CN106282801B - 一种热轧大粗糙度表面耐候钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热轧大粗糙度表面耐候钢，主要化学成分按质量百分比为：C0.02～0.08％、Si 0.10～0.30％、Mn 0.15～0.40％、S≤0.008％、P≤0.02％、Cu 0.20～0.40％、Cr0.20～0.50％、Ni 0.10～0.40％，Ti 0.010～0.030％，Als含量≤0.03％，其余为铁和不可避免的杂质。本发明提供的热轧大粗糙度表面耐候钢为一种免喷砂直接涂装耐候钢，其表面为表层Fe₃O₄+中间层Fe/Fe₃O₄+底层Fe₃O₄组成的三层氧化铁皮结构，这种氧化铁皮结构与钢基体结合力良好，在平整时的表面粗糙度转印过程中，仅发生少量脱落，在变形、焊接等工艺过程中不发生脱落，表面粗糙度Rz可根据涂装需求控制在20～50μm，表面可溶性氯盐含量可控制在≤10μg/cm²，达到免喷砂直接涂装的要求。

Description

一种热轧大粗糙度表面耐候钢及其制造方法

技术领域

本发明属于热轧板带的生产领域，具体涉及一种热轧大粗糙度表面耐候钢及其制造方法。

背景技术

钢铁产品在服役时长期暴露在空气中，会受到环境中的水分、气体、微生物、紫外线等的侵蚀发生腐蚀而逐渐毁坏，因此在钢铁产品生产中添加Cu、Ni、Cr、Mo等耐候元素增加其自身的耐蚀性，同时对钢铁产品表面进行涂装进一步增加其表面的耐蚀能力。

涂装质量的好坏直接影响涂层性能的优劣，对基材的使用价值也有直接影响，研究表明涂装前钢材表面预处理质量是决定涂膜保护性能的最主要因素。在涂装前，在表面预处理的不同工艺中，喷砂预处理可清除带钢表面氧化铁皮层、铁锈或者其他污物，并且提高钢材表面粗糙度，提升涂层附着力及其保护性能。但是，喷砂预处理在生产过程中造成了较大的粉尘污染，且噪音较大，严重恶化作业环境且增加了工序成本。基于降本增效及环保方面的考虑，能实行免喷砂预处理的耐候钢种开发成为研究热点。

目前对钢材表面进行免喷砂直接涂装方面的研究主要集中在钢材表面氧化铁皮的结构厚度控制，没有考虑涂装对象表面状况的改进，氧化层与漆膜的结合力不够，使适用范围受到一定的限制，涂装质量与在某些特定场合达不到要求，大大影响了免喷砂预处理的耐候钢种的应用。

授权公告号为CN102691004B的中国专利提出一种免喷砂及抛丸处理集装箱用耐候钢的生产方法，公开号为CN102690937A的中国专利提出一种薄规格免喷砂及抛丸处理结构用钢的生产方法。以上方法均是通过控制轧钢过程中的工艺参数，使钢材表面形成以致密Fe₃O₄为主的氧化铁皮结构，在成型过程中不发生脱落并提供一定的耐蚀性能，上述专利对精轧末机架轧辊表面粗糙度Ra有一定的要求，但对轧辊表面的粗糙度要求仅为0.8～2.4μm。在热轧过程中轧辊表面受冷热交替、高温高压影响，轧辊表面氧化铁皮处于生长及磨损的交变状态，极端条件下氧化膜甚至会发生脱落，生产出来的钢板表面粗糙度一般在为Ra为0.5～1.5μm左右，与很多涂装场合的标准要求Rz为20～50μm相距甚远。

另一个方面，钢材在生产过程中，其表面会与层流冷却水接触，若层流冷却水中的水质恶劣，会给后续涂层造成潜在的损害。上述专利均未涉及相应指标的控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种热轧大粗糙度表面耐候钢及其制造方法，表面生成氧化层具有特殊结构并与基体结合紧密，控制表面氧化铁皮粗糙度变化稳定及表面残留，达到免喷砂直接涂装的要求。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种热轧大粗糙度表面耐候钢，其化学成分按质量百分比为：C 0.02～0.08％、Si0.10～0.30％、Mn 0.15～0.40％、S≤0.008％、P≤0.02％、Cu 0.20～0.40％、Cr 0.20～0.50％、Ni 0.10～0.40％，Ti 0.010～0.030％，Als含量≤0.03％，其余为铁和不可避免的杂质。

