專利名稱：髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種厚度為200mm，同時既能保證材料的強度和韌性滿足設計要求，又能保證材料焊接性的髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料及制備方法，屬鑄鋼材料制造領域。
背景技術：
中國目前橋梁用鋼主要是采用GB/T714-2008《橋梁用結構鋼》規(guī)定的系列材料，主要分三大類鐵路橋梁用鋼、公路橋梁用鋼、跨海橋梁用鋼。
中國的鐵路橋梁鋼的發(fā)展自1957年的武漢長江大橋(A3鋼)開始，經(jīng)歷了南京長江大橋(16Mnq)，九江長江大橋(15MnVNq)到1998年的蕪湖長江大橋(14MnNbq)，四個標志性的階段。材料的屈服強度從A3鋼大于等于240MPa_16Mnq鋼大于等于32OMpa-15MnVNq鋼大于等于412MPa(板厚彡16mm)-HMnNbq大于等于370MPa (板厚32_50mm)。中國公路橋梁鋼多選用Q345、Q370等，也有使用Q420鋼?？绾４髽蛴娩撝饕信c管樁鋼、通航主橋的橋梁鋼、欄面護欄以及帶肋鋼筋。管樁鋼的材質(zhì)主要是Q345C，規(guī)格范圍為16 25mm之間，大部分為熱軋卷板；通航主橋的橋梁鋼的材質(zhì)主要集中于Q34 級別，規(guī)格為10 50mm之間，主要為平板產(chǎn)品；護攔用鋼的材質(zhì)為Q345D/Q390D，規(guī)格為4 25mm之間。傳統(tǒng)的橋梁用鋼主要是C-Si-Mn系列，其中C含量一般控制0. 20%以下，Mn含量一般在I. 0%以上，主要用在厚度不大于IOOmm的橋梁用結構鋼板、鋼帶和厚度不大于40mm的橋梁用結構型鋼。對于要求較高的橋梁鋼鑄件材料，目前用的最多主要是美國公路橋梁用鋼(ASTM A486/A486M)的485級、620級和825級。由于本產(chǎn)品采用的是鑄造成型，雖然美國公路橋梁用鋼(ASTM A486/A486M)的825級在力學強度上能達到要求，但是該強度值只適用厚度不大于50mm的鑄件，而本產(chǎn)品的厚度為200mm，遠遠超出該標準的適用范圍，因此選用該材料很難滿足產(chǎn)品的設計要求。從GB/T714-2008《橋梁用結構鋼》和美國公路橋梁用鋼(ASTM A486/A486M)所能達到的力學性能來分析，目前提高鋼材綜合性能最多的是采用微合金化技術，對于厚度不大于IOOmm的橋梁用結構鋼板、鋼帶和厚度不大于40mm的橋梁用結構型鋼，采用添加Nb、V、Ti元素進行細化，通過軋制和采取相應的熱處理工藝，能大大提高材料的綜合性能，但是一般屈服強度也在490MPa以下。對于厚度尺寸達200mm的承壓座鑄件，僅僅利用對原材料進行微合金化，很難達到產(chǎn)品設計的性能要求。與強度等級相匹配現(xiàn)行的低合金鋼一般是含碳量在0. 35%以上的Cr-Mo鋼或者含碳量在0. 30%以上的Cr-Ni-Mo鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理才能達到。而這兩類鋼的碳當量值都超過0. 41，焊接性能極差。

發(fā)明內(nèi)容
設計目的避免背景技術中的不足之處，設計一種厚度為200mm，同時既能保證材料的強度和韌性滿足設計要求，又能保證材料焊接性的髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料及制備方法。設計方案髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼件材料是申請人在參與美國新海灣大橋項目建設過程中專門為該項目承壓座鑄鋼件開發(fā)的一種新的橋梁用鑄鋼材料。由于美國新海灣大橋是世界第一單塔自錨抗震懸索鋼結構橋梁，被視為世界上最昂貴、抗地震技術含量最高(可抗8級地震)、壽面最長(150年)的橋梁，能確保每天30萬輛車通過。根據(jù)大橋對鑄件的設計要求，設計者對鑄件機械性能提出了不僅要有很高的強度，同時必須有優(yōu)良的低溫沖擊韌性及良好的抗腐蝕能力和氧化能力，并且由于該鑄件要與其他結構件焊接，要適應野外無法預熱焊接要求，因此必須嚴格控制碳當量，保證鑄件的可焊性。由于該鑄件厚度相對比較厚，為了確保鑄件整體的性能，因此要求在鑄件本體(厚度200mm)芯部分縱、橫兩個方向取樣試驗(見圖2)，具體性能要求如下
