專利名稱：一種屈服強(qiáng)度高于800MPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種屈服強(qiáng)度高于SOOMPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼及制備方法。
背景技術(shù)：
礦井救生艙是礦井出現(xiàn)頂板塌方、瓦斯爆炸、透水等災(zāi)害時(shí)為礦工提供避難空間的艙室。由于礦井救生艙的使用環(huán)境比較惡劣，因此要求救生艙用鋼板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、韌性、耐沖擊、耐腐蝕和耐高溫等綜合性能。目前，救生艙艙體用鋼通常采用Q235、Q345、Q460和Q550等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)鋼，這些材料的屈服 強(qiáng)度為235飛00 MPa，韌性和彎曲等指標(biāo)基本滿足要求。但是考慮到井下發(fā)生瓦斯爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫氣流、甲烷以及H2S等腐蝕性氣體的影響，現(xiàn)有救生艙艙體材料的高溫強(qiáng)度以及耐腐蝕性能難以滿足救生艙的使用要求。為此，開發(fā)一種屈服強(qiáng)度高于800 MPa的耐沖擊、耐高溫、耐腐蝕等綜合性能良好的礦井救生艙專用熱軋帶鋼是科技工作者面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)和亟待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種屈服強(qiáng)度高于800 MPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼及制備方法，目的在于通過適當(dāng)?shù)暮辖鹪卦O(shè)計(jì)和控軋控冷方法，滿足礦井救生艙用鋼的使用要求。本發(fā)明的屈服強(qiáng)度高于800 MPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼，化學(xué)成分按重量百分比為 C :0. 03 0. 06 %，Si :0. 20 0. 35 %，Mn :1. 7 I. 8 %，Al :0. 02 0. 05 %，Mo 0. 3 0. 5 %，Nb :0. 04 0. 06 %，Ti :0. 01 0. 02 %，Cu 0. 2 0. 35 %，B :0. 001
0.002 %，S 彡 0. 01 %，P 彡 0. 01 %，余量為 Fe ；
其金相組織為板條貝氏體和少量的針狀鐵素體、粒狀貝氏體的復(fù)相組織，室溫屈服強(qiáng)度彡800 MPa，抗拉強(qiáng)度彡900 MPa，斷后伸長(zhǎng)率彡16 %, 500 1高溫屈服強(qiáng)度彡580 MPa，抗拉強(qiáng)度彡760 MPa，斷后伸長(zhǎng)率彡17 %，20 °C沖擊功大于47 J(沖擊試樣尺寸為55 mmXIOmmX5 mm)，冷彎性能合格，工業(yè)環(huán)境下的耐大氣腐蝕性指數(shù)I > 4. O，焊接冷裂紋敏感系數(shù)Pcm 彡 0. 22 %。本發(fā)明的屈服強(qiáng)度高于800 MPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼的制備方法按照以下步驟進(jìn)行
(1)按設(shè)定的化學(xué)成分重量百分比C:0. 03 0. 06 %, Si :0. 20 0. 35 %，Mn :1. 7
1.8 %，Al :0. 02 0. 05 %，Mo 0. 3 0. 5 %，Nb :0. 04 0. 06 %，Ti :0. Ol 0. 02 %，Cu 0. 2 0. 35 %,B 0. OOl 0. 002 %，S 彡 0. Ol %, P ^ 0. Ol %，余量為 Fe，冶煉鋼水并鑄成厚度為150 250 mm的鑄坯；
(2)將鑄坯加熱至1200 1250°C保溫I h，進(jìn)行粗軋，軋制道次為3 5道次，粗軋開軋溫度為1120 1180 °C，終軋溫度為1010 1080 °C，獲得厚度為40 60 mm的中間坯；
(3)將中間坯精軋5 7道次，精軋開軋溫度為980 1050°C，終軋溫度為780 865°C，精軋每道次壓下量控制在15 40 %，精軋總壓下量>70 %，精軋后帶鋼厚度為4 12mm ；
(4)將精軋后的帶鋼以15 60V /s的速度冷卻至350 450 °C，卷取獲得熱軋帶鋼
女口
廣叩o本發(fā)明的屈服強(qiáng)度高于SOOMPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼的成分設(shè)計(jì)是基于以下幾點(diǎn) C雖然對(duì)鋼板的強(qiáng)化有效，但隨著C含量增加則會(huì)造成塑性和沖擊韌性降低，增加鋼的冷脆性，對(duì)鋼的成型性、焊接性能極為不利；此外，碳含量高還會(huì)降低鋼的耐大氣腐蝕能力，因此C含量必須控制在較低的范圍內(nèi)；
Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑，一定量的Mn能消除或減弱由于硫所引起的鋼的熱脆性，改善鋼的熱加工性能。錳固溶于鐵素體和奧氏體中，擴(kuò)大奧氏體區(qū)，a+ Y區(qū)下移，降低Ar3溫度，增大奧氏體過冷度，因而提高了晶粒的細(xì)化程度。同時(shí)Mn能有效的降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，但Mn含量升高會(huì)降低鋼的抗氧化性，同時(shí)對(duì)焊接性能不利，因此錳控制在I. 75 %左右；
Si能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強(qiáng)度，其作用僅次于磷，較錳、鉻、鑰等元素強(qiáng)。硅能提高鋼的彈性極限，屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，但硅量提高將顯著降低鋼的塑性和韌性。另外，與氧的親和能力硅比鐵強(qiáng)，在焊接容易生成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，增加熔渣和熔化金屬的流動(dòng)性，引起噴濺，影響焊縫質(zhì)量，對(duì)焊接性能不利。因此，Si的含量控制在0.28 %左右；
Al是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的Al，可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，鋁還有一定的抗氧性和抗腐蝕性，但能影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性，因此控制在0. 02 0. 05 %范圍內(nèi)；
Mo對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)也提高碳化物的穩(wěn)定性，從而提高鋼的強(qiáng)度，并且對(duì)于改善鋼的延展性和韌性起到有利作用。同時(shí)，Mo對(duì)過氧化氫、硫酸、亞硫酸、硫酸、酸性染料等有一定的抗蝕性，因此將Mo的成分控制在0. 4 %左右；
Ti在高溫奧氏體中主要析出物是復(fù)合的Ti (C，N)和TiN，析出物的析出過程中能抑制奧氏體晶粒粗化，使晶粒明顯細(xì)化。低溫時(shí)析出TiC，且析出物彌散分布，能很好的起到沉淀強(qiáng)化作用。但是過量的Ti會(huì)影響鋼的韌性，因此其含量控制在0. 01 0. 02 %范圍內(nèi)；Nb能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性，提高強(qiáng)度，析出的NbC可阻止晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒。尤其在Mo元素存在的情況下，其析出物細(xì)小彌散分布，析出強(qiáng)化作用更加明顯。微量的Nb與Cu、B相互作用，使貝氏體相變溫度降低，相變后得到細(xì)小的貝氏體板條。同時(shí)Nb可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。但含量高會(huì)使塑性和韌性有所下降。因此Nb含量控制在0. 05 %左右；
Cu的突出作用是改善合金鋼的耐大氣腐蝕性能，選擇Cu是由于考慮到礦井救生艙用鋼要求良好的腐蝕性能，也是本專利的創(chuàng)新之處。另外，Cu元素的添加能夠在低溫時(shí)有析出相e-Cu，起到析出強(qiáng)化的作用，因此可有效提高強(qiáng)度和韌性。但含量過高時(shí)將導(dǎo)致鋼具熱脆性，影響加工成型性能。因此將Cu控制在0. 28 %左右；
另外，Mo、Ti、Nb、Cu等合金元素在高溫下M、MC和M2C等析出相大量析出，同時(shí)還能保持細(xì)小尺寸，這種沉淀強(qiáng)化作用有效地提高了鋼種的高溫強(qiáng)度；
B在鋼中含有微量時(shí)，鋼的淬透性可以成倍的提高，另外，B的加入可以促進(jìn)其它微合金元素如Nb的形變誘導(dǎo)析出。在此過程中，B的存在能夠提高Nb的碳氮化物的形核率。在鋼中產(chǎn)生更為細(xì)小的Nb和B的復(fù)雜的碳氮化合物，這些碳氮化合物比Nb單獨(dú)生成的碳氮化合物在分布上更為緊湊，因此可以顯著提高強(qiáng)度，其含量控制在0. 001 0. 002 % ；
