CN100422373C - 一种高强度低合金耐大气腐蚀钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度耐大气腐蚀钢及其生产方法。主要解决现有耐大气腐蚀钢屈服强度达不到550MPa级别以及低温冲击韧性不佳的技术问题。一种低合金耐大气腐蚀钢，化学成份重量百分比为：C：0.05-0.10%，Si≤0.75%，Mn：1.0～1.6%，P≤0.020%，S≤0.010%，Al：0.01-0.05%，Cu：0.20-0.55%，Cr：0.20-0.45%，Ni：0.12-0.40%，Ca：0.001-0.006%，N：0.001-0.006%，此外还含Nb≤0.07%，Ti≤0.025%，Mo≤0.35%中的两种或两种以上，余量为Fe和不可避免的杂质元素。生产方法为采用常规冶炼工艺，钢坯在1200℃以上再加热后，采用两阶段控制轧制，在950℃以上开始精轧，累计压下率≥80%，精轧终轧温度低于880℃，以5-15℃/S的冷却速率冷却到400℃至700℃卷取，再空冷到室温。用于车辆、集装箱、桥梁、建筑结构、塔桅栏柱、工程机械等。

Description

一种高强度低合金耐大气腐蚀钢及其生产方法

技术领域：

本发明涉及一种高强度耐大气腐蚀钢及其生产方法，属低合金钢制造领域。

背景技术：

在本发明之前已经有多个关于耐大气腐蚀钢(耐候钢)的发明专利，2002年公开的“耐大气腐蚀低合金结构钢(专利号00133579.0)”，1987年公开的“低合金耐大气腐蚀钢(专利号：85108118)”，2001年公开的“耐大气腐蚀钢(专利号：00121262.1)”。这类专利钢种都是具有一定的耐大气腐蚀性能的低合金结构钢，成份体系为Cu-P-Cr-Ni或Cr-P-Ti-RE，屈服强度为350MPa级别，而且低温冲击性能较低。

与本发明专利最相近的专利为2005年公布的中国专利申请“针状组织高强度耐候钢及其生产方法”(专利申请号：200410061112.4)，详见表1“对比专利1”。该发明专利也属低合金钢制造领域。成分设计上采用极低碳、Cu-Cr-Ni-Mo-Nb的加入及Ti-Al-Zr-RE或Ca中的两种或两种以上复合添加，将碳含量控制在接近或小于常温下碳在α-Fe中的最大溶解度0.0218％，以减少或抑制渗碳体的析出，保证主控组织为均匀的针状组织，以得到优良的耐候性能。该专利申请采用了冶炼难度很大的极低碳含量设计，碳含量为0.01-0.04％，大大增加了生产难度和制造成本，其可达到的屈服强度也低于550MPa。

与本发明专利较为接近的另一个专利为2000年公开的美国专利，专利号US6056833，“THERMOMECHANICALLY CONTROLLED PROCESSED HIGH STRENGTHWEATHERING STEEL WITH LOW YIELD/TENSILE RATIO；HOT ROLLED，AIR COOLED；PEARLITE-FREE”(详见表1中的“对比专利3”)，同样是一种采用两阶段热轧控冷方法生产的高强度耐候钢，屈服强度70-75ksi(约483-518MPa)，具有小于0.85的低屈强比。该专利采用了Cu-Cr-Ni耐候性成份设计和Nb-Ti-Mo微合金设计，而且该发明专利特别添加了V元素0.06-0.14％，添加V元素不但大大增加了制造成本，而且不利于钢板的焊接性能和低温冲击性能，该对比钢种屈服强度只保证达到483-518Mpa，并且未提供低温冲击性能的保证。

发明内容：

本发明的目的是提供一种屈服强度为550MPa级别的高强度耐大气腐蚀钢及其生产方法。解决现有耐大气腐蚀钢屈服强度达不到550MPa级别以及低温冲击韧性不佳的技术问题。本发明成份采用Cu-Cr-Ni及Nb、Ti、Mo等微合金强化元素组成，并采用控轧控冷方式生产，不必进行热处理，生产周期短、生产方法简单，钢材成本较低。该钢除具备高强度、高耐大气腐蚀性能外，还具有优良的低温冲击性能和良好的焊接、冷弯等加工性能，适用领域包括铁道、公路车辆结构、集装箱、桥梁、建筑结构、塔桅栏柱等等。

为达到上述目的，本发明设计了一种高强度低合金耐大气腐蚀钢，其特征在于化学成份(重量％)为：C：0.05-0.10，Si≤0.75，Mn：1.0～1.6，P≤0.020，S≤0.010，Al：0.01-0.05，Cu：0.20-0.55，Cr：0.20-0.45，Ni：0.12-0.40，Ca：0.001-0.006，N：0.001-0.006，此外还含Nb≤0.07，Ti≤0.025，Mo≤0.35中的两种或两种以上，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明所述550MPa级别高强度耐大气腐蚀钢的化学成份的限定理由如下：

