專利名稱：一種高強度耐候鋼及其生產方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高強度耐候鋼及其生產方法，具體地說是一種低溫韌性和焊接性能優(yōu)異的貝氏體組織高強度耐候鋼及其生產方法，屬低合金鋼制造領域。
背景技術：
在本發(fā)明以前，相近強度級別的高強度結構鋼一般也采用調質工藝生產但是其碳含量都較高，如美國材料與試驗協(xié)會標準ASTMA709/A709M-01b中的100、100W鋼，其所要求的碳含量都必須大于等于0.10％，這樣雖然保證了強度，但低溫韌性、焊接性能、耐候性能較差。2004年鞍山鋼鐵集團公司申請了”高抗拉強度高韌性低屈強比貝氏體鋼及其生產方法”，專利申請?zhí)枮?004100967957。該鋼的主要化學成分和本發(fā)明比較接近，但是采用TMCP+RPC+SQ方法進行生產，得到的是抗拉強度級別為800MPa級別的高強度鋼，并且該鋼以淬火狀態(tài)交貨，鋼的殘余應力較大。另外鋼中不含Cr，因而耐候性能較差。2004年武漢鋼鐵(集團)公司申請了“針狀組織高強度耐候鋼及其生產方法”，專利申請?zhí)枮?00410061112.4，該鋼的主要成分和本發(fā)明也比較接近，但未添加微量元素硼，并且按熱機械控制軋制技術+馳豫-析出控制技術生產，鋼的抗拉強度僅為590～650MPa。以超低碳的化學成分，按淬火+回火工藝生產抗拉強度為690MPa級的耐候鋼國內外未見文獻報道。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)在高強度結構鋼存在碳含量高、低溫韌性、焊接性能、耐候性能較差、抗拉強度低的問題，本發(fā)明提供一種具有優(yōu)良的耐候性，優(yōu)異的低溫韌性和焊接性，鋼板沿板厚方向上的微觀組織和力學性能均勻的抗拉強度為690MPa級的高強度耐候鋼及其生產方法，鋼的成分設計簡單，與傳統(tǒng)調質高強度鋼相比，鋼的碳含量極低，因而其組織均勻性和力學均勻性較好，鋼板的低溫韌性、耐候性、焊接性能優(yōu)異。
一種高強度耐候鋼，所述鋼的化學成分(熔煉分析)按重量百分計為C0.01～0.04、Si0.20～0.35、Mn1.30～1.80、0＜P≤0.060、S≤0.010、Cu0.25～0.40、Cr0.20～0.40、Ni0.15～0.35、Mo0.10～0.40、Nb0.040～0.090、B0.0008～0.0030以及Ti≤0.030、Als≤0.040、Zr≤0.010中的兩種或兩種以上，余量為Fe及不可避免的夾雜，此外還須滿足焊接冷裂紋敏感性系數Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.20％。
以下詳述本發(fā)明中C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Als、Zr限定量的理由。