O s 彡 480MPa, O b :700 850MPa, 8 5 彡 22%, ￥ 彡 35%
Akv (-20°C ) ^ 42J (且最小側向伸長0. 4mm)
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+ (Cu/13+P/2) ( 0. 41%
(當Cu < 0. 5%或P < 0. 05%時，可不計入)。為了實現(xiàn)本發(fā)明的設計目的。本申請的關鍵在于解決材料焊接性要求低合金組分構成滿足材料高強度高韌性要求。解決這一矛盾采用的技術方案是a.從材料的焊接性要求出發(fā)，根據(jù)碳當量不等式函數(shù)關系來控制三大主體元素的最有效范圍；b.根據(jù)三大主體 元素對材料性能的影響來確定低含量合金元素的范圍；c.通過添加微合金元素V、Ti來消除低含量合金元素相互制約對材料綜合性能帶來的不利影響。d.利用預細化和調(diào)質(zhì)雙重熱處理來調(diào)整鑄件的金相和組織晶粒度，從而達到細化晶粒獲得良好綜合機械性能。本申請根據(jù)承壓座鑄件結構特點及性能要求，設計一個合理有效的材料組分構成，通過材料的低合金化，既能保證材料的強度和韌性滿足設計要求，又要保證材料的焊接性。為此,本申請從控制組分構成的三大主體元素C、Si、Mn的含量入手，根據(jù)材料的焊接性能要求控制碳當量值，并結合工程結構用鋼碳錳當量規(guī)定錳含量一般不小于3倍含碳量，可以得出碳、錳含量應滿足以下數(shù)學函數(shù)關系
Wc+Wfc/6 ( 0. 41%,
3WC ( Wfc (式中W。為碳質(zhì)量百分含量，Wsfa為錳質(zhì)量百分含量)
由此可以得出碳含量(W。)應控制在0. 27%以下，并根據(jù)含碳量對機械性能的影響(圖3)，當含碳量超過0. 15%時，就會對鋼的韌性產(chǎn)生影響，以此碳含量(W。)控制在0. 15%以下，0. 10%以上。錳含量(Wsfa)控制在0. 60%以上，錳能提高鋼的強度，在煉鋼過程中具有優(yōu)良的脫氧和脫硫作用，但是當錳含量(Wsfc)超過1%時，會使鋼的焊接性能變壞，會使晶粒粗化，因此錳含量(Wsfa)控制在0. 60%-0. 85%。硅元素在煉鋼時具有脫氧的作用，同時一定含量的硅能提高鋼的強度，但是會降低材料的塑性和韌性，從提高材料的強度和降低對材料塑性和韌性要求，硅含量(Wsi)應控制在0. 40%以下，0. 20%以上。根據(jù)含碳量對鋼機械性能的影響(圖3)和硅、錳含量對鋼強度性能的影響(圖4)綜合得出，C、Si、Mn三大主體元素對于抗拉強度性能的貢獻值在400MPa-450MPa之間，這與設計要求700 850MPa差距較大?，F(xiàn)有傳統(tǒng)的低合金鋼鑄件在合金元素的控制上往往采用中碳含量(碳含量0. 35%以上)加Cr-Mo元素或Cr-Ni-Mo元素組合。在這些元素構成中，Cr、Ni含量往往在I. 00%以上，這對于控在鋼材的碳當量(C6q)極其不利。由于產(chǎn)品不僅要求具有較高的綜合力學性能，同時要有一定的耐腐蝕和抗氧化能力，而在合金元素中，Ni和Cr都具有耐腐蝕和抗氧化能力，但是Ni不能提高鐵素體的蠕變抗力，相反會使珠光體M體熱脆性增大，而且Ni單獨使用時，并不具有較好的抗氧化性，往往需要與Cr元素結合使用，因此在含量上必須嚴格控制；Cr能顯著提高強度，改善鋼的抗腐蝕能力和抗氧化能力，但是同時降低材料的塑性和韌性。雖然Ni在一定程度上可以提高鋼的韌性，但是受Cr元素及C、Si、Mn三大主體元 素的制約，對材料的韌性貢獻值會減小，需要通過添加細化晶粒的元素來增強和提高鋼的塑性、韌性。