CN111349850A

CN111349850A - 一种高耐蚀耐候钢及其制造方法

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Publication number: CN111349850A
Application number: CN201811580408.5A
Authority: CN
Inventors: 宋凤明; 温东辉; 王炜; 杨阿娜; 李自刚; 华骏山; 徐嘉春; 陆敏
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2018-12-24
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2038-12-24
Also published as: CN111349850B

Abstract

本发明公开了一种高耐蚀耐候钢，其化学元素质量百分配比为：C：0.03‑0.05％，Si：0.03‑0.05％，Mn：0.8‑1.2％，Cu：0.1‑0.2％，Cr：6.8‑8.2％，Ni：0.05‑0.15％，Mo：0.15‑0.25％，Al：0.03‑0.05％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。此外，本发明还公开了一种上述的高耐蚀耐候钢的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和浇铸；(2)再加热：铸坯被再加热到1200℃‑1260℃；(3)粗轧；(4)精轧；(5)卷取；(6)冷却至室温。该高耐蚀耐候钢具有较高的耐大气腐蚀性能，且在保留了塑性、低温韧性和成形性能优良的基础上具有高的强度。

Description

一种高耐蚀耐候钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢种及其制造方法，尤其涉及一种耐候钢及其制造方法。

背景技术

一般将耐候指数在6.0以上的称为耐候钢，耐候钢相较普通碳钢具有良好的耐大气腐蚀性能，能够有效延长钢结构的使用寿命，从而降低成本及对环境的压力。耐候指数I定义为：

I＝26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P-7.29CuNi-9.1NiP-33.39Cu²

耐候钢在大气服役环境条件下，钢中各合金元素之间发生交互作用，在表面生成以α—FeOOH为主要成分的致密锈层，其热力学稳定，不参与钢电化学腐蚀的阴极还原过程。上述的锈层内铜、铬等元素的富集使得锈层具有离子选择性透过特性，显著提高钢的耐大气腐蚀性能，从而使得耐候钢相较于普通碳钢具有良好的耐大气腐蚀性能，因而，在铁路货车、集装箱和户外塔架等领域获得广泛应用。

然而在现有技术中，现有的普通耐候钢尚不能满足使用年限25年的要求，而直接采用不锈钢则成本过高。因此，非常迫切需要一种耐腐蚀性能更高的耐候钢，同时强度也有所提高，可以满足现在对钢种高强减重的需要。

公开号为CN101225498，公开日为2008年7月23日，名称为“一种600MPa级高强耐候钢及其制备方法”的中国专利文献公开了一种600MPa级高强耐候钢及其制备方法。在该中国专利文献所公开的技术方案中，所涉及的高强耐候钢采用薄板坯连铸工艺生产，其耐候指数在6.0左右，在耐大气腐蚀性能上相较现有的普通耐候钢无明显提高。此外，所涉及的高强耐候钢采用含量较高的P来保证钢的耐腐蚀性能，但这样会对韧性以及塑性不利。

公开号为CN102168229A，公开日为2011年8月31日，名称为“耐候钢板及其制造方法”的中国专利文献公开了一种耐候钢板及其制造方法。在该中国专利文献所公开的技术方案中，虽然P元素的含量不高，但是其耐蚀合金的添加也不高，因而，使得所涉及的耐候钢板的耐候指数仍在6.0左右，耐大气腐蚀性能与传统耐候钢相当，达不到无涂装使用的要求。

综上所述可以看出，现有技术中的耐候钢的耐候指数在6.0-7.0之间，耐大气腐蚀性能仅能与传统的钢种相当，且屈服强度也较低，无法满足现阶段对耐候钢的耐大气腐蚀性能以及高强减重的需求。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高耐蚀耐候钢，该高耐蚀耐候钢具有较高的耐大气腐蚀性能，且在保留了塑性、低温韧性和成形性能优良的基础上具有高的强度，非常适用于铁道车辆制造行业、集装箱制造业及桥梁工程、户外塔架等领域。

