CN111961971A - 500MPa级高磷高铬耐候钢及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种500MPa级高磷高铬耐候钢及其制备方法和应用，属于钢铁冶炼技术领域。本发明提供了一种全新成分、耐候效果好的高磷高铬耐候钢，其包括：C≤0.12％，Si：0.20～0.60％，Mn≤1.50％，P：0.060～0.150％，S≤0.015％，Cr：2.20～3.00％，Ni：0.10～0.40％，Cu：0.20～0.60％，Als≥0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的高磷高铬耐候钢耐大气腐蚀性指数I高达到9.84～11.25，显著高于6.0，实现了产品优良的耐大气腐蚀性能，可在潮湿地区裸露或轻涂装使用，可广泛用于建筑、桥梁施工或车辆制作领域，具有良好的应用价值。

Description

500MPa级高磷高铬耐候钢及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种500MPa级高磷高铬耐候钢及其制备方法和应用。
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。据统计，在一些工业发达的国家，由腐蚀导致的经济损失占国民经济生产总值的2％～4％，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，是一类在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金钢。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。国内耐候钢主要用于铁道车辆和集装箱等，在美国、日本等发达国家，耐候钢更广泛裸装使用于钢结构建筑及市政设施领域。在美国，耐候钢的最大用途是建造桥梁，并扩大了裸露方式的使用，使用裸露耐候钢的建筑物达500座以上。在日本，从1965年开始，建筑物屋顶、百叶窗、钢骨、外装面板灯等外部部件开始裸露使用耐候钢。
目前，由于耐候钢的应用领域不断扩大，需要开发更多种类的耐候钢，以满足市场的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是开发一种全新成分且具有优良耐大气腐蚀性能的耐候钢。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是提供了一种500MPa级高磷高铬耐候钢，其包括以下质量百分比的化学成分：C≤0.12％，Si：0.20～0.60％，Mn≤1.50％，P：0.060～0.150％，S≤0.015％，Cr：2.20～3.00％，Ni：0.10～0.40％，Cu：0.20～0.60％，Als≥0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，上述500MPa级高磷高铬耐候钢包括以下质量百分比的化学成分：C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.50％，Mn：0.85～1.00％，P：0.080～0.120％，S≤0.007％，Cr：2.60～2.80％，Ni：0.20～0.30％，Cu：0.28～0.38％，Als：0.015～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。
其中，上述500MPa级高磷高铬耐候钢的耐大气腐蚀性指数I为9.84～11.25。
其中，上述500MPa级高磷高铬耐候钢的相对Q355B腐蚀率为≤35％。
其中，上述500MPa级高磷高铬耐候钢的屈服强度为500～580MPa，抗拉强度为680～780MPa，延伸率为≥18％，-40℃冲击值为≥27J。
本发明还提供了上述500MPa级高磷高铬耐候钢的制备方法，其包括以下步骤：
铁水脱硫-转炉冶炼-LF-RH-LF-板坯连铸-热轧-层流冷却-卷取。
本发明还提供了一种上述500MPa级高磷高铬耐候钢的用途，在建筑、桥梁施工或车辆制作领域，潮湿地区裸露或轻涂装使用。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种全新成分的500MPa级高磷高铬耐候钢，其耐大气腐蚀性指数I高达9.84～11.25，远高于6.0，实现了产品优良的耐大气腐蚀性能。本发明的钢耐大气腐蚀性能好，后期维护成本少、产品寿命长，全周期使用成本会有所下降；同时减少环境污染，减少腐蚀失效的事故风险。并且，本发明500MPa级高磷高铬耐候钢还可在潮湿地区裸露或轻涂装使用，可广泛用于建筑、桥梁施工或车辆制作领域，具有良好的应用价值。
具体实施方式
