CN116162855B - 一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板及其制造方法 - Google Patents

一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板及其制造方法，成分：C：0.06％‑0.08％、Si：0.30％‑0.40％、Mn：0.56％‑0.70％、P：0.06％‑0.10％、S：≤0.002％、Cr：0.30％‑0.60％、Ni：0.10％‑0.20％、Cu：0.20％‑0.40％、Alt：0.020％‑0.040％、Nb：0.020％‑0.040％、V：0.030％‑0.060％、Ca：0.0010％‑0.0030％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；与现有技术相比，本发明设计匹配的轧制、冷却工艺，实现优异的强韧性匹配，解决高强度厚规格含磷‑40℃低温韧性控制难题。

Description

一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，具体涉及一种基于传统热连轧板带流程生产的600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板及其制造方法。
背景技术
耐候钢广泛应用于集装箱、铁路车辆等行业，目前耐候钢高强度系列屈服强度最高已达800MPa以上，但大多集中在薄规格，厚度为6mm以下。且多为低P设计，这是因为P在晶界偏聚引起“冷脆”现象，直接影响低温韧性。但是P相对Cr/Ni/Cu等贵重耐蚀金属具有良好的经济性，可在Cu的配合下获得极其优良的耐蚀性，所以含P耐候钢在“双碳”的大环境和企业“降本增效”的大背景下，具有良好的应用前景。
如何实现厚规格含P耐候钢的高强化，其技术难度远大于薄规格低P钢。一方面是因为厚规格意味着较小的压缩比，无法通过大压下实现大量再结晶达到细晶强化的效果，另一方面耐候钢在塑韧性尤其是低温韧性要求远高于其他低合金钢，所以以相变强化为主的马氏体型耐候钢目前应用仍较少，主要是通过添加Nb、Ti等微合金，以析出强化和细晶强化方式为主。但是细晶强化的同时，伴随着P在晶界偏聚的加剧，限制了塑韧性的进一步提高。
目前国内外发明专利关于高强度、厚规格、含P耐候钢板的制造技术较少。2017年3月22日公开的公开号为CN106521352A的专利公开了一种含铌厚规格耐候钢及其轧制方法，采用低P单Nb设计，强度仅为450MPa级。
2022年6月24日公开的公开号为CN114657347A的专利公开了一种含铌高磷耐候钢及其制造方法，采用宽厚板轧机轧制，适用厚度规格8-130mm，进行20℃常温冲击，屈服强度仅为Q295级别。
2017年3月1日公开的公开号为CN104593695A的专利公开了热轧高强低镍铜比厚规格耐候钢及其生产方法，强度级别虽达700MPa，但是采用Nb、Ti微合金化低P设计，且厚度也仅限10-14mm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板及其制造方法，在传统热连轧流程生产600MPa级厚规格含P耐候钢板，屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥700MPa，-40℃冲击吸收功大于100J，延伸率≥22％，具有优异的低温韧性、强塑性和良好的耐大气腐蚀性能，本发明能解决高P钢-40℃低温韧性控制难题，大大提高厚规格高强度含P热轧耐候钢板的生产效率。
本发明具体技术方案如下：
本发明提供的一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板，包括以下质量百分比成分：
C：0.06％-0.08％、Si：0.30％-0.40％、Mn：0.56％-0.70％、P：0.06％-0.10％、S：≤0.002％、Cr：0.30％-0.60％、Ni：0.10％-0.20％、Cu：0.20％-0.40％、Alt：0.020％-0.040％、Nb：0.020％-0.040％、V：0.030％-0.060％、Ca：0.0010％-0.0030％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的成分满足：V/Nb＝1-1.5。