S和P S元素易產(chǎn)生偏析造成帶狀組織，且硫化物對(duì)塑性韌性不利，使鋼產(chǎn)生熱脆，對(duì)成型性能不利，P元素增加鋼的冷脆性，降低塑性，使冷變性能變壞，且影響焊接性能。這兩種元素控制在0.01 %以內(nèi)。 本發(fā)明的屈服強(qiáng)度高于800 MPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼的制備方法采用的控制軋制和控制冷卻工藝的依據(jù)是
高溫奧氏體再結(jié)晶與未再結(jié)晶區(qū)控制軋制過程中，再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行多道次大變形，通過再結(jié)晶使奧氏體晶粒充分細(xì)化，未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行多道次連續(xù)累積大變形；奧氏體晶粒被壓扁，增加奧氏體晶界面積，造成大量的亞晶界偏聚帶、變形帶、高密度位錯(cuò)區(qū)，促使貝氏體轉(zhuǎn)變(350 450°C)形核，抑制貝氏體鐵素體的長(zhǎng)大。壓扁的奧氏體晶界、亞晶界偏聚帶能有效阻止貝氏體板條發(fā)展生長(zhǎng)，使貝氏體板條得到細(xì)化。本發(fā)明的屈服強(qiáng)度高于SOOMPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼的金相組織為板條貝氏體和少量的針狀形鐵素體、粒狀貝氏體的復(fù)相組織，板條貝氏體強(qiáng)度較高，少量的粒狀貝氏體和針狀鐵素體能有效改善鋼的塑性和韌性。此復(fù)相組織達(dá)到了各項(xiàng)性能指標(biāo)的最佳匹配，滿足礦井救生艙用鋼的要求室溫屈服強(qiáng)度> 800 MPa，抗拉強(qiáng)度> 900 MPa，斷后伸長(zhǎng)率彡16 %, 500 °〇高溫屈服強(qiáng)度彡580 MPa，抗拉強(qiáng)度彡760 MPa，斷后伸長(zhǎng)率彡17 %，20 V沖擊功大于47 J (沖擊試樣尺寸為55 mmXIO mmX5 mm),冷彎性能合格,工業(yè)環(huán)境下的耐大氣腐蝕性指數(shù)I > 4. O，焊接冷裂紋敏感系數(shù)Pm ( 0. 22 %。本發(fā)明熱軋帶鋼與同強(qiáng)度級(jí)別的其它合金鋼相比，顯著的優(yōu)點(diǎn)是
(1)本發(fā)明利用控軋控冷技術(shù)獲得板條貝氏體和較少量的粒狀貝氏體、針狀鐵素體的復(fù)相組織，且通過控制工藝參數(shù)使得貝氏體板條束非常細(xì)小，得到優(yōu)良的強(qiáng)度、塑性、冷彎和抗沖擊性能的匹配，且高溫強(qiáng)度優(yōu)良，滿足礦井救生艙用鋼要求；
(2)慮到礦井救生艙的工業(yè)使用環(huán)境，本發(fā)明的熱軋鋼帶通過元素的合理搭配，具備良好的抗大氣腐蝕性能和焊接性能。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例I的熱軋帶鋼的金相組織 圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的熱軋帶鋼的金相組織圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例對(duì)熱軋帶鋼的金相組織觀察采用Leica DMIRM型光學(xué)顯微鏡；
室溫拉伸、500 °C高溫拉伸、180°彎曲試驗(yàn)(D=3a)均在CMT5105-SANS微機(jī)控制電子
萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；室溫拉伸試樣按GB/T228-2002制成矩形截面標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，500 1高溫拉伸試樣按GB/T4338-1995制成矩形截面標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，20 1沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Instron 9250HV落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊試 樣尺寸為55 mmXIO mmX5 mm。實(shí)施例I
(1)按設(shè)定的化學(xué)成分重量百分比C :0. 06 %，Si :0. 20%, Mn :1. 7%，Al :0. 03 %，Mo 0. 3 %, Nb :0.06 %，Ti :0. 01%，Cu : 0. 2 %，B :0. 001%，S 彡 0. Ol %，P 彡 0.01 %，余量為 Fe，冶煉鋼水并鑄成規(guī)格為150 mmX1300 mmX 10020 mm的連鑄坯；
(2)將鑄坯加熱至1220°C保溫Ih，在2050 mm熱連軋機(jī)上粗軋，粗軋開軋溫度為11500C，終軋溫度為1050 0C，粗軋5道次，獲得厚度為40 mm的中間坯；
