專利名稱：：高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及一種高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板及其制造方法。
背景技術：
：耐大氣腐蝕鋼主要用于制造集裝箱、鐵路車輛、電站鍋爐耐腐蝕件、石油井架以及工程機械等要求耐大氣腐蝕性能的結構件，其中鐵路行業是耐大氣腐蝕鋼最重要的應用領域之一。鐵路車輛最主要的發展趨勢是高速與重載，提高鋼材強度以減輕車輛自重是達此目標的重要手段，除要求高強度外，還要求鐵路車輛用耐大氣腐蝕鋼具有高韌性以及良好的耐大氣腐蝕性能、成型性能、焊接性能、抗疲勞性能等。疲勞是金屬材料在交變應力作用下經過多次循環而破壞的現象，承受動載荷的鐵路車輛焊接結構件的疲勞特性是最復雜的工程問題之一。由于焊接接頭中不僅有應力集中，而且在焊縫中易產生缺陷，因此與其它結構件相比，焊接結構件的疲勞性能要差些。進一步提高焊接接頭的疲勞性能對保障高速重載鐵路車輛的安全運行意義重大。迄今為止，雖然已經公開了多項有關耐大氣腐蝕鋼的發明專利，但尚無有關耐大氣腐蝕鋼焊接接頭疲勞性能的報道。發表于2005年《寶鋼技術》增刊的"高強耐候鋼焊接接頭性能研究"(以下簡稱文獻①)，提供了一種高強度耐大氣腐蝕鋼焊接接頭的疲勞性能，但它在450MPa應力水平下的疲勞壽命為0.61.8X106次，在485MPa應力水平下的疲勞壽命僅為0.140.31X106次，抗疲勞性能仍比較差。
發明內容為了克服現有高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板的上述不足，本發明提供了一種抗疲勞性能高的高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板，同時提供這種中厚板的制造方法。本高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板的化學成分的質量百分配比為0<C《0.12Si0.250.60Mn0.801.450<P《0.0200<S《0.008Cr0.351.00Ni0.150.55Cr0.250.500<Nb+V+Ti《0.22。其余為Fe和不可避免的雜質。—般寬度為15003000mm，厚度6.032.0mm。本發明所述高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板化學成分的限定理由如下。提高鋼的強度既簡便又便宜的方法是提高C含量，然而，隨著C含量的提高，鋼的塑性、沖擊韌性、焊接性能和成型性能卻明顯下降。為了使成品鋼材具有良好的綜合性能，應盡可能降低C含量，故限定C含量不得高于O.12%。通過提高鋼中Mn含量來彌補因降低C含量導致的中厚板強度的下降。Mn在鋼中可形成置換式固溶體，起到較強的固溶強化作用，使屈服強度和抗拉強度線性增加。此外，Mn是奧氏體形成元素，具有穩定奧氏體的作用，可降低奧氏體轉變溫度(Ar3)，提高鐵素體形核率，降低晶粒長大速度，即具有細化晶粒的作用。但Mn含量提高可使鋼的C當量(Ceq)3增加，對焊接性能不利。為了綜合改善強韌性并兼顧焊接性能，應適當提高Mn含量。因此，將Mn含量限定在0.80-1.45%范圍。Si在鐵素體中的固溶強化系數比Mn高，Si對提高強度非常有效，但卻降低鋼的沖擊韌性，采用Si合金化的幅度有限。為此，將Si含量限定在0.25-0.60%范圍。P對鋼的沖擊韌性、焊接性能和成型性能都是有害的。P在鋼中易析出并形成Fe3P，增加鋼的脆性，特別是劇烈地降低鋼的低溫沖擊韌性；P會惡化鋼的焊接性能；此外P在Y鐵和a鐵中的擴散速度小，易形成偏析，從而對鋼的成型性能造成不利影響。因本發明中厚板對焊接性能要求嚴格，因此將其P含量限制在0.020%以下。S含量較高時可導致鋼產生"熱脆"缺陷，加入鋼中的Mn可與S形成MnS塑性夾雜物，減輕S的有害影響。但在軋制過程中沿軋制方向延伸的MnS易使中厚板形成帶狀組織，降低中厚板的橫向沖擊韌性和成型性能。