專利名稱：耐候級板材的制備方法及其制品的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種耐候級鋼板的制備方法，以及由此得到的制品，特別涉及使用受控合金化學和受控軋制和冷卻條件以生產該軋制和加速冷卻耐候級鋼板的方法，鋼板厚度高達4.0英寸，最小屈服強度為70 KSI，抗拉強度為90-110 KSI，并且，-10°F下擺錘(Charpy)V形缺口韌性大于35 ft-lbs。
背景技術：
在現有技術中，低碳、高強度(或高性能鋼，HPS)耐候級鋼越來越多的應用于橋梁、柱和其它高強度用途。這些鋼材比混凝土和其它類型的鋼材多出三個優點。第一，較高強度材料的使用可以減輕建筑結構的整體重量還可減少材料成本。因此，使用這些耐候級鋼的設計可比使用混凝土和那些采用較低強度鋼的設計具有更大的競爭力。第二，由于不需要油漆，耐候級或耐大氣腐蝕級鋼可以明顯的降低諸如橋梁或柱結構的維護成本。這些耐候級鋼特別有希望用于那些日常維護困難的用途，例如，偏遠地區的橋梁和柱。第三，較低的碳(即，最大含碳量為0.1％)和較低的碳當量改善了鋼的可焊接性和韌性。
使用這種類型的鋼可以ASTM規范作為指導。關于通常用于橋梁的耐候級鋼的一個ASTM規范包括A709-Grades 70W和HPS70W。70W級橋梁建筑的屈服強度要求最低是70 KSI。該規范還要求通過軋制、奧氏體化、淬火和回火來生產這些級別。常規的70W級是較高碳級(0.12％(重量))，而較新的HPS 70W級使用較低的碳含量(0.10％(重量))。該HPS 70W級通常制成厚度高達3.0”的板材。表1列出了ASTM規范，表2詳細列出了各種規范所需的力學性能。表3詳細列出了這些規范的組成要求。用于所有級別的ASTM規范中揭示的第A709號在此處引用以供參考。如上所述，較高強度的規范需要熱軋、奧氏體化、淬火以及回火處理。此外，抗拉強度限定為一個范圍，即90-110 KSI，而不是在其它規范中使用的最小值，例如參考，A871-Grade 65，其中規定抗拉強度大于或等于80 KSI。
ASTM耐候級鋼板的規范不無缺點。第一，因為熱軋品必須再加熱、淬火和回火，所以其處理耗能增加。第二，因為爐子的長度有限，這些淬火和回火級別受到板材長度的限制。換言之，由于爐子僅能容納特定的長度，只有特定長度的板材可以在淬火后進行熱處理操作，在某些情況下僅達600”。特別是，橋梁建設者要求盡量增加建筑用板材的長度(以減少所需接合焊點的含量和減少建造成本)，這種需要不是現有高強度板材生產工藝所能滿足的。
很多橋梁建設者還需要更厚的鋼板以用于更多的用途。當需要厚的板材，例如大于2”或更厚至3”的板材時，現在的現有技術級別并不總是能夠提供節約成本的解決方案。
第三，高強度ASTM規范要求屈服強度最少為70 KSI，還由于限定了抗拉強度較低和較高限度，即對于A709-Grade 70W級為90-110 KSI，而造成生產的困難。更具體地說，不能滿足最小值為70 KSI的屈服強度這一目標，而同時滿足A709規范，因為太高的屈服強度還可能導致抗拉強度高于最大值110 KSI。
從與現有的耐候級鋼規范相應的缺點的角度看，需要生產盡可能增加長度的板材，并且以更為節約成本的方式生產(較低的生產成本和較快的交貨)。另外，需要提供具有與現有制品相比較厚的軋制和冷卻的板材制品。
為了滿足上述需求，本發明提供了一種生產耐候級鋼板的方法，和由此得到的制品。更具體地說，本發明的方法使用受控合金化學，和受控冷卻來生產軋制和冷卻的耐候級鋼板，當用擺錘V形缺口能量測試測量時，可得到符合ASTM規范所需的最小為70 KSI的屈服強度，90-110 KSI的抗拉強度，和良好的韌性。本發明的方法將受控軋制和加速冷卻與受控合金化學相結合，以滿足ASTM規范對70 KSI的最小屈服強度，90-110 KSI的抗拉強度，在-10°F下高于大于35ft-lbs的韌性，以及板材厚度高達4.0”的要求。因為不需要進行再奧氏體化和回火處理，該處理具有更高的能量效率。另外，可以生產厚度為3.0～4.0”的鋼板，同時還能滿足規范的要求。
在Bodnar等人的U.S.5,514,227中公開了加速冷卻和熱軋的應用(在此處全文引用以供參考)。該專利描述了生產符合ASTM A572的Grade 50，最小屈服強度規范為50 KSI的鋼的方法。在該專利中，合金化學限定了低的釩含量和1.0-1.25％的錳。Bodnar等人未涉及耐候級鋼，也未涉及生產需要屈服強度在70 KSI范圍內，抗拉強度為90-110 KSI，或上述韌性值中任何一個指標的板材制品的方法。
