屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼及其生產方法

　　【技術領域】

　　[0001] 本發明涉及鋼鐵冶金材料中的低合金結構鋼制造領域，具體地指一種屈服強度 500MPa級橋梁用結構鋼及其生產方法。

　　【背景技術】

　　[0002] 目前，國內使用的橋梁用結構鋼屈服強度級別一般為420MPa及以下，高強鋼的應 用較少。包括屈服強度500MPa級的橋梁用結構鋼在內的高強鋼在橋梁工程中的應用還存 在如下諸多難題：鋼的屈強比Ri/R n較高，低溫韌性不穩定，焊接性較差；有的屈強比R&/Rn 雖然較低，但其抗拉強度RJS高；有的高強度橋梁鋼需要采取特殊的制造工藝，其生產成本 大幅度提尚。

　　[0003][0004][0005][0006][0007][0008] 因此，合理設計碳和合金元素的種類及含量，開發簡單節能的生產工藝，研發出具 有優異綜合性能的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼具有重要的現實意義。

　　【發明內容】

　　[0009] 本發明的目的在于克服上述不足，解決目前國內屈服強度500MPa級橋梁用結 構鋼生產中的一些技術瓶頸，提供一種制造成本低、工藝簡單、綜合性能優良的屈服強度 500MPa級橋梁用結構鋼及其生產方法。

　　[0010] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種屈服強度500MPa級橋梁用結構 鋼，鋼的化學成分及其重量百分比如下：C :0. 02~0. 08%，Si :0. 10~0. 40%，Mn :0. 80~ 2. 10%，P 彡 0? 018%，S 彡 0? 005%，Cu 彡 0? 40%，B 彡 0? 0003%，Ni :0? 10 ~0? 55%，Mo : 0? 10 ~0? 30%，Cr :0? 15 ~0? 60%，V :0? 040 ~0? 080%，Nb :0? 010 ~0? 035%，Ti :0? 005 ~ 0. 035%，AlsS0.0 60%，其余為Fe和不可避免雜質；且同時滿足：V/Nb=2. 0~2. 7,碳 當量 CEV=C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15 < 0? 475 %，焊接裂紋敏感性指數 Pcm=C+S i/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B 彡 0. 23%;其金相組織為貝氏體 + 鐵素體。

　　[0011] 進一步地，鋼的化學成分及其重量百分比如下：C:0. 02~0.08%，Si :0. 10~ 0? 40%，Mn :1. 20 ~1. 70%，P 彡 0? 018%，S 彡 0? 005%，Cu 彡 0? 40%，B 彡 0? 0003%，Ni : 0? 15 ~0? 50%，M〇 :0? 10 ~0? 30%，Cr :0? 15 ~0? 60%，V :0? 040 ~0? 080%，Nb :0? 015 ~ 0. 030%，Ti :0. 008~0. 030%，Als彡0. 060%，其余為Fe和不可避免雜質。

　　[0012] 進一步地，鋼的化學成分及其重量百分比如下：C:0. 04%，Si :0. 20%，Mn: 1. 40 %，P :0? 015 %，S :0? 003 %，Cu :0? 20 %，B :0? 0002 %，Ni :0? 20 %，Mo :0? 15 %，Cr : 0.20%，V:0.050%，Nb :0.022%，Ti :0.010%，Als :0.030%，其余為 Fe 和不可避免雜質。

　　[0013] 本發明的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼中各化學成分的作用如下：

　　[0014] 碳（C):碳是提尚鋼的強度的有效兀素，當其含量$父尚時，如超過0. 08%時，易形 成馬氏體而惡化鋼的低溫韌性，且其抗拉強度易超出上限，同時會惡化其焊接性能；當其含 量較低時，如小于〇. 02%，會使鋼板強度不足，同時也會增加冶煉時的難度。因此，控制碳含 量范圍為：〇? 02~0? 08%。

　　[0015] 硅（Si):硅是常用的脫氧劑，有固熔強化作用，有利于提高鋼的彈性極限和改善 其綜合性能，但Si含量較高時，降低了鋼的韌性、塑性及延展性，易導致冷脆不利于焊接。 因此，本發明將Si的含量目標值控制在0. 1~0.40%。

　　[0016] 錳（Mn):錳是重要的強韌化元素，能增加奧氏體的穩定性，擴大y相區奧氏體，促 進鋼的中溫組織轉變。Mn含量太高對鋼坯中心偏析有不利影響，有損于鋼板的韌性，并且在 焊接時容易產生裂紋，Mn含量太低則不能有效促進中溫組織轉變，容易降低鋼的強度。因 此控制Mn含量范圍為：0. 8~2. 10%。

