CN102021485A

CN102021485A - 一种中碳合金钢

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Publication number: CN102021485A
Application number: CN2009101959255A
Authority: CN
Inventors: 刘湘江; 杜维清; 宋建萍; 陈锋
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-04-20

Abstract

一种中碳合金钢，其按重量百分比计的成分为：C：0.30～0.45％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.80～1.25％，Cr：0.40～1.20％，Ni：0.20～0.50％，Cu：0.20～0.45％，S：0.008～0.040％，P：0.010～0.040％，N：0.003～0.015％，余为Fe及不可避免的杂质元素。其制造方法中，加热炉加热工艺：钢锭入炉温度600～900℃保温20～40分钟；经过120～200分钟升温至1250～1290℃，保温150～180分钟；常规初轧成方钢坯后，钢坯进缓冷坑冷却24～48小时；轧钢机加热炉加热工艺：加热至1050～1220℃温度，保温120～150分钟；按常规工艺进行轧制。该合金钢制成零件后具有优良的抗大气腐蚀性能，能满足铁路、桥梁、电力等耐大气腐蚀的零部件要求。

Description

一种中碳合金钢

技术领域

本发明涉及耐大气腐蚀合金钢的成分设计及其制造方法，尤其涉及一种耐大气腐蚀中碳合金钢的成分设计及其制造技术。适合用于铁路、桥梁、电力设施等中的耐大气腐蚀零部件

背景技术

众所周知，自然界存在的金属除个别贵重金属如Au、Pt等外，绝大多数在热力学上是不稳定。大气的主要成分为氮、氧、氩、水汽和二氧化碳，还含有二氧化硫、硫化氢、二氧化氮、氨及盐雾，对材料腐蚀影响最大的是氧和水汽，空气中的盐雾加速材料的腐蚀。在干燥的大气中，属于常温化学腐蚀，氧化速度较低。在潮湿的大气里，属电化学腐蚀，大气中的湿度越大，材料表面吸附的水膜越厚，腐蚀速度越快。

耐大气腐蚀钢的开发在20世纪初，最初发现的是铜和磷对钢的耐蚀性的显著效果，以后就出现了著名的Corten钢和世界各国的耐大气腐蚀钢，也叫做耐候钢。我国的耐大气腐蚀钢研制从20世纪60年代开始，自1965～1979年有19种含Cu及P、RE、Ti的低合金钢在风沙干燥、工业大气、潮湿都市和农村等10个不同的环境下进行长达15年的大气曝露试验，取得了宝贵的第一手数据，于1984年制定了我国耐大气腐蚀钢标准(GB 4171-84及GB 4172-84)，纳入了高耐候性的3个牌号：090CuPCrNi-A、09CuPCrNi-B、09CuP和焊接结构用耐候钢的4个牌号：16CuCr、1MnCuCr、15MnCuCr及15MnCuCr-QT。

从国外研究、开发和发展耐大气腐蚀钢来说，以美国最早，日本发展最快。美国最先开发了Corten A钢；最早制订了ASTM242等低合金高强度耐大气腐蚀钢标准，并首先推广应用耐大气腐蚀钢。后来，国外在耐大气腐蚀钢的发展过程中出现了各种各样的牌号，例如日本加Nb的River-Ten钢，加Ti的HI-YAW-Ten。另有一些是去掉某些元素，改加其他元素，例如在CuPCrNi钢中降低P含量可以改善钢的焊接性能，降低P含量提高Mn含量有英国的BS968(15CrMn2NiCu)，降低P含量加Ti的有前苏联的ИМ(15CrMnCuTi)，降低P提高Si的有前苏联的10CrSiNiCu钢。

国内外关于中碳含铜含硫耐大气腐蚀的合金钢报道较少。专利文献中记载的耐大气腐蚀的钢以低碳钢为主，碳含量一般在0.25％以下。如申请号为200510111858.6的中国专利申请，碳含量为0.05～0.10，除添加Cu等耐大气腐蚀元素外还添加Nb、Ti和Mo等元素，屈服强度为550Mpa级。如申请号为00121262.1、200710121637.6的中国专利申请，碳含量分别为0.085～0.15％和在0.08％以下，而且以稀土(RE)作为耐大气腐蚀元素。还如申请号为001333579.0、00133580.4、200510019116.0和200710121637.6的中国专利申请，通过添加微量的合金元素作为耐大气腐蚀元素，其碳含量也都在0.16％以下或更低。