本发明所述热轧大粗糙度表面耐候钢为免喷砂直接涂装耐候钢，其表面为表层Fe₃O₄+中间层Fe/Fe₃O₄+底层Fe₃O₄组成的三层氧化铁皮结构，表层、中间层和底层各层厚度比例范围约为2:3:1，表面粗糙度Rz可根据涂装需求控制在20～50μm，表面可溶性氯盐含量可控制在≤10μg/cm²。

本发明中，采用上述化学组分及重量配比的原因如下：

C含量控制在0.02～0.08％，作为一般强化元素对基体起到固溶强化作用，同时采用低碳设计能够降低钢材硬度，提高粗糙度的转印效率，并且提升钢材的焊接性能。

Si含量控制在0.10～0.30％，Si在钢中起到固溶强化的作用，同时是脱氧元素，Si在氧化时在氧化铁皮与基体界面形成共晶化合物FeO-SiO₂，阻碍Fe离子的扩散从而减慢氧化速率，降低氧化铁皮厚度，同时极大增加氧化铁皮的附着力，但共晶化合物FeO-SiO₂较多会钢材表面出现表面缺陷。因此，在除鳞能力满足要求的条件下，Si含量控制在0.10～0.30％。

Mn含量控制在0.15％～0.40％，Mn是钢中重要的强韧化元素，提高钢中的锰含量，能扩大γ区，降低转变温度，扩大轧制温度范围，促进晶粒细化。Mn氧化物与氧化铁完全互溶，氧化铁皮层中会有一定的Mn含量，Mn会增加氧化铁皮的脆性，因此基于氧化铁皮完整性的考虑其含量不宜太高，控制Mn在0.15％～0.40％。

P含量控制在≤0.02％，P可以有效的提高钢的耐候性能，但对钢的韧性及塑性不利，此成分设计中有其它耐候元素添加，因此将P含量控制在0.02％以下。

S含量控制在≤0.008％，钢中S含量过高产生的MnS夹杂会使钢的纵横向性能产生明显差异，恶化低温韧性，同时产生的MnS夹杂是点蚀发生的起始点，会明显降低钢的耐候性能。

Cu是耐候钢中主要的耐候元素，能有效提高钢的耐候性能，Cu作为合金元素加入到钢中同时还有固溶及沉淀强化作用。但Cu含量过高时，容易在加热或热轧时产生富集现象，产生表面缺陷或裂纹，恶化钢材的表面性能。因此将Cu含量定在0.20％～0.40％。

Ni含量控制在0.10～0.40％，钢中Ni的加入，其主要目的是改善钢材的低温韧性，同时有效阻止Cu的热脆。但Ni元素增加氧化铁皮与基体界面的不平度，出于氧化铁皮除鳞性的考虑，将Ni含量定在0.10～0.40％。

Cr含量控制在0.20％～0.50％，Cr与钢中Cu等元素匹配使用可显著提高钢的耐大气腐蚀能力，此外，Cr元素可有效提高钢的淬透性。Cr元素会在氧化铁皮与基体界面形成尖晶石化合物，阻止Fe离子向外扩散。

Ti含量控制在0.010％～0.030％，Ti是强氮化物形成元素，控制奥氏体晶粒的长大，改善钢的焊接性能及韧性。Ti会在氧化铁皮与基体界面偏聚，一定的Ti含量会降低氧化速率。

Als含量控制在≤0.03％，Al是钢中的主要脱氧元素，Al含量过高将导致Al氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，对钢的韧性及耐候性能不利。

本发明通过采用以上化学组分配比，C、Si、Mn、Cu、Ti等强化元素使钢种屈服强度可达到400MPa以上，抗拉强度可达到520MPa以上；Cu、Cr、Ni保证钢种的耐蚀性能；Si、Cr、Ti等元素可阻碍Fe离子向外扩散，使氧化铁皮层外层生成一定厚度的Fe₃O₄层，合适Si元素含量则不仅可以提高氧化铁皮的附着力，同时也减少了表面氧化铁皮缺陷的产生几率。

