一種V微合金化節(jié)Mo抗震耐火鋼及其制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種V微合金化節(jié)Mo抗震耐火鋼及其制造方法，其化學(xué)成分為：C：0.03～0.09wt.%、Si：0.00～0.50wt.%、Mn：0.50～1.50wt.%、P：<0.02wt.%、S：<0.01wt.%、Cr：0.35～1.00wt.%、Mo：0.15～0.20wt.%、V：0.10～0.20wt%、Nb：0.02～0.04wt.%、Ti：0.01～0.025wt.%、B：0.0000～0.0030wt.%、Al：0.01‐0.06wt.%，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。通過(guò)兩階段控制軋制、經(jīng)層流冷卻、終冷返紅溫度控制在不高于350‐550℃，獲得粒狀貝氏體+鐵素體復(fù)相組織或粒狀貝氏體組織。智能型耐火性表現(xiàn)在：大部分微合金元素在室溫下以固溶形式存在，但在高溫條件下發(fā)生沉淀析出且納米第二相尺寸穩(wěn)定，從而提高和保證鋼的高溫強(qiáng)度，具有優(yōu)異的耐火性能。相比傳統(tǒng)化學(xué)成分為Mo～0.5wt.%的耐火鋼，本發(fā)明以V代Mo節(jié)約了合金成本，碳當(dāng)量低，具有好的焊接性和低溫沖擊韌性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種V微合金化節(jié)Mo抗震耐火鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于合金鋼【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種V微合金化節(jié)Mo抗震耐火鋼及其制造方法，該鋼具有智能。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼結(jié)構(gòu)建筑施工快、空間大和舒適美觀、抗震性好，是現(xiàn)代大型建筑的發(fā)展趨勢(shì)。但是普通建筑用鋼的耐火性能很差，隨著溫度的上升，其屈服強(qiáng)度下降較快，特別是在350°C以上高溫時(shí)陡降，不具備承重能力，因此必須噴涂很厚的防火涂層對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。噴涂防火涂層使鋼結(jié)構(gòu)建筑成本成倍增加，且延長(zhǎng)工期，噴涂作業(yè)的飛濺還造成環(huán)境污染。減少使用或不使用防火涂層成為開(kāi)發(fā)耐火鋼的驅(qū)動(dòng)力。
[0003]根據(jù)GB/T28415-2012，耐火鋼600°C的高溫屈服強(qiáng)度必須不低于室溫標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度的2/3。20世紀(jì)80年代以來(lái)，日本率先研制并推出商用耐火鋼板，合金體系以Mo系和Mo-Nb系兩種為主，主要利用Mo和Nb強(qiáng)烈的高溫固溶強(qiáng)化作用，保證600°C以下的高溫強(qiáng)度。通常添加0.5wt.%Mo和采用低Nb微合金化，約0.02-0.04wt.%。國(guó)內(nèi)耐火鋼也大多添加Mo或Mo+Nb，為降低合金成本，Mo含量有所下降，但仍然在0.2%wt.%以上。如“一種耐火鋼及其制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?200810179362.6)、“一種高性能建筑結(jié)構(gòu)用耐火鋼板及其制造方法”(申請(qǐng)?zhí)?200910011963.0)、“低成本高強(qiáng)高韌抗震耐火鋼及其制備工藝”(申請(qǐng)?zhí)?201110080774.6)等申請(qǐng)專(zhuān)利中的Mo含量為0.2-0.4wt.%。其中“一種耐火鋼及其制備方法”還添加了 0.05-0.12wt.%V，但是該專(zhuān)利主要通過(guò)控制終冷溫度550-650°C并保溫1_2小時(shí)，以控制耐火鋼的組 織組成，同時(shí)還可以促使V在緩慢冷卻或保溫過(guò)程中析出增強(qiáng)耐火鋼的室溫性能。本發(fā)明涉及的耐火鋼采用〈0.2wt.%Mo和V復(fù)合微合金化設(shè)計(jì)，避免V在冷卻過(guò)程中析出以獲得低屈強(qiáng)比，但使之在加熱過(guò)程中以納米第二相析出、以保證高溫強(qiáng)度。