本發(fā)明涉及低合金高強(qiáng)鋼制造領(lǐng)域，具體地涉及一種抗拉強(qiáng)度≥600MPa的高韌性低屈強(qiáng)比耐火耐侯鋼及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
鋼鐵技術(shù)的發(fā)展伴隨著普通鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中較差的抗火抗災(zāi)及較弱防腐蝕能力，近年來國內(nèi)外積極開展了相關(guān)抗震鋼、耐火鋼、耐候鋼等的研究應(yīng)用。耐火耐侯鋼可彌補(bǔ)普通鋼結(jié)構(gòu)抗火耐侯性能差的缺點，大大減少防火涂料和耐侯涂層，降低環(huán)境污染，提高資源和能源利用效率，符合國家大政方針要求，因此，從長遠(yuǎn)來看，結(jié)構(gòu)用耐火耐侯鋼是建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)具有巨大潛在需求的優(yōu)質(zhì)鋼材，其市場價值不可估量。
中國發(fā)明專利申請(申請公開號：CN1354273A，申請公開日：2002-6-19)公開了高性能耐火耐侯建筑用鋼及其生產(chǎn)方法，該發(fā)明專利申請的建筑用鋼含有C、Si、Mn、P、S、Mo、Ti、Al、N、O、Cr、Ni、Cu、Ca、B，此外，還含有Nb、V、Re中的一種或一種以上，余量為Fe，經(jīng)過冶煉、軋制和熱處理，使鋼具有高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)良的耐火、耐候性。但該發(fā)明專利申請的缺點是含有較多P含量，致使焊接性能較差，且鋼板需進(jìn)行正火+回火處理，工藝路線復(fù)雜，成本較高，同時鋼板的強(qiáng)度級別較低。
此外，中國發(fā)明專利申請(申請公開號：CN103695772A，申請公開日：2014-04-02)公開了屈服強(qiáng)度為550MPa級耐火耐候抗震建筑用鋼及其生產(chǎn)方法，該發(fā)明專利申請的建筑用鋼組分及wt％為：C：0.041～0.125％，Si：0.31～0.62％，Mn：1.81～2.40％，P≤0.008％，S≤0.002％，Nb：0.041～0.065％，Ti：0.007～0.020％，Mo：0.41～0.63％，W：0.07～0.10％，Mg：0.0071～0.0098％，O≤0.0012％，且經(jīng)過鐵水脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、真空處理、添加Mg元素、常規(guī)連鑄并對鑄坯加熱、分段軋制、終軋后進(jìn)行冷卻等工藝，制備得到屈服強(qiáng)度在550～700MPa，抗震性能好即屈強(qiáng)比≤0.83，耐火性能優(yōu)良即600℃屈服強(qiáng)度不低于室溫下的2/3，耐腐蝕性能優(yōu)于CortenB的建筑用鋼。
中國發(fā)明專利申請(申請公開號：CN103695773A，申請公開日：2014-04-02)公開了屈服強(qiáng)度為690MPa級耐火耐候抗震建筑用鋼及其生產(chǎn)方法，該發(fā)明專利申請的建筑用鋼組分及wt％為：C：0.051～0.155％，Si：0.20～0.60％，Mn：1.82～2.55％，P≤0.008％，S≤0.002％，Nb：0.081～0.090％，Ti：0.010～0.025％，Mo：0.41～0.60％，W：0.08～0.10％，Mg：0.0071～0.0095％，O≤0.0010％，且經(jīng)過鐵水脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、真空處理、添加Mg元素、常規(guī)連鑄并對鑄坯加熱、分段軋制、終軋后進(jìn)行冷卻等工藝，制備得到屈服強(qiáng)度在690～850MPa，抗震性能好即屈強(qiáng)比≤0.83的建筑用鋼。