CN109706396B

CN109706396B - 一种含氮低屈强比高铁用耐候钢及生产方法

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Publication number: CN109706396B
Application number: CN201910008324.2A
Authority: CN
Inventors: 马玉喜; 陈吉清; 宋新莉; 骆海贺; 徐进桥
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2039-01-04
Also published as: CN109706396A

Abstract

一种含氮低屈强比高铁用耐候钢，其组分及wt%为：C：0.20~0.50%，N：0.006~0.03%，Si：0.2~0.40%，Mn：0.8~1.7%，Ti：0.007%~0.020%，Cr：1.80~3.50%，余量为Fe。生产方法：转炉冶炼后进入氩站进行吹炼；经真空处理后浇注；将钢坯加热；经高压除鳞后粗轧；精轧；冷却。本发明能在保证钢板硬度前提下，使钢的基体组织为初生铁素体、珠光体及奥氏体三相复合组织，屈服强度在≥370MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A≥26.5%，‑60℃夏比冲击功不低于260J/cm2，屈强比不高于0.69、腐蚀速率不超过0.082mg/cm2.h，从而满足高铁的需要，延长服役周期。

Description

一种含氮低屈强比高铁用耐候钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种热轧耐磨钢及生产方法，确切地属于一种含氮低屈强比高铁用耐候钢及生产方法。

背景技术

随着我国高速铁路发展迅猛，其中高速列车关键部件材料高铁用含氮耐候钢需求量较大，该部件由于长期工作环境恶劣，要求钢板在-60℃低温环境下具有优良的强韧性匹配，因此研究一种低温环境服役的超级高铁用含氮耐候钢势在必行。

国外关于类似高铁用钢的生产较多。其中，欧洲和日本分别采用耐蚀型的S355J2W和SMA490，采用Cu-Cr-Ni 耐蚀设计，其虽焊接性能好，但是强度、韧性和耐蚀性较低。国内则研发出200～250Km时速高寒动车组以及中国标准动车组等高铁用含氮耐候钢材，强度级别目前最高为355MPa，其强度等级仍需提高。高铁用含氮耐候钢的升级换代已刻不容缓。

随着工业发展的进步，高铁用含氮耐候钢材料尤其是高级别高铁用含氮耐候钢的生产已经有很大的突破，从而促进了耐候钢向更高级别和更优性能的研究与发展。

经检索：中国专利公开号为CN102127717A的文献，公开了一种“韧性优良的高耐蚀性含Cr耐候钢”，其钢种成分及生产工艺分别为：C：0.01~0.06%、Si：0.10~0.40%、Mn：0.20～0.80%、P≤0.01%、S≤0.006%、Al：0.01~0.05%、Cu：0.20~0.50%、Cr：2.5~7.0%、Ni:0.20~1.20%、N≤0.005%、Ti:0.01~0.10%，余量为Fe和不可避免的其他杂质元素；该钢采用常规工艺轧制生产，轧后控制冷却至550～650℃，冷却速度为5~20℃/s。文献描述材料添加Cu、Cr、Ni元素较多，且没有优化合金元素的配比，铬含量较高，碳化物析出较多，颗粒较大，导致冲击韧性低，且焊接性较差，屈强比在0.8以上。

中国专利公开号为CN101376953A的文献，公开了“一种高耐蚀高强度耐候钢及其制造方法”。其钢种包含以下化学成分(wt％)：C：0.002~0.005%、Si：0.20~0.40%、Mn：0.01～0.05%、P≤0.020%、S≤0.008%、Al：0.01~0.05%、Cu：0.20~0.40%、Cr：4.50~5.50%、Ni≤0.40%、Ca：0.001~0.006、N：0.001~0.006%、Ti≤0.03%，余量为Fe和不可避免的其他杂质元素。该钢工艺上采用超低碳冶炼工艺生产，冶炼时间较长，且铬含量较高，冶炼过程加入铬后钢液温降幅度大，需要钢包炉升温，生产工序复杂，制造成本高。

中国专利公开号为CN1800428A的文献，公开了“一种经济型耐候钢”在Q235钢的基础上调整部分元素含量，具体成分为：C：0.12～0.21、Si：0.2～2.0、Mn：0.7～2.0、S≤0.036、P≤0.034、Cu：0.10～0.40、Al＜0.2，其余为Fe和微量杂质。文献介绍该发明在不需改变Q235钢生产工艺条件下，就能生产出具有良好的耐大气腐蚀性能、综合机械性能的经济耐候钢，实际即是Q235钢的制造生产工艺，创新性不足。

