CN101135029A - 屈服强度700MPa级耐大气腐蚀钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
屈服强度700MPa级耐大气腐蚀钢，其化学成分重量百分比为：C：0.05－0.10，Si≤0.50，Mn：0.8～1.6，P≤0.020，S≤0.010，Al：0.01－0.05，Cu：0.20－0.55，Cr：0.40－0.80，Ni：0.12－0.40，Ca：0.001－0.006，N：0.001－0.006余量为Fe和不可避免的杂质元素；其生产方法，a)冶炼、浇铸成钢坯；b)钢坯在1200℃以上再加热，950℃以上开始精轧，精轧终轧温度低于910℃，并且随着成品板厚的增加终轧温度应相应降低；c)以5～15℃/S的冷却速率冷却到450℃至 650℃卷取，然后再空冷到室温。本发明具有优良的综合力学性能，屈服强度不小于700MPa，适合钢板减薄设计；耐候性为普通钢材的2～8倍；生产工艺简单，生产周期短，钢材成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及低合金钢制造领域，特别涉及屈服强度为700MPa的特高强度耐大气腐蚀钢及其制造方法。
背景技术
耐大气腐蚀低合金结构钢大量应用于建筑、桥梁、集装箱、车辆、塔桅等室外钢结构制造领域。其是以低碳锰钢为基础，加入少量Cr、Cu、Ni等低合金耐蚀性元素，促使钢的锈层结构发生变化，有利于减缓大气腐蚀速度，显著提高钢的耐大气腐蚀性能。
中国专利申请号200410061112.4公开了“针状组织高强度耐候钢及其生产方法”，其成分设计采用极低碳、Cu-Cr-Ni-Mo-Nb的加入及Ti-A1-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仅为490-540MPa，远低于本发明所达到的700MPa级别。
还有如美国专利号US6056833公开了一种采用两阶段热轧TMCP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。尽管该专利同样采用了Cu-Cr-Ni耐候性成份设计和Nb-Ti-Mo微合金设计，但该专利特别添加了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。
发明内容
本发明的目的在于设计一种屈服强度700MPa级耐大气腐蚀钢及其制造方法，钢种采用简单经济的成份设计和连铸连轧生产制造工艺，轧态交货无需热处理，具有良好的焊接性能和耐大气腐蚀性能，而且具有屈服强度700MPa以上的特高强度。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，
本发明的成份采用Cu-Cr-Ni及Nb、Ti、Mo等微合金强化元素组成，并采用热轧TMCP方式生产，轧态交货，不必进行热处理，生产周期短、生产方法简单，钢材成本较低。
屈服强度700MPa级耐大气腐蚀钢，其化学成份重量百分比为：
C 0.05-0.10
Si ≤0.50
Mn 0.80～1.60
P ≤0.020
S ≤0.010
Al 0.01-0.05
Cu 0.20-0.55
Cr 0.40-0.80
Ni 0.12-0.40
Ca 0.001-0.006
N 0.001-0.006
余量为Fe和不可避免的杂质元素。
又，本发明的屈服强度700MPa级耐大气腐蚀钢还包含Nb≤0.07，Ti≤0.18，Mo≤0.35中的两种或两种以上。
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0.50％；
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含量为0.8％-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A1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0.40％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0.40％-0.80％。
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Cu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，改善钢板的各向异性，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0.18％，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。
本发明还提供了本发明所述的700MPa屈服强度低合金耐大气腐蚀钢的生产方法，其包括如下步骤：
a)冶炼、浇铸成钢坯，低合金耐大气腐蚀钢其化学成份重量百分比：
C：0.05-0.10，Si≤0.50，Mn：0.8～1.6，P≤0.020，S≤0.010
Al：0.01-0.05，Cu：0.20-0.55，Cr：0.40-0.80，N1：0.12-0.40，
Ca：0.001-0.006，N：0.001-0.006，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
