CN110551947A - 耐候钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种耐候钢及其制备方法。针对现有市场需要，本发明拟开发一种低成本、高质量的耐候钢及其制备方法。本发明提供一种耐候钢，其化学成分为：按重量百分比计，C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.45％，Mn：1.10～1.25％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu：0.20～0.30％，Cr：0.50～0.60％，Ni：0.20～0.30％，Nb：0.020～0.030％，Sb：0.03～0.05％，Al：018～0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质。其制备方法包括：冶炼～热轧～层流冷却～卷取。本发明在耐候钢中引入全新的元素Sb，利用Sb和Al元素的协同效应，保证了耐候钢具有良好的耐候性能，能达到与S450AW牌号相当的耐候性能，本发明的耐候钢强度高，能达到450MPa以上。本发明降低了Cr等高成本合金元素的含量，降低了成本和冶炼难度，适宜推广使用。

Description

耐候钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种耐候钢及其制备方法。
背景技术
钢的腐蚀对国民经济和国防建设各个领域的危害是一个普遍而严重的问题。其中，大气腐蚀是钢结构腐蚀的主要形式，约占全部腐蚀损失的一半。因此，对于耐候钢的研发意义重大。耐候钢，又名耐大气腐蚀钢，现广泛应用在建筑、车辆、集装箱、桥梁等领域，是一类在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金钢，其C含量少于0.2wt.％，Cu、Cr、Ni、P、Si、Mn等作为主要合金元素。通过国内外大量的研究，现在普遍认为经过长时间地暴露于大气中，耐候钢表面将生成一层致密且附着性良好的氧化产物使钢基体与外界腐蚀性物质隔绝，从而显著提高耐候钢的耐腐蚀性能。
专利CN105296885A公开了一种含钛高铬耐候钢及其制备方法，该耐候钢的合金成分及重量百分比含量为：C≤0.07％，Si≤0.50％，Mn≤1.5％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cu：0.20～0.55％，Cr：3.00～5.50％，Ni：0.10～0.65％，Ti：0.04～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。该耐候钢中Cr含量高，虽然提高了钢的耐候性能，但高含量的Cr增加了冶炼成本和难度，也对钢材的成型性能产生了不利的影响。因此，钢铁冶炼行业急需开发一种低成本、高质量的耐候钢及其制备方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：开发一种低成本、高质量的耐候钢及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种耐候钢，其化学成分为：按重量百分比计，C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.45％，Mn：1.10～1.25％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu：0.20～0.30％，Cr：0.50～0.60％，Ni：0.20～0.30％，Nb：0.020～0.030％，Sb：0.03～0.05％，Al：018～0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质。
其中，上述耐候钢中，所述耐候钢的屈服强度≥450MPa。
其中，上述耐候钢中，所述耐候钢的厚度为4～10mm。
本发明还提供了一种上述耐候钢的制备方法，包括以下步骤：
a、将钢水冶炼成钢坯；所述钢水成分为：按重量百分比计，C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.45％，Mn：1.10～1.25％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu：0.20～0.30％，Cr：0.50～0.60％，Ni：0.20～0.30％，Nb：0.020～0.030％，Sb：0.03～0.05％，Al：018～0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质；
b、将步骤a冶炼好的钢坯进行热轧，热轧前的出炉温度为1220～1260℃，粗轧进行5道次轧制，每道次变形量≥20％，全长全数除鳞，终轧温度为840～880℃；
c、热轧后进行前段冷却；
d、冷却后的钢材进行卷取，卷取温度为560～600℃，卷取后得到耐候钢。
其中，上述耐候钢的制备方法中，步骤b精轧时开放的冷却水机架数量≥5。
其中，上述耐候钢的制备方法中，步骤c前段冷却时开放的上下集管开水率分别为60％和90％。
本发明的有益效果为：
本发明在耐候钢中利用Sb和Al元素的协同效应，保证了耐候钢具有良好的耐候性能，能达到与S450AW和S450EW牌号相当的耐候性能，腐蚀速率≤0.8g/m2·h，同时本发明的耐候钢强度较高，能达到450MPa以上。本发明降低了Cr等高成本合金元素的含量，降低了成本和冶炼难度，适宜推广使用。
