专利名称：一种含Mo的高性能桥梁耐候钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于低合金钢制造领域，具体涉及一种含Mo的高性能桥梁耐候钢及其制备方法。
背景技术：
近年来，随着我国经济的快速发展，国家加大了对交通运输行业的投入，各种桥梁的建设也带动了对桥梁钢的需求，这些工程在加大了对桥梁钢需求的同时，对桥梁钢的性能也提出了更高的要求，不但要求其具有较高的强度、韧性和良好的焊接性能，有的还要求其有一定的耐候性。传统的高强度桥梁钢不仅冲击韧性、焊接性和耐疲劳性较差，而且不能耐大气和海水腐蚀，因此，国内外材料工作者提出了高性能钢(High Performance Steel, HPS)的概念，高性能钢材主要是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到改善，除了具备较高强度外，钢材的焊接性能和低温韧性，尤其是耐腐蚀性能有较大幅度提高。传统工艺大多采用调制处理，即淬火+回火的工艺制备高性能桥梁钢，其成本较高，为此，人们发展出了通过控轧控冷制备高性能桥梁钢的工艺，采用这种工艺制成的高性能桥梁钢具有成本低，板长度更长和力学性能优良的特点。专利号为CN2005100456M. 6的中国专利公开了一种低合金耐候钢，可用于铁路、 桥梁和车辆等长期暴晒在大气条件下使用的结构钢，该钢材的C含量为0. 12 0. 21%，碳含量过高恶化了钢的低温冲击性能和焊接性能，Al含量< 0. 2%，含量较高，对炼钢和轧制造成诸多不便。专利号为CN200810046963. X的中国专利公开了一种屈服强度大于450MPa超低碳热轧耐候钢，该钢中C含量0.01 0. 05%，达到了超低碳水平，且具有较高的强度、良好的低温冲击性能和焊接性能，但是Mn含量1. 50 1. 90%，容易产生带状组织，产生力学性能明显的差异性。专利号为US6315946的美国专利，公开了一种超低碳贝氏体耐候钢，采用控轧的方法制备，其屈服强度彡450MPa, _35°C低温冲击功彡40J，该钢的C含量为0. 015 0. 035%，做到了超低碳水平，但是为了促进贝氏体转变，向钢中添加了 0. 0015 0. 003%的硼元素，硼易在晶界产生偏析，造成铸坯表面裂纹缺陷。专利号为CN201010606201. 8的中国专利公开了一种高韧性高耐候性桥梁钢，该钢为超低碳钢，采用TMCP轧制工艺，_60°C低温冲击功> 300J，具有优良的低温韧性，但耐蚀性能较差，其耐腐蚀系数I < 6. 1。
发明内容
针对现有的桥梁钢存在的力学性能、焊接性能和耐大气腐蚀性能差，C含量过高的缺点，本发明提供含M0的高性能桥梁耐候钢及其制备方法，本发明的桥梁钢的强度级别高于传统桥梁钢，具有低成本、低屈强比的特点，同时具有优良的低温冲击韧性、焊接性能和耐大气腐蚀性，并采用超低碳设计。一种含Mo的高性能桥梁耐候钢，其化学组成，按质量百分比为C 0. 02 0. 05%,Si 0. 20 0. 30%, Mn 1. 0 1. 50%, P ( 0. 02%，S 彡 0. 010%, Cu 0. 20 0. 40%, Cr 0. 40
0.60%, Ni 0. 20 0. 40%, Mo 0. 1 0. 30%, Nb 0. 04 0. 07%, Ti 0. 005 0. 015%, Al ( 0. 02%，余量为Fe及杂质。本发明的含Mo的高性能桥梁耐候钢，屈服强度彡450MPa,抗拉强度彡600MPa,延伸率彡25%，屈强比彡0. 77，-40°C低温冲击功彡250J，其焊接冷裂纹敏感性系数Pcm<0. 16， ASTM G101-01 耐腐蚀指数 Ι>6· 4。制备上述含Mo的高性能桥梁耐候钢，按照以下步骤进行
首先将化学组成，按质量百分比为c 0. 02 0. 05%，Si 0. 20 0. 30%，Mn 1. 0
1.50%, P 彡 0. 02%, S 彡 0. 010%, Cu 0. 20 0. 40%, Cr 0. 40 0. 60%, Ni 0. 20 0. 40%, Mo
0.1 0. 30%, Nb 0. 04 0. 07%, Ti 0. 005 0. 015%, Al 彡 0. 02%，余量为 Fe 及杂质的钢坯加热到1150 1200°C，保温30-60min，使其充分奥氏体化，并使得钢中的微合金元素充分固溶；
然后采用两阶段轧制，第一段的粗轧开轧温度1050 1070°C，累计压下率> 50%，第二阶段精轧的开轧温度900-950°C，终轧温度800 850°C，累计压下率> 70%，轧制后喷水冷却至480 550°C，然后空冷至室温。与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是