S對鋼的耐蝕性也十分有害，鋼中的硫化物可成為銹蝕的發源地，因此限定S含量不得高于0.008%。Cr、Ni、Cu元素在鋼中可起到不同程度的固溶強化作用，其中Ni還可改善鋼的低溫沖擊韌性，但加入這些元素的主要目的卻在于賦予成品中厚板良好的耐大氣腐蝕性能。Cr、Ni、Cu元素的適量組合，可使鋼獲得優良的耐大氣腐蝕性能，為此對Cr、Ni、Cu元素含量限定如下0.35%《Cr《1.00%，0.15%《Ni《0.55%，0.25%《Cu《0.50%。在加熱過程中溶解于奧氏體中的Nb、V、Ti的碳化物、氮化物或碳、氮化合物可有效阻止奧氏體晶粒張大，這對改善鋼材的焊接性能可起到積極作用。在固溶強化、相變強化、位錯強化、析出強化和細晶強化等諸多強化手段中，細晶強化是同時提高材料強度和韌性的唯一方法，是鋼鐵材料極為重要的強化方式，而加入Nb、V、Ti等微合金化元素則是使這一機制充分發揮作用的重要手段。相變后在鐵素體基體上析出的更細小彌散的Nb、V、Ti的碳化物、氮化物或碳、氮化合物則起到了析出強化作用。為使Nb、V、Ti元素有效發揮上述作用，限定Nb+V+Ti總量不高于0.22%。本高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板及其制造方法包括下述依次的步驟A制備連鑄坯通過鐵水預處理脫硫、頂底復合吹煉轉爐冶煉、LF精煉和板坯連鑄，獲得的連鑄坯的化學成分的質量百分配比為0<C《0.12Si0.250.60Mn0.801.450<P《0.0200<S《0.008Cr0.351.00Ni0.150.55Cr0.250.500<Nb+V+Ti《0.22。其余為Fe和不可避免的雜質。B采用TMCP工藝將連鑄坯加工成中厚板連鑄坯在加熱爐中加熱，加熱溫度不低于120(TC，保溫時間不短于2.5小時，使奧氏體均勻化；加熱后的連鑄坯經過粗軋和精軋兩個階段的熱加工，生產出厚度為6.032.Omm的成品中厚板，其中粗軋道次壓下率〉15%，精軋累積壓下率>60%，終軋溫度790890°C，以實現奧氏體軋制。中厚板終軋后快速水冷至55065(TC并進行矯直，然后再在空氣中冷卻到室溫。本高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板及其制造方法，在于通過化學成分和TMCP工藝制度的合理匹配，生產出一種高強度耐大氣腐蝕中厚板，其強韌性匹配良好，耐大氣腐蝕性能優良，非金屬夾雜物級別較低，晶粒尺寸較小，以此為原料生產的焊接結構件具有良好的抗疲勞性能。以本發明中厚板為原料生產的焊接結構件的疲勞性能與文獻①的對比見表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表1可以看出，在450MPa應力水平下，文獻①的疲勞壽命為0.61.8X106次，以本發明耐大氣腐蝕中厚板為原料生產的焊接結構件的疲勞壽命為2.93.6X106次；在485MPa應力水平下，文獻①的疲勞壽命為0.140.31X106次，以本發明耐大氣腐蝕中厚板為原料生產的焊接結構件的疲勞壽命為0.92.3X106次。這說明，以本發明耐大氣腐蝕中厚板為原料生產的焊接結構件的疲勞壽命較高，抗疲勞性能高，能夠更好地保障高速重載鐵路車輛的運行安全性。具體實施例方式下面結合實施例詳細說明本高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板及其制造方法的具體實施方式，但本高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板及其制造方法的具體實施方式不局限于下述實施例。下述實施例的生產條件為鐵水預處理設施，180噸頂底復合吹煉轉爐，LF精煉裝置，板坯連鑄機，3300mm中厚板生產線。耐大氣腐蝕中厚板化學分析方法為GB/T223，取樣方法GB/T222。耐大氣腐蝕中厚板拉伸性能檢驗方法GB/T228，取樣方法GB/T2975。耐大氣腐蝕中厚板沖擊韌性檢驗方法GB/T229，取樣方法GB/T2975。