CN105239007B - 一种无镍高韧性耐候钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于耐候钢技术领域，具体地，本发明公开了一种无镍高韧性耐候钢板及其制造方法。它是由C、Si、Mn、Cu、Cr和Fe共6种化学成分冶炼轧制而成。该高韧性耐候钢板是在相应标准基础上添加适量Cu、Cr，通过C、Si、Mn窄成分控制，严格控制P、S含量，不添加Nb、V、Ti及贵重Ni元素，配合本发明的轧制工艺，实现钢板强度富余量合理、高韧性、良好焊接性能和表面质量等要求，极大降低了生产成本，适合大生产操作。

Description

一种无镍高韧性耐候钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于耐候钢技术领域，具体地，本发明涉及一种无镍高韧性耐候钢板及其制造方法，特别涉及一种具有良好力学性能、冲击韧性、焊接性能和耐腐蚀等综合性能的无镍高韧性耐候钢板及其制造方法。

背景技术

Cr/Cu元素作为耐候钢的必要元素，可明显提高其力学和耐腐蚀性能，考虑综合力学性能、焊接性能和表面质量等特殊使用要求，目前耐候钢的成分设计主要采用两条线路。一种设计思路是添加Nb、V、Ti及贵重Ni元素，其中，Ni元素除提高耐腐蚀性能外，还能有效抑制Cu元素因高温选择氧化(选择氧化钢中的Fe，而Cu不被氧化)，阻止板坯轧制过程中氧化铁皮下富集的液相Cu沿晶界向基体内部渗透，造成板坯表面和边部出现缺陷和开裂，添加Nb、V、Ti中的一种或几种作为细化晶粒元素，可改善钢板强度富余量。该成分思路设计的耐候钢综合力学性能、焊接性能和表面质量良好，但是成本较高。

另一种设计思路是尽量减少使用合金元素，尤其是贵重Ni元素，利用低成本合金元素取代贵重金属元素制备经济型耐候钢，但是在综合力学性能稳定性、表面质量控制方面效果不好。公开号CN101864538A的专利，公开了一种无镍耐候钢及其热轧板制备方法，该专利所述耐候钢是高耐候宽带钢产品，该专利采用刻意添加Cr、Cu、P的方式来实现钢板良好的耐候性。但是，该专利Cr、Cu元素范围相对宽泛，对焊接会造成一定影响，该专利的低温冲击韧性级别和和具体数值都相对较低。

本发明结合前期生产经验，在Cr/Cu必要元素基础上，成分设计不添加Nb、V、Ti及贵重Ni元素，极大降低了生产成本，合理设计C、Si、Mn强化元素的内控区间和严格控制P、S含量，并实现窄成分控制，同时配合后续加热和轧制工艺，取得以下效果：①C、Si、Mn强化元素保证钢板强度富余量；②合理的加热制度使板坯尽量避开铜致热裂纹敏感温度，配合后续除鳞工艺，获得良好的表面质量；③窄成分控制使成分波动小，焊接裂纹敏感指数低。

发明内容

本发明的目的是提供了一种无镍高韧性耐候钢板及其制造方法。主要解决现有无镍耐候钢存在的C、S、Mn含量较高，导致冷裂纹指数偏高，焊接性能不是很好、综合力学性能和表面质量不好等技术问题。

为达到上述目的，本发明提供的无镍高韧性耐候钢板，其成分及重量百分比含量为：C：0.12wt％-0.15wt％、Si：0.15wt％-0.30wt％、Mn：0.80wt％-0.95wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.010wt％、Cu：0.25wt％-0.35wt％、Cr：0.40wt％-0.50wt％，其余为Fe。

本发明提供的上述无镍高韧性耐候钢板的制备方法，包括以下步骤：

1)按配比备料、然后依次进行转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸；

2)对连铸板坯加热：加热炉中采用三段加热工艺，第一段：预热段温度设定700-850℃；第二段：分为加热2-1段和加热2-2段，加热2-1段温度设定1050-1200℃，使板坯温度快速通过1100-1200℃铜致热裂纹敏感温度；加热2-2段温度设定1200-1290℃；第三段：均热段炉气温度设定为1220-1270℃；