本發明的另一個目的是提供一種生產在屈服強度、抗拉強度和板厚方面符合ASTM規范要求的用于橋梁建筑的耐候級鋼板的方法。
本發明再一個目的是提供一種生產具有優良的韌性、可鑄造性、可成形性和可焊接性的耐候級鋼板的方法。
本發明的另一個目的是，采用受控合金化學、受控軋制和冷卻參數的方法，使耐候級鋼板符合ASTM規范。
本發明的又一個目的是提供一種在軋制和加速冷卻條件下，生產耐候級鋼板制品的方法，使其與需要淬火和回火的耐候級鋼板相比更經濟和更短的交貨時間。
還有一個目的是一種生產長度不受再奧氏體化或回火爐尺寸限制的耐候級鋼板的方法，并且其厚度可以達4.0”。
通過下面的描述本發明的其它目的和優點將變得清楚。
為了滿足上述目的和優點，本發明提供一種生產軋制和冷卻耐候級鋼板的方法，其最小屈服強度為70 KSI，抗拉強度為90-110 KSI，并且在-10°F下，擺錘V形缺口的韌性大于35 ft-lbs。提供加熱的型鋼，其主要組成如下，以重量百分比計約0.05％～約0.12％的碳；約1.00％～約1.80％的錳；最多約0.035％的磷；最多約0.040％的硫；約0.15％～約0.65％的硅；約0.20％～約0.40％的銅；鎳含量最多約0.50％；約0.40％～約0.70％的鉻；約0.05％～約0.30％的鉬；約0.03％～約0.09％的鈮；約0.005％～約0.02％的鈦；鋁含量最多約0.10％；約0.001％～約0.015％的氮；余量為鐵和附帶的雜質。
將鑄造型鋼，例如鋼錠或板坯，加熱并在高于奧氏體再結晶停止溫度(即Tr)下粗軋，以得到中間厚度板材。該中間厚度板材在低于Tr(即，在奧氏體非再結晶范圍內)的中間溫度開始精軋，直至達到高于Ar3的精軋溫度，從而制成最終厚度板材。根據板材的用途，該最終厚度板材可以高達4.0”厚。優選的板厚范圍在約0.5”～高達4.0”之間，而更優選的厚度范圍是在0.5”～3.0”之間。
該最終厚度板材在液體和/或空氣/水混合物介質中加速冷卻以得到所需的力學和物理性能。當加速冷卻時，開始的冷卻溫度高于Ar3溫度，以確保在整個板的長度方向上得到均勻的力學性能。該板被加速冷卻，直到最終冷卻溫度低于Ar3溫度。加速冷卻是這樣一種冷卻，它使用水、空氣/水混合物、以及它們的結合、或另一種淬火劑，它們能將該熱加工的最終厚度板材制品迅速冷卻到低于Ar3溫度的溫度，以生產具有微粒的微結構板材制品，并具有良好的韌性和高強度。正如下面將要說明的，用于加速冷卻的開始冷卻溫度和終止冷卻溫度對于控制屈服強度、抗拉強度和韌性是重要的。
該合金化學組成與給定的板厚相組合具有優化板材的力學性能的優選的實施方案。例如，優選的合金中的碳含量在約0.07～0.09％(重量)范圍內。錳的范圍可以是在約1.10％和1.70％之間，更優選的是在約1.20％和1.40％之間。鈮的范圍在約0.04％和0.08％之間，更優選的在約0.05％和0.07％之間。鉬的范圍在約0.05％和0.15％之間，更優選的在約0.08％和0.012％之間。鈦的范圍在約0.005％和0.02％之間，更優選的在約0.008％和0.014％之間。氮的范圍可以在約0.006％和0.008％之間。
當使用加速冷卻時，加熱的鋼坯的化學組成和加速冷卻有助于對冷卻的最終厚度板材產生連續的屈服作用。對于板厚范圍在0.5英寸至高達4.0英寸的板材，加速冷卻步驟優選的冷卻速率范圍在約5和50°F/秒之間，對于板厚范圍在0.75英寸和3.0英寸之間的板材，更優選的在約5和25°F/秒之間。
在加速冷卻期間，開始冷卻溫度優選在約1350°F～約1600°F，更優選的是從約1400°F～約1515°F。最終冷卻溫度在約850°F～約1300°F，更優選的是，在約900°F和1050°F之間。
本發明還包括用本發明的方法制備的板材，即軋制和冷卻的耐候級鋼板，而不是淬火和回火的板材制品。該鋼板的板厚可以高達4.0英寸，最小屈服強度為70 KSI，且抗拉強度為90-110 KSI。該鋼板還具有在-10°F下大于35 ft-lbs的擺錘V形缺口韌性。在其寬泛的和優選的范圍方面，該合金的化學組成或成分也是本發明的一部分。
