專利名稱：一種無Cr高性能耐候橋梁鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于低合金鋼制造領(lǐng)域，具體涉及一種無Cr高性能耐候橋梁鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著我國資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會的發(fā)展，橋梁鋼的耐腐蝕性越來越受到重視，發(fā)展耐蝕橋梁鋼，不僅能延長橋梁的整體使用壽命，而且能降低橋梁使用壽命期內(nèi)的總費用。我國大陸海岸線長達18，000km，沿海地區(qū)通常是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，隨著這些地區(qū)橋梁建設(shè)尤其是跨海大橋建設(shè)的迅速發(fā)展，各種橋梁的建設(shè)也帶動了對橋梁鋼的需求，這些工程在加大了對橋梁鋼需求的同時，對橋梁鋼的性能也提出了更高的要求，不但要求有較高的強度、韌性和良好的焊接性能，有的還要求有一定的耐蝕性，與此同時，現(xiàn)有的普通耐蝕鋼在沿海地區(qū)的使用經(jīng)驗顯示，其表面并不能形成保護性銹層，阻止大氣腐蝕進一步發(fā)生，沒有發(fā)揮其應有的耐大氣腐蝕性能。因此，國內(nèi)外材料工作者提出了高性能鋼(High Performance Steel,HPS)的概念，高性能鋼材主要是指材料的某項或幾項性能較傳統(tǒng)鋼材得到改善，除了具備較高強度外，鋼材的焊接性能和低溫韌性，尤其是耐腐蝕性能有較大幅度提高。專利號為200510045624. 6的中國專利涉及低合金鋼領(lǐng)域，公開了一種耐蝕鋼， 該耐蝕鋼的合金成分及重量百分比含量為=C 0. 12-0.21，Si 0. 2-2.0，Mn :0. 7-2.0， S彡0. 036，P彡0. 034，Cu :0. 10-0. 40，ΑΚ0. 2，其余為鐵和微量雜質(zhì)，通過簡單調(diào)整Q235 普通低碳鋼的部分元素含量，在改變Q235鋼生產(chǎn)工藝條件的情況下，生產(chǎn)出具有良好的耐大氣腐蝕性能、綜合力學性能的經(jīng)濟耐蝕鋼，但此類耐蝕鋼種因Cu、Al元素的過高添加，對其連鑄及軋制生產(chǎn)工序造成諸多不便，其產(chǎn)業(yè)化過程中的難點問題較多，而且不容易解決。專利號為200810046963. X的中國專利針對碳含量高顯著影響鋼的焊接性能的缺點，公開了一種采用超低碳設(shè)計的耐蝕鋼，其沖擊韌性、焊接性及耐大氣腐蝕性能較好，但是此類耐候鋼設(shè)計時添加了大量的合金元素如Cr、Mo等，一方面Cr在+6價狀態(tài)下嚴重危害人的身體健康，有巨大毒性；另一方面，Mo等合金元素的添加增加了生產(chǎn)成本。專利CN 102127710 AQ01110086804. 4)在不添加貴重金屬Cr元素的前提下，通過合金元素的合理控制，使鋼具有良好的力學性能和耐腐蝕性能，降低了生產(chǎn)成本，但是此類鋼設(shè)計時碳含量較高(0. 06%-0. 16%)，對焊接工藝要求較高，影響其焊接性能，并且其強度相對較低，相當于Q345級別。專利CN 102021495 A (201010592034. 6)公開了一種 420MPa 高韌性耐候橋梁鋼， 其強度、韌性、焊接性、耐蝕性能優(yōu)良，但是Cr元素含量較高，達0. 25%-0. 40%, Cr在+6價狀態(tài)下嚴重危害人的身體健康，易產(chǎn)生毒性；另一方面，鋼中加入了 0. 0002 0. 003%的硼元素，硼易在晶界產(chǎn)生偏析，造成鑄坯表面裂紋缺陷，對煉鋼和軋制造成諸多不便
