CN110952035A - 一种建筑用高强度低碳低合金钢及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种建筑用高强度低碳低合金钢及其制备工艺，涉及合金钢技术领域，所述合金钢中各元素成分的重量百分比为：C：0.05‑0.11％，Si：0.1‑0.17％，Mn：0.7‑1.1％，Ni：0.6‑0.85％，B：0.01‑0.025％，Zr：0.1‑0.18％，Nb：0.06‑0.09％，Re：0.001‑0.003％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质；制备工艺主要包括熔炼、浇注、锻造、淬火、回火等步骤。本发明合金钢中各元素配比合理，并通过优化的制备工艺，使制备得到的低碳低合金钢强度高、韧性好，组织均匀无缺陷，且具有较好的耐腐蚀性与耐磨性，作为一种性能优异的建筑用工程结构材料，具有很好的使用效果。

Description

一种建筑用高强度低碳低合金钢及其制备工艺
技术领域
本发明涉及合金钢技术领域，具体涉及一种建筑用高强度低碳低合金钢及其制备工艺。
背景技术
建筑结构大致可分为四类，即钢结构、网架结构、钢筋混凝土结构和木结构。由于钢结构建筑具有结构轻、土地利用率高、空间大、可工业化生产、工期短，环保节能和可循环回收等优点，自20实际50年代从欧洲兴起以来，已成为高层建筑的发展趋势。
近年来，我国的建筑钢结构获得了迅速的发展。80年代的网架结构，90年代的轻钢房屋迅速得到应用，特别是高层钢结构的出现，开启我国钢结构的新领域。钢结构具有优良的抗震性能以及对住宅产业化、工业化发展的高度适应性，因此在近年来的工程实践中，人们越来越重视钢结构的开发和应用。
随着高层建筑高度的不断增加、材料和工程成本不断降低、安全性和抗震性能要求越来越高，对高层建筑用钢的开发投入较大，已形成了高强度、高功能、大型化的系列建筑用钢产品。
高强度低合金钢是结构钢中非常重要的一种钢材。20世纪50年代，为节约热处理的方法以获得强度和韧性的良好匹配。60年代，开始了称之为微合金化和控制轧制生产的新阶段，出现了一些新的钢种。至70年代，发展成熟的微珠光体钢各无珠光体钢、针状铁素体钢，超低碳贝氏体钢、热轧双相钢以及低碳马氏体钢在油气输送管线、深井油管、汽车钢板等领域中得到了推广应用。到80年代以后，高强度低合金钢已经成为工程结构材料中最中澳和常见的钢铁材料之一。
高强度低合金钢是在低碳钢的基础上，加入少量的合金元素，提高强度，并通过改变不同合金元素的含量改善其使用性能的一类工程结构用钢。使用低合金高强度钢代替普通碳素结构钢可在相同承载能力的条件下，减轻结构的自重，可节约钢材，而成本与碳素结构钢不相上下。因此研发性能更加优质的高强度低合金钢在经济上具有重要意义。
CN 103361568 A公开了一种耐火耐候建筑钢材及其制备工艺。该耐火耐候建筑钢材制造时采用真空感应熔炼炉冶炼，将配料按比例混合加入到真空感应电炉中，然后抽真空，加热后保温，将钢液倒入铸模内，然后将坯料从铸模内取出，空冷至室温，再经过锻造、热轧、冷轧等工艺最终成型。所制得的钢材常温力学性能好、强度塑性较高、耐火及耐候性能优越，但是其强度、韧性并不是很优异，还需要进一步的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建筑用高强度低碳低合金钢及其制备工艺，所制备得到的低碳低合金钢强度高、韧性好，组织均匀无缺陷，且具有较好的耐腐蚀性与耐磨性，作为一种性能优异的建筑用工程结构材料，具有很好的使用效果。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种建筑用高强度低碳低合金钢，其各元素成分的重量百分比为：C：0.05-0.11％，Si：0.1-0.17％，Mn：0.7-1.1％，Ni：0.6-0.85％，B：0.01-0.025％，Zr：0.1-0.18％，Nb：0.06-0.09％，Re：0.001-0.003％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述建筑用高强度低碳低合金钢中各元素成分的重量百分比为：C：0.078％，Si：0.13％，Mn：0.95％，Ni：0.72％，B：0.019％，Zr：0.15％，Nb：0.08％，Re：0.0025％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述建筑用高强度低碳低合金钢中各元素成分的重量百分比为：C：0.09％，Si：0.16％，Mn：0.7％，Ni：0.81％，B：0.013％，Zr：0.14％，Nb：0.07％，Re：0.0018％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，包括以下步骤：
