CN115747637B - 一种经济型耐海洋大气腐蚀钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于低合金高强钢制造领域，公开了一种经济型耐海洋大气腐蚀钢及其生产方法，所述钢的组分按质量百分含量计为：C：0.02％～0.08％，Si：0.1％～0.5％，Mn：0.1％～0.5％，P≤0.01％，S：≤0.003％，Cu：0.15％～0.5％，W：0.05％～0.3％，Sb：0.03％～0.25％，其余为铁及不可避免杂质。本发明以Cu+W+Sb的复合效益提高钢在海洋大气环境的耐蚀性，避免了传统耐候钢中Cr、Ni等贵重合金元素的添加，不仅具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，而且成本低廉适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于低合金高强钢制造领域，具体涉及一种经济型耐海洋大气腐蚀钢及其生产方法。
背景技术
随着经济的高速发展以及不断提高的科学技术水平，我国的海洋开发事业也取得了突飞猛进的发展，海洋及海岸工程结构钢材的使用量逐年提高，钢材在海洋大气环境中面临的腐蚀问题也日渐突出。
上世纪中叶，美国研制了具有耐蚀性和高抗拉强度的Corten钢及Mariner钢，在60年代直接大量地裸用于建筑和输电塔，70年代在桥梁中大规模应用，至90年代裸露耐候钢桥已超2300座。这些耐候钢，能够在大气环境中裸露使用并形成致密的自保护锈层，但不能满足含有Cl-海洋大气环境要求。
日本学者认为传统Cu-P系列耐候钢在海洋性大气环境下难以形成保护性锈层，其耐腐蚀性能并不突出。日本近年来开发了1.5％Ni-Mo系列和2.5％Ni系列镍系高耐候性钢、0.1％Cu-1.0％Ni-0.05％Ti系列耐海洋环境腐蚀钢板、1.5％Ni-0.3％Mo系列耐海洋环境腐蚀钢板等，但由于Ni含量高导致成本高昂。
国内多家钢企也相继开发了3％Ni系列耐蚀钢。其相比于普通碳素结构钢耐腐蚀性能提高一倍以上，并在中马跨海友谊大桥、泉州湾跨海大桥及南鲸1号超深水钻井平台等工程上实现了千吨级示范应用，但昂贵的合金成本极大地影响了其普遍应用。
因此，开发一种既具备良好耐海洋大气腐蚀性能、又具备成本优势可在市场上可广泛推广应用的耐海洋大气钢，可创造显著的经济效应和社会效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种经济型耐海洋大气腐蚀钢及其生产方法，以Cu+W+Sb的复合效益提高钢在海洋大气环境的耐蚀性，避免了传统耐候钢中Cr、Ni等贵重合金元素的添加，不仅具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，而且成本低廉适合推广应用。
为解决本发明所提出的技术问题，本发明提供一种经济型耐海洋大气腐蚀钢，其组分按质量百分含量计为：C：0.02％～0.08％，Si：0.1％～0.5％，Mn：0.1％～0.5％，P≤0.01％，S：≤0.003％，Cu：0.15％～0.5％，W：0.05％～0.3％，Sb：0.03％～0.25％，其余为铁及不可避免杂质。
优选地，所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的组分按质量百分含量计为：C：0.025％～0.04％，Si：0.2％～0.4％，Mn：0.2％～0.4％，P≤0.008％，S：≤0.002％，Cu：0.3％～0.5％，W:0.1％～0.3％，Sb：0.05％～0.2％，其余为铁及不可避免杂质。
上述方案中，所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的碳当量CEV满足：CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.2％，其中，C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu为各元素的质量百分含量。
优选地，所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的碳当量CEV满足：CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.15％。
上述方案中，所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的金相组织为铁素体+珠光体。
进一步地，所述铁素体的体积占比为92.22％～99.57％，珠光体的体积占比为0.43％～7.78％。
进一步地，所述铁素体的晶粒度级别为10～13级。
上述方案中，所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的屈服强度≥355MPa，抗拉强度≥490MPa，延伸率≥25％，-40℃冲击功KV2≥150J。
