CN101568659B - 具有优良高强度的耐候性热轧钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于集装箱的具有优良耐候性的高强度热轧钢板，以及制造该热轧钢板的方法。一种具有优良耐候性的高强度热轧钢板，按重量计含有：C：0.05-0.07％、Mn：2.5％或更低、Nb：0.04-0.06％、Ti：0.08-0.10％、Cu：0.30-0.60％、Cr：0.5-1.0％和Ni：0.15-0.30％，余量的Fe及其他不可避免的杂质。还提供了一种制造该热轧钢板的方法。根据本发明的一个方面提供的热轧钢板通过添加Cu、Cr和Ni而具有耐候性，并具有如下材料特性，即抗拉强度在800-900MPa的范围内且屈服强度在700-800MPa的范围内。

Description

具有优良高强度的耐候性热轧钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于集装箱的具有出色耐候性的高强度热轧钢板，以及制备该热轧钢板的方法；更具体而言，本发明涉及保持耐候特性并实现高强度特性的热轧钢板，以及制备该钢板的方法。

背景技术

集装箱可用于近距离及远距离运输内装物。最近，钢的作用已经被强化以降低运输成本或增加集装箱的寿命。为此已减小集装箱的重量。为了降低所用钢的厚度，钢强度被增加，并且耐候功能是长期储藏必需的。

过去用铝制造集装箱，而现在由于制造成本低而使用钢。具体而言，对于大尺寸集装箱，结构材料的强度成为一个重要因素。因此，对高强度产品的需求不断增加。长度6m的集装箱被制造为一个基本单元。然而，为了降低运输成本，集装箱的尺寸在逐渐加大。最近，开发并制造了长度为13m或更长的大尺寸集装箱。在美国，集装箱被用于洲际运输，因此这种大尺寸集装箱的趋势将会增加。即，制造大尺寸集装箱以降低运输成本。然而，由于大尺寸集装箱需要在结构上是稳定的，不可避免地需要高强度的钢。因此，长度为6m的常规集装箱具有500MPa的强度，而用于制造长度为13m或更长的集装箱的钢需要有800MPa的强度。此时，需要将可阻止在大气中在钢表面生成铁锈的耐候性保持在现有水平。因此，需要开发同时满足强度和耐候性的钢。

由于集装箱是通过弯曲过程制造的，所以钢需要具有合适的可加工性。另外，钢需要具有预定水平或更高的冲击强度，以防止集装箱运输过程中破裂。另外，由于钢被焊接以形成集装箱结构，所以钢需要具有足够的可焊性。因此，为了开发高强度材料，需要满足这些特性。即，需要满足以上特性并增加强度。

用于提高钢强度的冶金学强化机理包括固溶强化、沉淀强化、形变强化及相变强化(transformation strengthening)。可考虑钢的化学成分和制造条件而设置强化机理，以根据钢的目的而满足特征。

首先，在固溶强化的情况下，元素(如钢的化学成分中的碳(C)和锰(Mn))被溶解于钢中固溶体中。通常，当这些元素的量增加时，强度会增加。

在沉淀强化的情况下，强化是通过沉淀单一形式或复合物形式的钢的基本元素和诸如碳或氮的元素而实现的。沉淀物的种类、大小及分布影响钢强度的增加。通常，铌(Nb)、钛(Ti)、钒(V)和钼(Mo)是典型的沉淀元素。

在形变强化的情况下，钢以物理方式变形以在其中积聚能量。如果不形变，强度将不会增加。此外，在相变强化的情况下，钢的显微组织被改变，以实现强化。钢的显微组织变换成马氏体或贝氏体结构，以增加钢的强度。

因为高强度的钢材料可以被用作集装箱钢以提高集装箱的结构刚度，所以抗拉强度和屈服强度都重要。集装箱的刚度可表示其对自身重量或装载时出现的弯曲所引起形变的抗性，以及对集装箱容纳货物时的形变的抗性。因此，集装箱的刚度可以被认为是一项重要特征。

屈服强度影响集装箱的结构刚度。当被加工成相同的形状时，具有较高屈服强度的集装箱具有较高的刚度。因此，在上述的强化机理中，优选同时使用固溶强化和沉淀强化，以满足这些特性。即，在通过固溶强化增加抗拉强度并通过沉淀强化增加屈服强度时，可满足集装箱结构的刚度。

