CN1962917A - 一种特高强度耐大气腐蚀钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特高强度耐大气腐蚀钢，钢的化学成分的重量百分比为：C：0.01～0.07％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.60～2.00％、P：≤0.018％、S：≤0.008％、Cu：0.20～0.50％、Cr：0.40～0.75％、Ni：0.25～0.60％、Nb：0.03～0.08％、Mo：0.10～0.40％、Ti：≤0.02％、Als：≤0.035％、B：≤0.003％，余量为Fe及杂质。本发明钢屈服强度(ReL)≥700MPa，抗拉强度(Rm)≥750MPa，属于特高强度钢，以热轧状态交货，简化了生产工艺，提高了成材率，降低了成本，适应大生产要求。
Description
技术领域
本发明涉及低碳低合金钢，尤其是适用于制造耐大气腐蚀构件的特高强度低碳低合金钢。
背景技术
瑞典SSAB公司生产的相近强度级别的热轧薄板钢Domex700MC，其碳含量小于或等于0.12％，一般在0.07％左右，其它成份以常规合金元素为主，通过Mo及微合金元素Nb、Ti、V的复合添加来达到提高强度及改善性能的目的。该钢的屈服强度达到了700MPa，但由于成份设计时，没有考虑耐大气腐蚀的因素，使得该钢在要求耐候性的应用领域存在较大局限性。针对耐候性使用环境的要求，公开号CN 1800428A的《一种经济型耐候钢》专利，其成份设计在常规元素的基础上，加入了耐大气腐蚀元素Cu和P。虽然该钢考虑了使用环境的要求，但对强度级别的要求较低，屈服强度仅有345MPa。对于目前对钢铁材料高强度级别的要求来说，该钢的强度级别偏低，使得其应用也存在很大的局限性。
在大气环境中使用的钢结构如集装箱、桥梁等，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，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-TEN B(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(ASTM A852)，该钢碳含量为0.12～0.20％，用于制造桥梁。
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仅≥450MPa，而且该专利公开文件中并没有公开一种钢成分中含Mo的具体方案。
发明内容
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：为克服上述不足，提供一种特高强度耐大气腐蚀钢，该钢的屈服强度≥700MPa、抗拉强度≥750MPa。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种特高强度耐大气腐蚀钢，其特征在于钢的化学成分的重量百分比为：C：0.01～0.07％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.60～2.00％、P：≤0.018％、S：≤0.008％、Cu：0.20～0.50％、Cr：0.40～0.75％、Ni：0.25～0.60％、Nb：0.03～0.08％、Mo：0.10～0.40％、Ti：≤0.02％、Als：≤0.035％、B：≤0.003％，余量为Fe及杂质。
上述方案中，Mo的重量百分比为0.15～0.3％更好，Mo的重量百分比为0.15～0.25％为最佳。
上述方案中，B的重量百分比为0.0005～0.0014％最佳。
上述方案中，Ni/Cu的重量比为0.70～1.20最佳。
本发明主要合金元素含量的设定是基于以下原理：
本发明钢成分中含Mo，Mo能够有效地延长珠光体转变的孕育期，使铁素体和珠光体区域右移，但对贝氏体的相变影响很小。因此使得本发明钢经奥氏体化后在连续快速冷却时，可以获得贝氏体组织。当钢中含碳量很低时，这种微细结构的贝氏体和针状铁素体组织，能够保证钢具有良好的延性。同时，含Nb-Mo的高强度低合金钢较之含Nb-V的钢可以具有高得多的强度，这是因为Mo能降低碳化物形成元素(如Nb等)的扩散能力，从而阻碍碳化物的形成，推迟碳化物的析出过程。在高强度低合金钢中，屈服强度随钼Mo加入量的增加而提高，同时，Mo也能有效的提高钢的耐腐蚀能力。
本发明选择B含量≤0.0030％，B是表面活性元素，极易偏聚到晶界，有效地抑制先共析铁素体的形核及长大，强烈抑制Y-相变，提高钢材的强度；B与N的交互作用，能明显提高钢材的低温韧性。B含量过高易形成B的碳化物和氮化物，并集聚在原奥氏体晶界，促使附近地区位错密度增高，可以作为氢在局部地区的陷阱，因而促使此处发生晶界开裂。
本发明的铜(Cu)含量为0.20％～0.50％，铜能提高钢的淬透性，在钢中主要起固溶及沉淀强化作用，同时通过Cu-Cr-Ni的适当配比，可以显著提高钢的耐候性能，此外还有利于获得良好的低温韧性，增加钢的抗疲劳裂纹扩展能力。Cu含量小于0.15％时，其沉淀强化作用不明显，Cu含量大于0.50％时，钢板焊接热影响区韧性会降低，且在钢坯加热过程中易产生网裂。
