CN103074548A

CN103074548A - 一种高耐蚀型高强度含Al耐候钢板及其制造方法

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Publication number: CN103074548A
Application number: CN2013100261115A
Authority: CN
Inventors: 宋凤明; 温东辉; 李自刚; 胡晓萍; 杨阿娜; 李建业
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2033-01-24
Also published as: JP6415453B2; US10760149B2; WO2014114160A1; JP2016511326A; US20150354041A1; CN103074548B; KR20150110719A; KR102240599B1

Abstract

本发明涉及一种高耐蚀型高强度含Al耐候钢板及其制造方法，其化学成分重量百分含量为：C：0.02-0.07%，Si：0.2-1.0%，Mn：0.2-2.2%，P≤0.01%，S≤0.006%，Cu：0.2-0.5%，Cr：0.5-3.5%，Ni：0.2-1.2%，Al：0.4-4.0%，N≤0.005%，并选择添加Nb：0.01-0.06%，Ti：0.01-0.10%，V：0.02-0.10%中的一种或多种，其余为Fe和不可避免的杂质；且Al/Cr为0.5-8.0。其屈服强度350-500MPa，延伸率在20%以上，同时具有良好的冲击韧性和较低的屈强比；耐候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，相对腐蚀率在27%以下。

Description

一种高耐蚀型高强度含Al耐候钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及耐候钢制造领域，特别涉及一种高耐蚀型高强度含Al耐候钢板及其制造方法。

背景技术

耐候钢或称耐大气腐蚀钢，如中国专利CN1609257公开的“针状组织高强度耐候钢及其生产方法”、中国专利CN1986864公开的“一种高强度低合金耐大气腐蚀钢及其生产方法”以及日本专利号JP04235250A公开的“HIGH CORROSION RESISTANT STEEL SHEE”、美国专利号US6315946公开的“Ultra low carbon bainitic weathering steel”等。上述专利所涉及的钢种均属传统CORTEN钢系列钢种，成分体系属于Cu-P-Cr-Ni系或Cr-Mn-Cu系，通过辅助添加其他微量合金元素并在一定的轧制工艺条件下获得不同组织形态，从而达到所需的力学性能和耐蚀性能。在合金成分上为低Cr耐候钢，Cr含量一般在0.7%以下，Al含量不超过0.1%。

然而，依靠P、Re提高耐蚀性能存在P的偏析开裂及Re含量难以控制等问题。为进一步提高耐大气腐蚀性能，研究人员转向于通过大幅度提高其它耐蚀元素的含量开发了高合金型的耐候钢。如日本专利号JP01079346A公开的“耐海水腐蚀钢”、日本专利号JP05302148A公开的“高耐蚀性强磁型制振合金”以及日本专利号JP10025550A公开的“耐蚀钢”、日本专利号JP2000336463公开的“CORROSION RESISTANT STEELIN THE SOIL”及日本专利号JP2002285298公开的“Cr-CONTAININGCORROSION RESISTANT STEEL FOR BUILDING ANDCONSTRUCTION STRUCTURE”等。

上述五个专利所涉及钢种均含有较高的Al、Cr成分，同时配合其它合金元素实现特定的力学性能。其中前两个专利属于高Al型耐候钢，专利JP01079346A钢中Al含量高达7-20%，而专利JP05302148A钢中除了高Al含量外，还含有远超普通耐候钢水平的Si、Cr；而后三个专利在成分体系上都属于高Cr体系耐候钢，Cr含量一般在7%以上，多为9-14%之间。其中专利JP10025550A中甚至含有高达0.45-0.65%的C。另外，上述专利还含有不等量的Co、W、Mo、B、Zr等成分。由上述专利所代表的高Al系、高Cr系耐候钢，由于其合金成分太高，一方面增加了炼钢、轧钢的生产难度，同时成本也大幅度提高。