耐大氣腐蝕中厚板冷彎性能檢驗方法GB/T232，取樣方法GB/T2975。耐大氣腐蝕中厚板耐大氣腐蝕性能檢驗及取樣方法TB/T2375。耐大氣腐蝕中厚板非金屬夾雜物評定標準GB/T10561。耐大氣腐蝕中厚板晶粒度評定標準GB/T6394。耐大氣腐蝕中厚板焊接方法為手工電弧焊或氣體保護焊或埋弧焊，分別采用J556CrNiCu或TH550-NQ-II或TH550-NQ-III焊絲，焊條或焊絲符合運裝貨車[2005]67號《鐵道車輛用高強度耐大氣腐蝕鋼焊接材料(焊條、焊絲)訂貨技術條件》要求。耐大氣腐蝕中厚板焊接接頭疲勞試驗方法GB/T13816。疲勞試驗應用MTS810疲勞試驗機，試驗在室溫下空氣介質中進行，采用脈動拉伸受力方式，循環應力比R=O，試驗頻率20Hz。中厚板實施例一本實施例的高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板厚度6.Omm，化學成分的質量百分配比為C:0.085Si:0.45Mn:1.18P:0.010S:0.003Cr:0.71Ni:0.22Cu:0.43Nb+V+Ti:0.07，其余為Fe和不可避免的雜質。本實施例中厚板力學性能和成型性能測試結果見表2，耐大氣腐蝕性能測試結果見表3，非金屬夾雜物及晶粒度評定結果見表4，焊接接頭焊接方法、焊接材料及疲勞性能測試結果見表5。中厚板實施例二本實施例的高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板厚度20.Omm，化學成分的質量百分配比為C:0.088Si:O.39Mn:1.35P:0.011S:0.004Cr:0.68Ni:0.23Cu:0.41Nb+V+Ti:0.10，其余為Fe和不可避免的雜質。本實施例中厚板力學性能和成型性能測試結果見表2，耐大氣腐蝕性能測試結果見表3，非金屬夾雜物及晶粒度評定結果見表4，焊接接頭焊接方法、焊接材料及疲勞性能測試結果見表5。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>中厚板實施例三本實施例的高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板厚度14.Omm，化學成分的質量百分配比為C:0.095Si:0.31Mn:1.43P:0.009S:0.003Cr:0.71Ni:0.22Cu:0.45Nb+V+Ti:0.13，其余為Fe和不可避免的雜質。制造方法實施例一本實施例制造的是中厚板實施例一，本實施例的制造方法包括下述依次的步驟A制備連鑄坯通過鐵水預處理脫硫、180噸頂底復合吹煉轉爐冶煉、LF精煉和板坯連鑄，獲得的連鑄坯的化學成分的質量百分配比為C:0.085Si:0.45Mn:1.18P:0.010S:0.003Cr:0.71Ni:0.22Cu:0.43Nb+V+Ti:0.07，7其余為Fe和不可避免的雜質。B采用TMCP工藝將連鑄坯加工成中厚板連鑄坯在加熱爐中加熱到123(TC，保溫時間3小時。加熱后的連鑄坯經過粗軋和精軋兩個階段的熱加工，生產出厚度為6.0mm的成品中厚板，中厚板終軋溫度860°C，中厚板終軋后快速水冷至65(TC矯直，然后再在空氣中冷卻到室溫。本實施例中厚板力學性能和成型性能測試結果見表2，耐大氣腐蝕性能測試結果見表3，非金屬夾雜物及晶粒度評定結果見表4，焊接接頭焊接方法、焊接材料及疲勞性能測試結果見表5。制造方法實施例二本實施例制造的是中厚板實施例二，本實施例的制造方法包括下述依次的步驟A制備連鑄坯通過鐵水預處理脫硫、180噸頂底復合吹煉轉爐冶煉、LF精煉和厚板坯連鑄，獲得的連鑄坯的化學成分的質量百分配比為C:0.088Si:0.39Mn:1.35P:0.011S:0.004Cr:O.68Ni:0.23Cu:0.41Nb+V+Ti:0.lO，其余為Fe和不可避免的雜質。B采用TMCP工藝將連鑄坯加工成中厚板連鑄坯在加熱爐中加熱到122(TC，保溫時間3小時。加熱后的連鑄坯經過粗軋和精軋兩個階段的熱加工，生產出厚度為20.Omm的成品中厚板，中厚板終軋溫度S5(TC，中厚板終軋后快速水冷至63(TC矯直，然后再在空氣中冷卻到室溫。