CN111356780A - 厚度为至少100mm的型钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及型钢，其包括在每一侧连接至厚度为至少100mm的翼缘部分的腹板中央部分，这样的型钢具有按重量百分比计包含以下的组成：C：0.06％‑0.16％、Mn：1.10％‑2.00％、Si：0.10％‑0.40％、Cu：0.001％‑0.50％、Ni：0.001％‑0.30％、Cr：0.001％‑0.50％、Mo：0.001％‑0.20％、V：0.06％‑0.12％、N：0.0050％‑0.0200％、Al≤0.040％、P≤0.040％、S≤0.030％，并且按重量百分比计任选地包含以下元素中的一者或更多者：Ti<0.005％、Nb≤0.05％，剩余部分为铁和由细化产生的杂质，并且所述型钢的显微组织包含至少一种可能还含有选自铬、锰和铁的一种或更多种金属的钒析出物，所述析出物选自氮化物、碳化物、碳‑氮化物或它们的任意组合，大于70％的这样的析出物的平均直径小于6nm。本发明还涉及其制造方法。

Description

厚度为至少100mm的型钢及其制造方法
本发明涉及包括在每一侧连接至厚度大于100mm的翼缘部分的腹板中央部分的型钢。根据本发明的型钢特别适合于制造用于高层建筑、长跨度、传送和带式桁架、悬臂梁和桥大梁的柱。
用户对更高的机械特性(例如屈服强度和韧性)以及优异的技术特性的要求始终推动着新的现代结构钢种的发展，从而确保了在车间和现场的有效制造技术。
因此，本发明的目的是提供具有优异的焊接性的达到至少485MPa的高屈服强度和至少580MPa的高抗拉强度的钢制重型型材。
在结构钢制造的实践中，已知为了提高强度和韧性，优选在较低的温度下通过热轧来细化组织或添加一些用于奥氏体晶粒细化的合金元素。两种解决方案都不足以用于重型结构钢制造，因为在较低的热轧温度的情况下，辊的过热是不可避免的。同时，当以大量添加合金元素时，钢的焊接性劣化。
本发明的目的通过提供根据权利要求1的钢制重型型材来实现。该钢制重型型材还可以包括权利要求2至12的特征。另一个目的通过提供根据权利要求13的方法来实现。
本发明的其他特征和优点将由本发明的以下详细描述和附图而变得明显：
-图1：示出了示出在重型型材的翼缘的芯中的随机分布的析出物的电子显微照片，
-图2：示出了示出排列在规则间隔的带中的析出物的电子显微照片。
除非另有说明，否则所有的组成百分比均以重量百分比(重量％)给出。关于钢的化学组成，碳在形成显微组织和达到目标机械特性方面起着重要作用。其主要作用是通过马氏体/贝氏体相的硬化以及通过形成钢的金属元素的碳化物和/或碳-氮化物来提供强化。根据本发明的等级的碳含量为0.06重量％至0.16重量％。低于0.06％的碳含量将不产生足够的机械阻力水平，导致屈服强度值低于485MPa。相反，高于0.16％的碳含量将导致钢的延展性和焊接性降低。优选地，碳含量为0.08％至0.14％，以获得足够的强度和焊接性。
锰是提高淬透性的元素。根据本发明的等级的锰含量为1.10％至2.00％。低于1.10％的锰含量将不产生足够的机械阻力水平。相反，高于2.00％的锰含量将导致降低的焊接性或者将促进硬马氏体-奥氏体成分的形成，还负面地影响钢的韧性。
硅是脱氧元素并且有助于提高强度。低于0.10％的硅含量将不产生足够的机械阻力水平，也不产生良好的脱氧。相反，高于0.40％的硅含量将导致形成氧化物，从而降低钢的焊接特性。
铜是有助于通过淬透性改善和沉淀强化来提高钢的强度的元素。低于0.001％的铜含量将不产生足够的机械阻力水平。相反，高于0.50％的铜含量将导致增加碳当量，并因此使焊接性劣化或在热变形期间影响钢的热脆性，这是由富Cu相渗入晶界导致的。
