CN111235464B

CN111235464B - 一种钛微合金化经济型高强耐候钢及其生产方法

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Publication number: CN111235464B
Application number: CN202010153281.XA
Authority: CN
Inventors: 何博; 胡学文; 郭锐; 张宜; 王海波; 汪飞; 石践; 吴志文; 彭欢; 孙照阳; 李雄杰
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2040-03-06
Also published as: CN111235464A

Abstract

本发明提供了一种钛微合金化经济型高强耐候钢及其生产方法，成分为：C：0.08‑0.14％；Si：0.25％‑0.50％；Mn：0.40‑0.70％；P：≤0.012％；S：≤0.005％；Cr：0.40‑0.70％；Ni：0.02‑0.07％；Cu：0.20‑0.40％；Alt：0.020‑0.045％；Ti：0.025‑0.050％；N≤0.0040％；余量为Fe及不可避免的夹杂。本发明采用低Mn和Ti微合金化设计，结合控轧控冷工艺，本发明获得综合力学性能、焊接性能和成形性能优异的高强耐候钢产品。

Description

一种钛微合金化经济型高强耐候钢及其生产方法

技术领域

本发明属于合金冶炼领域，具体涉及一种钛微合金化经济型高强耐候钢及其生产方法。

背景技术

据统计，我国每年因金属腐蚀造成的经济损失约占全国GDP的3％-5％。耐候钢由于具有优良的耐大气腐蚀性能，能减缓钢铁材料在大气环境中的腐蚀速度，在集装箱、铁道车辆、桥梁、塔架、电缆桥架等长期在室外大气环境中暴露使用的钢结构得到广泛应用。耐候钢主要通过添加Cu、P、Cr、Ni等合金元素，在锈层与基体之间形成一层致密的保护性锈层，从而阻滞腐蚀性介质向钢基体的渗透，起到减缓金属基体腐蚀的作用。美国材料与试验协会经过多年的大气暴晒试验，提出了Legault-Leckie公式，基于化学成分计算钢材的耐候指数I，I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)×(％Ni)-9.10(％Ni)×(％P)-33.39(％Cu)²。I值大于6.0时，材料具有良好的耐大气腐蚀性能，并且随着I值增加而提高。

低成本、高性能、长寿命是当前结构钢材料的发展方向，耐候钢由于Cu、Cr、Ni等元素的添加，使得其制造成本相对于普通碳钢有了较大幅度的增加；尤其是高强耐候钢，由于Mn、Nb等元素的添加，使得其制造成本进一步提高，不利于耐候钢的推广应用。

目前，国内关于经济型耐候钢及其制造方法已申请了多项专利。

2006年7月12日公开的公开号为CN1800428A的发明专利公开了一种经济型耐候钢，其化学成分为C：0.12-0.21％；Si：0.2-2.0％；Mn：0.7-2.0％；P≤0.034％；S≤0.036％；Cu：0.10-0.40％；Al＜0.2，其余为Fe和微量杂质。所述钢的屈服强度只有345MPa；残余元素P、S的含量较高，降低了材料的塑韧性，且S的存在会恶化材料的耐大气腐蚀性能；C、Mn含量较高导致材料的焊接冷裂纹敏感系数较高，焊接性能不好。

2019年月8日公开的公开号为CN109234617A的发明专利公开了一种无镍热轧薄规格耐候钢卷及其生产方法，其化学成分为C：0.07-0.10％；Si：0.25-0.35％；Mn：0.45-0.55％；P：0.07-0.10％；S≤0.012％；Cu：0.25-0.35％；Cr：0.15-0.20％；余量为Fe和不可避免的杂质。所述钢卷厚度1.2-2.5mm，屈服强度：355-455MPa，抗拉强度490-630MPa，延伸率≥22％，适用于极薄规格耐候钢的生产。另外，该材料磷含量高，在晶界偏析对钢材低温韧性产生不利影响。

