H型钢回火热处理设计方法、抗震耐火建筑结构用热轧H型钢及其回火热处理方法与流程

h型钢回火热处理设计方法、抗震耐火建筑结构用热轧h型钢及其回火热处理方法
技术领域
1.本发明属于h型钢生产领域，具体涉及h型钢回火热处理设计方法、抗震耐火建筑结构用热轧h型钢及其回火热处理方法。


背景技术：

2.随着建筑结构的快速发展，建筑用钢也有了越来越高的要求。尤其是针对一些高层建筑结构用h型钢来说，除了减轻结构重量以外，同时也要考虑到在地震、火灾情况下材料的性能服役的要求。其中，对于地震突发应变和集中应力的情况下，使材料能够在短时间内吸收较大的能量，要求材料的屈服强度与抗拉强度不超过0.8；而对于火灾情况下使材料在高温条件下仍然保持较大的强度，要求材料在高温600℃时材料的屈服强度达到室温屈服强度的三分之二。目前我国建筑用h型钢通常采用q345级别，随着建筑的高层化和大跨距的发展，结构用h型钢必须使用高强系列，以提高其建筑结构稳定性的要求。
3.目前，以mgfr490b钢种为代表，在普通建筑、结构领域应用较多。但是随着高层建筑的发展，普通345mpa级别无法满足在大型建筑及结构方面的使用。因此，开发一种具有高强、抗震和耐火型热轧h型钢对未来建筑应用发展有着重要的意义。
4.现有技术中，生产强度级别为460mpa的h型钢较少，尤其是单一采用热轧方法，不仅要求轧机设备能力满足变形压缩的条件，同时对控轧工艺也有着严格要求。实现产品在抗震、耐蚀和耐火性能的工艺窗口窄。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供h型钢回火热处理设计方法，根据组织设计h型钢的回火热处理工艺的方法，使h型钢原始组织在高温回火过程中发生奥氏体化，通过铁素体 珠光体 少量贝氏体或马氏体组织的回溶，在回火工艺范围内进行组织转变，提高产品性能，满足更高使用要求。
6.本发明还有一个目的在于提供抗震耐火建筑结构用热轧h型钢及其回火热处理方法，利用上述h型钢回火热处理设计方法，根据h型钢的具体组织设计具体的热处理方法，得到460mpa抗震耐火热轧h型钢，具有良好的抗震性和耐火性。
7.本发明具体技术方案如下：
8.1)通过对h型室温金相组织观察测量，确定h型钢原始材料组织中铁素体的面积占比a、铁素体晶粒尺寸范围b
1-b2和平均晶粒尺寸c；b1、b2、c的单位为μm；b1为铁素体晶粒尺寸最小值，b2为铁素体晶粒尺寸最大值；c为铁素体晶粒平均尺寸；
9.2)计算回火工艺的保温时间t，其中t＝60/a 2.5
×
(c-b1)，t的单位为min；
10.3)计算回火温度t：t＝550℃ 2
×
(b
2-c)，t单位为℃；
11.4)根据技术结果，h型钢回火热处理方法为：加热至t
±
5℃，保温t
±
5min，随后进行炉冷至室温。
12.本发明h型钢回火热处理设计方法，主要依据为：利用热轧态组织中形成的马氏体、贝氏体组织，结合铁素体组织的分布特点，通过一定的热处理回火工艺，促进基体组织的再结晶实现颗粒状碳化物在铁素体晶界和岛界析出，形成具有优良强韧性回火索氏体组织，提高产品热处理后的力学性能。
13.利用上述h型钢回火热处理设计方法设计的一种抗震耐火建筑结构用热轧h型钢的回火热处理方法，具体为：加热温度为570-650℃，保温时间为120-180min。
14.利用上述回火热处理方法生产的抗震耐火建筑结构用热轧h型钢，包括以下质量百分比成分：
15.c：0.06％-0.12％，si：0.20％-0.45％，mn：0.60％-1.00％，p：≤0.015％，s：≤0.015％，cr：0.020％-0.080％，ni：0.50％-1.00％，cu：0.20％-0.60％，nb:0-0.045％，v：0.040％-0.080％，mo：0.10％-0.30％，al：0.010％-0.025％％，其余为fe及微量残余元素。
16.其中，cr ni cu≥1.2％；ni/cu≥1.5；mo≥5nb 15v；
17.具体来说，各元素的作用及配比设计原理如下：
