CN113957342A - 一种低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板 - Google Patents

一种低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板，包括基材和覆材，满足耐大气腐蚀性指数I≥6.0，总厚度为5～60mm，所述覆材厚度为0.5～5.0mm；该不锈钢复合板的制备方法包括：基覆材备料、单面制坯、对称制坯、控轧控冷、回火热处理和分板矫直。本发明提供的不锈钢复合板，复合界面结合良好，抗剪强度≥300MPa，180°弯曲不开裂；屈强比≤0.83；基材在‑40℃时冲击功≥220J；覆材经晶间腐蚀后，未发现晶间腐蚀现象，具有优异的抗晶间腐蚀性能。

Description

一种低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板
技术领域
本发明涉及一种不锈钢复合板，具体涉及一种低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板及其制备方法。
背景技术
耐候桥梁钢与不锈钢复合板主要用于制备铁路钢桥的桥面结构，与耐候桥梁钢一起配套使用，避免了桥面结构的油漆涂刷造成的污染问题，而且复合板的不锈钢层能有效地保护铁路钢桥桥面结构不被氯离子等腐蚀，从而满足较长的使用寿命要求。因此，耐候钢桥用不锈钢复合板具有良好的应用前景。
现有铁路钢桥用不锈钢复合板基本是普通非耐候桥梁钢与不锈钢的复合板，主要生产方式有爆炸复合法和真空轧制复合法。爆炸复合法使用较为广泛，但存在噪声污染和环境污染等问题，且生产过程受天气的影响较大，交货期难保证；真空轧制复合法是通过高温加热及轧制的方式实现覆层和基层良好冶金结合的一种生产工艺，适合宽幅薄规格复合板的批量化生产，生产效率高。相对来说，真空轧制复合法更绿色环保，适合耐候钢桥用不锈钢复合板的批量生产。如专利CN201910290255.9《一种TMCP型桥梁钢不锈钢复合板爆炸焊接制造方法》公开的就是采用爆炸复合法生产的非耐候桥梁钢与不锈钢复合板的制造方法，且非耐候桥梁钢不具有耐大气腐蚀性能。专利 CN201610706997.1《一种TMCP型桥梁用不锈钢复合板的制备方法》公开的是采用真空轧制复合法生产的非耐候桥梁钢与不锈钢复合板的制造方法。若采用非耐候桥梁与不锈钢复合板用于制造桥面结构，其基材表面不能形成具有耐大气腐蚀的有效锈层，还需进行涂刷油漆防护，同样存在污染环境的问题，耐大气腐蚀性能差。
因此，当耐候桥梁钢与不锈钢的复合板用于耐候钢桥梁结构上，充分利用覆材不锈钢优异的耐腐蚀性能及基材耐候钢的耐大气腐蚀性能，即可实现整桥免涂装。耐候桥梁钢要实现良好的耐大气腐蚀性能，必须添加大量的Cr、Ni、Cu等合金元素。但这些元素的含量如何确定，才能确保耐候桥梁钢具有良好的耐大气腐蚀性能，同时又不会增加过多的合金成本，这是现在需要解决的问题。另外，合金元素的添加，耐候桥梁钢的高温变形抗力、再结晶温度等都会发生很大的改变。为了确保耐候桥梁钢具有良好的强韧性，其生产工艺等都需要重新开发研究；同时为了获得桥梁结构的稳定性，耐候桥梁钢的屈强比也提出了更高的要求。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种具有低屈强比且能实现优异的耐大气腐蚀性能的钢桥用不锈钢复合板及其制备方法。