镍是有助于提高钢的强度和韧性的元素。低于0.001％的镍含量将不产生足够的机械阻力水平。相反，高于0.30％的镍含量将导致高合金成本。
铬是有助于通过固溶硬化以及通过沉淀硬化改善淬透性来提高钢的强度的元素。低于0.001％的铬含量将不产生足够的机械阻力水平。相反，高于0.50％的铬含量将导致产生可能使钢的韧性劣化的粗的铬碳化物或碳-氮化物。
钼是有助于通过改善淬透性来提高钢的强度的元素。低于0.001％的钼含量将不产生足够的机械阻力水平。相反，高于0.20％的钼含量将导致降低钢的韧性。
钒是用于通过氮化物、碳-氮化物或碳化物的析出以及通过晶粒细化来实现硬化和强化的重要元素。钒析出的形成限制了奥氏体晶粒粗化，从而导致铁素体晶粒减少和由于铁素体相的析出而提高强度。钒还将防止渗碳体中的铬和锰迁移，导致它们应用于小析出形成中。低于0.06％的钒含量将不产生足够的机械阻力水平。相反，高于0.12％的钒含量将导致过度析出可能引起韧性降低的风险，该风险必须避免。在一个优选的实施方案中，将钒添加限制为0.09％以进一步提高钢的韧性。
氮是形成金属元素如钒、铌、铝和钛的氮化物和碳-氮化物的重要元素。它们的尺寸、分布密度和稳定性对机械强化具有显著影响。低于0.0050％的氮含量将不产生足够水平的析出和晶粒尺寸控制。为了进一步改善这些特性，优选0.0060％，或甚至为0.0070％，或甚至更好为0.0080％的最低水平。相反，高于0.0200％的氮含量将导致在钢中存在游离氮，其被认为对焊接后的热影响区的韧性具有负面影响。
在热轧期间，部分钒将与氮结合以形成用于奥氏体晶界钉扎的VN颗粒。然后处于溶解状态的剩余的钒将在钢的冷却期间以细的析出物的形式析出，从而对最终强度做出重要贡献。发明人发现，可以通过优化型钢中的钒与氮的比例以接近4:1的化学计量比来增强沉淀强化。在一个优选的实施方案中，V与N之比为2.5至7，并且甚至为3至5。
可以在钢中添加铝以获得脱氧作用并从钢中除去氧。如果在钢中添加其他脱氧元素，则铝含量为0.005％或更低。否则，铝含量为0.005％至0.040％。如果铝含量太高，则将优先于VN发生AlN的形成，并且AlN在尺寸上大于VN，因此钉扎奥氏体晶界将不会像VN那样有效。
硫和磷是使晶界变脆并导致形成中心偏析和显微偏析的杂质。它们各自的含量必须不超过0.030％和0.040％，以保持足够的热延性并避免焊接特性的劣化。
铌是可以任选地用于通过氮化物、碳-氮化物或碳化物的析出来实现硬化和强化的元素。其通过细化奥氏体晶粒在轧制期间抑制奥氏体晶粒的生长，从而导致强度和低温韧性的改善。然而，当其量高于0.05％时，由于马氏体硬化而可能使热影响区的韧性劣化。另一方面，当铌量为0.05％和更高时，其将钉扎至可用的氮，从而损害氮形成确保型材延性芯的强化的钒析出物。
钛是可以任选地用于通过氮化物、碳-氮化物或碳化物的析出来实现硬化和强化的元素。然而，当其量高于或等于0.005％时，存在TiN形成而不是VN的风险。此外，作为长方体颗粒的TiN可能作为应力集中点发生反应，从而负面地影响钢的韧性和疲劳特性。在一个优选的实施方案中，钛的最大量设定为0.003％，并且甚至设定为0.001％。
在一个优选的实施方案中，该等级的碳、锰、铬、钼、钒、镍和铜的含量为使得
0.4≤CEV≤0.6
其中CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
遵守这些值确保了通过充分形成贝氏体而使型钢的淬透性将在合适的范围内，同时保持型钢的良好的焊接性。减少的碳当量使得避免了诸如预热(当可接受时)的焊接处理步骤，并且还导致制造成本的降低。在一个优选的实施方案中，CEV≤0.5％。