本發(fā)明的C含量選擇在0.01％～0.04％。C在鋼鐵材料中一般充當強化組元，如果溶入基體中，能夠起到固溶強化的作用，增加碳含量會促進形成碳化物及馬氏體。為了提高焊接性、低溫韌性及耐候性能，本發(fā)明的碳含量極低，即接近或小于在常溫下碳在鐵素體中的最大溶解度0.0218％。在γ→α的轉變過程中，由于Nb(CN)的析出，鐵素體中碳的溶解度極限不容易被超過，從而在顯微組織中形成ε碳化物或Fe3C的可能性極小，高碳M-A-C組元的出現(xiàn)幾率也很小，即較少發(fā)生C原子的不均勻分配，保證了鋼組織的均勻。各微區(qū)之間電極電位更趨于一致，提高了鋼的耐候性能。碳含量也不能夠無限制的減小，否則，鋼板強度將達不到要求。碳含量如大于0.04％，則增大了在γ→α的相變中C原子的重組，生成的碳化物由于形成有效的陰極而降低鋼的耐蝕性能，焊接性能及低溫性能也隨之降低。與傳統(tǒng)的低碳調質鋼不同的是，本發(fā)明鋼因降碳而造成的強度上的損失主要通過少量合金的添加來保證。
本發(fā)明的Si含量在0.20％～0.35％，Si主要以固溶強化形式提高鋼的強度，同時也是鋼中的脫氧元素，但含量不可過高，以免降低鋼的韌性和焊接性能。
本發(fā)明的Mn含量選擇在1.30％～1.80％。Mn是重要的強韌化元素，對貝氏體轉變有較大的促進作用。但太高的Mn有損于鋼的韌性，而太低的Mn則不能保證鋼板的強度。
本發(fā)明的P含量為0＜P≤0.060％，高的P含量會大幅度提高鋼的耐候性，并可通過P的適量合理偏聚，彌補極低碳鋼晶間強度降低的不足。其適宜量為≤0.060％，但不為零。
本發(fā)明的S≤0.010％，高的S含量不僅會使鋼板縱橫向性能產生明顯差異，同時也降低鋼的低溫韌性和Z向性能。硫化物夾雜會使鋼的耐候性能也明顯降低。其適宜量為≤0.010％。
Cu能提高鋼的淬透性，在鋼中主要起固溶及沉淀強化作用，同時還可通過Cu-Cr-Ni的適宜配比，提高鋼的耐候性能，此外還有利于獲得良好的低溫韌性，增加鋼的抗疲勞裂紋擴展能力。Cu含量小于0.25％，其沉淀強化作用不明顯。在本發(fā)明中Cu的加入量大于0.40％時，鋼板焊接熱影響區(qū)韌性會降低，且在鋼坯加熱過程中易產生網裂。其適宜量為0.25％～0.40％。
Cr也是提高淬透性的有效元素，一定量的Cr可以使鋼獲得良好的耐候性能。在Cu-Cr-Ni復合添加的情況下，Cr有助于提高淬透性以及耐候性能，其適宜量為0.20％～0.40％。
Ni能提高淬透性，具有一定的強化作用，還能顯著地改善鋼材的低溫韌性。使基材和焊接熱影響區(qū)低溫韌性大幅度提高。Ni還能有效阻止Cu的熱脆引起的網裂。Ni可顯著提高鋼的耐候性能，尤其是耐海水腐蝕性能。其加入量小于0.10％，則Ni起不到作用，但含量過高易造成鋼板氧化鐵皮難以脫落且增加鋼的成本。本發(fā)明中Ni的適宜量為0.15％～0.35％。
Mo的含量為0.10％～0.40％。Mo能增加淬透性，顯著提高鋼的強度。但過高的Mo會使鋼的低溫韌性顯著惡化。過量的Mo也會在焊接時形成馬氏體，導致焊接接頭脆性的增加。故適宜的上限控制為0.40％。
Nb是強碳氮化合物形成元素，能提高鋼的奧氏體再結晶溫度。奧氏體可以在更高的軋制溫度下進行軋制，此外Nb在軋制過程中通過Nb的碳氮化物的應變誘導析出可以釘扎奧氏體晶粒，細化奧氏體晶粒并提高強度及低溫韌性。Nb有時單獨或與Ti一起復合加入以通過沉淀強化提高鋼的機械性能。但過高的Nb也易與Fe、C等元素形成低熔點共晶物，從而增加焊縫金屬產生熱裂紋的傾向。本發(fā)明中Nb的適宜量為0.040％～0.090％。
本發(fā)明的鋼中還含有Ti、Als、Zr的兩種或兩種以上。
Ti是強氮化物形成元素，Ti的氮化物能有效地釘扎奧氏體晶界，因此有助于控制奧氏體晶粒的長大，Ti的適宜含量控制在≤0.030％。