　　[0017] 磷（P):磷在鋼中為有害元素，其含量要嚴格控制，高的P含量會增加鋼的冷脆傾 向，并且P極易在鋼坯的心部偏析，由于這種含P量高的強偏析帶較脆，使得在乳鋼后容易 產生內在缺陷。本發明的磷含量控制為P < 0.018%。

　　[0018] 硫（S):硫在鋼中為有害元素，高的S含量不僅會使鋼板縱橫向性能產生明顯差 異，同時也降低其低溫韌性和Z向性能。本發明硫含量為S < 0. 005%。

　　[0019] 銅（Cu):銅在鋼中能提高其淬透性，主要起固溶及沉淀強化作用，此外還有利 于獲得良好的低溫韌性，增加其抗疲勞裂紋擴展能力；但其加入量大于0.40 %時，鋼板 的焊接熱影響區韌性會降低，且鋼坯在加熱過程中易產生網裂。本發明的銅含量控制為 Cu 彡 0. 040%。

　　[0020] 硼（B):硼能提高鋼的淬透性，但含量增加會向晶界偏聚增加裂紋敏感性。本發明 中控制硼的含量為B < 0. 0003%。

　　[0021] 鎳（Ni):鎳能提高淬透性，具有一定的強化作用，改善低溫韌性，使基材和焊接熱 影響區低溫韌性大幅度提高，同時Ni還能有效阻止Cu的熱脆引起的網裂。當其加入量小 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。 因此控制Ni含量范圍為：0. 10~0. 55%。

　　[0022] 鉬（Mo):鉬能使鐵素體從奧氏體中析出并增加奧氏體的穩定性，對珠光體的形成 具有強烈的阻礙作用，但Mo屬于貴重元素，過量的Mo將會提高鋼的成本；同時過高的Mo含 量會使鋼的低溫韌性顯著惡化，在焊接時形成馬氏體，導致焊接接頭脆性增加。因此控制鋼 中Mo含量范圍為：0. 10~0. 30%。

　　[0023] 鉻（Cr):鉻可以提高鋼的強度和硬度，但其含量過高則易增加焊接難度，而含量 過低則不能有效發揮其作用。本發明中Cr的含量控制為0. 15~0. 60%。

　　[0024] 釩（V)和鈮（Nb):在超低碳貝氏體鋼中，僅添加大量的Nb，可顯著提高強度，但由 于其細化晶粒的效果極為明顯，同時導致了屈強比偏高，因此，本發明中將Nb含量限制在 較低水平，其強度的損失則通過添加適宜的V來保證。本發明中V的含量控制為0. 040~ 0. 080%。鈮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 的乳制溫度下進行乳制。此外Nb在控制乳制連續冷卻過程中的析出強化作用，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。 但Nb含量大于0. 035%時，在超低碳貝氏體鋼中細化晶粒提高強度的效果非常明顯，但也 導致了鋼板的屈強比過高；其含量小于0. 010%時，也發揮不了其控乳作用。因此控制Nb含 量范圍為：〇. 010-0. 035%。由于V細化晶粒的效果不如Nb明顯，其提高強度的效果也不如 Nb，因此，必須適當提高V的添加量；但是當V/Nb大于2. 7時，會因為V的過量添加而降低 鋼的焊接性，當其比值小于2. 0時，V提高強度的效果會降低。本發明控制V/Nb為2. 0~ 2. 7。

　　[0025] 鈦（Ti):鈦是強碳化物形成元素，可形成細微的TiC顆粒，細化晶粒；能防止產生 晶間腐蝕現象，改善焊接性能。本發明鈦含量為：〇. 005~0. 035%。

　　[0026] 鋁（A1):鋁是鋼中的主要脫氧元素，A1含量過高時將導致A1的氧化物夾雜增加， 降低鋼的純凈度，不利于鋼的韌性。A1的熔點較高，在生產中，A1可以用來阻止晶粒長大。 本發明中控制鈦含量為A1 < 0. 060%。

　　[0027] 進一步地，本發明的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼通過元素種類和含量的科 學設計，在添加適量合金元素的基礎上實現了具有優良綜合性能的橋梁用結構鋼，其屈服 強度R&為500~630MPa，抗拉強度R"為630~750MPa，屈強比ReL/Rm彡0. 83,-40°C沖擊 吸收功KV2多250J，沖擊試樣纖維斷面率多90%，具有優異的焊接性能和冷加工成形性。

　　[0028] 上述屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼的生產方法，包括如下步驟：冶煉、鑄造、加 熱、乳制、分級控冷和回火；加熱步驟中，板坯的加熱溫度為1180~1280°C;乳制步驟中，分 兩階段控制乳制，粗乳溫度為1000~1200°C，精乳溫度為780~980°C ;分級控冷步驟中， 板坯溫度在740~820°C時，控制冷卻速率為1~3°C /s ;板坯溫度在480~740°C時，控制 冷卻速率為5~20°C /s ;板坯溫度< 480°C時，采用自然冷卻方式冷卻至室溫。

