屈服強度690MPa級橋梁用結構鋼板及其生產方法

　　【技術領域】

　　[OOOU 本發明屬于冶金工業中橋梁用結構鋼技術領域，具體設及一種屈服強度690MPa 級橋梁用結構鋼板及其生產方法。

　　【背景技術】

　　[0002] 隨著我國交通建設的飛速發展，橋梁的跨徑、運營荷載、行車速度等均在逐步提 高，因而對橋梁鋼提出更高的技術要求。順應橋梁工程發展需要的高強高初、優異焊接性 能、抗疲勞性能W及良好耐候性能的高性能橋梁鋼將是其發展的主要方向。使用強度級別 高的鋼材能夠較好地滿足大跨度鋼橋或某些受力大的結構需求，減輕鋼板厚度和減少普通 強度級別鋼材的用量，在滿足使用要求的同時能夠降低橋梁自重，從而實現大跨度化、減少 焊縫和節點W及改善作業性能；同時，從提高橋梁鋼焊接性能的角度出發，還要求降低橋梁 鋼的碳當量和焊接裂紋敏感系數來提高焊接性能。而優異的焊接性能能夠實現焊前不預熱 和焊后不需要熱處理，簡化焊接工藝，降低成本。

　　[0003] 經檢索，申請號為201110123433. 2的中國發明專利公開了一種橋梁結構鋼及其 生產方法，所得的橋梁結構鋼的化學成分按重量計包含；C;0. 11~0. 16%、Si;0. 10~ 0. 45%、Mn;1. 35 ~1. 70%、S《0. 010%、P《0. 020%、佩；0. 025 ~0. 060%、Ti;0. 008 ~ 0. 030%、V;0. 025 ~0. 080%、Ni;0. 10 ~0. 50%、Als;0. 015 ~0. 060%、N《40X10-6、 0《40Xl(r6、2X10^6,其余為鐵和不可避免的雜質，Ais表示酸溶侶。該發明鋼板的 屈服強度不低于370MPa，抗拉強度不低于SlOMPa，屈強比不高于0. 75,斷后伸長率不低于 30%，-40°C縱向AKV不低于240J，能滿足高速復線鐵路橋梁的制造要求，也可推廣用于建 筑、交通、海洋平臺等工程結構。該發明的不足之處在于強度過低，同時碳含量過高，碳含量 的升高會增加鋼板的碳當量，難W保證鋼板良好的焊接性能。

　　[0004] 申請號為201210239313. 3的中國發明專利公開了一種超寬薄規格橋梁用結構鋼 板及其生產方法，所述超寬薄規格橋梁用結構鋼板的化學成分按重量計包含；C;0. 12~ 0. 17%、Si;0. 20 ~0. 45%、Mn;1. 25 ~1. 50%、S《0. 010%、P《0. 020%、佩；0. 010 ~ 0. 040 %、Ti;0. 008 ~0. 030 %、Als;0. 015 ~0. 050 %、N《40X1〇-6、0《20X1〇-6、 2X10^6,其余為鐵和不可避免的雜質。該發明方法包括W下步驟：冶煉和鑄造，在冶 煉和鑄造過程中，采用轉爐或電爐冶煉，鑄造采用連鑄或模鑄。一方面，該發明的鑄造的 成本較高，另一方面，生產的鋼板屈服強度僅為350~400MPa，同時含碳量高達0. 12 %~ 0. 17%。

　　[0005] 對已公開的專利和文獻分析發現，目前橋梁用結構鋼主要存在兩個問題；一是強 度級別較低，多集中于500MPaW下橋梁鋼的研究；二是發明鋼種的含碳量高，該嚴重影響 了橋梁鋼的可焊接性，增加了橋梁建造成本。

　　【發明內容】

　　[0006] 本發明的目的是解決現有技術的不足，提供一種屈服強度690MI^a級橋梁用結構 鋼板及其生產方法，w連鑄巧為基礎，通過合理控制鋼板成分、軸制工藝、冷卻工藝和調質 工藝的方法來生產制造焊接性能良好屈服強度為690MI^a橋梁用結構鋼板。本發明的突出 優勢在于大大提高了橋梁鋼的屈服強度，減輕鋼板厚度和減少普通強度級別鋼材的用量， 在滿足使用要求的同時能夠降低橋梁自重，從而實現橋梁大跨度化，另一方面在提高橋梁 鋼屈服強度的同時，還大大降低了Pcm和CEV，改善了橋梁鋼的焊接性能，簡化了焊接工藝。

