CN109628840B - 一种550MPa级冷轧耐蚀双相钢及其制造方法 - Google Patents

一种550MPa级冷轧耐蚀双相钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种550MPa级冷轧耐蚀双相钢及其制造方法。钢中含有C：0.061％～0.083％，Si＜0.10％，Mn：1.05％～1.39％，P≤0.018％，S≤0.006％，Als：0.015％～0.045％，Cr：0.45％～0.91％，Ni：0.11％～0.19％，Cu：0.27％～0.41％，Nb：0.011％～0.029％，Ti：0.015％～0.035％，Sb：0.046％～0.099％，Sn：0.034％～0.079％，Mo：0.11％～0.19％，B：0.0008％～0.0019％，Ca：0.0008％～0.0030％，余量为铁和不可避免的杂质；135～170mm铸坯加热至1228～1249℃，总在炉时间不大于110min，粗轧温度＞1100℃，精轧终轧温度895～915℃，790～820℃退火，钢板具有优异的耐腐蚀性能。

Description

一种550MPa级冷轧耐蚀双相钢及其制造方法
技术领域
本发明属于高强度冷轧双相钢生产技术领域，特别涉及一种用于铁路车辆、集装箱等具有耐蚀性的冷轧双相钢及其制造方法。
背景技术
对于运输结构而言，迫切需要轻质的集装箱以增加单次可运输的货物重量，诸如不锈钢或铝合金等材料已被制造轻质的集装箱或铁路车辆并延长寿命。但是由于他们生产成本较高，进而应用受到一定限制。而现有的冷轧钢板，耐腐蚀性能又不能完全满足使用要求。为了适应钢板减薄的需求，开发屈服强度550MPa及其以上的超高强度冷轧耐蚀钢板越来越受到用户的青睐，这种级别的钢板能够有效减少钢材耗用量以降低制造成本。
中国专利CN 101994065B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，该方法制造的冷轧耐候钢板的化学成分为C：0.03％～0.07％，Si：0.10％～0.50％，Mn：0.35％～1.0％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.25％～0.80％，Cu：0.25％～0.50％，Ni：0.05％～0.30％，Ti：0.03％～0.10％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。所述钢材在罩式退火炉中退火所得，生产效率低下，不适合批量生产，而且耐腐蚀性能不达完全满足使用要求。
中国专利CN106893950A公开了低屈强比冷轧耐候钢及其生产方法。其化学成分为：C：0.04％～0.10％，Si≤0.45％，Mn≤0.50％，P≤0.12％，S≤0.020％，Cu≤0.60％，Cr≤1.0％，Ni≤0.50％，B：0.003％～0.007％，以及余量的铁和其它不可避免的杂质。该发明钢采用合适的Cu、P、Cr、Ni等元素来实现带钢的耐大气腐蚀性能，但屈服强度最大仅达到375MPa，而且不具有耐介质腐蚀性能。
中国专利CN101376950A公开了一种超高强度冷轧耐候钢板及其制造方法，其化学成分为：C：0.09％～0.16％，Si：0.20％～0.60％，Mn：1.00％～2.00％，P≤0.030％，S≤0.015％，N≤0.008％，Al：0.02％～0.06％，Cu：0.20％～0.40％，Cr：0.40％～0.60％，Mo：0.05％～0.25％，(Nb+Ti)：0.04％～0.08％，其它为Fe和不可避免杂质。该钢种的屈服强度700～1000MPa、抗拉强度800～1070MPa、延伸率5％～14％。该发明虽然强度达到700MPa以上，但是耐腐蚀性能不能满足要求。
以上公开的专利中，或者强度和耐腐蚀性能达不到使用要求，或者不适于大批量生产。
发明内容
针对目前存在的技术问题，特提出本发明的技术方案。本发明的目的在于提供一种屈服强度550MPa冷轧耐蚀双相钢及其制造方法，以解决现有技术中存在的上述问题。钢板不仅具有良好的耐大气腐蚀性能，而且具有优异的耐介质腐蚀性能，在20％H2SO4+3.5％NaCl溶液中不更换溶液24h全浸腐蚀试验条件下，相对于Q345B腐蚀速率小于4％，除此之外，钢板还具有超高强度和优异的成型性能，适合于铁路车辆和集装箱等的轻量化发展需求。
具体的技术方案是：