圖1是根據實驗得到的數據描繪出的錳和鉬以及最終冷卻溫度對0.5”厚板材的屈服強度的影響的曲線圖；圖2A和2B是根據實驗數據描繪出的錳和鉬以及最終冷卻溫度對1.0”厚板材的屈服強度和抗拉強度的影響的曲線圖；圖3A和3B是根據實驗數據描繪出的錳和鉬以及最終冷卻溫度對1.5”厚板材的屈服強度和抗拉強度的影響的曲線圖；圖4是根據實驗得到的數據描繪出的錳和鉬以及最終冷卻溫度對2.0”厚板材的屈服強度的影響的曲線圖；以及圖5A和5B是根據實驗得到的數據描繪出的錳和鉬以及最終冷卻溫度對3.0”厚板材的屈服強度和韌性的影響的曲線圖。
另外，作為制成板材的長度不受適應現有的奧氏體化爐或回火爐的要求的限制。這樣，可以制備長度超過600”或更長的鋼板，以滿足特殊的應用，例如，用作橋梁建造和柱用途。如此，更長的板材可以用于橋梁建筑的生產，從而減少了接合焊接的含量。更進一步的，可以生產出在所需的最小屈服強度不超過70 KSI和抗拉強度為90-110KSI的ASTM規范范圍內的厚度高達約4.0”的板材。
本發明的方法將A709規范的最小屈服強度、抗拉強度范圍和韌性的要求與受控合金化學、受控軋制和受控加速冷卻聯系在一起。開始時，加熱型鋼如鋼坯或鋼錠首先用受控合金化學鑄造(間歇的或連續的)。接著，對該鋼坯/鋼錠進行受控熱軋。在受控熱軋后，最終厚度軋制板制品在受控條件下經過加速冷卻，以達到最小目標屈服強度和抗拉強度范圍、板厚和由擺錘V形缺口試驗測定的韌性。
當屈服強度最小為70 KSI和抗拉強度為90-110 KSI，板厚的范圍可高達4.0”，通常在約0.5”至高達3.0”的范圍。能夠生產厚度為4.0”的軋制和冷卻板材(不經淬火和回火)對于制備最小屈服強度為70 KSI的耐候級鋼板制品的現有技術是顯著的進步。
合金化學組成包括碳、錳合金元素，和有效量的硅、銅、鎳和鉻。后邊四個元素有助于軋制和冷卻鋼板的抗氣候性或抗大氣腐蝕性。因為有這些元素，按照ASTM G101(低合金鋼抗大氣腐蝕測試手冊(Guidefor Estimating the Atmospheric Corrosion Resistance of Low-AlloySteels)，引于此以供參考)，該軋制和冷卻鋼板的最小腐蝕系數(Corrosion Index)至少為6.0，優選的至少為6.7。
還將微量合金元素鈦、鉬和鈮與有效量的氮一起使用。新鋼板化學組成的余量元素是鐵、堿性煉鋼合金元素(如鋁)和在鋼組分中通常能發現的附帶的雜質(如硫和磷)。
將碳控制在低含量，即在包晶破裂敏感區以下，以改進可鑄造性、可焊接性和成形性。
在再加熱過程中和在受控軋制序列過程中的每個軋制道次之后，鈦的存在引入細的氮化鈦顆粒，從而限制了奧氏體晶粒的生長。碳氮化鈮的存在，在軋制過程中阻止了奧氏體再結晶，并在冷卻微結構的過程中提供沉淀強化作用。通常鉬有助于使屈服強度和抗拉強度增加(提高的奧氏體硬化度)，而同時使拉伸延展性降低。鉬還能使鋼的抗腐蝕或抗氣候性增強。錳通常有助于提高強度。增加鉬和錳的量有助于提高軋制板微結構中的貝氏體和馬氏體的含量。
還需要了解，相對于不連續的屈服，合金化學組成可以提供能連續屈服的軋制和冷卻鋼板。不連續屈服的標志是在工程應力—應變圖上存在屈服點。更具體地說，在這些類型的材料中，直到到達確定的屈服點，會迅速發生彈性形變。在屈服點，由于施加的應變使應力不連續增加，而產生不連續性。在屈服點以上，應力/應變的連續增加引起進一步的塑性形變。另一方面，連續屈服的標志是不存在明顯的屈服點，因此顯示出從彈性形變到塑性形變的連續過渡。根據鋼的化學組成和微結構，塑性形變的開始可能較早(較低的屈服強度)或類似于顯示不連續屈服的類似的鋼。
在很多材料中，為了解釋不連續屈服現象或屈服點，通常在0.2％剩余變形下測定屈服強度。對于顯示連續屈服性質的材料，用0.2％剩余變形來測定屈服強度可能導致較低的屈服強度值，例如，當塑性形變開始在低強度下發生時。然而，使合金化學組成與受控軋制和加速冷卻相結合可生產出滿足70 KSI耐候級鋼板要求的符合最小ASTM屈服強度、抗拉強度和韌性的連續屈服板材。
