CN101994064A - 屈服强度为550MPa级的耐候钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种屈服强度为550MPa级的韧性优良的高耐蚀性含Cr耐候钢及其制造方法。所述耐候钢的成分质量百分比含量(wt％)为：C 0.02-0.08、Si 0.15-0.55、Mn 0.2-1.0、P≤0.01、S≤0.006、Cu 0.2-0.5、Cr 2.5-7.0、Ni0.2-1.2、Nb 0.02-0.06、Al 0.01-0.05、N≤0.005、Ti 0.01-0.10，余量为Fe和不可避免的杂质。所述钢制成的钢板具有550MPa以上的屈服强度和优良的韧性，同时其相对腐蚀率在目前传统耐候钢的基础上降低了1倍，满足铁路车辆用钢提高耐腐蚀的要求，达到延长服役期限，降低维修成本的目标。

Description

屈服强度为550MPa级的耐候钢及其制造方法

技术领域

本发明属低合金钢制造领域，涉及一种屈服强度为550MPa级的韧性优良的高耐蚀性含Cr耐候钢及其制造方法。

背景技术

耐候钢，或称耐大气腐蚀钢。在大气服役环境条件下，钢中各合金元素之间发生交互作用，在表面生成以α-FeOOH为主要成分的致密锈层，其热力学稳定，不参与钢电化学腐蚀的阴极还原过程。锈层内铜、铬等元素的富集使锈层具有离子选择性透过特性，从而显著提高耐候钢的耐大气腐蚀性能。耐候钢因其较高的抗腐蚀性能，广泛应用于铁道车辆制造行业、集装箱制造业及桥梁工程、户外塔架等领域。

目前，国内外已就高强度耐候钢及其制造方法申请了多项专利。例如，2007年公开的专利申请“一种高强度低合金耐大气腐蚀钢及其生产方法”(CN200510111858.6)，其成分上属于传统的低Cr系Cu-Cr-Ni耐候钢，Cr含量不超过1.0％。其耐腐蚀性较低，难以满足实际应用中提高钢的耐腐蚀性能的要求。

1998年公开的“耐蚀钢”(JP10025550A)、2000年公开的“CORROSIONRESISTANT STEEL IN THE SOIL”(JP2000336463)、2002年公开的“基体及热影响区韧性优良的耐腐蚀钢”(JP2002363704)等几个专利(申请)所涉及的钢种在成分上均属于高Cr耐候钢，其Cr含量一般在7％以上，多为9-14％之间。2002年公开的“建筑结构用含Cr耐腐蚀钢”(JP2002285298)记载的钢种中的Cr含量为5-10％。此外，为了提高强度，上述这些专利(申请)中记载的钢种还含有不等量的Mo、B、Zr、Co、W等。这些元素的添加，一方面增加了制造成本及制造难度，另一方面对钢板的焊接及韧性不利。

由此可见，现有技术中的耐候钢还不能完全满足目前使用和制造的要求，需要开发一种耐腐蚀性高、强度高、生产经济的耐候钢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐候钢，其韧性优良，并具有高耐蚀性高强度，可以用于铁道车辆制造行业、集装箱制造业及桥梁工程、户外塔架等领域。

为实现上述目的，本发明所提供的耐候钢，其成分质量百分比含量(wt％)为：C：0.02-0.08、Si：0.15-0.55、Mn：0.2-1.0、P≤0.01、S≤0.006、Cu：0.2-0.5、Cr：2.5-7.0、Ni：0.2-1.2、Nb：0.02-0.06、Al：0.01-0.05、N≤0.005、Ti：0.01-0.10，其余为Fe和不可避免的杂质。

此外，本发明还提供了上述耐候钢的一种制造方法，包括铁水深脱S、转炉顶底复合吹炼、炉外精炼、连铸、板坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取、精整，其中，所述板坯再加热的温度在1200℃以上，所述控制轧制包括粗轧和精轧两段轧制，所述控制冷却以10-30℃/s的冷却速率冷却到550-650℃。

优选地，所述粗轧控制在950℃以上，累计变形量≥80％；所述精轧的最终温度为800-900℃，更优选地，所述精轧的最终温度不低于850℃。

下面将进一步说明本发明。

耐候钢要求具有较高的强度和耐腐蚀能力，同时具有良好的冲击韧性和焊接性能。在本发明中，申请人发现，提高钢中Cr的含量，能够显著提高钢的耐大气腐蚀性能，如图1所示。同时，添加微量合金元素可以改善钢的韧性。钢中的微量合金元素并不是单独发挥作用的，申请人采用复合添加合金元素的方式，用较少的合金元素加入量获得最佳的效果，达到成本效益的最大化。以下将本发明合金成分的设计进行说明：