中国专利公开号为CN102168229A的文献，公开了“耐候钢板及其制造方法”，其成分的质量百分比为：C：0.02～0.10%，Si：0.10～0.40%，Mn：1.0～1.6%，P：≤0.025%，S：≤0.015%，Cu：0.20～0.50%，Cr：0.30～0.60%，Ni：0.10～0.50%，Mo：≤0.40%，Nb：≤0.060%，V：≤0.060%，Ti：0.010～0.035%，B：≤0.0030%，Ca：≤0.0050%，Al：0.015～0.050%，其余为Fe和其他不可避免的杂质。钢板采用常规轧制，粗轧累积压下不小于50%，精轧累积压下不低于40%，轧后水冷至400~600℃。从文献描述不难看出该钢添加Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、V、Ti等多种合金元素，合金成本较高，冲击韧性不高，屈强比在0.8以上。

发明内容

本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种能在保证钢板硬度的前提下，使钢的基体组织为初生铁素体、珠光体及奥氏体三相复合组织，屈服强度在≥370MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A≥26.5%，-60℃夏比冲击功不低于260J/cm²，屈强比不高于0.69、腐蚀速率不超过0.082mg/cm2.h的含氮低屈强比高铁用耐候钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种含氮低屈强比高铁用耐候钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.20~0.50%，N：0.006~0.03%，Si：0.2~0.40%，Mn：0.8~1.7%，Ti：0.007%~0.020%，Cr：1.80~3.50%，余量为Fe；并满足C=10N+2Ti+1/15Cr在0.20~0.50%；其金相组织为：初生铁素体、珠光体及奥氏体，其中珠光体体积比为70~85%，其余为初生铁素体及奥氏体。

优选地：所述Cr的重量百分比含量为1.91~3.2%。

优选地：所述N的重量百分比含量为0.0092~0.026%。

优选地：所述Ti的重量百分比含量为0.008~0.026%。

生产一种含氮低屈强比高铁用耐候钢的方法，其步骤：

1）转炉冶炼后进入氩站，在氩站采用氩气与氮气的混合气体进行吹炼；混合气体中，氮气占体积比在35~40%，其余为氩气；冶炼中废钢加入重量不超过总重量的15%；

2）经常规真空处理后进行浇注，浇注温度为1520℃~1555℃,并在5min内完成浇注；

3）将钢坯加热到1280~1380℃并在此温度下保温2.5~3.0 h；

4）经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧温度控制为1050~1100℃，前两道次压下量分别控制在不低于30%%，其余道次每道次的压下量控制在19~21%，且累计压下量在70～78%；

5）进行精轧，并控制精轧入口温度在890℃~940℃，累积压下率在70～88%，终轧温度在780℃~850℃；

6）进行冷却：先在冷却速度为30～50℃/s下冷却至580~650℃；然后空冷3~10s；最后缓冷段，其在缓冷冷却速度为5～15℃/s下冷却至450~520℃，并在450~520℃下保温48h后自然冷却至室温。

本发明中各元素级主要工序的作用及机理：

C：碳是廉价而有效的强化元素，在本发明钢中，碳依然是获得高强度的主要强化元素。实验证实为获得500MPa以上的强度，碳含量一般不小于0.20%，并且在控轧条件下需要与氮含量保持一定的匹配关系。但过高的碳量将使贝氏体转变区显著石移，并且与Cr作用会促进第二相析出，导致材料脆性增加，出现韧性不足的现象。在本发明钢设计中，碳含量控制在0.20%~0.50%范围内。并要求满足C=10N+2Ti+1/15Cr在0.20~0.50%，其由于C、N、Ti、Cr均为强烈的碳化物形成元素，其中Ti和Cr的含量决定了碳化物的类型和析出颗粒大小，为了更多的得到MC类型的碳化物，采用上式元素配比。

N：氮资源丰富且廉价，与碳原子相比原子体积较小，但强化作用更明显，在本发明钢中，氮元素以间隙原子存在于体心立方晶格中发挥强化作用。在本发明钢设计中，氮量控制在0.006%~0.03%范围内，优选地N的重量百分比含量为0.0092~0.026%。并与上述碳含量保持一定的比例关系。

Mn：Mn为扩大奥氏体区元素，固溶于铁素体（或奥氏体）中强化基体，还能与钢中的氮相互作用提高冲击韧性。但锰含量过高会引起晶粒粗化和成分偏析，因此本发明将Mn控制在0.80~1.70%范围。

Si：Si固溶于钢中，起固溶强化作用，Si元素在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物沿晶界析出的特点，增加晶界结合力，提高韧性，并提高基体材料耐磨性。当硅含量过高时会导致钢板的表面出现结巴或粘连，也会使钢板的塑韧性显著下降，所以本发明将Si含量控制在0.20~0.40%范围。

Ti：Ti是强碳化物形成元素，Ti与N、C形成的碳氮化物结合力极强、很稳定，析出的碳氮化物富集在钢的晶界处抑制晶粒长大，并且析出的硬质颗粒提高钢的强度和耐磨性。一定含量的Ti具有阻止变形奥氏体再结晶的作用，能细化晶粒，能提高钢的抗蠕变性能和改善钢的热强性，但过高会导致强度和韧性急剧下降。本发明加入的Ti含量为0.007% ~0.020%。优选地Ti的重量百分比含量为0.008~0.026%。

