CN105018856B - 纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.02～0.08％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.90～1.50％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cu≤0.50％，Ni：0.10～0.40％，Mo：0.30～0.50％，Cr：0.30～0.70％，Nb：0.015～0.030％，V：0.030～0.060％，Ti：0.008～0.025％，Ca≤0.0040％，其余为Fe和不可避免杂质；生产步骤包括冶炼、铸造、加热、轧制和分级控冷。本发明成本低廉，工艺简单可控，产品综合性能良好，纵横向力学性能差异小，可广泛应用于大跨度铁路桥梁等结构。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金材料中的低合金结构钢制造领域，具体地指一种纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板及其制造方法。
背景技术
在钢结构桥梁领域，由于结构复杂，桥梁杆件的受力方向往往不局限于原轧制钢板的某一方向。为了安全起见，要求钢板的纵横向力学性能差异较小。但是，在一般情况下，传统钢板的纵向冲击功要远高于横向，纵向强度尤其是屈服强度要远低于横向。钢板越薄，这种差异越明显，即钢板的力学性能呈现出明显的各向异性，给桥梁钢板的选用带来了很大的困难。
研究表明，钢板力学性能的各项异性与其化学组成、内在织构、纤维组织及带状组织等有关。到目前为止，屈服强度500MPa级桥梁用结构钢板中成分和微观金相组织形态对钢板力学性能的纵横向差异性尚未见报道。
因此，合理设计碳和合金元素的种类及含量，开发简单易控的生产工艺，通过严格控制各工艺参数，研究开发出纵横向力学性能差异小的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢板具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种制造成本低、工艺简单可控、综合性能优良、屈服强度500MPa级的纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板及其制造方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板，钢板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：0.90～1.50％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cu≤0.50％，Ni：0.10～0.40％，Mo：0.30～0.50％，Cr：0.30～0.70％，Nb：0.015～0.030％，V：0.030～0.060％，Ti：0.008～0.025％，Ca≤0.0040％，其余为Fe和不可避免杂质；且同时满足：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+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.23％；其金相组织中针状铁素体含量≥90％。
进一步地，钢板的化学成分及其重量百分比如下：C：0.04～0.06％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.90～1.50％，P≤0.020％，S≤0.004％，Cu≤0.40％，Ni：0.15～0.20％，Mo：0.30～0.50％，Cr：0.30～0.70％，Nb：0.015～0.030％，V：0.030～0.060％，Ti：0.008～0.025％，Ca≤0.0040％，其余为Fe和不可避免杂质。
进一步地，钢板的化学成分及其重量百分比如下：C：0.04％，Si：0.25％，Mn：1.20％，P：0.012％，S：0.002％，Cu：0.20％，Ni：0.15％，Mo：0.35％，Cr：0.45％，Nb：0.022％，V：0.040％，Ti：0.012％，Ca：0.0025％，其余为Fe和不可避免杂质。
本发明的纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板中各成分作用如下：
碳(C)：碳是提高钢强度的有效元素，当含量超过0.08％时，轧制后冷却速度较大时，易形成M/A岛，且易聚集分布在偏析条带上，造成钢板力学性能呈现较明显的纵横向差异；当其含量较低时，如小于0.02％，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：0.02～0.08％。
硅(Si)：硅是常用的脱氧剂，有固熔强化作用，有利于改善其综合性能，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0.10～0.40％。
锰(Mn)：锰是重要的强韧化元素，能增加奥氏体的稳定性，扩大γ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：0.90～1.50％。
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，使得在轧钢后容易产生内在缺陷。本发明的磷含量控制为P≤0.018％。
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≤0.003％。
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≤0.040％。
镍(Ni)：镍能提高淬透性，具有一定的强化作用，可显著改善其低温韧性，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。本发明Ni含量为：0.10～0.40％。
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：0.30～0.50％。
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0.30～0.70％。
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，由于其细化晶粒效果明显，同时导致屈强比偏高，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的含量为0.030～0.060％。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轧制温度下进行轧制。此外Nb在控制轧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，细化晶粒并提高强度及低温韧性。但Nb含量大于0.030％时，细化晶粒提高强度的效果非常明显，但也导致其屈强比过高；其含量小于0.015％时，发挥不了控轧作用。因此控制Nb含量范围为：0.015-0.030％。
