CN117327978A - 一种高强、高耐蚀锌铝镁钢及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强、高耐蚀锌铝镁钢及其制备方法、应用。该高强、高耐蚀锌铝镁钢包括基材和镀层，基材的质量百分比组成为：C≤0.10％，Si：0.02％～0.50％，Mn：1.00％～3.00％，P≤0.030％，S≤0.005％，Nb：0.01％～0.08％，Ti：0.01％～0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质；镀层的质量百分比组成为：Al：6.0％～15.0％，Mg：1.0％～5.0％，Si：0.1％～1.6％，Sn：0％～0.2％，余量为Zn及不可避免的杂质。首先采用热轧薄板坯连铸连轧CSP工艺生产高强度薄规格的基材，然后热浸镀，最终得到沿海滩涂光伏支架用高强锌铝镁钢。本发明提供的高强、高耐蚀锌铝镁钢具有优异的力学和耐腐蚀性能，将其制成光伏支架不仅大大降低了支架全寿命周期的成本，而且环境污染小、资源消耗少。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁及光伏发电技术领域，具体涉及一种高强、高耐蚀锌铝镁钢及其制备方法、应用。
背景技术
随着各国政策推动以及光伏产业的发展，光伏行业用钢量大幅增加。光伏支架是太阳能光伏电站的基础结构，其设计使用年限应不少于25年，因此对光伏支架的防腐性能要求非常高。目前国内大部分光伏项目支架通常由传统Q235钢经成形、酸洗、热浸锌处理实现防腐，同时为保证支架的强度安全，通常采用厚规格(4-12mm)的热浸镀锌Q235钢。
近年来随着光伏补贴政策的逐步取消以及平价项目的大规模申报，企业对光伏支架的成本控制要求越来越严，传统的热浸镀锌钢支架由于环境污染大、工艺效率低、资源消耗大、质量水平低等问题已无法满足项目对工程造价的控制要求。另一方面随着建造光伏电站的优质场地有所减少，越来越多的光伏电站建设在沿海滩涂等环境恶劣的地区，许多沿海滩涂地区实际应用的工程结果表明，传统光伏支架在海洋大气环境下的腐蚀依旧很严重，无法满足服役安全需求。
综上，面对光伏行业绿色低碳、高强耐蚀的发展趋势，开发一种高强度、高耐蚀的光伏支架用锌铝镁钢是光伏行业的迫切需求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高强、高耐蚀锌铝镁钢，其包括基材和附着在基材表面的镀层，其中基材的质量百分比组成为：C≤0.10％，Si：0.02％～0.50％，Mn：1.00％～3.00％，P≤0.030％，S≤0.005％，Nb：0.01％～0.08％，Ti：0.01％～0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质；镀层的质量百分比组成为：Al：6.0％～15.0％，Mg：1.0％～5.0％，Si：0.1％～1.6％，Sn：0％～0.2％，余量为Zn及不可避免的杂质。
进一步的，所述基材的质量百分比组成为：C：0.03％～0.06％，Si：0.20％～0.40％，Mn：1.50％～2.00％，P≤0.010％，S≤0.005％，Nb：0.02％～0.04％，Ti：0.03％～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，镀层的质量百分比组成为：Al：8.0％～12.0％，Mg：2.0％～4.0％，Si：0.2％～0.4％，Sn：0.05％～0.15％，余量为Zn及不可避免的杂质，并且1/4＜Mg/Al＜1/2。
进一步的，所述高强、高耐蚀锌铝镁钢的屈服强度≥500MPa，抗拉强度600～760MPa，延伸率≥18％，厚度为0.5～2mm。
本发明的目的之二在于提供上述高强、高耐蚀锌铝镁钢的制备方法，该方法包括以下步骤：首先采用热轧薄板坯连铸连轧CSP工艺生产高强度薄规格的冷轧原料(即基材)，然后进行热浸镀处理。
进一步的，连铸连轧CSP工艺的具体过程包括：精炼→薄板坯连铸→均热炉→粗轧→精轧→层流冷却→卷取。
