CN107267883A - 一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢及生产方法 - Google Patents
一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢及生产方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢，其组分及wt%：C：0.06~0.12%，Si：0.10~0.50%，Mn：1.5~2.0%，P：≤0.050%，S：≤0.012%，Cu：0.20~0.40%，Cr：0.30~0.80%，Ni：0.20~0.40%，Nb：0.045~0.10%，Ti：0.01~0.045%，Mo：0.05~0.20%，N：≤0.010％。生产方法：冶炼、连铸成坯并对铸坯加热；粗轧；精轧；常规层流冷却至卷取温度；卷取。本发明由于采用的是Nb、Ti复合微合金化技术，在保证钢板屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A ≥18%下，还具有同卷屈服强度波动在26MPa以内，抗拉强度波动在24MPa以内，延伸率波动在2%以内，满足更高端用户要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种集装箱钢及生产方法，具体属于一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢及生产方法。
背景技术
在我国铁路货车运输“提高时速、减轻自重、增加载重”的背景下，高强化、轻量化是铁路集装箱用耐候钢的发展方向。目前，铁路集装箱用耐候钢主要使用的钢板为屈服强度350MPa级耐候钢，其单重较重，用钢量和运输成本较高。通过提高集装箱用钢强度，减薄集装箱用钢厚度，是实现集装箱轻量化的有效途径。有研究表明，如采用550MPa级高强耐候钢作为铁路集装箱的使用材料，可使集装箱的角柱、底横梁减重20%，其它部件如顶板、鹅颈槽梁、四波板等能不同程度减重10%以上。另外，考虑到铁路运输的安全性，中铁公司对铁路集装箱用高强耐候钢的性能稳定性提出了更高的要求。而在现有技术中，生产的高强耐候钢其同卷强度波动一般在150MPa左右，延伸率波动在10%左右。因此，在本技术领域高强耐候钢性能的稳定是目前铁路集装箱用钢的研究热点。
现有技术中，同卷的强度波动在一般在150MPa左右，甚至最高的可达200MPa，最好的在80MPa以上；延伸率波动在约10%左右，但大多数对同卷的力学性能波动情况未予以重视，仅关注的使强度级别。随着市场发展，用户不仅要求钢板的力学性能在要求的范围内，而且提出要求同卷钢板的力学性能波动范围要比现有技术小。这是由于同卷产品的力学性能波动越大，在产品使用过程中会产生弯曲开裂的风险增大，从而难以保证更高要求的产品的使用周期及使用性能。
经检索的：
中国专利公开号为CN 101177754A的文献，公开了“一种确定550MPa 级Ti 微合金化高强耐候钢Ti 加入量的方法”，其特点是采用Ti 微合金化技术，并基于薄板坯连铸连轧流程开发出了550MPa 级高强耐候钢，该文献主要采用Ti微合金化技术，即通过弥散析出细小TiC粒子的沉淀强化的作用而提高强度。析出的TiC粒子的量直接影响Ti微合金钢的强度。然而Ti的化学活性强，其极易与钢中的O、N、S、C等元素结合，并首先与O、N、S等结合，剩下的Ti才与C结合。在需要增加TiC粒子的量而提高强度时，势必要对钢中O、N、S等元素含量进行严格控制，这就对工艺提出了更高的要求，增加了工艺难度。该文献对同卷的力学性能波动情况未予以关注。而本发明采用Nb、Ti复合微合金化技术能很好的解决上述问题。钢中适量的Nb能抑制变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒的长大，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，在冷却过程中Nb(C、N)的析出，可起到沉淀强化的作用。与Ti相比，Nb的化学活性较为稳定，其强化效果受温度和钢中O、N、S的影响较小；钢中加入微量的Ti，可在钢中形成TiN，TiN在加热和高温条件下都不会溶解，能有效钉扎奥氏体晶界，有助于控制奥氏体晶粒的长大，可以进一步提高强度。