在對材料能起到細化晶粒作用的所有元素中，除了微合金元素V、Ti、Nb外，對晶粒細化最明顯的就是Mo。根據(jù)合金元素對鐵素體強度的影響(圖5)和合金元素對鐵素體韌性的影響(圖6)可以看出，Mo在低碳合金結構鋼中，含量控制在0. 2%左右具有良好的提高鋼的塑性和韌性的作用，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力。同時Mo是鐵素體形成元素，易出現(xiàn)鐵素體S相或其它脆性相而使韌性降低，需要控制加入量，因此Mo含量控制在0. 15-0. 25%。根據(jù)碳當量公式函數(shù)不等式
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+ (Cu/13+P/2) ( 0. 41% (其中 Cu、P 實際生
產(chǎn)中含量極少，對焊接性能影響可不考慮)可以得出Ni/15+Cr/5+Mo/4的總碳當量值(0.41- (C+Mn/6+Si/24)，從而可以計算出Ni/15+Cr/5+Mo/4的總碳當量值應控制在0. 04-0. 15。從碳當量不等式關系看，15倍Ni含量和5倍Cr含量對碳當量的影響相當，也就是說Cr含量對碳當量的影響是3倍的Ni含量。Ni元素可以抑制Mo元素造成的鐵素體8相或其它脆性相；Cr可提高鋼的強度和硬度，但同時降低塑性和韌性，提高鋼的回火脆性，因此也需要控制加入。根據(jù)碳當量((；,)值的函數(shù)要求，結合材料抗腐蝕能力和抗氧化能力的要求以及Cr、Ni元素含量對鋼強度(見圖5)和韌性(見圖6)的不同影響?？刂芅i含量為:0. 20-0. 40%, Cr 含量為:0. 20-0. 30%。S、P作為有害元素必須從嚴控制，P會增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞；S使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性?？紤]鋼中其他元素的影響，S、P含量控制在0. 025%以下。單個元素范圍的控制，從材料的綜合力學性能及焊接性能方面看滿足了材料的要求，但是由于元素之間存在相互制約，因此需要加入微合金元素來達到改善綜合性能的要求。V元素能細化鋼的晶粒組織，提高鋼的強度、韌性和耐腐蝕性，V元素還能提高鋼的高溫蠕變性能，V元素在含量0. 05% 0. 10%時，細化晶粒的效果比較明顯，而超過0. 20%，形成V4C3碳化物，會提高鋼的熱強性，從碳當量不等式關系可以看出，V元素不會影響材料的焊接性能，因此V含量控制在0. 05-0. 10%。Ti是鋼中強脫氧劑，能降低鋼的時效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。能形成穩(wěn)定的TiC，在高溫1300°C (圖7)時依然很穩(wěn)定，可以很好的抑制奧氏體晶粒長大，起到細化晶粒的作用。同時Ti元素也是鐵素體形成元素，當含量較高時，極易生成鐵素體8相或其它脆性相而使韌性降低，因此也需要控制加入。合適的控制加入量為0. 04-0. 08%。技術方案I :一種髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料，化學成分(質(zhì)量分數(shù))C :0. 10 0. 15%, Si:0. 20 0. 40%, Mn:0. 65 0. 95%, S: ^ 0. 025%, P: ( 0. 025%, Ni: 0.20 0. 40%, Cr:0. 20 0. 30%, Mo: 0. 15 0. 25%, V:0. 05 0. 10%, Ti: 0. 04 0. 08%,Cu ^ 0. 15%，其余為 Fe。