本发明还提供一种经济型耐海洋大气腐蚀钢的生产方法，工艺流程为铁水脱硫→转炉吹炼→吹氩→LF精炼→钢水连铸→铸坯加热→高压除磷→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→得到经济型耐海洋大气腐蚀钢。
上述方案中，所述铸坯加热的温度为1160～1200℃，充分奥氏体化。
上述方案中，所述粗轧的开轧温度不低于1090℃。
上述方案中，所述精轧的终轧温度为840～880℃，控制末三道次累计压下率不低于30％。
上述方案中，所述卷取的温度为580～620℃。
本发明各组分及其含量范围主要依据以下原理：
C：C是提高钢强度最经济有效的合金元素，但C含量过高会显著恶化钢的焊接性能，并且会促进珠光体转变，降低钢的耐蚀性能；本发明采用低C设计，提高钢的焊接性能，减少碳化物组织形成，提高钢的耐腐蚀性能及低温冲击韧性，因此本发明C含量为控制为0.02％～0.08％，优选为0.025％～0.04％。
Si：Si不仅以固溶强化形式提高钢的强度，还可以提高钢的耐腐蚀性能；但是钢中Si含量过高时，严重恶化钢板偏析、低温韧性与焊接性；因此本发明Si含量控制为0.1％～0.5％，优选为0.2％～0.4％。
Mn：钢中添加适量的Mn，不仅可以通过Mn的固溶强化提高钢的强度，而且可降低奥氏体转变成铁素体的相变温度，扩大铁碳相图中的奥氏体区域，促进钢的中温组织转变，得到均匀的微观组织，从而使钢具有优良的强度和耐腐蚀性能；但Mn过高会加重中心偏析，对耐腐蚀性能和冲击韧性均不利；因而本发明Mn含量控制为0.1％～0.5％，优选为0.2％～0.4％。
P、S：磷在钢中具有容易造成偏析，对钢的冲击韧性、延伸率、疲劳性能有巨大的损害作用；硫是钢中的有害元素，生成的硫化物夹杂不仅严重影响钢的力学性能，而且对钢的耐腐蚀性能产生严重的恶化作用；因此，本发明通过铁水脱硫、高压除磷等手段，尽量减少磷、硫元素的不利影响，控制磷含量≤0.01％(优选为≤0.008％)、硫含量≤0.003％(优选为≤0.002％)。
Cu：Cu是提高钢耐蚀性能最主要的合金元素，Cu、W、Sb复合能大幅提高钢的耐蚀性能；但Cu含量过高将导致钢板焊接热影响区的韧性降低，且在钢板连铸及热轧过程中会产生“铜脆”现象；因此本发明Cu含量控制为0.15％～0.5％，优选为0.3％～0.5％。
Sb：钢板在海洋大气环境下腐蚀过程中，Sb可在钢表面形成Sb2O5耐蚀性氧化膜，在阳极微区形成SbOCl的沉淀附着、填充腐蚀裂纹或空洞，提高阻挡侵蚀性Cl-渗透的能力，提高钢在海洋大气环境下的耐蚀性能；但Sb易富集在晶界影响钢的成型性和韧性；因此本发明Sb含量控制为0.03％～0.25％，优选为0.05％～0.2％。
W：W可在钢板表面形成一层Fe2WO6沉淀膜，附在基底表面阻止腐蚀反应的进一步发生；同时，W可促进Sb在钢板表面的富集，进一步提高钢板耐腐蚀性能；W含量设计在0.05％～0.3％，优选为0.1％～0.3％，既能充分发挥耐蚀作用，又具有良好的经济型性。
Cu+W+Sb的复合添加，使钢板在腐蚀过程中形成致密、稳定的保护性锈层，减少了锈层中的裂纹和孔隙，显著提高了锈层阻挡侵蚀性Cl-渗透的能力，在海洋大气环境下具备优良的耐腐蚀性能。
CEV：碳当量可以预测钢在焊接时发生冷裂纹(氢致裂纹)的程度大小，碳含量越高，焊接时越容易产生冷裂纹(氢致裂纹)。因此，本发明控制碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.2％，优选为≤0.15％，钢板淬硬性小，具备优良的可焊性。
本发明生产方法主要工艺参数的技术构思如下：
铸坯加热的温度为1160～1200℃的积极效果是在该温度范围内充分奥氏体化，同时避免奥氏体晶粒长大。当温度小于该范围的最小值时，可导致钢的奥氏体化不充分，当温度大于该范围最大值时，可导致奥氏体晶粒粗大。
粗轧的开轧温度≥1090℃的积极效果是在该温度条件范围内，能获得均匀细小的组织，当温度取值小于该范围时，将导致混晶的产生。
精轧的终轧温度为840～880℃的积极效果是采用较低的轧制温度，可加大钢板在奥氏体未再结晶区的累积变形量，增加变形奥氏体中的位错，促进得到细晶粒转变组织，提高强度和韧性。
最终三道次下压轧制的累计压下率≥30％的积极效果是细化晶粒、提高强度力学性能；当累计压下率小于该范围时，将导致晶粒粗大、恶化力学性能。
卷取温度为580～620℃的积极效果是获取细小铁素体+珠光体组织；当卷取温度高于该范围最大值导致铁素体晶粒粗大，当温度低于该范围最小值会产生上贝氏体等组织，降低钢的塑形和韧性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明耐海洋大气腐蚀钢在化学成分上避免了传统耐候钢中Cr、Ni等贵重合金元素的添加，以Cu+W+Sb的复合效益提高钢在海洋大气环境的耐蚀性，并通过限定碳当量CEV提升钢的焊接性能，使钢不仅具有优异的力学性能、耐腐蚀性能和工作性能，而且成本低廉适合推广应用。
2)本发明通过对工艺参数的控制，获得铁素体+珠光体的金相组织，进一步改善钢的力学性能，使钢的屈服强度≥355MPa，抗拉强度≥490MPa，延伸率≥25％，-40℃冲击功KV2≥150J，力学能力优良，尤其具有良好韧性和塑性。