(1)配料后将各原料加入中频感应炉中进行熔炼，加热至1580-1620℃，保温8-10min，加入原料总量0.05-0.07％的纳米碳化锆，保温15-20min；
(2)用0.03-0.05％的硅钙粉对钢水进行脱氧，再***铝丝进行终脱氧，将钢水温度调节至1610-1630℃，出炉；浇包底部放入变质剂，用包内冲入法对钢水进行变质处理；
(3)将钢水浇注至铸模中，当铸模内坯料冷却至910-940℃时，取出坯料，空冷至室温；
(4)将浇注所得坯料进行三镦三拔的锻造工序，始锻温度为1100-1130℃，终锻温度为860-870℃；锻造结束后空冷至600-630℃后，再置入保温坑进行缓冷，缓冷时间为20-30h，出坑温度为80-100℃；
(5)淬火处理：将锻件装入预热至300-360℃的炉中，先以28-35℃/min的速度升温至700-750℃，保温5-8min，再以3-4℃/min的速度升温至1010-1030℃，保温30-35min，再随炉冷却至890-900℃，保温40-50min，再水淬至室温；
(6)580-620℃下回火，保温3-4h后，随炉冷却至室温。
优选地，所述变质剂其化学成分的百分比为：RE：30-40％，B：10-15％，Nb:8-13％，Ca：3-6％，余量为Fe。
优选地，所述RE为Ce、Y、La、Nd中的一种或多种。进一步优选地，所述RE为Y和Nd，Y和Nd的质量比为1：3-5。
优选地，所述变质剂的加入量为钢水总量的0.6-0.8％。
优选地，所述水淬时，淬火前冷却水水温为20-25℃，淬火后水温≤60℃。
优选地，所述回火温度为595℃。
本发明为提高钢材的韧性，将碳的范围控制在0.05-0.11％之间，而产生的强度的下降由增加成分中的锰含量来作为弥补。而锰铁可形成固溶体，可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和轻度，锰可降低钢的共析温度，并可有效降低钢的马氏体温度；可抑制碳化物在过冷奥氏体晶界上析出，使钢的塑性较高，并降低了钢的韧性-脆性转变温度。
加入的硅在钢中不形成碳化物而固溶于铁素体，固溶强化作用很强，且可促进钢的回火稳定性；同时可显著提高钢的强度和硬度。但是硅会降低钢的韧性，提高韧脆转变温度；并会使淬火和退火温度升高。
镍作为形成和稳定奥氏体的合金元素，镍与铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能和韧性，并可提高钢的淬透性。
硼与氮、氧具有很强的亲和力，和碳可形成碳化物碳化硼。硼可在晶界上降低晶界的能量，并阻抑铁素体晶核的形成，降低了先共析铁素体和上贝氏体体晶核的形成率，可有有效提高钢的淬透性。
锆可有效细化铁素体晶粒度细化，其固溶于奥氏体中，有效提高了钢的淬透性。并能与硫化合合成硫化锆，可有效防止钢的热脆性。
加入的铌可细化晶粒，提高晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性和回火脆性，可提高钢的强度和韧性以及对蠕变的抗力。固溶在奥氏体中的铌，可推迟先共析铁素体的析出，并有效延迟了奥氏体开始分解为珠光体的时间，且对于奥氏体到贝氏体的转变几乎无影响。
少量的铼可细化晶粒，改善钢的显微组织，可使钢的强度和耐磨性、耐腐蚀性均有所提高。
本发明的有益效果是：
本发明合金元素配比合理，其中适量份锰与镍协同作用，可扩大两相区，防止低碳钢凝固时形成轴心晶间裂纹。加入的镍、锆、铌均可细化晶粒、均化组织，对于提高铸件的强度、韧性、耐磨性有很好的作用。而铼的加入对可在一定程度上改善钢材的耐磨性、硬度、耐腐蚀性。加入的硼对于淬透性增强显著，在一定程度上减少了稀缺贵重金属，如铬、钼的使用，从而使生产成本降低。
在制备低碳低合金钢时，通过在熔炼过程中加入纳米碳化锆，可使钢材的晶粒进一步得到有效细化，
本发明在锻造后进行缓冷，之后先升温至1010-1030℃，保温30-35min后再随炉冷却至890-900℃，保温后进行淬火，可得到具有铁素体+马氏体双相结构的钢坯，回火后可形成铁素体+回火马氏体的稳定结构，同时回火后可有效消除淬火时的热应力，促进固溶在铁素体中碳化物析出，使淬火后的马氏体结构会转变为回火马氏体，可降低材料的内能并提高韧性。