本发明提出一种550MPa级冷轧耐蚀双相钢，化学成分按质量百分比计如下：C：0.061％～0.083％，Si＜0.10％，Mn：1.05％～1.39％，P≤0.018％，S≤0.006％，Als：0.015％～0.045％，Cr：0.45％～0.91％，Ni：0.11％～0.19％，Cu：0.27％～0.41％，Nb：0.011％～0.029％，Ti：0.015％～0.035％，Sb：0.046％～0.099％，Sn：0.034％～0.079％，Mo：0.11％～0.19％，B：0.0008％～0.0019％，Ca：0.0008％～0.0030％，其余为Fe和不可避免元素。
各元素的作用机理为：
C：是钢中主要的强化元素，能显著提高钢板的强度，但是较多含量的C对钢板焊接性、韧性和塑性不利。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的电化学腐蚀，提高了钢的耐蚀性能，本发明中C含量控制在0.061％～0.083％。
Si：Si在钢中具有较高的固溶度，有较好的固溶强化作用，但其含量过高会使钢的塑性降低，焊接性能和表面质量下降。本发明中Si含量控制为Si＜0.10％。
Mn：属于典型的奥氏体稳定化元素，具有固溶强化和晶粒细化作用，对提高淬透性有利，可显著推迟珠光体转变和贝氏体转变。但Mn作为扩大奥氏体区的元素，当锰含量过大，在推迟珠光体转变的同时，也会推迟铁素体的析出，同时增加连铸坯的中心偏析倾向，本发明中将Mn含量控制在1.05％～1.39％。
P：能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，但磷易于偏析，增加钢的冷脆性，对焊接性和成型性不利。为保证焊接性能和成型性能要求，本发明中将P含量控制其不高于0.018％。
S：是钢中有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，恶化焊接性能，同时S的存在将恶化钢的耐大气腐蚀性能，本发明中将S含量控制其不高于0.006％。
Als：是常用的脱氧剂，在钢中加入0.015％～0.045％的铝，可细化晶粒。
Cr、Ni、Cu：钢中同时加入三种元素对提高耐大气腐蚀性能具有良好的作用。钢板在腐蚀过程中，Cu、Cr、Ni等元素富集于靠近基体的锈层中，形成致密、接近于非晶态的稳定锈层。同时Ni还能显著改善钢的低温韧性，使基材和焊接热影响区低温韧性大幅度提高。Ni/Cu的重量比为1/2以上，能有效防止含Cu钢由于热脆引起的网裂。本发明中将Cr的含量控制在0.45％～0.91％，将Ni的含量控制在0.11％～0.19％，将Cu的含量控制在0.27％～0.41％。
Nb：既可提高奥氏体的再结晶温度，使控制轧制可以在更高的温度进行，降低轧机的负荷，同时又能降低奥氏体向铁素体转变温度，促进低碳贝氏体或针状铁素体的形成，改善钢材的性能。Nb还通过析出强化提高钢的强度。本发明的Nb含量的范围为0.011％～0.029％。
Ti：是强的固氮元素，可在板坯连铸时形成高温稳定细小的TiN析出相，这种细小的TiN析出相可有效阻止连铸坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时对改善钢焊接时热影响区的韧性有明显作用，本发明中将Ti含量控制在0.015％～0.035％。
Sb、Sn：Sb和Sn元素通常作为有害元素在钢中不断富集，严重地影响钢材的质量。本发明中Sb和Sn是改善耐蚀性的有效元素，通过Sb、Sn和Cr的复合添加，协同在锈层中富集，并形成一层致密的高于基体几倍的富含Sb、Sn、Cr等元素的致密氧化膜，显著阻碍浸蚀性离子传输并更加耐硫酸根和氯离子共存的腐蚀环境。为了确保获得所需要的耐腐蚀性能，必须发挥三元素共同的效果。同时Ti和Sb的相互吸引，当Ti偏聚到晶界上时，也将Sb拖曳到晶界上，使得Sb以细小的第二相粒子析出，而非夹杂物形式析出，粒子尺寸在10～30nm之间，从而提高钢板的强度。Sb对耐硫酸性以及耐含有氯化物的酸腐蚀性有效果，Sb量越多则耐硫酸性越高，但是会对热加工性、钢板以及焊接接头的韧性降低。因此，本发明将Sb的含量控制在0.046％～0.099％，将Sn的含量控制在0.034％～0.079％。
Mo：在水溶液中产生MoO4 2-离子，以抑制氯离子渗透，从而改善防冻剂的耐蚀性，同时对提高临界区加热时所形成的奥氏体淬透性具有良好的影响，对珠光体转变的抑制作用非常明显，但大量含有时对硫酸的耐腐蚀性劣化，少量时抑制氯离子效果不明显，同时考虑成本的增加。本发明中将Mo的含量控制在0.11％～0.19％。