进一步的，精轧开轧温度控制在950～850℃，优选为920～870℃；终轧温度控制在750～820℃，优选为770～810℃；层流冷却至100～300℃，冷却速率为20～35℃/s。
进一步的，所述热浸镀具体过程如下：CSP冷轧原料酸洗→退火→热浸镀→卷取。
进一步的，热浸镀阶段带钢加热温度为600～700℃，加热时间为50～120s，接着冷却至高于镀液温度10～30℃的温度，冷却速率为40～80℃/s，镀液温度控制在500～540℃。
本发明的目的之三在于提供一种上述高强、高耐蚀锌铝镁钢在沿海滩涂光伏支架方面的应用。
本发明主要针对传统热浸镀锌钢光伏支架制造及使用过程中存在的环境污染大、工艺效率低、资源消耗大、强度低以及应用于海洋大气环境时腐蚀严重等一系列问题，研发了一种应用于沿海滩涂光伏支架的新型高强、高耐蚀锌铝镁钢，其可在环境腐蚀等级C4以上环境裸露使用。与传统热镀锌光伏支架相比，本发明提供的高强、高耐蚀锌铝镁钢大大降低了光伏支架全寿命周期的成本，并且环境污染小、资源消耗少，具有良好的应用价值。
本发明所述高强、高耐蚀锌铝镁钢中基材各主要元素及其含量的作用原理如下：
C含量控制在≤0.10％。C是提高钢强度的有效元素，当碳含量较高时(如超过0.12％)，极易形成马氏体而恶化钢的低温韧性，抗拉强度也容易超出上限，对焊接性的影响更大。当钢中碳含量在0.10％(wt)以下时，钢的碳当量对焊接冷裂纹的敏感性不大，降低碳含量还可有效提高钢的低温韧性。但是当碳含量太低时(如小于0.03％)，会导致钢板强度不足，钢中的硬相偏少，屈强比控制较为困难。因此C含量优选在0.03％～0.06％之间。
Si含量控制在0.02％～0.50％。Si元素的添加能提高基材的耐蚀性能，但是在沿海滩涂的海洋大气环境中，Si添加到一定量后，硅氧四面体化合物会削弱α-FeOOH相的形成，并导致锈层的阴离子选择性提高，最终将导致锈层保护能力减小，使得基材出现耐蚀性恶化的现象。同时，由于Si与氧的结合能力比铁强，在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和融化金属的流动性，Si元素添加过多会降低钢材的焊接性能和冲击韧性。因此，针对沿海滩涂使用的光伏支架用钢，本发明中Si含量优选在0.20％～0.40％之间。
Mn含量控制在1.00％～3.00％。Mn是重要的强韧化元素，是奥氏体稳定化元素，能扩大铁碳相图中的奥氏体区，促进中温组织转变。较高含量的Mn极易在钢中产生严重的中心偏析，恶化钢的低温韧性，焊接时钢板HAZ容易产生裂纹，这对于本发明钢的力学性能来讲是不必要的，而太低的Mn含量则容易降低钢的强度。为此本发明中Mn含量优选在1.50％～2.00％之间。
P≤0.010％。较高含量的P会显著提高钢的耐候性，但同时也会降低钢的焊接性，增加钢的冷脆倾向，产生比较严重的中心偏析。
S≤0.005％。较高含量的S会降低钢的耐蚀性、低温韧性、Z向性能。
Nb含量为0.01％～0.08％。Nb的固溶强化作用可以提高钢的屈服强度，利用其细化晶粒的作用还可以提高冲击韧性，对焊接性能有益。本发明中Nb的最佳含量优选为0.02％～0.04％。
Ti含量为0.01％～0.08％。Ti有利于钢的脱氧，减少钢中的夹杂物，还能够提高钢的冲击韧性。Ti添加后能够降低钢的电化学反应活性，有利于提升钢的耐海洋大气腐蚀性能，但是Ti含量过高会降低钢的低温韧性。因此Ti的最佳含量优选为0.03％～0.06％。
本发明镀层的主要成分为锌、铝、镁、硅、锡，不含其他组分，镀层中的各元素的主要作用如下：
Al含量为6.0％～15.0％。Al在镀层中形成富铝化合物，可以抑制锌液与铁的反应，减薄Fe-Zn的化合物层，同时可以形成铝的氧化物抑制镁的疏松氧化物的不良影响，可以提高镀层的附着力。其次，在镀锌的基础上加Al可以显著提高耐腐蚀性能和耐热性能，但是当Al含量较高时镀层的耐蚀性提高不够明显，且会导致较多的锌灰锌渣，甚至出现枝晶状富铝相，镀层表面质量下降，并且抗拉强度、延伸率和硬度随着Al的增加先增加后减小。因此综合考虑Al的最佳含量优选为8.0％～12.0％。