2010年10月20日公开的公开号为CN101864538A的发明专利公开了一种无镍耐候钢及其热轧板制备方法，其化学成分为C：0.05-0.10％；Si：0.35-0.50％；Mn：0.38-0.50％；P：0.07-0.11％；S＜0.010％；Cu：0.25-0.45％；Cr：0.45-0.60％；B：0-50ppm；余量为Fe和不可避免的杂质。所述钢用于替代09CuPCrNi耐候钢，屈服强度为345MPa级，且P含量较高，易形成高P偏析带，降低钢的低温冲击韧性，-40℃纵向冲击功只有36J左右。

2011年7月20日专利公开号为CN102127710A的发明专利公开了一种无铬耐候钢，其化学成分为C：0.06-0.16％；Si：0.10-0.55％；Mn：0.80-1.70％；P:0.020-0.065％；S≤0.015％；Cu：0.15-0.25％；Ni≤0.30％，Nb≤0.075％，B：0.002-0.005％，其余为Fe和微量杂质。所述钢的屈服强度≥345MPa，且添加微合金元素Nb，生产成本较高。且P含量较高，易形成高P偏析带，降低钢的低温冲击韧性和焊接性能。

上述4个专利所涉及的低成本耐候钢一方面P含量较高，降低低温冲击韧性和焊接性能，另一方面强度较低，不利于钢结构的轻量化和减薄化发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛微合金化经济型高强耐候钢，采用Ti微合金化技术，低成本的开发出综合力学性能、焊接性能和成形性能优异的高强耐候钢产品。

本发明另一目的在于提供一种钛微合金化经济型高强耐候钢的生产方法。

本发明具体技术方案如下：

一种钛微合金化经济型高强耐候钢，所述钛微合金化经济型高强耐候钢含有以下质量百分比的化学元素：C：0.08-0.14％；Si：0.25％-0.50％；Mn：0.40-0.70％；P：≤0.012％；S：≤0.005％；Cr：0.40-0.70％；Ni：0.02-0.07％；Cu：0.20-0.40％；Alt：0.020-0.045％；Ti：0.025-0.050％；N≤0.0040％；余量为Fe及不可避免的夹杂。

同时，本发明钛微合金化经济型高强耐候钢耐候指数I达到6.0以上。

通过Legault-Leckie公式，基于化学成分计算钢材的耐候指数I，I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)×(％Ni)-9.10(％Ni)×(％P)-33.39(％Cu)²。

为保证耐候钢板的焊接性能，本发明的化学成分设计还需同时满足以下焊接冷裂纹敏感系数Pcm要求，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.20％。

Ni是贵重金属元素，是我国稀有资源，也是提高耐大气腐蚀性能的主要合金元素之一。本发明为降低耐候钢制造成本同时满足耐腐蚀性能需要，本发明采用低Ni设计，通过合适的Si-Cu-Cr-Ni匹配，使得I值达到6.0以上。

为进一步降低高强耐候钢制造成本，本发明采用Ti微合金化设计，降低Mn含量。结合控轧控冷工艺，不但可以有效细化晶粒尺寸，而且促进Ti与C和N结合析出细小的碳氮化物粒子，充分发挥Ti元素的细晶强化和析出强化作用，提高钢卷强度。

本发明提供的经济型高强耐候钢合金元素及其质量百分比设计原理如下：

C(碳)：C是提高钢材强度最经济的元素，但是C含量过高会恶化钢材的焊接性能，降低塑性和低温韧性。本发明为提高耐候钢强度同时控制制造成本，将C含量设计为0.08-0.14％。

Si(硅)：Si有利于细化腐蚀产物，促进钢材表面形成致密的保护性锈层从而提高耐大气腐蚀性能，但是Si含量过高会降低钢材的焊接性能。因此本发明将Si含量设计为0.25-0.50％。

Mn(锰)：Mn是钢中重要的固溶强化元素之一，提高钢的强度和韧性。但是Mn含量过高不但会提高耐候钢制造成本，还会恶化钢材的焊接性能。因此，将其含量设计为0.40-0.70％。

