CN103710622A - 屈服强度690MPa级低屈强比抗震钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种屈服强度690MPa级低屈强比抗震钢及其制造方法，属于建筑用结构钢技术领域。化学成分为：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.%，余为Fe和不可避免的杂质，在此基础上，再加入以下一种或多种合金元素：Cu：0.00～0.80wt%、Cr：0.00～0.50wt%、Ni：0.00～1.00wt%，钢中合金元素的总添加量应不大于5%。利用中厚板轧机控轧控冷获得细晶贝氏体/马氏体组织，再结合+两相区二次等温热处理获得一定量的亚稳奥氏体和微合金沉淀强化的基体，达到了屈服强度690MPa级的建筑抗震设计规范的力学性能要求，可以在抗震建筑结构中应用，也可以应用于工程机械领域。

Description

屈服强度690MPa级低屈强比抗震钢及其制造方法

技术领域

本发明属于建筑用结构钢技术领域，特别涉及一种屈服强度690MPa级低屈强比抗震钢及其制造方法。

背景技术

因抗震性好、空间利用率大、设计灵活美观、可循环利用、建造周期短、质量可靠易控制，钢结构建筑已大量出现。国内屈服强度460MPa级别以下、国外抗拉强度590MPa级别以下的抗震建筑结构用钢中厚板已普遍应用和推广。高层、大跨度、安全性高、节约环保是现代大型建筑的发展趋势。为了适应这一发展趋势，抗震建筑用结构用钢朝更高强度级别发展，从而使钢板降重减厚，可以节约资源与能源、降低建筑材料成本、减少焊接金属和焊接工作量。

目前，屈服强度550MPa和690MPa级别的抗震建筑结构用钢是研发和应用热点。建筑结构用钢板国标GB/T19879-2005尚未对以上两种强度级别的钢种进行标准化要求。然而，建筑抗震设计规范GB50011-2010对抗震建筑结构用钢进行了无强度级别差异的力学性能要求：钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85；钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20%；钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性。此规范要求比建筑结构用钢板国标GB/T19879-2005的要求更严格。要达到以上规范力学性能要求成为屈服强度550MPa和690MPa级别的抗震建筑结构用钢的技术难点。特别是屈服强度690MPa级别的抗震建筑结构用钢，按照GB50011-2010规范要求，低屈强比要求其抗拉强度达到900MPa左右，强塑积达到18GPa%左右，通过特殊的、苛刻热处理的薄板钢如TRIP钢、Q&P钢可以达到，而达到这一性能的中厚板尚未见报道。

借鉴薄板钢控制一定量的残余、亚稳奥氏体进行增塑的思路和亚稳奥氏体增韧的原理（参见文献：J.W.Morris,Jr.,Z.Guo,C.R.Krenn and Y.-H.Kim.The Limits of Strengthand Toughness in Steel.ISIJ International,Vol.41(2001),No.6,pp.599-611.），本发明钢采用复合微合金化设计，结合控轧控冷和γ+α两相区二次等温热处理工艺，获得了多相、多尺度、亚稳组织，达到了屈服强度690MPa级的建筑抗震设计规范的力学性能要求，可以在抗震建筑结构中应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种屈服强度690MPa级低屈强比抗震钢及制造方法，在化学成分上，采用低碳和奥氏体化稳定元素Mn、Ni和Cu的复合合金化设计，微Ti处理、Nb+V复合微合金化，控制轧制细化晶粒，低Mo+B微合金化处理提高淬透性，然后在γ+α两相区范围内不同温度下进行二次等温处理，促使微合金第二相沉淀强化细晶回火马氏体组织，同时促进奥氏体稳定元素C、Mn、Ni、Cu等元素从α基体扩散至γ相中的“配分”过程，最终获得一定数量在基体中弥散分布的亚稳奥氏体相，从而获得高屈服强度、低屈强比和高延伸率的综合力学性能。

