CN113802061A - 一种涂层延寿用355MPa级碳素钢及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明特别涉及一种涂层延寿用355MPa级碳素钢及其制备方法和应用，属于钢材制备技术领域，钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.10‑0.20％，Si：0.1‑0.5％，Mn：0.4‑1.2％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.05‑0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质；在传统碳素钢的基础上仅添加微量的Sn元素，不需添加同类型钢种中Ni、Cr、Cu、Mo等耐蚀性元素，在不影响焊接性的同时，抑制钢的涂层下腐蚀扩展，降低涂层的扩蚀宽度，达到涂层延寿的效果。通过该成分设计，控制Sn元素含量可保证其基本不发生晶界偏聚，保证钢强度、韧性和焊接性，且不影响Q355碳素钢钢的成本和生产工艺，但相比传统Q355碳素钢可显著提高涂层寿命。
Description
技术领域
本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及一种涂层延寿用355MPa级碳素钢及其制备方法和应用。
背景技术
目前对于工业大气和海洋大气环境，耐候钢经常作为常用的结构性材料应用于各类钢结构建筑中，通过其稳定的耐蚀性能实现钢结构的寿命延长。传统耐候钢通过合金设计可裸装应用于工业大气环境中，例如，中国发明专利申请CN111850533A介绍了一种具有稳定锈层的裸用耐候钢及其制造方法，其特点是在两小时内形成表面锈层，可免涂装应用于工业大气环境中。其合金成分设计包含了Ni、Cr、Cu等传统耐蚀性元素，并且在此基础上需要对钢板表面进行全流程的锈层稳定化处理，以促使锈层的形成和稳定，所以在应用过程中成本较高，且应用流程复杂。
中国发明专利申请CN111719082A介绍了一种热轧耐候钢带及其制造方法，涉及355MPa级、420MPa级和500MPa级三个强度级别，专利涉及的耐候钢产品合金设计与传统耐候钢基本相同，但在相同成分体系下，通过工艺控制实现了三个强度级别的生产。
此外高耐蚀的Ni系耐候钢有望免涂装应用于海洋大气环境中，中国发明专利申请CN10629751A介绍了一种适用于高温滨海环境的高耐蚀低合金钢。其合金成分为C≤0.07％，Si:0.20-0.35％，Mn：1.0-1.2％，P≤0.030％，S≤0.004-0.012％，Ni：3.0％～3.5％，Cu：0.4％～1.0％，Mo：0.1-0.2％，Ti≤0.020％；其以Ni元素为主要合金元素，辅助以Cu、Mo，这一成分设计既可保证钢材在海洋大气环境中的耐蚀性，其力学性能也可顾及。
中国发明专利申请CN103741056A介绍了一种耐南海海洋环境用耐蚀钢板及其生产工艺。其合金成分为C：0.03-0.10％，Si：0.1-1.0％，Mn：0.5-1.5％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cu：0.1-1.0％，Cr：0.1～1.0％，Ni：0.1-1.0％，Mo：0.1-0.5％，Sn：0.01-0.3％，Ti：0.01-0.05％，Als：0.01-0.05％；这一钢种相比传统耐候钢Cr、Ni、Cu的含量均有所提高，且增加了Mo的应用，虽然相比高Ni耐候钢合金含量有所降低，但总合金含量依然较高。
此外，相对于裸装应用于各类大气环境的耐候钢品种，涂装应用的低合金耐蚀钢同样是解决钢结构耐蚀性问题的途径之一，中国发明专利申请CN106929763A介绍了一种严酷海洋环境涂装用经济型耐蚀钢，合金成分设计为C≤0.1％，Si:0.20-0.35％，Mn：1.4-1.8％，P≤0.030％，S≤0.012％，Ni：1.5％～3.0％，Cu：0.2％～0.4％，Mo：0.02-0.08％，Al或Ca 0.2-0.5％，Ti≤0.010-0.020％，其中耐蚀性元素Cu、Ni、Mo及Al、Ca的总质量百分比可控制在2.0％-3.5％。这一钢种具有良好的抗膜下腐蚀性能，与涂层联合应用可显著提高涂层寿命，但其主要针对严酷的海洋大气环境，所以合金含量总体较高，导致合金成本高昂。
上述发明所涉及的耐候钢产品大多数可免涂装应用于工业大气环境和海洋大气环境，但免涂装应用势必添加一定量的合金元素并通过控制合金含量达到耐各类大气腐蚀的目的，这就导致钢材合金成本的提高和制造工艺流程的变化。而对于中国发明专利申请CN106929763A涉及的涂装应用耐蚀钢，由于其服役环境恶劣，所以合金含量依然处于较高的水平，同样存在合金成本高和制造工艺变化的问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的涂层延寿用355MPa级碳素钢及其制备方法和应用。
本发明实施例提供了一种涂层延寿用355MPa级碳素钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.10-0.20％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.4-1.2％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.05-0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