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有耐腐蝕鋼存在的問題，本發(fā)明一種無Cr高性能耐候橋梁鋼及其制備方法，目的是提供一種較低成本且具有良好的綜合力學性能、焊接性能并且不含有毒性元素 Cr的耐海洋大氣腐蝕鋼。實現(xiàn)本發(fā)明目的的一種無Cr高性能耐候橋梁鋼，其化學組成按質(zhì)量百分比為C 0. 02 0. 05%, Si 0. 20 0. 30%, Mn 0. 6 1. 00%, P 彡 0. 02%, S 彡 0. 010%, Cu 0. 20
0.40%, Ni 0.30 0.80%，Nb 0. 04 0. 07%，Ti 0. 005 0. 015%，Al 彡 0. 02%，余量為 Fe 及雜質(zhì)，其屈服強度彡450MPa，抗拉強度彡535MPa，延伸率彡28%, _40°C下比沖擊功彡270J， 焊接冷裂紋敏感性系數(shù)Pcm ( 0. 115，耐腐蝕性指數(shù)I》6. 13。制備上述無Cr高性能耐候橋梁鋼，按照以下步驟進行
首先熔煉化學組成按質(zhì)量百分比為c 0. 02 0. 05%, Si 0. 20 0. 30%, Mn 0. 6
1.00%, P 彡 0. 02%, S 彡 0. 010%, Cu 0. 20 0. 40%, Ni 0. 30 0. 80%, Nb 0. 04 0. 07%, Ti 0. 005 0. 015%，Al ^ 0. 02%，余量為！^及不可避免的雜質(zhì)的鋼水，對其進行澆注，形成鋼錠，將鋼錠熱鍛成鋼坯，對鋼坯加熱到1150 1200°C，保溫30-60min，使其充分奧氏體化，并使得鋼中的微合金元素充分固溶；
然后采用兩階段軋制，第一段為粗軋，開軋溫度1050 1070°C，累計壓下率至少為 50%,第二階段為精軋，開軋溫度900-950°C，終軋溫度800 850°C，累計壓下率至少為70%， 軋制后以15-16°C /s的冷卻速度噴水冷卻至480 550°C，然后空冷至室溫。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點和有益效果是
為了使耐候鋼具有較高的強度和耐腐蝕性能，同時具有良好沖擊韌性和焊接性能，本發(fā)明采用復合添加合金元素的方式，用較少的合金元素獲得最佳的效果，達到成本效益的最大化，本發(fā)明的主要合金元素含量基于以下原理
C在鋼中以間隙原子形式存在，是提高鋼強度最為經(jīng)濟的元素，但C含量過高會惡化鋼的低溫韌性和焊接性能，超低碳設(shè)計限制了珠光體組織及其它碳化物的形成，有利于單一貝氏體組織的形成，避免了異相之間電位差而引起的原電池腐蝕，有利于提高鋼的耐腐蝕性，因此本發(fā)明設(shè)計碳含量為0. 02 0. 05% ；
Si在鋼中起到固溶強化的作用，可以提高鋼的強度，但Si含量太高會降低鋼的低溫韌性和焊接性能，此外Si有利于致密銹層的形成，能提高鋼的耐大氣腐蝕性能，本發(fā)明采用 Si的含量為0. 20 0. 30% ；
Mn是鋼中重要的強韌化元素，在鋼中起到固溶強化的作用，同時可以降低鋼的相轉(zhuǎn)變溫度，細化鋼中晶粒的尺寸，提高鋼的低溫韌性，但含量過高時會增加鋼材連鑄生產(chǎn)中間偏析的趨勢，在鋼中形成帶狀組織，影響組織的均勻性，因此本發(fā)明采用Mn的含量為0. 6
1. 00%οP元素可以有效提高鋼的耐大氣腐蝕性能，但P元素也是一種易于偏析的元素，使鋼的局部產(chǎn)生嚴重的偏析，會降低鋼的塑性和韌性，尤其對低溫韌性極為有害，同時，由于橋梁建設(shè)向大跨度方向發(fā)展，鋼板的厚度也在增加，為保證鋼的焊接性能，不易通過增加P 元素來提高鋼的耐腐蝕性能，應將P控制在0. 04%以下，通過添加其它合金元素來彌補耐候性能的損失，本發(fā)明中P含量控制在較低水平，P^O. 02% ；
