CN103451537B

CN103451537B - 一种高焊接性能的低温耐候钢板及其生产方法

Info

Publication number: CN103451537B
Application number: CN201310358569.0A
Authority: CN
Inventors: 许红梅; 张宇; 郭慧英; 王银柏
Original assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2033-08-16
Also published as: CN103451537A

Abstract

本发明公开了一种高焊接性能的低温耐候钢板及其生产方法，以重量百分比计其化学成分为：C0.02～0.06，Si≤0.15，Mn0.40～0.80，P0.001～0.01，S≤0.004，Cu0.20～0.60，Ni1.2～5.0，Ti0.01～0.02，Al<0.01，Mo0.10～0.50，Zr0.003～0.008，W0.02～0.2，Sn0.001～0.004，余量为铁及不可避免的杂质；该钢板通过冶炼和控轧控冷生产工艺制得，抗拉强度≥550MPa，-60℃冲击韧性≥240J，且在焊接热输入量150kJ/cm条件下，焊接热影响区-40℃冲击韧性≥100J；其耐腐蚀能力高，可广泛应用于铁路货车、桥梁、沿海建筑等中厚板领域。

Description

一种高焊接性能的低温耐候钢板及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种焊接性能优良的低温耐候钢板及其生产方法，属耐候钢及其制造技术领域。

背景技术

近年来中厚板在建筑、桥梁、造船和容器等大型钢结构领域得到了广泛应用；除了强度和冲击韧性指标外，建筑和桥梁用中厚钢板还对耐大气腐蚀、焊接性等方面提出了更苛刻的要求。由于普通钢结构维护成本高，因此无涂漆的耐候性钢板在建筑结构领域得到了广泛关注；耐候性钢板在无涂漆的状态下，经过长年的使用后，表面会形成保护性的锈层，可以抑制腐蚀，从而大大降低了钢结构的运行和维护成本。同时，为提高焊接效率，大热输入量焊接方法被不断引入到焊接装配加工中，比如输入热量高达100-250kJ/cm的多丝埋弧焊、气电立焊等正在被引入到建筑和桥梁制造中。

现有专利如专利公开号为CN101845602A，CN102021494提出了一种高性能建筑结构用钢及其制造方法，为了保证钢板的耐候性，采用了普通的Cu+Ni+Cr合金化处理，钢中Mn含量>1.00%，容易造成钢中产生带状组织，有损钢的韧性，且采用高Al成分（>0.035%），会导致铝的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性和耐候性，同时高含量Cr的加入不利于焊接性能。

专利CN101235470A，CN102994875A，具有较高的强度和良好的低温冲击韧性，但其耐腐蚀性能和焊接性能一般。

专利CN101376953B，CN102127717A，CN101994063A，CN101994064A，CN102409253A和CN101792888A报道的钢种其耐腐蚀性能较高，但产品均为厚度较薄的卷板，且其成分中Cr含量都高于2%，一方面影响了钢板的低温韧性，另一方面也恶化了焊接性能；此外在氯化物含量较高的环境下，Cr元素水解时会降低腐蚀顶端的PH值，使得作为铁锈成分的氢氧化铁和羟基氧化铁的溶解度升高，从而降低了锈层对基体的保护作用。

专利CN102168229提出了可用于建筑结构和桥梁等钢结构的耐候钢板及其制造方法，但成分中含有B元素，容易在晶界处产生偏析，造成连铸坯表面裂纹，影响钢板质量；另外，其低温冲击局限在-40℃，不适合在某些严寒地区及对低温韧性要求严格的环境下使用，且其焊接性能未知。中国专利CN101864538B提出了一种经济型无Ni耐候钢，但其低温冲击性能一般，耐候性能也有限。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种焊接性能优良的低温耐候钢，该耐候钢同时具备优异焊接性能和低温冲击韧性，耐腐蚀能力是普通钢种提高2倍以上，既适用于一般含盐量较低的大气环境，又适用于含盐量高的恶劣环境，钢板低温冲击韧性优异，-40℃冲击韧性≥280J，-60℃冲击韧性≥240J，并且该耐候钢焊接性能优良，在焊接热输入量150kJ/cm条件下，焊接热影响区-40℃冲击韧性≥100J。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高焊接性能的低温耐候钢板，以重量百分比计其化学成分组成为：C0.02～0.06，Si≤0.15，Mn0.40～0.80，P0.001～0.01，S≤0.004，Cu0.20～0.60，Ni1.2～5.0，Ti0.01～0.02，Al<0.01，Mo0.10～0.50，Zr0.003～0.008，W0.02～0.2，Sn0.001～0.004，余量为铁及不可避免的杂质。