但該兩件發(fā)明專利申請的缺點是焊接性能較差，耐候性能不是非常的理想。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供了一種抗拉強(qiáng)度≥600MPa的高韌性低屈強(qiáng)比耐火耐侯鋼及其生產(chǎn)方法。按照本發(fā)明鋼化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝要求，生產(chǎn)的產(chǎn)品具備高強(qiáng)度，高塑韌性，較低屈強(qiáng)比，優(yōu)異的耐火性能、耐侯性能、焊接性能以及抗層狀撕裂性能，良好的冷加工性能。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種抗拉強(qiáng)度≥600MPa的高韌性低屈強(qiáng)比耐火耐侯鋼，其特征在于：其組分及質(zhì)量百分比含量為：C：0.015～0.065％，Si：0.05～0.15％，Mn：1.00～1.45％，P≤0.005％，S≤0.002％，Mo：0.10～0.75％，Cr：0.05～0.80％，Cu：0.10～0.70％，Ni：0.15～0.65％，Nb：0.005～0.060％，V：0.010～0.065％，Ti：0.005～0.015％，Als：0.015～0.035％，Zr：0.0005～0.0075％，Re：0.0005～0.0060％，N：0.0015～0.0050％，O：0.0015～0.0045％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；且部分組分的百分含量滿足如下關(guān)系式：Zr/(O+N)＝0.61～0.86，(Mo+2Cr+Cu)/2Ni＝1.25～3.25，5C+3Mn＝3.2～4.5％，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.23％。
進(jìn)一步地，部分組分的質(zhì)量百分比含量為：Mo：0.20～0.65％，Cr：0.15～0.60％，Cu：0.20～0.65％，Ni：0.20～0.60％，Nb：0.010～0.050％，V：0.015～0.060％，Zr：0.0010～0.0070％，Re：0.0010～0.0055％。
再進(jìn)一步地，Zr的質(zhì)量百分比含量為0.0020～0.0060％，Re的質(zhì)量百分比為0.0010～0.0050％。
更進(jìn)一步地，鋼的屈服強(qiáng)度530MPa≤ReL≤580MPa，抗拉強(qiáng)度700MPa≤Rm≤760MPa，屈強(qiáng)比ReL/Rm≤0.78，600℃時的400MPa≤Rp0.2≤450MPa，延伸率25％≤A≤30％，-40℃KV2≥280J，且耐腐蝕性能優(yōu)于CortenB。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還公開了一種技術(shù)方案，即一種抗拉強(qiáng)度≥600MPa的高韌性低屈強(qiáng)比耐火耐侯鋼的生產(chǎn)方法，包括冶煉并連鑄成坯、加熱、高壓水除磷、軋制、冷卻及矯直工藝步驟，具體工藝步驟如下：
1)加熱工藝：將鑄坯以4.0～8.0℃/s的加熱速率加熱至750～850℃，然后再以8.0～12.0℃/s的加熱速率加熱至1200～1300℃，再將溫度控制在1100～1200℃之間，保溫20～50min；
2)軋制工藝：軋制包括第Ⅰ階段粗軋和第Ⅱ階段精軋，所述第Ⅰ階段粗軋的開軋溫度為1080～1120℃，終軋溫度為1020～1060℃；所述第Ⅱ階段精軋的開軋溫度為860～950℃，終軋溫度為790～860℃；
