CN101660099B - 高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢及其制备方法。该钢包含的组分及重量百分比分别为：碳0.05～0.10％、硅0.30～0.45％、锰1.00～1.50％、磷≤0.015％、硫≤0.01％、铬0.50～0.70％、镍0.20～0.30％、铜0.20～0.40％、铝≤0.05％、钛0.01～0.025％、铌0.03～0.05％以及余量的铁和杂质。其屈服强度≥450MPa，焊接冷裂纹敏感系数≤0.2。本发明钢具有低成本、高强度、低屈强比、高耐候以及优异低温韧性和焊接性能，其制备工艺流程简洁、易于操作。本发明可广泛应用于桥梁、建筑、集装箱、铁路车厢等领域。

Description

高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及低合金钢制造领域的一种高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢及其生产方法，其可应用于集装箱和铁路车厢等设备中。

背景技术

目前，世界上每年约有1/6年产量的钢材因大气腐蚀而耗损，尤其在我国每年因此遭受的直接经济损失就超过100亿元。为了解决该问题，人们发展出诸如对钢材进行打磨、涂装等手段，但采取该等措施所需费用常会占到工程投资总费用的相当比例，造成大量的人力、财力和物力花费。经业界人士的长期研究，人们又发现，通过对钢材材料的组分及制备工艺进行调整，可制成耐锈蚀的不锈钢，但若将不锈钢大规模使用，则成本将高得难以承受，且不锈钢的力学性能和焊接性能很难满足各种工程的需要。在这样的情况下，耐候钢应运而生。现有的耐候钢可以分为两类：其中一类含0.07～0.15％的磷，称为高耐候性钢；另一类磷含量＜0.04％，称为焊接结构用耐候钢。耐候钢的强度和耐候性可随铜、铬、镍、锰、钛等元素的合金化程度提高而相应提高，然而高磷耐候钢由于添加磷从而引起成分偏析、低温韧性降低、焊接性差和屈强比高等缺陷。在我国约占90％集装箱和铁路车辆均采用耐候钢制备，但因我国的特种钢产能有限，故而其中尚有约40％的用量需要进口。我国现有耐大气腐蚀低合金钢主要是09CuPCrNi和09CuPTiRe，其强度级别分别是290MPa和345MPa，并不能完全满足我国铁路运输高速、重载发展的要求。如何开发出具有高强度、低屈强比、低厚度、良好焊接性能以及耐候性的钢材已经成为业界长期关注的问题。如下所列专利即披露了本领域技术人员于该领域所作研究的一些进展：

专利号为ZL20081004963.X的发明专利提出了一种屈服强度大于450MPa级超低碳热轧耐候钢。其采用了超低碳(0.01～0.05％)设计，保证了该钢的焊接性。但其耐候性能达不到美国ASTM G101标准和日本JISF标准所要求的耐候性能指标，且含0.05～0.5％Mo，成本较高。

专利号为ZL200510111858.6的发明专利提出了一种高强度低合金耐大气腐蚀钢及其生产方法，该钢种通过添加铜、铬、镍等合金元素而得到优良的耐大气腐蚀性能及低温冲击韧性，且强度较高，屈服强度大于550MPa，但其铌(含量0.05～0.065％)和钼(含量0.20～0.45％)用量较大，成本高。

专利号为ZL200610125365.2的发明专利提出了一种高强度耐候钢及其生产方法，该钢种屈服抗拉强度很高，低温冲击韧性好，但该钢延伸率较低，另外，采用钼含量较高，以及淬火+回火调质工艺，使得生产成本高，生产周期长。

专利号为ZL200510045624.6的发明专利提出了一种经济型耐候钢，该钢种通过以铜、锰、硅、铝等合金化，并简单调整普通低碳钢(Q235)的部分元素含量，在不改变Q235钢生产工艺条件下，生产出具有良好的耐大气腐蚀性能、综合机械性能的经济耐候钢，但该钢屈服强度较低，仅为345MPa级。

专利号为ZL200510019116.0的发明专利提出了一种高韧性耐大气腐蚀钢。该钢以Cu-Cr-Ni系为基础，具有较好的低温冲击韧性。但合金元素Mn含量达到了2.10～3.0％，致使碳当量过高，不利于钢的焊接性能。