为了实现上述目的，本发明提出了一种高耐蚀耐候钢，其化学元素质量百分配比为：

C：0.03-0.05％，Si：0.03-0.05％，Mn：0.8-1.2％，Cu：0.1-0.2％，Cr：6.8-8.2％，Ni：0.05-0.15％，Mo：0.15-0.25％，Al：0.03-0.05％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

在本发明所述的高耐蚀耐候钢中，各化学元素的设计原理如下：

C：对于本发明所述的高耐蚀耐候钢而言，添加C可以使得C融入钢基体中，从而起到固溶强化的作用，并且C可以形成细小的碳化物析出粒子，从而起到析出强化作用。为了保证实现上述效果，在本发明所述的技术方案中，将C的质量百分比控制0.03％以上。然而，另一方面，若C的质量百分比超过0.05％，则会对钢板的焊接、韧性以及塑性有不利影响。此外，本案发明人还考虑到C的质量百分比会对于限制珠光体组织及其它碳化物的形成造成影响，为了保证本发明所涉及的钢种的显微结构为均相组织，同时避免异相之间的电位差所引起的原电池腐蚀，以提高本案所涉及的钢种的耐蚀性能，因而，将本发明所述的高耐蚀耐候钢中的C的质量百分比控制在0.03-0.05％。

Si：在本发明所述的技术方案中，Si为脱氧元素，不形成碳化物。此外，Si在本发明所涉及的钢种中以置换的方式替代Fe原子，阻碍位错运动，从而实现固溶强化。另外，本案发明人发现由于Si在钢中具有较高的固溶度，可以增加钢中铁素体体积分数，细化晶粒，因而，添加Si可以显著有利于提高本案所涉及的钢种的韧性。然而，Si对强度的提高效果小于C，并且添加Si会提高冷加工时的加工硬化率，在一定程度上降低本案所涉及的钢种的韧性和塑性。此外，本案发明人考虑到含量过高的Si会促进C的石墨化，对韧性不利，也会对表面质量及焊接性能不利。基于上述考虑，本案发明人将本发明所述的高耐蚀耐候钢中Si的质量百分比控制在0.03-0.05％。

Mn：对于本发明所述的高耐蚀耐候钢而言，Mn是钢中的强化元素，也是炼钢脱氧的必要元素。此外，在本发明所述的技术方案中，Mn可以促进中低温组织转变，细化本发明所述的高耐蚀耐候钢的显微组织，还可以起到抑制网状渗碳体的形成的作用，从而对本案所涉及的钢种的韧性的提高较为有利。然而，另一方面，当Mn的质量百分比超过本案所限定的上限时，则易导致偏析，进而恶化基体组织，并且形成较大的MnS夹杂，从而恶化本发明所涉及的钢种的钢板可焊性和焊接热影响区韧性。此外，过量的Mn还会降低本案所涉及的钢种的导热系数，降低冷却速度，产生粗晶，对钢种的韧性和疲劳性能十分不利。因此，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中将Mn的质量百分比控制在0.8-1.2％。

Cu：在本发明所述的技术方案中，Cu起到固溶强化作用。此外，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中，当Cu的质量百分比超过本案所限定的下限值时，其可以在适当温度下回火有二次硬化效应，从而提高本发明所涉及的钢种的强度。同时，Cu也是可以提高耐腐蚀性能的元素之一，由于Cu的电化学电位高于Fe，因而，其可以有利于促进钢表面锈层致密化及稳定锈层的形成。此外，本案发明人发现当Cu与Ni适当配比，可以显著地提高本发明所涉及的钢种的耐大气腐蚀性能。然而，另一方面，Cu的质量百分比超过本案所限定的上限时，可能对焊接不利，并且在热轧时容易发生网裂。因此，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中将Cu的质量百分比控制在0.1-0.2％，优选地，Cu的质量百分比可以进一步控制在0.15-0.20％。