一旦確定了目標板材的厚度，就將合金鑄造成鋼錠或鋼坯，以用于后面的熱形變。在優選的實施方案中，為了更好地實現氮化鎳技術的優點，對鋼坯進行連續鑄造。例如，在連續鑄造鋼坯中，氮化鎳顆粒分散在制成的整個鋼制品中。在鋼的再加熱和冷卻期間，并且在粗加工道次的每一個奧氏體再結晶之后，這種分散的氮化鎳顆粒阻止了晶粒在鋼中的生長。因為這種鑄造技術是本領域中公知的，不需要進一步說明來理解本發明。在鑄造之后，鑄造鋼坯在約2000°F和約2400°F之間再加熱，優選約2300°F，并進行受控熱軋。在熱軋工藝中，第一步是鋼坯在高于再結晶結束溫度(通常是1800°F左右)下粗軋制。這個溫度在本領域中是公知的，不需要進一步的說明來理解本發明。在這個粗軋制過程中，對于每一個軋制道次，鑄造鋼坯的粗晶粒通過奧氏體的再結晶細化。壓縮的程度可以根據最終厚度板材目標和鑄造鋼坯的厚度而不同。例如，當鑄造10”鋼坯時，在粗軋制步驟中，該鋼坯可以經過粗軋制到厚度范圍為1.5”～7”。根據以下更充分地解釋，對于更厚的鋼板，從鋼坯/鋼錠到中間厚度板材和從中間厚度板材到最終厚度板材的壓縮百分比應高到足以使最終厚度板材達到足夠的韌性。更具體地說，軋制壓縮可以在粗軋制時通過奧氏體再結晶和奧氏體顆粒扁平化而引起晶粒細化，如下所述，在精軋步驟期間，這樣使最終厚度板材微結構具有足夠細的晶粒尺寸，以滿足ASTM規范韌性的最小值。
然后，如下所述將這種中間或轉變厚度板材進行受控精軋。在低于再結晶結束溫度但高于奧氏體-鐵素體轉變開始溫度(Ar3)的溫度下，對中間厚度板材精軋，以得到最終厚度板材。在該軋制工序中，從中間厚度板材到最終厚度板材的壓縮程度也可不同，但范圍在壓縮約50％～70％范圍內，優選的是60-70％。在精軋步驟中，晶粒被壓扁以便增強最終冷卻制品中的晶粒細化。
一旦精軋步驟完成，就對最終厚度板材進行加速冷卻，以達到70KSI的最小屈服強度、在所需90-110 KSI范圍之內的抗拉強度以及最終厚度板材所需的最低韌性。
受控精軋優選在適度條件下進行。即，精軋溫度在高于Ar3溫度，以在最終厚度板材制品中得到非常細的晶粒結構和改進的軋制產率。通過在溫度明顯高于Ar3溫度下進行精軋，軋制所需要的總時間縮短了，因此提高了軋制產率。該精軋的溫度范圍可以為約1400°F～1650°F，優選的是1450°F～1600°F。在高于Ar3溫度下的軋制還避免了導致在最終厚度板材中產生具有不均勻晶粒結構的熱加工產生的鐵素體結構。
如上所述，在高于Ar3溫度下完成軋制，并且冷卻的開始應在上述同樣的限制下開始。根據每一種鋼化學組成的實際Ar3溫度，開始冷卻溫度范圍優選在約1350°F和1600°F之間，更優選的是在約1400°F和1600°F之間。最終冷卻溫度要足夠的高，以避免不希望的微結構，如太多的馬氏體和/或貝氏體的形成。對于最終冷卻溫度，優選的范圍在約850°F和1300°F之間，更優選的是在約900°F～1050°F。
對于各種合金元素，其寬泛的和更優選的重量百分比范圍和限制以重量百分比表示如下碳0.05％～0.12％，優選的0.07％～0.10％，更優選的0.075％～0.12％，其目標為0.08％；錳1.00％～1.80％，優選的1.10％～1.70％，更優選的1.20％～1.40％，最優選的1.25％～1.35％，其目標為1.30％；最多約0.035％的磷，優選最多約0.015％；最多約0.040％的硫，優選最多約0.005％；約0.15％～約0.65％的硅；約0.20％～約0.40％的銅；約0.40％～約0.70％的鉻；
鎳的含量最多約0.50％，優選的在約0.20％～0.40％之間；鉬，0.05％～0.30％，優選的0.08％～0.30％，更優選的0.10％～0.15％，其目標為0.12％；鈮，0.03％～0.09％，優選的0.04％～0.08％，更優選的0.055％～0.07％，其目標為0.060％；鈦，0.005％～0.02％，優選的0.01％～0.015％，其目標為0.012％；氮的含量高達0.015％，優選的0.001％～0.008％，更優選的0.006％～0.008％；鋁的含量高達0.1％，在操作中，通常使鋼完全脫氧的鋁含量優選的在約0.02％～0.06％；和余量的鐵以及附帶的雜質。
一種優選的目標化學組成是約0.07-0.09％C、1.25-1.35％Mn、0.35-0.45％Si、0.25-0.35％Cu、0.25-0.35％Ni、0.45-0.55％Cr、0.055-0.065％Nb、0.09-0.11％Mo、0.008-0.014％Ti、0.006-0.008％N、0.02-0.045％Al和余量的鐵以及附帶的雜質，目標組成為0.08％C、1.30％Mn、0.40％Si、0.3％Cu、0.3％Ni、0.5％Cr、0.060％Nb、0.10％Mo、0.012％Ti、0.007％N和余量的鐵以及附帶的雜質。