3)冷卻工藝：對軋制后的鋼板進(jìn)行層流冷卻，且冷卻速度控制在6～20℃/s之間，冷卻返紅溫度為650～780℃，最后空冷至室溫；
4)矯直工藝：軋制后的鋼板溫度冷卻至250℃以下，即進(jìn)行冷矯直。
進(jìn)一步地，所述步驟1)的加熱工藝中，將鑄坯以6.0～8.0℃/s的加熱速率加熱至800℃，然后再以8.1～10.0℃/s的加熱速率加熱至1200～1240℃，再將溫度控制在1120～1200℃之間，保溫30～40min。
再進(jìn)一步地，所述步驟2)的軋制工藝中，第Ⅰ階段粗軋的軋制道次為4～6道，總壓下率為60～75％。
更進(jìn)一步地，所述步驟2)的軋制工藝中，第Ⅱ階段精軋的軋制道次為6～10道，總壓下率為50～60％，且末三道次累計壓下率控制在25～40％。
更進(jìn)一步地，所述步驟3)的冷卻工藝總，層流冷卻時上下水量之比為0.7～0.9，冷卻速度控制在8～15℃/s之間。
本發(fā)明的各化學(xué)組分的選用原理：
碳(C)：碳元素通過間隙置換固溶強(qiáng)化強(qiáng)烈提高鋼的強(qiáng)度，是確保鋼強(qiáng)度必不可少的元素之一，但C含量過高將增加碳偏析的傾向、M-A島體積分?jǐn)?shù)含量以及焊接冷裂紋敏感性系數(shù)，從而惡化鋼的低溫韌性和焊接性能，影響鋼的冷熱加工性能，C含量過低時將提升鋼的相變點，不利于軋制工藝的實施，且導(dǎo)致鋼材強(qiáng)度不足以及屈強(qiáng)比的提高。故C含量限定為0.015～0.065％。
硅(Si)：硅元素在鋼中的主要作用是固溶強(qiáng)化和脫氧，但不利于低溫韌性，由于添加Zr、Als等與O有較強(qiáng)結(jié)合力的元素，同時加入較多其他諸如Mo、Cr等固溶強(qiáng)化較強(qiáng)的合金元素，且考慮到低溫韌性以及焊接性能等，在本發(fā)明鋼中僅添加少量Si起到固溶強(qiáng)化作用，以確?；暮虷AZ低溫沖擊韌性以及延性，故Si含量限定為0.05～0.15％。
錳(Mn)：錳元素是確保鋼材強(qiáng)韌性和焊接熱影響區(qū)性能不可或缺的元素，本發(fā)明中，適量Mn可與Zr、S形成微細(xì)硫化物，這些硫化物可作為針狀鐵素體組織的形核核心，從而細(xì)化組織結(jié)構(gòu)，確保鋼的低溫斷裂韌性和焊接熱影響區(qū)的低溫韌性。當(dāng)Mn含量低于1.00％時，Mn的上述作用無法得到體現(xiàn)；當(dāng)Mn含量高于1.45％時，則會形成較多大尺寸復(fù)雜的硫化物夾雜，惡化鋼的低溫韌性和焊接性能。故Mn含量限定為1.00～1.45％。
磷(P)：磷元素是鋼中的有害雜質(zhì)元素，P雖然能提高鋼的耐蝕性能，但高P易導(dǎo)致偏析，影響鋼的組織均勻性，降低鋼的韌性；而S與Mn易形成粗大的MnS夾雜，對低溫韌性十分不利。
鉬(Mo)：鉬元素在鋼中的作用主要是固溶強(qiáng)化作用，少量Mo以碳化物的形式析出，進(jìn)一步提高鋼的室溫和高溫強(qiáng)度。Mo是奧氏體穩(wěn)定性元素，促進(jìn)高密度位錯亞結(jié)構(gòu)的貝氏體形成，利用組織強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，適量Mo還可以降低鋼的屈強(qiáng)比，提高鋼的抗震性能。Mo還可以促進(jìn)Nb、V的細(xì)小碳氮化合物析出，這些碳化物在高溫下具有較高的穩(wěn)定性，從而提高鋼的高溫性能。但過高的Mo不僅在快速冷卻過程中容易獲得大量的馬氏體組織，在焊接冷卻中也易獲得馬氏體組織，惡化基材和熱影響區(qū)的綜合性能。故Mn含量限定為0.20～0.65％。