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：0.008～0.030％。
钙(Ca)：钙能使钢中的夹杂物球化，改善钢的韧塑性，更重要的是改善钢的低温冲击韧性的各项异性。但当Ca含量超过0.0040％时，易产生较为粗大的夹杂物，反而会恶化钢的性能。因此本发明中钙含量控制为Ca≤0.0040％。
进一步地，本发明的纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板通过合金元素种类和含量的科学设计，严格控制各生产工艺，实现了具有优良综合性能且纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板，其屈服强度ReL为500～630MPa，-40℃冲击吸收功KV2≥120J，纵横向屈服强度差ΔReL＜30MPa，-40℃纵横向冲击功差ΔKV2＜80J；且具有优异的焊接性能和冷加工成形性。
上述纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板的生产方法，包括如下步骤：冶炼、铸造、加热、轧制和分级控冷；加热步骤中，板坯的加热温度为1250～1320℃；轧制步骤中，控制展宽比＝钢板宽度/钢坯宽度为1.4～1.8，轧制过程分两阶段控制，粗轧温度为1000～1230℃，总压下率≥60％，中间板坯厚度H＝成品钢板厚度h+20～30mm，精轧温度为900～980℃；分级控冷步骤中，板坯温度在740～820℃时，控制冷却速率为1～2℃/s；板坯温度在480～740℃时，控制冷却速率为20～40℃/s；板坯温度≤480℃时，采用自然冷却方式冷却至室温。
进一步地，所述加热步骤中，板坯的加热温度为1280～1300℃。
进一步地，所述轧制步骤中，分两阶段控制轧制，粗轧温度为1060～1160℃，精轧温度为930～960℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用低C中Mn微合金化的成分设计，通过加热、轧制、控冷等工艺手段，优化工艺参数，保证钢板中针状铁素体含量≥90％，保证其具有优异的力学性能，其性能指标满足屈服强度为500～630MPa，-40℃冲击吸收功≥120J，纵横向屈服强度差小于30MPa，-40℃纵横向冲击功差小于80J，具有优异的焊接性能和冷加工成形性，可生产钢板厚度为10～60mm，应用范围为大跨度铁路桥梁等焊接结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例1-10的钢板的化学元素质量百分配比如表1所示，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明各实施例按照以下步骤生产：
1)冶炼并连铸成坯后对铸坯加热，控制加热温度在1250～1320℃；
2)进行热轧，控制展宽比＝钢板宽度/钢坯宽度为1.4～1.8，并控制粗轧温度为1000～1230℃，总压下率≥60％，中间板坯厚度H＝成品钢板厚度h+20～30mm，精轧温度为900～980℃；
3)分级控冷：温度在740～820℃时，控制冷却速度为1～2℃/s；温度在480～740℃时，控制冷却速度为25～40℃/s；温度在480℃以下时，自然冷却至室温。
本发明各实施例的主要生产工艺参数如表2所示。
表2 本发明各实施例的主要工艺参数列表
需要说明的是表1及表2并非对应关系，仅为举例而已。
本发明各实施例的性能参数如表3所示。
由表1可见，在本发明中，通过限制钢中Mn、Nb等元素的添加，降低奥氏体再结晶区终止温度，减弱奥氏体轧制织构；通过适当提高Mo含量，便于得到针状铁素体；通过采用超低硫钙化处理，使得低温韧性的纵横向差异较小。
由表2可见，在加热过程中，尽可能采用较高的加热温度，弱化轧制织构；同时，在二阶段轧制时，尽可能将压下量分配在粗轧阶段，因为粗轧阶段处于奥氏体再结晶区，在此阶段轧制，能充分弱化轧制织构。随着板厚的降低，粗轧阶段的总压下量有所降低，但是一般都在60％以上。在精轧阶段，总的压下量为20～30mm，因为精轧阶段处于奥氏体未再结晶区，这样是为了尽可能降低精轧阶段的轧制织构。在精轧阶段，也尽可能处于高温区轧制，这样也可以适当降低轧制织构。在740～480℃之间，钢板给予了25～40℃/s的强冷，这样是为了充分得到针状铁素体组织，进一步降低钢板纵横向力学性能之差。
由表3可见，随着钢板厚度的增加，钢板力学性能的纵横向差异逐渐降低，屈服强度的纵横向差ΔReL小于30MPa，-40℃纵横向冲击功差ΔKV2小于80J。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。
其它未经详细说明的部分均为现有技术。
Claims (3)
1.一种纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板，其特征在于：所述钢板的化学成分及其重量百分比如下：C：0.04～0.06％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.90～1.50％，P≤0.020％，S≤0.004％，Cu≤0.40％，Ni：0.15～0.20％，Mo：0.30～0.50％，Cr：0.30～0.70％，Nb：0.015～0.030％，V：0.030～0.060％，Ti：0.008～0.025％，Ca≤0.0040％，其余为Fe和不可避免杂质；且同时满足：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+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.23％；其金相组织中针状铁素体含量≥90％；所述钢板的力学性能为：屈服强度ReL为500～630MPa，-40℃冲击吸收功KV2≥120J，纵横向屈服强度差ΔReL＜30MPa，-40℃纵横向冲击功差ΔKV2＜80J；且具有优异的焊接性能和冷加工成形性。
2.根据权利要求1所述的纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板，其特征在于：所述钢板的化学成分及其重量百分比如下：C：0.04％，Si：0.25％，Mn：1.20％，P：0.012％，S：0.002％，Cu：0.20％，Ni：0.15％，Mo：0.35％，Cr：0.45％，Nb：0.022％，V：0.040％，Ti：0.012％，Ca：0.0025％，其余为Fe和不可避免杂质。
3.一种权利要求1所述的纵横向力学性能差异小的桥梁用结构钢板的生产方法，其特征在于：包括如下步骤：冶炼、铸造、加热、轧制和分级控冷；所述加热步骤中，板坯的加热温度为1280～1300℃；所述轧制步骤中，控制展宽比＝钢板宽度/钢坯宽度为1.4～1.8，轧制过程分两阶段控制，粗轧温度为1060～1160℃，总压下率≥60％，中间板坯厚度H＝成品钢板厚度h+20～30mm，精轧温度为930～960℃；所述分级控冷步骤中，板坯温度在740～820℃时，控制冷却速率为1～2℃/s；板坯温度在480～740℃时，控制冷却速率为20～40℃/s；板坯温度≤480℃时，采用自然冷却方式冷却至室温。
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