现有技术的耐候钢，在保证良好力学性能的同时，其相对腐蚀率往往不高，甚至有的钢种的综合力学性能也保证不了，只是某一方面的力学性能优异，满足不了铁路车辆等提高耐腐蚀的用钢要求，服役期限较短，维修成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高耐蚀型高强度含Al耐候钢板及其制造方法，以解决现有技术中存在的上述问题。该高耐蚀型高强度含Al耐候钢板的屈服强度为350-500MPa，相对腐蚀率在27%以下，-40℃条件下夏比冲击功在60J以上，延伸率在20%以上；主要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，本发明采用如下的技术方案：

一种高耐蚀型高强度含Al耐候钢板，其化学成分重量百分含量（wt%）为：C：0.02-0.07%，Si：0.2-1.0%，Mn：0.2-2.2%，P≤0.01%，S≤0.006%，Cu：0.2-0.5%，Cr：0.5-3.5%，Ni：0.2-1.2%，Al：0.4-4.0%，N≤0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质；且Al/Cr为0.5-8.0。

进一步的，本发明的高耐蚀型高强度含Al耐候钢板，还包括Nb、Ti和V中的一种或多种，其中Nb：0.01-0.06%，Ti：0.01-0.10%，V：0.02-0.10%，以重量百分比计。

本发明的高耐蚀型高强度含Al耐候钢板，其屈服强度达到350-500MPa，满足耐候钢的高强度要求；相对Q345B的耐大气腐蚀性能，其相对腐蚀率降低到27%以下，远低于目前要求普通耐候钢相对Q345B腐蚀率不超过55%的规定水平，耐大气腐蚀性能在目前的基础上提高了1倍。其在-40℃条件下夏比冲击功在60J以上；延伸率在20%以上。

耐候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，显著提高钢的耐大气腐蚀性能。因此本发明根据主要耐蚀合金元素相互作用提高耐蚀性能的原理，通过不同Al、Cr成分的配合，控制Al/Cr比在0.5-8.0之间，并配合适当的其它合金元素，设计了一种Al-Cr成分体系的耐大气腐蚀钢，钢的屈服强度达到350-500MPa，满足耐候钢的高强度要求。相对Q345B钢的耐大气腐蚀性能，本发明钢种的相对腐蚀率降低到27%以下，远低于传统高耐候钢相对Q345B钢的腐蚀率不超过55%的规定水平，耐大气腐蚀性能提高了1倍。本发明钢种在保证良好力学性能的同时，其相对腐蚀率降低了1倍，满足铁路车辆等提高耐腐蚀的用钢要求，达到延长服役期限，降低维修成本。同时，本发明钢种在目前普通热连轧耐候钢的基础上适当控制轧制温度并辅以适当的冷却速度，在获得优异综合性能的同时，易于实现规模化工业生产。而且，Al是地壳中含量仅次于氧和硅的第三大元素，储量丰富。选择Al作为主要的耐蚀元素，减少了贵重稀有资源的消耗，起到节约资源的作用。

在本发明的高耐蚀型高强度含Al耐候钢板的成分设计中：

Al：Al通常在炼钢过程中作为脱氧剂在钢中添加，微量的Al同时有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。同时Al具有良好的抗氧化性，暴露在空气中即可在表面生成一种耐腐蚀的氧化层。低碳钢中加入适量的Al可以提高钢的耐大气腐蚀性能。添加Al后，钢的腐蚀电位提高，同时Al与O（氧）能够在表层形成致密的Al₂O₃薄膜，薄膜内含有耐蚀性能好的物相α-Al₂O₃，AlFeO₃，AlFe₃等物质，耐腐蚀性能提高。但过高的Al将使钢中铁素体脆性增加而导致钢韧性的降低，所以控制其含量为0.4-4%。

Cr：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。同时含Al钢中Cr的添加可以有效提高塑性、韧性，并且Cr与Al配合显著提高钢的耐大气腐蚀性能，并且在一定的Al及Cr含量条件下随着Al/Cr比的提高，钢的腐蚀速率有降低的趋势。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。综合考虑不同Al、Cr含量对钢板性能的影响，控制Al/Cr比在0.5-8.0之间。