本發(fā)明的鋼Als含量控制在≤0.040％，Al是鋼中的主要脫氧元素。Als含量大于0.040％，將導致Al的氧化物夾雜增加，降低鋼的純凈度，不利于鋼的韌性及耐候性能。Al的熔點較高，在生產中，Al可以用來阻止晶粒長大。
本發(fā)明中Zr≤0.010％，適量的Zr在高溫過程中形成的氧化物，可作為針狀組織形核質點，在焊接熱影響區(qū)形成大量針狀組織，以改善鋼板抗大線能量焊接性能。
本發(fā)明屬低合金鋼制造領域，本發(fā)明除含有上述化學成分外，余量為Fe及不可避免的夾雜，同時還須滿足焊接冷裂紋敏感性系數Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.20％。(Pcm值越低表示鋼的焊接冷裂紋傾向性越低)本發(fā)明還提供上述高強度耐候鋼的生產方法，采用鐵水預脫硫，轉爐頂底復合吹煉，RH真空循環(huán)脫氣工藝，全流程保護澆注，鋼的化學成分(熔煉分析)按重量百分計為C0.01～0.04、Si0.20～0.35、Mn1.30～1.80、0＜P≤0.060、S≤0.010、Cu0.25～0.40、Cr0.20～0.40、Ni0.15～0.35、Mo0.10～0.40、Nb0.040～0.090、B0.0008～0.0030以及Ti≤0.030、Als≤0.040、Zr≤0.010中的兩種或兩種以上，余量為Fe及不可避免的夾雜；將鋼坯在1180～1300℃充分奧氏體化后，采用兩階段軋制，初軋開軋溫度≥1150℃，精軋開軋溫度≤950℃，精軋結束溫度≤820℃，末三道累計壓下率≥40％，軋后空冷，然后進行熱處理，熱處理工藝為淬火890℃～950℃，回火570℃～670℃。
本發(fā)明中鋼坯的軋制采用簡單的熱軋技術，對軋鋼的控制要求并不高。鋼板熱軋后不用進行加速冷卻，因而對軋鋼設備的要求并不高。本發(fā)明成分設計上采用極低碳、Cu-Cr-Ni-Mo-Nb的加入及Ti-Al-Zr中的兩種或兩種以上復合添加，將碳含量控制在接近或小于常溫下碳在α-Fe中的最大溶解度0.0218％，以減少或抑制滲碳體的析出，保證了主控組織為均勻的貝氏體組織，以得到優(yōu)良的耐候性能；本發(fā)明鋼采用淬火+回火工藝生產，具有優(yōu)良的耐候性，優(yōu)異的低溫韌性和焊接性，鋼板沿板厚方向上的微觀組織和力學性能均勻。對于小于或等于50mm厚度鋼板在常溫下焊接時，焊前不用預熱，焊后不需熱處理，提高了焊接效率，可廣泛用于橋梁、建筑、交通、海洋平臺等工程結構。
本發(fā)明的高強度耐候鋼及其生產方法具有如下優(yōu)點1.本發(fā)明鋼成分設計簡單，鋼的成分設計為極低碳Cu-Cr-Ni-Mo成分系列，添加高Nb高P，得到鋼的主控組織為貝氏體，比一般調質鋼的回火索氏體組織更均勻，組織間微區(qū)電極電位差更小，鋼的耐候性能更好，低溫韌性更加優(yōu)異。
2.本發(fā)明的鋼添加較高P元素可顯著提高耐候性能。
3.本發(fā)明的鋼應用淬火+回火工藝進行生產，保證了鋼板沿板厚方向上的組織均勻和力學性能穩(wěn)定性。
4.本發(fā)明生產的鋼具有極佳的強韌性匹配，優(yōu)異的低溫韌性，同時具有優(yōu)異的焊接性能，可簡化焊接工藝，提高焊接效率，本發(fā)明的鋼可廣泛用于橋梁、建筑、交通、海洋平臺等工程結構，利于推廣應用。