技術方案2 :—種髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料制備方法，⑴鑄件成型后按要求進行保溫，待鑄件毛坯清理完畢，進行第一次預細化及去應力熱處理熱處理方式為正火+回火，即隨爐升溫至675±101，保溫1.5-2.0小時；然后繼續(xù)升溫至930±10°C，保溫I. 0小時/30毫米后，風冷至常溫； 升溫至650±10°C，保溫I. 4小時/30毫米后，空冷；⑵第一次預細化和去應力熱處理結束，對鑄件進行毛坯粗加工，目的是去除調(diào)質(zhì)過程過多的余量，提高調(diào)質(zhì)淬火過程的淬透性；⑶粗加工結束，進行最終調(diào)質(zhì)熱處理，調(diào)質(zhì)溫度要求爐溫升溫至670±10°C后，保溫I. 5-2. 0小時，然后繼續(xù)升溫至910±10°C，保溫I. 2小時/30毫米后，油淬至常溫時，升溫至630± 10°C，保溫I. 6小時/30毫米后，最后水冷即可；(4)調(diào)質(zhì)結束，按圖2取樣位置要求進行取樣分析試驗，直至達標；(5)按該化學成分調(diào)質(zhì)處理后的金相組織為回火索氏體，組織晶粒度7. 5級。本發(fā)明與背景技術相比，一是打破現(xiàn)有高強度鋼采用中碳低合金組分的構成形式，采用低碳低含量合金組分添加微合金元素的構成，在獲得優(yōu)良的材料機械性能的同時，也使得材料具有良好的焊接性能；二是通過兩次細化熱處理，來保證了厚壁鑄件的內(nèi)外材料性能的一致；三是經(jīng)檢測，其主要技術指標如化學成分、機械性能、金相組織等，均符合產(chǎn)品設計的要求；四是本申請材料的開發(fā)，大大提升了橋梁用鑄鋼件產(chǎn)品的綜合性能，同時也開辟了國內(nèi)外橋梁用鑄鋼材料的新領域。


圖1-1是承壓座主視尺寸、結構示意圖。圖1-2是圖1-1側視結構示意圖。圖1-3是圖1-1俯視結構示意圖。圖2-1是承壓座主視試樣取樣位置示意圖。圖2-2是圖2-1側視結構示意圖。圖2-3是圖2-1俯視結構示意圖。圖3是含碳量對鋼機械性能影響的曲線示意圖。圖4是硅、錳含量對鋼強度性能影響的曲線示意圖。圖5是合金元素對鐵素體強度影響的曲線示意圖。圖6是合金元素對鐵素體韌性影響的曲線示意圖。圖7是1300°C時鈦含量對奧氏體晶粒度作用的曲線示意圖。圖8是正火+回火熱處理工藝曲線示意圖。圖9是調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線不意圖。
具體實施例方式實施例I :一種髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料，材料的組分的構成最終控制如下a.化學成分(質(zhì)量分數(shù)):C 0. 10 0. 15%, Si:0. 20 0. 40%, Mn:0. 65 0. 95%, S:彡 0. 025%, P:彡 0. 025%, Ni :0. 20 0. 40%, Cr:0. 20 0. 30%, Mo: 0. 15 0. 25%,V:0. 05 0. 10%,Ti: 0. 04 0. 08%, Cu ( 0. 15%，其余為 Fe。屈服強度 o s (Mpa)彡 480，抗拉強度ob (Mpa)700-850，延伸率8 5% 22，斷面收縮率￥% 35，沖擊吸收功Akv (_20°C )J 42,側向伸長(mm)彡0. 4。實施例1-1 :在實施例 I 的基礎上，C :0. 132%, Si :0. 253%, Mn: 0. 744%, S:0. 016%,P:0. 019%, Ni: 0. 283%, Cr: 0.242%, Mo: 0. 182%,
