屈服强度500MPa级桥梁用结构钢及其生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钢铁冶金材料中的低合金结构钢制造领域，具体地指一种屈服强度 500MPa级桥梁用结构钢及其生产方法。
【背景技术】
[0002] 目前，国内使用的桥梁用结构钢屈服强度级别一般为420MPa及以下，高强钢的应 用较少。包括屈服强度500MPa级的桥梁用结构钢在内的高强钢在桥梁工程中的应用还存 在如下诸多难题：钢的屈强比Ri/R n较高，低温韧性不稳定，焊接性较差；有的屈强比R&/Rn 虽然较低，但其抗拉强度RJS高；有的高强度桥梁钢需要采取特殊的制造工艺，其生产成本 大幅度提尚。
[0003][0004][0005][0006][0007][0008] 因此，合理设计碳和合金元素的种类及含量，开发简单节能的生产工艺，研发出具 有优异综合性能的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢具有重要的现实意义。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于克服上述不足，解决目前国内屈服强度500MPa级桥梁用结 构钢生产中的一些技术瓶颈，提供一种制造成本低、工艺简单、综合性能优良的屈服强度 500MPa级桥梁用结构钢及其生产方法。
[0010] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种屈服强度500MPa级桥梁用结构 钢，钢的化学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%，其余为Fe和不可避免杂质；且同时满足：V/Nb = 2. 0~2. 7,碳 当量 CEV = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15 < 0? 475 %，焊接裂纹敏感性指数 Pcm = C+S i/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B 彡 0. 23%;其金相组织为贝氏体 + 铁素体。
[0011] 进一步地，钢的化学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%，其余为Fe和不可避免杂质。
[0012] 进一步地，钢的化学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%，其余为 Fe 和不可避免杂质。
[0013] 本发明的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢中各化学成分的作用如下：
[0014] 碳（C):碳是提尚钢的强度的有效兀素，当其含量$父尚时，如超过0. 08%时，易形 成马氏体而恶化钢的低温韧性，且其抗拉强度易超出上限，同时会恶化其焊接性能；当其含 量较低时，如小于〇. 02%，会使钢板强度不足，同时也会增加冶炼时的难度。因此，控制碳含 量范围为：〇? 02~0? 08%。
[0015] 硅（Si):硅是常用的脱氧剂，有固熔强化作用，有利于提高钢的弹性极限和改善 其综合性能，但Si含量较高时，降低了钢的韧性、塑性及延展性，易导致冷脆不利于焊接。 因此，本发明将Si的含量目标值控制在0. 1~0.40%。
[0016] 锰（Mn):锰是重要的强韧化元素，能增加奥氏体的稳定性，扩大y相区奥氏体，促 进钢的中温组织转变。Mn含量太高对钢坯中心偏析有不利影响，有损于钢板的韧性，并且在 焊接时容易产生裂纹，Mn含量太低则不能有效促进中温组织转变，容易降低钢的强度。因 此控制Mn含量范围为：0. 8~2. 10%。
[0017] 磷（P):磷在钢中为有害元素，其含量要严格控制，高的P含量会增加钢的冷脆倾 向，并且P极易在钢坯的心部偏析，由于这种含P量高的强偏析带较脆，使得在乳钢后容易 产生内在缺陷。本发明的磷含量控制为P < 0.018%。
[0018] 硫（S):硫在钢中为有害元素，高的S含量不仅会使钢板纵横向性能产生明显差 异，同时也降低其低温韧性和Z向性能。本发明硫含量为S < 0. 005%。