型钢包括在每一侧连接至翼缘部分的腹板中央部分。
根据本发明的型钢的翼缘的厚度被设定为大于100mm，从而尤其允许将这样的梁用于高层建筑结构。其厚度优选小于140mm，因为难以获得确保所要求的拉伸和韧性特性的足够的冷却速率。
根据本发明，重型型材的腹板和翼缘由表面的水冷却产生的硬化区和产品的芯中的非硬化区组成。型钢的每个区可以具有特定的显微组织，所述显微组织可以包含回火马氏体、贝氏体、铁素体和珠光体中的一个或更多个相。铁素体可以以针状铁素体或规则铁素体的形式存在。
每个区的显微组织取决于型钢厚度和其所经历的热路径。
在一个优选的实施方案中，翼缘部分的显微组织从表面到芯包括包含回火马氏体和可能的贝氏体的第一区以及包含铁素体和珠光体的第二区。
第一区可以例如在翼缘部分的表面下延伸多达10mm。
本发明的必要特征是在型钢显微组织中存在至少一种可能还包含选自铬、锰和铁的一种或更多种金属的钒析出物，所述析出物选自氮化物、碳化物、碳-氮化物或它们的任意组合，大于70％的这样的析出物，并且优选大于80％的这样的析出物的平均直径小于6nm。平均直径测定以以下方式进行：测量每个检测的析出物的表面，并应用于相应的圆，从中获取直径，然后给出所有检测的析出物的平均直径尺寸。
在一个优选的实施方案中，那些析出物的平均密度为至少500个析出物/mm2，优选至少1000个析出物/mm2。那些析出物对强度具有有益的效果，强度被认为随着析出物尺寸减小和析出物含量增加而提高。
这样的析出物优选存在于型材的翼缘的芯区中，主要存在于铁素体相中。至少70％的这样的析出物，并且优选至少80％的这样的析出物的平均直径小于6nm。这样的析出物的减小的尺寸增加了它们的硬化效果，并因此增加了型钢的抗拉强度。
在一个优选的实施方案中，两种类型的析出物优选存在于型钢的翼缘的芯中：
-随机分布在铁素体内部的析出物，和
-排列在规则间隔的带中的析出物，因此形成密集地充满着颗粒的平行板。
随机分布的析出物大于排列在规则间隔的带中的析出物。
在一个优选的实施方案中，这样的规则间隔的析出物至少包含钒和铬。
在另一个优选的实施方案中，大于80％的随机分布的析出物的平均直径为3.5nm至6nm。这样的析出物优选至少包含钒、铬和铁。
可以通过任何合适的制造方法来生产根据本发明的型钢，并且本领域技术人员可以限定所述方法。然而，可取的做法是使用以加速冷却结束的工艺，在这种情况下，在热轧步骤之后对表面层进行淬火和自回火。
根据本发明的方法包括以下步骤：
-进给组成为根据本发明的半成品，
-将这样的半成品在高于1000℃的温度下再加热，并以至少900℃的终轧温度对其进行热轧，以获得热轧型钢，
-使热轧型钢冷却以产生全部或部分产品的表面层的马氏体和/或贝氏体淬火，将轧制产品的非淬火部分保持在足够高的温度下，以使得可以引起马氏体和/或贝氏体的经淬火的表面层的自回火，并在随后的冷却期间在型材的芯部分中将奥氏体转变为铁素体和碳化物，淬火后产品的回火表面的最高温度为450℃至650℃，并且甚至为550℃至650℃。
根据本发明的型钢优选通过这样的方法生产：其中铸造由具有上述组成的根据本发明的钢制成的半成品，将铸造投入原料加热至高于1000℃，优选高于1050℃，并且更优选高于1100℃或1150℃的温度，或者在铸造之后直接在这样的温度下使用，而无需中间冷却。这样的温度允许钒碳氮化物完全溶解，这将进一步参与沉淀强化机制。
最终的热轧步骤在高于850℃的温度下进行。轧制结束温度高于或等于850℃，以确保奥氏体晶粒细化并因此在转变后形成较薄的显微组织，这已知增强韧性和强度特性。
在热轧期间，优选使用轧制步骤和控制轧制温度的控制组合。目的是在热轧期间随后的重结晶期间通过晶粒细化来产生细晶粒的显微组织。
