CN102994875A

CN102994875A - 一种耐候钢及其制造方法

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Publication number: CN102994875A
Application number: CN201210461398XA
Authority: CN
Inventors: 王金华; 吴红艳; 夏茂森; 宋振官; 杜林秀; 王丰祥; 梁英; 张磊; 胡勤东; 魏代斌
Original assignee: Jinan Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Jinan Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明提供了一种耐候钢及其制造方法，所述耐候钢的化学成分为C0.04～0.08%，Si0.2～0.4%，Mn1.2～1.6%，P0.07～0.10%，S≤0.005%，Cu0.2～0.5%，Ti0.01～0.03%，Nb0.02～0.04%，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。采用Mn-Cu-P体系使得本耐候钢屈服强度达到600MPa以上，抗拉强度710MPa以上，延伸率在25%以上，-40℃夏比冲击功大于60J。由于没有采用贵重金属元素Cr、Ni，同时经卷取步骤后不需要进行热处理，可热轧态供货，从而降低了生产成本。

Description

一种耐候钢及其制造方法

技术领域：

本发明涉及一种高强耐候钢及其生产技术方法，尤其涉及一种低碳经济型Mn-Cu-P系高强耐候钢及其制造方法。

背景技术：

传统耐候钢产品由于成分体系中含有较多的昂贵的金属元素Cr、Ni，同时含有较高的C，其焊接性能较差，同时生产成本偏高，制约了耐候钢的发展与应用。并且传统的耐候钢屈服强度以345MPa级别为主，强度级别较低，限制了耐候钢的应用，不能满足日趋发展的市场需求。

高强耐候钢是指屈服强度大于450MPa的耐候钢，主要用于集装箱、铁路车厢、桥梁及海洋平台等运输制造业及工程机械制造业。随着世界能源、资源环境保护问题和要求的日趋突出，集装箱、汽车以及各种结构轻量化已成为趋势，对高强度同时具有耐蚀性的钢板的需求逐年增加，因此，集装箱、铁路车厢、载重汽车等物流运输制造业等重要用材的更新换代，实现高强度、减轻自重、提高载重量，降低成本，节能降耗成为迫切需要。

迄今国内就高强度耐候钢及其制造方法申报多项专利。

公开号CN101407892A的专利，介绍了一种屈服强度大于550MPa级低碳热轧耐候钢，该钢以超低碳0.01～0.05%的成分设计，加入了较多的合金元素，如Cr、Ni、Mo、Nb、Ti及较高含量的Cu元素，虽然保证了高强度及耐腐蚀性能，但提高了生产成本，而且加入较高含量的Cu元素没有相应的提高耐候性反而增加了热轧过程中Cu引起热脆的倾向。

公开号CN 1970818A的专利，一种高强度耐候钢及其生产方法，介绍了一种采用超低碳（0.01～0.04%）加Cu、Cr、Ni、Nb、Ti等元素的成分设计方案，采用两阶段轧制，轧后空冷到室温，然后进行淬火及回火的热处理工序进行生产。虽然得到了较高的屈服强度及较好的耐腐蚀性能，但无法满足热轧态供货，增加了后续的热处理工序，生产周期长，生产成本高。

公开号CN101376953A的专利，一种高耐蚀高强度耐候钢及其制造方法，介绍了一种极低C含量（0.002～0.005%）高Cr含量（ 4.5～5.5%）的耐候钢，保证了耐候钢的高耐腐蚀性能。由于采用的是高Cr加Cu、Ni的合金成分设计，会相应的增加成本，本发明的经济型耐候钢与其不同。

公开号CN 101921965 A的专利，一种低成本屈服强度700MPa级非调质处理高强耐候钢及其制造方法，介绍了一种碳含量为0.05%～0.10%、高Ti含量0.09～0.15%、高Nb含量0.02～0.08%及Cr 0.3～0.8%含量、Ni 0.15～0.4%含量的耐候钢，对连铸坯进行控制轧制与控制冷却生产700MPa级高强耐候钢。由于加入较多的合金元素，使生产成本提高，已不属于低成本的范畴。