　　[0007] 為實現上述目的，本發明所設計的屈服強度690MI^a級橋梁用結構鋼板，其化學 成分的重量百分數為；C;0. 040 ~0. 080%，Si;0. 20 ~0. 25%，Mn;1. 50 ~1. 65%，P; 《0. 010%，S;《0. 005%，佩；0. 040 ~0. 050%，Ti;0. 006 ~0. 018%，化；0. 25 ~0. 35%， Mo;0. 25~0. 30%，Cu;0. 30~0. 40%，Ni;0. 20~0. 30%，其余為化及不可避免的夾雜， 為了保證本發明中橋梁用鋼獲得良好的焊接性能和強初性能，其化學成分還需要滿足；焊 接裂紋敏感性組合化m《0. 22,碳當量CEV《0. 50,10C+4化+化=6. 5~7. 5 ;其中，

　　[0008] Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+地，

　　[0009] CEV=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Ni+Cu)/15。

　　[0010] 其中，C、Mn和化復合添加的情況下，更利于提高鋼的澤透性，但立者的含量 過高又會導致鋼的初性降低，研究表明l〇C+4Mn+化<6. 5時，試驗鋼的澤透性不夠，較 厚的鋼板在調質時，往往不能得到較好的馬氏體組織，導致調質后鋼板強度不足；而當 10C+4Mn+&^. 5時，試樣鋼的澤透性較好，但試驗鋼的初性不足，往往導致沖擊功不合；同 時，本發明鋼還通過嚴格控制Pcm值和碳當量CEV來有效的改善焊接性能。

　　[0011] 作為優選方案，所述鋼板化學成分的重量百分數為；C;0. 042~0.065%，Si: 0. 21 ~0.24%，Mn; 1.52 ~1.54%，P0.010%，S0.005%，佩；0. 045 ~0.050%，Ti; 0.Oil~0. 018%，Cr;0. 28 ~0. 33%，Mo;0. 25 ~0. 30%，Cu;0.：M~0. 37%，Ni;0. 25 ~ 0. 30 %，其余為化及不可避免的夾雜；并且，滿足焊接裂紋敏感性組合Pcm《0. 22,碳當量 CEV《0. 50,10C+4Cr+Cu=6. 5 ~7. 5。

　　[0012] 作為更優選方案，所述鋼板化學成分的重量百分數為；C;0. 061%，Si;0. 22%， Mn;1. 53%，P;《0. 010%，S;《0. 005%，Nb;0. 047%，Ti;0. 015%，Cr;0. 32%，Mo; 0. 25 %，Cu;0. 36 %，Ni;0. 28 %，其余為化及不可避免的夾雜。

　　[001引作為優選方案，所述鋼板屈服強度氏1> 690MPa，抗拉強度Rm> 770MPa，延伸率A> 18%，-40°C低溫沖擊性能> 100J。

　　[0014] 上述屈服強度690MI^a級橋梁用結構鋼板的生產方法，包括如下步驟：

　　[0015] 1)按照所述化學成分的重量百分數配比進行冶煉，控制鋼水中合金含量并連鑄成 巧；

　　[0016] 2)將步驟1)中得到的鑄巧加熱并保溫，加熱溫度控制在1180~1220°C，保證在 爐時間為250~400min，在溫度為1180~1220°C下保溫60~70min;

　　[0017]扣分段軸制：

　　[001引粗軸追制粗軸開軸溫度為1100~1180。粗軸道次壓下率> 15%，粗軸結束溫 度>loocrc;

　　[0019] 精軸；控制精軸開軸溫度為850~870°C，精軸后S道累計壓下率> 50%，精軸結 束溫度為810~830°C;

　　[0020] 4)冷卻；終軸后進行冷卻，開始冷卻溫度控制在750~820。冷卻速度為3~ 9°C/s；

　　[0021] 5)調質處理；

　　[0022] 澤火；澤火溫度為900~940°C，保溫時間為40~90min;

　　[002引 高溫回火；回火溫度為590~640°C，在爐時間為60~120min。

　　[0024] 作為優選方案，所述步驟5)中，澤火時保溫時間為板厚加25~40min，回火時保 溫時間為板厚加45~60min。例如制造板厚為16mm的鋼板，則澤火時保溫時間為41~ 56min，回火時保溫時間為61~76min。

　　[0025] 本發明中各元素及主要工序的作用：

　　[0026] 本發明中C是提高鋼材強度最有效、最經濟的元素，隨著碳含量的增加，鋼的強度 和澤透性也隨著大幅度增加，但同時碳含量的增加會導致鋼板延伸率和初性下降，焊接性 能減弱，綜合考慮鋼的強度和初性，并考慮降低碳當量來提高焊接性能，將C含量的取值范 圍定為0.040~0.080%。