钢板为细晶粒铁素体组织，晶粒尺寸≤10μm，其屈服强度≥450MPa，抗拉强度为≥550MPa，延伸率≥26%，-40℃冲击韧性≥280J，-60℃冲击韧性≥240J。

钢板中含有体积含量约为3×10⁵/mm³且尺寸≤0.5μm的含Ti和Zr氧化物粒子，使得钢板在焊接热输入量为150kJ/cm条件下，热影响区的-40℃冲击韧性≥100J。

本发明的成分设计主要基于以下原理：

C元素是合金钢中不可缺少的元素，能有效提高钢的强度，但过高的C含量会恶化焊接性，增加冷裂倾向，并且会促进碳化物组织形成，降低钢的耐大气腐蚀性能，所以C含量不宜过高，控制在0.02～0.06%。

Si具有固溶强化的作用，提高钢的强度，提高耐大气腐蚀性能；但含量超过0.15%时，在线能量焊接条件下，会促进焊接粗晶区马奥岛的产生，降低热影响区的低温冲击性能，从而恶化冲击性能。

Mn也能通过固溶强化提高钢的强度，能细化晶粒，提高钢的低温韧性，降低钢的相变温度，同时能提高钢对海洋大气的耐蚀性。但Mn含量过高会使钢的淬透性大增，恶化钢的焊接性能。本发明钢Mn含量为0.40～0.80%。

P是耐候钢中的主要合金元素，但是会降低钢的低温韧性，而且在焊接过程中，当焊缝金属凝固时，促进低熔点夹杂物生成，既容易产生高温裂纹，又增加低温裂纹敏感性，使焊缝的延展性和韧性降低。本发明中P含量控制在较低水平，为0.001%≤P≤0.01%。

S在固态铁中溶解度极小，容易形成低熔点硫化物夹杂分布在晶界上，导致热加工时钢的开裂，严重影响钢的力学性能，并恶化腐蚀性能。因此应该尽量降低S含量，使其控制在0.004%以下。

Cu是耐候钢中的主要合金元素，其电化学电位比Fe高，使得钢板表面的铁锈致密化，促进稳定锈层形成，使腐蚀介质很难穿越，但是如果含量过高，会导致钢的热脆。本发明中将其含量控制在0.20～0.60%。

Ni能提钢的淬透性，提高强度，同时能改善钢的低温韧性，使基体和焊接热影响区的低温韧性大幅度提高，并可有效阻止Cu的热脆引起的网裂。加入Ni元素有利于细化锈层颗粒并促进稳定锈层α-FeOOH的形成，使锈层的电负性增强，在含盐量较高的环境中锈层表面更容易吸附Na⁺，从而阻碍Cl^-入侵。但是Ni价格昂贵，为了显著提高钢板的耐大气腐蚀性能又要考虑成本，将Ni元素控制在1.2～5.0%。

Ti可以通过析出强化提高钢的强度，同时高熔点的碳氮化物能有效钉扎奥氏体晶界，有利于控制奥氏体晶粒长大。另外Ti还有固定C，S元素的作用，阻止低熔点的MnS生成，MnS容易聚集在晶界上，是腐蚀的起源点。本发明钢种Ti含量为0.01～0.02%。

Zr在高温下形成的氧化物可以作为针状铁素体的形核质点，在焊接热影响区形成大量针状组织，改善钢板焊接性能。适量的Zr能提高耐蚀性，但其含量过高会提高焊接热影响区的硬度，提高冷脆性，使焊接性能下降。将其含量设置为0.003～0.008%；

Ti和Zr复合添加可形成大量致密分布的小尺寸复合氧化物粒子，这能显著诱发焊接热影响区的热循环的冷却过程中的晶内铁素体形核，从而提高焊接热影响区的冲击韧性。

Al是本发明钢中的杂质元素，Al含量过高一方面会导致氧化铝夹杂物的大量生成；另一方面会影响钢板的低温冲击韧性。为促进含Ti和Zr氧化物夹杂的形成和保证钢板的低温韧性，其含量应小于0.01%。