Cr：对于本发明所述的高耐蚀耐候钢而言，Cr是本发明所涉及的钢种的耐蚀元素，对改善钢的钝化能力具有显著的效果。此外，Cr还可以促进钢表面形成致密的钝化膜或保护性锈层，其在锈层内的富集能有效提高锈层对腐蚀性介质的选择性透过特性。另外，本案发明人发现Cr的加入可以有效提高钢的自腐蚀电位，抑制腐蚀的发生。此外，Cr在本发明所涉及的钢种中可以与Fe形成连续固溶体，从而起到固溶强化的作用，并与C形成多种类型的碳化物例如M₃C、M₇C₃和M₂₃C₆，进而产生二次强化效应。然而，超过本案所限定的上限的Cr一方面提高了钢板的制造成本，另一方面也对焊接及韧性不利。基于此，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中将Cr的质量百分比控制在6.8-8.2％，优选地，Cr的质量百分比可以进一步控制在7.0-7.8％。

Ni：在本发明所述的技术方案中，Ni是提高钢耐腐蚀性能的重要元素，其可以促进锈层的稳定。此外，Ni还可以改善Cu引起的热加工脆性问题。另外，Ni可以提高本发明所涉及的钢种强度的同时，改善其韧性，并提高淬透性，有效阻止Cu的热脆引起的网裂。然而，由于Ni为贵重金属元素，添加过多不利于节约制造成本，而且含量过高的Ni会提高氧化皮的粘附性，压入钢中会在表面形成热轧缺陷。因此，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中将Ni的质量百分比控制在0.05-0.15％。

Mo：在本发明所述的高耐蚀耐候钢中，Mo以碳化物和固溶的形式存在于钢中，从而提高本发明所涉及的钢种的淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的形成，并且还可以起到促进马氏体组织的形成的作用。另外，在本发明所述的技术方案中，Mo还可以起到相变强化和位错强化的作用。此外，添加Mo还可以提高钢的回火稳定性，减缓回火软化现象，并抑制高温回火脆性。本案发明人还发现本发明所涉及的钢种的强度随Mo含量的增加而显著提高。Mo与Cr和Mn并存时可以降低其它元素导致的回火脆性，改善钢板的低温冲击韧性。然而，含量较高的Mo对焊接性能不利，且添加过多会导致制造成本较高、基于上述综合考量，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中将Mo的质量百分比控制在0.15-0.25％。

Al：在本发明所述的技术方案中，Al为铁素体形成元素，通常在炼钢过程中作为脱氧剂在钢中添加，微量的Al在炼钢时形成细小的AlN析出，在随后的冷却过程中有细化奥氏体晶粒的作用，从而改善本发明所涉及的钢种的强韧性能。此外，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中，Al也可以作为N的固定剂使用。因此，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中将Al的质量百分比控制在0.03-0.05％。

综上所述可以看出，本发明所述的高耐蚀耐候钢与现有技术不同之处在于，本案不采用高含量的P，而是通过合理的元素成分设计尤其是耐蚀合金元素(例如Cu、Ni以及Cr)的搭配，从而实现耐腐蚀性能的显著提高。此外，利用C和Cr的固溶强化及C的相变强化实现本案所涉及的钢种的强度提升，尤其是质量百分比控制在0.03-0.05％的C，其一方面保证基体中没有过多的碳化物形成，避免恶化耐腐蚀性能，另一方面其保证在轧后的冷却过程中有少量高强度的马氏体组织形成，从而实现相变强化。而Cr一方面能够提高钢种的耐腐蚀性能，另一方面具有固溶强化作用。此外，Cu、Mo的加入分别具有析出强化和促进马氏体形成的相变强化效应，从而进一步保证了本发明所涉及的钢种的高强度。

进一步地，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中，Cr质量百分含量为7-7.8％，并且/或者Cu质量百分含量为0.15-0.2％。

进一步地，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中，在其他不可避免的杂质中，P、S和N元素的质量百分含量满足下述各项的至少其中之一：P≤0.015％，S≤0.006％，N≤0.005％。

在本发明所述的技术方案中，不可避免的杂质包括P、S和N，其中，P、S和N元素的质量百分含量满足下述各项的至少其中之一：P≤0.015％，S≤0.006％，N≤0.005％。这是因为：

