專利名稱：適合高寒地區(qū)使用的高強度結(jié)構(gòu)鋼及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種屈服強度為510MPa以上級、具有特別優(yōu)良的低溫韌性的高強度結(jié)構(gòu)鋼及其生產(chǎn)方法，屬鐵基合金技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在高寒地區(qū)，用于建筑、橋梁、船舶、車輛及其它重要的工程結(jié)構(gòu)中的高強度結(jié)構(gòu)鋼，不僅要求所使用的材料具有較高的強度，還要求材料要有足夠的韌性、良好的塑性和焊接性能。傳統(tǒng)高強度結(jié)構(gòu)鋼在當屈服強度超過510MPa時，材料的強度和韌性方面不能做到很好的匹配，往往是強度高了，塑韌性變差。傳統(tǒng)的高強度結(jié)構(gòu)鋼，韌脆性轉(zhuǎn)變溫度往往較高，一般在_40°C左右，當材料在低于_40°C溫度下使用時，材料的塑韌性急劇惡化，材料 的安全性能急劇下降，很容易導致材料斷裂等惡性事故的發(fā)生，造成無法預料的損失。經(jīng)檢索，專利號03134046. 6的中國專利公開了一種屈服強度460MPa級低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼板材的制造方法，該高強度結(jié)構(gòu)鋼板材的實物水平屈服強度最高為490MPa，抗拉強度最高為610MPa，沖擊只做到_40°C，因此達不到高強度、高韌性，特別是_60°C時的韌性很差。另外，該高強度結(jié)構(gòu)鋼板材制造時的終軋溫度為780 820°C，需要更大的軋機負荷，生產(chǎn)效率低。專利00133579. 0的中國專利公開了一種耐大氣腐蝕低合金結(jié)構(gòu)鋼，該結(jié)構(gòu)鋼的實物水平屈服強度最高為400MPa，抗拉強度最高為535MPa，沖擊只做到_20°C，距離高強度、高韌性更遠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)高強度結(jié)構(gòu)鋼在屈服強度超過510MPa時材料的韌性特別是_40°C以下的低溫韌性較差的缺陷，提供一種具有良好低溫韌性，適合高寒地區(qū)(特別是_60°C以下)使用的高強度結(jié)構(gòu)鋼及其生產(chǎn)方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案之一是一種適合高寒地區(qū)使用的高強度結(jié)構(gòu)鋼，所述結(jié)構(gòu)鋼含有的成分和各成分質(zhì)量百分比含量為c 0. 12 0. 2%、Si :0. 3 0. 6%,Mn 1 I. 7%,P ( 0. 015%,S ( 0. 01%,Nb :0. 03 0. 06%,V :0. 04 0. 12%,Ni :0. 3 0. 7%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)元素。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案之二是一種適合高寒地區(qū)使用的高強度結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)方法，包括依次采用鐵水預脫硫工序，轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖秃洗禑捁ば?，吹Ar站(或LF爐)底吹Ar攪拌工序，RH爐進行成分微調(diào)和真空循環(huán)脫氣處理工序，全程吹Ar保護澆鑄的連鑄工序以及熱軋工序；所述熱軋工序采用粗軋和精軋二階段控軋，粗軋結(jié)束溫度為1000°C 1100°C，精軋開軋溫度為900°C 950°C，精軋結(jié)束溫度為820°C 880°C，精軋階段壓縮比大于80%。上述本發(fā)明技術(shù)方案之一中化學成分組成的理論依據(jù)是
[碳]:提高碳含量，對提高鋼的室溫強度和中溫強度有利，但對鋼的塑性、韌性、成型性、可焊性均不利，故碳含量控制不宜過高。因此，本發(fā)明技術(shù)方案之一選擇C的質(zhì)量百分比含量為0. 12 0. 2%。[硅]:降低硅含量，有利于提高鋼的成型性、焊接性、韌性和塑性。因此，本發(fā)明技術(shù)方案之一選擇Si的質(zhì)量百分比含量為0. 3 0. 6%。[錳]:提高鋼中錳含量，能擴大Y區(qū)，降低Y— a轉(zhuǎn)變溫度，擴大軋制范圍，使鐵素體晶粒的長大機會大大減少，因而促進了晶粒細化，增加鋼的強韌性，但錳含量高，會相應增加鋼的成本，也會增加碳當量，不利于焊接。因此，本發(fā)明技術(shù)方案之一選擇Mn的質(zhì)量百分比含量為I I. 7%。[硫、憐]:硫在鋼中形成硫化物夾雜，使其延展性和朝性降低。鋼乳制時，由于MnS夾雜隨著軋制方向延伸，使鋼的各向異性加重，嚴重時導致鋼板分層。同時含硫量高的鋼抗腐蝕能力大為降低，對鋼的焊接亦不利。含磷量高會增加鋼的冷脆性，使鋼的脆性轉(zhuǎn)變 溫度上升，使鋼的沖擊韌性顯著下降，因此磷在鋼中的含量也愈少愈好。但過低的降低鋼中的磷、硫含量，會增加鋼的生產(chǎn)成本。本發(fā)明技術(shù)方案之一控制磷的質(zhì)量百分比含量在
