CN112011736B - 一种含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢的制备方法，属于建筑钢领域。其化学成分为：C：0.085‑0.115％，Mn：1.20‑1.40％，Si：0.25‑0.35％，Cr：0.35‑0.55％，Mo：0.01‑0.10％，Nb：0.02‑0.06％，V：0.02‑0.06％，Cu：0.10‑0.20％，Ni：0.1‑0.3％，P：0‑0.01％，S：0‑0.01％，RE：0.05‑0.10％，其余为Fe和不可避免的微量的化学元素。采用真空冶炼并浇铸成坯，一阶段热轧成型，空冷至室温。本发明通过添加稀土元素，能有效调控钢材组织，所制得的钢屈服强度Rel≥460MPa，抗拉强度Rm≥570MPa，屈强比低于0.75，延伸率A≥25％，冲击吸收功Akv(‑40℃)≥80J，相对腐蚀速率(以Corten A为标准)低于60％，可有效减小贝氏体岛状物尺寸、增加铁素体中的析出速度和数量、减小点腐蚀的发生，达到提升钢的抗震、耐蚀、耐火性能的目的。在建筑用钢领域具有一定实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及建筑用结构钢领域，尤其涉及一种含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢的制备方法。
背景技术
钢结构建筑具有节能环保、抗震性好、重量轻、施工快和舒适美观的优点，因此被广泛应用于高层建筑、大型公共建筑、高档住宅等消防安全要求较高的地方。其中，460MPa级的钢材可满足实际使用需求，具有一定代表性。
近年来，国内460MPa级建筑用钢发展迅速。虽然厚板已经进入普遍应用和推广的阶段，但能够同时具备优异的耐火、耐蚀性能，并且还具有良好的抗震性能的结构钢相对更少，因此其研发具有一定的实用价值与现实意义。
经检索，公开号为CN13354273A的文献，公开了《一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法》，该文献含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ti、Als、N、O、Cr、Ni、Cu、Ca、B，此外还含有Nb、V、RE中的一种或一种以上，余量为Fe；该文献提及的钢具有高强度、高韧性、优良的耐火、耐候性能，但由于含有较多P含量，将会导致焊接性能变差，且需进行正火+回火处理，工艺路线复杂，成本相应升高。且添加B，易产生偏聚，影响韧性。
经检索，公开号为CN110241361A的文献，公开了一种460MPa级抗震耐火建筑H型钢及其制备方法。其化学成分为:C:0.06-0.08％，Mn:1.4-1.6％，Si:0.15-0.25％，Cr:0.3-0.5％,Mo:0.20-0.35％,Nb:0.02-0.04％，Ti:0.1-0.15％，V:0.06-0.11％，Cu:0.25-0.30％，Ni:0.30-0.35％，P:<0.012％，S:<0.002％，其余为铁和不可避免的微量的化学元素。其采用常规真空冶炼并浇铸成坯；对铸坯进行加热；热轧成H型钢，空冷至室温，得到双相组织。该发明钢中Mo、Ti、V等含量较高，这种成分体系相对成本较高，并且Ti的大量添加，实际生产时韧性难以控制，并且实际使用时耐蚀性能是一项重要指标，对比的发明中没有相关描述。相比之下，本文所述发明通过显著降低Mo含量以及无Ti处理，可以节约成本；降低Cu、Ni含量，添加一定量的稀土元素，除获得优异的耐火性能外，使得到的钢具有更好的耐腐蚀性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢的制备方法，其性能能够满足GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》要求，交货状态为热轧态，热处理工艺简单，工艺窗口较宽，屈服强度Rel≥460MPa，抗拉强度Rm≥570MPa，屈强比低于0.75，延伸率A≥25％，冲击吸收功Akv(-40℃)≥80J，相对腐蚀速率(以Corten A为标准)低于60％。
本发明通过添加稀土元素，使其在脱硫、脱氧、夹杂物变性等方面起作用，减少点腐蚀的发生，并促进保护性锈层的生成，从而优化耐蚀性能；稀土元素可使贝氏体钢中粒状贝氏体的岛状物更加细小且聚集，增强屈强比，即抗震性能；稀土元素还可以降低奥氏体中第二相的析出速率，增大其在铁素体区的析出速度与数量，从而提升高温性能。
本发明提供一种含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢的制备方法，其特征在于，所述钢的化学成分以质量百分数计为：C：0.085-0.115％，Mn：1.20-1.40％，Si：0.25-0.35％，Cr：0.35-0.55％，Mo：0.01-0.10％，Nb：0.02-0.06％，V：0.02-0.06％，Cu：0.10-0.20％，Ni：0.1-0.3％，P：0-0.01％，S：0-0.01％，RE：0.05-0.10％，其余为Fe和不可避免的微量的化学元素。