所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的耐大气腐蚀指数I≥7.0；耐大气腐蚀指数I根据ASTM G101-01中修正的Legault-Leckie公式计算，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。
所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的厚度为12-25mm；
所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的组织为铁素体+贝氏体组织，铁素体体积分数80-85％，铁素体平均晶粒尺寸11-12μm；心部无磷偏析带；贝氏体颗粒呈球状或者椭圆状，弥散分布在晶内或者晶界上，无块状珠光体组织和带状组织。
所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的力学性能：ReL≥600MPa，Rm≥700MPa，A≥22％，-40℃夏比V型缺口冲击功＞100J，具有高强度和优良的塑韧性；具有良好的耐大气腐蚀性能，相对于Q345B腐蚀率＜50％。
所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板具有优良的冷弯成形性能：经180°冷弯(d＝a)后，弯曲试样没有裂纹出现。
本发明提供的厚规格含P热轧耐候钢板合金元素及其质量百分比设计原理如下：
C(碳)：经济性良好且强化效果显著的元素，通过间隙固溶强化提高强度，但是C含量过高会增加珠光体/贝氏体含量，降低钢材的低温韧性，本发明组织为铁素体+少量细贝氏体，所以碳含量不宜过高。本发明为提高耐候钢板的低温韧性，将C含量设计为0.06-0.08％。
Si(硅)：Si有利于细化腐蚀产物，促进钢材表面形成致密的保护性锈层从而提高耐大气腐蚀性能，但是Si含量过高会降低钢材的焊接性能，同时也会在钢板表面形成条带，因此本发明将Si含量设计为0.30-0.40％。
Mn(锰)：Mn是钢中重要的固溶强化元素之一，在高强钢中强度贡献效果显著。但是Mn含量过高会形成带状组织，非均匀分布的带状组织是引起低温韧性较差的原因之一；另一方面，较高的Mn含量会与S结合形成MnS夹杂，通常在铸态下呈骨架状或链状，对冲击韧性不利。因此，本发明采用中Mn设计，既保证了强度，又不出现带状组织，将其含量设计为0.56-0.70％。
P(磷)：P是提高钢材耐大气腐蚀性能最经济的元素，配合Cu在添加少量Cr、Ni的基础上即可获得优良的耐腐蚀性能。另外P还具有较强的固溶强化作用。但是P含量较高，易在晶界偏聚急剧降低钢的韧性尤其是低温韧性，引起“冷脆”现象，且增加焊接裂纹敏感性。本发明添加P提高耐大气腐蚀性能，因此将P含量设计为0.06-0.10％；
S(硫)：S是钢中的有害残余元素，易在钢中形成硫化物夹杂，恶化钢材的低温韧性和耐大气腐蚀性能。因此本发明采用超低S设计,S含量为≤0.002％。
Alt(铝)：Al是钢中加入的主要脱氧元素。但过高的Al会导致钢中Al的氧化物夹杂增加，降低钢材的低温韧性和耐大气腐蚀性能。因此，将其含量设计为0.020-0.040％。
Cr(铬)：Cr在锈层富集促进与基体结合致密的保护性锈层生成，促进阳极钝化，提高钢材耐大气腐蚀性能。Cr含量过高会恶化钢材的焊接性能，因此将Cr含量设计为0.30-0.60％。
Cu(铜)：Cu能显著提高钢材耐大气腐蚀性能，与P复合添加时效果更佳；Cu还能在冷却过程中析出细小的第二相粒子提高钢材强度。但是Cu的熔点只有1083℃，含量过高容易导致钢坯在热轧过程中产生裂纹，因此将Cu含量设计为0.20-0.40％。
Ni(镍)：Ni能提高材料的自腐蚀电位，降低腐蚀倾向，提高耐大气腐蚀性能；还能与Cu反应生成高熔点的Cu-Ni二元合金相，有效阻止Cu引起的铜脆；还能提高材料低温韧性。但是Ni是贵重金属元素，含量过高显著提高制造成本，因此将Ni含量设计为0.10-0.20％。
Nb(铌)：Nb是强碳氮化物形成元素，抑制形变奥氏体再结晶，扩大未再结晶区，提高未再结晶区控制轧制细化晶粒作用；在冷却过程中析出纳米级第二相粒子，具有显著的细晶强化和析出强化作用，提高材料的强韧性。但是Nb含量过高会显著提高钢材制造成本，因此将其含量控制在0.020％-0.040％。
V(钒)：V亦是强碳氮化物形成元素，V促进奥氏体再结晶细化和通过V(C,N)的析出促进相变铁素体晶粒细化，具有显著的细晶强化和析出强化效果，是实现高强高韧性匹配的关键合金元素，同时V能提高钢的腐蚀电位，对耐腐蚀性能有积极作用。但较高的V含量制造成本较高，且并不能充分发挥与C、N等元素的最佳匹配和有效结合，所以将V含量设计为0.030％-0.060％。
