CN1718832A - 具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢，其解决目前高P、Cu，辅以Cr，Ni等合金元素使钢的韧性低，脆性高，难于承受重载；美国专利存在的工艺过程难于控制，生产成本高等不足。其解决的技术措施：其在于钢的化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.09、Si：0.45～0.70、Mn：2.10～3.00、P：≤0.02、S：≤0.01、Ti：0.005～0.009、Nb：0.095～0.19、Ni：0.10～0.19、Cu：0.45～0.65、Cr：0.75～1.50、Ca≤0.02，余量为Fe及杂质，同时满足：0.70＜Cr+Ni+Cu＜2.50及Nb＞4Ti+3Ca。本发明生产成本低，具有优异的耐大气腐蚀性、低温冲击韧性和焊接性能。

Description

具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢及其生产方法

一、技术领域

本发明属于低碳低合金钢领域，涉及耐大气腐蚀钢。

二、背景技术

在大气环境中使用的钢结构如桥梁、塔架及车辆等，由于受空气中氧、水和酸性物质的化学及电化学作用，往往会使之产生大气腐蚀，从而影响使用寿命，造成经济损失。目前，为了提高结构钢耐大气腐蚀的性能，国内外采用各种方法研制出一批耐大气腐蚀钢或称为耐大气腐蚀钢。尤其在我国，桥梁、塔架等钢结构多用耐候性较差的钢制造，为防止大气腐蚀，必须不定期进行钢结构表面喷刷防腐涂料，为此花费大量人力、财力和物力。另一方面，为适应现代国民经济快速发展的需要，一些钢结构如桥梁等向重载、大跨度方向发展，因此研制抗拉强度≥600MPa的高强度耐大气腐蚀钢，用于大型桥梁、通信及输电塔架等，已成为当务之急。

目前，一般地采用在钢中添加一定量的Cu、P等合金元素，可显著提高钢的耐大气腐蚀性能，如美国研制的高磷、铜加镍、铬耐大气腐蚀钢COR-TEN A(ASTM A242)系列，其主要化学成分按重量百分比为：C≤0.12％，Mn：0.20～0.50％，Si：0.25～0.75％，Cu：0.25～0.60％，S≤0.04％，P≤0.07～0.15％，Cr：0.30～1.25％，Ni≤0.65％，余为Fe。该耐大气腐蚀钢的屈服强度≥345MPa，抗拉强度≥490MPa。另外还研制了以Cr、Mn、Cu为主的COR-TENB(ASTM A588)系列耐大气腐蚀钢及改良型COR-TEN B耐大气腐蚀钢，即COR-TEN B-QT 70(ASTMA852)，该钢碳含量为0.12～0.20％，用于制造桥梁。

中国专利号为85108118的专利，介绍了一种低合金耐大气腐蚀钢，其化学成分为：C≤0.12％，Si：0.20～0.75％，Mn：0.20～0.70％，Cu：0.20～0.50％，P：0.06～0.15％，V：0.02～0.12％，Xt≤0.20％，S≤0.04％，余为Fe和杂质。

中国专利号为00121262.1的专利介绍了一种耐大气腐蚀钢，化学成分按重量百分比为：C：0.085～0.15％，Si：0.30～0.50％，Mn：0.30～0.60％，P：0.035～0.050％，S≤0.01％，Cu：0.10～0.19％，RE：0.005～0.05％，余为Fe。

上述所列专利其主要均采用高P、Cu，辅以Cr，Ni等合金元素的方法研制。添加的P含量较高而Mn含量相对较低，它们的共同不足是钢的韧性低，脆性增加，难于承受重载荷。

美国专利号为US6,056,833的专利介绍一种热机械控轧高强度低屈强比耐大气腐蚀钢(Thermomechanically controlled processed high strength weathering steel with lowyield/tensile ratio)，化学成分按重量百分比为：C：0.08-0.12％，Mn：0.80-1.35％，Si：0.30-0.65％，Mo：0.08-0.35％，V：0.06-0.14％，Cu：0.20-0.40％，Ni≤0.50％，Cr：0.30-0.70％，Nb≤0.04％，Ti≤0.02％，S≤0.01％，P≤0.02％，N：0.001～0.014％，余为Fe和微量杂质。控轧控冷后该钢的屈服强度≥490MPa，屈强比≤0.85。