发明内容

技术问题

本发明的一个方面提供一种具有耐候性以及高抗拉强度和高屈服强度的高强度钢的特性的热轧钢板，并且还提供了满足弯曲时不出现裂缝这个特性的耐候性热轧钢板。

技术方案

根据本发明的一方面，提供一种优良高强度的耐候性热轧钢板，所述钢板以重量计含有：C：0.05-0.07％、Mn：2.5％或更少、Nb：0.04-0.06％、Ti：0.08-0.10％、Cu：0.30-0.60％、Cr：0.5-1.0％和Ni：0.15-0.30％，余量的Fe及其他不可避免的杂质。

钢的显微组织可包括针状铁素体。所述钢可具有以下材料特性，即800-900MPa范围内的抗拉强度以及700-800MPa范围内的屈服强度。

本发明的另一方面提供一种制造优良高强度的耐候性热轧钢板的方法，所述方法包括：将以重量计含有：C：0.05-0.07％、Mn：2.5％或更少、Nb：0.04-0.06％、Ti：0.08-0.10％、Cu：0.30-0.60％、Cr：0.5-1.0％和Ni：0.15-0.30％，余量的Fe及其他不可避免的杂质的钢热轧，并且在580-600℃的温度范围内卷取该热轧钢。

有益效果

最近，随着钢用于制造集装箱，高强度钢材料已被广泛地用于降低材料的厚度。随着大尺寸集装箱被制造以降低运输成本，对获得高强度的技术的需求不断增加。本发明涉及提高所使用材料强度以应对集装箱制造工业的变化的技术。当与相关领域中具有500Mpa的抗拉强度和350Mpa的屈服强度的材料相比时，可通过使用具有800MPa的抗拉强度和700MPa的屈服强度的钢材料达到集装箱的重量降低及尺寸增加，并且这种钢材料可用于多种目的。

具体实施方式

下文将详细描述本发明。

在本发明的一个实施方案中，为了增加钢材料的强度，根据冶金学特性，同时使用了固溶强化和沉淀强化作为钢的强化机理。使用固溶强化适当地控制钢中碳和锰的量。使用沉淀强化控制铌和钛的含量。此外，耐候性通过以下途径防止腐蚀：添加铜(Cu)和铬(Cr)并且在钢表面长时间暴露于大气中时形成抗腐蚀的致密氧化层。此外，控制具有这种组成的钢的显微组织，以实现高强度特性。

钢的强化机理可以包括上述方法。特性依照强化方法而改变。首先，当仅使用固溶强化时，抗拉强度高但屈服强度偏低。固溶体元素有助于抗拉强度的增加。然而，通过固溶体元素来增加屈服强度是有限的。即，由于屈服比率(其为屈服强度和抗拉强度之间的比率)为80％或更低，虽然抗拉强度为大约800MPa，但屈服强度变为大约640MPa。因此可以发现，很难预期刚度会增加，刚度是集装箱的钢材料必需的。对于相关领域中的钢，上述固溶强化作用用于增加抗拉强度。在本发明的实施方案中，优选地，由于钢材料被用于集装箱，因此需要高屈服强度。此外，为了增加屈服强度，沉淀强化机理与固溶强化机理一起使用。即，在冶金学背景的基础上，抗拉强度通过固溶强化增加，屈服强度另外通过沉淀强化增加。

在本发明的该实施方案中，对于固溶强化，钢中碳和锰的量被相对地增加，以获得高抗拉强度。此外，向钢中添加特定的元素如铌和钛以形成微细沉淀物并增加所形成沉淀物对初始形变的抗性，这样的强化机理被用于增加屈服强度。根据本发明的一个实施方案，获得了抗拉强度在800-900MPa的范围内和屈服强度在700-800MPa的范围内的材料特性。

在本发明的实施方案中，对于固溶强化，Mn含量在最高达2.5重量％(在下文中简单地表示为％)的范围内。更优选地，Mn含量在2.0-2.5％的范围内。优选地，添加0.05％或更多的碳，以充分促进这些特定元素的沉淀。