其它引起鋼板制品偏離目標力學和物理性能的合金元素含量都是不希望和不需要的，因為根據上述限定的化學組成生產的鋼板制品符合ASTM70KSI耐候級規范。
當處理后，鋼可以是完全脫氧狀態或半脫氧狀態中的任一種，但是，優選的是完全脫氧的。因為通過添加常規的脫氧元素如鋁，使鋼“脫氧”是在現有技術中公知的，本發明在這方面不需要進一步說明。
在實驗室中對本發明的各個方面進行了試驗性實驗的研究。以下詳述步驟和與實驗室的實驗有關的結果。應該了解，進行的實際實驗用于舉例說明與本發明一起使用的各種處理方法和組成參數。這種實驗不能解釋為對本發明范圍的限制，該范圍已通過所附的權利要求限定。除非特別說明，百分比是指重量百分比。實驗數據的數學換算可以使用以下因數1KSI＝6.92Mpa，1KSI＝1.43kg/mm2，℃＝5/9(°F-32)，且1”＝25.4mm。實驗室實驗步驟在真空感應爐中，將不同的錳和鉬含量(1.30％Mn-0.0％Mo，1.30％Mn-0.1％Mo，1.30％Mn-0.2％Mo，和1.60％Mn-0.1％Mo)的實驗組合物熔融，并鑄造成500-lb.鋼錠，經測定約8.5”見方和20”長。每一爐制品的分析結果列于表4。每個鋼錠首先在2300°F均熱三小時，并熱軋成6”厚5”寬的鋼坯。將每個鋼坯切成5”長的小片，再加熱到2300°F，并受控軋制為1.5”、2.0”和3.0”厚的板。4”厚的較薄鋼坯也是從某些鋼錠制備的，并軋制到0.5”和1.0”的板。軋制前，將熱電偶插入到每一側上鉆的1.5”深的孔中，該孔位于中間厚度處，以便在軋制和加速冷卻時測量/控制溫度。對于通過加速冷卻處理生產的所有板材，軋制和冷卻參數的范圍列于表5。軋制實驗操作被描述為中間溫度、精軋溫度，和從中間厚度板材到最終厚度板材的壓縮百分比，每個值都是通過斜線分開。最終冷卻溫度縮寫為FCT。表6詳述了與根據表4中的詳細實驗操作處理的合金A-D相結合的力學測試結果。
使用實驗室設備模擬加速冷卻操作生產。該設備包括一個氣動淬火導軌和裝有1～4％(體積)的淬火液(Aqua Quench)110、聚合物淬火劑和水的冷卻罐。在精軋最后一個道次之后，將板材移到導軌上，在空氣中冷卻約20秒鐘，然后在罐內的冷卻臺上淬火。該板材的中間厚度處的溫度用嵌入的熱電偶連續監測，而且，當溫度達到希望的最終冷卻溫度(FCT)時，將該板材從溶液中移出并在空氣中冷卻。
對于使用各種含量的碳、硼和鉬的合金的化學組成，還進行了另外的實驗。這些實驗不用詳細地說明，因為實驗結果顯示這種化學組成不適于解決如上所討論的現有技術中的難題。對于0.5”的板材，將橫向加倍，全厚度，扁平線狀樣品取出并測試。從每一個0.5”板材中盡可能靠近厚度的四分之一處取出兩個長度的全尺寸擺錘V形缺口(CVN)樣品。對于較厚的鋼板(t≥1”)，橫向加倍0.505”直徑拉伸和長度加倍的全尺寸CVN樣品在四分之一厚度處進行機加工形成。對于CVN樣品的測試溫度為-10°F。對于金相實驗，從每個板材中分離出小的全厚度樣品，并對縱向表面進行拋光，在4％苦味醇和2％硝酸乙醇溶液中蝕刻，并在光學顯微鏡下檢驗。對于每個板材在中等厚度處做樣品放大200倍的金相顯微照片。在加速冷卻條件下，用這種研究方法，所有鋼板都顯示出在其應力-應變曲線上連續屈服的性質。實驗室實驗結果如上所述，對于含有各種含量的硼、碳和鉬的鋼進行了研究實驗，試圖使鑄造、軋制和冷卻條件下生產的板材制品符合ASTM 70 KSI耐候級規范。簡言之，這些研究實驗顯示，使用0.10％碳的第一組鋼具有非常高的抗拉強度和差的CVN韌性，對于A709 70W級，抗拉強度超出了90-110 KSI的范圍。
因此，將碳含量從0.10％降低到0.06％進行了進一步的實驗。在該研究中，雖然降低的碳含量導致抗拉強度的某些降低，但是這種降低了碳和硼含量的鋼，其Charpy沖擊韌性仍很差，因此對于生產符合ASTM A709-70W要求的耐候級鋼板來說，這是一種不能接受的選擇。由于，這些實驗不能成功地使板材制品符合目標ASTM規范，因此對其的全部討論不包括在本發明的說明書部分中。
