熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼及其製造方法
2023-11-06 18:25:17 1
專利名稱：熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼及其製造方法
技術領域：
本發明具體涉及金屬材料領域的一種熱軋態高強度橋梁用鋼及其製造方法，該熱 軋態高強度橋梁用鋼的最小屈服強度為500MPa，且在低溫_40°C衝擊功大於47J，耐大氣腐 蝕性能優良。
背景技術：
隨著大型鋼結構橋梁向全焊接結構和高參數方向發展，對橋梁結構的安全可靠性 要求越來越嚴格。這就對橋梁鋼鋼板質量提出了更高的要求，即不僅具有高強度以滿足結 構輕量化要求，而且應具有優良的低溫韌性、焊接性和耐蝕性等，以滿足鋼結構的安全可 靠、長壽等要求。在此背景下，國內外材料工作者提出了高性能鋼的概念，所謂高性能鋼是 指材料的某項或幾項性能較傳統鋼材得到改善的鋼材，其除了具備高強度外，焊接性能、低 溫衝擊韌性，尤其是耐腐蝕性能有大幅度的提高。傳統工藝大多採用調質(淬火+回火)工藝製備高性能鋼橋梁鋼，其成本較高。為 此，人們又發展出了通過熱軋(控軋+控冷)製備高性能橋梁鋼的工藝，採用這種工藝製成 的高性能橋梁鋼具有成本低、板長度更長、焊縫數量減少等優勢。在國外，專利號為US6056833、US6187117的發明專利均提出了強度級別為485MPa 的熱軋態耐候橋梁鋼，但是這兩種熱軋態耐候橋梁鋼中均需加入一定量的釩，這就導致鋼 種的焊接韌性差，焊接冷裂紋敏感性係數Pcm值較高，且低溫衝擊韌性也只能達到_23°C的 要求。而在國內，2007年初武鋼推出了第五代橋梁鋼WNQ570(Q420qE)，並將該鋼種用於 京滬高鐵南京大勝關長江大橋的建設，其具體性能指標在國內專利CN1609257A中有詳述。 該鋼種採用非調質控軋控冷工藝，具有良好的低溫韌性和焊接性，但強度和耐候性能等仍 有待提高。
發明內容
本發明的目的之一在於提出一種熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼，其組成 簡單，成本低廉，且具有不小於500MPa的屈服強度，以及良好的低溫韌性、焊接性和耐候性 能，從而克服了現有技術中的不足。為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為一種熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼，其特徵在於，所述耐候橋梁鋼包含的 化學成分按重量百分計為C 0. 03-0. 08 Si ≤ 0. 5 Mn 1. 0-1. 5 P ≤ 0. 015 S ≤0. 010 CuO. 30-0. 60%, Ni 0. 20-0. 50%, Cr 0.40-1.0%、Mo 0. 15-0. 35%, Nb 0. 030-0. 080%, Ti≤0. 04%, Als≤0. 04%，以及餘量的Fe及雜質元素。進一步地講所述耐候橋梁鋼的屈服強度在500MPa以上，且_40°C低溫衝擊功大 於 47J。
所述耐候橋梁鋼的焊接冷裂紋敏感性係數Pcm ( 0. 23%,ASTM G101-01耐腐蝕指 數 I > 6. 5 ；所述Pcm和I分別由下式得出Pcm = C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5BI = 26. 01(% Cu) +3. 88(% Ni)+1. 20(% Cr)+1. 49 (% Si)+17. 28(% P) -7. 29(% Cu) (% Ni)-9. 10(% Ni) (% P) -33. 39(% Cu) 2。本發明的另一目的在於提出一種用於製備上述熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋 梁鋼的方法，該方法為取與所述熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼具有相同化學組成的鑄坯在 1200-1300°C預熱2-3小時後，採用兩階段軋制，粗軋開軋溫度彡1050°C，累計下壓量 彡60%，精軋開軋溫度彡950°C，精軋結束溫度彡850°C，精軋累計下壓量彡70%，然後以 10-200C /s的冷卻速率將軋件冷卻到480 530°C，製得目標耐候橋梁鋼。具體而言所述目標耐候橋梁鋼的屈服強度在500MPa以上，且_40°C低溫衝擊功 大於47J。所述鑄坯是按如下工藝製備的按所述熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼的化學組成配置冶煉原料，冶煉原 料經冶煉、鐵水預脫硫、轉爐頂底複合吹煉、RH真空循環脫氣以及稀土或Ca處理後，經全流 程保護澆注，形成目標鑄坯。以下從成分設計等方面對本發明的技術方案作詳細說明本發明的C含量選擇在0.03%-0.08%。C元素是鋼的主要固溶強化元素，並且可 以形成碳化物，起到析出強化的作用。碳含量太低，強化效果不明顯，太高時會大大降低鋼 的韌性和焊接性能。本發明的Si含量在< 0. 