補(bǔ)償著火升溫過(guò)程中基體強(qiáng)度的降低，以納米第二相析出強(qiáng)化提高高溫強(qiáng)度，具有智能耐火性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種V微合金化節(jié)Mo抗震耐火鋼及其制造方法。在化學(xué)成分上，采用低碳設(shè)計(jì)，加入適量Mn、Cr，進(jìn)行適量V、低Mo、低Nb、微Ti復(fù)合微合金化；在生產(chǎn)工藝上，采用高效、節(jié)能的再結(jié)晶和非再結(jié)晶區(qū)控制軋制技術(shù)，充分利用控軋控冷對(duì)奧氏體狀態(tài)和微合金元素析出的調(diào)控作用，細(xì)化晶粒，進(jìn)而在后續(xù)層流冷卻中獲得晶粒細(xì)小的鐵素體和粒狀貝氏體組織，并避免微合金元素的大量析出。
[0005]本發(fā)明提供的V微合金化節(jié)Mo智能型抗震耐火鋼的化學(xué)成分及其含量為:C:0.03 ~0.09wt.%、S1:0.00 ~0.50wt.%、Mn:0.50 ~1.5Owt.%、P:〈0.02wt.%、S:〈0.01wt.%、Cr:0.35 ~1.0Owt.%、Mo:0.15 ~0.20wt.%、V:0.10 ~0.20wt%、Nb:0.02 ~
0.04wt.%、Ti:0.01 ~0.025wt.%、B:0.0000 ~0.0030wt.%、A1:0.01 ~0.06wt.%，余為 Fe
和不可避免的雜質(zhì)，均為重量百分?jǐn)?shù)。[0006]本發(fā)明各元素的作用及配比依據(jù)如下:
[0007]碳:具有顯著的固溶強(qiáng)化作用，提高鋼的淬透性。但碳含量較高對(duì)鋼的沖擊韌性尤其是上平臺(tái)沖擊功非常不利，明顯損害焊接性能。因此，本發(fā)明涉及的鋼板采用低碳成分設(shè)計(jì)，碳含量范圍為0.03~0.09wt.%。
[0008]硅:鋼中脫氧元素之一，同時(shí)具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，但過(guò)量的Si將惡化鋼的韌性及焊接性能。綜合上述考慮，本發(fā)明鋼硅含量范圍為〈0.50wt.%。
[0009]錳:明顯提高鋼的淬透性，具有一定的固溶強(qiáng)化作用，擴(kuò)大微合金碳氮化物在奧氏體中的固溶度積，可以避免過(guò)多的微合金碳氮化物在軋制過(guò)程中形變誘導(dǎo)析出。但Mn含量過(guò)高時(shí)，其在鑄坯中的偏析傾向增加，另外對(duì)焊接性能不利?；谏鲜鲈颍景l(fā)明鋼Mn含量范圍為:0.50~1.50wt.%。
[0010]鉻:提高鋼的淬透性、耐大氣腐蝕性能及耐火性，但較高的Cr將降低焊接性能，應(yīng)控制在0.35~1.0Owt.%范圍內(nèi)。
[0011]鑰:除了顯著提高鋼的淬透性，抑制抑制P、S等雜質(zhì)元素在晶界的偏聚而降低回火脆性外，在耐火鋼中主要是起到高溫固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，Mo可以在著火過(guò)程中與其他微合金元素(V、Nb、Ti)等復(fù)合析出，增加析出量的同時(shí)能夠提高析出物的熱穩(wěn)定性，從而穩(wěn)定提高和保證鋼在高溫時(shí)的強(qiáng)度，Mo含量低于0.15wt.%時(shí)，上述作用效果不明顯，超過(guò)0.30wt.%時(shí)，成本較高。因此，本發(fā)明鋼Mo的含量應(yīng)精確控制，范圍為0.15-0.20wt.%0
[0012]釩:由于V具有較低的全固溶溫度，均熱時(shí)基本全部固溶，軋制過(guò)程中固溶的V能有效提高淬透性和提高再結(jié) 晶溫度；在軋后較快的冷速下，V的析出被抑制，以至于屈服強(qiáng)度不會(huì)過(guò)高，對(duì)較低的屈強(qiáng)比有利，而在鋼著火過(guò)程中會(huì)從在鐵素體和貝氏體中單獨(dú)析出，或與Nb、Mo復(fù)合沉淀析出，起到提高高溫強(qiáng)度的目的。本發(fā)明中V含量應(yīng)控制在0.10~0.2wt.%以?xún)?nèi)，低于0.1Owt.%則上述作用不十分顯著，高于0.2wt.%則上述作用達(dá)到飽和。
[0013]鈮:軋制過(guò)程中固溶于奧氏體中的Nb和形變誘導(dǎo)析出碳氮化鈮粒子顯著提高奧氏體未再結(jié)晶溫度。固溶于奧氏體的Nb還能夠提高淬透性，著火過(guò)程中析出的碳化鈮粒子或與V、Mo復(fù)合析出第二相，提高高溫強(qiáng)度。Nb含量應(yīng)控制在0.02-0.04wt.%以?xún)?nèi)，低于0.02wt.%則上述作用不明顯,高于0.04wt.%不僅增加合金成本,而且與V的沉淀析出強(qiáng)化作用重疊，由于C含量有限，增加Nb繼續(xù)增加的沉淀強(qiáng)化作用不顯著。