(3)將中間坯進(jìn)行精軋，精軋開軋溫度為1020°C，終軋溫度為865°C，精軋7道次，每道次壓下量控制在15 40 %，精軋總壓下量>70 %，精軋后帶鋼厚度為4 mm ；
(4)將精軋后的帶鋼以60°C/s的速度冷卻至350 °C，卷取獲得厚度為4 mm的熱軋帶鋼產(chǎn)品。其金相組織如圖I所示，為板條貝氏體和少量的針狀鐵素體、粒狀貝氏體的復(fù)相組織，其中板條貝氏體占絕大部分，板條較細(xì)，粒狀貝氏體含量較少。力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果為
常溫拉伸屈服強(qiáng)度842 MPa，抗拉強(qiáng)度960 MPa，斷后伸長(zhǎng)率16. 5 % ；500 °C拉伸高溫屈服強(qiáng)度610 MPa，抗拉強(qiáng)度790 MPa，斷后伸長(zhǎng)率17. 9 % ；20 °C沖擊功(沖擊試樣尺寸為55mmXIO mmX 5 mm) 51 J ;180°彎曲試驗(yàn)(D=3a)完好,冷彎性能合格,工業(yè)環(huán)境下的耐大氣腐蝕性指數(shù)1=4. 3，焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pm=O. 19%。實(shí)施例2
(1)按設(shè)定的化學(xué)成分重量百分比C :0. 04 %，Si :0. 35%，Mn :1. 8%，Al :0. 02 %，Mo 0. 5 %，Nb :0. 04 %，Ti :0. 015%, Cu :0. 35 %，B :0. 002%, S 彡 0. Ol %，P 彡 0. Ol %，余量為Fe，冶煉鋼水并鑄成規(guī)格為200 mmX1300 mmX 10020 mm的連鑄坯；
(2)將鑄坯加熱至1250°C保溫Ih，在2050 mm熱連軋機(jī)上粗軋，粗軋開軋溫度為11200C，終軋溫度為1010 0C，粗軋4道次，獲得厚度為50 mm的中間坯；
(3)將中間坯進(jìn)行精軋，精軋開軋溫度為980V，終軋溫度為820°C，精軋6道次，每道次壓下量控制在15 40 %，精軋總壓下量>70 %，精軋后帶鋼厚度為8mm ；
(4)將精軋后的帶鋼以45°C/s的速度冷卻至380 °C，卷取獲得厚度為8 mm的熱軋帶鋼產(chǎn)品。其金相組織如圖2所示，為板條貝氏體和少量的針狀鐵素體、粒狀貝氏體的復(fù)相組織，其中板條貝氏體占大部分。針狀鐵素體和粒狀貝氏體使原始奧氏體晶粒得到了分割，板條束生長(zhǎng)限制在被分割的區(qū)域內(nèi)，抑制了板條束的過度生長(zhǎng)，使板條束細(xì)化。力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果為
常溫拉伸屈服強(qiáng)度835 MPa，抗拉強(qiáng)度941 MPa，斷后伸長(zhǎng)率17. O % ；500 °C拉伸高溫屈服強(qiáng)度601 MPa，抗拉強(qiáng)度778 MPa，斷后伸長(zhǎng)率18. 5 % ；20 °C沖擊功(沖擊試樣尺寸為55mmXIO mmX 5 mm) 54 J ;180°彎曲試驗(yàn)(D=3a)完好,冷彎性能合格,工業(yè)環(huán)境下的耐大氣腐蝕性指數(shù)1=5. 7，焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pm=O. 20%。實(shí)施例3(1)按設(shè)定的化學(xué)成分重量百分比C :0. 03 %, Si :0. 25%，Mn :1. 75%，Al :0.05 %, Mo 0. 4 %，Nb :0. 05%, Ti :0. 02%, Cu :0. 35 %，B :0. 001%, S ^ 0. 01 %，P ^ 0. 01 %，余量為 Fe，冶煉鋼水并鑄成規(guī)格為250 mmX1300 mmX 10020 mm的連鑄坯；
(2)將鑄坯加熱至1200°C保溫Ih，在2050 mm熱連軋機(jī)上粗軋，粗軋開軋溫度為11800C，終軋溫度為1080 0C，粗軋3道次，獲得厚度為60 mm的中間坯；
(3)對(duì)中間坯進(jìn)行精軋，精軋開軋溫度為1050°C，終軋溫度為780°C，精軋5道次，每道次壓下量控制在15 40 %，精軋總壓下量>70 %，精軋后帶鋼厚度為12mm ；
(4)將精軋后的帶鋼以15V /s的速度冷卻至450 °C，卷取獲得厚度為12mm的熱軋帶鋼產(chǎn)品。其力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果為
常溫拉伸屈服強(qiáng)度830 MPa，抗拉強(qiáng)度938 MPa，斷后伸長(zhǎng)率17. 6 % ；500 °C拉伸高溫屈服強(qiáng)度595 MPa，抗拉強(qiáng)度768 MPa，斷后伸長(zhǎng)率19. 2 % ；20 °C沖擊功(沖擊試樣尺寸為55mmXIO mmX 5 mm) 58 J ;180°彎曲試驗(yàn)(D=3a)完好,冷彎性能合格,工業(yè)環(huán)境下的耐大氣腐蝕性指數(shù)1=5. 6，焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pm=O. 18%。