公开号CN 101845599 A的专利，一种耐候钢及其制造方法，C含量较高为0.06～0.12%，会对焊接性能产生不良影响；其实施例2中Cu含量为0.80%，如此高的含量而Ni含量仅为0.12%，在热轧生产过程中易产生裂纹。成分设计中没有添加微合金元素Ti、Nb，无法实现细晶强化及析出强化的强化路径来保证强度，即使通过冷却速度为30～50℃/s的控制冷却方式得到了针状铁素体组织，实现了600MPa级别的强度，但是针状铁素体组织及伴随产生的较多碳化物会降低产品的耐腐蚀性能。

发明内容：

在尽可能降低成本的前提下，为了实现提高钢带产品的耐腐蚀性能和强度，本发明提供一种耐候钢及其制造方法。

本发明涉及的耐候钢的化学成分为C 0.04～0.08%，Si 0.2～0.4%，Mn 1.2～1.6%，P 0.07～0.10%，S ≤ 0.005%，Cu 0.2～0.5%，Ti 0.01～0.03%，Nb 0.02～0.04%，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。本发明主要是从经济型耐候钢的成分设计思路出发，不添加贵重合金元素Cr、Ni，利用Mn-Cu-P系耐候钢的成分设计体系，利用Mn-Cu及Cu-P元素的耐腐蚀的协同作用，实现该发明钢的耐腐蚀性能优于传统耐候钢；利用微合金元素Ti 、Nb控制轧制与控制冷却过程中的细晶强化和析出强化的复合强化机制，既节约了成本又实现了600MPa级别的耐候钢生产制造。

本发明涉及的耐候钢化学成分中各元素的作用如下：

C：在钢中一般充当强化元素，如果溶入基体中会起到固溶强化的作用。C含量增加会使碳以碳化物的形式存在，不利于获得单一均匀的组织，易发生C原子的分配不均，形成高碳区，这样会使各微区之间产生电极电位差，会降低钢的耐大气腐蚀能力。另外，C能增加钢的冷脆性和时效敏感性。因此本发明采用0.04～0.08%的低碳设计，并利用C与Ti、Nb等微合金元素结合发挥细晶强化和析出强化的作用来提高耐候钢的强度。

Si：在钢中具有较高的固溶度，主要以固溶强化的形式来提高钢的强度。在炼钢过程中Si作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15～0.30%的硅。但硅量增加，会降低钢的焊接性能。本发明采用0.2～0.4%的含量设计。

Mn：具有较强的固溶强化作用，能显著降低钢的相变温度，提高钢的强度和硬度，改善钢的热加工性能，对贝氏体相变有较大的促进作用。在炼钢过程中，Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。Mn与Cu复合添加的协同作用会提高钢材的耐腐蚀性能。但Mn量过高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低钢的韧性及焊接性能，所以本发明将其含量控制在1.2～1.6%。

P：在一般情况下，P是钢中的有害元素，增加钢的冷脆性，降低钢的韧性及塑性，使焊接性能变坏。但P 会与Cu协同作用极大的提高钢的耐腐蚀性能。因此本发明设计其含量为0.07～0.10%。

S：在通常情况下S也是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。S对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。在本发明中S作为残余元素，控制其含量不高于0.005%。

Cu：在钢中具有固溶强化和析出强化的作用，能提高强度和韧性，特别是提高耐大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性影响不大。

Ti：是强氮化物形成元素，Ti的氮化物能有效的钉扎奥氏体晶界，抑制板坯再加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时在再结晶控制轧制过程中抑制铁素体晶粒的长大，获得细小均匀的组织；同时利用低温析出TiC的析出强化作用来提高强度。

Nb：是强碳化物形成元素，有显著的细化晶粒和中等强度的析出强化作用，并降低钢的过热敏感性及回火脆性。在普通低合金钢中加Nb，能提高钢的奥氏体再结晶温度，与Ti复合添加通过析出强化及细晶强化提高钢的强度。本发明中Nb的含量为0.02～0.04%。

本发明涉及的耐候钢的制造流程包括有铁水深脱硫、转炉顶底复合吹炼（控制C含量）、RH真空循环脱气工业、全流程保护浇注、控制轧制、控制冷却、卷取。

其中控制轧制包括粗轧和精轧，粗轧采用单机架四辊可逆轧机轧制，开轧温度为1130℃～1180℃，粗轧的累积压下率不小于70%；精轧采用六机架四辊可逆轧机轧制，开轧温度为980℃～1050℃，精轧的终轧温度为850℃～900℃，精轧后三道累积压下率不低于45%，精轧的累积压下率不低于70%。