C在钢中以碳化物形式存在，和合金元素结合发挥析出强化和细化晶粒的作用，因而添加量不得低于0.05％，而过高的C含量不利于焊接，因而限定C含量不得高于0.10％；

Si是为了对钢进行脱氧而添加的元素，Si含量多了会导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，因而其上限规定为0.75％；；

Mn是重要的强韧化元素，起固溶强化的作用，提高钢的强度和韧性，但是Mn含量过多使淬透性增大，从而导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，所以规定Mn含量不得超过1.6％；

S和P对钢板的韧性影响极大，因而应严格控制S、P含量，本发明钢种作为易焊接型耐大气腐蚀钢，必须采用低P成份设计；高的S含量不仅降低钢的低温韧性，而且促进钢板的各向异性，硫化物夹杂会使钢的耐候性能也明显降低。因而本发明钢种设计采用极低的S、P含量。

Al是为了脱氧而加入钢中的元素，添加适量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能；

Cr不仅是提高钢的淬透性的元素，而且Cr含量在0.20％以上时，能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，其含量太高就会严重恶化焊接性能，所以Cr含量应限定在0.20％-0.45％。

Ni能提高淬透性，显著改善钢材的低温韧性，是提高钢的耐候性和强韧性的有利元素，不会对钢的可焊性和焊接热影响区韧性造成不利影响。Ni还能有效阻止Cu的热脆引起的网裂。含量限定在0.12％-0.40％，少于0.12％上述效果甚微，而高于0.40％则会提高钢的成本，并且易造成钢板氧化铁皮难以脱落。

Cu具有与Ni大体相同的作用，在钢中主要起固溶和沉淀强化作用。Cu-Cr-Ni适当配比，是提高钢的耐大气腐蚀性能最关键的元素，但是如果含量高于0.55％时，不仅会损害焊接热影响区韧性，而且热轧时易发生网裂，给生产带来困难，所以Cu含量限定在0.20％-0.55％。

通过Ca处理可以控制硫化物的形态，提高低温韧性，其含量少于0.001时没有效果，而超过0.006则会产生许多CaO、CaS，并形成大型夹杂物，对钢的韧性造成损害，甚至影响钢的焊接性能。所以规定Ca含量范围为0.001％-0.006％

本发明钢种为进一步提高性能，还选择性地添加Nb、Ti、Mo等元素，在提高强度和韧性方面能得到更好的效果。

Nb、Ti、Mo能形成细微碳氮化物，有利于细化晶粒组织和发挥析出强化的作用，但Nb含量超过0.07％时，或者Ti含量超过0.025％，或者Mo含量超过0.35％时，则对焊接热影响区韧性有不利的影响，因而对四个元素的上限加以限定。

本发明钢在生产中采用Ca处理，其主要作用是球化硫化物夹杂，以改善钢板的各向异性，提高低温冲击性能。

本发明还提供了一种高性能耐大气腐蚀钢的生产方法，采用铁水预脱硫，转炉顶底复合吹炼，RH真空循环脱气工艺，同时进行钙处理，获得钢的化学成份(重量％)为：C：0.05-0.10，Si≤0.75，Mn：1.0～1.6，P≤0.020，S≤0.010，Al：0.01-0.05，Cu：0.20-0.55，Cr：0.20-0.45，Ni：0.12-0.40，Ca：0.001-0.006，N：0.001-0.006。此外还含Nb≤0.07，Ti≤0.025，Mo≤0.35中的一种或一种以上，余量为Fe和不可避免的杂质元素。钢坯在1200℃以上再加热后，采用两阶段控制轧制，其特征在于：在950℃以上开始精轧，累计压下率≥80％，精轧终轧温度低于880℃，并且随着成品板厚的增加终轧温度应相应降低，然后以5-15℃/S的冷却速率冷却到400℃至700℃卷取，也同样根据板厚的增加适当降低卷取温度，然后再空冷到室温。本发明钢种不需要轧后热处理，缩短生产周期、降低生产成本。

本发明具有如下优点：本发明专利在低C-Mn钢成份的基础上，复合添加耐候性元素Cu-Cr-Ni和强化元素Nb-Ti-Mo等微合金元素，采用低温终轧、快速冷却工艺进行生产，使钢板显微组织呈现超细晶粒铁素体和少量贝氏体，屈服强度指标达到550MPa以上，具有以下特点：

1.本发明钢具有优良的综合力学性能，屈服强度为550MPa级别，比普通耐候钢强度大大提高，增加承重能力，适合钢板减薄设计；而且具有优良的低温(-40℃)冲击韧性，适合各种环境温度使用，特别是冬季低温地区。

2.本发明钢具有良好的耐大气腐蚀性能，在钢中添加了Cu、Cr、Ni等抗大气腐蚀性元素，确保其耐大气腐蚀性能不低于普通耐候钢，耐候性为普通钢材的2-8倍，钢材使用时间越长，越能发挥这一优势。