18.碳(c)：碳元素对钢材强度的提升具有十分显著的作用，为了满足高强度级别要求设定下限为0.06wt％；考虑到碳含量过高，容易对材料塑性的不良影响，同时，该成分合金元素组成较多，碳含量过高容易造成材料高温性能波动性，设定上限为0.12wt％。
19.硅(si)：在钢中以固溶形式存在，具有较强的固溶强化作用，能显著强化铁素体，为获得较高的强度，设定下限为0.20wt％；但是当si含量过高，钢的韧性塑性却显著下降，设定上限为0.45wt％。
20.锰(mn)：有效抑制铁素体向珠光体的转变，同时可以降低相变温度，有利于奥氏体在低温条件下的转变，大大提高材料的韧性，设定下限为0.60wt％；但是当锰含量过多时，会造成铸坯内部偏析缺陷，设定上限为1.0wt％
21.磷(p)：在钢种容易发生偏析，大大降低了钢的塑韧性，且对钢材的表面质量有一定的影响，考虑到炼钢过程脱p难度，设定上限为0.015wt％。
22.硫(s)：对钢的韧性影响较大，容易在晶粒内部和边界产生富集和偏析，尤其是和锰元素极易形成mns夹杂，使材料的基体组织容易形成裂纹的边界起源，同时考虑到炼钢过程脱s难度，设定上限为0.015wt％。
23.铬(cr)：显著提高强度，降低屈强比，能够同时提高钢的耐火性和耐蚀性，与mo、nb、v配合，提高析出相的稳定性，为获得良好的耐蚀性，与ni、cu配合，形成致密的锈层，考虑到材料的耐腐蚀性，设定下限为0.02wt％；在添加其他合金元素的情况下，铬将恶化钢的可焊性，设定上限为0.08wt％。
24.镍(ni)：显著提高钢的塑韧性，而且能够提升锈层致密性，形成稳定的锈层以提升耐蚀性、拟制cu脆带来的表面质量问题，设定下限为0.50wt％；但含量过高会造成轧制前除鳞不尽，设定上限1.00wt％。
25.铜(cu)：易在内锈层、氧化处或裂纹处富集，显著提高钢的耐蚀性。与cr、ni配合，可以获得良好的耐蚀性，考虑其在基体组织中溶解度小，同时提高钢的高温强度，设定下限0.20wt％；但含量过高，易在铸坯表面形成裂纹或液析缺陷，设定上限0.60wt％。
26.其中，为保证产品的耐腐蚀性能，根据耐候指数计算公式
27.i＝26.01(cu％) 3.88(ni％) 1.20(cr％) 1.49(si％) 17.28(p％)-7.29(cu％)
(ni％)-9.10(ni％)(p％)-33.39(cu％)2，材料具备良好的耐蚀性应保证i≥6.0，为实现本产品耐候指数i≥6.5的要求，在现有的炼钢水平下，保证cr ni cu≥1.2％；同时，考虑到cu等合金元素的大量添加，容易造成坯料裂纹，因此通过提高ni含量改善铸坯及成品的表面质量，保证ni/cu≥1.5。
28.铌(nb)：通过沉淀和固溶细化奥氏体晶粒的重要元素，实现细化晶粒的方式提高产品的强度，而且其与mo元素配合，可以降低mo元素在钢中的过热敏感性，显著提高材料的高温性能；考虑到方法中的产品压缩比能力，对于薄规格产品(翼缘厚度小于40mm)可以通过单一mo元素结合大压缩比实现高温性能，但mo含量过高，容易造成冲击韧性下降和内圆角易裂纹，所以本发明nb设定范围为0-0.045wt％。
29.钒(v)：v是钢中最主要的微合金元素之一，具有明显的细晶强化、析出强化和沉淀强化作用。钒元素易和氮元素形成碳氮化合物，有效防止晶粒过分长大，促进奥氏体向铁素体转变，有利于软韧相的析出，此外，在轧后冷却过程，碳氮化合物析出起到一定的强化作用，设定上限为0.040wt％，但钒元素含量高容易造成塑性下降，且成本高，设定下限为0.080wt％。
30.钼(mo)：显著提高钢的耐火性，其通过固溶强化直接强化基体从而提生高温强度，同时偏聚在基体界面等缺陷处增强组织热稳定性，与nb、v等协同析出并细化mc相纳米粒子，钉扎界面、位错等缺陷，提高组织热稳定性间接提高高温强度，设定下限为0.10wt％；但含量过高，会降低材料的韧性，设定上限为0.30wt％。
