CN102796968B

CN102796968B - 高抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料及制备方法

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Publication number: CN102796968B
Application number: CN201210328908.6A
Authority: CN
Inventors: 陈江忠; 娄彪
Original assignee: BAODING HEAVY INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: BAODING TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN102796968A

Abstract

本发明涉及一种厚度为200mm，同时既能保证材料的强度和韧性满足设计要求，又能保证材料焊接性的髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料及制备方法，化学成分(质量分数%)：C：0.10～0.15%，Si:0.20～0.40%，Mn:0.65～0.95%，S:≤0.025%，P:≤0.025%，Ni:0.20～0.40%，Cr:0.20～0.30%，Mo:0.15～0.25%，V:0.05～0.10%，Ti:0.04～0.08%，其余为Fe。优点：一是打破现有高强度钢采用中碳低合金组分的构成形式，采用低碳低含量合金组分添加微合金元素的构成，在获得优良的材料机械性能的同时，也使得材料具有良好的焊接性能；二是通过两次细化热处理，来保证了厚壁铸件的内外材料性能的一致；三是经检测，其主要技术指标如：化学成分等，均符合产品设计的要求；四是大大提升了桥梁用铸钢件产品的综合性能，也开辟了国内外桥梁用铸钢材料的新领域。

Description

高抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种厚度为200mm，同时既能保证材料的强度和韧性满足设计要求，又能保证材料焊接性的髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料及制备方法，属铸钢材料制造领域。

背景技术

中国目前桥梁用钢主要是采用GB/T714-2008《桥梁用结构钢》规定的系列材料，主要分三大类：铁路桥梁用钢、公路桥梁用钢、跨海桥梁用钢。

中国的铁路桥梁钢的发展自1957年的武汉长江大桥（A3钢）开始，经历了南京长江大桥（16Mnq）,九江长江大桥（15MnVNq）到1998年的芜湖长江大桥（14MnNbq）,四个标志性的阶段。材料的屈服强度从A3钢大于等于240MPa-16Mnq钢大于等于320Mpa-15MnVNq钢大于等于412MPa(板厚≤16mm)-14MnNbq大于等于370MPa(板厚32-50mm)。

中国公路桥梁钢多选用Q345、Q370等，也有使用Q420钢。

跨海大桥用钢主要集中与管桩钢、通航主桥的桥梁钢、栏面护栏以及带肋钢筋。管桩钢的材质主要是Q345C，规格范围为16～25mm之间，大部分为热轧卷板；通航主桥的桥梁钢的材质主要集中于Q345D级别，规格为10～50mm之间，主要为平板产品；护拦用钢的材质为Q345D/Q390D，规格为4～25mm之间。

传统的桥梁用钢主要是C-Si-Mn系列，其中C含量一般控制0.20%以下，Mn含量一般在1.0%以上，主要用在厚度不大于100mm的桥梁用结构钢板、钢带和厚度不大于40mm的桥梁用结构型钢。对于要求较高的桥梁钢铸件材料，目前用的最多主要是美国公路桥梁用钢（ASTM A486/A486M）的485级、620级和825级。由于本产品采用的是铸造成型，虽然美国公路桥梁用钢（ASTM A486/A486M）的825级在力学强度上能达到要求，但是该强度值只适用厚度不大于50mm的铸件，而本产品的厚度为200mm,远远超出该标准的适用范围，因此选用该材料很难满足产品的设计要求。

从GB/T714-2008《桥梁用结构钢》和美国公路桥梁用钢（ASTM A486/A486M）所能达到的力学性能来分析，目前提高钢材综合性能最多的是采用微合金化技术，对于厚度不大于100mm的桥梁用结构钢板、钢带和厚度不大于40mm的桥梁用结构型钢，采用添加Nb、V、Ti元素进行细化，通过轧制和采取相应的热处理工艺，能大大提高材料的综合性能，但是一般屈服强度也在490MPa以下。