具体的，一种500MPa级高磷高铬耐候钢，包括以下质量百分比的化学成分：C≤0.12％，Si：0.20～0.60％，Mn≤1.50％，P：0.060～0.150％，S≤0.015％，Cr：2.20～3.00％，Ni：0.10～0.40％，Cu：0.20～0.60％，Als≥0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，上述500MPa级高磷高铬耐候钢包括以下质量百分比的化学成分：C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.50％，Mn：0.85～1.00％，P：0.080～0.120％，S≤0.007％，Cr：2.60～2.80％，Ni：0.20～0.30％，Cu：0.28～0.38％，Als：0.015～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的成分中，C是钢中有效的强化元素，提高碳含量，对提高强度有利，但是过高的碳含量会在钢中形成较多粗大脆性的碳化物颗粒，对塑性和韧性不利，碳含量过高还会在钢板中心偏析带，对弯曲性能和成型性不利，同时过高的碳含量增加焊接碳当量，不利于焊接加工。因此本发明设计C≤0.12％，优选的C：0.06～0.08％。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的成分中，Mn具有较强的固溶强化作用，能显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素，但Mn含量过多时连铸过程容易产生铸坯裂纹，同时还会降低钢的焊接性能。因此本发明设计Mn≤1.50％，优选的Mn：0.85～1.00％。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的成分中，S会形成硫化物夹杂使钢的性能恶化，同时腐蚀过程中易形成孔蚀扩展，对腐蚀性能有不利影响。因此本发明设计S≤0.015％，优选的S≤0.007％。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的成分中，Al加入钢中起脱氧的作用，但是Al含量过高，其氮氧化物容易在奥氏体晶界析出导致铸坯裂纹产生。因此本发明设计Als≥0.010％，优选的Als：0.015～0.050％。
钢中Si、P、Cu、Cr、Ni含量将影响耐大气腐蚀性指数I的计算值，是提高钢材的耐大气腐蚀性能的主要合金元素；因此在上述C、Mn、S、Al几种元素确定后，本发明为了提高耐大气腐蚀性能，基于《耐候结构钢》(GB/T 4171-2008)附录D《评估低合金钢的耐大气腐蚀性指南》中的耐大气腐蚀性指数计算公式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，确定了钢中Si、P、Cu、Cr、Ni的含量。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的成分中，Cu加入钢中有利于在钢的表面形成致密的、粘附性好的非晶态氧化物(烃基氧化物)保护层，耐蚀作用明显。另外，Cu与S生成难溶的硫化物，从而抵消S对钢耐蚀性的有害作用。但是Cu含量过高时，由于Cu的熔点较低，低于钢坯加热温度，析出的Cu呈液态聚集于奥氏体晶界处，当析出的Cu含量达到一定程度后，容易在加热或热轧时产生裂纹。另外，根据耐大气腐蚀性指数I的计算公式，Cu含量过小或过大都将减小耐大气腐蚀性指数I的计算值。因此本发明设计Cu：0.20～0.60％，优选的Cu：0.28～0.38％。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的成分中，Ni加入钢中，将显著提高钢材的耐蚀性能，同时Ni与Cu元素形成含Ni的富Cu相，并以固态保留在外氧化层中，降低基体中Cu的富集量，减少液态富Cu相形成的机会，从而避免热脆缺陷发生，因此一般控制钢中Ni/Cu≥1/2。但过高的Ni会增大氧化皮的粘附性，压入钢中会在表面形成热轧缺陷，且Ni为贵重金属，Ni含量过高将显著增加钢材合金成本。因此本发明设计Ni：0.10～0.40％，优选的Ni：0.20～0.30％。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的成分中，Si在钢中具有较高的固溶度，有利于细化锈层组织，降低钢整体的腐蚀速率。但Si含量过高会使轧制时除鳞困难，还会导致焊接性能下降。因此本发明设计Si：0.20～0.60％，优选的Si：0.30～0.50％。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的成分中，P能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，当P与Cu联合加入钢中时，可显示出更好的复合效应，根据耐大气腐蚀性指数I的计算公式，高P含量可以显著提高I值，但P含量过高会显著降低钢的塑性及低温韧性。因此本发明设计P：0.060～0.150％，优选的0.080～0.120％。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的成分中，Cr对改善钢的钝化能力具有显著效果，可促使钢表面进行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，根据耐大气腐蚀性指数I的计算公式，高Cr含量可以显著提高I值。但是Cr含量过高会使生产成本提高。因此本发明设计Cr：2.20～3.00％，优选的Cr：2.60～2.80％。
基于优选的成分，所述500MPa级高磷高铬耐候钢的耐大气腐蚀性指数I可达到9.84～11.25，其值远大于6.0，实现了产品优良的耐大气腐蚀性能。
本发明500MPa级高磷高铬耐候钢的相对Q355B腐蚀率为≤35％。
本发明500MPa级高磷高铬耐候钢的屈服强度为500～580MPa，抗拉强度为680～780MPa，延伸率为≥18％，-40℃冲击值为≥27J。