Mg含量为1.0％～5.0％。Mg与镀层的Zn元素形成镀层耐蚀性随着Mg含量的增加而显著提升，其腐蚀产物以致密的碱式氯化锌为主，可以抑制碱式碳酸锌和氧化锌的形成。但是当Mg含量过高时，镀液表面会形成比较严重的Mg的氧化物，这不仅增加了捞渣的量，而且镀液表面的氧化会带到带钢表面，影响带钢的表面质量，从而使得生产难度加大。因此Mg的最佳含量优选为2.0％～4.0％，且1/4＜Mg/Al＜1/2。
Si含量为0.1％～1.6％。镀液中添加少量的Si可以使Fe-Al之间的扩散和化合作用受到大幅抑制，提高流动性改善了镀液与钢基本身的润湿性，降低了铁损与锌渣数量，还能用于调控钢基与镀层界面处Fe-Al化合物的生长，提高镀层与钢板的结合性。但Si含量过高也不利于基板上Fe-Al反应的发生，还会在锌锅中造成大量的浮渣。此外在海洋环境中，Si含量超过0.5％以后材料的耐蚀性会显著下降。因此Si的最佳含量优选为0.2％～0.4％。
Sn含量为0％～0.2％。传统的锌铝镁产品在海洋大气环境下的耐蚀性仍存在问题，Sn可提高镀层的自腐蚀电位，降低电化学反应活性，形成的SnO2可以提高镀层的离子选择性，防止Cl离子进一步侵蚀镀层，提高其耐蚀性。Sn进入ZnO晶格中可以抑制Zn的氧化速率，降低镀层腐蚀速率，Sn与Zn形成的化合物颗粒可以提高共晶组织的结合力。Sn含量过高会损害钢的韧性，且焊接性能降低。因此Sn的最佳含量优选为0.05％～0.15％。
与现有类似产品及工艺相比，本发明的进步效果主要体现在以下几个方面：
(1)与目前光伏行业常规应用的Q235级钢相比，本发明提供的高强、高耐蚀锌铝镁钢的基材采用CSP工艺进行生产制造，通过严格控制Mn元素并添加Nb、Ti等强化元素，使其在厚度为0.5～2mm时的屈服强度≥500MPa，抗拉强度达600～760MPa，延伸率≥18％。本发明不仅提高了强度而且降低了光伏支架的厚度，从而大大降低了单位光伏支架的用钢量。
(2)本发明在制造高强、高耐蚀锌铝镁钢时，通过在镀液中添加元素Sn提高了镀层结合力以及在海洋环境的耐蚀能力。严格控制基材和镀层中的Si含量，不仅避免海洋大气环境下Si含量过高造成的耐蚀性恶化，也保证了钢种的力学、焊接等综合性能。依据GB/T24195-2009《金属和合金的腐蚀酸性盐雾、“干燥”和“湿润”条件下的循环加速腐蚀试验》标准开展试验，结果表明其耐海洋大气腐蚀性能是传统热镀锌钢的3-4倍，较常规热镀锌铝镁钢提升了70％。
(3)本发明提供的高强、高耐蚀锌铝镁钢可用于制造沿海滩涂光伏支架，这些光伏支架能够在环境腐蚀等级C4以上环境中长期裸露使用。与传统热镀锌光伏支架相比，本发明提供的光伏支架产品大大降低了支架全寿命周期的成本，此外还具有环境污染小、资源消耗少等优点，因而具有较好的市场前景。
附图说明
图1为不同样品的耐腐蚀性测试结果对照图。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。
本发明提供一种沿海滩涂光伏支架用高强、高耐蚀锌铝镁钢，其包括基材和镀层。该高强、高耐蚀锌铝镁钢的厚度为0.5～2mm，屈服强度≥500MPa，抗拉强度600～760MPa，延伸率为≥18％，其在循环腐蚀试验条件下耐海洋大气腐蚀性能是传统热镀锌钢的3-4倍，较常规热镀锌铝镁钢提高了70％。
所述基材的化学成分及其质量百分含量为：C≤0.10％，Si：0.02％～0.50％，Mn：1.00％～3.00％，P≤0.030％，S≤0.005％，Nb：0.01％～0.08％，Ti：0.01％～0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质。所述镀层的化学成分及其质量百分含量为：Al：6.0％～15.0％，Mg：1.0％～5.0％，Si：0.1％～1.6％，Sn：0％～0.2％，余量为Zn及不可避免的杂质。
优选的，上述沿海滩涂光伏支架用高强、高耐蚀锌铝镁钢的基材包括以下质量百分比的化学成分：C：0.03％～0.06％，Si：0.20％～0.40％，Mn：1.50％～2.00％，P≤0.010％，S≤0.005％，Nb：0.02％～0.04％，Ti：0.03％～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。与此同时，该沿海滩涂光伏支架用高强、高耐蚀锌铝镁钢的镀层包括以下质量百分比的化学成分：Al：8.0％～12.0％，Mg：2.0％～4.0％，Si：0.2％～0.4％，Sn：0.05％～0.15％，余量为Zn及不可避免的杂质。
