一种利用含硼生铁提高Q235钢屈服强度的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种利用含硼生铁来使Q235钢中部分组织转变为贝氏体，从而提高钢屈服强度的方法。

背景技术

我国正处在工业化进程中，钢铁工业作为重要的支柱产业，对促进国民经济的发展具有重要作用。但我国钢铁工业正面临着日益严重的资源、能源短缺，环境恶化等问题。因此在提高材料性能的情况下减少钢铁材料中合金元素的使用量，尽可能使用相对简单的化学成分生产出满足不同性能要求的产品，从而提高能源使用效率，节约材料，对促进我国社会经济可持续发展具有重要意义。

最近几十年钢的微合金化主要集中在铌，钼，铬，钨，钒，钛等贵金属。与一般的合金元素相比，硼是最有效的提高淬透性的元素，钢中加入0.001％的硼就能大幅度提高钢的淬透性。因而微量的硼可以代替一些贵重合金元素如镍、铬、钼等。此外利用高炉铁硼分离工艺流程获得的含硼生铁，虽然具有来源方便、价格便宜等优点，但由于硼含量较低(0.2-1.0％)，一直没有合理利用，对硼资源造成极大浪费。

Q235钢是广泛应用的钢种，但强度较低，一般提高Q235屈服强度的方法都是通过低温大变形实现，对轧机设备要求极高，或者通过添加其它贵金属实现。

在中国专利公开申请CN103741025A中，薛向欣、张志宏公开了一种以含硼生铁为加硼剂制备含硼微合金钢的方法，并成功申请了发明专利，但是他们研究的含硼微合金钢中碳含量较低(0.08-0.12％)，因此对脱碳工艺要求较高，其中锰含量较高(1.5-1.8％)，而锰资源属于紧缺资源，价格昂贵。虽然轧制工艺简单又具备良好的性能，但综合经济成本较高，不利推广应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明通过在工程领域广泛应用的Q235钢中添加含硼生铁和钛铁合金，改变冶炼及轧制工艺条件，利用两阶段控轧轧制与控制冷却工艺，使其屈服强度大幅度提高，并且其它力学性能均符合要求。

具体技术方案如下：

一种利用含硼生铁提高Q235钢屈服强度的方法，以Q235钢，含硼生铁，钛铁合金为原料；

其各成分质量百分比如下：

所述Q235钢各成分质量百分比C:0.12～0.22％，Mn:0.3～0.85％，Al:0.03～0.05％，Si:≤0.5％，S:≤0.05％，P:≤0.045％，余量为Fe；

所述含硼生铁各成分质量百分比C:3.0～3.8％、Si:2.0～3.2％、Mn:0.08～0.12％、P:≤0.06％、S:≤0.12％、B:0.20～1.0％，余量为Fe；

所述钛铁合金各成分质量百分比C 0.24～0.33％、Si 0.30～0.70％、V 2.6～3.2％、P≤0.02％、S≤0.05％、Al 4.3～4.7％、Ti 70～74％，余量为Fe；

其制备工艺步骤如下：

(1)将经过处理的Q235钢装入感应炉内进行熔化以及合金化，熔化初期保持真空度3～10Pa，大功率加热炉料；熔化中期充氩气调节，气压控制在2～5Kpa；进入精炼期后，保持高真空度，脱氧氮，将温度加热到1600～1630℃，达到后保温；加入钛铁合金，开启电磁搅拌；随后加入含硼生铁，保温，开启电磁搅拌；

(2)浇铸前，先降温到1580℃，保持在3～5KPa下浇铸；

(3)进行两阶段控轧轧制，第一阶段轧制时，先将钢锭加热到1150～1200℃，保温1～2h，除去钢锭氧化铁皮后，在1000～1100℃开始轧制，总压下量为50～70％，对钢板温度进行监控；当温度下降到900～930℃时，开始进行第二阶段的轧制，轧制温度为800～850℃，总压下量为80～90％；

(4)将轧制好的钢板以20～60℃/s的速度冷却到终冷温度，终冷温度控制在400～550℃，随后空冷至室温得到最终钢板。

所述感应炉为立式真空感应炉。

所述最终钢板各成分质量百分比为C:0.12～0.22％，Mn:0.3～0.85％，Ti:0.01～0.04％，B:0.001～0.003％，Al:0.03～0.05％，Si:≤0.5％，S:≤0.05％，P:≤0.045％，余量为Fe。