然后优选使用淬火和自回火工艺来使通过上述方法获得的热轧产品冷却。
所谓的淬火和自回火工艺(QST)在于，通过流体对从轧机的完成机座出来的热轧型钢进行冷却，以产生全部或部分产品的表面层的马氏体和/或贝氏体淬火。此外，在流体冷却区的出口处，轧制产品的非淬火部分处于足够高的温度，以允许在随后的空气冷却期间发生马氏体和/或贝氏体的表面层的回火。
例如，用于进行淬火和自回火步骤的冷却流体通常为有或没有常规添加剂的水，或矿物盐的水溶液。流体可以为例如通过使水悬浮在气体中而获得的雾，或者其可以为气体例如蒸汽。
从实用的角度来看，轧制产品的期望冷却取决于所使用的冷却设备以及取决于冷却装置的长度和流量特性的合适选择。
产品的尺寸以及钢的组成是已知的，因此其连续冷却转变图是已知的，使得可以确定应用于型钢的适当处理的条件，其中确定马氏体形成的温度和可用于进行表面淬火至期望的深度的最大时间。
基于轧制型钢的芯和表皮中的温度梯度的曲线，可以要移除的热量的量以及冷却设备的特征和冷却设备所应用的流体的流量。
为了监测型钢的不同区域中期望的显微组织的形成，测量从马氏体和/或贝氏体淬火结束开始的型钢的表皮温度的演变。淬火后，在型材从轧机的最后一个机座出来之后，表皮温度升高，而芯处的温度持续降低。给定截面中的表皮温度和芯温度朝向从此处两条曲线连续基本上彼此平行的时间会聚。此时的表皮温度被称为“均衡温度”。
实施例
将组成汇总在表1中的两个等级铸造为半成品，并按照表2中汇总的工艺参数，通过加热、受控热轧和随后的水冷却(通过淬火和自回火实现)，将其加工为型钢。
表1-组成
下表中汇总了测试的组成，其中元素含量以数千重量百分比表示：
Figure BDA0002493621890000061
Figure BDA0002493621890000071
试验1为比较例，而试验2为根据本发明的实施例。
表2-工艺参数
在以下条件下加工作为铸件的钢半成品
Figure BDA0002493621890000072
然后分析所得样品，并在表3和表4中分别汇总了相应的显微组织元素和机械特性。
表3-显微组织和析出物
确定了所获得的型钢的显微组织的相百分比：
Figure BDA0002493621890000073
n°1型材的两个区中(尤其是芯区中)的相百分比与n°2型材非常相似，表明在较小的显微组织尺度下观察到钒沉淀强化的影响。
通过从型材的翼缘厚度的芯区获取的碳提取副本的TEM检测进行的析出分析表明存在钒析出物。通过TEM薄箔法进行细析出物分析，该方法允许对析出物的平均尺寸和密度进行定量。
发现参与型材的机械强化的析出物位于型钢的芯区中，特别是在铁素体相内部。
图1示出了主要具有球形的具有较大或较小尺寸的钒析出物。较大尺寸的析出物(直径的典型尺寸为约6nm)大多是随机分布的。但是细析出物(直径的典型尺寸为约3nm)排列在规则间隔的带中。在图2上可以看到，显微组织由密集地充满着钒颗粒的平行板组成。板以规则的间隔出现。
规则间隔的析出物
Figure BDA0002493621890000081
随机分布的析出物
Figure BDA0002493621890000082
表4-机械特性
确定了测试的钢的机械特性并汇总在下表中：
Figure BDA0002493621890000091
实施例表明，根据本发明的型钢是唯一由于其特定的组成和显微组织而显示出所有目标特性的型钢。
根据本发明的型钢显示出优异的高强度值、韧性和良好的焊接性，这在当今不是可容易实现的。用根据本发明的钢种，参与大型建设项目的设计和施工团队可以从更有效的结构解决方案中受益。与其他常用结构钢种相比，该型钢的更高的屈服强度使得能够实现重量减轻以及较低的运输和制造成本。因此，本发明对建筑工业做出了极其重大的贡献。