对于厚度尺寸达200mm的承压座铸件，仅仅利用对原材料进行微合金化，很难达到产品设计的性能要求。与强度等级相匹配现行的低合金钢一般是含碳量在0.35%以上的Cr-Mo钢或者含碳量在0.30%以上的Cr-Ni-Mo钢经调质处理才能达到。而这两类钢的碳当量C_eq值都超过0.41，焊接性能极差。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种厚度为200mm，同时既能保证材料的强度和韧性满足设计要求，又能保证材料焊接性的髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料及制备方法。

设计方案：髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢件材料是申请人在参与美国新海湾大桥项目建设过程中专门为该项目承压座铸钢件开发的一种新的桥梁用铸钢材料。由于美国新海湾大桥是世界第一单塔自锚抗震悬索钢结构桥梁，被视为世界上最昂贵、抗地震技术含量最高（可抗8级地震）、寿面最长（150年）的桥梁，能确保每天30万辆车通过。根据大桥对铸件的设计要求，设计者对铸件机械性能提出了不仅要有很高的强度，同时必须有优良的低温冲击韧性及良好的抗腐蚀能力和氧化能力，并且由于该铸件要与其他结构件焊接，要适应野外无法预热焊接要求，因此必须严格控制碳当量，保证铸件的可焊性。由于该铸件厚度相对比较厚，为了确保铸件整体的性能，因此要求在铸件本体（厚度200mm）芯部分纵、横两个方向取样试验（见图2），具体性能要求如下：

σ_s≥480MPa, σ_b：700～850MPa,δ₅≥22%，ψ≥35%

Akv(-20℃) ≥42J（且最小侧向伸长0.4mm）

C_eq =C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+（Cu/13+P/2）≤0.41%

(当Cu＜0.5%或P＜0.05%时，可不计入)。

为了实现本发明的设计目的。本申请的关键在于解决材料焊接性要求低合金组分构成满足材料高强度高韧性要求。解决这一矛盾采用的技术方案是：a.从材料的焊接性要求出发，根据碳当量不等式函数关系来控制三大主体元素的最有效范围；b.根据三大主体元素对材料性能的影响来确定低含量合金元素的范围；c.通过添加微合金元素V、Ti来消除低含量合金元素相互制约对材料综合性能带来的不利影响。d.利用预细化和调质双重热处理来调整铸件的金相和组织晶粒度，从而达到细化晶粒获得良好综合机械性能。

本申请根据承压座铸件结构特点及性能要求，设计一个合理有效的材料组分构成，通过材料的低合金化，既能保证材料的强度和韧性满足设计要求，又要保证材料的焊接性。为此，本申请从控制组分构成的三大主体元素C、Si、Mn的含量入手，根据材料的焊接性能要求控制碳当量C_eq值，并结合工程结构用钢碳锰当量规定锰含量一般不小于3倍含碳量，可以得出碳、锰含量应满足以下数学函数关系:

W_c+W_Mn/6≤0.41%,

3W_c≤W_Mn（式中：W_c为碳质量百分含量，W_Mn为锰质量百分含量）

由此可以得出碳含量（W_c）应控制在0.27%以下，并根据含碳量对机械性能的影响（图3），当含碳量超过0.15%时，就会对钢的韧性产生影响，以此碳含量（W_c）控制在0.15%以下，0.10%以上。

锰含量（W_Mn）控制在0.60%以上，锰能提高钢的强度，在炼钢过程中具有优良的脱氧和脱硫作用，但是当锰含量（W_Mn）超过1%时，会使钢的焊接性能变坏，会使晶粒粗化，因此锰含量（W_Mn）控制在0.60%-0.85%。

硅元素在炼钢时具有脱氧的作用，同时一定含量的硅能提高钢的强度，但是会降低材料的塑性和韧性，从提高材料的强度和降低对材料塑性和韧性要求，硅含量（W_Si）应控制在0.40%以下，0.20%以上。

根据含碳量对钢机械性能的影响（图3）和硅、锰含量对钢强度性能的影响（图4）综合得出，C、Si、Mn三大主体元素对于抗拉强度性能的贡献值在400MPa-450MPa之间，这与设计要求700～850MPa差距较大。

