一种500MPa级强韧耐候桥梁钢及其制备方法转让专利
申请号 : CN201910567310.4
文献号 : CN111057945B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 王天生 , 张林峰 , 张烈 , 王岳峰 , 王青峰
申请人 : 燕山大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种500MPa级强韧耐候桥梁钢,其特征在于其化学成分按质量百分比为:C 0.04‑
0.06,Si 0.25‑0.35,Mn 1.20‑1.30,Cr 0.40‑0.50,Ni 0.30‑0.40,Cu 0.27‑0.37,Mo
0.35‑0.7,P ≤0.015,S≤0.006,Nb 0.020‑0.030,V 0.015‑0.025,Ti 0.007‑0.017,Al
0.015‑0.040,余量为Fe和不可避免的杂质;所述桥梁钢的金相组织为针状铁素体+粒状贝氏体+板条贝氏体+ M‑A组元;所述M‑A组元在铁素体基体中的体积含量为4%‑10%;所述铁素体基体的等效晶粒尺寸为3.8‑4.5μm。
2.根据权利要求1所述的500MPa级强韧耐候桥梁钢,其特征在于:其化学成分按质量百分比为:C 0.04‑0.06,Si 0.25‑0.35,Mn 1.20‑1.30,Cr 0.40‑0.50,Ni 0.30‑0.40,Cu
0.27‑0.37,Mo 0.35‑0.5,P ≤0.015,S ≤0.006,Nb 0.020‑0.030,V 0.015‑0.025,Ti
0.007‑0.017,Al 0.015‑0.040,余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的500MPa级强韧耐候桥梁钢,其特征在于:所述桥梁钢的屈服强度为500‑553Mpa,抗拉强度为720‑760 MPa,屈强比为0.69‑0.73,‑40℃下的V型缺口冲击吸收能量为175‑210J,粗晶热影响区‑40℃下的V型缺口冲击吸收能量为55‑175J,耐腐蚀指数2
≥6.5,腐蚀增重速率为0.30‑0.8 g/m·cycle。
4.根据权利要求1所述的500MPa级强韧耐候桥梁钢,其特征在于:所述桥梁钢的碳当量指数为0.45‑0.50,冷裂纹敏感性指数≤0.21。
5.一种500MPa级强韧耐候桥梁钢的制备方法,包括冶炼成铁水的步骤,其特征在于还包括以下步骤:
A、精炼:铁水转至钢包炉,按0 .2‑0 .4MPa的压力、130‑150NL/min的流量,进行吹Ar气搅拌,精炼40‑50min;
按如下要求调整化学成分的质量百分比:C 0.04‑0.06,Si 0.25‑0.35,Mn 1.20‑1.30,Cr 0.40‑0.50,Ni 0.30‑0.40,Cu 0.27‑0.37,Mo 0.35‑0.7,P≤0.015,S ≤0.006,Nb
0.020‑0.030,V 0.015‑0.025,Ti 0.007‑0.017,Al 0.015‑0.040,余量为Fe和不可避免的杂质,
静搅20‑30分钟;
B、真空处理:转至钢包精炼炉,控制真空度≤1毫巴,真空保持时间20‑25分钟,破真空后静搅12‑18分钟,调整化学成分,喂入Al线,连铸电磁搅拌,控制搅拌强度在0.5‑1 .0L/(min•t),搅拌时间不少于8min;
C、保护连铸:采用全程保护浇注方式,得坯料;
D、热机械轧制:将坯料加热至1210±10 ℃,保温4 h出炉,在1050‑1150 ℃粗轧得中间坯,
在810‑920 ℃对中间坯进行精轧,