附图说明
图1为本发明实施例1中经济型耐海洋大气腐蚀钢的金相显微组织图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1-6
实施例1-6中经济型耐海洋大气腐蚀钢的组分及其质量百分含量见表1。
表1
注：“/”表示未添加，对比例为SPA-H耐候钢。
实施例1-6中经济型耐海洋大气腐蚀钢的生产工艺流程为铁水脱硫→转炉吹炼→吹氩→LF精炼→钢水连铸→铸坯加热→高压除磷→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→得到经济型耐海洋大气腐蚀钢。主要工艺参数见表2。
表2
图1为本发明实施例1中经济型耐海洋大气腐蚀钢的金相显微组织图，从图中可以看出，所得钢的金相显微组织为体积占比99.36％铁素体+体积占比0.44％珠光体，铁素体的晶粒度级别为10.5级。
对实施例1-6中经济型耐海洋大气腐蚀钢的综合力学性能见表3。
表3
按照TB/T 2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》对实施例1-6经济型耐海洋大气腐蚀钢和对比例SPA-H耐候钢开展周浸腐蚀试验，试验参数设置为：浸润溶液为质量分数3.5％的NaCl溶液，温度45±2℃，湿度70±5％，试验时间72h，试验结果见表4。
表4
| 组别 | 腐蚀速率(g/m2·h) | 相对腐蚀率(％) |
| 实施例1 | 6.008 | 66.77 |
| 实施例2 | 5.935 | 65.96 |
| 实施例3 | 5.828 | 64.77 |
| 实施例4 | 5.796 | 64.41 |
| 实施例5 | 5.971 | 66.36 |
| 实施例6 | 6.025 | 66.96 |
| 对比例 | 8.998 | 100 |
注：相对腐蚀率以对比例SPA-H耐候钢为参照物。
从表3可以看出，实施例1-6中经济型耐海洋大气腐蚀钢的屈服强度≥355MPa，抗拉强度≥490MPa，延伸率≥25％，-40℃冲击功KV2≥150J，表现出本发明钢的力学能力优良，尤其具有良好韧性和塑性。
从表4可以看出，实施例1-6中经济型耐海洋大气腐蚀钢在高盐分环境下的腐蚀速率较对比例SPA-H耐候钢显著降低，相比于对比例SPA-H耐候钢的相对腐蚀率＜70％，在海洋大气环境下具有优异的耐腐蚀性能。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种经济型耐海洋大气腐蚀钢，其特征在于，所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的组分按质量百分含量计包括：C：0.02％～0.078％，Si：0.317％～0.5％，Mn：0.1％～0.48％，P≤0.01％，S：≤0.003％，Cu：0.31％～0.5％，W：0.05％～0.3％，Sb：0.03％～0.25％，其余为铁及不可避免杂质；其碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.2％；
所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的生产流程为铁水脱硫→转炉吹炼→吹氩→LF精炼→钢水连铸→铸坯加热→高压除磷→粗轧→精轧→层流冷却→卷取；所述铸坯加热的温度为1160～1200℃；所述粗轧的开轧温度不低于1090℃；所述精轧的终轧温度为840～880℃，末三道次累计压下率不低于30％；所述卷取的温度为580～620℃；
所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的金相组织为铁素体+珠光体，其中，铁素体的体积占比为95.83～99.57％，珠光体的体积占比为0.43％～4.17％，铁素体的晶粒度级别为10～13级；
所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的屈服强度≥355MPa，抗拉强度≥490MPa，延伸率≥29％，-40℃冲击功KV2≥150J。
2.根据权利要求1所述的经济型耐海洋大气腐蚀钢，其特征在于，所述经济型耐海洋大气腐蚀钢的碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.15％。
3.一种如权利要求1或2所述的经济型耐海洋大气腐蚀钢的生产方法，工艺流程为铁水脱硫→转炉吹炼→吹氩→LF精炼→钢水连铸→铸坯加热→高压除磷→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→得到经济型耐海洋大气腐蚀钢，其特征在于，所述铸坯加热的温度为1160～1200℃；所述粗轧的开轧温度不低于1090℃；所述精轧的终轧温度为840～880℃，末三道次累计压下率不低于30％；所述卷取的温度为580～620℃。
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