本发明所述热轧大粗糙度表面耐候钢的制造方法，主要工艺流程为：转炉冶炼→精炼→连铸→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→入库冷却；其中，炼钢主要化学成分按质量百分比计为：C 0.02～0.08％、Si 0.10～0.30％、Mn 0.15～0.40％、S≤0.008％、P≤0.02％、Cu 0.20～0.40％、Cr 0.20～0.50％、Ni 0.10～0.40％，Ti 0.010～0.030％，Als含量(酸溶铝含量)≤0.03％，其余为铁和不可避免的杂质。

按上述方案，所述连铸后对连铸坯表面的夹杂、夹渣等缺陷采用机械方式清除，再进行后续加热处理。

按上述方案，所述加热阶段主要工艺参数为：板坯出炉温度控制在1200℃～1240℃，在炉总时间控制在≤180min，同板温差≤30℃。

按上述方案，所述粗轧阶段主要工艺参数为：粗轧出口温度控制在1020℃～1060℃，粗轧除鳞道次采用全道次除鳞。

按上述方案，所述精轧阶段主要工艺参数为：精轧开轧温度控制在960℃～1020℃，终轧温度在850℃～880℃；开启精轧F1～F3机架间冷却水，F4～F7吹扫水，轧制最高稳定速度≥7m/s；精轧F7工作辊表面经过激光或喷砂进行毛化，其表面毛化粗糙度Rz为50～100μm；RPc为45～70个/cm，精轧前一两块烫辊材的F7压下率为2％～6％，目标耐候钢主轧材F7压下率为8％～18％。

按上述方案，所述层流冷却阶段主要工艺参数为：层流冷却方式采用间拔冷却控制，冷速控制在15～45℃/s，层流循环冷却水水质Cl^—含量＜300mg/L，总Fe含量＜0.5mg/L，硬度＜400mg/L，浊度NTU＜5，电导率＜2000μS/cm。

按上述方案，所述卷取及冷却阶段主要工艺参数为：卷取温度控制在520℃～550℃，卷取后将钢卷运输至钢卷库，让钢卷进行堆垛缓慢冷却。

本发明制造方法中采用以上主要工艺参数的原因在于：通过采用相对较低的出炉温度和相对较短的加热时间，减少Cu元素向晶界渗透，降低点状氧化铁皮缺陷发生几率；根据氧化动力学中温度与时间因素对氧化铁皮厚度的影响，采用控制热轧过程温度、轧制速度、开启机架间冷却水等措施达到有效减薄氧化铁皮厚度的目的；在层流冷却阶段，采用前段间拔冷却方式对钢卷进行冷却，使钢卷在较短时间达到目标卷取温度，减少在高温段停留时间，另外会延长冷却水与带钢表面的接触，促进带钢表面Fe₃O₄层的形成；通过控制热轧层流冷却水水质中Cl^-含量和电导率控制，可使带钢表面残留的可溶性氯盐含量在10μg/cm²以下，总Fe、硬度、浊度NTU的控制，可以减少轧辊表面的氧化膜的剥离，降低轧辊表面粗糙度的衰减；在精轧F7工作辊采用大压下率，将平整辊表面的粗糙度转印至带钢氧化铁皮表面。在转印率达到50％的条件下，将带钢表面粗糙度Rz提升至20～50μm左右。在层流冷却之前，带钢表面形成较薄Fe₂O₃+Fe₃O₄+较厚FeO层组成的三层氧化铁皮结构，在温度降至570℃以下后FeO热力学不稳定，发生先共析反应及共析反应，反应式如下：

先共析反应：

共析反应

4Fe_1-yO→Fe₃O₄+(1-4y)Fe

在经过相对较低的卷取温度(520～550℃)将带钢卷取后，在堆垛冷却的缓慢冷却条件下，以上两个反应均充分进行，在基体界面处析出的先共析Fe₃O₄颗粒经过生长、合并最终形成完整的Fe₃O₄层，析出先共析Fe₃O₄后的FeO发生共析反应生成Fe₃O₄+Fe的共析组织。此外，由于钢卷卷取后的贫氧环境，表面的Fe₂O₃层与向外扩散的Fe离子反应将会向低价氧化物Fe₃O₄转化。最终带钢表面形成由表层Fe₃O₄+中间层Fe/Fe₃O₄+底层Fe₃O₄组成的三层氧化铁皮结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的热轧大粗糙度表面耐候钢，为一种免喷砂直接涂装耐候钢，其表面为表层Fe₃O₄+中间层Fe/Fe₃O₄+底层Fe₃O₄组成的三层氧化铁皮结构，各层厚度比例范围约为2:3:1。这种氧化铁皮结构与钢基体结合力良好，在平整时的表面粗糙度转印过程中，仅发生少量脱落，在变形、焊接等工艺过程中不发生脱落。