Claims (14)

1.一种型钢，包括在每一侧连接至厚度为至少100mm的翼缘部分的腹板中央部分，这样的型钢具有按重量百分比计包含以下的组成：
C：0.06-0.16％
Mn：1.10-2.00％
Si：0.10-0.40％
Cu：0.001-0.50％
Ni：0.001-0.30％
Cr：0.001-0.50％
Mo：0.001-0.20％
V：0.06-0.12％
N：0.0050％-0.0200％
Al≤0.040％
P≤0.040％
S≤0.030％
并且按重量百分比计任选地包含以下元素中的一者或更多者：
Ti＜0.005％
Nb≤0.05％
剩余部分为铁和由细化产生的杂质，并且所述型钢的显微组织包含至少一种可能还含有选自铬、锰和铁的一种或更多种金属的钒析出物，所述析出物选自氮化物、碳化物、碳-氮化物或它们的任意组合，大于70％的这样的析出物的平均直径小于6nm。
2.根据权利要求1所述的型钢，其中这样的型材的组成为使得满足以下关系：
0.4≤CEV≤0.6
其中CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
3.根据权利要求1或2所述的型钢，其中钒与氮的量之比为2.5至7。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的型钢，其中所述翼缘部分的显微组织从表面到芯包括包含回火马氏体和可能的贝氏体的硬化区以及包含铁素体和珠光体的芯区。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的型钢，其中这样的型钢包括所述析出物的平均密度为至少500个析出物/mm2的部分。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的型钢，其中这样的析出物的至少一部分排列在规则间隔的带中。
7.根据权利要求6所述的型钢，其中大于80％的这样的规则间隔的析出物的平均直径小于3nm。
8.根据权利要求6或7所述的型钢，其中这样的规则间隔的析出物至少包含钒和铬。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的型钢，其中这样的析出物的至少一部分随机分布在位于所述型钢的所述芯中的铁素体相中。
10.根据权利要求9所述的型钢，其中大于80％的这样的随机分布的析出物的平均直径为3.5nm至6nm。
11.根据权利要求10所述的型钢，其中这样的随机分布的析出物至少包含钒、铬和铁。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的型钢，其中所述析出物位于所述芯区中。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的型钢，其中所述翼缘部分的厚度为至多140mm。
14.一种型钢的制造方法，包括以下步骤：
-进给组成为根据权利要求1至3的钢半成品，
-将这样的钢半成品在高于1000℃的温度下再加热，并以至少850℃的终轧温度对其进行热轧，以获得热轧型钢，
-使所述热轧型钢冷却以产生全部或部分产品的表面层的马氏体和/或贝氏体淬火，将轧制产品的非淬火部分保持在足够高的温度下，以使得能够引起马氏体和/或贝氏体的经淬火的表面层的自回火并能够在随后的冷却期间在型材的芯部分中使奥氏体转变为铁素体和碳化物，淬火后产品的回火表面的最高温度为450℃至650℃。
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