本发明所制备得到的低碳低合金钢强度高、韧性好，组织均匀无缺陷，且具有较好的耐腐蚀性与耐磨性，作为一种性能优异的建筑用工程结构材料，具有很好的使用效果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种建筑用高强度低碳低合金钢，其各元素成分的重量百分比为：C：0.078％，Si：0.13％，Mn：0.95％，Ni：0.72％，B：0.019％，Zr：0.15％，Nb：0.08％，Re：0.0025％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，包括以下步骤：
(1)配料后将各原料加入中频感应炉中进行熔炼，加热至1590℃，保温10min，加入原料总量0.06％的纳米碳化锆，保温20min；
(2)用0.05％的硅钙粉对钢水进行脱氧，再***铝丝进行终脱氧，将钢水温度调节至1630℃，出炉；浇包底部放入变质剂，变质剂的加入量为钢水总量的0.7％，用包内冲入法对钢水进行变质处理；
其中，变质剂其化学成分的百分比为：RE：35％，B：12％，Nb:10％，Ca：5％，余量为Fe；RE为Y和Nd，Y和Nd的质量比为1：5；
(3)将钢水浇注至铸模中，当铸模内坯料冷却至930℃时，取出坯料，空冷至室温；
(4)将浇注所得坯料进行三镦三拔的锻造工序，始锻温度为1130℃，终锻温度为865℃；锻造结束后空冷至620℃后，再置入保温坑进行缓冷，缓冷时间为30h，出坑温度为90℃；
(5)将锻件装入预热至360℃的炉中，先以33℃/min的速度升温至750℃，保温8min，再以3℃/min的速度升温至1030℃，保温35min，再随炉冷却至890℃，保温45min，再水淬至室温；水淬时，淬火前冷却水水温为22℃，淬火后水温≤60℃；
(6)595℃下回火，保温3.5h后，随炉冷却至室温。
实施例2：
一种建筑用高强度低碳低合金钢，其各元素成分的重量百分比为：C：0.09％，Si：0.16％，Mn：0.7％，Ni：0.81％，B：0.013％，Zr：0.14％，Nb：0.07％，Re：0.0018％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，包括以下步骤：
(1)配料后将各原料加入中频感应炉中进行熔炼，加热至1600℃，保温10min，加入原料总量0.07％的纳米碳化锆，保温20min；
(2)用0.05％的硅钙粉对钢水进行脱氧，再***铝丝进行终脱氧，将钢水温度调节至1620℃，出炉；浇包底部放入变质剂，变质剂的加入量为钢水总量的0.7％，用包内冲入法对钢水进行变质处理；
其中，变质剂其化学成分的百分比为：RE：40％，B：10％，Nb:10％，Ca：6％，余量为Fe；RE为Y和Nd，Y和Nd的质量比为1：4；
(3)将钢水浇注至铸模中，当铸模内坯料冷却至930℃时，取出坯料，空冷至室温；
(4)将浇注所得坯料进行三镦三拔的锻造工序，始锻温度为1120℃，终锻温度为870℃；锻造结束后空冷至620℃后，再置入保温坑进行缓冷，缓冷时间为30h，出坑温度为90℃；
(5)将锻件装入预热至330℃的炉中，先以28℃/min的速度升温至700℃，保温8min，再以3.5℃/min的速度升温至1030℃，保温325min，再随炉冷却至900℃，保温45min，再水淬至室温；水淬时，淬火前冷却水水温为25℃，淬火后水温≤60℃。
(6)590℃下回火，保温4h后，随炉冷却至室温。
实施例3：
一种建筑用高强度低碳低合金钢，其各元素成分的重量百分比为：C：0.11％，Si：0.13％，Mn：0.7％，Ni：0.6％，B：0.021％，Zr：0.16％，Nb：0.07％，Re：0.0018％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，包括以下步骤：
(1)配料后将各原料加入中频感应炉中进行熔炼，加热至1580℃，保温10min，加入原料总量0.05％的纳米碳化锆，保温18min；
(2)用0.05％的硅钙粉对钢水进行脱氧，再***铝丝进行终脱氧，将钢水温度调节至1620℃，出炉；浇包底部放入变质剂，变质剂的加入量为钢水总量的0.8％，用包内冲入法对钢水进行变质处理；