　　[0027] 本發明中Si是煉鋼脫氧的必要元素，可W提高鋼的強度，降低鋼中石墨化傾向， 但同時會顯著惡化鋼的初性和焊接熱影響區的初性，因此，將Si的含量控制在較低水平： 0. 20 ~0. 25%。

　　[002引本發明中在降低C含量的情況下，Mn是最重要的強初化元素，它可W提高鋼的澤 透性，促進貝氏體/馬氏體組織的形成，經驗表明；1 %的Mn大約可W提高lOOMPa的抗拉強 度，但Mn含量過高易導致成分和組織偏析。綜合考慮，Mn含量設計為1. 55~1. 65%。

　　[0029] 本發明中化，Ni;化和Ni均為奧氏體形成元素，促進了奧氏體形成和穩定化，提高 鋼板抗拉強度。Cu的加入可W提高鋼的耐蝕性、強度，改善實驗鋼的焊接性和機械加工性 能。Ni的添加同時改善鋼的低溫初性，但Ni含量過高會惡化鋼板的焊接性能。鋼中的銅 能明顯地與加入的棚起綜合作用，銅與棚聯合加入會進一步抑制貝氏體轉變前的鐵素體形 成，能夠在調質時更易得到馬氏體組織。但化含量過高會引起鋼的熱脆現象，惡化鋼板表 面質量。一定量的Ni和化配合加入可W改善該種現象。因此控制Ni含量0. 20~0. 30%， Cu含量 0.30 ~0.40%。

　　[0030] 本發明中化是一種能有效提高鋼板強度和澤透性的元素，它能使鐵素體相變明 顯右移，拓寬貝氏體相變的冷速區間，促進中溫轉變組織的形成，但同時當&含量過高時， 會顯著減低基材和熱影響區的初性，同時C、Cu和Cr復合添加的情況下，更利于提高鋼的澤 透性，但=者的含量過高又會導致，試樣的初性降低，&含量0. 25~0. 35%。

　　[0031] 本發明中Mo能明顯提高澤透性，從而有利于馬氏體的形成。但Mo含量高于0.4% 時，會提高鋼板冷裂紋敏感性，降低焊接性能，同時會促進HAZ區域形成粗大的下貝氏體組 織，使得HAZ性能大幅度下降。Mo含量0. 25~0. 30%。

　　[0032] 本發明中Nb是強碳、氮化物形成元素，它可W形成細小的碳化物和氮化物，抑制 高溫區奧氏體晶粒的長大。在軸制過程中的奧氏體再結晶溫度區域內，Nb的碳、

　　氮化物可 W作為奧氏體晶粒形核核屯、；在非再結晶溫度范圍內，彌散分布的Nb的碳、氮化物可W有 效釘軸奧氏體晶界，阻止奧氏體晶粒進一步長大，從而細化鐵素體晶粒，提高鋼的強度和初 性。Nb含量過低導致會導致屈服強度不足，而Nb含量過高又會導致焊接冷卻過程中焊接熱 影響區出現M/A島組織而惡化其性能。本試驗鋼中Nb的含量選定為；0. 035~0. 045%。

　　[0033] 本發明Ti也是一種強碳、氮化物形成元素，也能起到細化晶粒的作用。它能顯著 提高鋼的室溫強度、高溫強度和鋼的初性。另外，Ti的氮化析出物能有效釘軸奧氏體晶界， 抑制奧氏體晶粒的長大，大大改善鋼的焊接熱影響區的低溫初性。但是，過高的Ti含量會 導致鋼的塑、初性降低。實驗室研制過程中，Ti含量設計為；0. 006~0. 015%。

　　[0034] 本發明具有W下優點：

　　[0035] 第一，通過本發明工藝設計生產鋼板的屈服強度為690MI^a橋梁用結構鋼板，具 有良好的強初性，本發明鋼板的屈服強度Rel> 690MPa，抗拉強度Rm> 770MPa，延伸率 A> 18%，-40°C低溫沖擊性能> 100J，與現有橋梁鋼技術相比，大大提高了強度級別，目前 投入使用多為500MPa級別的橋梁鋼；

　　[0036] 第二，本發明方法通過嚴格控制碳當量CEV《0. 50,Pcm《0. 22來提高鋼板的焊 接性能，焊接后無需預熱或預熱溫度不高于50°C，焊接后不需熱處理，大大提高了焊接效率 和焊接質量，改善了橋梁鋼的焊接性能，簡化了焊接工藝；

　　[0037] 第=，本發明的突出優勢在于大大提高了橋梁鋼的屈服強度，減輕鋼板厚度和減 少普通強度級別鋼材的用量，在滿足使用要求的同時能夠降低橋梁自重，從而實現橋梁大 跨度化。