Mo提高淬透性，明显推迟铁素体转变。Mo在锈层中形成MoO₄ ^2-,阻碍Cl^-入侵，适量的Mo有利于耐候性提高。但含量过高将达到饱和。本发明钢Mo设计为0.10～0.50%。

W与Sn复合添加后，对钢在含盐量较高的环境中具有较好的抗腐蚀性。W在钢表面的电解液薄膜中形成WO₄ ^2-,阻碍Cl^-入侵。Sn则通过以下方式提高耐蚀性：由于在钢表面Fe元素被氧化后生成Fe³⁺离子，并发生反应：

2Fe³⁺+Fe→3Fe²⁺（1）

Sn在腐蚀界面中形成Sn²⁺，然后发生以下反应：

Sn²⁺+2Fe³⁺→2Fe²⁺+Sn⁴⁺（2）

通过反应（2）可在一定程度上阻止反应（1）的进行，从而阻碍钢的腐蚀。本发明钢中W0.002～0.2%，Sn0.001～0.004%。

本发明的另一目的在于提供一种焊接性能优良的低温耐候钢的生产方法，该方法包括以下步骤：

1）制备钢坯，以重量百分比计该钢坯的化学成分为：C0.02～0.06，Si≤0.15，Mn0.40～0.80，P0.001～0.01，S≤0.004，Cu0.20～0.60，Ni1.2～5.0，Ti0.01～0.02，Al<0.01，Mo0.10～0.50，Zr0.003～0.008，W0.02～0.2，Sn0.001～0.004，余量为铁及不可避免的杂质，精炼过程采用Ti和Zr复合脱氧，且添加前钢水中的氧含量控制在50～100ppm之间；

2）加热工序中，对钢坯加热，使其充分奥氏体化，并使合金充分溶解，加热温度为1150～1250℃；

3）轧制工序中，采用两阶段控轧工艺，第一阶段开轧温度为1000～1100℃，压下率≥50%；第二阶段轧制温度830～870℃，压下率≥60%，终轧温度800～850℃；

4）冷却工序中，轧后以15～25℃/s的冷速冷至550～650℃，然后空冷至室温。

与现有技术相比，本发明耐候钢的有益效果至少在于：

1.通过较低的C-Si-Mn成分设计，和添加较高的Ni及微量Mo、W和Sn，并尽量减少S元素的含量，使该耐候钢获得优异的低温韧性和较高的耐腐蚀性，耐候钢板Akv(-40℃)≥280J，Akv(-60℃)≥240J，能够满足极寒地区耐候钢板的使用要求；

2.通过在精炼过程中采用Ti和Zr复合脱氧，并尽量降低Al元素含量，使钢中形成大量致密分布的小尺寸Ti和Zr的复合氧化物粒子，这些氧化物粒子能有效抑制焊接热影响区原奥氏体晶粒的长大，并诱发焊接热循环的冷却过程中的晶内铁素体形核，从而提高焊接热影响区的冲击韧性，该耐候钢板在焊接热输入量为150kJ/cm条件下，焊接热影响区-40℃冲击韧性≥100J；

3.本发明耐候钢板通过控轧控冷工艺得到了较细晶粒的铁素体组织，晶粒尺寸≤10μm，钢板的屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥550MPa，延伸率≥26%。

附图说明

图1为本发明实施例1钢板的显微组织图片。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种高焊接性能的低温耐候钢板，其成分按重量百分比计，包括：C0.02～0.06，Si≤0.15，Mn0.40～0.80，P0.001～0.01，S≤0.004，Cu0.20～0.60，Ni1.2～5.0，Ti0.01～0.02，Al<0.01，Mo0.10～0.50，Zr0.003～0.008，W0.02～0.2，Sn0.001～0.004，余量为铁及不可避免的杂质。精炼过程采用Ti和Zr复合脱氧，且添加前钢水中的氧含量控制在50～100ppm之间。

本发明耐候钢的钢坯再热温度为1150～1250℃，然后分两个阶段进行轧制，第一阶段开轧温度为1000～1100℃，压下率≥50%；第二阶段轧制温度830～870℃，压下率≥60%，终轧温度800～850℃；轧后以15～25℃/s的冷速冷至550～650℃，然后空冷至室温。