为了使耐候钢具有较高的强度和耐腐蚀性能，同时具有良好冲击韧性和焊接性能，本发明采用复合添加合金元素的方式，用较少的合金元素获得最佳的效果，达到成本效益的最大化，本发明的主要合金元素含量基于以下原理
Mo能提高钢的淬透性，防止回火脆性，明显推迟铁素体和珠光体的转变，使钢在较宽的温度范围内发生贝氏体转变，向钢中加入适量的Mo还有利于提高钢的耐大气腐蚀性能，本发明中Mo 0. 1 0. 30% ；
C在钢中以间隙原子形式存在，是提高钢强度最为经济的元素，但C含量过高会恶化钢的低温韧性和焊接性能，超低碳设计限制了珠光体组织及其它碳化物的形成，有利于单一贝氏体组织的形成，避免了异相之间电位差而引起的原电池腐蚀，有利于提高钢的耐腐蚀性，因此本发明设计碳含量为0. 02 0. 05% ；
Si在钢中起到固溶强化的作用，可以提高钢的强度，但Si含量太高会降低钢的低温韧性和焊接性能，此外Si有利于致密锈层的形成，能提高钢的耐大气腐蚀性能，本发明采用 Si的含量为0. 20 0. 30% ；
Mn是钢中重要的强韧化元素，在钢中起到固溶强化的作用，同时可以降低钢的相转变温度，细化钢中晶粒的尺寸，提高钢的低温韧性，但含量过高时会增加钢材连铸生产中间偏析的趋势，在钢中形成带状组织，影响组织的均勻性，因此本发明采用Mn的含量为1. 0
1.50%οP元素可以有效提高钢的耐大气腐蚀性能，但P元素也是一种易于偏析的元素，使钢的局部产生严重的偏析，会降低钢的塑性和韧性，尤其对低温韧性极为有害，同时，由于桥梁建设向大跨度方向发展，钢板的厚度也在增加，为保证钢的焊接性能，不易通过增加P 元素来提高钢的耐腐蚀性能，应将P控制在0. 04%以下，通过添加其它合金元素来弥补耐候性能的损失，本发明中P含量控制在较低水平，P^O. 02% ；
S是钢中的有害元素，生成的硫化物不仅严重影响钢的力学性能，而且还会恶化钢的耐大气腐蚀性能，因此应将钢中的S含量控制在较低的水平，本发明中S ^ 0. 010% ；
Cu是提高钢的耐大气腐蚀性能十分重要合金元素，同时可以提高钢的强度，但含量过高时，钢坯加热或热轧时易产生裂纹，恶化钢板表面性能，同时会恶化钢的焊接性能，容易产生热脆，向钢中加入0. 2%左右的Cu可以显著提高钢的耐腐蚀性能，同时通过固溶强化提高钢的强度，含Cu量小于0. 55%对焊接性能危害不大，因此本发明中Cu的含量为Cu 0. 20 0. 40% ；
Ni和Cr都是提高耐候钢耐的大气腐蚀性能的合金元素.，尤其在Cu-Ni-Cr复合添加的情况下，效果更为明显，此外，Ni能够细化钢的晶粒，提高钢的低温韧性，有效阻止Cu热脆引起的网裂，但M的价格较高，添加量过大会大幅调高钢的成本；Cr通过固溶强化和析出强化能有效提高钢的强度，通过延长奥氏体转变的孕育期，减缓奥氏体的分解速度，提高钢的淬透性，本发明钢中Ni含量设计为0. 20 0. 40%, Cr含量0. 40 0. 60% ；
Nb在钢的控轧控冷过程中具有十分重要的作用，能够有效延迟变形奥氏体的再结晶， 抑制奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，以获得细小的晶粒，同时，Nb是强碳氮化物形成元素，可以在钢中起到沉淀强化的作用；Ti是强碳氮化物形成元素，Ti的碳氮化物能有效钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒的粗化，有利于细化晶粒，提高钢的强度和低温韧性,本发明Nb含量设计为Nb 0. 04 0. 07%, Ti含量设计为0. 005 0. 015%。本发明的桥梁钢力学性能优良，屈服强度> 450MPa，抗拉强度> 600MPa，延伸率彡25%，屈强比彡0. 77，-40°C低温冲击功彡250J,同时具有良好的焊接性能和耐大气腐蚀性能，其焊接冷裂纹敏感系数Pcm<0. 16，ASTM G101-01耐腐蚀指数I>6. 4。本发明采用超低碳设计，提高了钢的焊接性能，减少了碳化物形成，已获得单一均勻组织，提高钢的大气腐蚀性能及低温韧性；添加微量合金元素Nb和Ti，有效抑制奥氏体晶粒长大，通过高温大压下，细化奥氏体晶粒，最终得到细小的晶粒组织，提高钢的强度和低温韧性。本发明加入合金元素Mo，提高钢的淬透性，推迟铁素体转变，使钢在较宽的温度范围内发生中温组织转变，有利于单一组织的形成；控制较低的S含量，提高钢的纯净度，提高钢的耐大气腐蚀性能和钢的综合力学性能；控制较低P含量，提高钢的焊接性能和低温韧性。本发明采用控轧控冷(TMCP)制造工艺生产桥梁钢，采用两阶段轧制，第一段的开轧温度1050 1070°C，累计压下率彡50%，目的是使钢的细化奥氏体晶粒；第二阶段轧制是未结晶区控制轧制，开轧温度彡9500C，终轧温度800 850°C，累计压下率彡70%,目的通过热轧细化组织，产生大量位错，增加析出相的形核位置，促进析出相析出，在轧后不需要热处理，能以热轧状态供货，有效保证了供货周期，降低了生产成本，并且克服了钢板规格受热处理炉限制的不足。