Ca(钙)：Ca能促进非金属夹杂物球化,避免在非金属夹杂物的尖角处产生应力集中，导致裂纹萌生，成为裂纹扩展的快速通道，提高低温韧性。将其含量控制在0.0010％-0.0030％。
本发明提供的一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的制造方法，包括以下工艺流程：
铁水预处理→转炉冶炼→精炼→连铸→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取。
所述转炉冶炼，按照上述化学成分进行钢水冶炼；
所述精炼：LF终点加入钙线促进非金属夹杂物球化；将S含量控制在0.002％以下；
所述连铸：中包温度采用低过热度控制：液相线以上10-25℃，连铸采用动态轻压下和电磁搅拌，动态轻压下压下量范围为3.0-5.0mm。控制铸坯中心偏析为C类≤1.0级，提高铸坯内部质量。
连铸后板坯优先采用热装轧制，且铸坯入炉温度≥550℃。未能及时热装的铸坯，应及时入保温坑缓冷，待检查清理确认无裂纹后方可投轧。
所述板坯加热，为防止铸坯奥氏体晶粒粗化，严格控制一加热段末温度≤1050℃，铸坯出炉温度为1180℃-1220℃，保温时间120-180min，促进合金元素充分固溶和奥氏体均匀化。板坯出炉后采用高压水除鳞，去除加热过程中产生的一次氧化铁皮。
所述控制轧制：热连轧分为粗轧和精轧两个阶段进行；粗轧阶段采用两架四辊可逆式粗轧机各轧制3个道次，轧制温度≥1050℃，总变形量≥70％。在奥氏体再结晶区进行往返轧制，采用道次大变形，促进奥氏体晶粒回复再结晶从而细化奥氏体晶粒尺寸。精轧阶段采用7架四辊轧机进行连轧，该阶段在奥氏体未再结晶区轧制，开轧温度≤1030℃，中间坯厚度55-60mm，轧制16mm以上厚度时，中间坯厚度60mm。通过累计大变形，增加奥氏体晶粒内形变带和位错密度，从而增加相变形核点细化铁素体晶粒。另外，如果温度较低，钒析出不彻底，析出强化效果会大幅降低，直接影响高强度的实现。所述精轧终轧温度为860-910℃。
所述控制冷却，具体为：轧制结束后对钢板进行双段冷却，前一段冷却速率为30-50℃/s，快速冷却至700-750℃，间隔时间5-8s后进行后一段冷却，冷却速率10-30℃/s，冷却至460-520后进行卷取；卷取温度高于520℃使得铁素体晶粒尺寸粗化，材料强度不足；卷取温度低于460℃，生成马氏体或者板条状贝氏体组织，降低钢材塑韧性。
本发明为提高600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的低温韧性，获得高强度、优异的塑韧性匹配和良好的耐大气腐蚀性能，采取了以下方法：
1)采用低C-中Mn-Nb-V复合微合金化成分和两段冷却工艺匹配设计：①低C-中Mn配合两段冷却可得到铁素体+贝氏体组织，其中塑性更好的铁素体占比约80-85％，铁素体平均晶粒尺寸11-12μm，细贝氏体颗粒呈球状或者椭圆状，弥散且均匀的分布在晶内或者晶界上，无块状珠光体组织和带状组织出现，相对于低强度级别的铁素体+珠光体型耐候钢，通过相变强化显著提高了强度和韧性。②Nb-V复合微合金化成分既发挥Nb在未再结晶区良好的细晶强化效果，又发挥V在奥氏体区析出V(C,N)促进晶内铁素体形核进一步细化铁素体晶粒，同时严格控制V/Nb＝1～1.5，可有效减少厚规格Nb钢混晶缺陷的发生。以上成分设计及控制控冷工艺，在多种强化方式的协同作用下，即使针对厚规格，也可实现600MPa高强度和高韧性的良好匹配。
2)采用P-Si-Cr-Cu-Ni协同设计，在提高Si、P含量的基础上，适当减少Cu、Cr、Ni含量，降低合金成本，且保证耐候指数I值≥7.0；
3)高洁净度钢水冶炼及铸坯内部质量控制：非金属夹杂物是点蚀诱发源和裂纹萌生源，本发明采用LF精炼提高钢水结净度，将S含量控制在0.002％以下。喂钙线促进非金属夹杂物球化，降低非金属夹杂对耐蚀性能和低温韧性的不利影响。连铸工艺过程中中包实行低过热度(液相线以上10-25℃)、采用动态轻压下(压下量范围为3.0-5.0mm)和电磁搅拌，通过在凝固末端糊状区给予额外压力，打碎晶界搭桥，使富含P的液相回流、补缩。以上冶炼和连铸工艺，控制铸坯中心偏析为C类≤1.0级，抑制了心部磷偏析带的形成，提高低温韧性。