C：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。所以限定其含量为0.02-0.07%。

Si：Si含量控制在0.2-1.0%，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，但含量过高将导致其焊接性能下降，因此上限控制在1.0%。

Mn：Mn具有较强的固溶强化作用，同时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，所以将其含量控制在0.2-2.2%。

S：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含量过高会降低钢的韧性及塑性，同时，P的存在易产生偏析，因而本发明钢种设计采用极低的S、P含量，其控制范围为P≤0.01%，S≤0.006%。

Ni：Ni是能够提高钢的强度同时改善其韧性的元素，并提高其淬透性，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，而且过高的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。所以其含量限定为0.2-1.2%。

Cu：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，所以其含量控制在0.20-0.50%。

Nb：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，可以选择添加，建议不超过0.06%。

Ti和V：添加0.01-0.10%Ti主要是抑制板坯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。含Al低碳钢中同时加入微量的V或Ti可以明显降低腐蚀速率。所以选择添加的V量控制在0.02-0.1%范围内。

N：钢中Al元素与N结合易形成AlN，从而使钢中的氮化物数量显著增多。AlN作为一种非金属夹杂物独立存在于钢中时，破坏了钢基体的连续性，尤其是AlN数量较多、呈聚集分布时，其危害程度更甚，因此必须控制N含量在0.0050%以下。

除了本发明上述钢种的化学成分范围的控制之外，本发明的另一关键技术涉及该高耐蚀型高强度含Al耐候钢板生产工艺流程的选择和控制。其基本工艺流程如下：

冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取→精整→交货。

本发明高耐蚀型高强度含Al耐候钢板的制造方法，具体包括如下步骤：

1）冶炼、炉外精炼、连铸：

按下述成分冶炼、炉外精炼、铸造形成板坯，化学成分重量百分含量为：C：0.02-0.07%，Si：0.2-1.0%，Mn：0.2-2.2%，P≤0.01%，S≤0.006%，Cu：0.2-0.5%，Cr：0.5-3.5%，Ni：0.2-1.2%，Al：0.4-4.0%，N≤0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质；且Al/Cr为0.5-8.0；

或者钢水化学成分还包括Nb、Ti和V中的一种或多种，其中Nb：0.01-0.06%，Ti：0.01-0.10%，V：0.02-0.10%，以重量百分比计；

2）板坯加热：将步骤1）获得的板坯进行加热，加热温度为1220℃以上；

3）轧制：采用粗轧、精轧两段控制轧制工艺，且精轧的终轧温度为720-800℃；

4）冷却：将轧制后钢板进行冷却，且冷却速度为10-40℃/s；

5）卷取、精整：控制钢板在460-520℃范围内进行卷取，之后再冷却至室温，并进行精整即可获得所述高耐蚀型高强度含Al耐候钢。

本发明涉及钢种中含有较多的Al，而Al为促进铁素体形成元素，其连续冷却曲线（CCT曲线）如图1所示。从图1中可以看出，钢种的奥氏体化温度在1150℃以上。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，本发明特别强调钢坯在1220℃以上再加热，采用两段控制轧制工艺。

为获得本发明钢所要求的性能，必须控制钢的基体组织为铁素体+贝氏体。从CCT曲线看，本发明涉及钢种具有很宽的铁素体区。为获得优异的综合性能，保证再结晶细化晶粒效果，要求950℃以上的累计变形量≥80％，精轧终轧温度不低于750℃（成品厚度增加可适当降低终轧温度）；为保证形变细化晶粒效果，终轧温度控制在720-800℃，终轧温度超过800℃，晶粒组织会迅速长大并粗化；温度过低则导致轧制力过高，能耗增加。

从连续冷却曲线可以看出，冷却速度在50℃/s以下均可以获得铁素体+贝氏体组织。考虑到快速冷却以细化组织及相变完成时间，欲在短时间内完成大部分铁素体→贝氏体相变，冷却速度必须控制在10℃/s以上；而冷却速度过高，在组织相变点随之降低，钢中的铁素体组织含量偏低，导致钢的塑性变差，所以控制冷却速度在40℃/s以下。因此本发明的钢种的轧后冷速控制在10-40℃/s范围内。