V:0. 05%, Ti: 0. 04%, Cu :0. 05%，其余為 Fe。屈服強度 o s (Mpa) 510，抗拉強度 ob (Mpa) 785，延伸率8 5% 29，斷面收縮率v% 39. 5，沖擊吸收功Akv(_20°C ) J 48、46、52，側向伸長(mm)彡 0. 6，Ceq=O. 360%。實施例1-2 :C :0. 138%，Si: 0. 276%, Mn: 0. 804%, S:0. 017%, P:0. 016%, Ni:0. 324%, Cr: 0. 221%, Mo: 0. 194%, V: 0. 06%, Ti: 0. 05%, Cu :0. 03%，其余為 Fe。屈服強度os (Mpa)570，抗拉強度Ob (Mpa)815，延伸率S 5% 28. 5，斷面收縮率v% 40. 0，沖擊吸收功 Akv (-20。。)J 44、46、54，側向伸長(mm)彡 0. 7，Ceq=O. 398%。實施例2 :參照附圖1-9。在上述實施例的基礎上，一種髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料制備方法，鑄件成型后按要求進行保溫，待鑄件毛坯清理完畢，進行第一次預細化及去應力熱處理熱處理方式為正火+回火(具體要求見圖8)。目的一方面消除鑄造應力，另一方面對鑄坯組織進行預細化處理，為下一步最終調(diào)質(zhì)熱處理奠定基礎。第一次預細化和去應力熱處理結束，對鑄件進行毛坯粗加工，目的是去除調(diào)質(zhì)過程過多的余量，提高調(diào) 質(zhì)淬火過程的淬透性。粗加工結束，進行最終調(diào)質(zhì)熱處理，具體要求見圖9
調(diào)質(zhì)結束，按圖2取樣位置要求進行取樣分析試驗，試驗結果見表一、表二。表一化學成分(質(zhì)量分數(shù)％，其余含量為Fe)
CS.Be.SfMtCrIjSbV€u j
^----------1 --j---4
ItW I 0 02 0 253 0 T-H 0 Oifc 0 019 0 283 ￡> A2 0 0*1 Q 1S2 0 OS 0 OS !
----------；---j
Ml 2 t) isa 0-rm a mt o on 0-Ois en 0 221 0 os €- i<m >雜 § &3 i
^^—————— ~~~~~ W————i
S-ilil i) ia 5 ri @ %% %I m 0 mdam ci 轉 < j
0 15 I) m *3 fS 0 025 Cl S25 Qs _ 0 Sfl 0. OS -0 25 9 ICi Cs 15 j
表二機械性能
權利要求
1.一種髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料，其特征是化學成分(質(zhì)量分數(shù))C:0.10 0. 15%,Si:0. 20 0. 40%,Mn:0. 65 0. 95%, S: ≤ 0. 025%, P: ≤ 0. 025%, Ni :0. 20 0.40%, Cr:0. 20 0.30%, Mo: 0.15 0. 25%，V:0. 05 0.10%，Ti: 0.04 0.08%,Cu ≤ 0. 15%，其余為 Fe。
2.根據(jù)權利要求I所述的髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料，其特征是化學成分(質(zhì)量分數(shù))C 0. 132%, Si :0. 253%, Mn: 0. 744%, S:≤ 0. 016%, P:≤ 0. 019%, Ni:0.283%, Cr: 0. 242%, Mo: 0. 182%, V:0. 05%, Ti: 0. 04%, Cu :0. 05%，其余為 Fe。
3.根據(jù)權利要求I所述的髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料，其特征是化學成分(質(zhì)量分數(shù))C 0. 138%, Si: 0. 276%, Mn: 0. 804%, S:≤ 0. 017%, P:≤ 0. 016%, Ni:0.324%, Cr: 0. 221%, Mo: 0. 194%, V: 0.06%，Ti: 0. 05%, Cu :0. 03%，其余為 Fe。