其生产工艺依次包括：真空冶炼、浇铸成坯、热轧成型，轧后空冷至室温；其中热轧工艺采用再结晶区温度轧制，轧制工艺中控制的技术参数为：再加热温度1150-1200℃，保温2h以上；开轧温度控制在1050-1069℃；终轧温度控制在950-969℃。
所述钢的屈服强度Rel≥460MPa，抗拉强度Rm≥570MPa，屈强比低于0.75，延伸率A≥25％，冲击吸收功Akv(-40℃)≥80J，相对腐蚀速率(以Corten A为标准)低于60％；在600℃保温3h后屈服强度不低于室温下强度的2/3；添加百分比含量为0.05-0.10％的稀土元素，可使粒状贝氏体中岛状物更加细小，从而提升抗震性能；可降低奥氏体中的第二相析出速率，并增加铁素体中的析出速度与数量，从而提升高温性能；可减少点腐蚀的发生，从而优化其耐蚀性能。
上述含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢的制备方法，其轧制后的组织为铁素体与贝氏体的双相组织，其中铁素体占比80％以上，由于稀土元素的添加，增加了遇火时的析出量，同时减小了析出物的尺寸，增强第二相强化效果，提高耐火性能。添加百分比含量为0.05-0.10％的稀土元素，将使粒状贝氏体中岛状物更加细小，从而提升抗震性能；添加稀土元素将降低奥氏体中的第二相析出速率，并增加铁素体中的析出速度与数量，从而提升高温性能；同时还将减少点腐蚀的发生，从而优化其耐蚀性能。
本发明通过成分设计及控轧控冷工艺的调控，可以很好的改善综合性能，尤其是耐火性能、抗震性能和耐蚀性能的耦合。在原有成分基础上通过添加一定量的稀土元素后，可进一步提高钢材的抗震、耐蚀、耐火性能。
本发明主要化学成分含量控制所起的作用具体为：
本发明的C含量选择在0.085-0.115％。C作为保证力学性能的元素之一，可通过固溶强化显著提高强度。若C含量过高易产生偏析，影响低温韧性与焊接性能；若C含量过低则会降低钢材强度与屈强比。
本发明的Si含量选择在0.25-0.35％。Si通过固溶强化提高钢强度的同时，也能起到脱氧的作用，但Si含量过高会导致低温冲击韧性降低。
本发明的Mn含量选择在1.20-1.40％。Mn的作用主要为增强韧性以及脱氧、脱硫，Mn含量过低将会降低钢的强度，含量过高则会有损韧性以及焊接性能。
本发明的Nb含量选择在0.02-0.06％。Nb是碳氮化物形成元素，可以起到析出强化作用，并钉扎奥氏体晶界到细化作用，提高强度。此外，Nb还可以提高钢的奥氏体再结晶温度，使其可以在更高的温度下轧制。并且Nb的添加使本发明钢在轧后空冷时产生相间析出，遇火产生大量过饱和析出，起到强化作用，进而提高耐火性能。
本发明的V含量选择在0.02-0.06％。V是强碳氮化物形成元素，可以起到析出强化作用，并钉扎奥氏体晶界到细化作用，同时在轧后空冷产生相间析出，遇火时产生大量过饱和析出，起到强化作用，进而提高耐火性能。
本发明的Cr含量选择在0.35-0.55％。提高钢的耐蚀性能，还能提高钢的淬透性，具有二次硬化作用，但含量过高会降低基体和热影响区的韧性。
本发明的Mo含量选择在0.01-0.10％。Mo增加了淬透性，有利于贝氏体组织的生成，Mo含量越高，贝氏体体积分数越大。主要通过钼的固溶强化和Mo富集区的沉淀强化提高高温强度，还可以在高温抑制位错湮灭。但Mo属于贵重金属，因此本发明将其含量控制在0.1％以下。
本发明的Ni含量选择在0.10-0.30％。Ni的主要作用为提高钢的淬透性，并提高过冷奥氏体的稳定性，降低位错运动阻力，促进交滑移，改善韧性。还能强化基体。
本发明的Cu含量选择在0.10-0.20％。有助于提高钢的淬透性和耐大气腐蚀能力，具有一定的沉淀强化作用，固溶于贝氏体中的铜原子在温度升高时能快速析出，提高高温强度。
本发明的RE含量选择在0.05-0.10％。稀土元素的主要作用为脱硫、脱氧、夹杂物变性等，它可以减少点腐蚀的发生，并促进保护性锈层的生成，从而优化耐蚀性能；稀土元素可使贝氏体钢中粒状贝氏体的岛状物更加细小且聚集，降低屈强比，即抗震性能；稀土元素还可以降低奥氏体中第二相的析出速率，增大其在铁素体区的析出速度与数量，从而提升高温性能。但稀土元素含量过多将会降低效果，故需适量添加。
本发明的P、S含量选择为P:<0.01％，S:<0.01％。P、S是钢中不可避免的有害元素，会降低钢材的韧性与塑性，因此含量需严格控制。
本发明的有益效果是：本发明所述的含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢成分简单，轧制工艺简单。通过添加稀土元素，进一步增强钢材的抗震、耐蚀、耐火性能。可广泛应用于现代钢结构建筑中，可有效提高在地震、火灾中的安全性，具有很强的实用性。
附图说明
图1本发明实施例1钢经过硝酸酒精侵蚀后的光学显微镜观察的金相图，图2本发明实施例1钢保温3小时后经过萃取复型后透射电镜观察的析出物分布及形貌。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明所述的含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢的制备方法进一步说明：