31.考虑v元素对强度提升，采用单v元素实现晶粒细化需要结合一定含量的mo元素才能保证产品在高温变形过程中的强度性能，因此要求mo元素含量必须大于1.5v；针对翼缘厚度大于40mm的厚规格产品，考虑变形压缩比较小，晶粒细化效果有限，通过添加v、nb复合元素实现析出强化，提高产品的强度，同时，为实现nb元素对降低mo高温敏感性的作用效果，增加mo含量来提高产品的耐高温性能，要求mo≥5nb 1.5v。
32.铝(al)：是强氧化剂，也是重要的脱氧元素，在钢中可以和氮元素结合形成aln析出物，起到细化奥氏体晶粒作用，故设定下限为0.010wt％，但是铝含量过高，容易在炼钢过程中造成坯料结瘤和成分夹杂，影响坯料质量，设定其上线为0.025wt％。
33.所述抗震耐火建筑结构用热轧h型钢经热轧和冷却轧制后得到，其中要求热轧过程在960℃以下实现15％～40％的截面总压缩比；冷却过程采用水冷方式实现返红温度550℃～650℃。经过以上热轧冷却生产后，所得抗震耐火建筑结构用热轧h型钢的室温组织为铁素体和珠光体 少量贝氏体或马氏体，其中铁素体面积组织占比为45％-70％，铁素体的晶粒尺寸范围5-50μm。
34.所述抗震耐火建筑结构用热轧h型钢翼缘厚度为20mm-60mm。
35.所述回火处理后的抗震耐火建筑结构用热轧h型钢的组织为铁素体 珠光体 少量回火索氏体；强度指标提升，屈服强度达到520mpa-650mpa，抗拉强度达到650mpa-780mpa，屈强比小于0.78，同时，600℃的屈服强度达到320-426mpa，且有效地避免高温脆性，具有良好的高温抗软化能力，产品具有良好的抗震性和耐火性。
36.受限于目前生产工艺窗口窄、设备能力要求高等问题，考虑采用热处理工艺对实际生产产品进行回火等工艺处理，实现产品在抗震、耐候及耐火性能上的使用要求。本发明提供了h型钢的回火处理工艺的设计方法，按照此设计方法设计的回火处理工艺对h型钢进
行处理，能够提高h型钢的性能，满足抗震耐火的使用要求。而且，本发明还提供了按照此设计方法得到的回火工艺处理的460mpa抗震耐火热轧h型钢，使原始组织在高温回火过程中发生奥氏体化，通过基体组织再结晶，使碳化物在铁素体晶界和岛界析出，在回火工艺范围内进行组织转变，最终形成具有良好强韧性的回火索氏体组织，且产品强度比回火处理工艺之前高，屈强比小于0.78，具有良好的抗震性和耐火性，可广泛地应用于各种大型场馆及高层建筑。
附图说明
37.图1为实施例1原始组织金相图(
×
500)；
38.图2为实施例1回火工艺后金相组织(
×
200)。
39.图3为实施例1回火工艺后金相组织(
×
500)；
40.图4为实施例2原始金相组织图(
×
500)；
41.图5为实施例2回火工艺后金相组织(
×
200)；
42.图6为实施例2回火工艺后金相组织(
×
500)；
43.图7对比例1原始组织金相图；
44.图8对比例2原始组织金相图。
具体实施方式
45.实施例1
46.一种抗震耐火热轧h型钢的回火热处理的设计方法，其产品规格为h630
×
200
×
15
×
20(高度
×
宽度
×
腹板厚度
×
翼缘厚度)，其化学成分(按质量百分比)为c：0.08％，si：0.35％，mn：0.64％，p：≤0.015％，s：≤0.015％，cr：0.035％，ni：0.85％，cu：0.40％，v：0.071％，mo：0.125％，al：0.025％，其余为fe及微量残余元素,其中cr ni cu＝1.285％；ni/cu＝2.125；mo≥5nb 1.5v；
47.所述抗震耐火热轧h型钢生产中包括经热轧和冷却轧制，其中要求热轧过程在960℃以下实现40％的截面总压缩比；冷却过程采用水冷方式实现返红温度550℃～570℃。其原始金相组织如下图1。
48.具体回火热处理的设计方法如下：
49.1)室温下，通过金相组织观察，确定原始材料(铁素体 珠光体 少量马氏体)组织中铁素体的面积占比a为58％(占比0.58)及铁素体晶粒尺寸b
1-b2范围为7-34μm及平均晶粒尺寸c为14μm；
50.2)根据原始材料组织中铁素体占比a、尺寸范围b