對照含有無效的碳和硼的鋼的化學組成，使用含有有效含量的錳、鉬、鈮和鈦的合金化學組成的實驗，確實生產出了0.5”～高達3”厚的板材。這些板材具有對于耐候級A709-70W規范所需的必要的強度和/或韌性。用這些合金化學組成和各種軋制和冷卻條件所做的實驗結果列于表6，而在下面將對板厚進行討論。0.5英寸厚的板材參考圖1，相對于表3中描述的合金A-D的0.5英寸板材的合金組成，描述了最終冷卻溫度對屈服強度的影響。該0.5英寸板材使用1780°F/1550°F/75％(中間厚度板材溫度、精軋溫度和在中間厚度之后的軋制壓縮百分比)條件進行軋制。從該圖中可以看到，最終冷卻溫度太高將導致板材制品的屈服強度不夠，即小于最小屈服強度70KSI。所有四種鋼都顯示出優越的CVN韌性，并且抗拉強度在90-110KSI范圍之內(表6)，但是只有1.30％Mn-0.1％Mo鋼(合金B)符合最小屈服強度70 KSI的要求。
圖1還說明了鉬的作用。即，當鉬的含量增加時，屈服強度也增加，這是由于鉬提供了奧氏體硬化度的增加。
比較二種含有0.1％鉬和不同錳含量的鋼，鋼的屈服強度有些減少，但是抗拉強度增加了約5 KSI。鉬和錳的含量還影響到微結構。更具體地說，鉬和錳含量的增加傾向于使貝氏體和/或馬氏體在最終厚度板材中的含量增加。
使用板厚為0.5英寸的實驗顯示，對于在1000-1200°F范圍內的最終冷卻溫度，只有一種鋼具有符合A709-70W要求的強度和韌性的平衡。然而，可以相信，如果最終冷卻溫度降低到低于約1000°F，更優選的是在900和1000°F之間，最優選的是在900°F左右，其它三種鋼可符合要求。1.0英寸厚的板材參考圖2A和2B，對于含有各種錳和鉬含量的鋼，繪制最終冷卻溫度對屈服強度和抗拉強度的曲線。這些圖顯示，空氣冷卻鋼板不能符合A709-70W ASTM規范對最小屈服強度或抗拉強度的要求。
該1.0”厚板材用1780°F/1550°F/60％實驗操作軋制。從圖2A和2B可以看到，當使用FCT在900-1100°F之間加速冷卻時，可以使A709-70W要求的屈服和抗拉強度達到平衡。應該注意到，在0.5”板材的情況下，含有0.2％鉬的合金C在FCT大于1000°F時屈服強度不夠。如表6所示，在-10°F下，所有四種合金A-D都顯示優良的CVN韌性。
對于1.0”的板材，鉬和錳對力學性能和微結構的影響，與0.5”的板材所描述的相似。
總之，當加速冷卻在約15°F/秒，且FCT在900-1100°F之間時，所有四種合金A-D符合A709-70W力學性能的要求。1.5英寸厚的板材圖3A和3B說明對于各種合金A-D最終冷卻溫度對屈服強度和抗拉強度的影響。在較薄厚度板測試時，圖3A說明，最終冷卻溫度太高將產生不足的屈服強度。另外，當處理1.30％Mn-0.10％Mo的鋼時，應使用小于約1000°F，優選的在900°F左右的最終冷卻溫度。又，對于較薄的板，所有四種合金A-D都顯示抗拉強度為90-110 KSI(圖3B)，并在-10°F下，顯示優良的CVN韌性(表6)。
如上所述，對于1.5”的板材，增加鉬的含量增加了抗拉強度。當錳的含量從1.30％增加到1.60％時，可以看到類似的效果。
對于1.5英寸的板材，對于給定的鋼，隨著FCT的降低，存在的貝氏體含量增加。這證明，對于1.30％Mn-0.10％Mo的鋼板(合金B)，當加速冷卻至FCT為1080°F時，這種鋼板的微結構具有很多鐵素體，這樣就具有低屈服強度。然而，當FCT減少到880°F時，作為鋼中存在的貝氏體含量增加的結果，鐵素體的含量明顯減少，而且屈服強度增加。
總而言之，當加速冷卻速度在約每秒9°F，至FCT在900-1050°F之間時，1.5”厚的板(合金A-D)都符合A709-70W的要求。2.0英寸厚的板材圖4說明了對于合金A-D，最終冷卻溫度和軋制實驗操作對屈服強度的影響。該2”板材在實驗操作條件為1750°F/1550°F/55％且在每秒6°F冷卻速率下進行軋制。一塊1.30％Mn-0.10％Mo的2”板還用更嚴格的實驗操作1650°F/1450°F/55％軋制，以評價軋制實驗操作的影響。從圖4可以看到，隨著FCT從約1150°F降到約850°F，該鋼的屈服強度稍微增加，并且符合70 KSI的要求。對于這些FCT，該鋼的抗拉強度和CVN韌性保持基本恒定，并符合A709-70W的要求(表6)。這樣，在加速冷卻條件下，對于2”厚的板材，所有四種鋼都符合A709-70W的要求。
在如圖4所示的整個范圍(solid circle)內，軋制實驗操作的變化顯示，更嚴格的軋制實驗操作不能對測試鋼的力學性能產生任何正面的影響。
在2.0”厚的板材中，錳和鉬的影響與上述對于較薄厚度板的描述類似。即，增加鉬導致板材的屈服強度和抗拉強度增加。另外，隨著鉬和錳的含量增加，貝氏體的含量增加。