技术方案：本发明所述的一种低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板，包括基材和覆材，所述基材的化学成分按重量百分比为：C：0.04～0.09％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.20％～1.50％，P≤0.025％，S≤0.020％，Nb：0.010％～0.060％，V≤0.080％，Ti：0.008％～0.018％，Cr：0.40％～0.60％，Ni：0.30％～0.45％，Cu：0.25％～0.50％，Mo≤0.25％， N≤0.0080％，Als：0.015％～0.045％，余量为Fe及少量不可避免的杂质，其中化学成分满足耐大气腐蚀性指数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≥6.0；所述覆材采用超低碳设计并添加微钛的奥氏体不锈钢，其化学成分按重量百分比为：C≤0.03％，Si≤0.75％，Mn≤2.00％， P≤0.045％，S≤0.030％，Cr：16.00％～20.00％，Ni：8.00％～15.00％，Mo≤4.00％，Ti： 0.008％～0.300％，N≤0.10％，余量为Fe及少量不可避免的杂质。
优选地，复合板总厚度为5～60mm，覆材厚度为0.5～5.0mm。
本发明所述的一种低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板的制备方法，包括以下工序：
(1)基覆材备料：基覆材选择化学成分满足要求的连铸坯料，经1230±20℃高温加热后开坯至所需的尺寸。开坯后的基材上表面采用砂带打磨方式去除表面氧化铁皮，整个板面完全露出银亮色的金属光泽；开坯后的覆材无需固溶及酸洗处理，其上下表面均采用砂带打磨，完全露出新鲜金属，同时检查上下表面不得有重皮、裂纹、气孔等缺陷；
(2)单面制坯：首先在基材顶部距侧面60～70mm处打一个直角孔，孔径10±2mm，孔深基材厚度的1/2；再将一块覆材放置在基材上表面，覆材的长宽尺寸加工成比基材小，覆材处在基材上表的正中间，基材边部四周露出宽约40～50mm未被覆材覆盖的区域；采用气体保护焊将覆材的四周与基材上表进行密封焊接，焊接宽度及焊接高度控制在5～20mm范围内，然后通过直角孔对单面复合坯的待复合面进行抽真空并密封形成单面复合坯；
(3)对称制坯：在一个单面复合坯的覆材表面涂刷隔离剂并烘烤，将另一个单面复合坯覆材朝下对称叠合在一起；覆材的四周采用立条将其围住，采用气保焊将立条与单面复合坯的基材焊接固定，再用埋弧焊将立条外围的凹槽焊满；在埋弧焊位置钻孔，对覆材与覆材之间进行抽真空，真空度控制在50Pa以下，然后封焊即获得对称复合坯；
(4)控轧控冷：对称复合坯在1180～1250℃加热，加热时间以9～16min/cm控制；复合坯采用两阶段轧制，粗轧采用低速大压下轧制，首道次压下率10～15％，最后一道次压下率≥22％；两阶段待温坯厚度≥1.8h；精轧开轧温度≤900℃，精轧最后三道次的压下率之和≥30％，终轧温度在800～850℃之间；轧制后复合板进行冷却，控制入水温度为720～800℃，返红温度控制在400～650℃范围内，随后空冷；
(5)回火热处理：回火温度为400～550℃，回火时间根据复合板总厚度以 2.0～3.5min/mm控制；
(6)分板矫直：经过四周等离子切割后，上下两个单面复合坯自动分开，获得两张单面的不锈钢复合板，单面不锈钢复合板经矫直、水抛后，即可得到最终产品。
优选地，步骤(2)所述的单面复合坯的真空度在0.1Pa以下。
优选地，步骤(3)所述的立条，其材质为普通碳素钢，高度为两块覆材厚度之和，宽度为12～18mm。
优选地，步骤(3)所述的埋弧焊，其焊接深度为20～30mm，确保轧制过程复合坯不开裂。
优选地，步骤(4)所述的冷却速度为4～20℃/s。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、耐腐蚀性能优异，采用超低碳设计且添加微钛的奥氏体不锈钢作覆材，通过添加Ti来固C，Ti会与C优先结合形成TiC，起到固C作用，减少了轧制过程中M23C6析出相的析出，提高了覆材的耐腐蚀性能，确保了覆材具有优异的耐蚀性；添加适量Cr、Ni、Cu等合金元素耐候桥梁钢作基材，使得耐大气腐蚀指数I≥6.0，实现了基材良好的耐大气腐蚀性能；2、屈强比低，通过轧后控制入水温度，降低了位错强化的作用，同时析出部分先共析铁素体，从而降低屈服强度，实现降低复合板的屈强比；3、冶金结合质量高，采用单面焊接组坯，将覆材四边焊接在基材上，使得覆材四边被固定，实现了基覆材的协调变形，有效地提高了复合板边部的冶金结合质量；同时粗轧采用首道次大压下，压下率在10～15％，有效的破碎了基覆材待复合界面的氧化膜，为后续的冶金结合提供了前提条件；另外采用对称组坯再抽真空，不仅避免了轧制过程的扣翘头问题，双重真空使得复合板界面实现良好冶金结合更有保障；最终得到的不锈钢复合板复合界面结合良好，抗剪强度≥ 