Cr、Ni都可以提高钢的耐腐蚀性。钢中同时加入几种提高耐腐蚀性元素有特别良好的作用，含Cu钢在腐蚀过程中，Cu、Cr、Ni等元素富集于靠近基体的金属锈层中，降低了Fe3O4的结晶化程度，形成致密、接近于非晶态的稳定锈层。此种锈层能够阻碍带有腐蚀性的介质向基体渗透，使钢的耐大气腐蚀性能提高。同时Ni还能显著改善钢的低温韧性，使基材和焊接热影响区低温韧性大幅度提高。Ni/Cu的重量比为：0.70～1.20，Ni能有效阻止Cu的热脆引起的网裂。Ni加入量小于0.10％，Ni起不到作用，但含量过高易造成钢板氧化铁皮难以脱落。本发明Ni的含量为0.25～0.60％，Cr的含量为0.40～0.75％。
本发明的碳(C)含量为0.01％～0.07％，碳是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，如果溶入基体，能够起到固溶强化的作用，增加碳含量会促进形成碳化物及马氏体。为了保证高韧性、优良的冷成型性和焊接性能，将碳含量限定在0.07％以下，既可提高钢的强度又适合生产操作。
本发明的硅(Si)含量为0.25％～0.50％，Si主要是以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量不可过高，以免降低钢的韧性和焊接性能。
本发明的锰(Mn)含量是根据产品轧制时的冷却速度、规格和性能而确定的，添加1.60％～2.00％的锰，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，有利于细化晶粒尺寸，提高钢的屈服强度和冲击韧性。
本发明的磷(P)含量≤0.018％、硫(S)含量≤0.008％。较高的磷含量可以大幅度提高钢的耐候性，但是磷在钢中具有容易造成偏析、恶化焊接性能、显著降低钢的低温冲击韧性、提高脆性转变温度，所以，考虑到本发明钢强度较高，控制磷含量≤0.018％。硫易与锰结合生成MnS夹杂，硫还影响钢的低温冲击韧性。因此，本发明应尽量减少磷、硫元素对钢性能的不利影响，通过对铁水进行深脱硫预处理、真空处理等手段，控制磷、硫含量，从而减轻其不利影响。
本发明的Nb含量为0.03～0.08％，Nb是强碳氮化物形成元素，能提高钢的奥氏体再结晶温度，利于本发明钢在较高的轧制温度下进行轧制。同时，Nb能显著细化晶粒并提高本发明钢的抗拉强度，在控轧过程中，通过抑制再结晶和阻止晶粒长大，可细化奥氏体晶粒尺寸。在轧后冷却过程中，NbC和NbN微小质点析出，可起沉淀强化的作用。
本发明选择Ti含量为≤0.02％，Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，在钢重新加热中阻止奥氏体晶粒长大，在高温奥氏体区粗轧时TiN和TiC析出，可有效地钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒长大，另外钢板在焊接过程中，钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板焊接性能。
本发明的Als含量控制在≤0.035％，Al是钢中的主要脱氧元素。Al含量大于0.035％，将导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性及耐候性能。Al的熔点较高，在生产中，Al可以用来组织晶粒长大。
本发明具有以下优点：
1、本发明钢屈服强度(ReL)≥700MPa，抗拉强度(Rm)≥750MPa，属于特高强度钢，以热轧状态交货，简化了生产工艺，提高了成材率，降低了成本，适应大生产要求。
2、本发明钢成份设计为低碳Cu-Cr-Ni-Mo成份系列，有效地保证了本发明钢的耐候性，试验结果表明，本发明钢的耐候性是Q345钢的2倍左右，有效的保证了钢板厚度减薄使用时的使用寿命。
具体实施方式
本发明特高强度耐大气腐蚀钢实施例1～9，钢的化学成分的重量百分比为：C：0.04～0.05％、Si：0.25～0.35％、Mn：1.75～1.9％、P：0.013～0.016％、S：0.003～0.006％、Cu：0.20～0.50％、Cr：0.40～0.75％、Ni：0.25～0.60％、Nb：0.03～0.08％、Mo：0.10～0.40％，Ti：≤0.02％、Als：≤0.035％、B：≤0.003％，余量为Fe及杂质。具体成分见表1。
上述实施例的生产方法如下：在炼钢厂80吨转炉上进行顶底复合吹炼，采用铁水深脱硫技术，使铁水中的S≤0.005％；合金化过程，在炉前加入Cu板、Ni板、Mo-Fe，在炉后出钢1/3时开始加金属锰、Si-Fe、Cr-Fe、Nb-Fe等合金，出钢2/3时加入完毕；钢水经过吹氩气后，再经过真空处理，按目标要求加入B-Fe，使钢中的化学成份满足表1的要求，余量为Fe及不可避免的夹杂。
将钢水浇注成210～250mm×1250mm断面的板坯。然后将该板坯送至热连轧厂，在2250mm轧机上采用控轧控冷处理的热连轧生产工艺，将其轧制成热轧板。为充分发挥微合金元素在钢中的作用，最好利用大功率轧机的设备能力，减少轧制道次，提高道次压下率。先粗轧，每道次压下率为20～30％，累计压下率为80～90％，粗轧结束温度为1000～1080℃；再精轧，精轧开轧温度为950～1030℃，中间道次压下率为20～25％，最后两道次压下率为10～15％，终轧温度为820～870℃；钢板轧后采用层流冷却，冷却速度为15～40℃/s，卷取温度为550～620℃，制得板厚为2～12mm的热轧板(卷)。
对用上述本发明实施例1～9钢制成的热轧板进行屈服强度、抗拉强度、延伸率的检测，检测结果见表1。
从检测结果可以看出，实施例1钢板的屈服强度、抗拉强度均低于本发明钢的目标要求，实施例9钢板的延伸率太低，不利于钢板在冷成型状态下使用，实施例2～8钢板的力学性能指标均达到本发明钢的要求，但是，从钢板的成型性方面考虑，实施例2～6钢板的成型性能较好，其中，实施例3～5最佳。