[0019] 铜（Cu):铜在钢中能提高其淬透性，主要起固溶及沉淀强化作用，此外还有利 于获得良好的低温韧性，增加其抗疲劳裂纹扩展能力；但其加入量大于0.40 %时，钢板 的焊接热影响区韧性会降低，且钢坯在加热过程中易产生网裂。本发明的铜含量控制为 Cu 彡 0. 040%。
[0020] 硼（B):硼能提高钢的淬透性，但含量增加会向晶界偏聚增加裂纹敏感性。本发明 中控制硼的含量为B < 0. 0003%。
[0021] 镍（Ni):镍能提高淬透性，具有一定的强化作用，改善低温韧性，使基材和焊接热 影响区低温韧性大幅度提高，同时Ni还能有效阻止Cu的热脆引起的网裂。当其加入量小 于0. 10%，则Ni起不到作用，但含量过高易造成钢板氧化铁皮难以脱落且增加钢的成本。 因此控制Ni含量范围为：0. 10~0. 55%。
[0022] 钼（Mo):钼能使铁素体从奥氏体中析出并增加奥氏体的稳定性，对珠光体的形成 具有强烈的阻碍作用，但Mo属于贵重元素，过量的Mo将会提高钢的成本；同时过高的Mo含 量会使钢的低温韧性显著恶化，在焊接时形成马氏体，导致焊接接头脆性增加。因此控制钢 中Mo含量范围为：0. 10~0. 30%。
[0023] 铬（Cr):铬可以提高钢的强度和硬度，但其含量过高则易增加焊接难度，而含量 过低则不能有效发挥其作用。本发明中Cr的含量控制为0. 15~0. 60%。
[0024] 钒（V)和铌（Nb):在超低碳贝氏体钢中，仅添加大量的Nb，可显著提高强度，但由 于其细化晶粒的效果极为明显，同时导致了屈强比偏高，因此，本发明中将Nb含量限制在 较低水平，其强度的损失则通过添加适宜的V来保证。本发明中V的含量控制为0. 040~ 0. 080%。铌是强碳氮化合物形成元素，能提高钢的奥氏体再结晶温度，奥氏体可以在更高 的乳制温度下进行乳制。此外Nb在控制乳制连续冷却过程中的析出强化作用，通过Nb的 碳氮化物的应变诱导析出可以钉扎奥氏体晶粒，细化奥氏体晶粒并提高强度及低温韧性。 但Nb含量大于0. 035%时，在超低碳贝氏体钢中细化晶粒提高强度的效果非常明显，但也 导致了钢板的屈强比过高；其含量小于0. 010%时，也发挥不了其控乳作用。因此控制Nb含 量范围为：〇. 010-0. 035%。由于V细化晶粒的效果不如Nb明显，其提高强度的效果也不如 Nb，因此，必须适当提高V的添加量；但是当V/Nb大于2. 7时，会因为V的过量添加而降低 钢的焊接性，当其比值小于2. 0时，V提高强度的效果会降低。本发明控制V/Nb为2. 0~ 2. 7。
[0025] 钛（Ti):钛是强碳化物形成元素，可形成细微的TiC颗粒，细化晶粒；能防止产生 晶间腐蚀现象，改善焊接性能。本发明钛含量为：〇. 005~0. 035%。
[0026] 铝（A1):铝是钢中的主要脱氧元素，A1含量过高时将导致A1的氧化物夹杂增加， 降低钢的纯净度，不利于钢的韧性。A1的熔点较高，在生产中，A1可以用来阻止晶粒长大。 本发明中控制钛含量为A1 < 0. 060%。
[0027] 进一步地，本发明的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢通过元素种类和含量的科 学设计，在添加适量合金元素的基础上实现了具有优良综合性能的桥梁用结构钢，其屈服 强度R&为500~630MPa，抗拉强度R"为630~750MPa，屈强比ReL/Rm彡0. 83,-40°C冲击 吸收功KV2多250J，冲击试样纤维断面率多90%，具有优异的焊接性能和冷加工成形性。
[0028] 上述屈服强度500MPa级桥梁用结构钢的生产方法，包括如下步骤：冶炼、铸造、加 热、乳制、分级控冷和回火；加热步骤中，板坯的加热温度为1180~1280°C;乳制步骤中，分 两阶段控制乳制，粗乳温度为1000~1200°C，精乳温度为780~980°C ;分级控冷步骤中， 板坯温度在740~820°C时，控制冷却速率为1~3°C /s ;板坯温度在480~740°C时，控制 冷却速率为5~20°C /s ;板坯温度< 480°C时，采用自然冷却方式冷却至室温。
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