可选的，所述钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.13-0.17％，Si：0.2-0.4％，Mn：0.6-1.0％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.1-0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
可选的，所述钢的金相组织以体积分数计为：80％-90％的铁素体，10％-20％的珠光体。
可选的，所述铁素体的晶粒尺寸为15μm-20μm。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的涂层延寿用355MPa级碳素钢的制备方法，所述方法包括：
将铸坯进行加热；
将加热后的铸坯进行热轧；
将热轧后的铸坯进行冷却，获得碳素钢。
可选的，所述将铸坯进行加热中，所述加热的温度为1150℃～1200℃。
可选的，所述将加热后的铸坯进行热轧中，所述热轧的终轧温度为850℃～880℃。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种涂层延寿用355MPa级碳素钢应用，所述应用包括：将碳素钢作为耐蚀涂层的基层形成耐蚀钢，所述碳素钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.10-0.20％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.4-1.2％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.05-0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
可选的，所述耐蚀钢应用于含有SO4 2-的大气环境，且所述大气环境的Cl-沉积率小于0.05mdd。
可选的，所述将热轧后的铸坯进行冷却，获得碳素钢，具体包括，
将热轧后的铸坯进行水冷，后进行卷曲或冷床空冷，获得碳素钢。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的涂层延寿用355MPa级碳素钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.10-0.20％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.4-1.2％，S≤0.02％，P≤0.03％，Al s≤0.02％，Sn：0.05-0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质；在传统碳素钢的基础上仅添加微量的Sn元素，不需添加同类型钢种中Ni、Cr、Cu、Mo等耐蚀性元素，在不影响焊接性的同时，抑制钢的涂层下腐蚀扩展，降低涂层的扩蚀宽度，达到涂层延寿的效果。通过该成分设计，控制Sn元素含量可保证其基本不发生晶界偏聚，保证钢强度、韧性和焊接性，且不影响Q355碳素钢钢的成本和生产工艺，但相比传统Q355碳素钢可显著提高涂层寿命。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的流程图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种涂层延寿用355MPa级碳素钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.10-0.20％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.4-1.2％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.05-0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
碳：碳是组织控制的最主要元素，碳可以与γ-Fe有限固溶，会在一定程度上扩大奥氏体相区；同时碳和铬形成的碳化物也有利于耐蚀性的提高，但碳含量过高会使钢中渗碳体Fe3C含量增加，从而导致珠光体含量的增加，使合金耐蚀性能下降；另一方面碳含量的增多不利于材料的焊接性，为了避免碳的不利影响，碳的含量应当控制在0.10-0.20％之间；
硅：硅的作用是脱氧和保证强度，同时硅可以在表面膜中富集，提高钢的钝化性能，但硅含量过高会降低钢的焊接性能，过低不能保证最低强度，故硅的含量应控制在0.1-0.5％之内；
锰：锰与硅相同，主要作用为脱氧和保证强度，锰可以减弱合金因硫引起的脆性，改善钢的加工性能；锰是奥氏体相区扩大元素，会推迟奥氏体向铁素体的转变；同时锰属于弱碳化物形成元素，在组织转变时需要形成含锰较高的合金渗碳体，可以减慢珠光体转变时合金渗碳体的形核和长大，但锰的含量高于2％时会使晶粒显著粗化，还容易使钢的低温韧性显著降低。故锰含量应控制在1.2-1.6％之内。
硫：硫是合金冶炼中不可或缺的元素，但硫不仅对钢的强度、焊接性能不利，，且硫在酸性环境中易溶解，易形成夹杂，诱发点蚀，降低材料的耐蚀性，故硫含量越低越好，一般应控制在0.02％以下；
磷：磷是铁素体相区形成元素，可以与α-Fe有限固溶，缩小奥氏体相区；同时磷有利于提高材料在酸性土壤环境中的耐腐蚀性能，磷作为阳极去极化剂，有助于在钢表面形成均匀的锈层，从而抑制腐蚀，但磷的含量过高会恶化焊接性能，降低韧性，故磷的含量应控制在0.03％以下；
铝：铝的作用主要为脱氧，但是铝含量过高容易增加钢中的氧化铝夹杂，成为腐蚀源，故铝的含量应控制在0.02％以下；
锡：锡作为一种耐蚀性元素可以在钢的腐蚀发生后大量富集在锈层和基体的结合界面处，使锈层致密性提高并降低锈层的电化学活性，进而抑制钢在涂层下的腐蚀扩展，但锡在钢中含量过高容易引起铸坯的中心偏析和晶界偏聚，影响钢材的力学性能和焊接性能，因此锡含量应控制在0.05-0.3％。