中国专利公开号为CN 101235470A的文献，公开了一种“一种屈服强度大于450MPa级超低碳热轧耐候钢”，其特点是采用了超低碳的成分设计，其主要成分范围为C:0.01~0.05 %，Si:0.10~0.40%，Mn:1.50~1.90%，P:≤0.02 %，S:≤0.010%，Cu: 0.15~0.55%，Cr:0.20~0. 80%，Ni:0.10~0.50 %，Mo: 0.05~0.50%，Nb 0.01~0.05%，余量为Fe 及不可避免的杂质。该文献涉及的耐候钢屈服强度在450~495MPa范围内，而本发明采用的Nb-Ti复合微合金化技术，通过添加0.01~0.045%的Ti，在高温过程形成的TiN，可阻碍奥氏体晶粒长大，同时配合后续的控轧控冷工艺，可充分奥氏体细化晶粒，从而可使强度进一步提高，同时成分体系以及生产工艺与其不同，另外其强度级别比本申请要低。该文献同样对同卷的力学性能波动情况未予以关注。
中国专利公开号为CN 101994065A的文献，公开了“一种550MPa 级具有优良耐候性的冷轧钢板及其制备方法”，其特点是采用薄板坯连铸连轧流程生产，其主要化学成分为C : 0.03 ~0.07%，Si: 0.10~0.50%,Mn: 0.35~1.0 %，P: ≤0.020 %，S: ≤0.010%，Cu:0.25~0.50 %，Cr:0.25~0.80 %，Ni: 0.05~ 0.30%，Ti:0.03~0.10%，其余为Fe 和不可避免的杂质，所述退火工艺中，在500℃ 至A1 转变点的温度范围内使所述钢材在罩式退火炉中退火。其屈服强度在555~635MPa范围内。本发明采用Nb-Ti复合微合金化技术，配合后续的控轧控冷工艺，通过加入适量的Nb，在轧制过程形成的Nb（C,N）可进一步细化铁素体晶粒，可进一步提高热轧材的强度，采用热轧的方式即可生产与冷轧强度水平相当的产品，省去了冷轧及罩式退火的过程，生产流程较为简单。该文献同样对同卷的力学性能波动情况未予以关注。
发明内容
本发明的目的在于克服上述文献中存在的不足，提供一种在保证屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A ≥18%，冷弯性能及优良的耐腐蚀性能的前提下，通过利用Nb、Ti复合微合金化，并结合控轧控冷工艺，使钢板同卷性能波动小，即屈服强度波动不超过26MPa，抗拉强度波动不超过24MPa，延伸率波动不超过2%的铁路集装箱用耐候钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.06~0.12%，Si：0.10~0.50%，Mn：1.5~2.0%，P：≤0.050%，S：≤0.012%，Cu：0.20~0.40%，Cr：0.30~0.80%，Ni：0.20~0.40%，Nb：0.045~0.10%，Ti：0.01~0.045%，Mo：0.05~0.20%，N：≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质；同卷屈服强度波动不超过26MPa，抗拉强度波动不超过24MPa，延伸率波动不超过2%。
其在于：其组分及重量百分比含量进一步为：C：0.07~0.10%，Si：0.10~0.30%，Mn：1.5~1.7%，P：≤0.020%，S：≤0.010%，Cu：0.20~0.30%，Cr：0.30~0.50%，Ni：0.20~0.30%，Nb：0.045~0.060%，Ti：0.02~0.038%，Mo：0.05~0.10%，N：≤0.007%。
生产一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢的方法，其步骤：
1）冶炼并连铸成坯，对铸坯进行加热，并控制出炉温度在1205~1311℃，加热时间不低于150min；
2）进行粗轧，并控制粗轧开轧温度在1021~1210℃，粗轧结束温度在1021~1120℃；累计压下率不低于60%；
3）进行精轧，并控制精轧开轧温度在950~1052℃，精轧终轧温度在810~950℃；
4）常规层流冷却至卷取温度，
5）进行卷取，并控制卷取温度在550~700℃。
进一步地：所述出炉温度在1240~1260℃，加热时间在150~180min。
进一步地：所述粗轧开轧温度在1190~1210℃，粗轧结束温度在1060~1080℃，累计压下率70~85%。
进一步地：所述精轧开轧温度在1010~1030℃，精轧终轧温度在850~870℃。
进一步地：卷取温度在580~610℃。
本发明中各元素级主要工艺的机理及作用
C：选用超低碳设计的目的是减少钢显微组织中渗碳体的数量，抑制珠光体的形成，避免由不同相间电极电位差导致的电偶腐蚀，提高钢的耐蚀性能。当C含量小于0.06时，碳含量过低时，难与微合金元素Nb、Ti结合形成纳米级析出物，从而难以起到沉淀强化的作用，当C含量大于0.12%时焊接及低温韧性会急剧恶化。因此将C含量控制在0.06~0.12%，进一步优选0.07~0.10%。