0.015%以下，控制硫的質(zhì)量百分比含量在0. 01%以下。[鈮、釩]:Nb在鋼中以置換溶質(zhì)原子存在，Nb原子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，對位錯攀移產(chǎn)生強烈的拖曳作用，使再結(jié)晶形核受到抑制，因而對再結(jié)晶具有強烈的阻止作用。鈮在鋼中可以形成NbC或NbN等化合物。在再結(jié)晶過程中，因NbC、NbN對位錯的釘扎及對亞晶界的遷移進行阻止等作用，從而大大增加了再結(jié)晶的時間。在高于臨界溫度時，Nb元素對再結(jié)晶的作用表現(xiàn)為溶質(zhì)拖曳機制；而在低于臨界溫度時，則表現(xiàn)為析出釘扎機制。鋼中加入微量V，既有利于鋼的脫氧，又能細化鋼的晶粒，特別是能提高鋼控軋控冷后的強度及低溫韌性，在焊接過程中阻止焊接熱影響區(qū)晶粒的粗化，從而顯著地改善微合金化鋼的綜合性能。另一方面，由于微合金化元素Nb、V的加入，在軋制過程中，它們能阻止奧氏體變形后的再結(jié)晶，并提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，加工時由于Nb、V碳氮化合物的應變誘導析出，進一步抑制了奧氏體晶粒的長大，使晶粒充分細化，從而達到細化奧氏體晶粒的目的。Nb的完全固溶溫度較高，不宜單獨加入。本發(fā)明技術(shù)方案之一設計Nb和V—起進行復合添加，這樣既能提高鋼的強度又能改善鋼的韌性，主要因為V的固溶溫度低，可以起到沉淀強化作用，而Nb在較低的加熱溫度下大部分還沒有溶解，可以起到細化晶粒的作用。鈮在鋼中的特點就是提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，從而達到細化奧氏體晶粒的目的。經(jīng)本發(fā)明后面實施例的實際內(nèi)部生產(chǎn)實驗結(jié)果表明，Nb和V—起復合添加時，鋼中Nb的加入量為0. 03-0. 06%、V的加入量為0. 04-0. 12%時，對鋼的強韌化效果最為顯著，高于0.06%的Nb及高于0. 12%的V對鋼的強韌化的貢獻將不再明顯。故本發(fā)明技術(shù)方案之一控制Nb的質(zhì)量百分比含量為0. 03 % 0. 06 %，控制V的質(zhì)量百分比含量為0. 04 % 0. 12%。[鎳]:Ni加入鋼中可以改善韌性，特別是低溫沖擊韌性，隨著鋼中Ni含量的增力口，鋼的韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度顯著降低，另外，Ni還能起到固溶強化作用，所以Ni能夠在改善韌性的同時提高鋼的強度。但考慮到生產(chǎn)成本，本發(fā)明技術(shù)方案之一將Ni的質(zhì)量百分比含量控制在0. 3% 0. 7%范圍內(nèi)。上述本發(fā)明技術(shù)方案之二設計的熱軋工序的理論依據(jù)是I、熱軋工序中，設定連鑄板坯加熱溫度為1180°C 1230°C，既能提高鋼的強度又能改善鋼的韌性，既可以發(fā)揮V的沉淀強化作用，又因為Nb在較低的加熱溫度下大部分還沒有溶解，因此可以充分發(fā)揮Nb的細化晶粒的作用。2、熱軋工序中，采用粗軋和精軋二階段控軋，粗軋階段在高溫奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制，力求道次壓下率大于再結(jié)晶的臨界變形量，通過多次變形再結(jié)晶，使粗大的原始奧氏體晶粒變得細小；精軋階段在低溫奧氏體非再結(jié)晶區(qū)軋制，精軋結(jié)束溫度接近鋼的Ar3點溫度，可充分阻止晶粒長大，特別是微合金化元素Nb、V的加入，在軋制過程中，它們能阻止奧氏體變形后的再結(jié)晶，并提高奧氏體的再結(jié)晶溫度。此外，精軋階段總的壓下率控制在80%以上，可以使奧氏體晶粒進一步細化，同時，加工時由于Nb、V碳氮化合物的應變誘導析出，抑制了奧氏體晶粒的長大，可以使晶粒充分細化。上述技術(shù)方案之一的完善是所述結(jié)構(gòu)鋼在熱軋中采用粗軋和精軋二階段控軋；所述粗軋結(jié)束溫度為1000°c 1100°c，所述精軋開軋溫度為900°C 950°C，所述精軋結(jié)束溫度為820°C 880°C，所述精軋階段壓縮比大于80%。上述技術(shù)方案之一的進一步完善是所述結(jié)構(gòu)鋼在熱軋中采用的連鑄板坯加熱溫度為1180°C 1230°C，所述粗軋為5道次連軋，所述精軋為7道次連軋，所述精軋后卷取溫 度為 500°C 600°C。上述技術(shù)方案之二的完善是所述熱軋工序中，連鑄板坯加熱溫度為1180°C 1230°C，粗軋為5道次連軋，精軋為7道次連軋，精軋后卷取溫度為500°C 600°C。本發(fā)明設計的卷取溫度可以充分發(fā)揮Nb的晶粒細化強化效果和V的沉淀強化效果。上述技術(shù)方案之二的進一步完善是所述熱軋工序中，精軋后的層流冷卻階段采用后段冷卻；所述底吹Ar攪拌的時間大于5分鐘，所述真空循環(huán)脫氣的時間大于8分鐘。本發(fā)明的有益效果是通過合理的化學成分設計及Nb、V微合金化處理，采用轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖秃弦睙?，真空精煉，連鑄機保護澆注，熱軋采用二階段控軋和控冷工藝，可以得到鋼質(zhì)純凈，綜合性能優(yōu)良的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料，特別是在_60°C超低溫狀態(tài)下還能保持較好的塑韌性。經(jīng)內(nèi)部小規(guī)模生產(chǎn)實驗證明，該結(jié)構(gòu)鋼的晶粒均勻細小，金相組織為鐵素體+珠光體，其屈服強度超過510MPa，抗拉強度超過620MPa，_60°C時的Akv達到47J以上。