鉻(Cr)：鉻元素有效提高鋼板強(qiáng)度的元素，也是提高鋼板淬透性的元素，使得鐵素體相變明顯右移，促進(jìn)中溫轉(zhuǎn)變組織的形成，同時，當(dāng)Cr與Ni、Cu復(fù)合添加的情況下，更有助于提高鋼的淬透性和耐候性能。但當(dāng)Cr含量超過0.60％時，則會顯著降低基材和熱影響區(qū)的韌性。
銅(Cu)：銅元素在鋼中主要起固溶和沉淀強(qiáng)化作用，適量的Cu提高強(qiáng)度而不降低韌性，具有降低屈強(qiáng)比的作用，并提高鋼的耐腐蝕性能。在厚鋼板緩慢冷卻過程中，適量Cu通過自回火可析出ε-Cu，提高鋼板強(qiáng)度。但是當(dāng)Cu含量低于0.20％，其沉淀強(qiáng)化作用不明顯，耐蝕性能得不到保證，當(dāng)Cu含量超過0.65％時，在加熱時會引起熱脆現(xiàn)象，引起表面質(zhì)量問題，降低基材及熱影響區(qū)韌性，同時將會有大量ε-Cu析出，造成屈強(qiáng)比急劇升高。
鎳(Ni)：鎳元素對鋼材強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，但能明顯改善鋼材的低溫韌性和提高鋼的耐蝕性能。特別是對Cu、Cr等固溶強(qiáng)化元素含量高的鋼材，其改善低溫韌性的作用就更為明顯。當(dāng)Ni與Cr、Cu復(fù)合添加的情況下，可顯著提高耐候性能。但Ni量過高，鋼板表面易產(chǎn)生大量難以脫落的氧化鐵皮，且大大增加生產(chǎn)成本。
鈮(Nb)：鎳元素是一種強(qiáng)碳化物形成元素，具有強(qiáng)烈的細(xì)化晶粒作用，能顯著提高奧氏體再結(jié)晶溫度，擴(kuò)大軋制工藝范圍，使發(fā)明鋼在Ⅱ階段軋制過程中充分細(xì)化組織，確保鋼材具有良好的強(qiáng)韌性匹配。在軋制過程中，Nb在鋼中形成的碳氮化物顆粒，可有效抑制奧氏體晶粒的長大，提高強(qiáng)韌性以及延性。本發(fā)明中，與Mo同時加入可明顯提高Nb、V的細(xì)小碳氮化合物析出，這些碳化物在高溫下具有較高的穩(wěn)定性，從而提高鋼的耐火性能。當(dāng)Nb含量低于0.010％時，析出Nb的細(xì)小碳氮化合物不足，無法確保耐火性能，且導(dǎo)致強(qiáng)度不足，當(dāng)Nb含量高于0.050％時，除了顯著提高鋼的屈強(qiáng)比之外，還會造成焊接冷卻過程中M/A島組織的大量出現(xiàn)影響焊接熱影響區(qū)性能。
釩(V)：釩元素是一種相當(dāng)強(qiáng)烈的碳化物形成元素，適量的V具有明顯的沉淀析出強(qiáng)化作用，還具有固溶強(qiáng)化作用和降低屈強(qiáng)比的作用。當(dāng)Nb與V復(fù)合加入時，可明顯改善橫向裂紋現(xiàn)象的發(fā)生，顯著提高鋼的再結(jié)晶溫度。本發(fā)明中，與Mo同時加入可明顯提高Nb、V的細(xì)小碳氮化合物析出，這些碳化物在高溫下具有較高的穩(wěn)定性，從而提高鋼的耐火性能。但V含量過高，沉淀強(qiáng)化作用顯著，但基材和熱影響區(qū)韌性變差。
鈦(Ti)：鈦元素也是一種強(qiáng)碳氮化物形成元素，在Zr、Als超細(xì)氧化物顆粒上析出含N細(xì)小復(fù)合碳氮化物，這些顆粒的有效尺寸在1.0μm以下，可有效阻止加熱和焊接過程中奧氏體晶粒長大，使晶粒細(xì)化，提高鋼的低溫韌性。Ti與Nb同時加入，會進(jìn)一步提高鋼奧氏體再結(jié)晶溫度，擴(kuò)大軋制工藝范圍。但Ti大于0.015％時，析出的Ti的碳氮化物顆粒尺寸將達(dá)到幾個甚至十幾個μm數(shù)量級，惡化基材和焊接熱影響區(qū)的韌性，當(dāng)Ti小于0.005％時，單位面積內(nèi)顆粒數(shù)量不足，起不到細(xì)化晶粒效果，故Ti限定為0.005～0.015％。