B：在含有Sb、Cu、Sn的低熔点耐腐蚀元素时，加入一定量的B能够起到抑制热加工性变差的效果，同时提高临界区加热时形成奥氏体的淬透性。不足0.0008％时，无法得到足够的效果，如果超过0.0019％，反而存在热加工变差的倾向。因此，加入时，使含量范围为0.0008％～0.0019％是所希望的。
Ca：使硫化物球化，可以进一步保证钢板的横向延展性提高，提高冷弯成型性能。在精炼以后进行Ca处理，Ca含量达到0.0008％就可以起到球化硫化物的作用，过量的Ca会使硫化物粗大化，造成延展性降低，因此本发明限定Ca含量的上限为0.0030％，将Ca含量控制在0.0008％～0.0030％。
本发明另一方面提供所述550MPa级冷轧耐蚀双相钢的制造方法，所述方法包括板坯冶炼、连铸、加热、热连轧、冷却、卷取、酸洗冷连轧、罩式炉退火，平整，具体生产方法包括：
(1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼－经顶吹或顶底复合吹炼，LF炉脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性和冷弯性能，连铸采用电磁搅拌和动态轻压下，以提高连铸板坯的质量。转炉工序采用出钢后加入锑锭的方式，利用氩气进行搅拌，使合金完全熔化、成分均匀。连铸坯的厚度为135～170mm，明显薄于目前主要应用的200mm及以上的厚连铸坯，其凝固冷却速率远远大于传统的厚板坯，二次枝晶间距大幅度减小。
(2)热连轧工艺：连铸板坯经加热炉加热至1228～1249℃，加热烧钢气氛为还原性气氛，空燃比低于2.0。采用高温短时烧钢技术，保证热料加热段和均热段在炉时间不大于110min，以防止低熔点元素Cu、Sb和Sn在带钢表面的析出而造成的表面缺陷，从而使得板坯表面低熔点Cu、Sb和Sn产生细微缺陷能够充分氧化，形成疏松易除氧化铁皮，以提高带钢表面质量。在高于1100℃的温度范围内进行粗轧，带钢不允许摆动，在1041～1090℃开始精轧，在895～915℃终轧，轧制结束后进行层流冷却、卷取。卷取温度设定在590～640℃。
(3)冷轧工艺：将所述热轧板经过酸洗后采用5机架连续轧制，冷轧压下率为50％～70％。
(4)连续退火工艺：采用790～820℃保温127s～191s，并以4～9℃/s速度喷气冷却到685～700℃，然后以30～45℃/s的冷速喷气冷却到260～280℃，过时效温度260～280℃，保温454～726s，再经过0.5％～0.8％平整。
本发明按照上述方法生产的冷轧耐蚀双相钢，钢板屈服强度达到550MPa以上，抗拉强度达到650MPa以上，延伸率(A50mm)不低于18％。产品微观组织为铁素体加马氏体双相组织。依据TB/T2375-93，在45±2℃，70％±5％RH，在0.01mol/LNaHSO3溶液中试验72h条件下，相对于Q345B腐蚀速率小于55％。依据JB/T 7901-1999，在室温下，在20％H2SO4+3.5％NaCl溶液中全浸24h，相对于Q345B腐蚀速率小于4％。适用于铁路车辆和集装箱等行业的轻量化发展需求，大大降低了维修成本，具有一定的应用前景。
有益效果：
本发明同现有技术相比，有益效果如下：
(1)采用多种合金元素同时加入，尤其是Cr、Cu、Sb和Sn的协同作用，还有Nb、Ti、Mo和B等元素的辅助作用，通过合金元素的少量多元作用，达到高强度和耐蚀的效果。
(2)采用连铸板坯的厚度为135～170mm，采用短流程连铸连轧工艺，采用高温短时快烧工艺，效率高，节省能源，确保本发明钢具有良好的表面质量。
(3)钢板不仅具有良好的耐大气腐蚀性能，而且具有优异的耐介质腐蚀性能。按本发明生产的550MPa级冷轧耐蚀钢板，相对于目前正在使用的冷轧耐候钢，耐大气腐蚀性能与其相当，但是耐介质腐蚀性能明显提高。
(4)钢板的厚度规格为1.0～2.0mm，钢板的微观组织由铁素体+马氏体构成，按面积百分比计：铁素体为71％～75％，马氏体为25％～29％。
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