附图说明
图1所示为实施例1和对比例1的极化曲线对比；
图2所示为实施例1和对比例2的极化曲线对比；
图3所示为实施例1和Q345B的极化曲线对比。
具体实施方式
本发明提供了一种耐候钢，其化学成分为：按重量百分比计，C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.45％，Mn：1.10～1.25％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu：0.20～0.30％，Cr：0.50～0.60％，Ni：0.20～0.30％，Nb：0.020～0.030％，Sb：0.03～0.05％，Al：018～0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明设计了一种全新成分的钢，在钢中引入一定量的Sb(0.03～0.05％)，配合一定量的Al(018～0.20％)，发明人经过大量研究证明，该含量下的Sb和Al能够协同增效，显著提升耐候性能。Sb和Al协同作用下对耐候性能的贡献与高含量的Sb(0.085％左右)和高含量的Cr元素(3.5％左右)相近。因此，本发明所述成分的钢能减少Cr的量，在降低生产成本的前提下，还能达到优异的耐候性能和强度。
其中，上述耐候钢中，所述耐候钢的屈服强度≥450MPa。
其中，上述耐候钢中，所述耐候钢的厚度为4～10mm。
本发明还提供了一种上述耐候钢的制备方法，包括以下步骤：
a、将钢水冶炼成钢坯；所述钢水成分为：按重量百分比计，C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.45％，Mn：1.10～1.25％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu：0.20～0.30％，Cr：0.50～0.60％，Ni：0.20～0.30％，Nb：0.020～0.030％，Sb：0.03～0.05％，Al：018～0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质；
b、将步骤a冶炼好的钢坯进行热轧，热轧前的出炉温度为1220～1260℃，粗轧进行5道次轧制，每道次变形量≥20％，全长全数除鳞，终轧温度为840～880℃；
c、热轧后进行前段冷却；
d、冷却后的钢材进行卷取，卷取温度为560～600℃，卷取后得到耐候钢。
其中，上述耐候钢的制备方法中，步骤b精轧时开放的冷却水机架数量≥5。
其中，上述耐候钢的制备方法中，步骤c前段冷却时开放的上下集管开水率分别为60％和90％。
本发明的生产方法中，热轧工序中，采用较高的加热温度可以对铸态组织的成分偏析起到均匀化作用，但加热温度过高会出现烧损、过热、过烧等问题；粗轧需要达到足够的变形量以保证奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒，防止出现混晶组织，粗轧全长全线除鳞以充分去除氧化铁皮，避免氧化铁皮压入造成的表面质量问题；若精轧开轧温度太高，则精轧过程在奥氏体未再结晶区的变形量不足，不利于组织细化；若终轧温度太低，则与开轧温度相差太大，使精轧过程冷速过快，且存在精轧后几机架在两相区轧制的风险，产品综合性能差，若终轧温度太高，则在层流冷却过程的冷速太大从而导致异常组织产生。因此，本发明通过试验最终确定：热轧前的出炉温度为1220～1260℃，粗轧进行5道次轧制，每道次变形量≥20％，全长全数除鳞，终轧温度为840～880℃时才能得到符合要求的钢。
本发明在冷却时采用前段冷却的方式，保证足够的冷却速度使最终组织细化。精轧时开放机架间冷却水，可以提高精轧过程的带钢冷速，在保证精轧开轧温度和终轧温度的基础上提高轧制速度，从而缩小层流冷却段终冷温度与卷取温度的差异，保证产品性能。精轧时开放的冷却水机架数量≥5，层流冷却时冷却水上下集管开水率分别为60％和90％；这是发明人经过大量试验筛选得到的。由于受到重力影响，上集管造成的冲击力更大，冷却效果更好，本发明特别的将上下集管开水率设置了一个差值，从而使上、下集管的冷却速度相当，最终使得冷却后的钢材组织更均匀。
下面通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例1～3制备本发明的耐候钢
具体操作步骤如下：
a、按表1所示的成分，将钢水冶炼成钢坯；
b、将步骤a冶炼好的钢坯进行热轧，热轧前的出炉温度为1220℃，粗轧进行5道次轧制，每道次变形量≥20％，全长全数除鳞，精轧终轧温度为850～880℃；
c、热轧后进行稀疏冷却；
d、冷却后的钢材进行卷取，卷取温度为600℃，卷取后得到耐候钢。
对比例1、2制备现有成分的耐候钢
选取高Cr含量耐候钢作为对比例1，高Sb含量耐候钢作为对比例2，具体成分如下表1所示。对比例1、2中，除钢成分与实施例存在差别外，冶炼和轧制方法同实施例。
表1实施例和对比例的钢成分/％
类别 C Si Mn P S Cu Cr Ni Nb Sb Al Als
实施例1 0.07 0.35 1.14 0.003 0.004 0.30 0.53 0.22 0.023 0.036 0.19 0.188
实施例2 0.07 0.42 1.20 0.005 0.004 0.30 0.56 0.28 0.029 0.045 0.19 0.186
实施例3 0.08 0.32 1.12 0.008 0.003 0.22 0.51 0.22 0.021 0.031 0.18 0.178