C是钢中主要的强化元素，能够显著提高钢板的强度；但较多的C对钢板焊接、韧性及塑性不利。低C设计在于限制了珠光体组织及其它碳化物的形成，保证钢的显微结构为均相组织，避免了异相之间的电位差引起原电池腐蚀，提高了钢的耐蚀性能。因此限定其质量百分比含量为0.02-0.08％。

Si的含量控制在0.15-0.55％。Si在钢中具有较高的固溶度，能够增加钢中铁素体体积分数，细化晶粒，因而有利于提高韧性，但含量过高可导致焊接性能下降，因此其质量百分比含量控制在0.15-0.55％。

Mn具有较强的固溶强化作用，同时能够显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素。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，所以将其质量百分比含量控制在0.2-1.0％。

S的存在将恶化钢的耐大气腐蚀性能，而P能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，但P含量过会高降低钢的韧性及塑性；同时，P的存在易引起偏析。因而本发明钢种设计采用极低的S、P含量，其质量百分比含量分别为P≤0.01％，S≤0.006％。

Cr对改善钢的钝化能力具有显著的效果，可促进钢表面形成致密的钝化膜或保护性锈层，其在锈层内的富集能有效提高锈层对腐蚀性介质的选择性透过特性，但过高的Cr一方面提高了钢板的制造成本，同时对焊接及韧性不利，所以控制其质量百分比含量在2.5-7％之间。

Ni是能够提高强度同时改善韧性的元素，并能提高淬透性，可有效阻止Cu的热脆引起的网裂。由于Ni为贵重金属元素，出于成本因素，且过高的Ni会提高氧化皮的粘附性，压入钢中会在表面形成热轧缺陷。所以其质量百分比含量限定为0.2-1.2％。

Cu与Ni具有大体相同的作用，有固溶和沉淀强化作用，与Ni适当配比，能够显著提高钢的耐大气腐蚀性能，但过高对焊接不利，且热轧时易发生网裂，其质量百分比含量控制在0.20-0.50％。

Nb是强的碳化物形成元素，所形成的微细碳化物颗粒能细化组织，并产生析出强化作用，显著提高钢板的强度，但较多的Nb对焊接不利，所以其质量百分比含量限定为0.02-0.06％。

Al是钢中添加的脱氧剂，质量百分比含量为0.01-0.05％的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。

添加0.01-0.10％的Ti主要是为了抑制板坏再热过程中的奥氏体晶粒长大，同时在再结晶控轧过程中抑制铁素体晶粒长大，提高钢的韧性。

N会降低钢的韧性和焊接性能，因此控制其质量百分含量≤0.005％。

本发明所提供的制造方法中，铁水深脱S是为了保证钢中低的S含量；转炉顶底复合吹炼是为了控制钢中的C含量。

综合考虑微合金元素碳氮化物在奥氏体中的溶解行为及加热过程中奥氏体晶粒长大行为，本发明特别强调板坯再加热的温度在1200℃以上。控制轧制工艺分为粗轧和精轧两段。其中，为保证再结晶细化晶粒效果，粗轧控制在950℃以上，累计变形量≥80％；为保证形变细化晶粒效果，精轧的最终温度控制在800-900℃，若成品厚度增加，可适当降低终轧温度，优选地不低于850℃。此后进行控制冷却，以10-30℃/s的冷却速率冷却到550-650℃，经卷取，再冷却至室温，最后精整。

相对于传统耐候钢，本法明的钢种还存在以下优点：

1.本发明钢种的屈服强度达550MPa以上，属于高强度耐候钢，满足车辆降低构件自重的要求。

2.中等含量合金元素Cr的加入使得本发明钢种具有优良的耐大气腐蚀性能，相对于传统耐候钢，本钢种的耐大气腐蚀性能提高了一倍以上，可取代传统高强耐候钢，应用于铁路车辆、集装箱、桥梁及户外塔架等领域，以降低使用和维修成本。