控制开冷温度760‑800℃、返红温度520‑570℃、冷速5~15℃/s冷却得桥梁钢板材。
6.根据权利要求5所述的500MPa级强韧耐候桥梁钢的制备方法,其特征在于:所述冶炼成铁水的步骤为:脱磷、脱硫预处理铁水后,以电弧炉或转炉控制1500‑1600℃保持20‑
40min,进行冶炼,得铁水。
说明书 :
一种500MPa级强韧耐候桥梁钢及其制备方法
技术领域
背景技术
桥建设用桥梁钢需进行防腐涂装,不利于环保,维护成本较高。现有的高性能桥梁钢具备高
强度(屈服370MPa及以上)、高韧性(冲击功不低于 120J)、低屈强比(一般不高于0.85)、高
疲劳性能和良好的焊接性,但耐候性较差,仍需要进行涂装处理。公开号为CN107326304A的
专利文件提出一种TMCP型屈服强度500MPa级桥梁结构钢及其生产方法,其强度级别达到了
500MPa级,但轧后钢板需要进行回火热处理,增加了生产成本,且其产品性能并未涉及疲劳
强度和耐腐蚀性能。公开号为CN 106222560A的专利文件提出一种止裂型特厚高性能耐侯
桥梁钢Q500qENH钢板及其生产办法,其所制得钢板达到了Q500qE级,但其实施例中50mm厚
钢种屈强比较高,且其产品性能并未涉及疲劳强度和耐腐蚀性能。公开号为CN 106811704
A提出一种屈服强度500MPa级低屈强比桥梁钢及其制造方法,其强度级别达到了500MPa级,
且钢板屈强比在0.85以下,但其产品性能并未涉及疲劳强度和耐腐蚀性能。由此可以看出,
现有技术中对高性能桥梁钢的耐候性研究较少,急需大力发展免涂装耐候钢,实现钢桥的
高效绿色制造。
境和高湿高酸的工业大气环境。为了实现经济性与节能环保,耐候桥梁钢应在满足更高强
度要求的同时,满足易焊性及工业大气和沿海大气环境的耐候性。
发明内容
耐候性与焊接性的良好匹配。
0.37,Mo 0.2‑0.7,P <0.015,S <0.006,Nb 0.020‑0.030,V 0.015‑0.025,Ti 0.007‑
0.017,Al 0.015‑0.040,余量为Fe和不可避免的杂质。
控制在0.04%≤C≤0.06%的范围。
的范围。
腐蚀性能。因此将Mn含量控制在1.20%≤Mn≤1.30%的范围。
的大块氧化物,显著降低焊缝熔池流动性,降低焊缝冶金质量,降低焊接性,同时钢板的塑
性和韧性也会下降。因此将Cr含量控制在0.40%≤Cr≤0.50%的范围。
促进γ‑FeOOH转变为α‑FeOOH稳定相,提高耐大气腐蚀性能;Ni显著提高钢的塑、韧性。但含
量过高时会增加焊接熔池粘度,不利于气体和夹杂物的排除,造成焊缝夹杂物数量容易增
多。因此将Ni含量控制在0.30%≤Ni≤0.40%的范围。
素体中的固溶度约为 0.45% 左右),损害钢板的低温冲击韧性,同时还易造成铜脆,破坏钢
板表面质量。因此将Cu含量控制在0.27%≤Cu≤0.37%的范围。
造成冷脆,降低塑性和韧性。因此,将S 、P含量分别控制在S≤0 .006%、P≤0 .015%的范围。
成,提高拉伸强度,降低屈强比,提高桥梁钢的安全性。Mo元素有很好的耐候性,可提高锈层
的致密性。Mn‑Mo 复合添加可明显提高钢板的强度,弥补降碳造成的强度损失。降低Cr,增
加了Mo含量,避免了单独添加 Cr 元素对钢板的耐海水腐蚀性能具有“逆转效应”,而且大
量研究表明,含 Cr 的低合金不利于耐蚀钢的服役寿命,超过一定时间后 Cr 元素相反会
促进腐蚀的加剧,在碳当量的计算上,Cr和Mo的影响是一样的,但Mo的耐候性优于Cr,具有
优异的耐点蚀作用,提高基体的耐点蚀能力,增加锈层致密性,综合性能高于Cr。此外,在计