上述沿海滩涂光伏支架用高强、高耐蚀锌铝镁钢的制备方法分为基材制备和镀层制备。其中基材采用热轧薄板坯连铸连轧CSP工艺生产高强度薄规格的冷轧原料，主要包括以下步骤：精炼→薄板坯连铸→均热炉→粗轧→精轧→层流冷却→卷取；镀层制备主要包括以下步骤：CSP冷轧原料酸洗→退火→热浸镀→卷取。基材制备采用CSP工艺不仅降低了生产成本而且缩短了生产周期，制得的基材强度高。期间控制精轧开轧温度为950～850℃，终轧温度为750～820℃。精轧开轧温度优选为920～870℃，终轧温度优选为770～810℃，主要是因为过高的开轧温度容易导致混晶，过低的开轧温度不能保证有效终轧温度，当终轧温度过高或者过低时，不易生成所需的硬软复相组织，且钢的强韧性会受到影响。此外层流冷却阶段的冷却速率为20～35℃/s，使钢板由770℃左右快速冷却至100～300℃，保证基材硬相组织的转变。经酸轧后热浸镀，热浸镀阶段带钢的加热温度为600～700℃，加热时间为50～120s，然后冷却到高于镀液温度10～30℃的温度，冷却速度为40～80℃/s，期间将镀液温度控制在500～540℃。最后在镀层钢带表面涂覆后处理剂以使镀层钝化，就能作为光伏支架使用。
按照上述工艺流程首先制得了如表1所述配方的各个基材，然后配制如表2所示的镀液对各个基材进行热浸镀，最终制得了一系列沿海滩涂光伏支架用高强、高耐蚀锌铝镁钢。
表1不同基材的化学成分表(wt.％)
| 基材编号 | C | Si | Mn | P | S | Nb | Ti |
| A | 0.03 | 0.32 | 1.20 | 0.007 | 0.002 | 0.02 | 0.02 |
| B | 0.04 | 0.24 | 1.60 | 0.008 | 0.003 | 0.04 | 0.02 |
| C | 0.05 | 0.32 | 1.82 | 0.007 | 0.003 | 0.06 | 0.02 |
| D | 0.03 | 0.31 | 2.12 | 0.007 | 0.002 | 0.04 | 0.03 |
| E | 0.03 | 0.22 | 1.80 | 0.008 | 0.002 | 0.04 | 0.04 |
表2不同镀液的化学成分表(wt.％)
| 编号 | Al | Mg | Si | Sn |
| 1 | 8 | 2 | 1.6 | 0 |
| 2 | 10 | 3 | 1.6 | 0 |
| 3 | 12 | 4 | 1.6 | 0 |
| 4 | 10 | 3 | 0.8 | 0 |
| 5 | 10 | 2.5 | 0.4 | 0.05 |
| 6 | 10 | 3 | 0.3 | 0.10 |
| 7 | 11 | 3 | 0.3 | 0.15 |
对各个沿海滩涂光伏支架用高强、高耐蚀锌铝镁钢取样进行了力学测试，结果如下表3所示。
表3不同高强、高耐蚀锌铝镁钢的力学性能表
| 类别 | 基材编号 | 镀液编号 | 屈服强度，MPa | 抗拉强度，MPa | 延伸率，％ |
| 实施例1 | A | 1 | 509 | 639 | 18.3 |
| 实施例2 | B | 1 | 524 | 678 | 19.4 |
| 实施例3 | C | 1 | 535 | 710 | 20.0 |
| 实施例4 | D | 1 | 529 | 707 | 19.8 |
| 实施例5 | E | 1 | 542 | 723 | 19.5 |
| 实施例6 | E | 2 | 539 | 718 | 19.2 |
| 实施例7 | E | 3 | 552 | 724 | 19.5 |
| 实施例8 | E | 4 | 545 | 713 | 19.1 |
| 实施例9 | E | 5 | 541 | 713 | 18.9 |