[0014]鈦:本發(fā)明鋼中加入少量Ti是為了形成納米級(jí)尺寸的TiN粒子，可以細(xì)化鑄坯加熱過(guò)程中奧氏體晶粒。Ti含量應(yīng)控制在0.01~0.025wt.%范圍內(nèi)，低于0.01wt.%所形成TiN數(shù)量較少，細(xì)化晶粒作用很??；高于0.025wt.%將形成微米級(jí)尺寸的液析TiN，不僅不能起到細(xì)化晶粒作用，而且對(duì)鋼板韌性有害。
[0015]硼:強(qiáng)烈偏聚于晶界而顯著提高淬透性。對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別較高、C含量較低的耐火鋼，可以加入10-20ppm，起作用即飽和，過(guò)量的硼將導(dǎo)致含B析出相帶來(lái)不利影響，因此B含量一般不超過(guò)30ppm。對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別較低、C含量較高的耐火鋼，可以不特意加入。因此B的含量可以根據(jù)強(qiáng)度級(jí)別進(jìn)行適量添加，控制范圍為0-30ppm。
[0016]鋁:鋁是強(qiáng)脫氧元素，還可與N結(jié)合形成A1N，能夠起到細(xì)化晶粒作用。
[0017]磷和硫:鋼中雜質(zhì)元素，顯著降低塑韌性和焊接性能，其含量應(yīng)分別控制在0.02wt.% 和 0.01wt.% 以?xún)?nèi)。
[0018]本發(fā)明所涉及V微合金化節(jié)Mo智能型抗震耐火鋼制造工藝如下:[0019]冶煉和鑄造:采用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，鑄造采用連鑄。
[0020]采用中厚板軋機(jī)軋制:將連鑄坯裝入加熱爐中加熱，加熱溫度為1150_1280°C，時(shí)間為1-5小時(shí)。
[0021]在中厚板軋機(jī)上進(jìn)行軋制:采用兩階段軋制工藝:粗軋軋制3-5道次，粗軋終軋溫度為1020-1150°C。精軋軋制5-10道次，精軋開(kāi)軋溫度880_980°C，終軋溫度為830_920°C。軋后經(jīng)層流冷卻，冷速不小于15°C /s，終冷返紅溫度350-550°C，隨后空冷至室溫
[0022]控軋控冷的工藝控制原理如下:
[0023]在鑄坯加熱階段，控制奧氏體化溫度，高于微合金元素V、Nb的全固溶溫度，但低于TiN回溶和奧氏體發(fā)生反常晶粒長(zhǎng)大的溫度，充分利用TiN阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，獲得細(xì)小均勻的原始奧氏體組織。采用兩階段控軋工藝，在粗軋階段，適當(dāng)降低粗軋溫度、提高道次壓下量，實(shí)施再結(jié)晶控軋，通過(guò)反復(fù)再結(jié)晶細(xì)化奧氏體；精軋階段在奧氏體未再結(jié)晶溫度(Tnr)以下變形，利用固溶Nb和析出Nb抑制奧氏體再結(jié)晶的機(jī)制，獲得薄餅狀?yuàn)W氏體，有助于細(xì)化鐵素體和貝氏體組織。層流冷卻階段，冷卻速度大于15°C /S、終冷返紅溫度控制在350-550°C，獲得鐵素體和粒狀貝氏體組織，抑制大量馬氏體形成和微合金碳化物在鐵素體和貝氏體中大量析出。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0025]采用低Mo、低Nb、V微合金化、低碳和多元少量合金成分設(shè)計(jì)，通過(guò)控軋軋制和控制層流冷卻速度、控制終冷溫度工藝生產(chǎn)具有細(xì)晶鐵素體/粒狀貝氏體組織或粒狀貝氏體組織的抗震耐火鋼，細(xì)晶鐵素體/粒狀貝氏體組織或粒狀貝氏體組織保證了高的室溫強(qiáng)度和低屈強(qiáng)比，細(xì)晶組織和大量微合金第二相在著火過(guò)程中智能析出，保證高溫強(qiáng)度，具有抗震性和智能型耐火性。低的碳含量和碳當(dāng)量設(shè)計(jì)，以V代Mo節(jié)約了合金成本，控軋控冷獲得細(xì)晶組織，具有良好的韌性和焊接性能。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】`
[0026]圖1為軋態(tài)組織的OM照片。
[0027]圖2為軋態(tài)微觀組織的SEM照片。