对比例1 0.03 0.18 0.38 0.011 0.004 0.40 3.71 0.34 0.035 ～ ～ 0.038
对比例2 0.11 0.34 0.87 0.013 0.004 0.31 0.66 0.18 0.021 0.085 0.03 0.032
效果验证
对实施例1～3和对比例1、2得到的耐候钢进行性能测定。参考《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀实验方法》TB/T 2375-1993及相关腐蚀实验标准，采用周期浸润加速腐蚀的方法对实施例、对比例耐候钢和Q345B钢进行腐蚀。具体实验参数如表2所示，
表2周期浸润加速腐蚀实验参数
温度 时间 溶液 周期时间
室温 72h 1.0×10<sup>～2</sup>mol/L的NaHSO<sub>3</sub>溶液(模拟工业大气环境) 30s(10s在溶液中浸润)
腐蚀试验后采用电化学的方法测定极化曲线(图1～图3所示)，通过对测得的极化曲线进行分析，得到试样锈层在电化学实验环境下的耐蚀性能，具体如表3所示。可见，一定含量的Sb和Al(Sb：0.036％，Al：0.19％)的协同作用对耐腐蚀性能的贡献与高含量Sb元素(0.09％左右)和高含量Cr元素(3.5％左右)的贡献相近。
表3实施例和对比例耐候钢的耐腐蚀性能
类别 腐蚀电位/mV 腐蚀速率/mmpy
实施例1 -354.392 4.592
实施例2 -335.286 4.385
实施例3 -360.458 4.712
对比例1Cr -366.137 4.691
对比例2Sb -402.445 4.709
Q345B -437.453 7.549
进一步的，对实施例和对比例耐候钢的锈层XRD进行分析。
耐候钢在腐蚀过程中锈层分层，形成一层疏松的外锈层和一层附着在钢基体上的致密内锈层，致密的内锈层将钢基体与外界腐蚀性环境隔绝，使耐蚀性能显著提升。
下面通过XRD对实施例和对比例耐候钢表面锈层进行物相分析，各物相所占百分比如下表4所示。
可见，锈层保护性能最差的Q345B试样，其锈层主要由α-FeOOH和γ-FeOOH组成；具有一定Sb和Al(Sb：0.036％，Al：0.19％)含量的实施例1，在腐蚀初期形成的疏松锈层主要由α-FeOOH、γ-FeOOH和一定量的Fe3O4组成；随着腐蚀进行，贴近钢基体的锈层中γ-FeOOH消失、α-FeOOH减少，转化为了稳定的Fe2O3和Fe3O4，锈层分层，内锈层致密，使耐蚀性能显著提升；对比对比例1和2的XRD分析结果，发现均有内锈层中α-FeOOH和γ-FeOOH相总量减少、稳定的Fe2O3和Fe3O4相总量增多的现象，从而使实施例1、对比例1和2的表面锈层对钢基体的保护性能增强，使实施例1、对比例1和2显示出优良的耐候性能，这与分析极化曲线得到的结论一致。
表4 XRD物相分析结果(％)
由实施例和对比例的结果可知，本发明提供了一种全新成分的耐候钢，通过添加一定含量的Sb和Al元素(Sb：0.03～0.05％，Al：018～0.20％)，使得钢材具有优良的耐腐蚀性能，从而降低Cr、Sb等合金元素的含量，在保证性能的同时，降低生产成本和冶炼轧制难度，具有良好的应用前景。

Claims (6)

1.耐候钢，其特征在于，化学成分为：按重量百分比计，C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.45％，Mn：1.10～1.25％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu：0.20～0.30％，Cr：0.50～0.60％，Ni：0.20～0.30％，Nb：0.020～0.030％，Sb：0.03～0.05％，Al：018～0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐候钢，其特征在于：所述耐候钢的屈服强度≥450MPa。
3.根据权利要求1所述的耐候钢，其特征在于：所述耐候钢为厚度4～10mm的耐候钢。
4.权利要求1～3任一项所述的耐候钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将钢水冶炼成钢坯；所述钢水成分为：按重量百分比计，C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.45％，Mn：1.10～1.25％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu：0.20～0.30％，Cr：0.50～0.60％，Ni：0.20～0.30％，Nb：0.020～0.030％，Sb：0.03～0.05％，Al：018～0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质；
b、将步骤a冶炼好的钢坯进行热轧，热轧前的出炉温度为1220～1260℃，粗轧进行5道次轧制，每道次变形量≥20％，全长全数除鳞，终轧温度为840～880℃；
c、热轧后进行前段冷却；
d、冷却后的钢材进行卷取，卷取温度为560～600℃，卷取后得到耐候钢。
5.根据权利要求4所述的耐候钢的制备方法，其特征在于：步骤b精轧时开放的冷却水机架数量≥5。
6.根据权利要求4所述的耐候钢的制备方法，其特征在于：步骤c前段冷却时开放的上下集管开水率分别为60％和90％。
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