S是鋼中的有害元素，生成的硫化物不僅嚴重影響鋼的力學性能，而且還會惡化鋼的耐大氣腐蝕性能，因此應將鋼中的S含量控制在較低的水平，本發(fā)明中S ^ 0. 010% ；Cu是提高鋼的耐大氣腐蝕性能十分重要合金元素，同時可以提高鋼的強度，但含量過高時，鋼坯加熱或熱軋時易產(chǎn)生裂紋，惡化鋼板表面性能，同時會惡化鋼的焊接性能，容易產(chǎn)生熱脆；向鋼中加入0.洲左右的Cu可以顯著提高鋼的耐腐蝕性能，同時通過固溶強化提高鋼的強度，含Cu量小于0. 55%對焊接性能危害不大，因此本發(fā)明中Cu的含量為Cu 0. 20 0. 40% ；
Ni是提高耐候鋼耐海洋大氣腐蝕性能的重要合金元素。此外，Ni能夠細化鋼的晶粒，提高鋼的低溫韌性，有效阻止Cu熱脆引起的網(wǎng)裂，本發(fā)明鋼中M含量設(shè)計為0. 30 0. 70% ；
Nb在鋼的控軋控冷過程中具有十分重要的作用，能夠有效延遲變形奧氏體的再結(jié)晶， 抑制奧氏體晶粒長大，提高奧氏體再結(jié)晶溫度，以獲得細小的晶粒，同時，Nb是強碳氮化物形成元素，可以在鋼中起到沉淀強化的作用；Ti是強碳氮化物形成元素，Ti的碳氮化物能有效釘扎奧氏體晶界，抑制奧氏體晶粒的粗化，有利于細化晶粒，提高鋼的強度和低溫韌性,本發(fā)明Nb含量設(shè)計為Nb 0. 04 0. 07%, Ti含量設(shè)計為0. 005 0. 015%。本發(fā)明是采用超低碳設(shè)計，提高了鋼的焊接性能，減少了碳化物形成，已獲得單一均勻組織，提高鋼的大氣腐蝕性能及低溫韌性；添加微量合金元素Nb和Ti，有效抑制奧氏體晶粒長大，通過高溫大壓下，細化奧氏體晶粒，最終得到細小的晶粒組織，提高鋼的強度和低溫韌性，本發(fā)明的橋梁鋼力學性能優(yōu)良，其屈服強度> 455MPa，抗拉強度> 535MPa，延伸率彡25%，_40°C低溫沖擊功彡270J。本發(fā)明的制備方法是利用控軋控冷(TMCP)制造工藝，采用兩階段軋制，第一段為粗軋，開軋溫度1050 1070°C，累計壓下率彡50%，目的是使鋼的細化奧氏體晶粒；第二階段軋制為精軋，開軋溫度900-950°C，終軋溫度800 850°C，累計壓下率> 70%，目的通過熱軋細化組織，產(chǎn)生大量位錯，增加析出相的形核位置，促進析出相析出，在軋后不需要熱處理，能以熱軋狀態(tài)供貨，有效保證了供貨周期，降低了生產(chǎn)成本，并且克服了鋼板規(guī)格受熱處理爐限制的不足。綜上所述，本發(fā)明的鋼種設(shè)計在不添加貴重但有毒元素Cr的前提下，通過控制較低的碳含量來保證良好的焊接性能，并通過合理的元素設(shè)計及成分控制，利用合金元素添加的協(xié)同作用來保證鋼種具有良好的耐海洋大氣腐蝕性能，而且在保證該耐海洋大氣腐蝕鋼在保證耐海洋大氣腐蝕性能、高強度、優(yōu)良韌性的前提下，控制合金元素的成本，避免在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象，使之適合于工業(yè)化生產(chǎn)，在煉鋼、連鑄及軋制生產(chǎn)過程中簡單易控制，本發(fā)明的無Cr耐海洋大氣腐蝕鋼產(chǎn)品適用于海洋大氣環(huán)境下的橋梁等應用要求。
具體實施例方式實施例1
首先采用200kg真空感應爐熔煉試驗鋼，化學組成如表1所示的鋼水，其后進行澆鑄， 形成鋼錠，該鋼錠開坯并熱鍛成斷面80 mmX80 mm的鋼坯，將鋼坯加熱到1200°C，保溫 30min ；