现有传统的低合金钢铸件在合金元素的控制上往往采用中碳含量（碳含量0.35%以上）加Cr-Mo元素或Cr-Ni-Mo元素组合。在这些元素构成中，Cr、Ni含量往往在1.00%以上，这对于控在钢材的碳当量（C_eq ）极其不利。

由于产品不仅要求具有较高的综合力学性能，同时要有一定的耐腐蚀和抗氧化能力，而在合金元素中，Ni和Cr都具有耐腐蚀和抗氧化能力，但是Ni不能提高铁素体的蠕变抗力，相反会使珠光体M体热脆性增大，而且Ni单独使用时，并不具有较好的抗氧化性，往往需要与Cr元素结合使用，因此在含量上必须严格控制；Cr能显著提高强度，改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化能力，但是同时降低材料的塑性和韧性。

虽然Ni在一定程度上可以提高钢的韧性，但是受Cr元素及C、Si、Mn三大主体元素的制约，对材料的韧性贡献值会减小，需要通过添加细化晶粒的元素来增强和提高钢的塑性、韧性。在对材料能起到细化晶粒作用的所有元素中，除了微合金元素V、Ti、Nb外，对晶粒细化最明显的就是Mo。

根据合金元素对铁素体强度的影响（图5）和合金元素对铁素体韧性的影响（图6）可以看出， Mo在低碳合金结构钢中，含量控制在0.2%左右具有良好的提高钢的塑性和韧性的作用，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。同时Mo是铁素体形成元素，易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，需要控制加入量，因此Mo含量控制在0.15-0.25%。

根据碳当量公式函数不等式：

C_eq =C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+（Cu/13+P/2）≤0.41% （其中Cu、P实际生产中含量极少，对焊接性能影响可不考虑）可以得出：Ni/15+Cr/5+Mo/4的总碳当量值≤0.41-（C+Mn/6+Si/24），从而可以计算出Ni/15+Cr/5+Mo/4的总碳当量值应控制在0.04-0.15。

从碳当量不等式关系看，15倍Ni含量和5倍Cr含量对碳当量的影响相当，也就是说Cr含量对碳当量的影响是3倍的Ni含量。Ni元素可以抑制Mo元素造成的铁素体δ相或其它脆性相；Cr可提高钢的强度和硬度，但同时降低塑性和韧性，提高钢的回火脆性，因此也需要控制加入。根据碳当量（C_eq ）值的函数要求，结合材料抗腐蚀能力和抗氧化能力的要求以及Cr、Ni元素含量对钢强度（见图5）和韧性（见图6）的不同影响。控制Ni含量为：0.20-0.40%，Cr含量为：0.20-0.30%。

S、P作为有害元素必须从严控制，P会增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性。考虑钢中其他元素的影响，S、P含量控制在0.025%以下。

单个元素范围的控制，从材料的综合力学性能及焊接性能方面看满足了材料的要求，但是由于元素之间存在相互制约，因此需要加入微合金元素来达到改善综合性能的要求。

V元素能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性，V元素还能提高钢的高温蠕变性能，V元素在含量0.05%～0.10%时，细化晶粒的效果比较明显，而超过0.20%，形成V₄C₃碳化物，会提高钢的热强性，从碳当量不等式关系可以看出，V元素不会影响材料的焊接性能，因此V含量控制在：0.05-0.10%。

Ti是钢中强脱氧剂，能降低钢的时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。能形成稳定的TiC,在高温1300℃（图7）时依然很稳定，可以很好的抑制奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。同时Ti元素也是铁素体形成元素，当含量较高时，极易生成铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，因此也需要控制加入。合适的控制加入量为：0.04-0.08%。

技术方案1：一种髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料，化学成分(质量分数)：C：0.10～0.15%，Si:0.20～0.40%，Mn:0.65～0.95%,S:≤0.025%,P:≤0.025%,Ni:0.20～0.40%,Cr:0.20～0.30%,Mo: 0.15～0.25%，V:0.05～0.10%，Ti: 0.04～0.08%, Cu≤0.15%，其余为Fe。