专利号为US6315946的发明专利提出了一种超低碳贝氏体耐候钢，该钢碳含量为0.015～0.035％，尽管做到了极低碳水平，但通过规定钼、铜、铬、钒含量以及加入硼来保证其强度和淬透性，促进贝氏体转变，使得合金含量过高引起焊接性以及低温韧性降低，而在生产工艺上经过热机械控制轧制工艺后，即直接加速冷却，没有充分利用铌等析出强化和组织细化作用。

专利号为US 6056833的发明专利提出了一种热机械控扎高强度低屈强比耐候钢，其屈服强度大于490MPa，屈强比小于0.85，该钢以铜、镍、铬为基础，但钒含量过高(0.06％-0.14％)，增加了钢的成本，降低了钢的焊接性和低温韧性。

但综观上述专利所披露的技术，其均存在一定的不足，不能完全满足我国集装箱以及铁路车辆的服役要求和生产设备状况的实际需要。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种具有低成本、高强度、低屈强比、高耐候以及优异的低温韧性和焊接性能的高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢，从而克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢，其特征在于，该钢种包含的组分及重量百分比分别为：碳0.05～0.10％、硅0.30～0.45％、锰1.00～1.50％、磷≤0.015％、硫≤0.01％、铬0.50～0.70％、镍0.20～0.30％、铜0.20～0.40％、铝≤0.05％、钛0.01～0.025％、铌0.03～0.05％以及余量的铁和杂质。

进一步的，该钢种的焊接冷裂纹敏感系数

P_cm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.2。

同时，其耐腐蚀指数I≥6.0，其计算公式参照美国ASTM G101标准，具体如下：

I＝26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P-7.92CuNi-9.1NiP-33.39Cu²

或参照日本JISF标准，其耐腐蚀指数J＞1，其计算公式如下：

J＝1/[(1.0-0.16C)×(1.05-0.05Si)×(1.04-0.016Mn)×(1.0-0.5P)×(1.0+1.9S)×(1.0-0.1Cu)×(1.0-0.12Ni)×(1.0-0.3Mo)×(1.0-1.7Ti)]

且该钢种的屈服强度≥450MPa

该钢种是采用如下工艺制备的：

采用铁水预脱硫、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工艺以及钙处理和LF精炼工艺处理铁水，获得轧钢所需钢锭，将钢锭加热到1200～1250℃，并进行均热处理，而后对钢锭进行两阶段控制轧制处理，轧制温度控制在810～1150℃，其后对经热轧的钢材进行控制冷却处理，使钢材迅速冷却至550～590℃，最后对钢材进行卷取，得到成品耐候钢种。

本发明的另一目的在于提出一种制备如上所述高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢的工艺，其流程简洁、易于操作、成本低，该方法为：

采用转炉炼钢得到轧钢所需钢锭，将钢锭加热到1200～1250℃，并进行均热处理，而后对钢锭进行两阶段控制轧制处理，轧制温度控制在810～1150℃，其后对经热轧的钢材进行控制冷却处理，使钢材迅速冷却至550～590℃，最后对钢材进行卷取，得到成品耐候钢种，其屈服强度≥450MPa。

具体而言，该方法中获取轧钢所需钢锭的过程为：

依次采用铁水预脱硫、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工艺以及钙处理和LF精炼工艺处理铁水，获得钢锭包含的组分及其重量百分比为：碳0.05～0.10％、硅0.30～0.45％、锰1.00～1.50％、磷≤0.015％、硫≤0.01％、铬0.50～0.70％、镍0.20～0.30％、铜0.20～0.40％、铝≤0.035％、钛0.01～0.025％、铌0.03～0.05％以及余量的铁和杂质。

所述均热处理持续的时间为1～2小时。

所述对钢锭进行两阶段控制轧制处理的工艺参数为：

再结晶区轧制开轧温度控制在1120～1150℃之间，未再结晶区轧制精轧开轧温度控制在940～980℃之间，精轧结束温度控制在810～830℃之间。

所述对经热轧的钢材进行控制冷却处理的过程中，冷却速率在15～20℃/s的冷却速率。

该方法包括如下具体步骤：

采用转炉炼钢得到轧钢所需钢锭；

将钢锭加热到1200～1250℃，并均热处理1～2小时，使钢锭中合金元素完全固溶；

对钢锭进行两阶段控扎，再结晶区轧制开轧温度控制在1120～1150℃之间，未再结晶区轧制精轧开轧温度控制在940～980℃之间，精轧结束温度控制在810～830℃之间；