本實施例中厚板力學性能和成型性能測試結果見表2，耐大氣腐蝕性能測試結果見表3，非金屬夾雜物及晶粒度評定結果見表4，焊接接頭焊接方法、焊接材料及疲勞性能測試結果見表5。制造方法實施例三本實施例制造的是中厚板實施例三，本實施例的制造方法包括下述依次的步驟A制備連鑄坯通過鐵水預處理脫硫、180噸頂底復合吹煉轉爐冶煉、LF精煉和厚板坯連鑄，獲得的連鑄坯的化學成分的質量百分配比為C:0.095Si:0.31Mn:1.43P:0.009S:0.003Cr:O.71Ni:0.22Cu:0.45Nb+V+Ti:0.13，其余為Fe和不可避免的雜質。B采用TMCP工藝將連鑄坯加工成中厚板連鑄坯在加熱爐中加熱到122(TC，保溫時間3小時。加熱后的連鑄坯經過粗軋和精軋兩個階段的熱加工，生產出厚度為32.Omm的成品中厚板，中厚板終軋溫度S3(TC，中厚板終軋后快速水冷至58(TC矯直，然后再在空氣中冷卻到室溫。本實施例中厚板力學性能和成型性能測試結果見表2，耐大氣腐蝕性能測試結果見表3，非金屬夾雜物及晶粒度評定結果見表4，焊接接頭焊接方法、焊接材料及疲勞性能測試結果見表5。權利要求一種高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板，它的化學成分的質量百分配比為0＜C≤0.120.25≤Si≤0.600.80≤Mn≤1.450＜P≤0.0200＜S≤0.0080.35≤Cr≤1.000.15≤Ni≤0.550.25≤Cu≤0.500＜Nb+V+Ti≤0.22。其余為Fe和不可避免的雜質。2.權利要求1所述的高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板的制造方法，它包括下述依次的步驟A制備連鑄坯通過鐵水預處理脫硫、頂底復合吹煉轉爐冶煉、LF精煉和板坯連鑄，獲得的連鑄坯的化學成分的質量百分配比為0<C《0.120.25《Si《0.600.80《Mn《1.450<P《0.0200<S《0.0080.35《Cr《1.000.15《Ni《0.550.25《Cu《0.500<Nb+V+Ti《0.22;其余為Fe和不可避免的雜質；B采用TMCP工藝將連鑄坯加工成中厚板。3.按照權利要求2所述的高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板的制造方法，其特征是連鑄坯在加熱爐中加熱，加熱溫度不低于120(TC，保溫時間不短于2.5小時，使奧氏體均勻化；加熱后的連鑄坯經過粗軋和精軋兩個階段的熱加工，生產出厚度為6.0-32.Omm的成品中厚板，其中粗軋道次壓下率>15%，精軋累積壓下率>60%，終軋溫度790-89(TC，以實現奧氏體軋制；中厚板終軋后快速水冷至550-65(TC并進行矯直，然后再在空氣中冷卻到室溫。全文摘要本發明涉及高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板及其制造方法，中厚板的成分的質量百分配比為0＜C≤0.12，0.25≤Si≤0.60，0.80≤Mn≤1.45，0＜P≤0.020，0＜S≤0.008，0.35≤Cr≤1.00，0.15≤Ni≤0.55，0.25≤Cu≤0.50，0＜Nb+V+Ti≤0.22。其余為Fe和不可避免的雜質。中厚板的制造方法的步驟為A制備連鑄坯是通過鐵水預處理脫硫、頂底復合吹煉轉爐冶煉、LF精煉和厚板坯連鑄；B采用TMCP工藝將連鑄坯加工成中厚板，終軋溫度790-890℃，快速水冷至550-650℃矯直，然后冷卻到室溫。用本高強度抗疲勞耐大氣腐蝕中厚板制造方法加工的中厚板，其強韌性匹配良好，耐大氣腐蝕性能優良，以此為原料生產的焊接結構件具有良好的抗疲勞性能。文檔編號C22C38/50GK101775554SQ201010101439公開日2010年7月14日申請日期2010年1月21日優先權日2010年1月21日發明者石發才,辛建卿申請人:山西太鋼不銹鋼股份有限公司