本发明还提供了一种上述500MPa级高磷高铬耐候钢的制备方法，包括以下步骤：
铁水脱硫-转炉冶炼-LF-RH-LF-板坯连铸-热轧-层流冷却-卷取。
具体的，上述500MPa级高磷高铬耐候钢的制备方法中，各步骤按表1进行参数控制。
表1各步骤采取的主要技术措施及控制目标
Figure BDA0002615912080000041
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的冶炼工序中，合金量加入量大、过程温降大，造成合金增碳和加热增碳大，同时温降过大还会造成铬铁熔化效果差使RH工序插入管黏结严重，所以一般的“转炉冶炼-LF-RH-板坯连铸”方式不能满足该钢种的生产需要。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的冶炼工序中，采用双LF工序，虽增加了一道LF工序势必增加生产成本，但其在温度、成分碳、合金的有效利用(未有插入管黏结导致合金损失现象)以及精炼控硫效率上更具优势，很大程度上降低了生产风险，各工序采取的主要技术措施及控制目标如表所示。其中第一次进入LF工序铬铁按成分要求下限减0.15％控制，因其他合金元素含量较低且易氧化，第一次进入LF不进行配置，待RH脱碳、脱氧后进行初配，在第二次进入LF后进行微调。
上述500MPa级高磷高铬耐候钢的热轧和层冷工序，铸坯采用热送热装或立即堆垛缓冷且在24h内装炉，出炉温度1210～1250℃，粗轧全长全数除鳞，精轧开轧温度≤1020℃，精轧终轧温度810～850℃，机架间冷却水全部关闭，层流冷却采用稀疏冷却，卷取温度为580～620℃。
对于合金含量较高的钢，堆垛时间长、入炉温度低时铸坯易产生边裂缺陷，因此铸坯采用热送热装或立即堆垛缓冷且在24h内装炉。其中机架间冷却水全部关闭，可降低轧制速度，从而降低冷却速率；同时层流冷却采用稀疏冷却，也是为了降低冷却速率。因为高Cr钢的淬透性强，冷却速率大了容易出现马氏体组织，从而对产品韧塑性产生不利影响。
基于上述高磷高铬耐候钢优异的耐腐蚀性能，本发明还提供了一种上述500MPa级高磷高铬耐候钢的用途，在建筑、桥梁施工或车辆制作领域，潮湿地区裸露或轻涂装使用。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。
实施例和对比例
采用所述冶炼和控轧控冷工艺进行500MPa级高磷高铬耐候钢制备，根据《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》TB/T 2375检测耐腐蚀性能，本发明高磷高铬耐候钢和对比例1(普通耐候钢Q450NQR1)和对比例2(低合金高强钢Q355B)的具体成分、耐大气腐蚀性指数I和相对Q355B腐蚀率如表2所示。
表2实施例和对比例主要成分(/％)和耐大气腐蚀性能
Figure BDA0002615912080000051
由实施例和对比例可知，本发明所述500MPa级高磷高铬耐候钢的耐大气腐蚀性指数I超过6.0，且远大于普通耐候钢和低合金高强钢，可以实现优良的耐大气腐蚀性能，产品可在潮湿地区裸露或轻涂装使用，减少涂装和除锈成本，降低因腐蚀引起的失效事故，同时减少环境污染，可用于建筑、桥梁施工或车辆制作领域，具有良好的应用前景。

Claims (7)

1.500MPa级高磷高铬耐候钢，其特征在于：包括以下质量百分比的化学成分：C≤0.12％，Si：0.20～0.60％，Mn≤1.50％，P：0.060～0.150％，S≤0.015％，Cr：2.20～3.00％，Ni：0.10～0.40％，Cu：0.20～0.60％，Als≥0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的500MPa级高磷高铬耐候钢，其特征在于：包括以下质量百分比的化学成分：C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.50％，Mn：0.85～1.00％，P：0.080～0.120％，S≤0.007％，Cr：2.60～2.80％，Ni：0.20～0.30％，Cu：0.28～0.38％，Als：0.015～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的500MPa级高磷高铬耐候钢，其特征在于：所述500MPa级高磷高铬耐候钢的耐大气腐蚀性指数I为9.84～11.25。
4.根据权利要求1所述的500MPa级高磷高铬耐候钢，其特征在于：所述500MPa级高磷高铬耐候钢的相对Q355B腐蚀率为≤35％。
5.根据权利要求1所述的500MPa级高磷高铬耐候钢，其特征在于：所述500MPa级高磷高铬耐候钢的屈服强度为500～580MPa，抗拉强度为680～780MPa，延伸率为≥18％，-40℃冲击值为≥27J。
6.权利要求1～5任一项所述的500MPa级高磷高铬耐候钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
铁水脱硫-转炉冶炼-LF-RH-LF-板坯连铸-热轧-层流冷却-卷取。
7.权利要求1～5任一项所述的500MPa级高磷高铬耐候钢的用途，其特征在于：在建筑、桥梁施工或车辆制作领域，潮湿地区裸露或轻涂装使用。
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