具體實施例方式
實施例1按照本發(fā)明鋼成分要求，采用鐵水預脫硫，在80噸氧氣頂底復吹轉爐上冶煉本發(fā)明的鋼，經RH真空脫氣處理后，采用全流程保護性連續(xù)澆鑄；鋼的主要化學成分(熔煉分析)見表1的發(fā)明鋼1，鋼坯在1180℃充分奧氏體化后出爐軋制，開軋溫度為1150℃(開軋溫度的上限受奧氏體化溫度的制約)；精軋開軋溫度分別為910℃、925℃，精軋結束溫度分別為783℃、801℃(精軋開軋溫度和結束溫度不能過低，否則鋼板的軋制變形抗力較大，不利于軋制)，末三道累計壓下率分別為40％、45％。熱軋后空冷至室溫。生產的鋼板厚度分別16、26mm。然后鋼板進行淬火和回火，淬火溫度分別為890℃、910℃，回火溫度分別為570℃、590℃。
實施例2按照本發(fā)明鋼成分要求，采用鐵水預脫硫，在80噸氧氣頂底復吹轉爐上冶煉本發(fā)明的鋼，經RH真空脫氣處理后，采用全流程保護性連續(xù)澆鑄；鋼的主要化學成分(熔煉分析)見表1的發(fā)明鋼2，鋼坯在1300℃充分奧氏體化后出爐軋制，開軋溫度為1200℃(開軋溫度的上限受奧氏體化溫度的制約)；精軋開軋溫度分別為935℃、945℃，精軋結束溫度分別為807℃、815℃(精軋開軋溫度和結束溫度不能過低，否則鋼板的軋制變形抗力較大，不利于軋制)，末三道累計壓下率分別為40％、45％。熱軋后空冷至室溫。生產的鋼板厚度分別40、50mm。然后鋼板進行淬火和回火，淬火溫度分別為930℃、950℃，回火溫度分別為640℃、670℃。
實施例1、實施例2生產的鋼進行力學性能檢驗，結果見表2和表3。
本發(fā)明鋼和對比鋼1(專利申請?zhí)枮?00410061112.4中的實例)以及對比鋼2(專利申請?zhí)枮?004100967957中的實例)的主要化學成分、生產工藝、實際力學性能、焊接冷裂紋敏感性指數、耐腐蝕性指數的對比見表1。
由表1可見
1.在化學成分上，本發(fā)明和比較鋼1相比，添加了B元素，該元素成本較低，其他成分比較接近；本發(fā)明和比較鋼2相比，添加了少量元素Cr，其他成分也比較接近。本發(fā)明鋼和兩種比較鋼相比，實際煉鋼成本比較接近。
2.在生產工藝上，比較鋼1和比較鋼2都采用熱機械控制軋制技術+馳豫-析出控制技術，其中比較鋼2還須采用進熱處理亞溫淬火的工藝，即都需采用熱軋后加速冷卻的工藝，對生產設備的要求比較高。另外，比較鋼1的加速冷卻后未進行回火處理，比較鋼2在淬火后也未進行回火處理，雖然簡化了生產工藝，縮短了生產周期，但是鋼板(尤其是厚鋼板)尚存在一定的殘余應力，增加了構件的不安全性，并且由于鋼板心部和表層冷卻速度難達到一致，因而在板厚方向上存在著力學性能的不均勻性。而本發(fā)明鋼雖然采用了淬火+回火工藝，但是在熱軋后鋼板不用進行加速冷卻，因而對設備的要求并不高，淬火時鋼板心部和表層速度基本上可保持一致，而隨后的回火工藝又消除了鋼板的殘余應力。
3.在力學性能上，本發(fā)明鋼的抗拉強度介于比較鋼1和比較鋼2之間，本發(fā)明鋼的沖擊功和比較鋼1比較接近，但是本發(fā)明鋼沖擊功的試驗溫度要求嚴于比較鋼2。
4.在焊接性能上，本發(fā)明鋼的焊接冷裂紋敏感性指數Pcm低于或接近于兩比較鋼。因而三個鋼種的實際焊接性能比較接近。
5.在耐候性能上，本發(fā)明鋼的耐腐蝕指數和比較鋼1相接近，但明顯高于比較鋼2，因而本發(fā)明鋼具有較好的耐候性能。