对用本发明实施例3～5钢制成的热轧板进行腐蚀率、相对耐蚀性的检测，检测结果见表2、表3。
试验结果表明，本发明实施例3～5钢的耐候性，是Q345钢的2倍左右，有效的保证了钢板厚度减薄使用时的使用寿命。
表1：
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| C | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.05 | 0.05 |
| Si | 0.35 | 0.25 | 0.35 | 0.3 | 0.35 | 0.3 | 0.35 | 0.35 | 0.35 |
| Mn | 1.8 | 1.9 | 1.75 | 1.75 | 1.85 | 1.75 | 1.75 | 1.75 | 1.85 |
| P | 0.013 | 0.013 | 0.016 | 0.013 | 0.013 | 0.013 | 0.016 | 0.013 | 0.013 |
| S | 0.0045 | 0.0045 | 0.006 | 0.0045 | 0.0045 | 0.0045 | 0.003 | 0.0045 | 0.0045 |
| Cu | 0.25 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.5 | 0.4 |
| Cr | 0.5 | 0.55 | 0.5 | 0.4 | 0.6 | 0.5 | 0.5 | 0.75 | 0.5 |
| Ni | 0.6 | 0.5 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.25 | 0.4 | 0.2 | 0.3 |
| Nb | 0.045 | 0.03 | 0.05 | 0.045 | 0.05 | 0.05 | 0.08 | 0.04 | 0.06 |
| Mo | 0.05 | 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.25 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.5 |
| Ti | 0.02 | 0.02 | 0.015 | 0.015 | 0.02 | 0.01 | 0 | 0 | 0.01 |
| Als | 0.01 | 0.01 | 0.02 | 0.035 | 0.025 | 0 | 0.01 | 0.03 | 0.02 |
| B | 0.0015 | 0 | 0.0014 | 0.0005 | 0.0014 | 0.0009 | 0.003 | 0.0025 | 0.0015 |
| Rel/Mpa | 630 | 705 | 705 | 723 | 752 | 774 | 796 | 811 | 832 |
| Rm/Mpa | 730 | 795 | 810 | 822 | 852 | 868 | 892 | 914 | 945 |
| A5/％ | 20 | 20 | 19 | 18 | 17 | 16 | 14 | 14 | 10 |
表2：腐蚀率(g/m2.h)
| 钢号 | 试验时间(h) | |||
| 50 | 75 | 100 | 150 | |
| Q345 | 6.2923 | 5.3010 | 4.7159 | 4.0191 |
| 实施例3 | 3.4476 | 2.6054 | 2.4702 | 1.8739 |
| 实施例4 | 3.4256 | 2.5854 | 2.4607 | 1.8563 |
| 实施例5 | 3.5331 | 2.6044 | 2.4305 | 1.9019 |
表3：相对耐蚀性(％)
| 钢号 | 试验时间(h) | |||
| 50 | 75 | 100 | 150 | |
| Q345 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 实施例3 | 182.51 | 203.46 | 190.91 | 214.48 |
| 实施例4 | 183.68 | 205.04 | 191.65 | 216.51 |
| 实施例5 | 178.10 | 203.54 | 194.03 | 211.32 |
Claims (5)
1、一种特高强度耐大气腐蚀钢，其特征在于：钢的化学成分的重量百分比为：C：0.01～0.07％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.60～2.00％、P：≤0.018％、S：≤0.008％、Cu：0.20～0.50％、Cr：0.40～0.75％、Ni：0.25～0.60％、Nb：0.03～0.08％、Mo：0.10～0.40％、Ti：≤0.02％、Als：≤0.035％、B：≤0.003％，余量为Fe及杂质。
2、根据权利要求1所述的耐大气腐蚀钢，其特征在于：Mo的重量百分比为：0.15～0.3％。
3、根据权利要求1所述的耐大气腐蚀钢，其特征在于：Mo的重量百分比为：0.15～0.25％。
4、根据权利要求1所述的耐大气腐蚀钢，其特征在于：B的重量百分比为：0.0005～0.0014％。
5、根据权利要求1所述的耐大气腐蚀钢，其特征在于：Ni/Cu的重量比为：0.70～1.20。
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