通过采用上述技术方案，保证钢材的基本力学性能，同时提供优异涂层延寿性能。
作为一种可选的实施方式，钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.13-0.17％，Si：0.2-0.4％，Mn：0.6-1.0％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.1-0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
作为一种可选的实施方式，钢的金相组织以体积分数计为：80％-90％的铁素体，10％-20％的珠光体。
80％-90％体积分数的铁素体的作用是保证钢材的韧性和涂装适应性，该体积分数取值过大的不利影响是珠光体含量降低，造成钢材强度不足，过小的不利影响是珠光体含量过高，引起涂装延寿性能降低和韧性下降。
10％-20％体积分数的珠光体的作用是保证钢材强度的情况下，不影响钢材的韧性，该体积分数取值过大的不利影响是造成钢材的韧性下降，过小的不利影响是钢材的强度不足。作为一种可选的实施方式，铁素体的晶粒尺寸为15μm-20μm。
铁素体的晶粒尺寸为15μm-20μm的作用是保证钢材的强度和韧性，该晶粒尺寸取值过大的不利影响是降低钢材的强度和韧性，过小的不利影响是提高制造难度和制造成本。根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上所述的涂层延寿用355MPa级碳素钢的制备方法，所述方法包括：
S1.将铸坯进行加热；
作为一种可选的实施方式，所述铸坯加热工序中，温度为1150～1200℃，目的保证奥氏体在加热和保温的过程中不发生高温过热现象。
S2.将加热后的铸坯进行热轧；
作为一种可选的实施方式，热轧工序中，终轧温度为850～880℃，目的是通过控制终轧温度实现最终强度。
S3.将热轧后的铸坯进行空冷，获得碳素钢。
作为一种可选的实施方式，所述将热轧后的铸坯进行冷却，获得碳素钢，具体包括，
将热轧后的铸坯进行水冷，后进行卷曲或冷床空冷，获得碳素钢。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种涂层延寿用355MPa级碳素钢应用，所述应用包括：将碳素钢作为耐蚀涂层的基层形成耐蚀钢，所述碳素钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.10-0.20％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.4-1.2％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.05-0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。在实际使用时，耐蚀涂层可以为目前常见的各种耐蚀涂层，具体而言，可以为目前应用范围最广的环氧富锌涂层。
作为一种可选的实施方式，耐蚀钢应用于含有SO4 2-的大气环境，且所述大气环境的Cl-沉积率小于0.05mdd。具体而言，含有SO4 2-且Cl-沉积率小于0.05mdd的大气腐蚀环境包括如下至少一种：内陆城市大气环境、内陆工业大气环境、沿海城市大气环境、沿海工业大气环境。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的涂层延寿用355MPa级碳素钢及其制备方法和应用进行详细说明。
实施例1
一种涂层延寿用355MPa级碳素钢，钢的化学成分重量百分比含量如下表所示。
制备步骤包括：对铸坯进行加热、热轧、空冷工序，铸坯加热工序中，温度为1200℃；热轧工序中，终轧温度为860℃。
实施例2
一种涂层延寿用355MPa级碳素钢，钢的化学成分重量百分比含量如下表所示。
制备步骤包括：对铸坯进行加热、热轧、空冷工序，铸坯加热工序中，温度为1200℃；热轧工序中，终轧温度为860℃。
实施例3
一种涂层延寿用355MPa级碳素钢，钢的化学成分重量百分比含量如下表所示。
制备步骤包括：对铸坯进行加热、热轧、空冷工序，铸坯加热工序中，温度为1200℃；热轧工序中，终轧温度为860℃。
实施例4
一种涂层延寿用355MPa级碳素钢，钢的化学成分重量百分比含量如下表所示。
制备步骤包括：对铸坯进行加热、热轧、空冷工序，铸坯加热工序中，温度为1200℃；热轧工序中，终轧温度为860℃。
对比例1
一种355MPa级碳素钢，钢的化学成分重量百分比含量如下表所示。
制备步骤包括：对铸坯进行加热、热轧、空冷工序，铸坯加热工序中，温度为1200℃；热轧工序中，终轧温度为860℃。
对比例2
一种355MPa级碳素钢，钢的化学成分重量百分比含量如下表所示。
制备步骤包括：对铸坯进行加热、热轧、空冷工序，铸坯加热工序中，温度为1200℃；热轧工序中，终轧温度为860℃。
对比例3
一种355MPa级碳素钢，钢的化学成分重量百分比含量如下表所示。
制备步骤包括：对铸坯进行加热、热轧、空冷工序，铸坯加热工序中，温度为1200℃；热轧工序中，终轧温度为860℃。
实验例：
将实施例1-4和对比例1-3制得的钢进行力学性能和涂层寿命进行检测，测试结果如下表所示。
| 屈服强度MPa | 平均扩蚀宽度mm | |
| 实施例1 | 377 | 0.91 |
| 实施例2 | 369 | 0.84 |
| 实施例3 | 366 | 0.67 |
| 实施例4 | 362 | 0.61 |
| 低比例1 | 374 | 2.15 |