同时，铌和钛被作为沉淀元素添加。这些元素代替钼和钒被添加，钼和钒是另外的沉淀强化元素。从热轧过程中的沉淀行为来看，铌和钛在冶金学上类似于钼和钒，并可增加屈服强度。然而，与钼和钒相比，铌和钛的铁合金较便宜，这可降低制造成本。因此，在本发明的实施方案中，使用了添加铌和钛的技术。根据本发明的一个实施方案，添加铌和钛时，卷取温度在热轧过程中优选被优化，以便铌和钛可导致最大强化作用。

因此，根据本发明的实施方案，在与相关领域耐候性对比时，可以同时使用以下两种强化机理：钢中Mn含量增加2.5％以通过固溶强化增加抗拉强度，以及添加铌和钛以通过沉淀强化增加屈服强度。此外，根据本发明的一个实施方案，钢的显微组织含有针状铁素体以保证强度。

现在详述根据本发明的热轧钢板的组分。

优选地，C含量在0.05-0.07％的范围内。

钢中C是一种预期可表现出固溶强化效应的元素。随着C含量的增加，抗拉强度会增加。此外，由于使用了通过C与沉淀元素相结合形成的微细沉淀物的强化效应，因此添加C以促进沉淀并保证强度。据此，优选C含量为0.05％或更高。然而，当C含量过量时，强度过度提高，这会使得在制造过程中难以控制卷材的形状。据此，优选C含量为0.07％或更低。Mn含量为2.5％或更低，并且更优选地，Mn含量在2.0-2.5％的范围内。

钢中Mn是一种预期可表现出固溶强化作用的元素。随着Mn含量的增加，抗拉强度会增加。据此，优选Mn含量在最高达2.5％的范围内。由于锰合金的量增加，价格会增加。在炼钢过程中注入的铁合金含量增加会引起温度的降低，这会使得难以控制连续铸造过程所需的温度。据此，优选Mn含量在最高达2.5％的范围内。添加在合适范围内的Mn，以保证目标强度并且在制造过程中不引起问题。更具体地，Mn含量在2.0-2.5％的范围内，这是实现高强度的最佳组成范围。

优选地，Nb含量在0.04-0.06％的范围内，Ti含量在0.08-0.1％的范围内。

Nb和Ti是为改良强度而添加的代表性沉淀元素。Nb和Ti在热轧过程中溶解并沉淀，并最终形成微细沉淀物从而增加屈服强度。当在热轧过程中再加热板时，这些元素在高温下再溶解为固溶体状态。在轧制过程中，温度降低，这些元素在相对高温下再次沉淀。最后，在卷取过程中，这些元素在固溶体中的剩余含量在卷取过程中最终沉淀出来。这些沉淀物非常细小，因此能够在钢材料变形过程中(例如拉伸试验中)增加屈服强度。因此，为了增加屈服强度，需要大量的微细沉淀物。通常，当沉淀物较小且均匀分布时，屈服强度增加至最大值。在本发明的实施方案中，添加的铌含量在0.04-0.06％的范围内，钛含量在0.08-0.11％的范围内。由于碳含量是足够的，它易于与Nb和T i结合。此外，Nb和Ti在强度通过沉淀而增加的范围内。

优选地，Cu含量在0.3-0.6％的范围内，Cr含量在0.5-1.0％的范围内。

Cu和Cr是保证耐候性的组分。能够在大气下降低腐蚀速度的耐候性钢材料具有与强度机理不同的机理特性。为了保证耐候性，钢板表面需要具与腐蚀相关的特性。很重要的是形成阻止氧渗入的氧化物层。致密的氧化层可通过添加抗腐蚀元素获得。抗腐蚀元素的实例可以包括Cu和Cr。这些元素扩散至钢板处于大气中时自然形成的Fe上的氧化物层中，并与Fe替换从而在Fe上形成包含Cu和Cr的氧化层。该氧化物层是无定形的，因此十分致密以防止氧渗入。由此获得耐候性。在本发明的实施方案中，考虑到Cu和Cr的耐候特性，Cu含量在0.3-0.6％的范围内，Cr含量在0.5-1.0％的范围内。