3.本发明钢具有良好的焊接性能，通过合理的成份设计和焊接材料推荐，可以有效提高焊接效率，获得良好的焊接接头性能。

4.本发明钢种采用控轧控冷生产，轧态交货，无需热处理，生产工艺简单，生产周期短，钢材成本较低，在各种冶金企业均可实施。

具体实施方式：

按照本发明钢化学成份要求，采用转炉冶炼，然后进行炉后精炼，获得化学成份见表1，连铸切坯送热轧生产线，钢坯加热温度为1220℃，采用两阶段控轧和轧后水冷并卷取，终轧温度为820℃-880℃，卷取温度为550℃-650℃。发明钢实施例的力学性能见表1所示。与相近钢种进行了化学成分、力学性能等的对比，其中对比专利1是2005年4月27日公布的CN1609257A“针状组织高强度耐候钢及其生产方法”，对比专利2是1983年3月16日公布的JP 58045317A“一种强度不小于50Kg/mm2可焊接耐候钢的生产方法”。对比专利3是美国专利US6056833，是一种采用两阶段热轧控冷方法生产的高强度耐候钢。

表1本发明钢与对比钢种的化学成份、力学性能对比

本发明钢种与对比专利1的化学成份有明显不同，本发明钢种C含量为0.05～0.10％，而对比钢1的C含量为0.01～0.04％；本发明钢与对比钢2、3的化学成份也不同，本发明钢不添加V，而对比专利2要求V含量为0.01～0.15％，对比专利3要求V含量为0.06～0.14％。

本发明钢的力学性能要求与对比钢不同，本发明钢种屈服强度可满足不低于550MPa的性能指标，而三个对比专利钢种的屈服强度要求均低于550MPa，低温冲击的性能指标也低于本发明钢种，本发明钢种具有-40℃低温冲击性能的要求，而对比专利2不要求低温冲击性能。因此本发明钢种在强度和韧性等指标上均显著优于对比钢种。

实施例1-4：按照本发明钢成份要求，在300吨氧气顶底复吹转炉上冶炼本发明钢，经RH真空脱气处理后，采用钙处理技术，全流程保护性连铸；化学成份实施例见表2；钢坯再加热温度为1235℃，粗轧开轧温度为1 195℃，精轧开轧温度为950℃，精轧终轧温度为865℃、825℃，然后以8℃/S、11℃/S的冷却速率冷却至575℃、550℃，空冷至室温。前3个实施例轧制厚度分别为4mm、8mm、16mm。实施例力学性能详见表3。耐蚀性能测试结果见表4。

表2本发明钢实施例-化学成份

序号	C	Si	Mn	P	S	Mo	Alt	Cu	Cr	Ni	Nb	Ti	Ca
														1	0.05	0.10	1.10	0.010	0.004	0.14	0.030	0.26	0.22	0.20	0.051	0.010	0.004
2	0.07	0.25	1.20	0.012	0.003	0.19	0.038	0.38	0.35	0.28	0.064	0.024	0.005
														3	0.08	0.23	1.40	0.013	0.001	0.22	0.040	0.38	0.30	0.20	0.058	0.023	0.003
4	0.07	0.15	1.24	0.009	0.001	0.25	0.028	0.35	0.42	0.38	0.055	0.020	0.004

表3发明钢实施例-力学性能

从表3可见，本发明钢具有优异的屈服强度表现，屈服强度全部在550MPa以上，优于对比钢种。而且本钢种具有优良的低温韧性，-40℃AKv冲击功(全试样)在200J以上。采用周浸腐蚀试验方法(TB/T 2375-1993)对本发明钢3进行了耐蚀性能测试，同时与普通结构钢Q345C进行了对比，对比结果详见表4。试验结果表明本发明钢种在大幅度提高了强度的同时还拥有明显的耐蚀性能，耐蚀性能大约是普通结构钢的两倍。

表4发明钢实施例-耐蚀性能

本发明钢可广泛应用于铁道车辆、公路车辆、集装箱、桥梁、建筑结构、塔桅栏柱、工程机械等等应用领域。

Claims (1)

1. 一种高强度低合金耐大气腐蚀钢，其特征在于化学成份重量百分比为：C：0.05-0.10％，Si≤0.75％，Mn：1.0～1.6％，P≤0.020％，S≤0.010％，Al：0.01-0.05％，Cu：0.20-0.55％，Cr：0.20-0.45％，Ni：0.12-0.40％，Ca：0.001-0.006％，N：0.001-0.006％，此外还含Nb≤0.07％、Ti≤0.025％、Mo≤0.35％中的两种或两种以上，余量为Fe和不可避免的杂质元素；冶炼工艺为按配比采用铁水预脱硫，转炉顶底复合吹炼，RH真空循环脱气工艺，同时进行钙处理，钢坯在1200℃以上再加热后，采用两阶段控制轧制，粗轧开轧温度为1195℃，精轧开轧温度为950℃，累计压下率≥80％，精轧终轧温度低于880℃，以5-15℃/S的冷却速率冷却到400℃至700℃卷取，再空冷到室温，不需要轧后热处理。