| 对比例2 | 376 | 1.39 |
| 对比例3 | 292 | 0.52 |
其中，耐腐蚀性能检测的方法：采用周期浸润方法进行模拟含有SO4 2-且Cl-沉积率小于0.05mdd的大气腐蚀环境，溶液为利用蒸馏水和NaCl、NaSO4人工配制的质量分数为0.1％NaCl+0.1％NaHSO4溶液，环境温度30℃，腐蚀时间为2500h。试样为钢+涂层试样，涂层划线至少50mm长，2mm宽，距任一长板边的距离至少12.5mm，距任一短板边的距离至少25mm。划线应完划透油漆涂层直至试样底材。划线要和板面垂直，钢的切割深度应该尽可能的低。
上表中，对比例1为传统钢碳素钢，化学成分控制均不满足发明要求，其耐扩蚀性能最差；对比例2化学成分控制不能满足发明要求，Sn含量较低，耐扩蚀性能较差；对比例3化学成分控制不能满足发明要求，Sn含量过高，屈服强度过低；由表2可知，各实施例的扩蚀宽度较对比例材料降低，屈服强度满足要求。发明实施例的热带海洋大气用低合金耐蚀钢材料，在不降低材料力学性能的基础上，耐热带海洋大气腐蚀性能明显优于传统的耐候钢和碳素钢。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本发明实施例提供的碳素钢，在传统碳素钢的基础上仅添加微量的Sn元素，不需添加同类型钢种中Ni、Cr、Cu、Mo等耐蚀性元素，在不影响焊接性的同时，抑制钢的涂层下腐蚀扩展，降低涂层的扩蚀宽度，达到涂层延寿的效果。通过该成分设计，控制Sn元素含量可保证其基本不发生晶界偏聚，保证钢强度、韧性和焊接性，且不影响Q355碳素钢钢的成本和生产工艺，但相比传统Q355碳素钢可显著提高涂层寿命；
(2)本发明实施例提供的碳素钢，具有优异的屈服强度，屈服强度≥355MPa；优异的涂层延寿性能，能满足含有SO4 2-且Cl-沉积率小于0.05mdd的大气腐蚀环境条件下显著延长涂层寿命；
(3)本发明实施例提供的碳素钢，其表面涂层寿命是传统碳素钢的2倍以上；
(4)本发明实施例提供的碳素钢，在不降低材料力学性能的基础上，耐热带海洋大气腐蚀性能明显优于传统的耐候钢和碳素钢。由于本发明的产品通过控制合金元素含量、夹杂物控制即可实现热带海洋大气腐蚀环境下耐蚀性能的大幅度提高，故本发明的产品成本提高不大，服役寿命显著提高，且十分容易实现工业化生产，具有广阔的应用前景。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种涂层延寿用355MPa级碳素钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.10-0.20％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.4-1.2％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.05-0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的涂层延寿用355MPa级碳素钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.13-0.17％，Si：0.2-0.4％，Mn：0.6-1.0％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.1-0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的涂层延寿用355MPa级碳素钢，其特征在于，所述钢的金相组织以体积分数计为：80％-90％的铁素体，10％-20％的珠光体。
4.根据权利要求3所述的一种高屈服一次冷轧罩退包装用钢，其特征在于，所述铁素体的晶粒尺寸为15μm-20mm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的涂层延寿用355MPa级碳素钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将碳素钢的铸坯进行加热；
将加热后的铸坯进行热轧；
将热轧后的铸坯进行冷却，获得碳素钢。
6.根据权利要求5所述的涂层延寿用355MPa级碳素钢的制备方法，其特征在于，所述将铸坯进行加热中，所述加热的温度为1150℃～1200℃。
7.根据权利要求5所述的涂层延寿用355MPa级碳素钢的制备方法，其特征在于，所述将加热后的铸坯进行热轧中，所述热轧的终轧温度为850℃～880℃。
8.一种涂层延寿用355MPa级碳素钢应用，其特征在于，所述应用包括：将碳素钢作为耐蚀涂层的基层形成耐蚀钢，所述碳素钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.10-0.20％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.4-1.2％，S≤0.02％，P≤0.03％，Als≤0.02％，Sn：0.05-0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
9.根据权利要求8所述的涂层延寿用355MPa级碳素钢应用，其特征在于，所述耐蚀钢应用于含有SO4 2-的大气环境，且所述大气环境的Cl-沉积率小于0.05mdd。
10.根据权利要求5所述的涂层延寿用355MPa级碳素钢应用，其特征在于，所述将热轧后的铸坯进行冷却，获得碳素钢，具体包括，
将热轧后的铸坯进行水冷，后进行卷曲或冷床空冷，获得碳素钢。
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