然后采用如表2所示的兩階段軋制方案，第一段為粗軋，開軋溫度1070°C，累計壓下率 50%，第二階段為精軋，開軋溫度950°C，終軋溫度840°C，累計壓下率70%，軋制后以16°C /s 的冷卻速度噴水冷卻至507°C，然后空冷至室溫。
實施例2
首先采用200kg真空感應爐熔煉試驗鋼，化學組成如表1所示的鋼水，其后進行澆鑄， 形成鋼錠，該鋼錠開坯并熱鍛成斷面80 mmX80 mm的鋼坯，將鋼坯加熱到1200°C，保溫 30min ；
然后采用如表2所示的兩階段軋制方案，第一段為粗軋，開軋溫度1060°C，累計壓下率 50%，第二階段為精軋，開軋溫度950°C，終軋溫度830°C，累計壓下率70%，軋制后以15°C /s 的冷卻速度噴水冷卻至530°C，然后空冷至室溫。表1本發(fā)明實施例1和2鋼的化學成分(質(zhì)量百分比，％)_
權(quán)利要求
1.一種無Cr高性能耐候橋梁鋼，其化學組成按質(zhì)量百分比為C 0.02 0.05%，Si 0. 20 0. 30%, Mn 0. 6 1. 00%, P 彡 0. 02%, S 彡 0. 010%, Cu 0. 20 0. 40%, Ni 0. 30 0.80%, Nb 0. 04 0. 07%，Ti 0. 005 0. 015%，AK 0. 02%，余量為 Fe 及雜質(zhì)，其屈服強度彡450MPa，抗拉強度彡535MPa，延伸率彡28%, _40°C下比沖擊功彡270J，焊接冷裂紋敏感性系數(shù)Pcm ( 0. 115，耐腐蝕性指數(shù)I彡6. 13。
2.一種制備如權(quán)利要求1所述的無Cr高性能耐候橋梁鋼的方法，其特征在于按照以下步驟進行首先熔煉化學組成按質(zhì)量百分比為C 0. 02 0. 05%, Si 0. 20 0. 30%, Mn 0. 6 1.00%, P 彡 0. 02%, S 彡 0. 010%, Cu 0. 20 0. 40%, Ni 0. 30 0. 80%, Nb 0. 04 0. 07%, Ti 0. 005 0. 015%，Al ^ 0. 02%，余量為!^e及不可避免的雜質(zhì)的鋼水，對其澆注成鋼錠，將鋼錠熱鍛成鋼坯，對鋼坯加熱到1150 1200°C，保溫30-60min ；然后采用兩階段軋制，第一段為粗軋，開軋溫度1050 1070°C，累計壓下率至少為 50%,第二階段為精軋，開軋溫度900-950°C，終軋溫度800 850°C，累計壓下率至少為70%， 軋制后以15-16°C /s的冷卻速度噴水冷卻至480 550°C，然后空冷至室溫。
全文摘要
本發(fā)明屬于低合金鋼制造領(lǐng)域，具體涉及一種無Cr高性能耐候橋梁鋼及其制備方法。本發(fā)明的無Cr高性能耐候橋梁鋼，其化學組成按質(zhì)量百分比為C0.02～0.05%，Si0.20～0.30%，Mn0.6～1.00%，P≤0.02%，S≤0.010%，Cu0.20～0.40%，Ni0.30～0.80%，Nb0.04～0.07%，Ti0.005～0.015%，Al≤0.02%，余量為Fe及雜質(zhì)。本發(fā)明的無Cr高性能耐候橋梁鋼采用兩階段軋制，第一段的粗軋開軋溫度1050～1070℃，第二階段精軋的開軋溫度900-950℃，終軋溫度800～850℃。本發(fā)明的無Cr高性能耐蝕橋梁鋼具有良好的綜合力學性能、焊接性能并且不含有毒性元素Cr，同時具有優(yōu)良的耐大氣海洋腐蝕性能。
文檔編號B21B37/00GK102534384SQ201210072989
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者付貴勤, 夏政海, 張永東, 曹波, 朱苗勇, 高新亮 申請人:東北大學, 湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司