轧制完成后，对钢材进行控制冷却处理，冷却开始温度控制在800～830℃之间，而后以15～20℃/s的冷却速率将钢材冷却到550～590℃；

对冷却后的钢材进行卷取，卷取温度控制在550～590℃之间，最终得到成品耐候钢种，其屈服强度≥450MPa，焊接冷裂纹敏感系数≤0.2.

本发明通过对钢的成分进行特殊设计，并对钢的冶炼、轧制和控冷工艺进行调整，从而使生成的耐候钢具有均匀的针状铁素体+贝氏体组织，避免形成珠光体组织，其屈服强度在450MPa级以上，同时本发明采用的低磷设计方案在保证钢具有高耐候性的同时还表现出优异的低温韧性和焊接性。

在本发明的钢的组分的设计方案中，着重考虑了该耐候钢中各组分的作用，即：

碳：碳是提高钢强度最经济有效的合金元素，但碳含量过高会显著恶化钢的焊接性能，本发明采用低碳设计，以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和焊接性能，本发明确定碳含量的最佳范围为：0.05～0.10％。

硅：具有耐氯化物腐蚀破裂，耐点蚀，耐浓热硝酸，抗氧化，耐海水腐蚀等作用。当硅含量比较多时，可以在钢表面形成富硅保护膜，从而具有很好的耐蚀性，当硅与铜、铬配合时，可以提高钢的耐海洋大气腐蚀性能。本发明确定硅含量的最佳范围为0.30～0.45％。

锰：锰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，促进钢的中温组织转变，得到以针状组织为主的微观组织，这种组织与传统的铁素体+珠光体相比，具有较好的组织均匀性，优良的耐候性能，高的强度和优异的低温韧性，含1％的锰约可提高抗拉强度100MPa。随着锰含量的增加，钢材的强度明显增加，但是冲击转变温度几乎不发生变化。太高的锰含量有损于钢的韧性，而太低的锰含量则不能有效促进中温组织转变。本发明确定锰含量的最佳范围为1.00～1.50％。

磷：磷是提高耐大气腐蚀性能最有效的合金元素之一。一般磷含量在0.08～0.15％时耐蚀性最佳。然而为了保证焊接性，不宜采用增加磷的方法来提高钢的耐蚀性，应将磷控制在0.04％以下，因磷含量降低而造成的耐候性损失可由添加铬、镍来弥补。本发明确定磷含量的最佳范围为≤0.015％。

硫：高的硫含量会大幅度提高钢的耐候性，并可通过磷的适量合理偏聚，弥补极低碳钢晶间强度降低的不足。本发明确定硫含量的最佳范围为≤0.01％。

铬：铬是提高淬透性的有效元素。铬也能使钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力，从而提高钢的耐大气腐蚀能力。耐大气腐蚀钢中铬的含量一般为0.1～1％(最高为1.3％)。当铬与铜同时加入钢中时，耐候效果尤为明显。本发明确定铬含量的最佳范围为0.50～0.70％。

镍：镍能提高钢的淬透性，具有一定的强化作用，加入1％的镍可提高钢材强度约20MPa。在提高钢材强度的同时，镍还能显著地改善钢材的低温韧性。使基材和焊接热影响区低温韧性大幅度提高。镍还能有效阻止铜的热脆引起的网裂以及显著提高钢的耐候性能，尤其是耐海水腐蚀性能。其加入量小于0.10％，则起不到耐腐蚀作用，但含量过高易造成钢板氧化皮难以脱落且增加钢材的成本。本发明确定镍含量的最佳范围为0.20～0.30％。

铜：在钢中加入一定量铜的时候，无论在乡村大气、工业大气或海洋大气中，都具有较普通碳钢优越的耐腐蚀性能。而且在污染严重的环境中，效果更明显。此外，铜还有利于获得良好的低温韧性，增加钢的疲劳裂纹扩展能力。当铜含量过高时，易产生铜脆现象，钢板焊接影响区韧性会降低，而且在钢坯加热过程中易产生网裂。本发明确定铜含量的最佳范围为0.20～0.40％。