　　[0029

　　] 進一步地，所述加熱步驟中，板坯的加熱溫度為1200~1250°C。

　　[0030] 進一步地，所述乳制步驟中，分兩階段控制乳制，粗乳溫度為1080~1150°C，精乳 溫度為830~900 °C。

　　[0031] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：

　　[0032] 1、本發明采用低C高Mn與Nb-V微合金化的成分設計，優化TMCP工藝條件， 獲得貝氏體+鐵素體為主控組織的結構鋼，保證其具有優異的強韌性匹配，且強度適 中，其性能指標滿足屈服強度為500~630MPa，抗拉強度為630~750Mpa，屈強比 彡0. 83,-40°C KV2彡250J，沖擊試樣纖維斷面率彡90%，具有優異的焊接性能和冷加工成 形性，可生產鋼板厚度為10~60mm，應用范圍為大跨度鐵路橋梁等焊接結構。

　　[0033] 2、從生產工藝上看，本發明采用TMCP工藝生產，工藝路線簡單易控、生產周期短、 成本低，工序成本和工序能耗低，符合綠色鋼種的設計要求。

　　[0034] 綜上所述，本發明的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼與國內外同等級別結構鋼 相比，合金成本低，制造工藝簡單，性能優良，屬于資源節約型鋼種，具有很強的市場競爭力 和廣闊的應用前景，經濟效益和社會效益明顯。

　　【具體實施方式】

　　[0035] 下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明。

　　[0036] 本發明實施例1-5的鋼板的化學元素質量百分配比如表1所示，余量為Fe及不可 避免的雜質。

　　[0037]

　　[0038]注：對比例1為CN 102433507 B號專利中的實施例3,對比例2為CN 103014520 A號專利中的實施例2,對比例3為CN 102312173 A中的實施例1，以下同。

　　[0039] 本發明各實施例按照以下步驟生產：

　　[0040] 1)冶煉并連鑄成坯后對鑄坯加熱，控制加熱溫度在1180~1280°C ;

　　[0041] 2)進行熱乳，并控制粗乳溫度為1000~1200°C，精乳溫度為780~980°C ;

　　[0042] 3)分級控冷：溫度在740~820°C時，控制冷卻速度為1~3°C /s ;溫度在480~ 740°C時，控制冷卻速度為5~20°C /s ;溫度在480°C以下時，自然冷卻至室溫。

　　[0043] 各實施例及對比例的主要生產工藝參數如表2所示。

　　[0044] 表2本發明各實施例及對比例的主要工藝參數列表

　　[0045]

　　[0046] 需要說明的是表1及表2并非對應關系，僅為舉例而已。

　　[0047] 各實施例及對比例的性能參數如表3所示。

　　[0048] 表3本發明各實施例及對比例性能參數表

　　[0049]

　　[0050] 由表1可見，對比例1和2合金含量較少，但是其碳含量偏高，并且鋼中添加了強 淬透性元素B，而B的添加，增大了煉鋼的難度，同時也易使得鋼板超強。對比例2中還添加 了 1. 97%的Mn，這容易使該鋼產生中心偏析。而對比例3中，V/Nb的比值僅為1. 2,這說明 對V/Nb的最佳配比尚無認識。

　　[0051] 由表2可見，對比例1和2均在乳后冷卻階段實施強冷，即冷卻速率較大，其中對 比例1的終冷溫度在200°C以下，較大的冷卻速度，對設備的要求較高，并且終冷溫度過低， 容易造成鋼板變形。同時3個對比例對分階段控制冷卻的認識不足，更為重要的是，對比例 1和2采用了較大的冷卻速率，而終冷溫度又偏低，這使得鋼板容易產生較大的殘余應力， 后續又未對鋼板進行回火處理，這必將導致后續加工時鋼板應力偏大，影響構件尺寸的精 度。

　　[0052] 由表3可見，對比例例1和2的抗拉強度均超強，而對比例例1、2和3的低溫韌性 均較差，且對比例均未明確沖擊斷口纖維斷面率。

　　[0053] 從表3可以看出：本發明實施例1~10結構鋼力學性能為：屈服強度為500~ 630MPa，抗拉強度為630~750MPa，屈強比彡0. 83,-40°C KV2> 250J，沖擊試樣纖維斷面率 多90%，具有優異的焊接性能和冷加工成形性，可生產鋼板厚度為10~60mm，可廣泛應用 于大跨度鐵路橋梁等焊接結構中。

