～2.50wt.%、P：<0.012wt.%、S：<0.006wt.%、Mo：0.15～0.50wt.%、Nb：0.02～0.12wt.%、V：0.00～0.15wt%、Ti：0.01～0.025wt.%、B：0.0010～0.0030wt.%、Al：0.01～0.06wt.%，餘為Fe和不可避免的雜質，在此基礎上，再加入以下一種或多種合金元素：Cu：0.00～0.80wt%、Cr：0.00～0.50wt%、Ni：0.00～1.00wt%，鋼中合金元素的總添加量應不大於5%。利用中厚板軋機控軋控冷獲得細晶貝氏體/馬氏體組織，再結合+兩相區二次等溫熱處理獲得一定量的亞穩奧氏體和微合金沉澱強化的基體，達到了屈服強度690MPa級的建築抗震設計規範的力學性能要求，可以在抗震建築結構中應用，也可以應用於工程機械領域。
【專利說明】屈服強度690MPa級低屈強比抗震鋼及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於建築用結構鋼【技術領域】，特別涉及一種屈服強度690MPa級低屈強比抗震鋼及其製造方法。
【背景技術】
[0002]因抗震性好、空間利用率大、設計靈活美觀、可循環利用、建造周期短、質量可靠易控制，鋼結構建築已大量出現。國內屈服強度460MPa級別以下、國外抗拉強度590MPa級別以下的抗震建築結構用鋼中厚板已普遍應用和推廣。高層、大跨度、安全性高、節約環保是現代大型建築的發展趨勢。為了適應這一發展趨勢，抗震建築用結構用鋼朝更高強度級別發展，從而使鋼板降重減厚，可以節約資源與能源、降低建築材料成本、減少焊接金屬和焊接工作量。[0003]目前，屈服強度550MPa和690MPa級別的抗震建築結構用鋼是研發和應用熱點。建築結構用鋼板國標GB/T19879-2005尚未對以上兩種強度級別的鋼種進行標準化要求。然而，建築抗震設計規範GB50011-2010對抗震建築結構用鋼進行了無強度級別差異的力學性能要求:鋼材的屈服強度實測值與抗拉強度實測值的比值不應大於0.85 ;鋼材應有明顯的屈服臺階，且伸長率不應小於20% ;鋼材應有良好的焊接性和合格的衝擊韌性。此規範要求比建築結構用鋼板國標GB/T19879-2005的要求更嚴格。要達到以上規範力學性能要求成為屈服強度550MPa和690MPa級別的抗震建築結構用鋼的技術難點。特別是屈服強度690MPa級別的抗震建築結構用鋼，按照GB50011-2010規範要求，低屈強比要求其抗拉強度達到900MPa左右，強塑積達到18GPa%左右，通過特殊的、苛刻熱處理的薄板鋼如TRIP鋼、Q&P鋼可以達到，而達到這一性能的中厚板尚未見報導。
[0004]借鑑薄板鋼控制一定量的殘餘、亞穩奧氏體進行增塑的思路和亞穩奧氏體增韌的原理(參見文獻:J.ff.Morris, Jr., Z.Guo, C.R.Krenn and Y.-H.Kim.The Limitsof Strength and Toughness in Steel.1SIJ International, Vol.41 (2001), N0.6, pp.599-611.)，本發明鋼採用複合微合金化設計，結合控軋控冷和gamma + α兩相區二次等溫熱處理工藝，獲得了多相、多尺度、亞穩組織，達到了屈服強度690MPa級的建築抗震設計規範的力學性能要求，可以在抗震建築結構中應用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種屈服強度690MPa級低屈強比抗震鋼及製造方法，在化學成分上，採用低碳和奧氏體化穩定元素Mn、Ni和Cu的複合合金化設計，微Ti處理、Nb+V複合微合金化，控制軋制細化晶粒，低Mo+B微合金化處理提高淬透性，然後在Y + α兩相區範圍內不同溫度下進行二次等溫處理，促使微合金第二相沉澱強化細晶回火馬氏體組織，同時促進奧氏體穩定元素C、Mn、N1、Cu等元素從α基體擴散至Υ相中的「配分」過程，最終獲得一定數量在基體中彌散分布的亞穩奧氏體相，從而獲得高屈服強度、低屈強比和高延伸率的綜合力學性能。[0006]本發明提供的屈服強度690MPa級低屈強比抗震建築結構用鋼的化學成分和含量為:C:0.05 ~0.13wt.%、Si:0.00 ~0.50wt.%、Mn:1.50 ~2.50wt.%、P: Mo:0.15 ~0.50wt.%、Nb:0.02 ~0.12wt.%、V:0.00 ~0.15wt%> T1:0.01 ~