P(磷)、S(硫)：P虽然可以提高钢材的耐大气腐蚀性能，但是容易在晶界偏析，显著降低钢材的低温韧性，P含量过低会增加炼钢成本；S是钢中的有害残余元素，恶化钢材的耐大气腐蚀性能和塑韧性,易与Ti结合生成Ti₄C₂S₂,降低有效Ti的含量。因此本发明将P含量设计为≤0.012％，S含量设计为≤0.005％。

Al(铝)：Al是钢中加入的脱氧元素，而且可与N结合形成AlN细化晶粒尺寸，改善钢材的强韧性。但过高的Al也会增加铁素体组织的脆性从而降低钢材的低温韧性。因此，将其含量设计为0.020-0.045％。

Cr(铬)、Cu(铜)、Ni(镍)：Cr、Ni、Cu都是提高钢材耐大气腐蚀性能重要的合金元素，尤其是在三种元素复合添加的时候，能够在钢材表面富集促进致密的保护性锈层生成，显著提高钢材的耐大气腐蚀性能。Ni是贵重金属元素，显著增加钢材制造成本，将其含量控制在0.02％-0.07％。Cr含量过高会恶化钢材的焊接性能，因此将Cr含量设计为0.40-0.70％。Cu的熔点较低，含量过高容易导致钢坯在热轧过程中产生裂纹，因此将Cr含量设计为0.25-0.50％。

Ti(钛)：Ti是提高钢材强度最经济的微合金元素，主要作用是在板坯加热过程中抑制奥氏体晶粒长大，在控轧过程中抑制再结晶奥氏体晶粒长大从而细化铁素体晶粒，轧后冷却过程中析出细小的第二相粒子，通过细晶强化和析出强化作用提高强度。将其含量控制在0.025％-0.050％。

N(氮)：N易与Ti结合形成粗大的TiN粒子，从而减少钢中有效Ti含量，削弱Ti的细晶强化和析出强化效果，因此严格控制N含量在0.0040％以下。

本发明提供的一种钛微合金化经济型高强耐候钢的生产方法，工艺流程包括：铁水预处理深脱硫→转炉顶底复合吹炼→炉外精炼→连铸→板坯加热→轧制→冷却→卷取→精整。

进一步的，按照上述成分进行钢水冶炼。铁水预处理深脱硫至[S]≤0.0050％，采用LF炉精炼进一步控制S含量，减少Ti₄C₂S₂生成对Ti元素的消耗。精炼后进行钙处理(按照现有技术对钢水进行钙处理)方面提高钢水洁净度，降低非金属夹杂物对耐腐蚀性能的不利影响；另一方面对钢中非金属夹杂物进行变性处理，提高钢板的塑韧性。

钢水浇铸采用动态轻压下技术，全流程采用耐候钢专用保护渣保护浇铸，中间包浇注温度控制在液相线温度以上15-35℃，连铸板坯的厚度为230mm。

进一步的，板坯加热，加热温度在1220℃～1280℃，促进奥氏体均匀化和钛的碳氮化物在奥氏体中充分固溶，便于在后续轧制和冷却过程中析出，起到析出强化和细晶强化作用。

进一步的，板坯出炉经过高压水除鳞去除表面氧化铁皮，然后在热连轧机组进行轧制，轧制分粗轧和精轧两个阶段进行。

粗轧阶段在奥氏体再结晶区轧制，采用2架四辊可逆式轧机进行往返轧制。粗轧阶段轧制温度控制在1050℃～1200℃，累计压下率≥80％，在奥氏体再结晶区进行多道次轧制，促进形变奥氏体晶粒进行回复再结晶细化奥氏体晶粒。

精轧阶段采用7架四辊CVC轧机进行连轧，累计变形量≥85％。通过累计大变形，增加形变奥氏体内的形变带和位错密度，增加铁素体相变形核点细化铁素体晶粒。所述精轧终轧温度为840-890℃。

精轧结束后进行控制冷却，冷却速度为10-30℃/s。

卷取温度控制在610-650℃，卷取后堆垛空冷至室温，促进细小的TiC第二相粒子析出。卷取温度高于650℃使得铁素体晶粒和第二相析出粒子粗化，降低材料强度；卷取温度低于610℃，生成贝氏体组织，恶化材料的塑韧性。