所述最终钢板力学性能为屈服强度为360～427MPa，抗拉强度为495～596MPa，断后伸长率为24～31％，室温冲击功为40～44J。

所述在温度1150～1200℃条件下保温1～2h采用的设备为箱式电加热炉。

所述以20～60℃/s的速度冷却是采用水幕冷却方式进行冷却，冷却速度通过喷头数量和水量进行控制。

所述轧制采用的设备为在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)的Φ450热轧机组。

所述对产品进行性能测试是采用GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法和国标GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法进行检验，其中由于钢板厚度的原因，采用10mm×5mm×50mm试样，测的的冲击值是标准冲击值的一半。

本发明的方法通过利用含硼生铁，改变冶炼及轧制工艺，使Q235钢的屈服强度大幅度提升，本发明有如下优点：

1、本发明方法不但综合利用了含硼生铁，为其提供了一条合理的利用途径。含硼生铁相对于硼元素价格低廉，节约成本，而且对冶炼及轧制过程要求不高，只是在冶炼过程中脱氧充分后，加入少量钛后，固氮，最后加入含硼生铁。对轧制过程来说，开轧温度和终轧温度较高，变形量在可操作范围内，在一般轧机情况下均能生产；

2、本发明的方法充分利用硼能有效提高钢的淬透性的特点，使组织部分转化为贝氏体，有效提高Q235钢强度，经济成本低，设备要求低，生产效率高，具有良好的应用前景；

3、利用立式真空感应炉进行Q235钢的熔化以及合金化，可以保证在熔化Q235钢过程中钢液的纯净度；

4、在熔化初期应加大功率加热炉料，并保持高真空度3-10Pa。这样可以排除炉内其它气体，如H2O，CxHy，H2等；

5、进入精炼期后，将温度加热到1600-1630℃，此温度有利于脱氮和有害杂质，达到温度后保温3min，然后加入钛铁合金，目的是固定钢中的氮，加入量与本身的钛含量及钢中的氮含量有关，认为Ti％/N％＝3，为最佳比例，应使钢中钛含量在0.01-0.04％；

6、加完合金后，开启电磁搅拌进行搅拌，利于更加均匀化；

7、在浇铸时，应首先降低温度到1580℃，这样有利于避免缩孔的产生，获得致密的钢锭，期间保持在3-5KPa下浇铸，保证钢中的锰不被挥发；

8、利用热轧机组进行钢锭的加热及轧制成钢板。首先利用箱式加热炉将钢锭加热到1150-1200℃，保温1-2h，可以使奥氏体均匀化；在第一阶段的轧制过程中，控制在1000-1100℃范围内，利于发生动态再结晶反应，细化晶粒；进行第二阶段的轧制，最后一道次轧制温度为800-850℃，其中总压下量为80-90％，低温下轧制，利于使晶粒拉长，增加形核面积，促进铁素体的形成及细化，从而提高屈服强度。

9、将轧制好的钢板通过水幕组中的压力及喷头数量来调节水冷速度，以20-60℃/s的冷却速度冷却到终冷温度，其中冷速越快，越利于贝氏体的形成，终冷温度控制在400-550℃，此区间有利于贝氏体的形成，温度越低越利于形成贝氏体，随后控冷至室温。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施例所限。

实施例1

原料：Q235钢的成分质量百分比C:0.12％、Si:0.4％、Mn:0.4％、P:0.04％、S:0.03％、Al:0.04余量为Fe。含硼生铁的成分质量百分比C:3.0％、Si:2.2％、Mn:0.08％、P:0.04％、S:0.11％、B:0.65％，余量为Fe。钛铁合金的成分质量百分比C:0.27％、Si:0.42％、V:2.6％、P:0.01％、S:0.02％、Al:4.4％、Ti:69.0％，余量为Fe。

利用立式真空感应炉进行Q235钢的熔化以及合金化，在熔化初期应加大功率加热炉料，并保持高真空度3Pa。在熔化中期氩气调节，氩气气压控制在2KPa。保持沸腾1min，进入精炼期后，继续保持高真空度在4Pa，提高功率，将温度加热到1600℃，达到设计温度后保温3min。然后加入钛铁合金，加入量与本身的钛含量及钢中的氮含量有关，认为Ti％/N％＝3，为最佳比例，应使钢中钛含量在0.03％，加完合金后，开启电磁搅拌，搅拌1min。随后加入含硼生铁，加入量与本身的硼含量有关，应使钢中最后含硼量在0.001％，继续搅拌1min，保证均匀化。在浇铸时，首先降低温度到1580℃，期间保持3KPa下浇铸。