算耐候性的I指数中未将钼元素作为耐候元素,但在实际中,钼元素能提高锈层的致密性,
表现出很好的耐候性。因此将Mo含量控制在0.20%≤Mo≤0.70%的范围。优选0.20%≤Mo≤
0.50%。
作用。但当 Nb 含量低于 0.015% 时,不能有效发挥在未再结晶区、两相区控轧作用,对钢
板强化能力不强,但 Nb 含量过多对钢板的强度的提高作用较小,并且对焊接热影响区韧
性有不利的影响。因此将Nb含量控制在0.020%≤Nb≤0.030%的范围。
粒子,甚至液析TiN夹杂,反而降低钢的低温韧性。因此,将Ti含量控制在0.007%≤Ti≤
0.017%的范围。
此将Al含量控制在0.015%≤Al≤0.040%的范围。
协调各化学组分,协同以保证钢的焊接性、强度和韧性的良好匹配。
错与M‑A组元配合可以大幅提高强度。铁素体板条由于细晶强化,有更高的强韧性,内部位
错丰富,起位错强化的作用,M‑A组元作为硬质相的引入,细小的M‑A组元也能起到弥散强化
的作用,配合位错大幅提高强度,且M‑A对拉伸强度提高明显,所以屈强比下降,安全性更
高。因而获得更高的屈服强度和更低的屈强比。
失较粒状贝氏体的多,所以其体积含量优选为4%‑10%。
组元。板条贝氏体的铁素体边界清晰且M‑A组元呈针状或者薄膜状。
缺口冲击吸收能量为55‑175J,说明其焊后组织韧性高,焊接性良好。耐腐蚀指数≥6.5。在
2
干湿循环加速腐蚀试验中腐蚀增重速率为0.30‑0.8 g/m·cycle。cycle为一个干湿循环,
相当于最容易发生腐蚀的60%湿度下的一个自然日。
耐腐蚀性指数I是根据美国材料与试验协会标准ASTMG101‑01中修正的Legault‑Leckie公
式计算得出,I值越大,表明钢的耐腐蚀性越强,ASTM G101‑01推荐I≥6.0。
0.020‑0.030,V 0.015‑0.025,Ti 0.007‑0.017,Al 0.015‑0.040,余量为Fe和不可避免的
杂质,
在0.5‑1 .0L/(min•t),搅拌时间不少于8min;
体+M‑A组元的复合组织。
的组织软硬相结合的组织构成,使屈服强度≥500MPa,冲击性能良好,最大特点是屈强比在
0.69‑0.73安全性高;耐候性上,最大特点是耐候性高,可用于高盐高湿的海洋大气环境和
高湿高酸的工业大气环境。工艺上,在线控轧控冷,且无需热处理,简单廉价。2、具有更好的
耐腐蚀性能,可以减少防腐涂层的使用,降低桥梁建设成本,减少后期维护的工作量,同时
也可以更好的满足现代桥梁结构的长寿命、环保、美观等要求,将成为桥梁钢的优先选择钢
种。3、合理控制Mo的含量,Mo在锈层缺陷处有一定偏聚,使表面锈层致密完整,提高耐蚀性。
在锈层中,Mo通常以六价钼酸盐的形式存在,在酸性更强的环境中以稳定性更强的MoO3形
式存在。Mo与其它耐蚀元素共同添加时,可发挥协同作用,耐蚀性更好。此外,Mo还能降低钢
的Ms点,提高淬透性,保证过冷奥氏体具有较高的稳定性。Mo含量增加,会扩大形成贝氏体
的冷速范围,使针状铁素体量增加,出现贝氏体和M‑A组织,屈服和抗拉强度提高,并避免过
量降低冲击韧性和焊接性。4、通过合理的成分设计和控制各化学成分的含量,并采用简单
易行,易于控制,参数适宜的工艺方法,生产效率高、成本低,发挥各化学成分的协同作用,
实现高强度、强韧性、耐候性与焊接性的良好匹配。
附图说明
具体实施方式
量为Fe和不可避免的杂质,静搅20‑30分钟;
t),搅拌时间9min;
(Pcm)表示,碳当量(Ceq)和焊接裂纹敏感性指数(Pcm)按GB714‑2015中的公式计算,具体数