本发明实施例钢的化学成分见表1，本发明实施例钢的轧制工艺见表2，本发明实施例钢的连续退火工艺见表3，本发明实施例钢的力学性能见表4。在实施例1～10的钢板上，截取50×50×5mm的试样，试验方法参照TB/T 2375-93《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》标准进行周期浸润试验，试验时间72h，本发明钢实施例的耐大气腐蚀性能结果见表5；在实施例1～10的钢板上，截取50×25×5mm的试样，试验方法参照JB/T 7901-1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》标准进行20％H2SO4+3.5％NaCl的浸泡试验，试验时间24h，本发明钢实施例的耐20％H2SO4+3.5％NaCl腐蚀测试结果见表6。
表1本发明钢实施例的化学成分(wt％)
Figure BDA0001968110500000081
表2本发明实施例钢的轧制工艺
Figure BDA0001968110500000082
表3本发明实施例钢的连续退火工艺
Figure BDA0001968110500000091
表4本发明实施例钢的力学性能
Figure BDA0001968110500000092
注：F——铁素体、M——马氏体。
表5本发明实施例钢耐大气腐蚀测试结果
钢种 相对腐蚀率/％
实施例1 54
实施例2 52
实施例3 51
实施例4 50
实施例5 53
实施例6 54
实施例7 51
实施例8 52
实施例9 53
实施例10 54
Q550NQR1 54
Q345B 100
注：普碳钢Q345B和高强耐候钢Q550NQR1是对比样品。
表6本发明实施例钢耐20％H2SO4+3.5％NaCl腐蚀测试结果
钢种 相对腐蚀率/％
实施例1 3.02
实施例2 3.16
实施例3 2.28
实施例4 3.14
实施例5 2.46
实施例6 2.98
实施例7 3.14
实施例8 2.29
实施例9 2.28
实施例10 3.09
Q550NQR1 12.5
Q345B 100
注：普碳钢Q345B和高强耐候钢Q550NQR1是对比样品。
由表1～6可见，采用本发明技术方案生产的耐蚀钢，其屈服强度达550MPa以上，耐大气腐蚀性能与现有高强耐候钢Q550NQR1相当，耐SO42-+Cl-腐蚀效果明显优于现有高强耐候钢和普碳钢Q345B，不仅具有良好的耐大气腐蚀性能，而且具有优异的耐硫酸和氯离子共存环境下的腐蚀性能，同时，钢板还具有高强度、优异的成型性能，适用于铁路车辆和集装箱等的制造。

Claims (3)

1.一种550MPa级冷轧耐蚀双相钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.061％～0.083％，Si＜0.09％，Mn：1.05％～1.39％，P≤0.018％，S≤0.006％，Als：0.015％～0.045％，Cr：0.45％～0.91％，Ni：0.11％～0.19％，Cu：0.27％～0.41％，Nb：0.011％～0.029％，Ti：0.015％～0.035％，Sb：0.046％～0.099％，Sn：0.034％～0.079％，Mo：0.11％～0.19％，B：0.0008％～0.0019％，Ca：0.0008％～0.0030％，余量为铁和不可避免的杂质；
钢板的生产工艺为：板坯冶炼、连铸、加热、热连轧、冷却、卷取、酸洗冷连轧、退火，平整，其中：
(1)冶炼连铸工艺：经铁水预处理、转炉冶炼、LF炉脱硫处理及钙处理；连铸采用电磁搅拌或动态轻压下，转炉工序采用出钢后加入锑锭的方式，利用氩气进行搅拌；连铸坯的厚度为135～170mm；
(2)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1228～1249℃，加热烧钢气氛为还原性气氛，空燃比低于2.0；热料加热段和均热段在炉时间不大于110min；
粗轧温度高于1100℃，精轧开轧温度为1041～1090℃，精轧终轧温度为895～915℃，轧制结束后进行层流冷却、卷取，卷取温度设定在590～640℃，层流采用前段集中冷却；
(3)冷轧及退火工艺：冷轧压下率为50％～70％，在790～820℃连续退火，保温127s～191s，并以4～9℃/s速度冷却到685～700℃，然后以30～45℃/s的冷速冷却到260～280℃，过时效温度260～280℃，保温454～726s，再经过0.5％～0.8％平整。
2.根据权利要求1所述的550MPa级冷轧耐蚀双相钢，其特征在于，钢板的厚度为1.0～2.0mm。
3.根据权利要求1所述的550MPa级冷轧耐蚀双相钢，其特征在于，钢板微观组织为铁素体和马氏体，按面积百分比计：铁素体为71％～75％，马氏体为25％～29％。
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