综上所述，现有耐大气腐蚀合金结构钢尚存在以下不足之处：(1)现有耐大气腐蚀合金结构钢一般碳含量较低(一般在≤0.25％)，难以满足强度级别要求较高的使用条件；(2)现有耐大气腐蚀合金结构钢大多应用于板材，而这些钢种的成分设计应用于棒材上则不能满足强韧性的要求；(3)现有耐大气腐蚀合金结构钢因其主要针对于板材，因而对钢材的易切削性能均未作充分的考虑。

发明内容

本发明的目的是提供一种中碳合金结构钢，特别是含铜含硫耐大气腐蚀的合金结构钢，即通过在钢中加入铜、硫、铬、镍等合金元素及相应的成分设计，经过冶炼-真空精炼-浇注-轧制-退火获得珠光体+铁素体组织的耐大气腐蚀性能优良的合金结构钢，从而满足铁路、桥梁、电力等耐大气腐蚀的零部件要求。

为实现上述目的，本发明的中碳合金钢，其化学成份(重量％)是：碳：0.30～0.45％，硅：0.15～0.35％，锰：0.80～1.25％，铬：0.40～1.20％，镍：0.20～0.50％，氮：0.003～0.015％，硫：0.008～0.040％，以及铜和磷中的至少一种，其中，铜：0.20～0.45％，磷：0.010～0.040％，余为Fe及不可避免的杂质元素。

为了进一步提高本发明的中碳合金钢的耐大气腐蚀性，优选化学成分(重量％)为：碳：0.30～0.45％，硅：0.15～0.35％，锰：0.80～1.25％，铬：0.40～1.20％，镍：0.20～0.50％，硫：0.008～0.040％，铜：0.20～0.45％，磷：0.010～0.040％，氮：0.003～0.015％，余为Fe及不可避免的杂质元素。

成分设计理由或原理或其主要化学元素在钢中的作用如下：

碳：是提高钢强度的主要元素，保证一定的强度必须一定的碳含量。但是太高的碳含量对塑性不利，在本发明中控制0.30～0.45％的碳含量可以保证获得足够的强度，同时使钢具有良好的塑性。

硅：硅元素对耐腐蚀性能的影响目前尚不明确，有文献指出硅含量与Cu、Cr配合时能提高耐大气腐蚀的性能。本发明钢中硅控制在0.15～0.35％与其他元素配合可获得优良的耐大气腐蚀性能。

锰：锰对耐大气腐蚀性能的影响目前还没有定论，较多的看法是，Mn能提高耐大气腐蚀性能，但有文献表明当钢中Cu含量≥0.50％时耐大气腐蚀性能却降低。本发明钢中适宜添加锰含量为0.80～1.25％。

铬、镍：铬及镍是提高耐大气腐蚀性能的合金元素，一般在耐大气腐蚀低合金钢中铬的使用量为0.5～3％，铬的耐大气腐蚀作用很大程度上取决于钢中有无其他耐腐蚀性能的合金元素及其含量。镍是抗大气腐蚀有效的合金元素，一般认为Ni≥3％时效果才会非常显著。出于经济性的考虑，在发明钢中控制在铬0.40～1.20％、镍0.20～0.50％是较为理想的添加量。

磷、铜：Cu和P中添加一种或两种都对耐大气腐蚀有作用。由于磷和铜往往配合起来添加更有利于耐大气腐蚀，特别是在0.20～0.45％铜的配合下磷能起到显著的作用。因此，在本发明钢中优选同时添加铜和磷，并控制磷为0.010～0.040％及铜为0.20～0.45％，这样能有效提高抗大气腐蚀性能。

硫：硫通常作为钢中的杂质元素，会显著降低钢的塑性和韧性，一般越低越好。但在本发明中适量的硫如0.008～0.040％，能改善钢材的切削性能。

氮：氮通常作为钢中有害元素加以控制，研究表明适量的氮含量能提高钢的强韧性能。氮可扩大和稳定奥氏体，钢中含铬、锰较多时，可显著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化以代替价格较贵的镍。本发明的钢控制氮含量为0.003～0.015％，这样对其强韧性能有益。