圖I是本發(fā)明具體實施方式
中高強度結(jié)構(gòu)鋼的金相組織圖。圖2是本發(fā)明具體實施方式
中高強度結(jié)構(gòu)鋼的晶粒度圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例1-3對本發(fā)明的高強度結(jié)構(gòu)鋼及其生產(chǎn)方法作進一步說明。本具體實施方式
的適合高寒地區(qū)使用的高強度結(jié)構(gòu)鋼按其成分和含量的不同分別含有三個實施例，三個實施例的高強度結(jié)構(gòu)鋼含有的成分和各成分質(zhì)量百分比含量如表I所示表I
權(quán)利要求
1.一種適合高寒地區(qū)使用的高強度結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于所述結(jié)構(gòu)鋼含有的成分和各成分質(zhì)量百分比含量為C :0. 12 0. 2%、Si :0. 3 0. 6%、Mn :1 I. 7%、P 彡 0. 015%,S^O. 01%,Nb 0. 03 0. 06%,V 0. 04 0. 12%,Ni 0. 3 0. 7%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述高強度結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于所述結(jié)構(gòu)鋼在熱軋中采用粗軋和精軋二階段控軋；所述粗軋結(jié)束溫度為1000°C 1100°C，所述精軋開軋溫度為900°C 950°C，所述精軋結(jié)束溫度為820°C 880°C，所述精軋階段壓縮比大于80%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述高強度結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于所述結(jié)構(gòu)鋼在熱軋中采用的連鑄板坯加熱溫度為1180°C 1230°C，所述粗軋為5道次連軋，所述精軋為7道次連軋，所述精軋后卷取溫度為500°C 600°C。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述高強度結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)方法，包括依次采用鐵水預脫硫工序，轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖秃洗禑捁ば?，吹Ar站(或LF爐)底吹Ar攪拌工序，RH爐進行成分微調(diào)和真空循環(huán)脫氣處理工序，全程吹Ar保護澆鑄的連鑄工序以及熱軋工序；所述熱軋工序采用粗軋和精軋二階段控軋，粗軋結(jié)束溫度為1000°C 1100°C，精軋開軋溫度為900°C 950°C，精軋結(jié)束溫度為820°C 880°C，精軋階段壓縮比大于80%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生產(chǎn)方法，其特征在于所述熱軋工序中，連鑄板坯加熱溫度為1180°C 1230°C，粗軋為5道次連軋，精軋為7道次連軋，精軋后卷取溫度為500°C 600。。。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的生產(chǎn)方法，其特征在于所述熱軋工序中，精軋后的層流冷卻階段采用后段冷卻；所述底吹Ar攪拌的時間大于5分鐘，所述真空循環(huán)脫氣的時間大于8分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適合高寒地區(qū)使用的高強度結(jié)構(gòu)鋼及其生產(chǎn)方法，屬于鐵基合金技術(shù)領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)鋼及其生產(chǎn)方法是控制結(jié)構(gòu)鋼的成分及其質(zhì)量百分比含量為C0.12～0.2％、Si0.3～0.6％、Mn1～1.7％、P≤0.015％、S≤0.01％、Nb0.03～0.06％、V0.04～0.12％、Ni0.3～0.7％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)元素；同時控制結(jié)構(gòu)鋼的粗軋結(jié)束溫度為1000℃～1100℃，精軋開軋溫度為900℃～950℃，精軋結(jié)束溫度為820℃～880℃，精軋階段壓縮比大于80％。該結(jié)構(gòu)鋼及其生產(chǎn)方法通過合理的化學成分設計及Nb、V微合金化處理，以及熱軋采用二階段控軋，可以得到高強度、低溫尤其是超低溫下高塑韌性的結(jié)構(gòu)鋼材料。
文檔編號C21C7/10GK102758135SQ20111011063
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者王海軍, 韓孝永 申請人:上海梅山鋼鐵股份有限公司