卷取温度根据钢的相变点并结合钢板组织确定。从图1看，钢的马氏体相变开始温度约为460℃，停冷温度低于这个温度将形成大量马氏体，虽然提高了强度但严重降低钢材料的韧性和塑性；停冷温度超过520℃则无法获得铁素体+贝氏体的组织，所以必须控制钢种在460-520℃范围内卷取，之后再冷却至室温。

本发明的高耐蚀型高强度含Al耐候钢板，其化学成分配比和力学性能如表1所示，并与相近钢种进行了化学成分、性能的对比（参见表1）。

其中，对比专利1：中国专利CN101376953A，其为超低碳成分，同时Mn含量也极低，且要求含有一定量的N、Ca。

对比专利2：日本专利号JP2002363704，其成分上必须3-20%的Mn，并选择添加Cu、Ni、Mo、Nb、V、Ti、Zr及Mg+Ca等元素中的一种或多种。

对比专利3：日本专利号JP2002285298，其成分上还必须添加N，同时添加4-9%的Cr，并选择添加Cu、Ni、Mo、Nb、V、Ti、Ca及Mg、Re等元素中的一种或多种。

表1 本发明钢与对比钢种的化学成分、力学性能的对比

从表1的对比可知：

对比专利1、2均为高耐蚀型耐候钢，其中对比专利1为屈服强度700MPa以上的钢种，要求超低碳成分（C：0.002%-0.005%)，且Mn、Al含量均在0.05%以下，炼钢难度大，同时Cr含量（4.5-5.5%）也高于本实施例要求的0.5-3.5%的含量范围，并要求添加一定含量的N；与本发明有明显的差异；

对比专利2的钢种中Cr、Al成分范围更宽泛，其上限均远超过本发明钢种Cr、Al成分含量要求，这在本发明中起到很大的不利作用，如过高的Al将使钢中铁素体脆性增加而导致钢韧性的降低，过高的Cr同时对焊接及韧性不利，且Cr、Al的配比也带来很大的不利，不符合本发明的成分设计要求；特别是Mn含量要求3-20%，而本发明钢种Mn含量在2.2%以下，其明显超过本发明钢中Mn成分的含量，并要求同时添加Mo、Zr等合金元素。该对比专利2的钢种，其屈服强度范围为250MPa-650MPa，低至250MPa，涵盖范围较为宽泛，且没有其他如耐腐蚀性、屈强比、延伸率、-40℃夏比冲击功等其他方面的综合性能数据。所以对比专利1和2这两个专利与本发明均存在明显不同。

对比专利3所涉及钢种Cr含量为4-9%，远高于本发明钢的0.5-3.5%的Cr含量；并同时要求含有最高达10%的Cu和Ni。另外，对比专利3所涉钢种还需要有0.02%的N、0.01-1.0%的Mo、0.005-0.05%的Mg、0.001-0.1%的稀土等元素成分，这些元素的添加，一方面增加了制造成本及制造难度，而且对钢板的焊接及韧性不利，而本发明中不需要含有上述含量的元素成分。

此外，本发明钢的力学性能要求也与对比专利的各种钢不同，本发明的高耐蚀型高强度含Al耐候钢板要求屈服强度为350-500MPa，而对比专利1的钢屈服强度则在700MPa以上，对比专利2的钢强度范围较宽泛；另外，对比专利1-3的钢均没有任何有关低温韧性的性能数据。

本发明与现有技术相比，其高耐蚀型高强度含Al耐候钢板具有如下优点和有益效果：

1.本发明钢种的屈服强度为350MPa-500MPa，属于高强度耐候钢，可满足车辆降低构件自重的要求。

2.适量Al和Cr的加入保证了本发明钢种具有优良的耐大气腐蚀性能，特别是控制Al、Cr的配比，在保证良好力学性能的同时，使得本发明钢种耐大气腐蚀性能相对于传统耐候钢提高一倍以上，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，降低了使用和维修成本。