3.本发明钢种具有优良的低温韧性，-40℃条件下，厚度为10mm以上的钢板的冲击功在60J以上。

4.本钢种采用控轧控冷(TMCP)制造工艺生产，轧后不需要进行热处理，可热轧状态供货，有效保证了供货周期，降低了生产成本。

附图说明

图1是Cr元素对提高钢耐候性的作用示意图。

采用500Kg真空感应炉实验室炼制Cr的质量百分比含量在1-9％范围内的耐候钢种，以普通碳钢(Q345B，0Cr)及传统耐候钢(Q450NQR1，0.5Cr)为比较例，按铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法(TB/T2375-93)进行72h的周期浸润循环腐蚀实验。不同Cr含量钢板的相对腐蚀率如图1所示，由此可见，相对于传统耐候钢，当合金钢中Cr含量超过3％以后，钢的耐大气腐蚀性能有望提高1倍。

具体实施方式

按照本发明钢种的成分要求，在试验室500kg真空感应炉上冶炼本发明所述钢，各实施例的化学成分如表1所示。钢坯加热温度为1200℃以上，终轧温度800-900℃，轧后冷却至550℃-650℃卷取，随后空冷至室温。得到的钢的力学性能如表2所示。

表1本发明各实施例的化学成分(wt％)

成分	C	Si	Mn	P	S	Al	Cu	Cr	Ni	Nb	Ti	N
													A	0.025	0.39	0.60	0.009	0.003	0.035	0.31	2.86	0.69	0.039	0.033	0.0044
B	0.041	0.18	0.25	0.010	0.003	0.025	0.22	4.65	0.25	0.029	0.025	0.0044
													C	0.026	0.3	0.79	0.01	0.003	0.037	0.32	5.48	0.3	0.039	0.053	0.0035
D	0.032	0.47	0.95	0.01	0.004	0.014	0.35	5.05	0.29	0.038	0.082	0.0050
													E	0.05	0.19	0.40	0.010	0.004	0.049	0.35	6.44	0.49	0.054	0.025	0.0031
F	0.072	0.31	0.40	0.009	0.005	0.037	0.46	5.57	1.05	0.034	0.014	0.0041

表2本发明各实施例钢的力学性能

以普通碳钢Q345B及高强耐候钢Q450NQR1为对比样品，按铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法(TB/T2375-93)进行72h的周期浸润循环腐蚀实验。通过计算样品单位面积腐蚀失重量求得平均腐蚀速率，进而求得钢种的相对腐蚀速率。各实施例钢种及对比钢的耐大气腐蚀性能如表3所示。

表3本发明各实施例钢的耐大气腐蚀性能

钢种	平均腐蚀速率(mg/cm2.h)	相对腐蚀速率(％)
			Q345B	0.48009676	100.0
Q450NQR1	0.19471833	40.6
			A	0.11814019	24.5
B	0.10670528	22.2
			C	0.08009884	16.6
D	0.09962241	20.7
			E	0.06030403	12.5
F	0.08346444	17.3

按本发明钢种成分设计范围及轧制工艺控制技术所得实施例钢的屈服强度达550MPa以上，延伸率在18％以上，同时具有良好的冲击韧性和较低的屈强比；耐大气腐蚀性能对比结果亦表明本发明钢种的耐大气腐蚀性能相对于传统高强耐候钢的性能要求(相对腐蚀率≤55％)提高了一倍以上。因此，本发明的耐候钢可完全取代传统耐候钢和目前常用的耐候钢，应用于大气环境条件下，满足铁路车辆、集装箱制造和桥梁及户外塔架等领域的需求。

Claims (5)

1.一种耐候钢，其成分质量百分比含量(wt％)为：

C：0.02-0.08

Si：0.15-0.55

Mn：0.2-1.0

P：≤0.01

S：≤0.006

Cu：0.2-0.5

Cr：2.5-7.0

Ni：0.2-1.2

Nb：0.02-0.06

Al：0.01-0.05

N：≤0.005

Ti：0.01-0.10，

余量为Fe和不可避免的杂质。

2.制造如权利要求1所述的耐候钢的方法，包括铁水深脱S、转炉顶底复合吹炼、炉外精炼、连铸、板坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取、精整，其中，所述板坯再加热的温度在1200℃以上，所述控制轧制包括粗轧和精轧两段轧制，所述控制冷却以10-30℃/s的冷却速率冷却到550-650℃。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粗轧控制在950℃以上，累计变形量≥80％。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述精轧的最终温度为800-900℃。

5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述精轧的最终温度不低于850℃。

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