總而言之，對于2.0”厚的板材，當以約每秒7°F加速冷卻至FCT在約900和1100°F之間時，所有四種合金A-D符合A709-70W的要求。3.0英寸厚的板材圖5A和5B表明，對于3”厚的合金A-D板材，最終冷卻溫度對屈服強度和CVN韌性的影響。圖5A說明，當最終冷卻溫度在900°F左右時，所有四種鋼都能達到最小屈服強度為70 KSI的要求。如表6所示，所有四種鋼的抗拉強度在要求的90-110 KSI范圍內。
然而，參考圖5B，對于只含有1.30％錳的鋼，最小CVN能量要求不能滿足。但是，不足的韌性可能與粗軋和精軋實驗操作有關。即，用2300°F/2000°F/17％的實驗操作粗軋制和1750°F/1600°F/40％的精軋實驗操作，從6英寸厚的鋼坯軋制成3.0英寸的鋼板。加速冷卻速度在約每秒7°F至FCT為900°F下進行。只含17％的粗軋壓縮與只含40％的精軋壓縮相結合，不足以通過熱加工產生由再結晶和奧氏體扁平化可以得到的晶粒細化和良好的韌性。然而，實驗室實驗顯示，將檢測的合金化學組成和冷卻相結合，3”厚的板材中可符合70 KSI的最小屈服強度和90-110 KSI范圍的抗拉強度要求。換言之，在最終厚度板材制品中，壓縮必須足以達到必要的晶粒細化，以達到在-10°F下韌性為35ft-lbs的A709-70W規范的要求。可以預期，壓縮至少50％和在低于中間溫度和粗壓縮大于20％時，制備出3”制品板材，符合A709-70W對屈服強度、抗拉強度和韌性的要求。
實驗室實驗明確地說明了一種在軋制和冷卻條件下制備低碳、更好的可鑄造性、可焊接性和成形性、高韌性的耐候級鋼的方法。用本發明的方法，在板厚為3.0”時，在要求70 KSI的最小屈服強度、90-110 KSI的抗拉強度和在-10°F下韌性為35ft-lbs的軋制條件下可以制備滿足ASTM規范的板材制品。在必須符合ASTM A709-70W規范的耐候級鋼板中，制備板厚在約0.5”～約4.0”的范圍內的軋制和冷卻鋼板(不需要為達到強度和韌性水平而進行淬火和回火)的能力具有明顯的進步。與受控軋制和冷卻結合的合金化學組成提供一種制板方法，符合該規范的嚴格組成和力學性質要求。
這樣，本發明通過優選的實施方案進行了說明，其實現了如上所述的本發明的每一個目的，并提供了一種生產軋制和加速冷卻耐候級鋼板的新的且改進的方法，以及由其制備的板材制品，具有70 KSI的最小屈服強度和90-110 KSI的抗拉強度和在-10°F下大于35 ft-lbs的擺錘V形缺口韌性要求。
當然，本領域的普通技術人員在不背離其設計精神和目標的情況下，可以預料由本發明的技術產生的各種變化、改性和變換。本發明僅由附加的權利要求書予以限定。
表1.用于耐候性橋梁用途的ASTM規范表
*Hr/Q+T＝熱軋制、奧氏體化、淬火和回火。
表2.耐候性橋梁鋼的力學性能要求
1.AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials，美國洲際公路和運輸聯合會法典)CVN韌性要求，是在操作溫度范圍對于臨界斷裂或非臨界斷裂使用的。
2.對于70W材料最嚴格的AASHTO要求是臨界斷裂沖擊實驗要求范圍3(最低操作溫度是-10°F，此處最小值必須是35ft-lbs)。
表3現行ASTM耐候鋼等級組成范圍
表4根據本發明的耐候級鋼組成
表5合金A-D板軋制程序
粗體字表示的是中間標準和溫度。
表6 0.5”、1.0”、1.5”、2.0”和3.0”合金A-D板的力學性質
表6續
*開始冷卻溫度，°F/最終冷卻溫度，°F、冷卻速度，°F/s
權利要求
1.一種制備軋制和冷卻耐候級鋼板的方法，包括a)提供一種加熱的鋼坯，以重量百分比計，其主要組成如下約0.05％～約0.12％的碳；約1.00％～約1.80％的錳；最多約0.035％的磷；最多約0.040％的硫；約0.15％～約0.65％的硅；約0.20％～約0.40％的銅；最多約0.50％含量的鎳；約0.40％～約0.70％的鉻；約0.05％～約0.30％的鉬；約0.03％～約0.09％的鈮；約0.005％～約0.02％的鈦；最多約0.10％含量的鋁；約0.001％～約0.015％的氮；以及余量的鐵和附帶的雜質；b)在高于再結晶停止溫度下，粗軋該加熱鋼坯，以制備中間厚度板材；c)從低于再結晶停止溫度的中間溫度到高于Ar3溫度的精軋溫度，精軋該中間厚度板材，以生產厚度高達約4英寸的最終厚度板材；和d)使最終厚度板材至少經過在液體介質中的加速冷卻，其開始冷卻溫度高于Ar3溫度，并且最終冷卻溫度低于Ar3溫度，以制備最小屈服強度為70 KSI、抗拉強度為90-110 KSI和在-10°F下擺錘V形缺口韌性大于35 ft-lbs的耐候級鋼板。