另一项美国专利号为US6,315,946的专利，介绍一种超低碳贝氏体耐大气腐蚀钢(Ultralow carbon bainitic weathering steel)，其化学成分按重量百分比为：C：0.015～0.035％；Cu：0.20～0.40％；Cr：0.40～0.70％；Ni：0.20～0.50％；Ti：0.02～0.05％；Nb：0.03～0.06％；B：0.0015～0.003％；Mn≤2.0％；P≤0.012％；S≤0.005％；Si≤0.40％；Mo≤0.50％；V≤0.10％；Al≤0.03％；N≤0.006％。余为Fe和微量杂质。经控轧控冷后屈服强度≥450MPa，-35℃夏比冲击吸收功≥40J。

上述两项耐大气腐蚀钢采用控轧控冷工艺过程生产，并含有价格较昂贵的合金元素V、Mo，其不足是：工艺过程难于控制，生产成本高。由于添加的Ni较高，使得生产成本更高。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种采用低碳高锰方法制造，使钢具有同类型的铁素体组织，避免形成珠光体组织，从而减小钢中各相或不同组织之间的电位差，提高钢的抗腐蚀性能，不添加昂贵合金元素V、Mo，生产工艺容易控制的具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢及其生产方法。

实现上述目的的技术措施：具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢，其特征在于钢的化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.09、Si：0.45～0.70、Mn：2.10～3.00、P：≤0.02、S：≤0.01、Ti：0.005～0.009、Nb：0.095～0.19、Ni：0.10～0.19、Cu：0.45～0.65、Cr：0.75～1.50、Ca≤0.02，余量为Fe及杂质，同时满足：0.70＜Cr+Ni+Cu＜2.50及Nb＞4Ti+3Ca。

其在于C的重量百分比为：0.05～0.07。

其在于Mn的重量百分比为：2.20～2.80。

其在于Mn的重量百分比为：2.30～2.60。

其在于Cr+Ni+Cu之和的重量百分比为：1.00＜Cr+Ni+Cu＜1.50。

其在于C与Mn的取值关系相反。

其生产步骤为：

1)进行冶炼：采用铁水脱硫、脱磷技术、转炉顶底吹炼、喂Al丝脱氧、炉后真空处理、钙处理及成分微调的冶炼工艺；

2)进行初轧：初轧温度控制在1150℃～1230℃；

3)进行精轧：精轧的后三道次累计压下率≥50％；

4)进行终轧：其温度控制在800～880℃；

5)进行冷却：以不小于5℃/秒冷却速度将钢板冷却到400～700℃；

6)在常温状态下对钢板进行冷却并至室温。

本发明主要合金元素含量的设定是基于以下原理：

本发明采用低C的目的在于经上述制造方法生产的耐大气腐蚀钢易获得单一的同类型铁素体组织，抑制珠光体组织及其它碳化物的形成，从而避免了不同组织、不同相之间较高的电位差，获得优异的耐大气腐蚀性能。

钢中添加较高的Mn含量，可显著降低钢的相变温度，细化晶粒，提高钢的综合性能，且能够形成固溶强化，从而提高钢的强度。

大气腐蚀是化学及电化学反应过程，加入适量Cr、Ni及Cu等合金元素，通过与大气中氧的作用，钢表面可形成一层致密的复合钝化薄膜，能有效阻碍H⁺与Fe的化学反应，避免内部金属受到腐蚀，提高钢的耐大气腐蚀性能。Cr+Ni+Cu＞0.70的重量百分比，以保证形成致密钝化薄膜的最小含量；Cr+Ni+Cu＜2.50的重量百分比，以在保证钢质具有优异耐大气腐蚀的前提下，尽可能降低钢的碳当量，使钢具有优异的焊接性能。