表1所列为实施例1、2的含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢化学成分的质量百分数(余量为Fe和不可避免的杂质)。
表1 实施例1、2化学成分(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | Mo | V | Nb | Cr | Cu | Ni | RE | P | S |
| 1 | 0.10 | 0.30 | 1.30 | 0.07 | 0.05 | 0.04 | 0.41 | 0.20 | 0.26 | 0.09 | 0.007 | 0.003 |
| 2 | 0.09 | 0.32 | 1.35 | 0.08 | 0.06 | 0.05 | 0.44 | 0.19 | 0.22 | 0.07 | 0.008 | 0.003 |
实施例1、2采用电炉冶炼，铸造方式为连铸，再通过再结晶区一阶段热轧成型，其中再加热温度为1200℃，保温时间2h，开轧温度控制为1060℃，终轧温度为960℃，冷却至室温。
表2所列为对比例1、2的不含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢化学成分的质量百分数(余量为Fe和不可避免的杂质)。其中对比例1与本发明所述的实施例区别在于，对比例1中未添加稀土元素。
表2 对比例1、2化学成分(wt％)
| 对比例 | C | Si | Mn | Mo | V | Nb | Cr | Cu | Ni | RE | P | S |
| 1 | 0.10 | 0.28 | 1.30 | 0.09 | 0.05 | 0.05 | 0.40 | 0.19 | 0.20 | - | 0.007 | 0.005 |
| 2 | 0.10 | 0.30 | 1.23 | 0.08 | 0.06 | 0.04 | 0.38 | 0.18 | 0.20 | 0.08 | 0.007 | 0.004 |
对比例1采用电炉冶炼，铸造方式为连铸，再通过再结晶区一阶段热轧成型，其中再加热温度为1200℃，保温时间2h，开轧温度控制为1060℃，终轧温度为960℃，冷却至室温。
对比例2采用电炉冶炼，铸造方式为连铸，再通过再结晶区和非再结晶区两阶段热轧成型，其中再加热温度为1200℃，保温时间2h，开轧温度控制为1060℃，终轧温度为850℃，冷却至室温。
对比例2与本发明所述的实施例区别在于：对比例2的终轧温度为850℃，低于实施例所采用的960℃。
表3所列为本发明实施例1、2，对比例1、2的力学性能与腐蚀性能检测结果列表。本发明腐蚀评价方法参照GB/T 20853-2007,并与Corten A腐蚀能力进行对比。
表3 实施例1、2，对比例1、2力学性能、腐蚀性能数据
从表3可以看出：
本发明所述的含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢实施例产品，其屈服强度、屈强比、延伸率、冲击韧性均达到460MPa级抗震耐蚀耐火建筑钢的要求。同时，耐火性能优越，600℃保温3小时后的屈服强度不低于室温下屈服强度的2/3，满足要求；耐蚀性能也有显著提高。
通过实施例1、2与对比例1的对比，可以看出：通过添加稀土元素，可以有效提高钢材的力学性能、高温性能，并且显著优化其耐腐蚀性能。
通过实施例1、2与对比例2的对比，可以看出：通过对生产工艺的控制，提高终轧温度可以显著提高钢材的力学性能，尤其对高温性能提升显著。
Claims (1)
1.一种含稀土的460MPa级建筑用抗震耐蚀耐火钢的制备方法，其特征在于，所述钢的化学成分以质量百分数计为：C：0.085-0.115％，Mn：1.20-1.40％，Si：0.25-0.35％，Cr：0.35-0.55％，Mo：0.01-0.10％，Nb：0.02-0.06％，V：0.02-0.06％，Cu：0.10-0.20％，Ni：0.1-0.3％，P：0-0.01％，S：0-0.01％，RE：0.05-0.10％，其余为Fe和不可避免的微量的化学元素；其生产工艺依次包括：真空冶炼、浇铸成坯、热轧成型，轧后空冷至室温；其中热轧工艺采用再结晶区温度轧制，轧制工艺中控制的技术参数为：再加热温度1150-1200℃，保温2h以上；开轧温度控制在1050-1069℃；终轧温度控制在950-969℃；
添加百分比含量为0.05-0.10％的稀土元素，将使粒状贝氏体中岛状物更加细小，从而提升抗震性能；添加稀土元素将降低奥氏体中的第二相析出速率，并增加铁素体中的析出速度与数量，从而提升高温性能；同时还将减少点腐蚀的发生，从而优化其耐蚀性能；
所述钢的屈服强度Rel≥460MPa，抗拉强度Rm≥570MPa，屈强比低于0.75，延伸率A≥25％，冲击吸收功Akv(-40℃)≥80J，相对腐蚀速率(以Corten A为标准)低于60％；在600℃保温3h后屈服强度不低于室温下强度的2/3。
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