所述精整，对板型、卷形不良的薄规格耐候钢进行平整处理，改善薄规格产品的板型。

本发明的钛微合金化经济型高强耐候钢生产方法，采用常规热连轧工艺生产，在降低耐候钢制造成本的同时，具有良好的耐腐蚀性能和强韧性。其设计思路在于：

1)采用低Mn和Ti微合金化技术，结合TMCP工艺。一方面降低制造成本；另一方充分发挥含钛碳氮化物的析出强化和细晶强化作用提高钢卷的强度，同时抑制热影响区奥氏体晶粒长大，提高材料焊接性能。

2)采用低Ni和合理的Si-Cu-Cr-Ni匹配设计，耐候指数I＞6.0，降低制造成本，同时具有良好的耐腐蚀性能。

3)采用高品质洁净钢冶炼工艺控制技术，减少钢水中非金属夹杂物含量，将S含量控制在0.0050％以下，减少Ti₄C₂S₂析出；并对非金属夹杂物进行变性处理，一方面提高耐大气腐蚀性能，另一方面提高塑韧性。

4)采用610-650℃卷取，使得钢板的显微组织为均匀细小的铁素体+珠光体两相组织，晶粒度11-12级，珠光体占比10％-15％，提高材料的塑韧性。

本发明提供的钛微合金化经济型高强耐候钢卷的厚度为1.6-6.0mm，力学性能：R_eL≥450MPa，Rm：550-650MPa，A：≥24.0％，-60℃KV₂≥60J(冲击试样尺寸：5×10×55mm)，具有优良的强度和塑韧性匹配；具有优良的焊接性能和冷弯成形性能。焊接冷裂纹敏感系数Pcm≤0.20％；经过180°冷弯(d＝0.5a)后，弯曲试样外侧面没有裂纹出现，具有较好的冷弯成形性能，便于下游用户的成形加工。采用低Ni、低Mn和Ti微合金化设计，大大降低了高强耐候钢的生产成本。

与现有技术相比，本发明提供的耐候钢具有良好的强韧性和强塑性匹配，易成形、易焊接，便于用户的使用，而且生产成本较低，可以应用于集装箱制造业、铁道车辆制造行业、户外塔架和电缆桥架制造业等行业。

附图说明

图1为本发明实施例生产的钛微合金化经济型高强耐候钢在光学显微镜和扫描电镜下的显微组织形貌；

图2为本发明实施例3生产的钛微合金化经济型高强耐候钢在-60℃冲击断口的SEM形貌。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1-实施例3

一种钛微合金化经济型高强耐候钢，所述钛微合金化经济型高强耐候钢含有以下质量百分比的化学元素：见下表1，余量为Fe和不可避免的夹杂。

表1本发明实施例1-3耐候钢的化学成分(wt％)

实施例1-3所述钛微合金化经济型高强耐候钢的生产方法，采用传统热连轧工艺生产，包括以下工艺流程：铁水预处理深脱硫→转炉顶底复合吹炼→炉外精炼→连铸→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取→精整→交货。

1)铁水预处理深脱硫至[S]≤0.0050％，采用LF炉精炼，精炼后进行钙处理，降低非金属夹杂物含量，钢水浇铸采用动态轻压下技术，全流程采用专用保护渣保护浇铸，中间包浇注温度控制在液相线温度以上15-35℃，所述连铸板坯的厚度为230mm。

2)热连轧首先对板坯进行加热，加热温度为1220℃～1280℃。

3)板坯出炉经过高压水除鳞然后在热连轧机组进行粗轧和精轧，粗轧阶段在奥氏体再结晶区轧制，采用2架四辊可逆式轧机进行往返轧制。粗轧阶段轧制温度控制在1050℃～1200℃，累计压下率≥80％，在奥氏体再结晶区进行多道次轧制，促进形变奥氏体晶粒进行回复再结晶细化奥氏体晶粒。精轧阶段采用7架四辊CVC轧机进行连轧，累计变形量≥85％。通过累计大变形，增加形变奥氏体内的形变带和位错密度，增加铁素体相变形核点细化铁素体晶粒，精轧终轧温度为840-890℃。