本发明提供的屈服强度690MPa级低屈强比抗震建筑结构用钢的化学成分和含量为：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.%，余为Fe和不可避免的杂质。钢中合金元素的总添加量应不大于5%，均为重量百分数。在上述成分基础上再加入以下一种或多种合金元素：Cu：0.00～0.80wt%、Cr：0.00～0.50wt%、Ni：0.00～1.00wt%，并且，钢中合金元素的总添加量应不大于5%。

本发明各元素的作用及配比依据如下：

碳：碳是关系强度的最重要的元素之一，它具有强烈的固溶强化作用，也是微合金纳米第二相的必要元素，显著提高淬透性，起相变强化作用；另外它还是奥氏体稳定化元素之一，γ+α两相区等温时它将富集于奥氏体中，提高奥氏体稳定性，有利于亚稳奥氏体的最终获得。本发明钢的碳含量范围为0.05～0.13wt.%，碳含量低于0.05wt.%，淬透性不好且所获得的亚稳奥氏体数量过少，无法起到相变增塑和增韧作用；碳含量高于0.13wt.%，渗碳体过多，对冲击韧性和焊接性能不利。

硅：钢中脱氧元素之一，同时具有较强的固溶强化作用，但过量的Si将恶化钢的韧性及焊接性能。综合上述考虑，本发明钢硅含量范围为0.00～0.50wt.%。

锰：锰是提高淬透性和获得亚稳奥氏体的关键合金元素。与碳相同，锰也是奥氏体稳定化元素之一，γ+α两相区等温处理时在奥氏体中富集，提高奥氏体稳定性，有利于室温获得残余的亚稳奥氏体；此外，锰同时具有一定的固溶强化作用。本发明钢的锰含量范围为1.5～2.5.wt.%，低于1.5wt.%的Mn很难使两相区等温奥氏体稳定，高于2.5wt.%的Mn对连铸坯质量不利。

钼：显著提高钢的淬透性，减少回火脆性，提高钢的耐延迟断裂性能。Mo与微合金元素共同添加时还会提高微合金析出相的高温尺寸稳定性，降低其粗化倾向，有利于提高沉淀强化作用。钼含量低于0.15wt.%时上述作用不显著；钼含量超过0.50wt.%时，上述作用效果饱和，且成本较高。因此，本发明钢钼含量应控制在0.15-0.50wt.%范围内。

铬：提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能，但较高的Cr含量对焊接性能不利，应控制在0.50wt.%以内。

镍：镍是奥氏体稳定化元素，γ+α两相区等温时它将在奥氏体中富集，提高奥氏体稳定性，有利于最终获得亚稳奥氏体；此外，镍提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能，但其价格高，应控制在1.0wt.%以内。

铜：提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能，也是奥氏体化稳定元素之一，时效析出的纳米级Cu相粒子具有一定的沉淀强化作用，但含Cu钢由于表面选择性氧化而易于产生热脆问题。因此在加入较高Cu的同时还要加入0.5倍以上的Ni，为了控制成本，Cu含量不超过0.80wt.%以内。

硼：强烈偏聚于奥氏体晶界及其它晶体缺陷处，加入10ppm以上硼可显著提高淬透性，但硼含量超过0.003%后上述作用饱和，而且还可能形成各种对热加工性能和韧性不利的含B析出相，因此硼含量应控制在0.003wt.%以内。

铌：具有较强细化相变后组织的作用。通过固溶铌及形变诱导析出Nb(C,N)对奥氏体再结晶强烈抑制作用，获得具有较高缺陷密度的未再结晶奥氏体，提高后续相变形核率并细化相变后组织。此外，固溶于奥氏体中铌提高淬透性效果也较显著，在γ+α两相区等温析出的NbC或含Nb复合微合金第二相抑制马氏体再结晶，起细化热处理组织和第二相强化的显著作用。本发明钢铌含量在0.02-0.12%.%以内。低于0.02wt.%的Nb上述效果不显著，过高的Nb进一步细化组织的效果变得不明显且成本提高。