利用热轧机组进行钢锭的加热及轧制成钢板。首先利用箱式加热炉将钢锭加热到1150℃，保温1.5h。将奥氏体均匀化完成的钢锭除去氧化铁皮后，利用可逆轧机开始轧制，在1000-1100℃范围内，完成第一阶段的轧制，其中总压下量为50％，随后利用红外测温枪对钢板温度进行监控，当温度下降到900℃时，开始进行第二阶段的轧制，最后一道次轧制温度为850℃，其中总压下量为80％，低温下轧制。

将轧制好的钢板通过水幕组中的压力及喷头数量来调节水冷速度，以20℃/s的冷却速度冷却到终冷温度，终冷温度控制在550℃，随后控冷至室温。得到最终钢板，其成分质量百分比C:0.12％，Si:0.4％，Mn:0.4％，Ti:0.03％，B:0.001％，Al:0.04,S:0.03％，P:0.04％，余量为Fe。钢板的屈服强度为360MPa，抗拉强度为495MPa，断后伸长率为27％。室温冲击功为44J。

实施例2

原料：Q235钢的成分质量百分比C:0.22％、Si:0.5％、Mn:0.8％、P:0.03％、S:0.03％、Al:0.03余量为Fe。含硼生铁的成分质量百分比C:3.8％、Si:3.2％、Mn:0.12％、P:0.06％、S:0.11％、B:0.8％，余量为Fe。钛铁合金的成分质量百分比C:0.3％、Si:0.42％、V:3.0％、P:0.02％、S:0.02％、Al:4.4％、Ti:74.0％，余量为Fe。

利用立式真空感应炉进行Q235钢的熔化以及合金化，在熔化初期应加大功率加热炉料，并保持高真空度5Pa。在熔化中期氩气调节，氩气气压控制在3KPa。保持沸腾1min，为进入精炼做准备。进入精炼期后，继续保持高真空度在4Pa，提高功率，将温度加热到1620℃，达到设计温度后保温3min。然后加入钛铁合金，加入量与本身的钛含量及钢中的氮含量有关，认为Ti％/N％＝3，为最佳比例，应使钢中钛含量在0.01％，加完合金后，开启电磁搅拌，搅拌1min。随后加入含硼生铁，加入量与本身的硼含量有关，应使钢中最后含硼量在0.0025％，继续搅拌1min，保证均匀化。在浇铸时，应首先降低温度到1580℃，期间保持3KPa下浇铸。

利用热轧机组进行钢锭的加热及轧制成钢板。首先利用箱式加热炉将钢锭加热到1200℃，保温1h，将奥氏体均匀化完成的钢锭除去氧化铁皮后，利用可逆轧机开始轧制，在1000-1100℃范围内，完成第一阶段的轧制，其中总压下量为55％，随后利用红外测温枪对钢板温度进行监控，当温度下降到840℃时，开始进行第二阶段的轧制，最后一道次轧制温度为840℃，其中总压下量为82％，低温下轧制。

将轧制好的钢板通过水幕组中的压力及喷头数量来调节水冷速度，以30℃/s的冷却速度冷却到终冷温度，其中冷速越快，越利于贝氏体的形成，终冷温度控制在500℃，温度越低越利于形成贝氏体，随后控冷至室温。得到最终钢板，其成分质量百分比C:0.22％，Si:0.5％，Mn:0.8％，Ti:0.01％，B:0.0025％，Al:0.03,S:0.03％，P:0.03％，余量为Fe。钢板的屈服强度为395MPa，抗拉强度为580MPa，断后伸长率为25％。室温冲击功为42J。

实施例3

原料：Q235钢的成分质量百分比C:0.15％、Si:0.5％、Mn:0.7％、P:0.045％、S:0.03％、Al:0.04余量为Fe。含硼生铁的成分质量百分比C:3.5％、Si:3.0％、Mn:0.07％、P:0.05％、S:0.11％、B:0.9％，余量为Fe。钛铁合金的成分质量百分比C:0.28％、Si:0.49％、V:2.8％、P:0.02％、S:0.05％、Al:4.7％、Ti:73.0％，余量为Fe。