其中，变质剂其化学成分的百分比为：RE：40％，B：10％，Nb:10％，Ca：6％，余量为Fe；RE为Y和Nd，Y和Nd的质量比为1：5；
(3)将钢水浇注至铸模中，当铸模内坯料冷却至940℃时，取出坯料，空冷至室温；
(4)将浇注所得坯料进行三镦三拔的锻造工序，始锻温度为1130℃，终锻温度为860℃；锻造结束后空冷至620℃后，再置入保温坑进行缓冷，缓冷时间为26h，出坑温度为100℃；
(5)将锻件装入预热至360℃的炉中，先以35℃/min的速度升温至700℃，保温8min，再以4℃/min的速度升温至1020℃，保温35min，再随炉冷却至900℃，保温50min，再水淬至室温；水淬时，淬火前冷却水水温为25℃，淬火后水温≤60℃；
(6)620℃下回火，保温4h后，随炉冷却至室温。
实施例4：
一种建筑用高强度低碳低合金钢，其各元素成分的重量百分比为：C：0.05％，Si：0.17％，Mn：0.85％，Ni：0.85％，B：0.025％，Zr：0.1％，Nb：0.09％，Re：0.003％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，包括以下步骤：
(1)配料后将各原料加入中频感应炉中进行熔炼，加热至1620℃，保温8min，加入原料总量0.07％的纳米碳化锆，保温20min；
(2)用0.03％的硅钙粉对钢水进行脱氧，再***铝丝进行终脱氧，将钢水温度调节至1610℃，出炉；浇包底部放入变质剂，变质剂的加入量为钢水总量的0.6％，用包内冲入法对钢水进行变质处理；
其中，变质剂其化学成分的百分比为：RE：30％，B：15％，Nb:8％，Ca：5％，余量为Fe；RE为Ce和La，Ce和La的质量比为1：3；
(3)将钢水浇注至铸模中，当铸模内坯料冷却至910℃时，取出坯料，空冷至室温；
(4)将浇注所得坯料进行三镦三拔的锻造工序，始锻温度为1100℃，终锻温度为870℃；锻造结束后空冷至600℃后，再置入保温坑进行缓冷，缓冷时间为20h，出坑温度为80℃；
(5)将锻件装入预热至340℃的炉中，先以28℃/min的速度升温至750℃，保温5min，再以3℃/min的速度升温至1010℃，保温30min，再随炉冷却至890℃，保温40min，再水淬至室温；水淬时，淬火前冷却水水温为20℃，淬火后水温≤60℃；
(6)580℃下回火，保温3.5h后，随炉冷却至室温。
实施例5：
一种建筑用高强度低碳低合金钢，其各元素成分的重量百分比为：C：0.08％，Si：0.1％，Mn：1.1％，Ni：0.7％，B：0.01％，Zr：0.18％，Nb：0.06％，Re：0.001％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，包括以下步骤：
(1)配料后将各原料加入中频感应炉中进行熔炼，加热至1600℃，保温10min，加入原料总量0.06％的纳米碳化锆，保温15min；
(2)用0.04％的硅钙粉对钢水进行脱氧，再***铝丝进行终脱氧，将钢水温度调节至1630℃，出炉；浇包底部放入变质剂，变质剂的加入量为钢水总量的0.7％，用包内冲入法对钢水进行变质处理；
其中，变质剂其化学成分的百分比为：Y：33％，B：14％，Nb:13％，Ca：3％，余量为Fe；
(3)将钢水浇注至铸模中，当铸模内坯料冷却至930℃时，取出坯料，空冷至室温；
(4)将浇注所得坯料进行三镦三拔的锻造工序，始锻温度为1120℃，终锻温度为870℃；锻造结束后空冷至630℃后，再置入保温坑进行缓冷，缓冷时间为30h，出坑温度为85℃；
(5)将锻件装入预热至300℃的炉中，先以31℃/min的速度升温至730℃，保温6min，再以3.5℃/min的速度升温至1030℃，保温32min，再随炉冷却至890℃，保温45min，再水淬至室温；水淬时，淬火前冷却水水温为22℃，淬火后水温≤60℃；
(6)590℃下回火，保温3h后，随炉冷却至室温。
实施例6：
一种建筑用高强度低碳低合金钢，其各元素成分的重量百分比为：C：0.08％，Si：0.13％，Mn：1.1％，Ni：0.7％，B：0.025％，Zr：0.15％，Nb：0.08％，Re：0.002％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺同实施例1。
实施例7：