表1为本发明钢的较佳实施例化学成分；

表2为本发明钢实施例的轧制工艺参数；

表3为实施例轧制钢板的力学性能，其中拉伸试样和冲击试样均取自板厚1/2处，且均为横向取样。

表1实施例化学成分

表2实施例轧制工艺

表3实施例轧制钢板力学性能

对实施例钢板进行三丝埋弧焊，焊接线能量为150kJ/cm。焊丝和焊剂采用自行设计的耐候钢专用焊丝和焊剂。焊接参数为：三根丝的电流分别为1350A、1150A、1100A，电压分别为35V、40V、42V，焊接速度为55cm/min。所得焊接接头冲击性能如表4所示，冲击试样规格为10×10×55mm，且所有冲击试样均取自板厚方向距钢板表面2mm的地方，其中WM、FL、FL+1、FL+2、FL+5分别表示冲击试样缺口位置位于焊缝、熔合线、熔合线往外1mm、2mm和5mm的位置。

表4实施例钢焊接接头冲击性能

按照铁路用耐候钢周期性浸润腐蚀试验方法TB/T2375-93进行72h周期浸润腐蚀试验（该标准适用于铁路用耐候钢的耐大气腐蚀性能的评价），试验条件如下：

试验溶液：0.01mol/L的亚硫酸氢钠蒸馏水溶液

试验温度：45±2℃

试验湿度：70±5%RH

每一循环周期：60min±3min，其中浸润时间：12±1.5min

每个钢种取3个平行试样，试验进行72h后，取样吹干并干燥处理。参照钢腐蚀片表面呈土黄色，多处有锈包，锈层疏松易脱落，除锈后腐蚀坑较深，表面不平整；实施例钢的腐蚀片表面也呈黄色，但锈层致密不易脱落，表现出良好的耐候性能，除锈后实施例钢的腐蚀片表面平整，除锈后腐蚀坑较浅，且分布均匀。称重并计算相对腐蚀失重率，试验结果见表5。

表5亚硫酸氢钠溶液周期浸润腐蚀结果

本发明并不局限于上述具体实施方式，凡是在与本发明实质下作有关本发明的任何修饰或者变更，仍应包括在本发明保护范畴之内。

Claims

1.一种高焊接性能的低温耐候钢板，其特征在于，以重量百分比计其化学成分组成为：C0.02～0.06，Si≤0.15，Mn0.40～0.80，P0.001～0.01，S≤0.004，Cu0.20～0.60，Ni1.2～5.0，Ti0.01～0.02，Al<0.01，Mo0.10～0.50，Zr0.003～0.008，W0.02～0.2，Sn0.001～0.004，余量为铁及不可避免的杂质，钢板的生产方法包括以下步骤：

1)制备钢坯，以重量百分比计该钢坯的化学成分为：C0.02～0.06，Si≤0.15，Mn0.40～0.80，P0.001～0.01，S≤0.004，Cu0.20～0.60，Ni1.2～5.0，Ti0.01～0.02，Al<0.01，Mo0.10～0.50，Zr0.003～0.008，W0.02～0.2，Sn0.001～0.004，余量为铁及不可避免的杂质，精炼过程采用Ti和Zr复合脱氧，且添加前钢水中的氧含量控制在50～100ppm之间；

2)加热工序中，对钢坯加热，使其充分奥氏体化，并使合金充分溶解，加热温度为1150～1250℃；

3)轧制工序中，采用两阶段控轧工艺，第一阶段开轧温度为1000～1100℃，压下率≥50％；第二阶段轧制温度830～870℃，压下率≥60％，终轧温度800～850℃；

4)冷却工序中，轧后以15～25℃/s的冷速冷至550～650℃，然后空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的一种高焊接性能的低温耐候钢板，其特征在于，钢板组织为细晶粒铁素体，晶粒尺寸≤10μm，其屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥550MPa，延伸率≥26％，-40℃冲击韧性≥280J，-60℃冲击韧性≥240J。

3.根据权利要求1所述的一种高焊接性能的低温耐候钢板，其特征在于，钢板中含有体积含量约为3×10⁵/mm³且尺寸≤0.5μm的含Ti和Zr氧化物粒子，使得钢板在焊接热输入量为150kJ/cm条件下，焊接热影响区-40℃冲击韧性≥100J。