300MPa，180°弯曲不开裂，屈强比≤0.83，基材在-40℃时冲击功≥220J，覆材经晶间腐蚀后，未发现晶间腐蚀现象，具有优异的抗晶间腐蚀性能。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本实施例覆材选择超低C添加微Ti的不锈钢坯料，C含量为0.022％，Ti含量为0.015％，具体成分见表1；基材的耐大气腐蚀指数I＝6.1，具体成分如表2所示。最终轧制基材厚度为58mm，覆材厚度为2mm，成品总厚度为60mm的耐候钢桥用不锈钢复合板。
基材和覆材连铸坯料经1230±20℃高温加热后开坯至所需的尺寸。开坯后的基材的上表面采用砂带打磨方式去除表面氧化铁皮，整个板面完全露出银亮色的金属光泽；覆材无需固溶及酸洗处理，其上下表面采用砂带打磨，完全露出新鲜金属，同时检查上下表面不得有重皮、裂纹、气孔等缺陷。覆材的长宽尺寸均加工成比基材小80～100mm，先在基材头部距边部65mm处打一个孔，孔径10±2mm，孔将基材上表面及头部的端面贯通；在将一块覆材放置在基材的上表面，覆材处在基材上表的正中间。采用气体保护焊将覆材的四周与基材上表进行密封焊接。然后通过孔对单面复合坯的待复合面进行抽真空并密封形成单面复合坯。将一个单面复合坯的覆材表面涂刷隔离剂并烘烤，将另一个同规格同材质的单面复合坯覆材朝下对称叠合在一起；覆材的四周采用立条将其围住，再用气保焊将立条与单面复合坯的基材焊接固定，用埋弧焊将立条外围的凹槽焊满。然后在埋弧焊位置钻孔，对覆材与覆材之间进行抽真空，真空度控制在50Pa以下，然后封焊即获得对称复合坯。复合坯的总厚度、覆材与基材界面真空度、复合坯的轧制及冷却参数见表3所示。最后轧制复合板的总厚度为120mm。
轧制复合板进行回火热处理，回火温度为540℃，回火时间为360min。回火后复合板经过四边切割后，上下板自动分开，获得两张单面不锈钢复合板，单面不锈钢复合板经矫直、水抛后，清除不锈钢表面的隔离剂，即可获得表面银亮色厚度为60mm的耐候钢桥用不锈钢复合板。
实施例2
本实施例覆材选择低C添加微Ti含量的不锈钢坯料，C含量为0.030％，Ti含量0.30％，Ti会与C优先结合形成TiC，起到固C作用，抑制了C与Cr结合析出Cr23C6，提高了覆材的耐腐蚀性能，覆材具体成分见表1。基材添加了一定含量的Cr、Ni、Cu 等合金元素，耐大气腐蚀指数I＝6.3，具体成分如表2所示。最终轧制基材厚度为5.5mm，覆材厚度为0.5mm，成品总厚度为6mm的耐候钢桥用不锈钢复合板。
复合板的生产工序与实施例1相同，复合坯的总厚度、覆材与基材界面真空度、复合坯的轧制及冷却参数见表3所示。轧制复合板的总厚度为12mm。轧制复合板经过四边切割后，上下板自动分开，获得两张单面不锈钢复合板，单面不锈钢复合板经矫直、水抛后，去除不锈钢表面的隔离剂，即可获得表面银亮色的、厚度6mm的耐候钢桥用不锈钢复合板。
实施例3
本实施例覆材选择超低C添加微Ti含量的不锈钢坯料，C含量为0.010％，Ti含量0.012％，覆材具体成分见表1；基材添加了一定含量的Cr、Ni、Cu等合金元素，耐大气腐蚀指数I＝6.6，具体成分如表2所示。最终轧制基材厚度为20mm，覆材厚度为3mm，成品总厚度为23mm的耐候钢桥用不锈钢复合板。
复合坯的总厚度、覆材与基材界面真空度、复合坯的轧制及冷却参数见表3所示。轧制复合板的总厚度为46mm。轧制复合板进行回火热处理，回火温度为450℃，回火时间为160min。回火复合板经过四边切割后，上下板自动分开，获得两张单面不锈钢复合板，单面不锈钢复合板经矫直、水抛后，去除不锈钢表面的隔离剂，即可获得表面银亮色的、厚度23mm的耐候钢桥用不锈钢复合板。