一种建筑用高强度低碳低合金钢，其各元素成分的重量百分比为：C：0.07％，Si：0.16％，Mn：0.9％，Ni：0.85％，B：0.012％，Zr：0.15％，Nb：0.09％，Re：0.002％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺同实施例2。
性能测试：
本发明实施例1-7中的低碳低合金钢的性能测试数据如表1所示。
表1低碳低合金钢的性能测试数据
Figure BDA0002296976580000111
由表1可知，本发明实施例1-7中的低碳低合金钢的力学性能十分优异，强度高，韧性好。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种建筑用高强度低碳低合金钢，其特征在于，其各元素成分的重量百分比为：C：0.05-0.11％，Si：0.1-0.17％，Mn：0.7-1.1％，Ni：0.6-0.85％，B：0.01-0.025％，Zr：0.1-0.18％，Nb：0.06-0.09％，Re：0.001-0.003％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的建筑用高强度低碳低合金钢，其特征在于，其各元素成分的重量百分比为：C：0.078％，Si：0.13％，Mn：0.95％，Ni：0.72％，B：0.019％，Zr：0.15％，Nb：0.08％，Re：0.0025％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的建筑用高强度低碳低合金钢，其特征在于，其各元素成分的重量百分比为：C：0.09％，Si：0.16％，Mn：0.7％，Ni：0.81％，B：0.013％，Zr：0.14％，Nb：0.07％，Re：0.0018％，P≤0.006％，S≤0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料后将各原料加入中频感应炉中进行熔炼，加热至1580-1620℃，保温8-10min，加入原料总量0.05-0.07％的纳米碳化锆，保温15-20min；
(2)用0.03-0.05％的硅钙粉对钢水进行脱氧，再***铝丝进行终脱氧，将钢水温度调节至1610-1630℃，出炉；浇包底部放入变质剂，用包内冲入法对钢水进行变质处理；
(3)将钢水浇注至铸模中，当铸模内坯料冷却至910-940℃时，取出坯料，空冷至室温；
(4)将浇注所得坯料进行三镦三拔的锻造工序，始锻温度为1100-1130℃，终锻温度为860-870℃；锻造结束后空冷至600-630℃后，再置入保温坑进行缓冷，缓冷时间为20-30h，出坑温度为80-100℃；
(5)将锻件装入预热至300-360℃的炉中，先以28-35℃/min的速度升温至700-750℃，保温5-8min，再以3-4℃/min的速度升温至1010-1030℃，保温30-35min，再随炉冷却至890-900℃，保温40-50min，再水淬至室温；
(6)580-620℃下回火，保温3-4h后，随炉冷却至室温。
5.根据权利要求4所述的建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，其特征在于，所述变质剂其化学成分的百分比为：RE：30-40％，B：10-15％，Nb:8-13％，Ca：3-6％，余量为Fe。
6.根据权利要求5所述的建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，其特征在于，所述RE为Ce、Y、La、Nd中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，其特征在于，所述RE为Y和Nd，Y和Nd的质量比为1：3-5。
8.根据权利要求4所述的建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，其特征在于，所述变质剂的加入量为钢水总量的0.6-0.8％。
9.根据权利要求4所述的建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，其特征在于，所述水淬时，淬火前冷却水水温为20-25℃，淬火后水温≤60℃。
10.根据权利要求4所述的建筑用高强度低碳低合金钢的制备工艺，其特征在于，所述回火温度为595℃。
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