0.025wt.%、B:0.0010 ~0.0030wt.%、A1:0.01 ~0.06wt.%，餘為 Fe 和不可避免的雜質。鋼中合金元素的總添加量應不大於5%，均為重量百分數。在上述成分基礎上再加入以下一種或多種合金元素:Cu:0.00 ~0.80wt%、Cr:0.00 ~0.50wt%、N1:0.00 ~1.00wt%,並且，鋼中合金兀素的總添加量應不大於5%。
[0007]本發明各元素的作用及配比依據如下:
[0008]碳:碳是關係強度的最重要的元素之一，它具有強烈的固溶強化作用，也是微合金納米第二相的必要元素，顯著提高淬透性，起相變強化作用；另外它還是奧氏體穩定化元素之一，Υ + α兩相區等溫時它將富集於奧氏體中，提高奧氏體穩定性，有利於亞穩奧氏體的最終獲得。本發明鋼的碳含量範圍為0.05~0.13wt.%，碳含量低於0.05wt.%，淬透性不好且所獲得的亞穩奧氏體數量過少，無法起到相變增塑和增韌作用；碳含量高於0.13wt.%,滲碳體過多，對衝擊韌性和焊接性能不利。
[0009]矽:鋼中脫氧元素之一，同時具有較強的固溶強化作用，但過量的Si將惡化鋼的韌性及焊接性能。綜合上述考慮，本發明鋼矽含量範圍為0.00~0.50wt.%。
[0010]錳:錳是提高淬透性和獲得亞穩奧氏體的關鍵合金元素。與碳相同，錳也是奧氏體穩定化元素之一，Υ + α兩相區等溫處理時在奧氏體中富集，提高奧氏體穩定性，有利於室溫獲得殘餘的亞穩奧氏體；此外，錳同時具有一定的固溶強化作用。本發明鋼的錳含量範圍為1.5~2.5.wt.%,低於1.5wt.%的Mn很難使兩相區等溫奧氏體穩定,高於2.5wt.%的Mn對連鑄坯質量不利。
[0011]鑰:顯著提高鋼的淬透性，減少回火脆性，提高鋼的耐延遲斷裂性能。Mo與微合金元素共同添加時還會提高微合金析出相的高溫尺寸穩定性，降低其粗化傾向，有利於提高沉澱強化作用。鑰含量低於0.1`5wt.%時上述作用不顯著；鑰含量超過0.50wt.%時，上述作用效果飽和，且成本較高。因此，本發明鋼鑰含量應控制在0.15-0.50wt.%範圍內。
[0012]鉻:提高鋼的淬透性和耐大氣腐蝕性能，但較高的Cr含量對焊接性能不利，應控制在0.50wt.%以內。
[0013]鎳:鎳是奧氏體穩定化元素，Υ + α兩相區等溫時它將在奧氏體中富集，提高奧氏體穩定性，有利於最終獲得亞穩奧氏體；此外，鎳提高鋼的淬透性和耐大氣腐蝕性能，但其價格高，應控制在1.0wt.%以內。
[0014]銅:提高鋼的淬透性和耐大氣腐蝕性能，也是奧氏體化穩定元素之一，時效析出的納米級Cu相粒子具有一定的沉澱強化作用，但含Cu鋼由於表面選擇性氧化而易於產生熱脆問題。因此在加入較高Cu的同時還要加入0.5倍以上的Ni，為了控制成本，Cu含量不超過0.80wt.%以內。
[0015]硼:強烈偏聚於奧氏體晶界及其它晶體缺陷處，加入IOppm以上硼可顯著提高淬透性，但硼含量超過0.003%後上述作用飽和，而且還可能形成各種對熱加工性能和韌性不利的含B析出相，因此硼含量應控制在0.003wt.%以內。
[0016]鈮:具有較強細化相變後組織的作用。通過固溶鈮及形變誘導析出Nb(C，N)對奧氏體再結晶強烈抑制作用，獲得具有較高缺陷密度的未再結晶奧氏體，提高後續相變形核率並細化相變後組織。此外，固溶於奧氏體中鈮提高淬透性效果也較顯著，在Υ + α兩相區等溫析出的NbC或含Nb複合微合金第二相抑制馬氏體再結晶，起細化熱處理組織和第二相強化的顯著作用。本發明鋼鈮含量在0.02-0.12%.%以內。低於0.02wt.%的Nb上述效果不顯著，過高的Nb進一步細化組織的效果變得不明顯且成本提高。