　　【附圖說明】

　　[003引圖1為實施例1生產的鋼板組織的掃描電鏡圖。

　　[0039] 圖2為實施例2生產的鋼板組織的掃描電鏡圖。

　　[0040] 圖3為實施例1生產的鋼板沖擊斷口的掃描電鏡圖。

　　[0041] 圖4為對比例1生產的鋼板沖擊斷口的掃描電鏡圖。

　　[00創圖5為16mm厚試驗鋼澤火態+回火態試樣析出物的掃描電鏡圖。

　　【具體實施方式】

　　[0043] 下面結合附圖對本發明予W詳細描述：

　　[0044] 表1為本發明各實施例及對比例化學成分的取值列表；

　　[0045] 表2為本發明各實施例及對比例化學成分滿足系數列表；

　　[0046] 表3為本發明各實施例及對比例主要工藝參數列表；

　　[0047] 表4為本發明各實施例及對比例的力學性能實驗結果列表。

　　[0048] 本發明各實施例按照W下步驟生產：

　　[0049] 1)按照所述化學成分的重量百分數配比進行冶煉，控制鋼水中合金含量并連鑄成 巧；

　　[0化0] 2)將步驟1)中得到的鑄巧加熱并保溫，加熱溫度控制在1180~1220°C，保證在 爐時間為250~400min，在溫度為1180~1220°C下保溫60~70min;

　　[0051]扣分段軸制：

　　[005引粗軸追制粗軸開軸溫度為1100~1180。粗軸道次壓下率>15%，粗軸結束溫 度>loocrc;

　　[0化3]精軸；控制精軸開軸溫度為850~870°C，精軸后S道累計壓下率> 50%，精軸結 束溫度為810~830°C;

　　[0化4] 4)冷卻；終軸后進行冷卻，開始冷卻溫度控制在750~820°C，冷卻速度為3~ 9°C/s；

　　[0化5] 5)調質處理；

　　[0056] 澤火；澤火溫度為900~940°C，保溫時間為40~90min;

　　[0化7] 高溫回火；回火溫度為590~640°C，在爐時間為60~120min。

　　[005引表1本發明各實施例及對比例化學成分的取值列表：

　　[0059]

　　[0060] 表2為本發明各實施例及對比例化學成分滿足系數列表：

　　[0061]

　　[00創表3為本發明各實施例及對比例主要工藝參數列表;' '

　　[0063]

　　[0067] 通過表1至表3的數據可W看出，本發明中實施例1~5所煉制的鋼種均滿 足本發明鋼板的性能指標；滿足屈服強度Rei> 690MPa，抗拉強度Rm> 770MPa，延伸率 A> 18%，-20°C低溫沖擊性能> 100J，同時本發明鋼的碳當量CEV《0. 50,Pcm《0. 22。

　　[0068] 通過表4可W看出，對比例1的l〇C+4Mn+化值高達8. 5,雖然其澤透性較好，但C、 Mn含量的增加導致了實驗鋼強度升高，沖擊性能下降，同時其碳當量也較高嚴重影響了材 料的焊接性能；而對比例2由于10C+4Mn+化值比較低，其澤透性較差，甚至在鋼板的局部區 域出現了貝氏體組織，導致鋼板的強度較低。

　　[0069] 通過圖1和圖2可W看出，實施例1和實施例2生產的鋼板的組織主要為回火索 氏體；從圖3可W看出實施例1生產的鋼板的沖擊斷口形貌為初窩狀斷口，初性較好；從圖 4可W看出對比例1生產的鋼板的沖擊斷口形貌為解理狀斷口，初性明顯較實施例1差；從 圖5可W看出板厚為16mm的試驗鋼澤火態+回火態試樣析出物形態中有大量的點狀析出 物，眾多點狀析出物在鋼性能強化中起著重要作用。