控制冷却采用层流冷却，冷却速率为20～60℃/s。

卷取的温度区间为580℃～630℃，卷取后直接空冷到室温，不需要进行热处理，可以直接实现产品热轧态供货。

与现有耐候钢相比，本发明的有益效果是：

1. 本发明提供的耐候钢的化学成分是经过大量重复实验确定下来的，采用经济型的低碳Mn-Cu-P系列成分设计，添加较高含量的Mn、P元素及微合金元素Ti、Nb。采用低C含量提高了焊接性能，采用耐腐蚀Mn、Cu、P元素，节省了贵重金属元素Cr、Ni，采用Ti、Nb元素，保证了耐候钢的高强度。本发明提供的耐候钢其耐大气腐蚀性能优于Q345钢及传统耐候钢SPA-H，与Q345和SPA-H的对比，在具体实施方式中进行具体说明。本发明的耐候钢屈服强度在600MPa以上，抗拉强度在710MPa以上，延伸率大于25%，-40℃夏比冲击功大于60J，属于高强度耐候钢，适应钢铁产品减量化的发展趋势。

2. 本发明钢的生产工艺是两阶段控制轧制，有利于得到细小均匀的组织，提高钢的强塑性及低温韧性。卷取工序不需要进行热处理，可热轧态供货，降低了生产成本。所有工序在保证Mn-Cu-P体系效果的前提下，均尽量减少了成本。

附图说明：

图1是实例1钢与参比钢腐蚀增重量随腐蚀周期变化的关系曲线。

图2是实例2钢与参比钢腐蚀增重量随腐蚀周期变化的关系曲线。

图3是实例3钢与参比钢腐蚀增重量随腐蚀周期变化的关系曲线。

图4是实例1～3钢与参比钢腐蚀24周期（12天）的电极化曲线。

图5是实例1～3钢与参比钢腐蚀80周期（40天）的电极化曲线。

图6是本发明涉及的耐候钢的典型微观组织形貌。

具体实施方式：

下面列举具体实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在权利要求书的范围内。

实施例1

（1）本实施例钢的制造：按照本发明钢成分要求，采用铁水深脱S，转炉顶底复合吹炼（控制C含量），RH真空循环脱气工艺，全流程保护浇注，钢的化学成分按重量百分比见表1所示的实施例1。轧制生产过程采用控制轧制及控制冷却技术（TMCP），工艺参数见表2所示的实施例1，力学性能见表3所示的实施例1。

（2）耐大气腐蚀性能测试：以普碳钢Q345及传统耐候钢SPA-H为参比试样，在实验室利用ESPEC CORP. CSH-220恒温恒湿试验箱进行0.01mol/L NaHSO₃溶液（模拟工业大气环境）干湿交替加速腐蚀试验120周期，每周期为12小时，箱内温度控制在30℃，湿度控制在60％。根据不同周期腐蚀后试样的称重数据绘制出腐蚀增重量与腐蚀时间的关系曲线，见图1。对腐蚀后带锈试样进行了电化学测试，绘制的极化曲线见图4、图5。自腐蚀电位及自腐蚀电流的变化情况见表4。

实施例2

（1）本实施例钢的制造：按照本发明钢成分要求，采用铁水深脱S，转炉顶底复合吹炼（控制C含量），RH真空循环脱气工艺，全流程保护浇注，钢的化学成分按重量百分比见表1所示的实施例2。轧制生产过程采用控制轧制及控制冷却技术（TMCP），工艺参数见表2所示的实施例2，力学性能见表3所示的实施例2。

（2）耐大气腐蚀性能测试：以普碳钢Q345及传统耐候钢SPA-H为参比试样，在实验室利用ESPEC CORP. CSH-220恒温恒湿试验箱进行0.01mol/L NaHSO₃溶液（模拟工业大气环境）干湿交替加速腐蚀试验120周期，每周期为12小时，箱内温度控制在30℃，湿度控制在60％。根据不同周期腐蚀后试样的称重数据绘制出腐蚀增重量与腐蚀时间的关系曲线，见图2。对腐蚀后带锈试样进行了电化学测试，绘制的极化曲线见图4、图5。自腐蚀电位及自腐蚀电流的变化情况见表4。