4)精轧结束后进行控制冷却、冷却速度为10-30℃/s，卷取，卷取温度控制在610-650℃，卷取后空冷至室温。

5)对板型和卷形不良的薄规格耐候钢卷进行平整处理。

实施例1-实施例3所述钛微合金化经济型高强耐候钢生产过程中具体工艺参数及生产的耐候钢的力学性能如下表2所示，没有提及的工艺及参数按照现有技术进行。

表2实施例1-实施例3耐候钢轧制工艺参数及力学性能

图1为本发明实施例生产的钛微合金化经济型高强耐候钢在光学显微镜和扫描电镜下的显微组织形貌；本发明生产的耐候钢的显微组织为均匀细小的铁素体+珠光体，晶粒度11-12级，珠光体占比10％-15％。本发明通过化学成分、控制轧制和控制冷却工艺设计，使得基体组织以均匀细小的铁素体为主，从而提高材料的塑韧性。同时充分发挥微合金元素钛的析出强化和细晶强化作用提高强度。

本发明所述实施例3在-60℃冲击断口的SEM形貌如图2所示，可见在-60℃仍然为微孔聚集型的韧性断裂，韧脆转变温度低于-60℃。

按照TB/T 2375《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》进行周期浸润腐蚀试验，试验时间72h，以Q345B低合金钢作为对比试样，通过各腐蚀试样单位时间单位面积腐蚀失重量平均值计算平均腐蚀失重速率，试验结果如表3所示。实施例中的经济型高强耐候钢的腐蚀速率是Q345B低合金钢的60％左右，具有优良的耐大气腐蚀性能。

表3实施例1-3耐候钢耐大气腐蚀性能

	平均腐蚀失重速率，(g/(m<sup>2</sup>·h))	相对腐蚀率，％
			实施例1	2.82	61％
实施例2	2.64	57％
			实施例3	2.78	60％
Q345B	4.63	100

本发明提供的钛微合金化经济型高强耐候钢卷具有优良的强度和塑韧性匹配、优良的焊接性能和冷弯成形性能、具有较好的冷弯成形性能，便于下游用户的成形加工。

Claims

1.一种钛微合金化经济型高强耐候钢，其特征在于，所述钛微合金化经济型高强耐候钢含有以下质量百分比的化学元素：C：0.08-0.14％；Si：0.25％-0.50％；Mn：0.40-0.70％；P：≤0.012％；S：≤0.005％；Cr：0.40-0.70％；Ni：0.02-0.07％；Cu：0.20-0.40％；Alt：0.020-0.045%；Ti：0.025-0.050％；N≤0.0040%；余量为Fe及不可避免的夹杂；

所述钛微合金化经济型高强耐候钢的显微组织为均匀细小的铁素体+珠光体两相组织，晶粒度11-12级，珠光体占比10%-15%；其力学性能：R_eL≥450MPa，Rm：550-650MPa，A：≥24.0%，-60℃KV₂≥60J；

所述钛微合金化经济型高强耐候钢耐候指数I达到6.0以上；

所述钛微合金化经济型高强耐候钢焊接冷裂纹敏感系数Pcm≤0.20%。

2.一种权利要求1所述的钛微合金化经济型高强耐候钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法工艺流程包括：铁水预处理深脱硫→转炉顶底复合吹炼→炉外精炼→连铸→板坯加热→轧制→冷却→卷取→精整；

所述轧制分粗轧和精轧两个阶段进行，粗轧阶段轧制温度控制在1050℃～1200℃，累计压下率≥80%；精轧累计变形量≥85%，精轧终轧温度为840-890℃；

所述冷却速度为10-30℃/s；

卷取温度控制在610-650℃。

3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，铁水预处理深脱硫至[S]≤0.0050%。

4.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，板坯加热，加热温度在1220℃～1280℃。