实施例4
本实施例覆材选择超低C添加微Ti含量的不锈钢坯料，C含量为0.008％，Ti含量0.008％，具体成分见表1；基材添加了一定含量的Cr、Ni、Cu等合金元素，耐大气腐蚀指数I＝6.8，具体成分如表2所示，最终轧制基材厚度为24mm，覆材厚度为5mm，成品总厚度为29mm的耐候钢桥用不锈钢复合板。
复合坯的总厚度、覆材与基材界面真空度、复合坯的轧制及冷却参数见表3所示。轧制复合板的总厚度为58mm。轧制复合板进行回火热处理，回火温度为400℃，回火时间为116min。回火复合板经过四边切割后，上下板自动分开，获得两张单面不锈钢复合板，单面不锈钢复合板经矫直、水抛后，去除不锈钢表面的隔离剂，即可获得表面银亮色的、厚度29mm的耐候钢桥用不锈钢复合板。
表1 本发明实施例覆材坯料钢种的冶炼成分(质量分数，％)
实施例 C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti N
实施例1 0.022 0.53 1.56 0.027 0.0010 18.28 8.05 0.112 0.015 0.04
实施例2 0.030 0.58 1.10 0.028 0.0011 17.07 9.10 / 0.30 /
实施例3 0.010 0.53 1.19 0.029 0.0020 16.23 10.24 2.12 0.012 0.08
实施例4 0.008 0.55 1.05 0.035 0.0021 19.95 14.54 3.55 0.008 0.07
表2 本发明实施例基材坯料钢种的冶炼成分(质量分数，％)
实施例 C Si Mn P S Nb V Ti Cr Ni Cu Mo N Als I
实施例1 0.09 0.27 1.22 0.012 0.0029 0.011 0.002 0.011 0.41 0.31 0.25 0.01 0.0051 0.035 6.1
实施例2 0.06 0.25 1.31 0.010 0.0021 0.015 0.006 0.012 0.43 0.35 0.28 0.02 0.0055 0.031 6.3
实施例3 0.05 0.27 1.42 0.012 0.0018 0.031 0.003 0.015 0.47 0.39 0.31 0.08 0.0045 0.039 6.6
实施例4 0.04 0.31 1.48 0.011 0.0015 0.042 0.004 0.014 0.51 0.42 0.34 0.15 0.0041 0.035 6.8
表3 本发明实施例轧制冷却工艺参数
Figure RE-GDA0003389212340000061
实施例1～4的耐候钢桥用不锈钢复合板的各项性能如表4所示。由表可知，实施例1～4所制备的耐候钢桥用不锈钢复合板优异的强韧性，屈强比≤0.83，抗剪强度高，复合界面结合良好，抗剪强度≥300MPa，在-40℃时冲击功≥220J，180°内外弯曲性能优异，覆材经晶间腐蚀试验后，经180°弯曲未发现晶间腐蚀开裂现象，可见复合板覆材具有优异的耐晶间腐蚀性能。从表2可知，复合板基材的耐大气腐蚀指数I大于6.0，具有优异的耐大气腐蚀性能，满足铁路耐候钢桥的使用要求。
表4本发明实施例复合板的各项性能
Figure RE-GDA0003389212340000062

Claims (7)