与现有技术相比，本发明采用热连轧板带流程制造，通过P-Si-Cr-Cu-Ni协同设计，耐候指数I值≥7.0，提高Si、P含量，减少Cu、Cr、Ni含量，具有良好的耐大气腐蚀性能，相对于Q345B腐蚀率＜50％。本发明采用Nb-V复合微合金化设计，在小压缩比条件限制下仍能充分实现厚规格含P钢的析出强化和细晶强化作用，同时在双段冷却工艺下以铁素体+贝氏体组织通过相变强化作用进一步实现高强化。本发明钢板适用厚度12-25mm，力学性能：Rel≥600MPa，抗拉强度≥700MPa，A≥22％，-40℃夏比V型缺口冲击功＞100J，具有高强度和优良的塑韧性。且钢板还具有优良的冷弯成形性能：经180°冷弯(d＝a)后，弯曲试样没有裂纹出现。本发明钢板生产可热装轧制，节约加热炉能耗，免除铸坯角部清理，进一步降低制造成本。
附图说明
图1为本发明钢板不同厚度处的金相组织，图中可见通过化学成分和轧制、冷却工艺控制，使得钢板显微组织为铁素体+贝氏体组织，铁素体体积分数约82％，铁素体平均晶粒尺寸约12μm；心部未见磷偏析带；
图2为实施例1的铸坯低倍宏观形貌；
图3为对比例1的铸坯低倍宏观形貌；
图4为对比例3的显微组织；
图5为对比例4的显微组织。
具体实施方式
实施例1-实施例4
一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
对比例1-对比例4
一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
表1本发明各实施例和对比例化学成分
以上各实施例和对比例600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的制造方法，包括以下工艺流程：
铁水预处理→转炉冶炼→精炼→连铸→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取。
具体如下：
按照上述化学成分进行钢水冶炼，LF终点加入钙线促进非金属夹杂物球化，将S含量控制在0.002％以下；中包温度控制在液相线以上10-25℃，连铸采用动态轻压下和电磁搅拌，动态轻压下压下量范围为3.0～5.0mm，控制铸坯中心偏析为C类≤1.0级。连铸后板坯优先热装轧制，铸坯入炉温度≥550℃。未能及时热装的铸坯，应及时入保温坑缓冷，待检查清理确认无裂纹后方可投轧。
采用步进式加热炉对板坯进行加热，严格控制一加热段末温度≤1050℃，出炉温度为1180℃-1220℃，保温时间120-180min，板坯出炉后采用高压水除鳞，去除加热过程中产生的一次氧化铁皮。热连轧分为粗轧和精轧两个阶段进行。粗轧阶段采用两架四辊可逆式粗轧机各轧制3个道次，轧制温度≥1050℃，总变形量≥70％。精轧阶段采用7架四辊轧机进行连轧，开轧温度≤1030℃。中间坯厚度55-60mm，轧制16mm以上厚度时，中间坯厚度60mm。精轧终轧温度为860-910℃。轧制结束后采用两段冷却对钢板进行快速冷却，前一段冷却速率为30-50℃/s，快速冷却至700-750℃，间隔时间5-8s后进行后一段冷却，冷却速率10-30℃/s，冷却至460-520℃后进行卷取。各实施例和对比例的主要生产工艺参数如表2所示。
表2各实施例和对比例主要工艺参数及性能
以上各实施例和对比例生产的600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板进行性能测试，拉伸性能测试根据GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行，冷弯性能测试根据GB/T 232《金属材料弯曲试验方法》进行。冲击性能测试根据GB-T 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。本发明各实施例及对比例的主要生产工艺参数。本发明各实施例及对比例的性能如表3所示。
表3各实施例和对比例主要工艺参数及组织、性能
按照TB/T 2375《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》进行72h周期浸润腐蚀试验评价各实施例的耐大气腐蚀性能，腐蚀式样尺寸40mm×60mm×4mm，以Q345B低合金钢作为对比腐蚀试样，试验结果如表4所示。各实施例相对于Q345B低合金钢耐大气腐蚀性能提高了1倍以上，具有优良的耐大气腐蚀性能。
表4各实施例及对比例的耐大气腐蚀性能