[0017]釩:從馬氏體或鐵素體基體中沉澱析出的VC粒子彌散細小，具有顯著的沉澱強化效果。本發明鋼V含量控制在0.15%以內，過高則沉澱強化效果提高不明顯，且成本較高。
[0018]鈦:微Ti處理時Ti主要與N結合,從固態鋼中沉澱析出，形成納米級尺寸的TiN粒子，其主要作用是細化鑄坯加熱過程中奧氏體晶粒。在現代先進鋼鐵冶煉控制下，N含量一般不超過70ppm。按照TiN的理想化學配比，Ti含量添加一般不超過0.025wt.%，過高的Ti反而容易形成粗大的液析TiN，嚴重損害鋼的韌塑性。過低的Ti不能形成有效數量的固析TiN，因此本發明鋼Ti含量應控制在0.01-0.025wt.%範圍內。[0019]鋁:鋁是強脫氧元素，還可與N結合形成A1N，能夠起到細化晶粒作用。
[0020]磷和硫:鋼中雜質元素，顯著降低塑韌性和焊接性能，其含量應分別控制在
0.02wt.% 和 0.01wt.% 以內。
[0021]本發明所涉及的屈服強度690MPa級低屈強比抗震建築用鋼的製造工藝如下:
[0022]冶煉和鑄造:採用轉爐或電爐冶煉，鑄造採用連鑄。
[0023]採用中厚板軋機進行控軋控冷軋制:
[0024]將連鑄坯或鑄錠開坯後裝入加熱爐中加熱，加熱溫度為1100_1250°C，時間為1_5小時，加熱後進行軋制。中厚板軋機軋制工藝為:粗軋軋制3-5道次，精軋軋制5-10道次，終軋溫度為800-950°C，軋後直接淬火(DQ)至500°C以下獲得貝氏體/馬氏體組織，層流冷卻速度大於15°C /S。控軋控冷獲得細晶貝氏體/馬氏體組織是獲得良好高強度高韌性的保障。
[0025]Υ + α兩相區二次等溫熱處理:熱處理工藝包括臨界區退火(L)和回火(T)兩道工序，其中臨界區退火加熱溫度為740~820°C，保溫時間為0.5-2小時，鋼板加熱後水淬。回火溫度為620-700°C，保溫時間為0.5-5小時，回火後空冷或水冷到室溫。
[0026]本發明鋼涉及的屈服強度690MPa級低屈強比抗震建築用鋼的工藝控制原理如下:
[0027]本發明涉及的控軋控冷工藝原理是充分利用T1、Nb和/或V的複合微合金化，高溫加熱態以TiN阻止奧氏體晶粒長大的作用，獲得細小均勻的原始奧氏體組織。在兩階段控軋工藝中，粗軋階段適當降低粗軋溫度、提高道次壓下量，實施再結晶控軋，通過反覆再結晶細化奧氏體；精軋階段在奧氏體未再結晶溫度(Tnr)以下變形，利用固溶Nb和析出Nb抑制奧氏體再結晶的機制，獲得薄餅狀奧氏體，直接淬火獲得低溫相變組織，獲得顯著的相變強化和細晶強化。控軋控冷獲得細晶貝氏體/馬氏體組織是獲得良好高強度高韌性的保障和後續熱處理的基礎。
[0028]本發明涉及的Υ + α兩相區二次等溫熱處理的工藝原理是:在一次較高溫度的退火處理(L)中，一方面,部分馬氏體板條轉變為奧氏體，C、Mn等奧氏體穩定化兀素在馬氏體和奧氏體之間發生配分，導致奧氏體中C、Mn等含量逐漸增加，在退火後水淬過程中，上述奧氏體再次轉變為馬氏體，但新形成馬氏體中C、Mn等奧氏體穩定化元素的含量高於基體回火馬氏體中的含量。另一方面，微合金Nb、V、Mo等複合碳化物從馬氏體基體中的沉澱析出，其尺寸為納米級且具有較好的高溫熱穩定性，顯著的第二相強化可以補償加熱等溫處理引起的軟化。在二次較低溫度的回火過程中，部分新形成馬氏體將再次轉變為奧氏體，同時在奧氏體和馬氏體之間發生C、Mn等奧氏體穩定化元素的第二次配分，使奧氏體更加富C富Mn，其熱穩定性顯著提高，回火後冷卻時這些奧氏體大部分不再發生相變，成為殘餘的亞穩奧氏體保留在鋼板中。由於C、Mn等奧氏體穩定化元素含量高，且低溫和受力穩定性好。Υ + α兩相區二次等溫處理是獲得一定殘餘亞穩奧氏體的關鍵工藝，同時顯著的第二相強化可以補償加熱等溫處理引起的軟化，新鮮的和次新鮮的貝氏體/馬氏體提高抗拉強度、降低屈強比。