实施例3

（1）本实施例钢的制造：按照本发明钢成分要求，采用铁水深脱S，转炉顶底复合吹炼（控制C含量），RH真空循环脱气工艺，全流程保护浇注，钢的化学成分按重量百分比见表1所示的实施例3。轧制生产过程采用控制轧制及控制冷却技术（TMCP），工艺参数见表2所示的实施例3，力学性能见表3所示的实施例3。

（2）耐大气腐蚀性能测试：以普碳钢Q345及传统耐候钢SPA-H为参比试样，在实验室利用ESPEC CORP. CSH-220恒温恒湿试验箱进行0.01mol/L NaHSO₃溶液（模拟工业大气环境）干湿交替加速腐蚀试验120周期，每周期为12小时，箱内温度控制在30℃，湿度控制在60％。根据不同周期腐蚀后试样的称重数据绘制出腐蚀增重量与腐蚀时间的关系曲线，见图3。对腐蚀后带锈试样进行了电化学测试，绘制的极化曲线见图4、图5。自腐蚀电位及自腐蚀电流的变化情况见表4。

表1 实施例1～3钢及参比钢的化学成分（质量百分比，%）

成分	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ti	Nb	Cr	Ni
											实施例1	0.07	0.335	1.28	0.074	0.004	0.275	0.017	0.033	-	-
实施例2	0.068	0.25	1.30	0.095	0.0042	0.26	0.022	0.026	-	-
											实施例3	0.045	0.26	1.42	0.080	0.005	0.32	0.028	0.020	-	-
SPA-H	0.04	0.39	0.41	0.096	0.003	0.33	-	-	0.59	0.17
											Q345	0.15	0.24	1.29	0.012	0.005	-	-	-	-	-

表2 实施例1～3钢生产过程工艺参数

钢坯再加热温度

粗轧开轧温度

粗轧累积压下率

精轧开轧温度

精轧终轧温度

精轧累积压下率

精轧后三道累积压下率

冷却速度

卷取温度

实施例1

1250℃

1170℃

75%

1020℃

870℃

86%

48%

25℃/s

620℃

实施例2

1230℃

1150℃

74%

1000℃

850℃

85%

45%

22℃/s

590℃

实施例3

1240℃

1170℃

74%

1000℃

860℃

85%

46%

23℃/s

600℃

表3 实施例1～3钢的力学性能

表4 实施例1～3钢及参比钢不同腐蚀周期自腐蚀电位和自腐蚀电流

Figure 219509DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003

综上所述，按本发明提供的钢种成分设计范围及轧制生产方法，所得实施例钢的屈服强度均达到600MPa以上，延伸率在25%以上，低温冲击韧性良好。耐大气腐蚀性能对比结果表明本发明钢的耐腐蚀性能优于Q345，略优于传统耐候钢SPA-H。可见本发明提供的低碳经济型Mn-Cu-P系耐候钢与传统耐候钢中同级高强耐候钢相比具有显著的进步，可直接应用于集装箱、铁路车厢，桥梁等行业。由于本发明的耐候钢成分中没有采用贵重金属元素Cr、Ni，同时经卷取步骤后不需要进行热处理，可热轧态供货，从而降低了生产成本。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1. 一种耐候钢，其特征是：耐候钢的化学成分按如下重量百分比为C 0.04～0.08%，Si 0.2～0.4%，Mn 1.2～1.6%，P 0.07～0.10%，S ≤ 0.005%，Cu 0.2～0.5%，Ti 0.01～0.03%，Nb 0.02～0.04%，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。

2. 根据权利要求1所述的一种耐候钢，其制造流程包括有铁水深脱硫、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工业、全流程保护浇注、控制轧制、控制冷却、卷取，其特征是：

所述的控制轧制包括粗轧和精轧，其中粗轧的开轧温度为1130℃～1180℃，粗轧的累积压下率不小于70%，精轧的开轧温度为980℃～1050℃，精轧的终轧温度为850℃～900℃，精轧后三道累积压下率不低于45%，精轧的累积压下率不低于70%；

所述控制冷却的冷却速率为20～60℃/s；

所述的卷取温度区间为580℃～630℃。