　　[0054] 上述實施例僅為最佳例舉，而并非是對本發明的實施方式的限定。

　　[0055] 其它未經詳細說明的部分均為現有技術。

　　【主權項】

　　1. 一種屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼，其特征在于：鋼的化學成分及其重量百 分比如下：C :0? Ol ~0? 09 %，Si :0? 10 ~0? 40 %，Mn :0? 80 ~2. 10 %，P 彡 0? 018 %， S 彡 0? 005 %，Cu 彡 0? 40 %，B 彡 0? 0003 %，Ni :0? 10 ~0? 55 %，Mo :0? 10 ~0? 30 %， Cr :0. 15 ~0. 60 %，V :0. 040 ~0. 080 %，Nb :0. 010 ~0. 035 %，Ti :0. 005 ~0. 035 %， Als < 0. 060%，其余為Fe和不可避免雜質；且同時滿足：V/Nb=2. 0~2. 7,碳當量CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 彡 0? 475%，焊接裂紋敏感性指數 Pcm=C+Si/30+Mn/20 +Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B 彡 0? 23% ;其金相組織為貝氏體 + 鐵素體。2. 根據權利要求1所述的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼，其特征在于：所述鋼的化 學成分及其重量百分比如下：C :0. 02~0. 08%，Si :0. 10~0. 40%，Mn :1. 20~1. 70%， P 彡 0? 018%，S 彡 0? 005%，Cu 彡 0? 40%，B 彡 0? 0003%，Ni :0? 15 ~0? 50%，Mo :0? 10 ~ 0? 30 %，Cr :0? 15 ~0? 60 %，V :0? 040 ~0? 080 %，Nb :0? 015 ~0? 030 %，Ti :0? 008 ~ 0.030%，Als彡0.060%，其余為Fe和不可避免雜質。3. 根據權利要求2所述的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼，其特征在于：所述鋼 板的化學成分及其重量百分比如下：C :0. 04%，Si :0. 20%，Mn :1. 40%，P :0. 015%，S : 0. 003%, Cu ：0. 20%, B ：0. 00015%, Ni ：0. 20%, Mo ：0. 15%, Cr ：0. 20%, V ：0. 050%, Nb ： 0.022%，Ti :0? 010%，Als :0? 030%，其余為 Fe 和不可避免雜質。4. 根據權利要求1所述的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼，其特征在于：所述鋼 的力學性能為：屈服強度I為500~630MPa，抗拉強度R ni為630~750MPa，屈強比R V K 0. 83, -40°C沖擊吸收功KV2S 250J，沖擊試樣纖維斷面率彡90%。5. -種權利要求1所述的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼的生產方法，其特征在于： 包括如下步驟：冶煉、鑄造、加熱、乳制、分級控冷和回火；所述加熱步驟中，板坯的加熱溫 度為1180~1280°C ;所述乳制步驟中，分兩階段控制乳制，粗乳溫度為1000~1200°C，精 乳溫度為780~980°C;所述分級控冷步驟中，板坯溫度在740~820°C時，控制冷卻速率為 1~3°C /s ;板坯溫度在480~740°C時，控制冷卻速率為5~20°C /s ;板坯溫度< 480°C 時，采用自然冷卻方式冷卻至室溫。6. 根據權利要求5所述的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼的生產方法，其特征在于： 所述加熱步驟中，板坯的加熱溫度為1200~1250°C。7. 根據權利要求5所述的屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼的生產方法，其特征在 于：所述乳制步驟中，分兩階段控制乳制，粗乳溫度為1080~1150°C，精乳溫度為830~ 900。。。

　　【專利摘要】本發明公開了一種屈服強度500MPa級橋梁用結構鋼，其化學成分重量百分比為：C：0.01～0.09％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.80～2.10％，P≤0.018％，S≤0.005％，Cu≤0.40％，B≤0.0003％，Ni：0.10～0.55％，Mo：0.10～0.30％，Cr：0.15～0.60％，V：0.040～0.080％，Nb：0.010～0.035％，Ti：0.005～0.035％，Als≤0.060％，其余為Fe和不可避免雜質。生產步驟包括冶煉、鑄造、加熱、軋制、控冷和回火。本發明成本低廉，工藝簡單，產品綜合性能良好，可廣泛應用于大跨度鐵路橋梁等結構。

　　【IPC分類】C22C38/54, C21D8/02, C22C38/50, C22C38/58

　　【公開號】CN105063509

　　【申請號】CN201510447971

　　【發明人】鄒德輝, 董漢雄, 董中波, 羅毅, 劉敏

　　【申請人】武漢鋼鐵(集團)公司, 中國鐵路總公司

　　【公開日】2015年11月18日

　　【申請日】2015年7月27日