同时铅、锑、铋是钢中的杂质元素，在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量。

本发明以碳、锰、铬、镍为主元素，并配以硫、铜和磷作为微量合金元素，不仅可以有效提高耐腐蚀性能，而且可提高易切削性能。

上述中碳含铜含硫耐大气腐蚀的合金结构钢制备方法，采用二步法工艺流程：第一步：电弧炉初炼→钢包炉真空精炼→浇注钢锭；第二步：轧钢机热加工轧制成材。

第一步，电弧炉冶炼-钢包炉真空精炼-模铸浇注

在20～250吨的电弧炉中进行钢液初炼；相应吨位的钢包精炼；模铸浇注；生产出化学成分符合规定的2.3吨～25吨的钢锭。

初炼炉(如电弧炉)采用一定的电压和电流熔化废钢，钢水达到：P含量为0.002～0.040％，C含量为0.05～0.10％，初炼炉的出钢温度T≥1620℃。出钢后期加入适量的石灰或合成渣。钢包精炼炉调整化学成分，钢包精炼炉初脱氧加Al到0.03～0.06％，搅拌≥5分钟。真空炉处理在66.7Pa压力下保持≥15分钟。真空毕喂入S硫线，根据初始硫含量喂入量在600～1400m。喂线后取样分析，当S为0.008～0.040％时，吊包浇注。浇注2.3～25吨钢锭，模冷16～24小时后脱模进入下道工序。

本发明钢在冶炼中用铝脱氧，经过真空炉精炼环节最终钢中为残余铝，一般≤0.020％。

S含量是通过在炼钢后喂入S硫线进行控制。

P含量可在初炼炉进行控制，根据初炼炉出钢时P含量在钢包精炼炉中通过添加磷铁合金控制P含量为0.010～0.040％。

第二步：棒材轧制

采用轧钢机(初轧机)热加工轧制方法，先将合格钢锭轧制开坯成方钢坯，再将方钢坯热加工轧制至成品棒材，工艺要点：

初轧机热加工轧制开坯，将钢锭轧制成方钢坯：

加热炉加热工艺：钢锭入炉温度为600～900℃，保温20～40分钟；经过120～200分钟升温至1250～1290℃；保温150～180分钟；本工艺相对于传统合金结构钢相比均热温度降低30～40℃，均热时间延长50～80分钟，使钢锭充分均匀扩散。

初轧机轧制工艺：按常规轧制工艺，初轧机将合格钢锭轧制开坯成方钢坯；优选在初轧开坯后进行钢锭头部管理，成坯率不大于85％。

钢坯进缓冷坑冷却24～48小时(根据坯料的规格)，冷坯料进行砂剥精整。常规合金结构钢轧后一般采用退火工艺，本发明钢坯整桩堆冷后进缓冷坑缓冷，主要目的是防止开裂和降低钢中氢的含量。

轧钢机热加工将钢坯轧制至棒材：

轧钢机加热炉加热工艺：加热至1050～1220℃温度，加热时间为120～150分钟，方坯料阴阳面温差≤40℃钢坯出炉。常规合金结构钢均热时间为100分钟，本发明工艺中均热时间延长20～50分钟，以保证钢坯加热均匀。

按常规工艺轧制，终轧温度为800～900℃。

根据本发明，钢经轧制成棒材或线材后，可制成铁路、桥梁、电力等耐大气腐蚀的零部件。零件在热处理条件下，抗拉强度Rm≥900Mpa，冲击功≥180J，具有良好的塑韧性配比。

本发明钢经轧制成棒材或线材后，切削性能优良，便于加工成零部件。

本发明钢纯洁度高：夹杂物级别低(根据GB/T 10561检测可满足：A≤2，B≤2，C≤1，D≤1)；气体含量低(氧≤15ppm，氢≤1.5ppm)。

本发明钢具有优良的抗大气腐蚀性能，经称重法试验，其耐腐蚀性能优于同类强度级别的合金结构钢。制成的铁路零部件实际使用耐腐蚀效果明显由于同类强度级别的合金结构钢。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进行较为详细的说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明基本构思的前提下，还可以有更多变化和改进的其他实施例。

根据本发明的较优选的实施方式，其化学成分如表1所示。其制备方法采用二步法工艺流程：第一步：电弧炉初炼→钢包炉真空精炼→浇注钢锭；第二步：轧钢机热加工轧制成材。

第一步，在40吨的电弧炉中进行钢液初炼；相应吨位的钢包精炼；模铸下注法浇注；生产出化学成分符合规定的3.7吨钢锭(钢锭尺寸：460mm×564mm×1790mm)。