具体实施例方式实施例1
首先采用真空感应炉熔炼200kg化学组成如表1所示的钢水，其后进行浇铸，形成钢锭，该钢锭开坯并热锻成断面80 mmX80 mm的钢坯，将钢坯加热到1200°C，保温30min ； 然后采用如表2所示的两阶段轧制方案，第一段的粗轧开轧温度1070°C，累计压下率50%,第二阶段的精轧开轧温度950°C，终轧温度840°C，累计压下率70%，轧制后喷水冷却至 507 °C，然后空冷至室温。实施例2
首先采用真空感应炉熔炼200kg化学组成如表1所示的钢水，其后进行浇铸，形成钢锭，该钢锭开坯并热锻成断面80 mmX80 mm的钢坯，将钢坯加热到1200°C，保温30min ；
然后采用如表2所示的两阶段轧制方案，第一段的开轧温度1060°C，累计压下率50%， 第二阶段的精轧开轧温度950°C，终轧温度830°C，累计压下率70%，轧制后喷水冷却至 530°C，然后空冷至室温。表1本发明实施例钢的化学成分(质量百分比，％)
权利要求
1.一种含Mo的高性能桥梁耐候钢，其特征在于其化学组成，按质量百分比为C 0. 02 0. 05%, Si 0. 20 0. 30%, Mn 1. 0 1. 50%, P 彡 0. 02%, S 彡 0. 010%, Cu 0. 20 0. 40%, Cr 0. 40 0. 60%，Ni 0. 20 0. 40%，Mo 0.1 0.30%，Nb 0. 04 0. 07%，Ti 0.005 0.015%，Al彡0. 02%，余量为！^及杂质；其屈服强度彡450MPa，抗拉强度彡600MPa，延伸率彡25%，屈强比彡0. 77，-40°C低温冲击功彡250J，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm<0. 16，ASTM G101-01耐腐蚀指数I>6. 4。
2.如权利要求1所述的一种含Mo的高性能桥梁耐候钢的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行首先将化学组成，按质量百分比为C 0. 02 0. 05%，Si 0. 20 0. 30%，Mn 1. 0 1.50%, P 彡 0. 02%, S 彡 0. 010%, Cu 0. 20 0. 40%, Cr 0. 40 0. 60%, Ni 0. 20 0. 40%, Mo 0. 1 0. 30%, Nb 0. 04 0. 07%, Ti 0. 005 0. 015%, Al 彡 0. 02%，余量为 Fe 及杂质的钢坯加热到1150 1200°C，保温30-60min，使其充分奥氏体化，并使得钢中的微合金元素充分固溶；然后采用两阶段轧制，第一段的粗轧开轧温度1050 1070°C，累计压下率> 50%，第二阶段精轧的开轧温度900-950°C，终轧温度800 850°C，累计压下率> 70%，轧制后喷水冷却至480 550°C，然后空冷至室温。
全文摘要
本发明属于低合金钢制造领域，具体涉及一种含Mo的高性能桥梁耐候钢及其制备方法。本发明提供了一种含Mo的高性能桥梁耐候钢，其化学组成按质量百分比为C0.02～0.05%，Si0.20～0.30%，Mn1.0～1.50%，P≤0.02%，S≤0.010%，Cu0.20～0.40%，Cr0.40～0.60%，Ni0.20～0.40%，Mo0.1～0.30%，Nb0.04～0.07%，Ti0.005～0.015%，Al≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的含Mo的高性能桥梁耐候钢采用两阶段轧制，第一阶段的粗轧开轧温度1050～1070℃，第二阶段的精轧开轧温度900-950℃，终轧温度800～850℃。本发明的含Mo的高性能桥梁耐候钢具有良好的力学性能，优良的焊接性能和耐大气腐蚀性能，并采用超低碳设计，生产成本低。
文档编号C21D8/00GK102534417SQ20121002723
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月8日 优先权日2012年2月8日
发明者付贵勤, 夏政海, 张永东, 曹波, 朱苗勇, 高新亮 申请人:东北大学, 湖南华菱湘潭钢铁有限公司