5%。Si元素主要以固溶強化形式提高鋼的強度，但含量 不可過高，以免降低鋼的韌性和焊接性能。本發明的Mn含量在1. 0% -1. 5%。Mn是重要的固溶強化元素，並能夠提高奧氏體 的穩定性，有利於得到低溫轉變組織。Mn含量太低，不能保證鋼板的強度，太高時易於在鋼 中產生明顯的帶狀偏析，影響熱軋組織的均勻性。本發明的Cu在0. 30% -0. 60%。Cu能提高鋼的淬透性，在鋼中主要起固溶及沉澱 強化作用，同時還能有效提高鋼的耐候性。此外Cu還有利於獲得良好的低溫韌性，增加鋼 的抗疲勞裂紋擴展能力。但Cu含量高時，鋼坯加熱或熱軋時易產生裂紋，惡化鋼板表面性 能，因此當Cu含量高於0. 20%時，須添加適量的Ni以阻止這種裂紋的產生。本發明的Ni在0. 20% -0. 50%。Ni能提高淬透性，具有一定的固溶強化作用，且 能顯著改善鋼材的低溫韌性，使母材和焊接熱影響區低溫韌性顯著提高。此外，Ni能阻止 Cu含量高的鋼坯在加熱或熱軋時產生裂紋的傾向，且可顯著提高鋼的耐候性，尤其是耐海 水腐蝕性。但是M為貴金屬，導致鋼的成本大幅度上升，經濟性差。本發明Cr的含量在0. 40% -1. 0%。Cr能顯著提高鋼的淬透性及鋼的耐候性。在 Cu-Ni-Cr複合添加的情況下，Cr提高鋼材耐腐蝕性的效果尤為明顯。本發明Mo的含量在0. 15% -0. 35%。Mo能增加淬透性，提高鋼的強度。Mo能非 常有效推遲鐵素體和珠光體的轉變，從而促進貝氏體組織的獲得，使鋼在較寬的冷卻速度範圍內獲得較完全的針狀組織。同時隨著Mo的增加，針狀組織轉變開始溫度顯著下降，鋼 的強度顯著提高。但過高的Mo會使鋼的低溫韌性顯著惡化，也會在焊接時形成過多的馬氏 體，導致焊接接頭脆性增加。本發明Nb的含量在0. 030% -0. 080%。Nb在控軋控冷鋼中具有十分重要的作用， 其可以提高奧氏體再結晶溫度，使變形的奧氏體處於未再結晶狀態，從而增加Sv(單位體 積內相變形核位置的密度)，以得到非常細小的晶粒尺寸。同時，Nb是強碳氮化合物形成元 素，能在鋼中起沉澱強化的作用。Ti是強氮化物形成元素，Ti的氮化物能有效釘扎奧氏體晶界，有助於控制奧氏體 晶粒的長大。本發明Ti的含量控制在< 0. 04%。本發明的P、S含量為P < 0.015%,S < 0. 01 %，低的P、S含量是為了保證高的鋼
質純淨度，獲得該鋼良好的塑性和衝擊韌性。 本發明除含有上述化學成分外，餘量為Fe及不可避免的雜質，同時還須滿足焊接 冷裂紋敏感性係數Pcm ^ 0. 23%和ASTM G101-01耐腐蝕指數I > 6. 5。本發明系採用控軋+控冷工藝製備上述熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼，其 不僅易於操作，可控性好，形成的耐候橋梁鋼不僅具有優良低溫韌性和焊接性，且較之常規 耐候橋梁鋼具有更高屈服強度、更優良耐候性能。
以下結合附圖及具體實施例對本發明的技術方案作詳細說明。
圖1是實施例1中熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼的金相組織照片。
具體實施例方式實施例1本實施例熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼包含的化學成分含量按 重量百分計為c 0. 05%, Si 0. 38%, Mn 1. 46%, P 0. 013%, S 0. 0020%, Cu 0. 36%, Ni 0. 33%, Cr 0.5%、Mo 0. 15%, Nb 0. 056%, Ti 0. 021%, Al 0. 023%，其餘為 Fe 和不可避
免的雜質。本實施例耐候橋梁鋼的製備工藝為按所述耐候橋梁鋼的化學組成配置冶煉原 料，冶煉原料經冶煉、鐵水預脫硫、轉爐頂底複合吹煉、RH真空循環脫氣以及稀土或Ca處理 後，經全流程保護澆注，形成目標鑄坯。。板坯在1250°C加熱2小時後，進行二階段軋制，其中，粗軋開軋溫度為1080°C，粗 軋累計下壓量65%，精軋溫度為930°C，精軋結束溫度為830°C，精軋累計下壓量70%，軋制 完成後，軋件經層流冷卻冷至500°C，冷卻速度為19°C /s，製成的耐候橋梁鋼成品力學性能 如表1所示，其金相組織如圖1所示。實施例2本實施例熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼包含的的化學成分含量 按重量百分計為:C 0. 07%, Si 0. 39%,Mn 1. 22%,P 0. 008%, S 0. 0044%, Cu 0. 4%,Ni 0.3%、Cr 0.5%、Mo 0. 15%, Nb 0. 05%, Ti 0. 02%, Al 0. 03%，其餘為 Fe 和不可避免的雜質。本實施例耐候橋梁鋼的製備工藝為按照與實施例1相同工藝製成板坯，其後將 板坯在1250°c加熱2小時，再進行二階段軋制，其中，粗軋開軋溫度為110(TC，，粗軋累計下
5壓量60%，精軋溫度為940°C，精軋結束溫度為840°C，精軋累計下壓量75%，軋制完成後， 軋件經層流冷卻冷至530°C，冷卻速度為11 °C /s，製成的耐候橋梁鋼成品力學性能如表1所