Cr：Cr元素的加入不仅可以起到很好的固氮作用，而且又增加铁素体形成元素，可以在降低屈强比，同时提高材料的抗腐蚀性，在本发明钢种真空后期可加入一定含量的氮化铬进行补氮，用以补偿真空处理的氮原子流失，微调成分体系。但钢中Cr元素的增加不宜太高，过高的Cr容易与C结合成M₂₃C₆化合物，弱化晶界，使材料变脆，并降低材料的抗腐蚀性，这里将Cr元素控制在1.80~3.50%，优选地Cr的重量百分比含量为1.91~3.2%。

本发明之所以在氩站采用氩气与氮气的混合气体进行吹炼，并使混合气体中的氮气占体积比在35~40%，其余为氩气，是由于氮气溶解度较小，为了使钢液吸收更多的氮原子选择在氩站提高氮浓度，该发明利用氮气氩气复合吹炼可有效将N元素控制在0.006%~0.03%的水平。

本发明之所以要求在5min内完成浇注过程，是由于该发明钢种含有过饱和的碳、氮原子，并且这些原子大多以间隙原子存在于材料中，如果浇注时间过长氮原子易形成气体析出，在钢坯凝固过程中形成气孔、气泡等缺陷，不但降低氮原子含量，而且严重影响钢坯质量。

本发明之所以先采用30~50℃/s下冷却至580~650℃；然后空冷3~10s；最后在缓冷段，以冷却速度5~15℃/s冷至450~520℃，并在450~520℃下保温48h后自然冷却至室温，是由于快冷段可以有效防止钢板发生相变，在冷至580~650℃空冷3~10s，目的是为了使MC碳化物得到孕育从而易于析出长大；缓冷设置的温度范围和冷却速度既是促进第二相析出颗粒长大的条件，缓冷的目的也是为第二相析出长大留出足够的时间和激活能。

本发明与现有技术相比，不仅能在保证钢板硬度的前提下，使钢的基体组织为初生铁素体、珠光体及奥氏体三相复合组织，屈服强度在≥370MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率A≥26.5%，-60℃夏比冲击功不低于260J/cm2，屈强比不高于0.69、腐蚀速率不超过0.082mg/cm2.h，从而满足高铁的需要，延长服役周期。

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化学成分列表；

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的性能列表。

本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：

3）将钢坯加热到1280~1380℃并在此温度下保温2.5~3.0 h；

表1 本发明各实施例及对比例的化学成分（wt.%）

注：表中C的值是根据限定式C=10N+2Ti+1/15Cr结算得出的。

表2 本发明各实施例的主要工艺参数取值列表

续表2

注：各实施例的空冷时间是在3~10s内的任一时间；

对比例工艺按照工艺进行生产。

表3 本发明各实施例的性能检测列表

如表3所示，比较了实施例和背景技术中介绍的几种相关专利的化学成分、延伸率、冲击韧性和耐大气腐蚀性，其中耐大气腐蚀性能测试以高耐候钢Q450NQR1为对比样品，按照铁路用耐候钢周期侵润试验方法（TB/T2375-93）进行72h的周期侵润循环腐蚀实验，通过计算样品单位面积额腐蚀失重量求得平均腐蚀速率，由表中所列结果不难看出，发明钢的耐大气腐蚀性大幅优于对比例，不但延伸率高于对比例而且获得的屈强比均在0.7以内，为结构设计的安全带来了更大保证。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims

1.一种含氮低屈强比高铁用耐候钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.20~0.50%，N：0.006~0.03%，Si：0.2~0.40%，Mn：0.58%或0.42%或0.79%或0.62%或0.51%或0.45%或0.52%或0.73%或0.67%或0.48%，Ti：0.007%~0.020%，Cr：1.80~3.50%，余量为Fe；并满足C=10N+2Ti+1/15Cr在0.20~0.50%；其金相组织为：初生铁素体、珠光体及奥氏体，其中珠光体体积比为70~85%，其余为初生铁素体及奥氏体；生产方法：

3）将钢坯加热到1280~1380℃并在此温度下保温2.5~3.0 h；

4）经高压除鳞后进行粗轧，其粗轧温度控制为1050~1100℃，前两道次压下量分别控制在不低于30%，其余道次每道次的压下量控制在19~21%，且累计压下量在70～78%；

2.如权利要求1所述的一种含氮低屈强比高铁用耐候钢，其特征在于：所述Cr的重量百分比含量为1.91~3.2%。

3.如权利要求1所述的一种含氮低屈强比高铁用耐候钢，其特征在于：所述N的重量百分比含量为0.0092~0.026%。

4.生产如权利要求1所述的一种含氮低屈强比高铁用耐候钢的方法，其步骤：

3）将钢坯加热到1280~1380℃并在此温度下保温2.5~3.0 h；