1-b2及平均晶粒尺寸c确定回火工艺的保温时间t，其中t＝60/a 2.5
×
(c-b1)＝60/0.58 2.5
×
(14-7)≈121min；加热保温时间为116-126min，本发明取保温时间120min。
51.3)根据本发明提供设计方法计算回火温度t：t＝550℃ 2
×
(b
2-c)＝550 2
×
(34-14)＝590℃。本发明实施例1将材料加热至550℃-680℃，并根据保温时间t＝120min进行保温处理，并随后进行炉冷至室温；
52.实施例1中采用不同的回火保温温度进行处理，具体如表1所示，热处理后的产品性能如表1所示。
53.表1为实施例1的h型钢不同回火处理温度及性能
[0054][0055]
序号8为不进行回火工艺的产品性能。
[0056]
根据本发明提供设计方法计算回火温度t：t＝550℃ 2
×
(b
2-c)＝550 2
×
(34-14)＝590℃。通过上述不同回火工艺可以看出，当保温温度为590℃，保温时间为120min，此时材料的力学性能优良，且600℃的高温力学性能最优，此时回火处理后的组织为铁素体 珠光体 少量索氏体，其中铁素体占比46％。
[0057]
实施例2
[0058]
一种抗震耐火热轧h型钢的回火热处理的设计方法，其产品规格为h458
×
417
×
30
×
50(高度
×
宽度
×
腹板厚度
×
翼缘厚度)，其化学成分(按质量百分比)为c：0.08％，si：0.35％，mn：0.62％，p：≤0.015％，s：≤0.015％，cr：0.035％，ni：1.0％，cu：0.40％，nb:0.035％,v：0.072％，mo：0.285％，al：0.025％，其余为fe及微量残余元素，其中cr ni cu＝1.435％；ni/cu＝2.5；mo≥
[0059]
5nb 1.5v；
[0060]
所述抗震耐火热轧h型钢生产中包括经热轧和冷却轧制，其中要求热轧过程在960℃以下实现30％的截面总压缩比；冷却过程采用水冷方式实现返红温度590℃～610℃。其原始金相组织如下图4所示。
[0061]
具体回火热处理的设计方法如下：
[0062]
1)室温下，通过金相组织观察，确定原始材料(铁素体 珠光体 少量贝氏体)组织中铁素体的占比a为52％(占比0.52)及铁素体晶粒尺寸b范围为8-28μm及平均晶粒尺寸c为
19μm；
[0063]
2)根据原始材料组织中铁素体占比a、尺寸范围b及平均晶粒尺寸c确定回火工艺的回火温度：将材料加热至t＝550℃ 2
×
(b
2-c)＝550 2
×
(28-19)＝568℃，加热保温温度为563-573℃，本发明取保温温度570℃。
[0064]
3)计算保温时间t，其中t＝60/a 2.5
×
(c-b1)＝60/0.52 2.5
×
(19-8)≈143min，加热保温时间为138-148min，本发明取保温时间140min。
[0065]
实施例2分别保温处理100-200min，并随后进行炉冷至室温。
[0066]
实施例2中采用不同的回火保温时间进行处理，具体如表2所示，热处理后的产品性能如表2所示。
[0067]
表2为实施例1的h型钢不同回火处理温度及性能
[0068][0069]
编号7为不采用回火工艺的产品性能，即室温组织性能。
[0070]
通过上述不同回火工艺可以看出，当保温温度为570℃，保温时间为140min，此时材料的力学性能优良，且600℃的高温力学性能最优，其回火后的金相组织为铁素体 珠光体 少量索氏体，其中铁素体组织占比为41％。
[0071]
对比例1
[0072]
一种抗震耐火热轧h型钢的回火热处理的设计方法，其产品规格为h606
×
201
×
12
×
20mm(高度
×
宽度
×
腹板厚度
×
翼缘厚度)，其化学成分(按质量百分比)为c：0.09％，si：0.30％，mn：0.84％，p：0.012％，s：0.010％，cr：0.06％，ni：0.65％，cu：0.32％，nb：0，v:0.062％，mo：0.086％，al：0.018％，其余为fe及微量残余元素，其中cr ni cu＝1.03％；ni/cu＝2.0；mo＜5nb 1.5v；