(2)本发明提供热轧大粗糙度表面耐候钢的，其表面粗糙度Rz可根据涂装需求控制在20～50μm，表面可溶性氯盐含量可控制在≤10μg/cm²。

(3)本发明通过钢成分设计及轧制工艺优化使耐候钢表面生成氧化层具有特殊结构并与基体结合紧密，并提高热轧轧辊粗糙度使转印到钢材表面的粗糙度提升，同时通过轧制的材质、热轧工艺和水质控制，控制表面氧化铁皮粗糙度变化稳定及表面残留，达到免喷砂直接涂装的要求。

(4)本发明提供的热轧大粗糙度表面耐候钢，其表面状态与涂料配套系统具有较好的相容性，对涂层性能特别是耐腐蚀性能无不利影响，适用于铁路车辆、集装箱、桥梁、电力塔架、公路护栏的制造，其可以免去相应的喷砂预处理工序，直接用于涂装，能减少生产时粉尘的排放和噪音污染，改善作业环境，具有较大的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明所述免预处理耐候钢表面形成的由表层Fe₃O₄+中间层Fe/Fe₃O₄+底层Fe₃O₄组成的三层氧化铁皮结构。

图2为本发明所述经过表面激光毛化或喷加工后的精轧F7工作辊示意图。

图3为本发明所述大粗糙度辊(精轧F7工作辊)与钢板的接触模型示意图：a轧制前，b轧制过程中。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

本实施例所述热轧大粗糙度表面耐候钢的成品规格为4.5mm厚度，其制造方法的主要工艺流程如下：转炉冶炼→精炼→连铸→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→入库冷却，具体步骤以及主要参数如下：

1)转炉冶炼-精炼后钢水主要成分为：C：0.075％、Si：0.280％、Mn：0.34％、S：0.008％、P：0.012％、Cu：0.32％、Cr：0.48％、Ni：0.35％，Ti:0.020％，Als含量0.025％，其余为铁和不可避免的杂质；

2)连铸后对连铸坯表面的夹杂、夹渣等缺陷采用机械方式清除；

3)加热阶段：板坯出炉温度1230℃，在炉总时间控制在150min；

4)粗轧阶段：粗轧出口温度1040℃，粗轧除鳞5道次；

5)精轧阶段：精轧开轧温度控制在960℃～1020℃，终轧温度在870℃，开启精轧F1～F3机架间冷却水，轧制最高稳定速度7.5m/s；精轧F7工作辊经过表面毛化处理后(如图2、3所示，精轧F7工作辊表面设有若干个小凸起以达到表面毛化的效果)，其表面毛化粗糙度Rz为80μm；RPc为65个/cm，在轧制过程中过程带钢压下量为：10％；

6)层流冷却阶段：层流冷却方式采用前段间拔冷却，层流循环冷却水水质Cl^-含量控制为25mg/L，总Fe为0.1mg/L，硬度为180mg/L，浊度NTU为1.2，电导率300μS/cm；

7)卷取及冷却阶段：卷取温度550℃，卷取后将钢卷运输至钢卷库，让钢卷进行堆垛缓慢冷却。

本实施例所得热轧大粗糙度表面耐候钢即为免喷砂直接涂装用耐候钢，对其各项性能指标进行检验，结果表明：屈服强度为418MPa，抗拉强度为555MPa，伸长率为34％；对其表面氧化铁皮进行检验，氧化铁皮厚度为6～8.2μm；氧化铁皮结构主要为表层Fe₃O₄+中间层Fe/Fe₃O₄+底层Fe₃O₄，氧化铁皮层表面粗糙度Rz为25～40μm，表层可溶性氯盐浓度为8.2μg/cm²。