S易在凝固过程中与Mn形成塑性夹杂物硫化锰，对横向塑性及韧性不利；同时S在焊接时易氧化形成SO₂气体，导致焊接气孔及疏松缺陷。而且S也是热轧过程中产生热脆性的主要元素，因此，在本发明所述的技术方案中，S的质量百分比越低越好，但是考虑到成本因素，因而，本发明所述的高耐蚀耐候钢将S的质量百分比控制在S≤0.006％；

P可以促进本发明所涉及的钢种的表面保护性锈层的形成，可以有效提高本发明所述的高耐蚀耐候钢的耐大气腐蚀性能，但P易在晶界处产生偏析，降低晶界结合能及钢的韧性及塑性。此外，P与Mn共存将加剧钢的回火脆性，偏聚的P使得钢板易发生沿晶断裂，降低本发明所述的高耐蚀耐候钢的钢板的冲击韧性。另外，P对焊接性能不利，因此，在本发明所述的技术方案中，P为有害元素，即杂质，需要将其质量百分比控制在为P≤0.015％。另外N作为有害元素，也需要将其质量百分比控制在N≤0.005％。

进一步地，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中，其微观组织为贝氏体+铁素体+马氏体，其中马氏体的相比例不超过10％。

进一步地，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中，其屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥900MPa，且其耐候指数I值为12.0-14.0。

进一步地，在本发明所述的高耐蚀耐候钢中，其在-40℃条件下的冲击功≥60J。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述的高耐蚀耐候钢的制造方法，通过该制造方法所得到的高耐蚀耐候钢具有较高的耐大气腐蚀性能，且在保留了塑性、低温韧性和成形性能优良的基础上具有高的强度，非常适用于铁道车辆制造行业、集装箱制造业及桥梁工程、户外塔架等领域。

为了实现上述目的，本发明提出了一种上述的高耐蚀耐候钢的制造方法，包括步骤：

(1)冶炼和浇铸；

(2)再加热：铸坯被再加热到1200℃-1260℃；

(3)粗轧；

(4)精轧；

(5)卷取；

(6)冷却至室温。

需要特别指出的是，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，控制铸坯在1200℃-1260℃之间再加热是因为，通过本发明所述的制造方法所获得的高耐蚀耐候钢由于含有较多的Cr、Mo合金元素，因而，采用更高的加热温度有利于合金元素的充分固溶及均匀化，进而有利于改善铸坯材质的均匀性及后续钢板性能的提高，因此，本案发明人将铸坯的再加热温度控制在1200℃-1260℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，为了保证再结晶细化晶粒的效果，在步骤(3)中，粗轧阶段累计变形量≥80％，粗轧结束温度在950℃-1150℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，控制精轧结束的温度不低于800℃，精轧阶段的变形比≥5。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(5)中，将精轧后的钢板水冷至550-650℃进行卷取。

相较于现有技术，本发明所述的高耐蚀耐候钢及其制造方法具有如下的优点以及有益效果：

本发明所述的高耐蚀耐候钢的屈服强度≥700MPa、抗拉强度≥900MPa，非常适合用于强度要求高的车辆，尤其是可以满足车辆降低构件自重的要求。

此外，本发明所述的高耐蚀耐候钢不采用高含量的P，而是通过合理的元素成分设计尤其是耐蚀合金元素(例如Cu、Ni以及Cr)的搭配，实现耐候指数I在12.0-14.0，进而实现耐腐蚀性能的显著提高，使得本发明所述的高耐蚀耐候钢非常适用于铁路车辆、集装箱、桥梁及户外塔架等领域，从而实现无涂装使用，降低使用和维修成本。

另外，本发明所述的高耐蚀耐候钢具有优良的低温韧性，-40℃条件下冲击功在60J以上(全尺寸试样)。

本发明所述的制造方法同样也具有上述优点以及有益效果，此外，本发明所述的制造方法采用控轧控冷生产工艺，因而，轧后不需要进行热处理，可以直接热轧状态进行供货，从而有效缩短了供货周期，降低了生产成本。