1.一种低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板，包括基材和覆材，其特征在于，所述基材的化学成分按重量百分比为：C：0.04～0.09％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.20％～1.50％，P≤0.025％，S≤0.020％，Nb：0.010％～0.060％，V≤0.080％，Ti：0.008％～0.018％，Cr：0.40％～0.60％，Ni：0.30％～0.45％，Cu：0.25％～0.50％，Mo≤0.25％，N≤0.0080％，Als：0.015％～0.045％，余量为Fe及少量不可避免的杂质，其中化学成分满足耐大气腐蚀性指数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≥6.0；所述覆材的化学成分按重量百分比为：C≤0.03％，Si≤0.75％，Mn≤2.00％，P≤0.045％，S≤0.030％，Cr：16.00％～20.00％，Ni：8.00％～15.00％，Mo≤4.00％，Ti：0.008％～0.300％，N≤0.10％，余量为Fe及少量不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板，其特征在于，其总厚度为5～60mm，所述覆材厚度为0.5～5.0mm。
3.一种根据权利要求1所述的低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板的制备方法，其特征在于，包括以下工序：
(1)基覆材备料：基覆材选择化学成分满足要求的连铸坯料，经1230±20℃高温加热后开坯至所需的尺寸；开坯后的基材上下表面采用砂带打磨去除表面氧化铁皮，同时检查上下表面不得有重皮、裂纹、气孔等缺陷；
(2)单面制坯：首先在基材顶部距侧面60～70mm处打一个直角孔，孔径10±2mm，孔深基材厚度的1/2；再将一块覆材放置在基材上表面，覆材的长宽尺寸加工成比基材小，覆材处在基材上表的正中间，基材边部四周露出宽约40～50mm未被覆材覆盖的区域；采用气体保护焊将覆材的四周与基材上表进行密封焊接，焊接宽度及焊接高度控制在5～20mm范围内，然后通过直角孔对单面复合坯的待复合面进行抽真空并密封形成单面复合坯；
(3)对称制坯：在一个单面复合坯的覆材表面涂刷隔离剂并烘烤，将另一个单面复合坯覆材朝下对称叠合在一起；覆材的四周采用立条将其围住，采用气保焊将立条与单面复合坯的基材焊接固定，再用埋弧焊将立条外围的凹槽焊满；在埋弧焊位置钻孔，对覆材与覆材之间进行抽真空，真空度控制在50Pa以下，然后封焊即获得对称复合坯；
(4)控轧控冷：对称复合坯在1180～1250℃加热，加热时间以9～16min/cm控制；复合坯采用两阶段轧制，粗轧采用低速大压下轧制，首道次压下率10～15％，最后一道次压下率≥22％；两阶段待温坯厚度≥1.8h；精轧开轧温度≤900℃，精轧最后三道次的压下率之和≥30％，终轧温度在800～850℃之间；轧制后复合板进行冷却，控制入水温度为720～800℃，返红温度控制在400～650℃范围内，随后空冷；
(5)回火热处理：回火温度为400～550℃，回火时间根据复合板总厚度以2.0～3.5min/mm控制；
(6)分板矫直：经过四周等离子切割后，上下两个单面复合坯自动分开，获得两张单面的不锈钢复合板，单面不锈钢复合板经矫直、水抛后，即可得到最终产品。
4.根据权利要求3所述的低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的单面复合坯的真空度在0.1Pa以下。
5.根据权利要求3所述的低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的立条，其材质为普通碳素钢，高度为两块覆材厚度之和，宽度为12～18mm。
6.根据权利要求3所述的低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的埋弧焊，其焊接深度为20～30mm。
7.根据权利要求3所述的低屈强比耐候钢桥用不锈钢复合板的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的冷却速度为4～20℃/s。
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