Si：在钢中起到固溶强化的作用，同时Si能与Cu、Cr、P等元素配合使用可以改善钢的耐候性，因此，Si含量应大于0.10%，但当Si含量大于0.30%时，会促进内锈层的形成，会给轧制时除鳞带来困难，从而导致钢带表面质量恶化，另外，Si含量过高还会降低钢的焊接性能，因此将其控制在0.10~0.50%，进一步优选0.10~0.30%。
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，扩大轧制范围，促进晶粒细化，从而增加了钢的强韧性，冲击转变温度也几乎不发生变化，因此Mn含量应大于1.5%，另外，当Mn含量较高时，连铸过程容易产生铸坯裂纹，Mn含量过高同时会降低钢的焊接性能，因此将Mn含量控制在1.5~2.0%，进一步优选1.5~1.7%。
P：是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的合金元素之一，但钢中的P会恶化钢的韧性，特别是剧烈地降低钢的低温冲击韧性，因此将P含量控制在0.050%以下，进一步优选P含量控制在0.020%以下。
S：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，且会明显降低钢的耐候性能。S含量应控制在 0.010%以下，进一步优选S含量应控制在0.012%以下。
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。因此，Cu含量应高于0.20%，但Cu含量过高时，特别是Cu含量大于0.30%时，容易在加热或热轧时产生裂纹，恶化钢材的表面性能。因此将Cu含量控制在0.20~0.40%，进一步优选0.20~0.30%。
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，能促进钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。此外，Cr元素可有效提高钢的淬透性，因此，Cr 含量控制在0.30%以上，另外考虑到成分的经济性，应将Cr 含量控制0.80%以下，进一步优选0.30~0.50%。
Ni：Ni是对耐大气腐蚀性能最有效的元素，它对耐大气腐蚀性能的作用随其含量的增加而增大，另外Ni的加入，还可以改善钢材的低温韧性，同时有效阻止Cu的热脆，因此，Ni含量控制在0.20%以上，但由于Ni为贵重金属，出于生产成本的考虑，应尽量减少Ni的加入量，因此，Ni含量控制在0.20~0.40%，进一步优选0.20~0.30%。
通过采用Nb-Ti复合微合金化，在高温过程形成的TiN在液态或奥氏体高温区沉淀，并且在奥氏体低温作为Nb（C,N）和TiC的非均匀形核地点，相比单一Nb或Ti微合金化，其细晶、析出强化效果更明显。本发明Nb微合金化基础上添加的Ti，主要是利用了TiN对奥氏体晶粒长大的抑制作用，相比单一Nb微合金化，细晶强化效果更显著，Ti在复合微合金化中处于辅助地位。
Mo：是强氮化物形成元素，适当的钼含量能够阻止奥氏体晶粒的长大，能提高合金钢在常温下的强度，因此Mo含量应大于0.05%，由于Mo为贵重金属，出于生产成本的考虑，Mo含量控制在0.05~0.20%，进一步优选为0.05~0.10%。
N：氮在加钛的钢中可与钛结合形成氮化钛，这种在高温下析出的第二相有利于强化基体，并提高钢板的焊接性能。但是氮含量高于0.010％，氮与钛的溶度积较高，在高温时钢中就会形成颗粒粗大的氮化钛，严重损害钢的塑性和韧性；另外，较高的氮含量会使稳定氮元素所需的微合金化元素含量增加，从而增加成本，故将其含量控制在0.010％以下，进一步优选小于0.007%。
采用Nb-Ti微合金化与含量相当的单一Ti微合金化相比受温度波动以及钢种S、N含量的影响较小，性能更加稳定，与含量相当的单一Nb微合金化相比其强度级别有明显提高，采用本方法生产的高强耐候钢屈服强度波动在26MPa以内，抗拉强度波动在24MPa以内，延伸率波动在2%以内，采用其它方法生产的高强耐候钢强度波动在150MPa左右，延伸率波动在10%左右。
本发明与现有技术相比，由于本发明采用的是Nb、Ti复合微合金化技术，在保证生产屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A ≥18%下，所生产的铁路集装箱用钢还具有同卷力学性能波动小、冷弯性能、耐蚀性能良好，及较好的塑性的特点，即同卷屈服强度波动在26MPa以内，抗拉强度波动在24MPa以内，延伸率波动在2%以内，并且其主要强化机理为纳米级微合金碳化物的沉淀强化与铁素体细晶强化。
附图说明