技术方案2：一种髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料制备方法，⑴铸件成型后按要求进行保温，待铸件毛坯清理完毕，进行第一次预细化及去应力热处理：热处理方式为正火+回火，即：随炉升温至675±10℃，保温1.5-2.0小时；然后继续升温至930±10℃，保温1.0小时/30毫米后，风冷至常温；升温至650±10℃，保温1.4小时/30毫米后，空冷；⑵第一次预细化和去应力热处理结束，对铸件进行毛坯粗加工，目的是去除调质过程过多的余量，提高调质淬火过程的淬透性；⑶粗加工结束，进行最终调质热处理，调质温度要求：炉温升温至670±10℃后，保温1.5-2.0小时，然后继续升温至910±10℃，保温1.2小时/30毫米后，油淬至常温时，升温至630±10℃，保温1.6小时/30毫米后，最后水冷即可；⑷调质结束，按图2取样位置要求进行取样分析试验，直至达标；⑸按该化学成分调质处理后的金相组织为：回火索氏体，组织晶粒度7.5级。

本发明与背景技术相比，一是打破现有高强度钢采用中碳低合金组分的构成形式，采用低碳低含量合金组分添加微合金元素的构成，在获得优良的材料机械性能的同时，也使得材料具有良好的焊接性能；二是通过两次细化热处理，来保证了厚壁铸件的内外材料性能的一致；三是经检测，其主要技术指标如：化学成分、机械性能、金相组织等，均符合产品设计的要求；四是本申请材料的开发，大大提升了桥梁用铸钢件产品的综合性能，同时也开辟了国内外桥梁用铸钢材料的新领域。

附图说明

图1-1是承压座主视尺寸、结构示意图。

图1-2是图1-1侧视结构示意图。

图1-3是图1-1俯视结构示意图。

图2-1是承压座主视试样取样位置示意图。

图2-2是图2-1侧视结构示意图。

图2-3是图2-1俯视结构示意图。

图3是含碳量对钢机械性能影响的曲线示意图。

图4是硅、锰含量对钢强度性能影响的曲线示意图。

图5是合金元素对铁素体强度影响的曲线示意图。

图6是合金元素对铁素体韧性影响的曲线示意图。

图7是1300℃时钛含量对奥氏体晶粒度作用的曲线示意图。

图8是正火+回火热处理工艺曲线示意图。

图9是调质热处理工艺曲线示意图。

具体实施方式

实施例1：一种髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料，材料的组分的构成最终控制如下：a.化学成分(质量分数)：C：0.10～0.15%，Si:0.20～0.40%，Mn:0.65～0.95%,S:≤0.025%, P:≤0.025%,Ni:0.20～0.40%,Cr:0.20～0.30%,Mo: 0.15～0.25%，V:0.05～0.10%，Ti: 0.04～0.08%,Cu≤0.15%，其余为Fe。屈服强度σ_s（Mpa）≥480，抗拉强度σ_b（Mpa）700-850，延伸率δ₅% 22，断面收缩率ψ% 35，冲击吸收功Akv(-20℃)J 42，侧向伸长（mm）≥0.4。

实施例1-1：在实施例1的基础上，C：0.132%，Si:0.253%，Mn: 0.744%,S:0.016%, P:0.019%,Ni: 0.283%,Cr: 0.242%,Mo: 0.182%，

V:0.05%，Ti: 0.04%, Cu：0.05%，其余为Fe。屈服强度σ_s（Mpa）510，抗拉强度σ_b

（Mpa）785，延伸率δ₅% 29，断面收缩率ψ% 39.5，冲击吸收功Akv(-20℃)J 48、46、52，侧向伸长（mm）≥0.6， C_eq =0.360%。

实施例1-2：C：0.138%，Si: 0.276%，Mn: 0.804%,S:0.017%, P:0.016%,Ni: 0.324%,Cr: 0.221%,Mo: 0.194%，V: 0.06%，Ti: 0.05%, Cu：0.03%，其余为Fe。屈服强度σ_s（Mpa）570，抗拉强度σ_b（Mpa）815，延伸率δ₅% 28.5，断面收缩率ψ% 40.0，冲击吸收功Akv(-20℃)J 44、46、54，侧向伸长（mm）≥0.7 ，C_eq =0.398%。