钒：从马氏体或铁素体基体中沉淀析出的VC粒子弥散细小，具有显著的沉淀强化效果。本发明钢V含量控制在0.15%以内，过高则沉淀强化效果提高不明显，且成本较高。

钛：微Ti处理时Ti主要与N结合，从固态钢中沉淀析出，形成纳米级尺寸的TiN粒子，其主要作用是细化铸坯加热过程中奥氏体晶粒。在现代先进钢铁冶炼控制下，N含量一般不超过70ppm。按照TiN的理想化学配比，Ti含量添加一般不超过0.025wt.%，过高的Ti反而容易形成粗大的液析TiN，严重损害钢的韧塑性。过低的Ti不能形成有效数量的固析TiN，因此本发明钢Ti含量应控制在0.01-0.025wt.%范围内。

铝：铝是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒作用。

磷和硫：钢中杂质元素，显著降低塑韧性和焊接性能，其含量应分别控制在0.02wt.%和0.01wt.%以内。

本发明所涉及的屈服强度690MPa级低屈强比抗震建筑用钢的制造工艺如下：

冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸。

采用中厚板轧机进行控轧控冷轧制：

将连铸坯或铸锭开坯后装入加热炉中加热，加热温度为1100-1250℃，时间为1-5小时，加热后进行轧制。中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-5道次，精轧轧制5-10道次，终轧温度为800-950℃，轧后直接淬火(DQ)至500℃以下获得贝氏体/马氏体组织，层流冷却速度大于15℃/s。控轧控冷获得细晶贝氏体/马氏体组织是获得良好高强度高韧性的保障。

γ+α两相区二次等温热处理：热处理工艺包括临界区退火（L）和回火（T）两道工序，其中临界区退火加热温度为740～820℃，保温时间为0.5-2小时，钢板加热后水淬。回火温度为620-700℃，保温时间为0.5-5小时，回火后空冷或水冷到室温。

本发明钢涉及的屈服强度690MPa级低屈强比抗震建筑用钢的工艺控制原理如下：

本发明涉及的控轧控冷工艺原理是充分利用Ti、Nb和/或V的复合微合金化，高温加热态以TiN阻止奥氏体晶粒长大的作用，获得细小均匀的原始奥氏体组织。在两阶段控轧工艺中，粗轧阶段适当降低粗轧温度、提高道次压下量，实施再结晶控轧，通过反复再结晶细化奥氏体；精轧阶段在奥氏体未再结晶温度（Tnr）以下变形，利用固溶Nb和析出Nb抑制奥氏体再结晶的机制，获得薄饼状奥氏体，直接淬火获得低温相变组织，获得显著的相变强化和细晶强化。控轧控冷获得细晶贝氏体/马氏体组织是获得良好高强度高韧性的保障和后续热处理的基础。

本发明涉及的γ+α两相区二次等温热处理的工艺原理是：在一次较高温度的退火处理(L)中，一方面，部分马氏体板条转变为奥氏体，C、Mn等奥氏体稳定化元素在马氏体和奥氏体之间发生配分，导致奥氏体中C、Mn等含量逐渐增加，在退火后水淬过程中，上述奥氏体再次转变为马氏体，但新形成马氏体中C、Mn等奥氏体稳定化元素的含量高于基体回火马氏体中的含量。另一方面，微合金Nb、V、Mo等复合碳化物从马氏体基体中的沉淀析出，其尺寸为纳米级且具有较好的高温热稳定性，显著的第二相强化可以补偿加热等温处理引起的软化。在二次较低温度的回火过程中，部分新形成马氏体将再次转变为奥氏体，同时在奥氏体和马氏体之间发生C、Mn等奥氏体稳定化元素的第二次配分，使奥氏体更加富C富Mn，其热稳定性显著提高，回火后冷却时这些奥氏体大部分不再发生相变，成为残余的亚稳奥氏体保留在钢板中。由于C、Mn等奥氏体稳定化元素含量高，且低温和受力稳定性好。γ+α两相区二次等温处理是获得一定残余亚稳奥氏体的关键工艺，同时显著的第二相强化可以补偿加热等温处理引起的软化，新鲜的和次新鲜的贝氏体/马氏体提高抗拉强度、降低屈强比。