加入少量的Ca，是对钢进行钙处理，可明显改善钢中夹杂物的形态、分布及大小，提高钢的耐大气腐蚀性能及机械性能。

加入一定的Nb含量，且Nb＞4Ti+3Ca，可使轧制在较高温度下完成，一方面可保证钢的机械性能，另一方面可减小轧制设备的轧制抗力，延长使用寿命。

本发明具有以下优点：

1.化学成分比较简单，工艺过程容易控制，耐大气腐蚀性能与COR-TEN A钢相当。

2.本发明因采用低碳高锰，与采用V、Mo合金元素钢种相比，生产成本大幅降低。

3.降低了因碳偏析而产生的钢板废品率。

4.本发明还具有优异的焊接性能及低温冲击韧性。

四、附图说明

图1为本发明与Q345C、COR-TENA在实验室模拟大气腐蚀试验结果曲线图。

图2为本发明的金相组织图

五、具体实施方式

在实验室用50kg真空感应炉冶炼了4炉本发明，4炉钢的具体化学成分见表1所示。

经本发明所述的生产方法：

其具体试验的生产步骤：

1)进行冶炼：采用铁水脱硫、脱磷技术、转炉顶底吹炼、喂Al丝脱氧、炉后真空处理、钙处理及成分微调的冶炼工艺；

2)进行初轧：初轧温度控制在1180℃；

3)进行精轧：精轧的后三道次累计压下率60％；

4)进行终轧：其温度控制在850～870℃范围内；

5)进行冷却：以8℃/秒冷却速度将钢板冷却到550～650℃；

6)在常温状态下对钢板进行冷却并至室温。然后，取样进行金相组织观察，典型的组织见附图2。对本发明钢取样进行机械性能试验，实验结果列入表2。同时，对4个炉号的钢材取样，在实验室进行了模拟大气腐蚀试验，同时，本申请还将对比钢号Q345c，COR-TEN A的样品在实验室相同条件下进行了模拟大气腐蚀试验，试验结果见附图1所示。

在附图1中，横座标为试验时间，单位为小时h；纵座标为腐蚀深度，单位为毫米mm。

由附图1可见，在全部试验过程中，本发明钢与对比钢COR-TEN A的腐蚀深度相差很小，略高于对比例钢COR-TEN A，因此，本发明钢具有优异的耐大气腐蚀性能。由图1可见另一特征，即在全部模拟大气腐蚀过程中，本发明钢的腐蚀深度随着钢的碳含量的降低而略微减小。

表1 实施例钢号的化学成分重量百分比

钢号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Nb	Ti	Ca
												WNF1	0.065	0.46	2.36	0.015	0.007	0.75	0.14	0.46	0.099	0.008	0.018
WNF2	0.050	0.51	2.95	0.011	0.005	1.40	0.11	0.51	0.11	0.007	0.017
												WNF3	0.082	0.62	2.15	0.009	0.006	0.80	0.18	0.50	0.098	0.008	0.019
WNF4	0.072	0.61	2.25	0.009	0.007	0.72	0.15	0.54	0.12	0.009	0.017

表2 实施例钢号的机械性能

钢号	试样厚度	抗拉强度σb/MPa	屈服强度σs/MPa	延伸率δ/％	-40℃夏比冲击吸收功/J
						WNF1	15mm	650	525	25	277
WNF2	15mm	645	521	26	289
						WNF3	15mm	645	518	29	290
WNF4	15mm	640	512	35	296

Claims (7)

1、具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢，其特征在于钢的化学成分重量百分比为：C：0.05～0.09、Si：0.45～0.70、Mn：2.10～3.00、P：≤0.02、S：≤0.01、Ti：0.005～0.009、Nb：0.095～0.19、Ni：0.10～0.19、Cu：0.45～0.65、Cr：0.75～1.50、Ca≤0.02，余量为Fe及杂质，同时满足：0.70＜Cr+Ni+Cu＜2.50及Nb＞4Ti+3Ca。

2、根据权利要求1所述的具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢，其特征在于C的重量百分比为：0.05～0.07。

3、根据权利要求1所述的具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢，其特征在于Mn的重量百分比为：2.20～2.80。

4、根据权利要求1所述的具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢，其特征在于Mn的重量百分比为：2.30～2.60。

5、根据权利要求1所述的具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢，其特征在于Cr+Ni+Cu之和的重量百分比为：1.00＜Cr+Ni+Cu＜1.50。

6、根据权利要求1所述的具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢，其特征在于C与Mn的取值关系相反。

7、制造权利要求1所述的具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢的生产方法，其在于步骤为：

1)进行冶炼：采用铁水脱硫、脱磷技术、转炉顶底吹炼、喂Al丝脱氧、炉后真空处理、钙处理及成分微调的冶炼工艺；

2)进行初轧：初轧温度控制在1150℃～1230℃；

3)进行精轧：精轧的后三道次累计压下率≥50％；

4)进行终轧：其温度控制在800～880℃；

5)进行冷却：以不小于5℃/秒冷却速度将钢板冷却到400～700℃；

6)在常温状态下对钢板进行冷却并至室温。

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