优选地，Ni含量在0.15-0.3％的范围内。

Ni具有抗腐蚀性。然而，Ni被用于防止表面缺陷，例如防止在添加Cu的钢制造过程中铜存在于晶界时形成的结疤缺陷，而不是促进氧化物层的形成。考虑到Ni的上述特性，在本发明的实施方案中，优选Ni的含量在0.15-0.30％的范围内。

其他组分可以被添加至具有上述组成的耐候性高强度钢中。它们中的一种可以是Si。已知Si在固溶强化中是有效的。然而，如果加入了过量的Si，则会由于在高温轧制过程中硅的表面氧化而形成红色的氧化物层。因此，在加入硅(Si)时，Si优选在0.25％或更少的范围内。同时，已知钢中不可避免地包含磷(P)及硫(S)。P加强抗腐蚀性，并且在轧制过程中表现出低温脆性。因此，优选添加尽可能少的P。S影响韧性。由于本发明的钢用于集装箱，因此韧性是必需的。由于韧性在低温下是必需的，因此S优选被降低至最小值。在本发明的实施方案中，P含量和S含量分别为0.015％或更少和不0.003％或更少，这些值小于常规钢中的值。

如上述，满足以上组分的钢的显微组织具有针状铁素体，而阻止马氏体的形成，使得强度通过显微组织而增强。

根据本发明的一个实施方案，符合以上组分的本发明的钢具有以下特性，即抗拉强度在800-900MPa的范围内并且屈服强度在700-800MPa的范围内。此外，屈强比(屈服强度/抗拉强度)为80％或更高。

现在描述一种制造本发明的一个实施方案的热轧钢板的方法。

根据本发明的实施方案，通过热轧钢板制造具有以上组成的钢。热轧钢板依照通常的方法制造，但考虑到制造过程中的卷材形状和最终的材料质量，应特别地控制卷取条件。因此，对加热条件和卷取温度之外的其他热轧条件没有限制，可采用普通的条件。

如上述，优选地设定卷取温度，使得在热轧过程中不沉淀的元素可另外地沉淀。同时，设定卷取温度以满足形状的要求。此时，卷取温度是控制晶粒度的重要因素。对于如本发明实施方案的高强度钢材料的情况，设定卷取温度，以尽可能地阻止晶粒的生长。如果卷取温度太高，晶粒可能会由于卷材的潜热而过度生长，这会软化该材料。如果卷取温度太低，会造成精轧温度和卷取温度之间很大的差异。此时，卷取速度增加会引起结构的变化。通常，在高冷却速度下会形成含马氏体的结构。由于该结构的抗拉强度高而屈服强度低，因此难以确保获得目标材料。因此，在本发明的实施方案中，卷取温度在550-600℃的范围内，以促进沉淀物形成并保持显微组织。在另一方面，设定卷取温度，使得不会发生由于快速冷却而造成的结构变化，从而获得所述屈服强度。如上所述，在热轧后获得的显微组织具有针状铁素体并同时阻止了马氏体的形成，从而通过显微组织增加了强度。

本发明的实施方式

下文将通过实施例更详细地描述本发明。

[实施例]

在表2的条件下，由表1中所示的热轧钢制造热轧钢板。评估热轧钢板的机械性能及可加工性，评估结果示于表2中。

表1

表2

在表1中，A1为用于集装箱的钢。A1具有包含钼的化学组成，钼不同于铌和钛，后两者为用于本发明中的沉淀强化元素。然而，钼的铁合金比铌的铁合金贵。因此，纵使钼具有与铌相同的特性，其也是不经济的。在表2中，A1具有800Mpa或更高的抗拉强度，但屈服强度700Mpa或更低。

对于所添加的组分，A2类似于本发明的钢，不同在于组分的含量。但A2不含铜、铬和镍，也不具有耐候特性。纵使这些元素被使用以保证抗腐蚀性，其也不直接影响钢的材料，最近被应用于集装箱的钢需为耐候性的。因此，从特性的角度来看，A2很不同于具有耐候性的高强度钢，耐候性高强度钢是本发明的一个目标。在表2中，从材料的角度来看，A2接近最低点。由于A2缺少Cu、Ni和Cr而不具有耐候性，因此从目的的角度来看，A2很不同于本发明实施方案中的钢。