2.權利要求1的方法，其中錳的含量范圍在約1.10％和1.70％之間。
3.權利要求2的方法，其中錳的含量范圍在約1.20％和1.40％之間。
4.權利要求1的方法，其中鈮的含量范圍在約0.04％和0.08％之間。
5.權利要求4的方法，其中鈮的含量范圍在約0.055％和0.07％之間。
6.權利要求1的方法，其中鉬的含量范圍在約0.08％和0.30％之間。
7.權利要求6的方法，其中鉬的含量范圍在約0.08％和0.12％之間。
8.權利要求1的方法，其中錳的含量范圍在約1.20％和1.40％之間，鉬的含量范圍在約0.08％和0.20％之間，并且鈮的含量范圍在約0.055％和0.07％之間。
9.權利要求1的方法，其中控制加熱鋼坯的加速冷卻和組成以生產連續屈服的冷卻最終厚度板材。
10.權利要求1的方法，其中加速冷卻的冷卻速率范圍在約5～50°F/秒之間。
11.權利要求10的方法，其中對于厚度在約0.5英寸和約4.0英寸之間的鋼板，冷卻速率范圍在約8～20°F/秒之間。
12.權利要求1的方法，其中加速冷卻最終冷卻溫度范圍在約850°F和1300°F之間。
13.權利要求12的方法，其中加速冷卻最終冷卻溫度范圍在約900°F和1050°F之間。
14.權利要求1的方法，其中開始冷卻溫度范圍在約1350°F～約1600°F。
15.權利要求14的方法，其中開始冷卻溫度范圍在約1500°F～約1600°F。
16.權利要求1的方法，其中精軋溫度范圍為約1400°F～約1650°F。
17.權利要求16的方法，其中精軋溫度范圍為約1450°F～約1600°F。
18.一種用權利要求1的方法制備的軋制和冷卻耐候級鋼板，該鋼板的厚度至少是0.5英寸、最小屈服強度為70 KSI，且抗拉強度為90-110 KSI。
19.權利要求18的軋制和冷卻耐候級鋼板，其中鋼板厚度大于或等于2英寸。
20.權利要求18的軋制和冷卻耐候級鋼板，其中該鋼板在-10°F下由擺錘V形缺口實驗測定的韌性大于35 ft-lbs。
21.權利要求1的方法，其中對于2.5～4.0英寸的最終厚度板材制品，鋼坯的厚度足以提供軋制壓縮百分比，以得到在-10°F下由擺錘V形缺口實驗測得的大于35 ft-lbs的板韌性。
22.權利要求21的方法，其中鋼坯厚度范圍在約8和16英寸之間。
23.一種耐候級鋼板組合物，以重量百分比計，其主要組成如下約0.05％～約0.12％的碳；約1.00％～約1.80％的錳；最多約0.035％的磷；最多約0.040％的硫；約0.15％～約0.65％的硅；約0.20％～約0.40％的銅；最多約0.50％含量的鎳；約0.40％～約0.70％的鉻；約0.005％～約0.30％的鉬；約0.03％～約0.09％的鈮；約0.005％～約0.02％的鈦；最多約0.10％含量的鋁；約0.001％～約0.015％的氮；以及余量的鐵和附帶的雜質。
24.權利要求23的組合物，其中碳的含量范圍在約0.07％和0.09％之間，錳的含量范圍在約1.25％和1.35％之間，鈦的含量范圍在約0.008％和0.014％之間，鈮的含量范圍在約0.055％和0.70％之間，并且鉬的含量范圍在約0.09％和0.11％之間。
全文摘要
一種用改進的耐候級合金組合物制備耐候級鋼板的方法,包括鑄造、熱軋和加速冷卻的步驟。該組合物使用有效含量的錳、碳、鈮、鉬、氮和鈦。在鑄造后,加熱鋼坯或鋼錠,并粗軋,以制備中間厚度板材。該中間厚度板材在受控的最終溫度下軋制,并進行加速冷卻。經過該受控的合金化學組成、軋制和冷卻,在厚度高達4.0英寸的板材中,該最終厚度板材顯示出連續的屈服,并可以用于需要達到最小屈服強度70KSI、抗拉強度為90－110KSI、在－10°F下擺錘V形缺口韌性值大于35ft－lbs的用途。
文檔編號C22C38/48GK1367848SQ99816009
公開日2002年9月4日 申請日期1999年6月3日 優先權日1999年2月5日
發明者林民發, 理查德·L·博德納爾 申請人:伯利恒鋼鐵公司