[0073]
所述抗震耐火热轧h型钢生产中包括经热轧和冷却轧制，其中要求热轧过程在960
℃以下实现36％的截面总压缩比；冷却过程采用水冷方式实现返红温度555℃～575℃。其原始金相组织为铁素体 珠光体 少量马氏体，如图7所示。
[0074]
具体回火热处理的设计方法如下：
[0075]
1)室温下，通过金相组织观察，确定原始材料(铁素体 珠光体 少量马氏体)组织中铁素体的占比a为45％及铁素体晶粒尺寸b
1-b2范围为6～35μm及平均晶粒尺寸c为12μm；
[0076]
2)根据原始材料组织中铁素体占比a、尺寸范围b及平均晶粒尺寸c确定回火工艺的回火温度：将材料加热至t＝550℃ 2
×
(b
2-c)＝550 2
×
(35-12)＝596℃，加热保温温度为591～601℃，本发明取保温温度600℃。热处理中温度选择560-640℃。
[0077]
3)计算保温时间t，其中t＝60/a 2.5
×
(c-b1)＝60/0.45 2.5
×
(12-6)≈148min，加热保温时间为143～153min，本发明取保温时间150min。
[0078]
热处理后的产品性能如表3所示。
[0079]
表3为对比例1的h型钢不同回火处理温度及性能
[0080][0081]
序号3号试验钢回火后的金相组织为铁素体 珠光体 少量索氏体，其中铁素体组织占比为38％。
[0082]
通过上述不同回火工艺可以看出，如果不满足本发明成分条件，即使按照本发明设计的方法进行热处理，性能依然不能满足本发明要求。
[0083]
对比例2
[0084]
一种抗震耐火热轧h型钢的回火热处理的设计方法，其产品规格为hh458
×
417
×
30
×
50(高度
×
宽度
×
腹板厚度
×
翼缘厚度)，其化学成分(按质量百分比)为c：0.08％，si：0.35％，mn：0.86％，p：0.013％，s：0.008％，cr：0.061％，ni：0.72％，cu：0.42％，nb:0.026％,v：0.068％，mo：0.218％，al：0.015％，其余为fe及微量残余元素，其中cr ni cu＝1.201％；ni/cu＝1.7；mo＜5nb 1.5v；
[0085]
所述抗震耐火热轧h型钢生产中包括经热轧和冷却轧制，其中要求热轧过程在960
℃以下实现30％的截面总压缩比；冷却过程采用水冷方式实现返红温度590℃～610℃。其原始金相组织为铁素体 珠光体 少量马氏体，如图8所示。
[0086]
具体回火热处理的设计方法如下：
[0087]
1)室温下，通过金相组织观察，确定原始材料(铁素体 珠光体 少量马氏体)组织中铁素体的占比a为45％及铁素体晶粒尺寸b范围为12～58μm及平均晶粒尺寸c为36μm；
[0088]
2)根据原始材料组织中铁素体占比a、尺寸范围b及平均晶粒尺寸c确定回火工艺的回火温度：将材料加热至t＝550℃ 2
×
(b
2-c)＝550 2
×
(58-36)＝594℃，加热保温温度为589～599℃，本发明取保温温度590℃。
[0089]
3)计算保温时间t，其中t＝60/a 2.5
×
(c-b1)＝60/0.45 2.5
×
(36-12)≈193min，加热保温时间为188～198min，本发明取保温时间190min。在实验过程中，分别选择保温时间130-210min。
[0090]
热处理后的产品性能如表4所示。
[0091]
表4为对比例2的h型钢不同回火处理温度及性能
[0092][0093]
序号4试验钢回火后的金相组织为铁素体 珠光体 少量索氏体，其中铁素体组织占比为37％。
[0094]
通过上述不同回火工艺可以看出，即使各成分在本发明范围内，但是如果不满足本发明cr ni cu≥1.2％；ni/cu≥1.5；mo≥5nb 1.5v的条件下，即使按照本发明设计的方法进行热处理，性能依然不能满足本发明要求。