3.本发明钢种具有优良的冷弯加工及低温韧性，-40℃条件下冲击功在60J以上，即使半试样的冲击功也不低于40J，甚至超过60J（如表3所示）。

4.本发明钢种采用控轧控冷（TMCP）生产工艺生产，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为本发明高耐蚀型高强度含Al耐候钢板的CCT曲线（计算）。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的说明：

按照本发明的高耐蚀型高强度含Al耐候钢板的化学成分的重量百分比含量（其化学成分配比见表2）要求，在试验室500kg真空感应炉上冶炼本发明钢。钢坯加热温度为1220℃以上，终轧温度为720～800℃，卷取温度为460～520℃，随后空冷至室温。实施例钢的相关力学性能参见表3。

表2 单位：重量百分比

表3

注：1）B1和B2为采用表2中B的化学成分的钢水进行制造；D1和D2为采用表2中D的化学成分的钢水进行制造

2）小于10mm规格的钢板A、B1、C、D1，其－40℃冲击功为半试样的冲击功，其余为全试样的－40℃冲击功。

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。9种实施例钢种（A-G）及对比钢的耐大气腐蚀性能如表4所示。

表4 9种实施例钢的耐大气腐蚀性能

按照本发明的高耐蚀型高强度含Al耐候钢的成分设计范围及轧制工艺控制所获得的实施例钢的屈服强度为350-500MPa，延伸率在20%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，相对腐蚀率在27%以下。因此，本发明的高耐蚀型高强度的含Al耐候钢种可完全取代传统耐候钢和当前已有高强度耐候钢，可广泛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

1.一种高耐蚀型高强度含Al耐候钢板，其化学成分重量百分含量为：C：0.02-0.07%，Si：0.2-1.0%，Mn：0.2-2.2%，P≤0.01%，S≤0.006%，Cu：0.2-0.5%，Cr：0.5-3.5%，Ni：0.2-1.2%，Al：0.4-4.0%，N≤0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质；且Al/Cr为0.5-8.0；钢板屈服强度为350-500MPa，相对腐蚀率在27%以下，-40℃条件下夏比冲击功在60J以上，延伸率在20%以上。

2.如权利要求1所述的高耐蚀型高强度含Al耐候钢板，其特征在于，还包括Nb、Ti和V中的一种或多种，其中Nb：0.01-0.06%，Ti：0.01-0.10%，V：0.02-0.10%，以重量百分比计。

3.一种高耐蚀型高强度含Al耐候钢板的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、炉外精炼、连铸；

按下述成分冶炼、炉外精炼、连铸形成板坯，化学成分重量百分含量为：C：0.02-0.07%，Si：0.2-1.0%，Mn：0.2-2.2%，P≤0.01%，S≤0.006%，Cu：0.2-0.5%，Cr：0.5-3.5%，Ni：0.2-1.2%，Al：0.4-4.0%，N≤0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质；且Al/Cr为0.5-8.0；

2)板坯加热：将步骤1）获得的板坯进行加热，加热温度为1220℃以上；

3)轧制：采用粗轧、精轧两段控制轧制工艺，且精轧的终轧温度为720-800℃；

4)冷却：将轧制后钢板进行冷却，冷却速度为10-40℃/s；

5)卷取、精整：

控制钢板在460-520℃范围内进行卷取，之后再冷却至室温，并进行精整即可获得所述高耐蚀型高强度含Al耐候钢；所获钢板的屈服强度为350-500MPa，相对腐蚀率在27%以下，-40℃条件下夏比冲击功在60J以上，延伸率在20%以上。

4.如权利要求3所述的高耐蚀型高强度含Al耐候钢板的制造方法，其特征在于，所述钢水化学成分还包括Nb、Ti和V中的一种或多种，其中Nb：0.01-0.06%，Ti：0.01-0.10%，V：0.02-0.10%，以重量百分比计。