　　[0070]上述實施例僅為最佳例舉，而并非是對本發明的實施方式的限定。

　　【主權項】

　　1. 一種屈服強度690MPa級橋梁用結構鋼板，其特征在于：所述鋼板化學成分的重量 百分數為：C :0? 040 ~0? 080%，Si :0? 20 ~0? 25%，Mn :1. 50 ~L 65%，P :彡 0? 010%，S : 彡 0. 005%，Nb :0. 040 ~0. 050%，Ti :0. 006 ~0. 018%，Cr :0. 25 ~0. 35%，Mo :0. 25 ~ 0. 30%，Cu :0. 30~0. 40%，Ni :0. 20~0. 30%，其余為Fe及不可避免的夾雜；并且，滿足 焊接裂紋敏感性組合Pcm彡0. 22,碳當量CEV彡0. 50,10C+4Cr+Cu=6. 5~7. 5 ;其中， Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B, CEV=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Ni+Cu)/15。2. 根據權利要求1所述屈服強度690MPa級橋梁用結構鋼板，其特征在于：所述鋼板化 學成分的重量百分數為：C :0? 042 ~0? 065%，Si :0? 21 ~0? 24%，Mn :1. 52 ~L 54%，P : 彡 0? 010%，S :彡 0? 005%，Nb :0? 045 ~0? 050%，Ti :0? 011 ~0? 018%，Cr :0? 28 ~0? 33%， Mo :0. 25~0. 30%，Cu :0. 34~0. 37%，Ni :0. 25~0. 30%，其余為Fe及不可避免的夾雜， 并且，滿足焊接裂紋敏感性組合Pcm < 0. 22,碳當量CEV < 0. 50,10C+4Cr+Cu=6. 5~7. 5。3. 根據權利要求2所述屈服強度690MPa級橋梁用結構鋼板，其特征在于：所述鋼板化 學成分的重量百分數為：C :0? 061%，Si :0? 22%，Mn :1. 53%，P :彡 0? 010%，S :彡 0? 005%， Nb :0? 047%，Ti :0? 015%，Cr :0? 32%，Mo :0? 25%，Cu :0? 36%，Ni :0? 28%，其余為 Fe 及不 可避免的夾雜。4. 根據權利要求1~3任意一項所述屈服強度690MPa級橋梁用結構鋼板，其特征在 于：所述鋼板屈服強度Rel> 690MPa，抗拉強度Rm> 770MPa，延伸率A彡18%，-40°C低溫 沖擊性能彡100J。5. -種權利要求1所述屈服強度690MPa級橋梁用結構鋼板的生產方法，其特征在于： 該方法包括如下步驟： 1) 按照所述化學成分的重量百分數配比進行冶煉，控制鋼水中合金含量并連鑄成坯； 2) 將步驟1)中得到的鑄坯加熱并保溫，加熱溫度控制在1180~1220°C，保證在爐時 間為250~400min，在溫度為1180~1220°C下保溫60~70min ; 3) 分段乳制： 粗軋：控制粗軋開軋溫度為1100~1180°C，粗軋道次壓下率多15%，粗軋結束溫度 ^ 1000 0C ； 精軋：控制精軋開軋溫度為850~870°C，精軋后三道累計壓下率多50%，精軋結束溫 度為810~830°C ; 4) 冷卻：終軋后進行冷卻，開始冷卻溫度控制在750~820°C，冷卻速度為3~9°C /s ; 5) 調質處理： 淬火：淬火溫度為900~940°C，保溫時間為40~90min ; 高溫回火：回火溫度為590~640°C，在爐時間為60~120min。6. 根據權利要求5所述屈服強度690MPa級橋梁用結構鋼板的生產方法，其特征在 于：所述步驟5)中，淬火時保溫時間為板厚加25~40min，回火時保溫時間為板厚加45~ 60min〇

　　【專利摘要】本發明公開了一種屈服強度690MPa級橋梁用結構鋼板及其生產方法，該鋼板化學成分的重量百分數為：C：0.040～0.080％，Si：0.20～0.25％，Mn：1.50～1.65％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Nb：0.040～0.050％，Ti：0.006～0.018％，Cr：0.25～0.35％，Mo：0.25～0.30％，Cu：0.30～0.40％，Ni：0.20～0.30％，其余為Fe及不可避免的夾雜，并滿足焊接裂紋敏感性組合Pcm≤0.22，碳當量CEV≤0.50，10C+4Cr+Cu＝6.5～7.5。通過本發明工藝設計生產的屈服強度690MPa級橋梁用結構鋼板，具有良好的強韌性，本發明鋼板的屈服強度Rel≥690MPa，抗拉強度Rm≥770MPa，延伸率A≥18％，-40℃低溫沖擊性能≥100J，與現有橋梁鋼技術相比，大大提高了強度級別。另外，本發明方法通過嚴格控制碳當量CEV≤0.50，Pcm≤0.22來提高鋼板的焊接性能。

　　【IPC分類】C22C33/04, C22C38/58

　　【公開號】CN104988429

　　【申請號】CN201510407828

　　【發明人】劉敏, 鄒德輝, 黃海娥, 程吉浩, 董中波, 羅毅, 郭斌

　　【申請人】武漢鋼鐵(集團)公司

　　【公開日】2015年10月21日

　　【申請日】2015年7月13日