b)钢坯在1200℃以上再加热，采用两阶段控制轧制，在950℃以上开始精轧，精轧终轧温度低于910℃，并且随着成品板厚的增加终轧温度应相应降低；
c)然后以5～15℃/S的冷却速率冷却到450℃至650℃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，
此外还含Nb≤0.07，Ti≤0.18，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。
本发明钢种不需要轧后热处理。由于采用了两阶段控轧、低温终轧、快速冷却工艺进行生产，充分发挥Nb、Ti微合金元素析出强化的作用，通过TMCP工艺，可以使钢板显微金相组织呈现超细晶粒铁素体加少量贝氏体、少量珠光体等复合组织，因而本发明钢种综合考虑合金成份和工艺的有机配合，通过析出强化、晶粒细化强化、组织强化等机理使钢板获得更高的屈服强度和综合力学性能。参见表1。
表1本发明钢与对比钢种的化学成份、力学性能对比
| 项目 | 本发明钢 | 对比例1CN1609257A | 对比例2JP58045317A | 对比例3US6056833 | |
| 化学成份(wt％) | C | 0.05-0.10 | 0.01～0.04 | 0.03～0.20 | 0.08-0.12 |
| Si | <＝0.50 | 0.15～0.30 | <0.60 | 0.30-0.65 | |
| Mn | 0.8～1.6 | 1.30～1.60 | 0.5～2.5 | 0.80-1.35 | |
| P | <＝0.020 | <＝0.06 | -- | 0.01-0.02 | |
| S | <＝0.010 | <＝0.01 | -- | <＝0.010 | |
| Al | 0.01-0.05 | <＝0.035 | 0.01-0.08 | -- | |
| Cu | 0.20-0.55 | 0.15～0.50 | 0.1-2.0 | 0.20-0.40 | |
| Cr | 0.40-0.80 | 0.20～0.40 | 0.1-2.0 | 0.30-0.70 | |
| Ni | 0.12-0.40 | 0.10～0.24 | <=2.0 | <＝0.50 | |
| Ca | 0.001-0.006 | <＝0.0050 | -- | -- | |
| N | 0.001-0.006 | -- | -- | -- | |
| Nb | <＝0.07 | 0.03～0.06 | 0.01-1.0 | <＝0.04 | |
| Ti | <＝0.18 | <＝0.03 | 0.01-0.15 | <＝0.02 | |
| V | -- | -- | 0.01-0.15 | 0.06-0.14 | |
| Mo | <＝0.35 | 0.10～0.30 | <＝2.0 | 0.08-0.35 | |
| 屈服强度(MPa) | >＝700 | 490～540 | 340-460 | 483-518 | |
| 抗拉强度(MPa) | >＝750 | 590～650 | 420-540 | -- | |
| 伸长率(％) | >＝15 | 20～24 | -- | -- | |
从上述表1中可以看出，本发明与对比例1的化学成份有明显不同，本发明C含量为0.05～0.10％，而对比例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，而对比例2要求V含量为0.01～0.15％，对比例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例钢不同，本发明钢种屈服强度可满足不低于700MPa的性能指标，而三个对比例钢种的屈服强度要求均低于550MPa，因此本发明钢种在强度等指标上显著优于对比例钢种。
本发明具有如下优点：
1.本发明钢具有优良的综合力学性能，屈服强度不小于700MPa，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；
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工艺生产，轧态交货，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。
5.该钢除具备特高强度、高耐大气腐蚀性能外，还具有良好的焊接、冷弯等加工应用性能。
6.本发明钢种的应用可大大提高结构和产品的安全可靠性，适合制作集装箱、车辆结构等等，替代传统的耐候钢、结构钢，实现钢板的减薄使用，减轻自重，提高运能，本发明钢种还适合其它室外应用的钢结构，如工程机械、塔桅栏柱、建筑结构等等。
具体实施方式
实施例1
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2，连铸切坯送热轧生产线，钢坯加热温度为1210℃，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℃。
实施例2
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1215℃，粗轧开轧温度为1185℃，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。轧制厚度分别为3mm、6mm。实施例力学性能详见表3。耐蚀性能测试结果见表4。
表2
| 序 | C | Si | Mn | P | S | Mo | Alt | Cu | Cr | Ni | Nb | Ti | Ca |