總鋁(Als)：Als常常作為脫氧元素加入鋼中。Als與鋼中N結(jié)合形成AlN顆粒，通過晶粒細(xì)化作用提高鋼的強(qiáng)度和低溫韌性。Als在本發(fā)明中重要作用是和Zr與O結(jié)合形成微細(xì)的氧化物顆粒，這些微細(xì)氧化物顆粒作為Mn硫化物和鐵素體的形核核心，細(xì)化硫化物和組織的晶粒尺寸，從而細(xì)化基材和HAZ組織，改善低溫韌性和提高焊接性能。若Als含量低于0.015％，鋼中形成AlN顆粒數(shù)量以及作為形核核心的氧化物顆粒較少，其上述作用得不到充分體現(xiàn)，起不到改善基材和HAZ沖擊韌性以及焊接性能的作用，若Als含量高于0.035％時，易導(dǎo)致鋼中大量尺寸較大的Al的氧化物夾雜物出現(xiàn)，降低鋼的純凈度和塑韌性，惡化焊接熱影響沖擊韌性和焊接性能。
鋯(Zr)：鋯元素是本發(fā)明產(chǎn)品中一個很重要的元素，鋼中添加適量的Zr將硫化物夾雜物球化，有利于提高基材的低溫韌性和HAZ韌性Zr在本發(fā)明中重要作用是和Als與O結(jié)合形成微細(xì)的氧化物顆粒，這些微細(xì)氧化物顆粒作為Mn硫化物和鐵素體的形核核心，細(xì)化硫化物和組織的晶粒尺寸，從而細(xì)化基材和HAZ組織，改善低溫韌性和提高焊接性能。因此，Zr含量應(yīng)不低于0.0015％；Zr含量超過0.0060％時，則會形成許多大型含Zr的氧化物和硫化物混合夾雜，不利于基材和熱影響區(qū)的沖擊韌性。
錸(Re)：錸元素是本發(fā)明產(chǎn)品中一個很重要的元素，除了凈化鋼質(zhì)，還可以明顯提高鋼的耐蝕性能。當(dāng)Re含量低于0.0010％時，其凈化鋼質(zhì)和提高耐蝕性能的作用得不到體現(xiàn)，當(dāng)Re的含量超過0.0050％，則會形成Re含量高的大尺寸復(fù)合夾雜物，惡化基材和熱影響區(qū)的沖擊韌性。
氮(N)：氮元素與鋼中Nb、Ti、Al、Zr、V、C等元素形成氮化物或碳氮化物，是使鋼材母材組織和焊接組織晶粒細(xì)化的重要元素。若N含量低于0.0015％，則N與鋼中Ti、Zr、Als形成單位氮化物顆粒數(shù)量不足，不能有效細(xì)化基材和焊接組織。當(dāng)N含量高于0.0050％時，鋼中固溶N量增加，對基材和焊接熱影響區(qū)性能不利，也不利于鋼坯的表面質(zhì)量。
氧(O)：一般情況下，O在鋼中屬于有害氣體，為確保鋼質(zhì)純凈度和鋼中氧化物夾雜的總量，需將O含量嚴(yán)格限制在較低水平。但當(dāng)O含量低于0.0015％時，則鋼中單位面積作為形核核心的Zr、Als的細(xì)小氧化物顆粒數(shù)量不足。為避免鋼中出現(xiàn)過多的氧化物類的大尺寸復(fù)合夾雜物，鋼中O含量上限限制在0.0045％以內(nèi)。
同時，本發(fā)明鋼中，當(dāng)Zr/(O+N)＜0.61時，Zr對硫化物夾雜物的變質(zhì)球化作用不明顯，同時鋼中單位面積作為形核核心的Zr、Als的細(xì)小氧化物顆粒數(shù)量不足，當(dāng)Zr/(O+N)＞0.86時，鋼中將形成許多大型含Zr的氧化物和硫化物混合夾雜物，不利于鋼的性能；當(dāng)(Mo+2Cr+Cu)/2Ni＜1.25時，除了造成強(qiáng)度不足外，鋼的耐火性能和耐蝕性能也無法得到保證，當(dāng)(Mo+2Cr+Cu)/2Ni＞3.25時，則會導(dǎo)致鋼的低溫韌性下降，合金成本也大大增加；當(dāng)5C+3Mn＜3.2％時，造成鋼強(qiáng)度不足，當(dāng)5C+3Mn＞4.5％時，惡化基材和熱影響區(qū)的韌性；本發(fā)明鋼屬高強(qiáng)韌性鋼，為確保鋼的強(qiáng)度和焊接性能，Pcm值必須小于等于0.23％。
有益效果：