[0028]圖3為600 V拉伸試樣未變形部位微觀組織的SEM照片。
[0029]圖4為軋態(tài)微合金析出相的碳膜復(fù)型TEM照片。
[0030]圖5為600°C拉伸試樣未變形部位微合金析出相的碳膜復(fù)型TEM照片(低倍，顯示較粗大的析出相)。
[0031]圖6為600°C拉伸試樣未變形部位微合金析出相的碳膜復(fù)型TEM照片(高倍，顯示細(xì)小的析出相)。
[0032]圖7為圖6中典型納米析出相的TEM-EDS圖，顯示其為V、Nb、T1、Mo的復(fù)合析出相(Cu峰來(lái)自于承載復(fù)型樣品的Cu網(wǎng))。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明中很小的一部分，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0034]本發(fā)明鋼均由真空感應(yīng)爐冶煉，共3爐，化學(xué)成分如表1所示。鍛造開(kāi)坯(IlOmm)后在實(shí)驗(yàn)室中厚板軋機(jī)上進(jìn)行兩階段軋制，軋后進(jìn)行層流冷卻，終冷返紅溫度為350-550°C，層流冷卻速度不小于15°C /s，最后空冷至室溫，鑄坯加熱溫度、粗軋終軋溫度、精軋開(kāi)軋溫度、精軋終軋溫度等主要工藝參數(shù)見(jiàn)表2。粗軋由IIOmm厚經(jīng)4道次軋制到36mm，精軋由36mm厚經(jīng)5道次軋制成11mm。三爐鋼板橫向拉伸強(qiáng)度、_40°C縱向沖擊功在表3中列出，達(dá)到屈服強(qiáng)度420MPa級(jí)耐火鋼(Q420FR)標(biāo)準(zhǔn)要求。
[0035]圖1~7分別給出了 2號(hào)熱軋板和加熱至600°C保溫的微觀組織及析出相形貌與成分。由圖1可知，熱軋態(tài)組織為鐵素體+粒狀貝氏體組織。對(duì)比圖2和圖3可知，熱軋態(tài)加熱至600°C保溫的組織類(lèi)型仍然為鐵素體+粒狀貝氏體組織，但鐵素體組織稍粗大化同時(shí)馬氏體/奧氏體島組織(灰白色)數(shù)量減少。對(duì)比熱軋態(tài)(圖4)和加熱至600°C保溫后(圖
5、圖6、圖7)的第二相析出情況，熱軋態(tài)中只有少量的較大尺寸的第二相粒子，這些粒子在熱軋過(guò)程中析出。而加熱至600°C保溫的過(guò)程中析出大量的納米級(jí)的V、Nb、T1、Mo復(fù)合第二相，起提高高溫強(qiáng)度的作用。
[0036]表1V微合金化節(jié)Mo智能型抗震耐火鋼的化學(xué)成分(wt.%)
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種V微合金化節(jié)Mo抗震耐火鋼，其特征在于，化學(xué)成分為:C:0.03~0.09wt.%、Si:0.00 ~0.50wt.%、Mn:0.50 ~1.50wt.%、P:<0.02wt.%、S:<0.01wt.%、Cr:0.35 ~1.0Owt.%、Mo:0.15 ~0.20wt.%、V:0.10 ~0.20wt%> Nb:0.02 ~0.04wt.%、T1:0.01 ~0.025wt.%、B:0.0000 ~0.0030wt.%、A1:0.01-0.06wt.%，余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)，均為重量百分?jǐn)?shù)。
2.一種制造權(quán)利要求1所述抗震耐火鋼的方法，采用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉及爐外精煉，鋼水澆注成連鑄坯；其特征在于:在工藝中控制的技術(shù)參數(shù)為 (1)將連鑄坯裝入加熱爐中加熱，加熱溫度為1150-1280°C，時(shí)間為1-5小時(shí)； (2)在中厚板軋機(jī)上進(jìn)行軋制:采用兩階段軋制工藝:粗軋軋制3-5道次，粗軋終軋溫度為1020-1150°C。精軋軋制5-10道次，精軋開(kāi)軋溫度880_980°C，終軋溫度為830_920°C。軋后經(jīng)層流冷卻，冷速不·小于15°C /s，終冷返紅溫度350-550°C，隨后空冷至室溫。
【文檔編號(hào)】C21D8/02GK103710633SQ201310714605
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】李昭東, 張正延, 孫新軍, 康俊雨, 雍岐龍 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院