7J\ ο表1實施例1 2力學性能 本發明實施例1-2所述橋梁耐候鋼和公開號為CN1609257A的發明專利中所提出 的比較鋼1-1、比較鋼1-2以及專利號為US6315946的發明專利中所提出的比較鋼2的機械 性能與耐腐蝕能力對比詳見表1。表中耐腐蝕指數I計算公式為美國材料與試驗協會標準 ASTM G101-01中修正的Legault-Leckie公式，其值越高，表示其耐腐蝕能力越強。由上表 可見，本發明鋼與比較鋼相比，同時具有高強度、較好的低溫衝擊功、及更好的耐腐蝕性能。上述實施例僅為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人 士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明 精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼，其特徵在於，所述耐候橋梁鋼包含的化學成分按重量百分計為C 0.03 0.08％、Si≤0.5％、Mn 1.0 1.5％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cu0.30 0.60％、Ni 0.20 0.50％、Cr 0.40 1.0％、Mo 0.15 0.35％、Nb 0.030 0.080％、Ti≤0.04％、Als≤0.04％，以及餘量的Fe及雜質元素。
2.根據權利要求1所述的熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼，其特徵在於所述耐 候橋梁鋼的屈服強度在500MPa以上，且_40°C低溫衝擊功大於47J。
3.根據權利要求1或2所述的熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼，其特徵在於所 述耐候橋梁鋼的焊接冷裂紋敏感性係數Pcm彡0. 23%,ASTM G101-01耐腐蝕指數I > 6. 5 ；所述Pcm和I分別由下式得出Pcm = C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5BI = 26. 01(% Cu) +3. 88 (% Ni)+1. 20(% Cr)+1. 49 (% Si)+17. 28 (% P) -7. 29(% Cu) (% Ni)-9. 10(% Ni) (% P) -33. 39(% Cu) 2。
4.如權利要求1所述熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼的製備方法，其特徵在於， 該方法為取與所述熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼具有相同化學組成的鑄坯在 1200-1300°C預熱2-3小時後，採用兩階段軋制，粗軋開軋溫度> 1050°C，累計下壓量 彡60%，精軋開軋溫度彡950°C，精軋結束溫度彡850°C，精軋累計下壓量彡70%，然後以 10-200C /s的冷卻速率將軋件冷卻到480 530°C，製得目標耐候橋梁鋼。
5.根據權利要求4所述的如權利要求1所述熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼的 製備方法，其特徵在於所述目標耐候橋梁鋼的屈服強度在500MPa以上，且_40°C低溫衝擊 功大於47J。
6.根據權利要求4所述的如權利要求1所述熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼的 製備方法，其特徵在於所述鑄坯是按如下工藝製備的按所述熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼的化學組成配置冶煉原料，冶煉原料經 冶煉、鐵水預脫硫、轉爐頂底複合吹煉、RH真空循環脫氣以及稀土或Ca處理後，經全流程保 護澆注，形成目標鑄坯。
全文摘要
本發明涉及一種熱軋態屈服強度500MPa級耐候橋梁鋼及其製備工藝。該耐候橋梁鋼包含的化學成分(wt％)為C 0.03-0.08％、Si≤0.5％、Mn 1.0-1.5％、P≤0.015％、S≤0.01％、Cu 0.3-0.6％、Ni 0.20-0.50％、Cr 0.40-1.0％、Mo 0.15-0.35％、Nb 0.03-0.08％、Ti≤0.04％、Als≤0.04％以及餘量Fe及雜質，其主要採用控軋控冷工藝製備。本發明耐候橋梁鋼組成簡單，成本低廉，屈服強度在500MPa以上，並具良好的低溫韌性、焊接性和耐候性能，且製備工藝簡捷，可控性高。本發明可被廣泛應用於各種橋梁鋼的生產領域。
文檔編號C21D8/00GK101892431SQ20101021878
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月7日 優先權日2010年7月7日
發明者劉儉, 李化龍, 趙良峰, 陳愛華 申請人:江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司