[0029]本發明的優點在於:
[0030]本發明鋼採用複合微合金化設計，結合了控軋控冷和Υ + α兩相區二次等溫熱處理，控軋控冷獲得細晶貝氏體/馬氏體組織，熱處理獲得一定量的亞穩奧氏體和微合金沉澱強化的基體，達到了屈服強度690MPa級的建築抗震設計規範的力學性能要求，可以在抗震建築結構中應用，也可以應用於工程機械領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031 ] 圖1為實施例1熱軋板組織的OM照片。
[0032]圖2為實施例1熱處理板組織的OM照片。
[0033]圖3為實施例1熱處理板中Nb、V、T1、Mo的典型複合微合金第二相形貌及其成分(Cu峰來自於承載復型樣品的Cu網)。
[0034]圖4為實施例1熱處理板中殘餘奧氏體體積分數的XRD測量結果。
【具體實施方式】
[0035]下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明中很小的一部分，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0036]本發明鋼均由真空感應爐冶煉，共6爐，化學成分如表1所示。鍛造開坯(IlOmm)後在實驗室中厚板軋機上進行兩階段軋制，粗軋由IlOmm厚經4道次軋制到36mm，精軋由36mm厚經5道次軋製成11_，軋後進行層流冷卻，層流冷卻速度大於15°C /s,最後空冷至室溫。鑄坯加熱溫度、粗軋終軋溫度、精軋開軋溫度、精軋終軋溫度、終冷溫度、冷卻速度、熱處理溫度及熱處理後的冷卻方式等主要工藝參數見表2。熱處理時間均為0.5h。熱處理鋼板的橫向拉伸強度、_40°C縱向衝擊功在表3中列出，均達到了屈服強度690MPa級抗震建築結構用鋼的規範要求。
[0037]表1屈服強度690MPa級低屈強比抗震建築用鋼的化學成分(wt.%)
[0038]
【權利要求】
1.一種屈服強度690MPa級低屈強比抗震鋼，其特徵在於，化學成分為:C:0.05~0.13wt.%、S1:0.00 ~0.50wt.%、Mn:1.50 ~2.50wt.%、Ρ:〈0.012wt.%、S:〈0.006wt.%、Mo:0.15 ~0.50wt.%、Nb:0.02 ~0.12wt.%、V:0.00 ~0.15wt%、T1:0.01 ~0.025wt.%、B:0.0010~0.0030wt.%、A1:0.01-0.06wt.%，餘為Fe和不可避免的雜質，均為重量百分數。
2.根據權利要求1所述的抗震鋼，其特徵在於，再加入以下一種或多種合金元素:Cu:0.00~0.80wt%、Cr:0.00~0.50wt%、N1:0.00~1.00wt%,並且，鋼中合金元素的總添加量應不大於5%。
3.—種製造權利要求1或2所述抗震鋼的製造方法，採用轉爐或電爐冶煉，鑄造採用連鑄；其特徵在於:工藝中控制的技術參數為 (1)中厚板軋機控軋控冷軋制 將連鑄坯或鑄錠開坯後裝入加熱爐中加熱，加熱溫度為1100-1250°C，時間為1-5小時，加熱後進行軋制；中厚板軋機軋制工藝為:粗軋軋制3-5道次，精軋軋制5-10道次，終軋溫度為800-950°C，軋後直接淬火DQ至500°C以下獲得貝氏體/馬氏體組織； (2)y + α兩相區二次等溫熱處理 熱處理工藝包括臨界區退火和回火兩道工序，其中臨界區退火加熱溫度為720~800°C，保溫時間為0.5-2小時， 鋼板加熱後水淬；回火溫度為620-700°C，保溫時間為0.5-5小時，回火後空冷或水冷到室溫。
【文檔編號】C22C38/38GK103710622SQ201310714106
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】李昭東, 孫新軍, 張正延, 王小江, 雍岐龍 申請人:鋼鐵研究總院