一种高原环境桥梁用界面剪切强度400MPa级不锈钢复合板及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202311814206.3 | 申请日 | 2023-12-27 | 公开(公告)号 | CN117901504A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 钢铁研究总院有限公司; 中联先进钢铁材料技术有限责任公司; | 发明人 | 李昭东; 高博; 王寅鹏; 曹燕光; 雍岐龙; 杨忠民; 陈颖; 王慧敏; 张超; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种高原环境 桥梁 用界面剪切强度400MPa级不锈 钢 复合板及其制备方法，属于复合板技术领域。所述复合板包括奥氏体型 不锈钢 与低 碳 贝氏体 型 耐候钢 ，其中所述奥氏体型不锈钢为复层，所述低碳贝氏体型耐候钢为 基层 ，界面剪切强度≥400MPa。以低碳贝氏体型耐候钢作为基层，其耐候指数＞6.2，可以适应高原大气 腐蚀 环境。以奥氏体型不锈钢作为复层，阻止了 道砟 与 桥面 连接处积 水 或腐蚀溶液对桥面结构的侵蚀，弥补耐候钢腐蚀性能的不足；同时相比全不锈钢，降低了成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高原环境桥梁用界面剪切强度400MPa级不锈钢复合板，其特征在于，包括奥氏体型不锈钢与低碳贝氏体型耐候钢，其中所述奥氏体型不锈钢为复层，所述低碳贝氏体型耐候钢为基层，界面剪切强度≥400MPa。 |
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| 说明书全文 | 一种高原环境桥梁用界面剪切强度400MPa级不锈钢复合板及其制备方法 技术领域背景技术[0002] 在铁路钢桥中配套使用耐候钢‑不锈钢复合板可有效抑制桥面结构因氯离子等入侵等带来的腐蚀破坏，一方面有效延长钢桥服役寿命，另一方面避免桥面结构涂刷防护涂层等带来的环境污染问题。因此，不锈钢复合板在耐候钢桥中的应用前景广阔。为了提高高寒、大温差、高辐射等高原复杂环境铁路钢桥的安全性及耐久性，要求不锈钢复合板具备良好的耐蚀、耐候性能及高的界面剪切强度。 [0003] 现有研究中，桥梁用不锈钢复合板主要有两种：一是采用非耐候碳钢与不锈钢进行复合制备，但是非耐候钢的使用无法保证桥梁用钢耐大气腐蚀性能，影响桥梁长寿命服役；一种是采用耐候钢与不锈钢进行复合，耐蚀、耐候性能得到提高，但所得复合板的界面剪切强度较低。 发明内容[0004] 鉴于上述的分析，本发明旨在提供了一种高原环境桥梁用界面剪切强度400MPa级不锈钢复合板及其制备方法，用以解决现有复合板的界面剪切强度较低的问题。 [0005] 一方面，本发明提供了一种高原环境桥梁用界面剪切强度400MPa级不锈钢复合板，包括奥氏体型不锈钢与低碳贝氏体型耐候钢，其中所述奥氏体型不锈钢为复层，所述低碳贝氏体型耐候钢为基层，界面剪切强度≥400MPa。 [0007] 进一步地，所述低碳贝氏体型耐候钢的耐候指数I＝26.01Cu+3.88Ni+1.20Cr+2 1.49Si+17.28P‑7.29Cu×Ni‑9.10Ni×P‑33.39Cu介于6.2‑6.8，焊接裂纹敏感性指数Pcm(％)＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.22。 [0008] 进一步地，所述低碳贝氏体型耐候钢基层的合金成分按质量百分比计包括C：0.045‑0.065％，Cr：0.35‑0.55％，Ni：0.3‑0.5％，Si：0.2‑0.35％，Mn：1.2‑1.5％，Al： 0.015‑0.035％，Ti：0.010‑0.020％，V：0.025‑0.045％，Cu：0.25‑0.45％，Nb：0.02‑0.03％，Mo：0.05‑0.10％，P：0.008‑0.012％；余量为Fe及不可避免的杂质。 [0009] 进一步地，所述低碳贝氏体型耐候钢基层的微观组织为贝氏体组织，包括粒状贝氏体与板条状贝氏体。 [0010] 优选的，所述低碳贝氏体型耐候钢基层的屈服强度级别介于420MPa‑500MPa，‑40℃V型冲击功为250‑300J。 [0011] 进一步地，所述奥氏体型不锈钢复层的合金成分按质量百分比计包括C：0.015‑0.030％，Cr：16.5‑18.0％，Ni：10‑14％，Si：0.35‑0.60％，Mn：1.0‑1.5％，Mo：2.0‑3.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。 [0012] 进一步地，所述奥氏体型不锈钢复层的微观组织为奥氏体。 [0013] 进一步地，所述奥氏体型不锈钢复层的厚度为2.5mm‑3.5mm；所述低碳贝氏体型耐候钢基层的厚度为14mm‑19mm。 [0014] 另一方面，本发明提供了一种高原环境桥梁用界面剪切强度400MPa级不锈钢复合板的制备方法，包括以下步骤： [0016] S2：非对称组坯：将复层放置在基层上方，复层的厚度小于基层的厚度，然后利用气体保护焊将复层与基层的四周进行封焊处理，再利用焊接封口处预留的φ5‑30mm孔洞抽真空，抽真空结束后进行封口处理，获得复合坯； [0017] S3：两阶段热轧：将所述复合坯加热至1150‑1230℃保温1‑2h，出炉去除氧化皮后开轧，总压缩比为6‑8，轧制过程采用粗轧和精轧两阶段轧制，所述粗轧的温度控制在1050‑1100℃，所述粗轧的压下率为总变形量的60％，所述精轧的温度控制在840℃‑900℃，所述精轧的压下率为总变形量的40％； [0018] S4：控制冷却：精轧阶段结束，待温度降至740‑810℃后进行快冷和慢冷两阶段冷却，所述快冷阶段为上下面喷水层流冷却，冷却速度为1‑15℃/s，返红温度控制在500‑650℃，所述慢冷阶段为空气中自然冷却，冷却至室温； [0019] S5：回火处理：将热轧后的复合板重新加热至450‑550℃，保温30‑40min，出炉空冷至室温制得不锈钢复合板。 [0020] 进一步地，在步骤S1中，基层和复层进行表面打磨处理后表面粗糙度控制在Ra0.4‑Ra0.8。 [0021] 与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一： [0022] 1、本发明的高原环境桥梁用界面剪切强度400MPa级不锈钢复合板，以低碳贝氏体型耐候钢作为基层，其耐候指数＞6.2，可以适应高原大气腐蚀环境。以奥氏体型不锈钢作为复层，阻止了道砟与桥面连接处积水或腐蚀溶液对桥面结构的侵蚀，弥补耐候钢腐蚀性能的不足；同时相比全不锈钢，降低了成本； [0023] 2、本发明贝氏体耐候钢与不锈钢复合界面复合良好，基层与复层碳含量均较低且含量相近，具有较好的匹配性，避免界面处出现碳的不均匀分布； [0024] 3、本发明组坯前将基层与复层表面粗糙度控制在Ra0.4‑Ra0.8，并采取非对称组坯的组坯方式，保证基层与复层协同变形，促进界面结合，且在制备厚板时不易受到轧机开口度的限制； [0025] 4、本发明复合板界面剪切强度≥400MPa，屈服强度级别介于500MPa‑550MPa，抗拉强度≥630MPa，‑40℃V型冲击功≥240J，满足GB/T 714‑2015《桥梁用结构钢》中屈服强度500MPa级钢材拉伸强度与冲击功要求。 [0026] 本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。 附图说明[0027] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。 [0028] 图1为实施例2界面附近组织形貌； [0029] 图2为实施例4界面附近组织形貌； [0030] 图3为实施例5界面附近组织形貌； [0031] 图4为实施例5拉伸曲线； [0032] 图5为实施例5拉伸断口形貌； [0033] 图6为对比例1界面附近组织形貌； [0034] 图7为对比例4界面附近组织形貌。 具体实施方式[0035] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。 [0036] 本发明提供了一种高原环境桥梁用界面剪切强度400MPa级不锈钢复合板，包括奥氏体型不锈钢与低碳贝氏体型耐候钢，其中所述奥氏体型不锈钢为复层，所述低碳贝氏体型耐候钢为基层，复合板屈服强度级别500MPa‑550MPa，界面剪切强度≥400MPa。 [0037] 与现有技术相比，本发明提供的复合板由奥氏体型不锈钢复层与低碳贝氏体型耐候钢基层复合而成，以低碳贝氏体型耐候钢作为基层，可以适应高原大气腐蚀环境，以奥氏体型不锈钢作为复层，阻止了氯离子等入侵等带来的腐蚀破坏。 [0038] 从微观上看，复合板的微观组织为奥氏体复层+界面+贝氏体基层，靠近复层处界面微观组织为奥氏体，靠近基层处界面微观组织为贝氏体或贝氏体+铁素体，复合界面复合良好，基层与复层的碳含量均较低且含量相近，具有较好的匹配性，避免界面处出现碳的不均匀分布的问题。经检测，所得复合板的综合力学性能较高，界面剪切强度≥400MPa，屈服强度级别介于500MPa‑550MPa，抗拉强度≥630MPa，‑40℃V型冲击功≥240J，满足GB/T 714‑2015《桥梁用结构钢》中屈服强度500MPa级钢材拉伸强度与冲击功要求。 [0039] 具体的，所述低碳贝氏体型耐候钢的耐候指数I＝26.01Cu+3.88Ni+1.20Cr+2 1.49Si+17.28P‑7.29Cu×Ni‑9.10Ni×P‑33.39Cu介于6.2‑6.8，焊接裂纹敏感性指数Pcm(％)＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.22。 [0040] 具体的，所述低碳贝氏体型耐候钢基层的合金成分按质量百分比计包括C：0.045‑0.065％，Cr：0.35‑0.55％，Ni：0.3‑0.5％，Si：0.2‑0.35％，Mn：1.2‑1.5％，Al：0.015‑ 0.035％，Ti：0.010‑0.020％，V：0.025‑0.045％，Cu：0.25‑0.45％，Nb：0.02‑0.03％，Mo： 0.05‑0.10％，P：0.008‑0.012％；余量为Fe及不可避免的杂质。 [0041] 具体的，所述低碳贝氏体型耐候钢基层的微观组织为贝氏体组织，包括粒状贝氏体与板条状贝氏体。 [0042] 优选的，粒状贝氏体的占比为80‑90％；板条状贝氏体的占比为10‑20％。 [0043] 优选的，所述低碳贝氏体型耐候钢基层的屈服强度级别介于420MPa‑500MPa，‑40℃V型冲击功为250‑300J。 [0044] 低碳贝氏体型耐候钢基层屈服强度级别在420MPa‑500MPa之间，耐候指数I介于6.2‑6.8，焊接裂纹敏感性指数Pcm(％)≤0.22，保证了强度、耐候性能和易焊接性，满足高原环境钢桥建设需求。同时低碳贝氏体型耐候钢中含有Ti、V、Nb等微合金元素，易形成弥散碳化物，抑制界面处碳与铬结合消耗铬而带来界面耐蚀性能的下降。 [0045] 具体的，所述奥氏体型不锈钢复层的合金成分按质量百分比计包括C：0.015‑0.030％，Cr：16.5‑18.0％，Ni：10‑14％，Si：0.35‑0.60％，Mn：1.0‑1.5％，Mo：2.0‑3.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。 [0046] 具体的，所述奥氏体型不锈钢复层的微观组织为奥氏体。 [0047] 本发明提供了一种高原环境桥梁用界面剪切强度400MPa级不锈钢复合板的制备方法，包括以下步骤： [0048] S1：基层/复层制备：按照化学成分要求冶炼、连铸分别获得基层和复层坯料，将基层和复层坯料加热至1150‑1230℃保温2‑4h，开坯至所需尺寸，对基层和复层进行表面打磨处理； [0049] S2：非对称组坯：将复层放置在基层上方，复层的厚度小于基层的厚度，然后利用气体保护焊将复层与基层的四周进行封焊处理，再利用焊接封口处预留的φ5‑30mm孔洞抽真空，抽真空结束后进行封口处理，获得复合坯； [0050] S3：两阶段热轧：将所述复合坯加热至1150‑1230℃保温1‑2h，出炉去除氧化皮后开轧，总压缩比为6‑8，轧制过程采用粗轧和精轧两阶段轧制，所述粗轧的温度控制在1050‑1100℃，所述粗轧的压下率为总变形量的60％，所述精轧的温度控制在840℃‑900℃，所述精轧的压下率为总变形量的40％； [0051] S4：控制冷却：精轧阶段结束，待温度降至740‑810℃后进行快冷和慢冷两阶段冷却，所述快冷阶段为上下面喷水层流冷却，冷却速度为1‑15℃/s，返红温度控制在500‑650℃，所述慢冷阶段为空气中自然冷却，冷却至室温； [0052] S5：回火处理：将热轧后的复合板重新加热至450‑550℃，保温30‑40min，出炉空冷至室温制得不锈钢复合板。 [0053] 与现有技术相比，本申请采用非对称组坯和两阶段热轧进行制备，然后再精确控制冷却速度和回火温度，所得不锈钢复合板界面结合强度较高，且界面结合状态良好。在热轧过程中基层与复层能够协同变形，未发生断裂或裂纹的问题。 [0054] 具体的，所述奥氏体型不锈钢复层的厚度为2.5mm‑3.5mm；所述低碳贝氏体型耐候钢基层的厚度为14mm‑19mm。 [0055] 需要说明的是，本发明采取非对称组坯的组坯方式，也就是采用不同厚度规格的基层与复层进行复合，一方面保证了基层与复层在轧制过程中协同变形，促进界面的结合，另一方面在制备较厚复合板时不易受到轧机开口度的限制。 [0056] 具体的，在步骤S1中，基层和复层进行表面打磨处理后表面粗糙度控制在Ra0.4‑Ra0.8。 [0057] 需要说明的是，本发明中贝氏体耐候钢与不锈钢复合界面复合良好，基层与复层碳含量均较低且含量相近，具有较好的匹配性，避免界面处出现碳的不均匀分布。组坯前将基层与复层表面粗糙度控制在Ra0.4‑Ra0.8，粗糙度数值过高时，两板啮合过程中易藏匿较多杂质；粗糙度数值过低时，一方面降低两板啮合性能，另一方面增加生产成本。 [0058] 具体的，在步骤S2中，对复合坯抽真空至30Pa以下。 [0059] 具体的，在步骤S3中，总压缩比为6‑8。 [0060] 需要说明的是，本发明采取非对称组坯的组坯方式，也就是采用不同厚度规格的基层与复层进行复合，一方面保证了基层与复层在轧制过程中协同变形，促进界面的结合，另一方面在制备较厚复合板时不易受到轧机开口度的限制，在组坯后真空度控制在30Pa以下且轧制阶段总压缩比为6‑8，保证了复合板中细小氧化物弥散分布，压缩比数值过高时，所需基层坯料过厚，无法保证坯料心部质量，且不利于批量生产；压缩比数值过低时，界面氧化物连续分布，降低界面性能。 [0061] 具体的，冷却过程中采用快冷和慢冷相相结合进行冷却。 [0062] 需要说明的是，在快冷阶段，对热轧后的板坯进行喷水冷却，主要是在板坯的上下两面进行喷水，控制冷却速度为1‑15℃/s。在慢冷阶段，采用的是空气中缓慢冷却。 [0063] 具体的，回火处理的温度为500‑550℃，保温时间为30‑40min。 [0064] 需要说明的是，热处理过程中选择回火温度为500‑550℃，保证了复合板的强韧性与低屈强比匹配，当回火温度过低时，贝氏体耐候钢与不锈钢复合板低温冲击功较低；当回火温度过高时，贝氏体耐候钢基层第二相析出含量与尺寸增加，使得其屈强比大幅提高，影响贝氏体耐候钢与不锈钢复合板安全服役。 [0065] 为了更加清楚地描述本发明，通过以下实施例和对比例进一步说明。 [0066] 选用基层与复层化学成分见表1和表2，1#和2#均为基层，1#基层耐候指数I＝6.24、焊接裂纹敏感性指数Pcm(％)＝0.18；2#基层耐候指数I＝6.75、焊接裂纹敏感性指数Pcm(％)＝0.20。3#和4#均为复层。 [0067] 表1基层的化学成分wt％ [0068]组别 C Al Si P S Ti V 1# 0.055 0.026 0.22 0.008 0.005 0.014 0.031 2# 0.058 0.032 0.34 0.011 0.0011 0.012 0.039 组别 Cr Mn Ni Cu Nb Mo 1# 0.45 1.31 0.32 0.28 0.029 0.058 2# 0.49 1.38 0.39 0.32 0.021 0.10 [0069] 表2复层的化学成分wt％ [0070]复层 C Si P S Cr Mn Ni Mo 3# 0.027 0.53 0.038 0.006 16.78 1.19 10.39 1.99 4# 0.016 0.44 0.032 0.006 17.90 1.29 13.81 3.17 [0071] 所选低碳贝氏体型耐候钢基层力学性能见表3所示。 [0072] 表3耐候钢板材力学性能 [0073] [0074] [0075] 实施例1 [0076] 复合板的制备包括以下步骤： [0077] S1：基层/复层制备：按照1#基层与3#复层的化学成分要求冶炼、连铸分别获得基层和复层坯料，将基层和复层坯料加热至1200℃保温2h，开坯至所需尺寸，对基层和复层进行表面打磨处理；基层和复层进行表面打磨处理后表面粗糙度控制为Ra0.8； [0078] S2：非对称组坯：将复层放置在基层上方，利用气体保护焊将复层与基层的四周进行封焊处理，利用焊接封口处预留的φ15mm孔洞抽真空，抽真空至30Pa以下，抽真空结束后进行封口处理，获得复合坯； [0079] S3：两阶段热轧：将所述复合坯加热至1200℃保温1h，出炉去除氧化皮后开轧，轧制过程采用粗轧和精轧两阶段轧制，所述粗轧的温度控制在1050‑1100℃，所述粗轧的压下率为总变形量的60％，所述精轧的温度控制在840℃‑900℃，所述精轧的压下率为总变形量的40％； [0080] 总压缩比为7； [0081] S4：控制冷却：精轧阶段结束，待温度降至740‑810℃后进行快冷和慢冷两阶段冷却，所述快冷阶段为上下面喷水层流冷却，冷却速度为6‑9℃/s，返红温度控制在500‑650℃，所述慢冷阶段为空气中自然冷却，冷却至室温； [0082] S5：回火处理：将热轧后的复合板重新加热至500℃，保温30‑40min，出炉空冷至室温制得不锈钢复合板。 [0083] 实施例2 [0084] 实施例2与实施例1制备过程大体相同，不同之处在于，实施例2中为2#基层与3#复层，回火温度为550℃。 [0085] 实施例3 [0086] 实施例3与实施例1制备过程大体相同，不同之处在于，实施例3中2#基层与4#复层，回火温度为550℃。 [0087] 实施例4 [0088] 实施例4与实施例1制备过程大体相同，不同之处在于，实施例4中2#基层与3#复层，快冷阶段为上下面喷水层流冷却，冷却速度为1‑5℃/s，回火温度为550℃。 [0089] 实施例5 [0090] 实施例5与实施例1制备过程大体相同，不同之处在于，实施例5中1#基层与3#复层，快冷阶段为上下面喷水层流冷却，冷却速度为10‑15℃/s，回火温度为550℃。 [0091] 对比例1 [0092] 对比例1与实施例1制备过程大体相同，不同之处在于，对比例1中总压缩比为4。 [0093] 对比例2 [0094] 对比例2与实施例2制备过程大体相同，不同之处在于，对比例2中回火温度为650℃。 [0095] 对比例3 [0096] 对比例3与实施例3制备过程大体相同，不同之处在于，对比例3中基层和复层进行表面打磨处理后表面粗糙度控制为Ra1.6。 [0097] 对比例4 [0098] 对比例4与实施例5制备过程大体相同，不同之处在于，对比例4中冷却速度为1‑5℃/s，真空度为1000Pa以上。 [0099] 性能检测 [0100] 将上述实施例和对比例进行性能检测，主要包括界面剪切强度、屈服强度、屈强比和‑40℃V型冲击功，检测结果如表4和5所示。 [0101] 表4实施例检测结果 [0102] [0103] 表5对比例检测结果 [0104] [0105] [0106] 参照图1‑7并结合实施例1‑5和对比例1‑4，利用剪切试验机和拉伸试验机检测界面剪切强度和屈服强度。实施例1中选择1#基层与3#复层复合，界面剪切强度和屈服强度分别为403MPa和516MPa。实施例2中选择2#基层与3#复层，与1#基层相比，2#基层可以在相同冷速条件下获得更多板条状贝氏体组织，界面附近组织形貌如图1所示，界面剪切强度和屈服强度分别提高至443MPa和554MPa。实施例3中选择2#基层与4#复层复合，与3#复层相比，4#复层Cr、Ni、Mo含量更高，界面宽度较宽，铁素体较多，界面剪切强度和屈服强度分别为 405MPa和552MPa。与实施例2相比，实施例4中选择2#基层与3#复层复合，轧后一阶段冷速较慢，获得较多铁素体，界面附近组织形貌如图2所示，界面剪切强度和屈服强度分别下降至 413MPa和532MPa。与实施例1相比，实施例5中选择1#基层与3#复层复合，轧后一阶段冷速最快，界面附近组织形貌如图3所示，界面剪切强度保持一致，基体中获得更多细小板条状贝氏体，屈服强度提高至567MPa，拉伸曲线及拉伸断口形貌分别如图4和图5所示。 [0107] 与实施例1相比，对比例1中，总压缩比由7下降至4，如图6所示，界面氧化物呈连续分布，未发生明显破碎，界面剪切强度和屈服强度分别由403MPa和516MPa下降至370MPa和480MPa。与实施例2相比，对比例2中，回火温度由550℃提高至650℃，屈强比由0.85增加至 0.91，影响不锈钢复合板安全服役。与实施例3相比，对比例3中，基层和复层进行表面打磨处理后表面粗糙度控制由Ra0.8改变为Ra1.6，即表面更加粗糙，界面剪切强度和屈服强度分别由405MPa和552MPa下降至381MPa和545MPa。与实施例5相比，对比例4中，真空度为 1000Pa以上，界面附近组织形貌如图7所示，界面处分布较多氧化物，界面剪切强度和屈服强度分别由402MPa和567MPa下降至358MPa和520MPa。 |
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