本发明的优点在于：

本发明钢采用复合微合金化设计，结合了控轧控冷和γ+α两相区二次等温热处理，控轧控冷获得细晶贝氏体/马氏体组织，热处理获得一定量的亚稳奥氏体和微合金沉淀强化的基体，达到了屈服强度690MPa级的建筑抗震设计规范的力学性能要求，可以在抗震建筑结构中应用，也可以应用于工程机械领域。

附图说明

图1为实施例1热轧板组织的OM照片。

图2为实施例1热处理板组织的OM照片。

图3为实施例1热处理板中Nb、V、Ti、Mo的典型复合微合金第二相形貌及其成分（Cu峰来自于承载复型样品的Cu网）。

图4为实施例1热处理板中残余奥氏体体积分数的XRD测量结果。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明钢均由真空感应炉冶炼，共6炉，化学成分如表1所示。锻造开坯（110mm）后在实验室中厚板轧机上进行两阶段轧制，粗轧由110mm厚经4道次轧制到36mm，精轧由36mm厚经5道次轧制成11mm，轧后进行层流冷却，层流冷却速度大于15℃/s，最后空冷至室温。铸坯加热温度、粗轧终轧温度、精轧开轧温度、精轧终轧温度、终冷温度、冷却速度、热处理温度及热处理后的冷却方式等主要工艺参数见表2。热处理时间均为0.5h。热处理钢板的横向拉伸强度、-40℃纵向冲击功在表3中列出，均达到了屈服强度690MPa级抗震建筑结构用钢的规范要求。

表1屈服强度690MPa级低屈强比抗震建筑用钢的化学成分（wt.%）

表2屈服强度690MPa级低屈强比抗震建筑用钢轧制及热处理工艺

表3屈服强度690MPa级低屈强比抗震建筑用钢的力学性能

利用OM观察了本发明1号钢板热轧板和热处理板的组织，结果分别如图1和图2所示，热轧板为细晶板条马氏体组织，经γ+α两相区二次等温热处理后，仍然保持细晶板条组织形态，但腐蚀衬度差异大，明显具有复相组织形态。制取碳膜复型样品进行TEM观察，如图3所示，可见大量纳米级的第二相粒子存在，这样的粒子主要包含Nb、V、Ti、Mo四种微合金元素。如图4所示，经XRD测量，热处理板中存在体积分数约8.5%的残余奥氏体。

Claims (3)

1.一种屈服强度690MPa级低屈强比抗震钢，其特征在于，化学成分为：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.%，余为Fe和不可避免的杂质，均为重量百分数。

2.根据权利要求1所述的抗震钢，其特征在于，再加入以下一种或多种合金元素：Cu：0.00～0.80wt%、Cr：0.00～0.50wt%、Ni：0.00～1.00wt%，并且，钢中合金元素的总添加量应不大于5%。

3.一种制造权利要求1或2所述抗震钢的制造方法，采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸；其特征在于：工艺中控制的技术参数为

（1）中厚板轧机控轧控冷轧制

将连铸坯或铸锭开坯后装入加热炉中加热，加热温度为1100-1250℃，时间为1-5小时，加热后进行轧制；中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-5道次，精轧轧制5-10道次，终轧温度为800-950℃，轧后直接淬火DQ至500℃以下获得贝氏体/马氏体组织；

（2）γ+α两相区二次等温热处理

热处理工艺包括临界区退火和回火两道工序，其中临界区退火加热温度为720～800℃，保温时间为0.5-2小时，钢板加热后水淬；回火温度为620-700℃，保温时间为0.5-5小时，回火后空冷或水冷到室温。

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