1、本發(fā)明的低合金鋼中添加Zr和Re元素，并將兩元素的含量控制在合理的范圍，結(jié)合相關(guān)生產(chǎn)工藝的控制，不僅改善了結(jié)構(gòu)鋼的低溫韌性，提高焊接性能，而且增強(qiáng)了鋼的耐火耐腐蝕性能，耐腐蝕性能明顯優(yōu)于CortenB鋼；
2、本發(fā)明的低合金鋼通過控制各合金元素的種類和含量，制備的產(chǎn)品具備高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比，即屈服強(qiáng)度540MPa≤ReL≤580MPa，抗拉強(qiáng)度600MPa≤Rm≤760MPa，屈強(qiáng)比ReL/Rm≤0.78，600℃時的400MPa≤Rp0.2≤450MPa，延伸率25％≤A≤30％，綜合性能優(yōu)良；
3、本發(fā)明的制造工序簡單，生產(chǎn)成本低，易于進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。
具體實施方式
為了更好地解釋本發(fā)明，以下結(jié)合具體實施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的主要內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于以下實施例。
表1為本發(fā)明各實施例的化學(xué)成分取值列表；
表2為本發(fā)明各實施例的主要工藝參數(shù)取值列表；
表3為本發(fā)明實施例的力學(xué)性能試驗結(jié)果。
表1本發(fā)明鋼的化學(xué)成分對比(wt，％)
表2本發(fā)明鋼的主要工藝參數(shù)取值列表
本發(fā)明經(jīng)過表1的化學(xué)成分和表2的生產(chǎn)工藝，冶煉并軋制了9種鋼，其中，實施例1～實施例3的軋鋼的厚度為12mm，實施例4～實施例6的軋鋼的厚度為36mm，實施例7～實施例9的軋鋼的厚度為60mm；且本發(fā)明冶煉并軋制的9種鋼的力學(xué)性能如表3所示。
表3本發(fā)明鋼的力學(xué)性能
表3中，鋼種耐火性能以600℃屈服強(qiáng)度不低于室溫下的2/3來評定；耐候性能通過周浸腐蝕試驗264h后的質(zhì)量損失評定；
具體腐蝕試驗條件如下：
試驗溶液：1.0×10～2mol/L NaHSO3；補(bǔ)給溶液：2.0×10～2mol/L NaHSO3；試驗溫度：45±2℃；相對濕度：70±5％；周浸輪轉(zhuǎn)速：1圈/60分鐘。
對本發(fā)明的軋鋼進(jìn)行常溫拉伸，在-40℃縱向沖擊試驗，結(jié)合表3可知，本發(fā)明的軋鋼的沖擊力≥280J，綜合力學(xué)性能優(yōu)良。
由表3可知，本發(fā)明鋼的屈服強(qiáng)度540MPa≤ReL≤580MPa，抗拉強(qiáng)度600MPa≤Rm≤760MPa，屈強(qiáng)比ReL/Rm≤0.78，600℃時的400MPa≤Rp0.2≤450MPa，延伸率25％≤A≤30％，即采用本發(fā)明化學(xué)成分和工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品具備高強(qiáng)度，高塑韌性，較低屈強(qiáng)比，優(yōu)異的耐火性能、耐侯性能(明顯優(yōu)于CortenB鋼)、焊接性能以及抗層狀撕裂性能，良好的冷加工性能，同時制造工序簡單，生產(chǎn)成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)。
以上實施例僅為最佳舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。除上述實施例外，本發(fā)明還有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。