同时，在表1中，B1-B4是含有如下组分的钢：0.05-0.07％的范围内的碳和在2.0-2.5％的范围内的锰，它们为固溶强化元素；在0.04-0.06％范围内的铌和在0.08-0.10％的范围内的钛，它们为沉淀强化元素；以及在0.30-0.60％的范围内的铜、在0.5-1.0％的范围内的铬和在0.15-0.3％的范围内的镍，它们为耐候性元素。B1-B4不同于相关领域的钢，即添加了铌而不是相关领域的钢中添加的钼，并且在加工过程中通过温度控制获得显微组织。在热轧过程中卷取温度在580-600℃的范围内。关于表2中所示的抗拉特性，抗拉强度为800MPa或更高，具体地在850-880MPa的范围内；屈服强度为700MPa或更高，具体地在720-753MPa的范围内，它们表现出高强度特性。如上述，高强度特性可通过适当地控制以下元素的含量获得：碳和锰，它们为固溶体元素；以及铌和钛，它们为沉淀元素。此外，在热轧过程中通过控制卷取温度，高强度特性可通过微细针状铁素体结构获得。因此，根据本发明的一个实施方案，高强度特性可在钢的化学组成和加工因素同时满足时获得。

现在描述C1钢-C7钢。

C1钢与本发明的钢相比，具有更低的碳和锰含量，以及更低的钛含量。C1与本发明的钢相比，具有更低抗拉强度和屈服强度。C2钢的化学组成中固溶体元素锰相对较高，为2.6％，并且沉淀元素铌稍低。C1具有几乎等于800MPa的抗拉强度，但具有较低的屈服强度。C3钢和C4钢具有相对高的碳和锰含量，它们为固溶体元素；以及相对低的铌含量，它为沉淀元素。C 3钢或C4钢均具有足够高的抗拉强度，但具有低的屈服强度。C5具有低碳和锰的含量，但铌和钛的含量较高。C5具有增加的屈服强度，但不具有高抗拉强度。因此，在通过沉淀增加强度时，屈服强度——而不是抗拉强度——增加；但在通过固溶体增加强度时，抗拉强度——而不是屈服强度——增加。即，有一种冶金学特性需要沉淀强化和固溶强化被适当地应用，以同时保证本发明中的屈服强度和抗拉强度。在卷取温度为大约550℃时(低于热轧过程中的580-600℃)，显示加工条件作用的C6抗拉强度增加，但屈服强度降低。类似地，C7显示出相似的特性。可以这样认为，当在不高于预设温度下进行卷取加工时，由于在轧制后冷却速度的增加会使结构发生变化，即相变。在该实施例中，从屈服强度降低这个事实，可看出抗拉强度增加以及伸长率增加，并且由于过度冷却铁素体会转变成马氏体。因此，无法达到高屈服强及高抗拉强度。这意味着，可通过在热轧过程中设定合适的卷取温度来对结构进行控制，以获得所需水平的屈服强度和抗拉强度。

限定本发明权利要求的理由将通过上述实施例进行详述。

根据本发明的一个实施方案，本发明的钢具有这样的特性，即抗拉强度在800-900MPa的范围内和屈服强度在700-800MPa的范围内，以及耐候性。因此，本发明的钢可用于制造大尺寸集装箱的结构。钢的强化机理包括固溶强化和沉淀强化，其中组分被适当地控制以使强度增加作用最大化，并且在热轧过程中通过适当地控制卷取温度而形成微细针状铁素体。