| 实施例10 | E | 6 | 555 | 731 | 20.1 |
| 实施例11 | E | 7 | 552 | 727 | 20.7 |
按照GB/T 24195-2009《金属和合金的腐蚀酸性盐雾、“干燥”和“湿润”条件下的循环加速腐蚀试验》标准对各个样品开展了循环腐蚀试验，并以普通钢热镀锌(GI)作为对照，结果如图1所示。其中普通钢热镀锌(GI)的基材成分为：C：0.02-0.055％，Si:0-0.04％，Mn:0.15-0.25％，P:0-0.02％，S:0-0.02％，S.Al：0.015-0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；镀液成分为：Al:0.25-0.3％，余量为Zn及不可避免的杂质。
从图1中可以看出，本发明实施例5-11制得的沿海滩涂光伏支架用高强、高耐蚀锌铝镁钢的耐腐蚀性均远高于普通钢热镀锌，并且实施例11样品的耐腐蚀性最好。
Claims (10)
1.一种高强、高耐蚀锌铝镁钢，其特征在于：该高强、高耐蚀锌铝镁钢包括基材和附着在基材表面的镀层，所述基材的质量百分比组成为：C≤0.10％，Si：0.02％～0.50％，Mn：1.00％～3.00％，P≤0.030％，S≤0.005％，Nb：0.01％～0.08％，Ti：0.01％～0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质；所述镀层的质量百分比组成为：Al：6.0％～15.0％，Mg：1.0％～5.0％，Si：0.1％～1.6％，Sn：0％～0.2％，余量为Zn及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高强、高耐蚀锌铝镁钢，其特征在于：所述基材的质量百分比组成为：C：0.03％～0.06％，Si：0.20％～0.40％，Mn：1.50％～2.00％，P≤0.010％，S≤0.005％，Nb：0.02％～0.04％，Ti：0.03％～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的高强、高耐蚀锌铝镁钢，其特征在于：所述镀层的质量百分比组成为：Al：8.0％～12.0％，Mg：2.0％～4.0％，Si：0.2％～0.4％，Sn：0.05％～0.15％，余量为Zn及不可避免的杂质，并且1/4＜Mg/Al＜1/2。
4.如权利要求1所述的高强、高耐蚀锌铝镁钢，其特征在于：所述高强、高耐蚀锌铝镁钢的屈服强度≥500MPa，抗拉强度600～760MPa，延伸率≥18％，厚度为0.5～2mm。
5.权利要求1-4任意一项所述高强、高耐蚀锌铝镁钢的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：首先采用热轧薄板坯连铸连轧CSP工艺生产高强度薄规格的冷轧原料，然后进行热浸镀处理。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：连铸连轧CSP工艺的具体过程包括：精炼→薄板坯连铸→均热炉→粗轧→精轧→层流冷却→卷取。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：精轧开轧温度控制在950～850℃，终轧温度控制在750～820℃，层流冷却至100～300℃，冷却速率为20～35℃/s。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述热浸镀具体过程如下：CSP冷轧原料酸洗→退火→热浸镀→卷取。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：热浸镀阶段带钢加热温度为600～700℃，加热时间为50～120s，接着冷却至高于镀液温度10～30℃的温度，冷却速率为40～80℃/s，镀液温度控制在500～540℃。
10.权利要求1-4任意一项所述高强、高耐蚀锌铝镁钢在沿海滩涂光伏支架方面的应用。
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