综上所述，对比例1的C、Mn、P和S含量偏高，铸坯中心偏析B1.0(见图3)，显微组织中出现了6％珠光体，产品延伸率和低温韧性较低；对比例2中C、Mn、Ni、V含量较低，即使按照本发明工艺生产，强度亦未能达到600MPa级；对比例3中的Nb、V含量较低，且未按V/Nb＝1～1.5分配，即使按照本发明工艺生产，也难以发挥细晶强化和析出强化的作用，显微组织粗大，平均晶粒尺寸达13.6μm，并出现混晶现象(图4所示)，导致产品的强度和韧性显著降低；对比例4中各成分皆在合适范围内，但终轧和卷取温度较低，显微组织为F+B+M,出现了马氏体条带(图5所示)，产品的强度较高，但延伸率和低温韧性都较低。实施例均按本发明钢种化学成分、冶炼、连铸和控轧控冷工艺控制技术所得耐候钢板屈服强度≥600MP，抗拉强度≥700MPa，延伸率≥22％，-40℃KV2≥100J，具有高强度和优异的塑韧性匹配，相对于Q345B腐蚀率＜50％，可应用于铁道车辆、桥梁等长期在严寒环境中服役的承重结构件。

Claims (6)

1.一种600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板，其特征在于，所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板包括以下质量百分比成分：
C：0.06%-0.08%、Si：0.30%-0.40%、Mn：0.56%-0.70%、P：0.06%-0.10%、S：≤0.002%、Cr：0.30%-0.60%、Ni：0.10%-0.20%、Cu：0.20%-0.40%、Alt：0.020%-0.040%、Nb：0.020%-0.040%、V：0.030%-0.060%、Ca：0.0010%-0.0030%，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的组织为铁素体+贝氏体组织，铁素体体积分数80-85%，铁素体平均晶粒尺寸11-12μm；心部无磷偏析带；贝氏体颗粒呈球状或者椭圆状，弥散分布在晶内或者晶界上，无块状珠光体组织和带状组织。
2.根据权利要求1所述的600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板，其特征在于，所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的耐大气腐蚀指数I≥7.0。
3.根据权利要求1或2所述的600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板，其特征在于，所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的成分满足：V/Nb=1-1.5。
4.根据权利要求1或2所述的600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板，其特征在于，所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的厚度为12-25mm。
5.根据权利要求1或2所述的600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板，其特征在于，所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的力学性能：ReL≥600MPa，Rm≥700MPa，A≥22%，-40℃夏比V型缺口冲击功＞100J，相对于Q345B腐蚀率＜50%。
6.一种权利要求1-5任一项所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的制造方法，其特征在于，所述600MPa级厚规格含磷热轧耐候钢板的制造方法，包括以下工艺流程：铁水预处理→转炉冶炼→精炼→连铸→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取；
所述连铸：中包温度控制在液相线以上10-25℃，连铸采用动态轻压下和电磁搅拌，动态轻压下压下量范围为3.0-5.0mm，控制铸坯中心偏析为C类≤1.0级；
所述板坯加热：用步进式加热炉对板坯进行加热，控制一加热段末温度≤1050℃，铸坯出炉温度为1180℃-1220℃，保温时间120-180min；
所述控制轧制：热连轧分为粗轧和精轧两个阶段进行；粗轧阶段轧制温度≥1050℃，总变形量≥70%；精轧阶段开轧温度≤1030℃，中间坯厚度55-60mm，精轧终轧温度为860-910℃；
所述控制冷却，具体为：轧制结束后采用双段冷却，前一段冷却速率为30-50℃/s，快速冷却至700-750℃，间隔时间5-8s后进行后一段冷却，冷却速率10-30℃/s，冷却至460-520进行卷取。
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