權(quán)利要求
1.一種屈服強(qiáng)度高于SOOMPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼，其特征是化學(xué)成分按重量百分比為 C :0. 03 0. 06 %, Si :0. 20 0. 35 %，Mn :1. 7 I. 8 %，A1 :0. 02 0. 05 %，Mo ·0. 3 0. 5 %，Nb :0. 04 0. 06 %，Ti :0. 01 0. 02 %，Cu 0. 2 0. 35 %，B :0. 001 ·0.002 %，S 彡 0. 01 %，P 彡 0. 01 %，余量為 Fe ； 其金相組織為板條貝氏體和少量的針狀形鐵素體、粒狀貝氏體的復(fù)相組織，室溫屈服強(qiáng)度彡800 MPa，抗拉強(qiáng)度彡900 MPa，斷后伸長(zhǎng)率彡16 %，500 1高溫屈服強(qiáng)度彡580MPa，抗拉強(qiáng)度彡760 MPa，斷后伸長(zhǎng)率彡17 %，20 °C沖擊功大于47 J (沖擊試樣尺寸為55mmX 10 mmX5 mm),冷彎性能合格,工業(yè)環(huán)境下的耐大氣腐蝕性指數(shù)13 4. 0,焊接冷裂紋敏感系數(shù)Pm ( 0. 22 %。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種屈服強(qiáng)度高于800MPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼的制備方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行 (1)按設(shè)定的化學(xué)成分重量百分比C:0. 03 0. 06 %, Si :0. 20 0. 35 %，Mn :1. 7 ·1.8 %，Al :0. 02 0. 05 %，Mo 0. 3 0. 5 %，Nb :0. 04 0. 06 %，Ti :0. 01 0. 02 %，Cu 0. 2 0. 35 %,B 0. 001 0. 002 %，S 彡 0. 01 %,P ^ 0. 01 %，余量為 Fe，冶煉鋼水并鑄成厚度為150 250 mm的鑄坯； (2)將鑄坯加熱至1200 1250°C保溫I h，進(jìn)行粗軋，軋制道次為3 5道次，粗軋開軋溫度為1120 1180 °C，終軋溫度為1010 1080 °C，獲得厚度為40 60 mm的中間坯； (3)將中間坯精軋5 7道次，精軋開軋溫度為980 1050°C，終軋溫度為780 865°C，精軋每道次壓下量控制在15 40 %，精軋總壓下量>70 %，精軋后帶鋼厚度為4 12mm ； (4)將精軋后的帶鋼以15 60V /s的速度冷卻至350 450 °C，卷取獲得厚度為4 12 mm的熱軋帶鋼產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明屬于冶金材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種屈服強(qiáng)度高于800MPa的礦井救生艙用熱軋帶鋼及制備方法。其化學(xué)成分按重量百分比為C0.03～0.06%，Si0.20～0.35%，Mn1.7～1.8%，Al0.02～0.05%，Mo0.3～0.5%，Nb0.04～0.06%，Ti0.01～0.02%，Cu0.2～0.35%，B0.001～0.002%，S≤0.01%，P≤0.01%，余量為Fe；其金相組織為復(fù)相組織，室溫屈服強(qiáng)度≥800MPa，抗拉強(qiáng)度≥900MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥16%，500℃高溫屈服強(qiáng)度≥580MPa，抗拉強(qiáng)度≥760MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥17%，20℃沖擊功大于47J，冷彎性能合格，工業(yè)環(huán)境下的耐大氣腐蝕性指數(shù)I≥4.0，焊接冷裂紋敏感系數(shù)Pcm≤0.22%。其制備方法是按設(shè)定成分冶煉鋼水并鑄成鑄坯，加熱后進(jìn)行粗軋，然后精軋，經(jīng)快速冷卻后獲得成品熱軋帶鋼，得到的熱軋帶鋼優(yōu)良的強(qiáng)度、塑性、冷彎和抗沖擊性能的匹配，且高溫強(qiáng)度優(yōu)良，滿足礦井救生艙用鋼要求。
文檔編號(hào)C21D8/02GK102766809SQ201210246998
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者李濤, 李長(zhǎng)生, 馬彪 申請(qǐng)人:東北大學(xué)