利用立式真空感应炉进行Q235钢的熔化以及合金化，在熔化初期应加大功率加热炉料，并保持高真空度8Pa。在熔化中期氩气调节，氩气气压控制在4KPa。保持沸腾1min，为进入精炼做准备。进入精炼期后，继续保持高真空度在4Pa，提高功率，将温度加热到1630℃，达到设计温度后保温3min。然后加入钛铁合金，加入量与本身的钛含量及钢中的氮含量有关，认为Ti％/N％＝3，为最佳比例，应使钢中钛含量在0.04％加完合金后，开启电磁搅拌，搅拌1min。随后加入含硼生铁，加入量与本身的硼含量有关，应使钢中最后含硼量在0.003％，继续搅拌1min。在浇铸时，应首先降低温度到1580℃，期间保持4KPa下浇铸。

利用热轧机组进行钢锭的加热及轧制成钢板。首先利用箱式加热炉将钢锭加热到1200℃，保温2h。将奥氏体均匀化完成的钢锭除去氧化铁皮后，利用可逆轧机开始轧制，在1000-1100℃范围内，完成第一阶段的轧制，其中总压下量为60％，随后利用红外测温枪对钢板温度进行监控，当温度下降到930℃时，开始进行第二阶段的轧制，最后一道次轧制温度为830℃，其中总压下量为90％，低温下轧制。

将轧制好的钢板通过水幕组中的压力及喷头数量来调节水冷速度，以40℃/s的冷却速度冷却到终冷温度，终冷温度控制在450℃，此区间有利于贝氏体的形成，随后控冷至室温。得到最终钢板，其成分质量百分比C:0.15％，Si:0.5％，Mn:0.7％，Ti:0.04％，B:0.003％，Al:0.04,S:0.03％，P:0.045％，余量为Fe。钢板的屈服强度为411MPa，抗拉强度为586MPa，断后伸长率为24.5％。室温冲击功为40J。

实施例4

原料：Q235钢的成分质量百分比C:0.18％、Si:0.2％、Mn:0.624％、P:0.019％、S:0.027％、Al:0.05余量为Fe。含硼生铁的成分质量百分比C:3.3％、Si:2.4％、Mn:0.09％、P 0.05％、S:0.13％、B:0.80％，余量为Fe。钛铁合金的成分质量百分比C:0.27％、Si:0.40％、V:2.9％、P:0.04％、S:0.02％、Al:4.3％、Ti:70.0％，余量为Fe。

利用立式真空感应炉进行Q235钢的熔化以及合金化，在熔化初期应加大功率加热炉料，并保持高真空度10Pa。在熔化中期充氩气调节，氩气气压控制在5KPa。保持沸腾1min，为进入精炼做准备。进入精炼期后，继续保持高真空度在4Pa，提高功率，将温度加热到1630℃，达到设计温度后保温3min。然后加入钛铁合金，加入量与本身的钛含量及钢中的氮含量有关，认为Ti％/N％＝3，为最佳比例，应使钢中钛含量在0.02％，加完合金后，开启电磁搅拌，搅拌1min，随后加入含硼生铁，加入量与本身的硼含量有关，应使钢中最后含硼量在0.002％，继续搅拌1min。在浇铸时，应首先降低温度到1580℃，期间保持5KPa下浇铸。

利用热轧机组进行钢锭的加热及轧制成钢板。首先利用箱式加热炉将钢锭加热到1150℃，保温2h，将奥氏体均匀化完成的钢锭除去氧化铁皮后，利用可逆轧机开始轧制，在1000-1100℃范围内，完成第一阶段的轧制，其中总压下量为70％，随后利用红外测温枪对钢板温度进行监控，当温度下降到930℃时，开始进行第二阶段的轧制，最后一道次轧制温度为800℃，其中总压下量为85％，低温下轧制。

将轧制好的钢板通过水幕组中的压力及喷头数量来调节水冷速度，以60℃/s的冷却速度冷却到终冷温度，终冷温度控制在400℃，随后控冷至室温。得到最终钢板，其成分质量百分比C:0.18％，Si:0.201％，Mn:0.624％，Ti:0.02％，B:0.0022％，Al:0.05％，S:0.027％，P:0.019％，余量为Fe。含硼微合金钢的屈服强度为427MPa，抗拉强度为596MPa，断后伸长率为24％。室温冲击功为41J。

由实施例可见，通过利用含硼生铁，优化冶炼及轧制工艺，可以有效使Q235钢的屈服强度大幅度提升，由原来的235MPa级别，达到400MPa级别。