4.根據(jù)權利要求I所述的髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料，其特征是屈服強度O s (Mpa)≤ 480，抗拉強度O b (Mpa) 700-850，延伸率5 5≤ 22%，斷面收縮率V≤ 35%，沖擊吸收功Akv(-20°C ) ≤ 42 J(三個試驗值的平均值)，側向伸長(mm)≤ 0.4，Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+ (Cu/13+P/2) ( 0. 41% (當Cu < 0. 5%或P < 0. 05%時，可不計入)。
5.根據(jù)權利要求2所述的髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料，其特征是屈服強度os (Mpa) 510，抗拉強度ob (Mpa) 785，延伸率S 5 29%，斷面收縮率V39. 5%，沖擊吸收功Akv (-200C ) J 48、46、52，側向伸長(mm)≤ 0. 6，Ceq=O. 360%。
6.根據(jù)權利要求3所述的髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料，其特征是屈服強度os (Mpa) 570，抗拉強度ob (Mpa) 815，延伸率S 5 28. 5%，斷面收縮率V 40. 0%，沖擊吸收功 Akv (-20。。)J 44、46、54，側向伸長(mm)≤ 0. 7，Ceq=O. 398%。
7.一種髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料制備方法，其特征是 ⑴鑄件成型后按要求進行保溫，待鑄件毛坯清理完畢，進行第一次預細化及去應力熱處理熱處理方式為正火+回火，即隨爐升溫至675±10°C，保溫I. 5-2. 0小時；然后繼續(xù)升溫至930± 10°C，保溫I. 0小時/30毫米后，風冷至常溫；升溫至650± 10°C，保溫I. 4小時/30毫米后，空冷； ⑵第一次預細化和去應力熱處理結束，對鑄件進行毛坯粗加工，目的是去除調(diào)質(zhì)過程過多的余量，提高調(diào)質(zhì)淬火過程的淬透性； ⑶粗加工結束，進行最終調(diào)質(zhì)熱處理，調(diào)質(zhì)溫度要求爐溫升溫至670±10°C后，保溫.1.5-2. 0小時，然后繼續(xù)升溫至910±10°C，保溫I. 2小時/30毫米后，油淬至常溫時，升溫至630土 10 C，保溫I. 6小時/30暈米后，最后水冷即可； ⑷調(diào)質(zhì)結束，按圖2取樣位置要求進行取樣分析試驗，直至達標； (5)按該化學成分調(diào)質(zhì)處理后的金相組織為回火索氏體，晶粒度7. 5級。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種厚度為200mm，同時既能保證材料的強度和韌性滿足設計要求，又能保證材料焊接性的髙抗蠕變低溫高韌性橋梁用鑄鋼材料及制備方法，化學成分(質(zhì)量分數(shù)%)C0.10～0.15%，Si:0.20～0.40%，Mn:0.65～0.95%,S:≤0.025%,P:≤0.025%,Ni:0.20～0.40%,Cr:0.20～0.30%,Mo:0.15～0.25%，V:0.05～0.10%，Ti:0.04～0.08%,其余為Fe。優(yōu)點一是打破現(xiàn)有高強度鋼采用中碳低合金組分的構成形式，采用低碳低含量合金組分添加微合金元素的構成，在獲得優(yōu)良的材料機械性能的同時，也使得材料具有良好的焊接性能；二是通過兩次細化熱處理，來保證了厚壁鑄件的內(nèi)外材料性能的一致；三是經(jīng)檢測，其主要技術指標如化學成分等，均符合產(chǎn)品設計的要求；四是大大提升了橋梁用鑄鋼件產(chǎn)品的綜合性能，也開辟了國內(nèi)外橋梁用鑄鋼材料的新領域。
文檔編號C22C38/50GK102796968SQ201210328908
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權日2012年9月7日
發(fā)明者陳江忠, 婁彪 申請人:寶鼎重工股份有限公司