附图说明

图1显示了实施例1的高耐蚀耐候钢的微观组织。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例以及说明书附图对本发明所述的高耐蚀耐候钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-6

表1列出了实施例1-6的高耐蚀耐候钢中各化学元素的质量百分比(wt％)。

表1.(wt％，余量为Fe以及除了P、S以及N以外其他不可避免的杂质元素)

由表1可以看出，相较于现有技术，本案各实施例并不采用高含量的P，而是通过合理的元素成分设计尤其是耐蚀合金元素(例如Cu、Ni以及Cr)的搭配，实现耐候指数I在12.0-14.0，进而实现耐腐蚀性能的显著提高。

此外，本案各实施例利用C和Cr的固溶强化及C的相变强化实现本案所涉及的钢种的强度提升，尤其是质量百分比控制在0.03-0.05％的C，其一方面保证基体中没有过多的碳化物形成，避免恶化耐腐蚀性能，另一方面其保证在轧后的冷却过程中有少量高强度的马氏体组织形成，从而实现相变强化。而Cr一方面能够提高钢种的耐腐蚀性能，另一方面具有固溶强化作用。此外，Cu、Mo的加入分别具有析出强化和促进马氏体形成的相变强化效应，从而进一步保证了本案实施例所涉及的钢种的高强度。

实施例1-6的高耐蚀耐候钢的制造方法采用以下步骤制得：

(1)冶炼和浇铸：按照表1所示的化学元素成分，在500kg真空感应炉上冶炼，浇铸得到铸坯。

(2)再加热：铸坯被再加热到1200℃-1260℃。

(3)粗轧：粗轧阶段累计变形量≥80％，粗轧结束温度在950℃-1150℃。

(4)精轧：控制精轧结束的温度不低于800℃，精轧阶段的变形比≥5。

(5)卷取：将精轧后的钢板水冷至550-650℃进行卷取。

(6)冷却至室温。

表2列出了实施例1-6的高耐蚀耐候钢的制造方法中所涉及的具体工艺参数。

表2.

对实施例1-6的高耐蚀耐候钢进行各项测试，测试结果列于表3。

表3.

由表3可以看出，本案各实施例的高强度耐候钢屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥900MPa，低温韧性以及延伸率也表现良好，延伸率可以达到10-14％，在一些优选的实施方式中，在-40℃条件下的冲击功≥60J。

图1显示了实施例1的高耐蚀耐候钢的微观组织。如图1所示，实施例1的高耐蚀耐候钢的微观组织为贝氏体+铁素体+少量马氏体，其中马氏体的相比例不超过10％。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高耐蚀耐候钢，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：

2.如权利要求1所述的高耐蚀耐候钢，其特征在于，Cr质量百分含量为7-7.8％，并且/或者Cu质量百分含量为0.15-0.2％。

3.如权利要求1所述的高耐蚀耐候钢，其特征在于，在其他不可避免的杂质中，P、S和N元素的质量百分含量满足下述各项的至少其中之一：P≤0.015％，S≤0.006％，N≤0.005％。

4.如权利要求1所述的高耐蚀耐候钢，其特征在于，其微观组织为贝氏体+铁素体+马氏体，其中马氏体的相比例不超过10％。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的高耐蚀耐候钢，其特征在于，其屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥900MPa，且其耐候指数I值为12.0-14.0。

6.如权利要求5所述的高耐蚀耐候钢，其特征在于，其在-40℃条件下的冲击功≥60J。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的高耐蚀耐候钢的制造方法，其特征在于，包括步骤：

(1)冶炼和浇铸；

(2)再加热：铸坯被再加热到1200℃-1260℃；

(3)粗轧；

(4)精轧；

(5)卷取；

(6)冷却至室温。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在步骤(3)中，粗轧阶段累计变形量≥80％，粗轧结束温度在950℃-1150℃范围内。

9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，控制精轧结束的温度不低于800℃，精轧阶段的变形比≥5。

10.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在步骤(5)中，将精轧后的钢板水冷至550-650℃进行卷取。