第二步：钢锭进加热炉入炉温度为880℃并保温35分钟；经过160分钟升温至1260～1280℃；保温160分钟；初轧机按常规轧制工艺，初轧机将合格钢锭轧制开坯成140mm×140mm方钢坯；控制成坯率为84％；钢坯进缓冷坑冷却28小时，冷坯料进行砂剥精整；140mm×140mm方钢坯进轧钢机加热炉加热至温度为1140℃，保温130分钟，方坯料阴阳面温差≤40℃时钢坯出炉；终轧温度850℃。

表1实施例钢棒的化学成分，wt％

注：其他为Fe及不可避免的杂质。

本发明的合金钢通过以上工艺轧制成棒材或线材后，切削性能优良，便于加工成零部件。

如表2所示是轧制的棒材再经过热处理工艺得到的力学性能。

表2实施例钢棒的力学性能

注：热处理工艺：850～890℃淬火+420～600℃回火。

为快速验证本发明合金钢的耐大气腐蚀性能，在实验室采用腐蚀称重法来对比发明钢与35CrMoA钢的耐盐酸性能，检验结果如表3所示。

腐蚀称重法如下：

(1)取棒材试样加工成20×25×3mm(或其他尺寸)；

(2)将试样分别在电子天平上称重，记为初始重量；

(3)按1∶9的比例配制稀盐酸腐蚀溶液；

(4)将试样分别置于腐蚀液中，并用细线悬挂，密封，置于阴凉处；

(6)每隔24小时、48小时、144小时分别取出试样吹干称量。

表3实施例钢棒的腐蚀性能

根据本发明生产的中碳含铜含硫耐大气腐蚀的合金结构钢棒材，制成铁路铁轨关键零部件后，各项性能均符合使用要求，特别是强韧性达到技术指标、易于加工(切削)、耐大气腐蚀效果明显由于同类强度级别的合金结构钢。

虽然以上通过具体实施例对本发明进行了较为详细的说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明基本构思的前提下，还可以有更多变化或改进的其他实施例，而这些变化和改进都应属于本发明权利要求要求保护的范围。

Claims

1.一种中碳合金钢，其按重量百分比计的成分为：C：0.30～0.45％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.80～1.25％，Cr：0.40～1.20％，Ni：0.20～0.50％，N：0.003～0.015％，S：0.008～0.040％，以及Cu和P中的至少一种，其中Cu：0.20～0.45％，P：0.010～0.040％，余为Fe及不可避免的杂质元素。

2.一种中碳合金钢，其按重量百分比计的成分为：C：0.30～0.45％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.80～1.25％，Cr：0.40～1.20％，Ni：0.20～0.50％，N：0.003～0.015％，S：0.008～0.040％，Cu：0.20～0.45％，P：0.010～0.040％，余为Fe及不可避免的杂质元素。

3.一种中碳合金钢的制造方法，包括：电弧炉初炼→钢包炉真空精炼→浇注钢锭→轧钢机热加工轧制；

初轧机热加工轧制：钢锭入炉温度为600～900℃，保温20～40分钟；经过120～200分钟升温至1250～1290℃，保温150～180分钟，按常规初轧成方钢坯；

初轧的方钢坯进缓冷坑冷却24～48小时；

轧钢机热加工轧制：在轧钢机加热炉加热工艺中，加热至1050～1220℃温度，保温120～150分钟，然后按常规工艺进行轧制。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，初炼中，控制P含量为0.002～0.040％，C含量为0.05～0.10％，初炼炉出钢温度T≥1620℃。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据初炼炉出钢时P含量，通过在钢包精炼炉中添加磷铁合金控制P含量为0.010～0.040％。

6.如权利要求3～5任一所述的方法，其特征在于，真空精炼中，真空炉处理在66.7Pa压力下保持≥15分钟；真空毕喂入S硫线，控制喂入量在600～1400m，当S为0.008～0.040％时，吊包浇注钢锭，然后模冷16～24小时后脱模。

7.如权利要求3～6任一所述的方法，其特征在于，还包括对初轧后的方钢坯进行头部管理，其成坯率不大于85％。

8.如权利要求3～7任一所述的方法，其特征在于，轧钢机加热炉加热工艺中，方钢坯的阴阳面温差≤40℃时，方钢坯出炉。

9.如权利要求3～8任一所述的方法，其特征在于，还包括对进缓冷坑冷却后的方钢坯进行砂剥精整。

10.如权利要求3～9任一所述的方法，其特征在于，终轧温度为800～900℃。