钢中的碳是使钢强化的基本固溶体元素。随着C含量的增加强度会增加。在本发明的钢中，如实施例中所示，当C含量低于0.05％时，很难获得足够的抗拉强度。当C含量超过0.07％时，碳会影响钢的相变而不是通过热轧促进沉淀。通过马氏体相变而非本发明中需要获得的针状铁素体进行的强化可获得高抗拉强度但低屈服强度的钢材料。因此，钢中C含量优选被限制在0.05-0.07％的范围内。如碳一样，钢中的锰也是固溶强化元素。在本发明的实施方案中，在钢中的Mn含量低于2.0％时，如C1，抗拉强度较低。在Mn含量为2.5％或更高时，炼钢成本由于铁合金的增加会增加，并且注入的铁合金的量增加会降低熔融钢的温度。如碳一样，Mn促进相变形成马氏体而非铁素体，这会降低屈服强度。因此，优选Mn含量在最高达2.5％的范围内。同时，如C2、C3和C4的结果中所示，为了增加屈服强度而添加的促进沉淀形成的铌的量低于0.04％时，由于铌含量很低而不足以形成沉淀。已知，当Nb含量通常在最高达0.06％的范围内时，使用沉淀物的强化效应是最高的。当Nb含量超过0.06％时，不会获得任何的额外作用。据此，优选Nb含量被限制在0.06％。相同地，预期钛会额外地确保铌的沉淀强化。通常，在铌和钛相互结合时会形成沉淀物，并且碳和氮被另外地结合至其上。因此，钛还有助于铌的沉淀。铌和钛互相促进沉淀。因此，使用沉淀强化形成的钢可通过同时添加铌和钛的技术制造。如C3所示，在这些元素的含量低时，屈服强度会降低。在本发明的实施方案中，在Ti含量低于0.07％时，屈服强度为700Mpa或更低，这远低于目标值。在Ti含量在最高达0.10％的范围内时，显示出目标材料特性。因此，优选Ti含量在0.08-0.10％的范围内。

如上述，目的是获得耐候特性的化学组成基本上包含铜、铬和镍。它们之中，铜和铬有助于耐候性，添加镍是为了防止在加工中由于添加铜而引起的表面缺陷。

根据本发明的实施方案提供的钢是抗拉强度在800-900MPa的范围内且屈服强度为700-800MPa的高强度钢。这种钢可用作集装箱的钢材料。即，结构(角柱、纵梁、横梁等)钢的强度增加以降低材料的厚度，使得集装箱重量降低并提高集装箱的结构刚度。通常，用作集装箱的结构材料的钢厚度在4.0-6.0mm的范围内。在使用具有相同厚度的高强度钢时，可容易地保证大尺寸集装箱的结构稳定性以及刚度的增加。在保证相同刚度时，可以降低钢厚度，这可降低制造成本。此外，根据本发明的实施方案提供的热轧钢板满足集装箱用钢所需的其他特性，例如冲击强度，以及在钢板弯曲时不出现裂缝。

尽管本发明已经参照其示例性实施方案得到具体图示和描述，但是本领域技术人员将清楚，在不偏离由所附权利要求书所限定的本发明的主旨和范围的情况下，可以在其中对形式和细节进行各种改变。在800-900MPa的范围内的抗拉强度和在700-800MPa范围内的屈服强度为本发明的实施方案中的最佳结果。基于机械性能分析了实施的结果并进行了描述。在本发明中，还分析了其抗拉强度和屈服强度不落入本发明实施方案的上述最佳条件范围内的组分。

Claims (7)

1.一种具有优良耐候性的高强度热轧钢板，所述钢板以重量计含有：C：0.05-0.07％、Mn：2.5％或更低、Nb：0.04-0.06％、Ti：0.08-0.10％、Cu：0.30-0.60％、Cr：0.5-1.0％、Ni：0.15-0.30％和Si：0.25％或更低，余量的Fe及其他不可避免的杂质。

2.根据权利要求1的具有优良耐候性的高强度热轧钢板，所述Mn含量在2.0-2.5％的范围内。

3.根据权利要求1的具有优良耐候性的高强度热轧钢板，其中所述钢的显微组织包含针状铁素体。

4.根据权利要求1-3任一项的具有优良耐候性的高强度热轧钢板，其中所述钢具有如下材料特性，即抗拉强度在800-900MPa的范围内且屈服强度在700-800MPa的范围内。

5.根据权利要求4的具有优良耐候性的高强度热轧钢板，其中所述钢具有80％或更高的屈强比(屈服强度/抗拉强度)。

6.一种制造具有优良耐候性的高强度热轧钢板的方法，包括：

将以重量计含有C：0.05-0.07％、Mn：2.5％或更低、Nb：0.04-0.06％、Ti：0.08-0.10％、Cu：0.30-0.60％、Cr：0.5-1.0％、Ni：0.15-0.30％和Si：0.25％或更低，余量的Fe及其他不可避免杂质的钢热轧，并且在580-600℃的温度范围内卷取该热轧钢。

7.根据权利要求6的方法，其中所述Mn含量在2.0-2.5％的范围内。