本發(fā)明鋼可廣泛應用于橋梁、建筑、交通、船舶、海上采油平臺等焊接結構，具有極廣闊的應用前景。
表1本發(fā)明鋼和對比鋼的比較(重量百分比計)(化學成分中余量為Fe和不可避免的雜質)

表2發(fā)明鋼1的力學性能

表3發(fā)明鋼2的力學性能

權利要求
1.一種高強度耐候鋼，其特征在于鋼的化學成分(熔煉分析)按重量百分計為C 0.01～0.04、Si 0.20～0.35、Mn 1.30～1.80、0＜P≤0.060、S≤0.010、Cu 0.25～0.40、Cr 0.20～0.40、Ni 0.15～0.35、Mo 0.10～0.40、Nb 0.040～0.090、B 0.0008～0.0030以及Ti≤0.030、Als≤0.040、Zr≤0.010中的兩種或兩種以上，余量為Fe及不可避免的夾雜，此外還須滿足焊接冷裂紋敏感性系數Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.20％。
2.一種高強度耐候鋼的生產方法，采用鐵水預脫硫，轉爐頂底復合吹煉，RH真空循環(huán)脫氣工藝，全流程保護澆注，其特征在于鋼的化學成分(熔煉分析)按重量百分計為C 0.01～0.04、Si 0.20～0.35、Mn 1.30～1.80、0＜P≤0.060、S≤0.010、Cu 0.25～0.40、Cr 0.20～0.40、Ni 0.15～0.35、Mo 0.10～0.40、Nb 0.040～0.090、B 0.0008～0.0030以及Ti≤0.030、Als≤0.040、Zr≤0.010中的兩種或兩種以上，余量為Fe及不可避免的夾雜；將鋼坯在1180～1300℃充分奧氏體化后，采用兩階段軋制，初軋開軋溫度≥1150℃，精軋開軋溫度≤950℃，精軋結束溫度≤820℃，末三道累計壓下率≥40％，軋后空冷至室溫，然后進行熱處理，熱處理工藝為淬火890℃～950℃，回火570℃～670℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強度耐候鋼及其生產方法，屬低合金鋼制造領域。本發(fā)明創(chuàng)新點在于鋼的成分及鋼的生產方法，它在成分設計上采用極低碳、Cu－Cr－Ni－Mo－Nb的加入及Ti－Al－Zr中的兩種或兩種以上復合添加，將碳含量控制在接近或小于常溫下碳在α－Fe中的最大溶解度0.0218％，以減少或抑制滲碳體的析出，保證主控組織為均勻的貝氏體組織，以得到優(yōu)良的耐候性能；本發(fā)明鋼采用淬火+回火工藝生產，具有優(yōu)良的耐候性，優(yōu)異的低溫韌性和焊接性，鋼板沿板厚方向上的微觀組織和力學性能均勻，對于小于或等于50mm厚度鋼板在常溫下焊接時，焊前不用預熱，焊后不需熱處理，提高了焊接效率，可廣泛用于橋梁、建筑、交通、海洋平臺等工程結構。
文檔編號C21D8/00GK1970818SQ20061012536
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權日2006年12月8日
發(fā)明者郭愛民, 鄒德輝, 賀信萊, 董漢雄, 劉吉斌, 董中波, 朱叢茂, 陳浮, 王學敏 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司, 北京科技大學