| 1 | 0.051 | 0.10 | 1.10 | 0.010 | 0.004 | 0.14 | 0.030 | 0.49 | 0.56 | 0.38 | 0.051 | 0.09 | 0.0042 |
| 2 | 0.092 | 0.25 | 0.90 | 0.012 | 0.003 | 0.19 | 0.038 | 0.38 | 0.65 | 0.28 | 0.064 | 0.12 | 0.0058 |
| 3 | 0.065 | 0.23 | 0.85 | 0.013 | 0.001 | 0.32 | 0.040 | 0.22 | 0.77 | 0.18 | 0.058 | 0.17 | 0.0035 |
| 4 | 0.072 | 0.42 | 1.52 | 0.009 | 0.002 | 0.35 | 0.022 | 0.35 | 0.62 | 0.32 | 0.035 | 0.13 | 0.0041 |
| 5 | 0.065 | 0.32 | 1.45 | 0.010 | 0.001 | 0.25 | 0.032 | 0.30 | 0.60 | 0.32 | 0.040 | 0.11 | 0.0044 |
| 6 | 0.062 | 0.33 | 0.82 | 0.013 | 0.006 | 0.22 | 0.030 | 0.52 | 0.78 | 0.20 | 0.050 | 0.16 | 0.0038 |
| 7 | 0.084 | 0.20 | 1.20 | 0.011 | 0.002 | 0.11 | 0.010 | 0.55 | 0.71 | 0.12 | 0.070 | 0.18 | 0.0060 |
| 8 | 0.085 | 0.30 | 0.80 | 0.016 | 0.001 | 0.16 | 0.050 | 0.20 | 0.40 | 0.20 | 0.064 | 0.12 | 0.0058 |
| 9 | 0.060 | 0.50 | 1.60 | 0.013 | 0002 | 0.33 | 0.045 | 0.42 | 0.70 | 0.14 | 0.055 | 0.15 | 0.0010 |
表3发明钢实施例一力学性能
| 板厚 | Re(MPa) | Rm(MPa) | A(％) | 90°冷弯d＝1.5a |
| 3mm | 775，752 | 837，842 | 25，24 | 合格，合格 |
| 6mm | 711，769 | 795，832 | 24，19 | 合格，合格 |
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700MPa以上，远优于表1中的对比钢种。
采用周浸腐蚀试验方法(TB/T 2375-1993)对本发明钢序号3进行了耐蚀性能测试，同时与普通结构钢Q345B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显著的耐蚀性能，耐蚀性能大约是普通结构钢的3倍。
表4发明钢实施例—耐蚀性能
| 钢种 | 平均腐蚀失重率g/m2/h | 相对腐蚀速率，％ | |
| 结果 | 平均 | ||
| Q345B | 4.327 | 4.225n | 100 |
| 4.188 | |||
| 4.160 | |||
| 本发明钢 | 1.644 | 1.497 | 35.43 |
| 1.461 | |||
| 1.463 | |||
| 1.418 | |||
本发明钢可广泛应用于集装箱、铁道车辆、公路车辆、塔桅栏柱、工程机械、建筑钢构等等应用领域。
Claims (4)
1.屈服强度700MPa级耐大气腐蚀钢，其化学成份重量百分比为：
C 0.05-0.10
Si ≤0.50
Mn 0.80～1.60
P ≤0.020
S ≤0.010
Al 0.01-0.05
Cu 0.20-0.55
Cr 0.40-0.80
Ni 0.12-0.40
Ca 0.001-0.006
N 0.001-0.006
余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的屈服强度700MPa级耐大气腐蚀钢，其特征是，还包含Nb≤0.07，Ti≤0.18，Mo≤0.35中的两种或两种以上。
3.一种屈服强度700MPa级耐大气腐蚀钢的制造方法，其包括如下步骤，a)冶炼、浇铸成钢坯，低合金耐大气腐蚀钢其化学成份重量百分比：C：0.05-0.10，Si≤0.50，Mn：0.8～1.6，P≤0.020，S≤0.010，Al：0.01-0.05，Cu：0.20-0.55，Cr：0.40-0.80，Ni：0.12-0.40，Ca：0.001-0.006，N：0.001-0.006余量为Fe和不可避免的杂质元素；
b)钢坯在1200℃以上再加热，采用两阶段控制轧制，粗轧结束后在950℃以上开始精轧，精轧终轧温度低于910℃，并且随着成品板厚的增加终轧温度应相应降低；
c)然后以5～15℃/S的冷却速率冷却到450℃至650℃卷取，也同样根据板厚的增加降低卷取温度，然后再空冷到室温。
4.如权利要求3所述的屈服强度700MPa级耐大气腐蚀钢的制造方法，其特征是，还含Nb≤0.07，Ti≤0.18，Mo≤0.35中的两种或两种以上，按重量百分比计。
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