附图1为本发明钢板的金相组织图。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的组分取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例力学性能检测情况列表；
表4为本发明各实施例及对比例耐蚀性能检测情况列表；
表5 为本发明各实施例同卷主要力学性能波动检测情况列表
本发明各实施例按照以下步骤生产：
1）冶炼并连铸成坯，对铸坯进行加热，并控制出炉温度在1205~1311℃，加热时间不低于150min；
2）进行粗轧，并控制粗轧开轧温度在1021~1210℃，粗轧结束温度在1021~1120℃；累计压下率不低于60%；
3）进行精轧，并控制精轧开轧温度在950~1052℃，精轧终轧温度在810~950℃；
4）常规层流冷却至卷取温度，
5）进行卷取，并控制卷取温度在550~700℃。
表1 本发明各实施例及对比例化学成分取值列表（wt%）
表2 本发明各实施例及对比例主要工艺参数列表
表3 为本发明各实施例及对比例力学性能检测情况列表
表4 为本发明各实施例及对比例耐蚀性能检测情况列表
表5 为本发明各实施例同卷主要力学性能波动检测情况列表
从表3~5可以看出，本发明所生产的钢板，其屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A ≥18%，冷弯性能、耐蚀性能良好的高强耐候钢，且钢板的同卷强度性能波动：屈服强度波动不超过26MPa，抗拉强度波动不超过24MPa，延伸率波动不超过2%。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。
Claims (7)
1.一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.06~0.12%，Si：0.10~0.50%，Mn：1.5~2.0%，P：≤0.050%，S：≤0.012%，Cu：0.20~0.40%，Cr：0.30~0.80%，Ni：0.20~0.40%，Nb：0.045~0.10%，Ti：0.01~0.045%，Mo：0.05~0.20%，N：≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质；同卷屈服强度波动不超过26MPa，抗拉强度波动不超过24MPa，延伸率波动不超过2%。
2.如权利要求1所述的一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢，其特征在于：其组分及重量百分比含量为：C：0.07~0.10%，Si：0.10~0.30%，Mn：1.5~1.7%，P：≤0.020%，S：≤0.010%，Cu：0.20~0.30%，Cr：0.30~0.50%，Ni：0.20~0.30%，Nb：0.045~0.060%，Ti：0.02~0.038%，Mo：0.05~0.10%，N：≤0.007%。
3.生产如权利要求1所述的一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢的方法，其步骤：
1）冶炼并连铸成坯，对铸坯进行加热，并控制出炉温度在1205~1311℃，加热时间不低于150min；
2）进行粗轧，并控制粗轧开轧温度在1021~1210℃，粗轧结束温度在1021~1120℃；累计压下率不低于60%；
3）进行精轧，并控制精轧开轧温度在950~1052℃，精轧终轧温度在810~950℃；
4）常规层流冷却至卷取温度，
5）进行卷取，并控制卷取温度在550~700℃。
4.如权利要求3所述的生产一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢的方法，其特征在于：所述出炉温度在1240~1260℃，加热时间在150~180min。
5.如权利要求3所述的生产一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢的方法，其特征在于：所述粗轧开轧温度在1190~1210℃，粗轧结束温度在1060~1080℃，累计压下率在70~85%。
6.如权利要求3所述的生产一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢的方法，其特征在于：所述精轧开轧温度在1010~1030℃，精轧终轧温度在850~870℃。
7.如权利要求3所述的生产一种屈服强度≥550MPa铁路集装箱用耐候钢的方法，其特征在于：卷取温度在580~610℃。
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