实施例2：参照附图1-9。在上述实施例的基础上，一种髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料制备方法，铸件成型后按要求进行保温，待铸件毛坯清理完毕，进行第一次预细化及去应力热处理：热处理方式为：正火+回火（具体要求见图8）。目的一方面消除铸造应力，另一方面对铸坯组织进行预细化处理，为下一步最终调质热处理奠定基础。第一次预细化和去应力热处理结束，对铸件进行毛坯粗加工，目的是去除调质过程过多的余量，提高调质淬火过程的淬透性。粗加工结束，进行最终调质热处理，具体要求见图9：

调质结束，按图2取样位置要求进行取样分析试验，试验结果见表一、表二。表一化学成分(质量分数%，其余含量为Fe)

表二机械性能

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料，其特征是化学成分(质量分数)：C：0.10～0.15%，Si:0.20～0.40%，Mn:0.65～0.95%,S:≤0.025%, P:≤0.025%,Ni:0.20～0.40%,Cr:0.20～0.30%,Mo: 0.15～0.25%，V:0.05～0.10%，Ti: 0.04～0.08%, Cu≤0.15%，其余为Fe；其制备方法：

⑴铸件成型后按要求进行保温，待铸件毛坯清理完毕，进行第一次预细化及去应力热处理：热处理方式为正火+回火，即：随炉升温至675±10℃，保温1.5-2.0小时；然后继续升温至930±10℃，保温1.0小时/30毫米后，风冷至常温；升温至650±10℃，保温1.4小时/30毫米后，空冷；

⑵第一次预细化和去应力热处理结束，对铸件进行毛坯粗加工，目的是去除调质过程过多的余量，提高调质淬火过程的淬透性；

⑶粗加工结束，进行最终调质热处理，调质温度要求：炉温升温至670±10℃后，保温1.5-2.0小时，然后继续升温至910±10℃，保温1.2小时/30毫米后，油淬至常温时，升温至630±10℃，保温1.6小时/30毫米后，最后水冷即可；

⑷调质结束，按图2取样位置要求进行取样分析试验，直至达标；

⑸按该化学成分调质处理后的金相组织为：回火索氏体，晶粒度7.5级。

2.根据权利要求1所述的髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料，其特征是化学成分(质量分数)：C：0.132%，Si:0.253%，Mn: 0.744%,S:≤0.016%, P:≤0.019%,Ni: 0.283%,Cr: 0.242%,Mo: 0.182%，V:0.05%，Ti: 0.04%, Cu：0.05%，其余为Fe。

3.根据权利要求1所述的髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料，其特征是化学成分(质量分数)：C：0.138%，Si: 0.276%，Mn: 0.804%,S:≤0.017%, P:≤0.016%,Ni: 0.324%,Cr: 0.221%,Mo: 0.194%，V: 0.06%，Ti: 0.05%, Cu：0.03%，其余为Fe。

4.根据权利要求1所述的髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料，其特征是：屈服强度σ_s≥480 Mpa，抗拉强度σ_b700-850 Mpa，延伸率δ₅≥ 22%，断面收缩率ψ≥35%，-20℃冲击吸收功Akv≥42 J，上述吸收功为三个试验值的平均值，侧向伸长≥0.4 mm，

C_eq =C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+（Cu/13+P/2）≤0.41%，

当Cu＜0.5%或P＜0.05%时，不计入。

5.根据权利要求2所述的髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料，其特征是：屈服强度σ_s510 Mpa，抗拉强度σ_b785 Mpa，延伸率δ₅ 29%，断面收缩率ψ39.5%，-20℃冲击吸收功Akv为48 J、46 J、52 J，侧向伸长≥0.6 mm，C_eq =0.360%。

6.根据权利要求3所述的髙抗蠕变低温高韧性桥梁用铸钢材料，其特征是：屈服强度σ_s570 Mpa，抗拉强度σ_b815 Mpa，延伸率δ₅ 28.5%，断面收缩率ψ40.0%，-20℃冲击吸收功Akv为44J、46J、54J，侧向伸长≥0.7 mm，C_eq =0.398%。