3)控制轧制。

根据本发明的制备方法，其中，步骤2)加热后，需保证板坯出炉温度1200-1250℃，且板坯表面和心部温差小于25℃。

根据本发明的制备方法，其中，步骤3)所述控制轧制的粗、精轧轧制过程中，首道次及末道次除鳞，除鳞时上下集管全部投入，除鳞水压25-32MPa。其余道次根据厚度规格和温度控制要求有选择的投入，从而保证除鳞效果。高压和多道次条件下的水除鳞，一方面避免形成的富铜液相向基体内渗透而造成裂纹，同时有利于氧化铁皮的破碎和彻底去除。

本发明涉及到的机理如下：

提高耐腐蚀方面：Cu在钢中加入量一般为0.2％-0.4％，关于Cu对改善钢的耐大气腐蚀性能作用机理，主要有两种机制：一种是促进阳极钝化论，钢与表面二次析出的Cu之间的阴极接触，能促使钢阳极钝化，并形成保护性较好的锈层；另一种是Cu富集，Cu在基体与锈层之间形成以Cu、P为主要成分的阻挡层，它与基体结合牢固，因而具有较好的保护作用。Cr在钢中加入量一般为0.4％-1.0％，Cr能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。

克服热轧过程中铜致热裂纹方面，研究表明，1100-1200℃是含铜钢铜致热裂纹的敏感温度，低于或高于该温度加热，氧化层与基体界面处铜元素富集将明显减少，因此，通过优化板坯在加热炉内的加热工艺，使板坯加热温度迅速通过铜致热裂纹敏感温度，可减少Cu元素在材料表面的富集。

采用本发明具有以下优点和效果：

本发明是在添加适量Cu、Cr必要元素，通过C、Si、Mn窄成分控制，严格控制P、S含量，不添加Nb、V、Ti及贵重Ni元素，仅通过合金成分优化和板坯加热工艺的控制提高无Ni耐候钢的耐腐蚀性能和表面质量。配合本发明生产的无镍耐候钢板，实现强度富余量合理、高韧性、良好焊接性能和表面质量等要求，极大降低了生产成本。本发明可满足国内大多数钢厂实际生产条件，不需要改变热轧生产线设备直接应用，可用于生产不同厚度规格的各种耐候宽厚板产品。

附图说明

图1是本发明实施例的耐腐蚀对比试验结果。

具体实施方式

实施例化学成分见表1，按照本发明的钢种的成分要求，转炉冶炼、炉外精炼和板坯连铸工序，板坯出炉温度控制在1200-1250℃之间，板坯除磷后表面质量良好，

最终钢板的板形和表面质量良好。所得耐候钢的力学性能见表2。

表1 本发明各实施例的化学成分(wt％)

炉次编号	C	Si	Mn	P	S	Cu	Cr
								A	0.12	0.15	0.80	0.008	0.003	0.25	0.40
B	0.135	0.25	0.88	0.009	0.002	0.31	0.46
								C	0.15	0.30	0.95	0.006	0.002	0.35	0.50

表2 本发明各实施例耐候钢的力学性能

上述无镍高韧性耐候钢板的制备方法，包括以下步骤：

1)按配比备料、然后依次进行转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸；

2)对连铸板坯加热：加热炉中采用三段加热工艺，第一段：预热段温度设定700-850℃；第二段：分为加热2-1段和加热2-2段，加热2-1段温度设定1050-1200℃，使板坯温度快速通过1100-1200℃铜致热裂纹敏感温度；加热2-2段温度设定1200-1290℃；第三段：均热段炉气温度设定为1220-1270℃；保证板坯出炉温度1200-1250℃，且板坯表面和心部温差小于25℃。

3)控制轧制：粗、精轧轧制过程中，首道次及末道次除鳞，除鳞时上下集管全部投入，除鳞水压25-32MPa。其余道次根据厚度规格和温度控制要求有选择的投入，从而保证除鳞效果。