值参见表1,碳当量为0.459,Pcm为0.193,焊接性良好。钢板的力学性能参见表3和图4,屈服
强度为500MPa,屈强比为0.693,抗拉强度为721MPa,‑40℃下的V型缺口冲击吸收能量为
210J,粗晶热影响区‑40℃下的V型缺口冲击吸收能量为175J,力学性能优异,均满足500MPa
级耐候桥梁钢国标GB714‑2015的要求。
箱中模拟工业大气环境(0.01mol/L的NaHSO3溶液)和海洋大气环境(质量百分比为0.3%
NaCl的水溶液),溶液pH为4.1‑4.4。25℃为自然大气平均温度,60%湿度为样品表面液膜生
成的临界值,温度和湿度在实验箱中均为恒定。实验开始后,每个样品表面滴加体积为160μ
L的腐蚀液,并将其均匀铺开到整个样品表面,放入恒温恒湿箱中。 80个周期的干湿循环后
锈层的自腐蚀电位参见表5,120个周期干湿循环的腐蚀增重曲线参见图5和图6。对比钢的
成分和焊接性指标参见表4。图5和图6为工业大气环境和海洋大气环境的腐蚀增重曲线,图
7和图8为工业大气环境和海洋大气环境腐蚀增重速率。其中,腐蚀后期的速率代表着腐蚀
锈层稳定下的增重速率。该实施例的钢板,锈层稳定后的腐蚀增重速率工业大气环境为
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0.60g/m·cycle、海洋大气环境为0.75g/m·cycle。可见,Mo元素添加能明显提高钢的耐
候性能。无论是海洋大气环境还是工业大气环境,钢的耐候性均随Mo含量的增加而提高。而
且,该实施例钢板在工业大气环境的耐腐蚀性能高于海洋大气环境。具体环境中可以根据
当地的大气环境适当选择Mo的加入量。该桥梁钢实现了高强度、强韧性、耐候性与焊接性的
良好匹配。
搅拌时间10min;
(Pcm)表示,碳当量(Ceq)和焊接裂纹敏感性指数(Pcm)按GB714‑2015中的公式计算,具体数
值参见表1,可见其焊接性良好。钢板的力学性能参见表3和图4,力学性能优异,均满足
500MPa级耐候桥梁钢国标GB714‑2015的要求。
5和图6,腐蚀增重速率参见图7和图8。该实施例的钢板,锈层稳定后的腐蚀增重速率工业大
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气环境为0.40g/m·cycle、海洋大气环境为0.55g/m·cycle。无论是海洋大气环境还是工
业大气环境,钢的耐候性均随Mo含量的增加而提高。而且,该实施例钢板在工业大气环境的
耐腐蚀性能高于海洋大气环境。具体环境中可以根据当地的大气环境适当选择Mo的加入
量。该桥梁钢实现了高强度、强韧性、耐候性与焊接性的良好匹配。
搅拌时间11min;
(Pcm)表示,碳当量(Ceq)和焊接裂纹敏感性指数(Pcm)按GB714‑2015中的公式计算,具体数
值参见表1,可见其焊接性良好。钢板的力学性能参见表3和图4,力学性能优异,均满足
500MPa级耐候桥梁钢国标GB714‑2015的要求。
曲线参见图5和图6,腐蚀增重速率参见图7和图8。该实施例的钢板,锈层稳定后的腐蚀增重
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速率工业大气环境为0.34g/m·cycle、海洋大气环境为0.44g/m·cycle。无论是海洋大气
环境还是工业大气环境,钢的耐候性均随Mo含量的增加而提高。而且,该实施例钢板在工业
大气环境的耐腐蚀性能高于海洋大气环境。具体环境中可以根据当地的大气环境适当选择
Mo的加入量。该桥梁钢实现了高强度、强韧性、耐候性与焊接性的良好匹配。