实施例2

本实施例所述热轧大粗糙度表面耐候钢的成品规格为20.mm厚度，其制造方法的主要工艺流程如下：转炉冶炼→精炼→连铸→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→入库冷却。具体步骤以及主要参数如下：

1)转炉冶炼-精炼后钢水主要成分为：C：0.10％、Si：0.32％、Mn：0.40％、S：0.006％、P：0.010％、Cu：0.42％、Cr：0.45％、Ni：0.35％，Ti:0.022％，Als含量0.021％，其余为铁和不可避免的杂质；

2)连铸后对连铸坯表面的夹杂、夹渣等缺陷采用机械方式清除；

3)加热阶段：板坯出炉温度1225℃，在炉总时间控制在155min；

4)粗轧阶段：粗轧出口温度1035℃，粗轧除鳞5道次；

5)精轧阶段：精轧开轧温度控制在960℃～1020℃，终轧温度在870℃，开启精轧F1～F3机架间冷却水，轧制最高稳定速度10.5m/s；精轧F7工作辊经过表面毛化处理后，其表面毛化粗糙度Rz为90μm；RPc为70个/cm，在轧制过程中过程带钢压下量为：8％；

6)层流冷却阶段：层流冷却方式采用前段间拔冷却，层流循环冷却水水质Cl^-含量控制为40mg/L，总Fe为0.2mg/L，硬度为120mg/L，浊度NTU为1.6，电导率240μS/cm；

7)卷取及冷却阶段：卷取温度540℃，卷取后将钢卷运输至钢卷库，让钢卷进行堆垛缓慢冷却。

本实施例所得热轧大粗糙度表面耐候钢即为免喷砂直接涂装用耐候钢，对其各项性能指标进行检验，结果表明：屈服强度为455MPa，抗拉强度为565MPa，伸长率为32％；对其表面氧化铁皮进行检验，氧化铁皮厚度为6～7.5μm；氧化铁皮结构主要为表层Fe₃O₄+中间层Fe/Fe₃O₄+底层Fe₃O₄，氧化铁皮层表面粗糙度Rz为25～50μm，表层可溶性氯盐浓度为7.9μg/cm²。

本发明所述热轧大粗糙度表面耐候钢，作为一种免喷砂直接涂装耐候钢，其综合了氧化铁皮的结构厚度控制、钢板表面大粗糙度控制和热轧水质的控制，来保证涂装后的整体漆膜附着力整体，增加整体的耐蚀能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种热轧大粗糙度表面耐候钢的制造方法，其特征在于主要工艺流程为：转炉冶炼→精炼→连铸→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→入库冷却；其中，精炼后钢水的主要化学成分按质量百分比计为：C 0.02%、Si 0.10~0.28%、Mn 0.15%、S≤0.008%、P≤0.02%、Cu 0.20~0.32%、Cr 0.20%、Ni 0.10%，Ti 0.010~0.020%，Als含量≤0.03%，其余为铁和不可避免的杂质；

所述连铸后对连铸坯表面的夹杂、夹渣采用机械方式清除，再进行后续加热处理；

所述加热阶段主要工艺参数为：板坯出炉温度控制在1200℃~1240℃，在炉总时间≤180min，同板温差≤30℃；所述粗轧阶段主要工艺参数为：粗轧出口温度控制在1020℃~1060℃，粗轧除鳞道次采用全道次除鳞；

所述精轧阶段主要工艺参数为：精轧开轧温度控制在960℃~1020℃，终轧温度在850℃~880℃；开启精轧F1~F3机架间冷却水，F4~F7吹扫水，轧制最高稳定速度≥7m/s；精轧F7工作辊表面经过激光或喷砂进行毛化，其表面毛化粗糙度Rz为50~100μm；RPc为45~70个/cm，精轧前两块烫辊材的F7压下率为2%~6%，目标耐候钢主轧材F7压下率为8%~18%；

所述层流冷却阶段主要工艺参数为：层流冷却方式采用间拔冷却控制，冷速控制在15~45℃/s，层流循环冷却水水质Cl^—含量＜300mg/L，总Fe＜0.5mg/L，硬度＜400mg/L，浊度NTU＜5，电导率＜2000μS/cm；

所述卷取及冷却阶段主要工艺参数为：卷取温度控制在520℃~550℃，卷取后将钢卷运输至钢卷库，让钢卷进行堆垛冷却。