以普通Q345B(成分见表3)及本发明的耐候钢为对比样品，按TB/T2375-93《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》进行周期浸润循环腐蚀试验。腐蚀试样按照TB/T 2375-93的要求加工成60mm×40mm×4mm的腐蚀样。试样尺寸精确到0.01mm，重量精确到0.0001g。

表3 Q345B成分

牌号	C	Si	Mn	P	S	Cu	Cr
								Q345B	0.15	0.28	1.20	0.009	0.003	-	-

周期浸润试验参照TB/T 2375-93规定进行，实验方法如下：试验溶液为0.01mol/L的NaHSO₃溶液，pH值在4.4-4.8范围内，每天补加适量0.02mol/L的NaHSO₃溶液，溶液温度为45±2℃，湿度为70±5％，烘烤后试样表面最高温度70±10℃；每循环周期为60min，其中浸润时间为12±1.5min。试验时间：24h、48h、96h和144h。

腐蚀率按TB/T 2375—93规定公式计算。腐蚀率的计算表达式为：

W＝(w_o－w_t)×10⁶/〔2(a×b+a×c+b×c)t〕

式中：W—腐蚀率，单位:g/m²·h；

w_t—试样腐蚀t时间除锈后的重量，单位：g；

w_o—试样腐蚀前的重量，单位：g；

a、b、C分别为试样的长、宽、高，单位：mm；

t—试验时间，单位：h。

利用上述公式对周期浸润试验原始数据进行处理，得到三种试验钢试样经实验室周期浸泡加速腐蚀24h、48h、96h和144h后的腐蚀率平均值，见表4，汇成曲线如图1所示。

表4 本发明实施例的耐大气腐蚀性能(g/m²·h)

牌号	24h	48h	96h	144h
					Q345B	1.698	2.522	2.206	1.771
本发明	1.334	1.260	1.257	1.222

从表4和图1可以看出，Q345B钢的腐蚀速率在24h至48h是增加的，除此之外，两试验钢平均腐蚀速率随着试验时间的增加有整体下降趋势，这是因为随着试验时间的增加，钢的表面形成了一定厚度的锈层，对基体形成了一定的保护作用，锈层中化学反应减缓；本发明耐候钢的平均腐蚀速率比Q345B钢的平均腐蚀速率低，这是因为钢中都含有对耐蚀性有益的元素Cu、Cr等。在周浸试验144小时以后，两试验钢的平均腐蚀速率都趋于稳定，这时因为生成了具有稳定保护作用的内锈层，锈层越来越致密。

从表2可以看出，本发明的耐候钢还具有良好的低温冲击韧性和较低的屈强比，能够取代传统含Ni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。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种无镍高韧性耐候宽厚钢板，其特征在于，所述耐候宽厚钢板的成分及重量百分比含量为：C：0.12wt％-0.15wt％、Si：0.15wt％-0.30wt％、Mn：0.80wt％-0.95wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.010wt％、Cu：0.25wt％-0.35wt％、Cr：0.40wt％-0.50wt％，其余为Fe；

所述无镍高韧性耐候宽厚钢板的制备方法，包括以下步骤：

1)按配比备料、然后依次进行转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸；

2)对连铸板坯加热：加热炉中采用三段加热工艺，第一段：预热段温度设定700-850℃；第二段：分为加热2-1段和加热2-2段，加热2-1段温度设定1050-1200℃，使板坯温度快速通过1100-1200℃铜致热裂纹敏感温度；加热2-2段温度设定1200-1290℃；第三段：均热段炉气温度设定为1220-1270℃；

3)控制轧制。

2.根据权利要求1所述的无镍高韧性耐候宽厚钢板，其特征在于，步骤2)加热后，需保证板坯出炉温度1200-1250℃，且板坯表面和心部温差小于25℃。

3.根据权利要求1或2所述的无镍高韧性耐候宽厚钢板，其特征在于，步骤3)所述控制轧制的粗、精轧轧制过程中，首道次及末道次除鳞，除鳞时上下集管全部投入，除鳞水压25-32MPa。