铝：铝是钢中的主要脱氧元素，并可以用来阻止晶粒长大。然而当铝含量大于0.035％时，将导致铝的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性和耐候性。本发明确定铝含量的最佳范围为≤0.05％。

钛：钛是强氮化物形成元素。钛的氮化物能有效地钉扎奥氏体晶界，有利于控制奥氏体晶粒的长大。本发明确定钛含量的最佳范围为0.01～0.025％。

铌：铌是强碳氮化物形成元素，能提高钢的奥氏体再结晶温度。奥氏体可以在更高的轧制温度下进行轧制，并通过延迟奥氏体向铁素体的转变，提高针状组织的体积分数。此外，铌在控制轧制和控制冷却过程中起到析出强化作用，通过铌的碳氮化物的应变诱导析出可以钉扎奥氏体晶粒，细化奥氏体晶粒并提高强度及低温韧性。铌可以单独或与钛一起复合加入以通过沉淀强化提高钢的机械性能。但过高的铌也易与铁、碳等元素形成低熔点共晶物，从而增加焊缝金属产生热裂纹的倾向。本发明确定铌含量的最佳范围为0.03～0.05％。

与现有技术相比，本发明的高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢及其生产方法具有的优点在于：本发明钢种成分简单，为低碳Cu-Cr-Ni成分系列，且通过添加微量合金元素以及控制磷硫含量，而不添加淬透性元素硼，得到针状铁素体+贝氏体组织，其较之一般贝氏体钢组织更均匀，耐候性更好，同时，本发明钢种种通过添加微量铌、钛、钒产生固溶强化以及沉淀析出来提高钢的强度和韧性；而在本发明钢的制备工艺中，采用控轧控冷技术进行生产，无须调质或回火等热处理，缩短了生产周期而且降低了生产成本。达到很好的经济效益；另外，本发明采用低磷方案，克服以往钢种因加磷提高耐候性而影响焊接性能的缺点，得到优异的焊接性能。本发明可广泛应用于桥梁、建筑、集装箱、铁路车厢等领域。

附图说明

图1是实施例1中高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢微观组织的扫描电镜照片；

图2是图1所示钢的制备方法中控制冷却工艺的参数控制图；

图3是图1所示钢的耐候性能评价图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

该高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢(本实施例钢种)的组分及其重量百分比如表1所示，其较之专利号为ZL200810046963.X的发明专利提出的钢(对比钢种)，合金成分中不含钼，成本相对较低，且强度以及延伸率更高，并具有优异的低温韧性。另，本实施例钢种的焊接冷裂纹敏感系数为：

P_cm＝0.08+0.4/30+(1.09+0.3+0.63)/20+0.005/15+0.24/60+0.006/10＝0.199

如图1所示，本实施例钢种具有针状铁素体+贝氏体组织构造，，其较之一般贝氏体钢组织更均匀，耐候性更好。

该高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢的制备工艺为：

采用铁水预脱硫、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工艺，同时进行钙处理和LF精炼工艺处理铁水，获得220mm厚的钢锭，其包含的组分及其重量百分比同表1所示的本实施例钢种的组成；

取三块钢锭加热到1200左右，并均热处理2小时，使钢锭中合金元素完全固溶；

对三块钢锭进行两阶段控扎，再结晶区轧制开轧(粗轧)温度控制在1100℃左右，未再结晶区轧制精轧开轧温度(精轧开始温度)控制在950℃左右，各钢锭精轧结束温度分别控制在818℃、824℃、830℃，粗轧总压下率为82％，精轧总压下率为80％；

轧制完成后，对钢材进行控制冷却处理，各钢锭冷却开始温度分别控制在810℃、815℃、820℃，而后以20℃/s的冷却速率将钢材冷却到562℃、570℃、585℃；

对冷却后的钢材进行卷取，卷取温度控制在550～590℃之间，最终得到三块厚度在8mm的成品耐候钢，其屈服强度≥450MPa，焊接冷裂纹敏感系数≤2.0。

按照GB6397-86标准对上述三块成品耐候钢(本实施例钢种1号板、2号板、3号板)及专利号200810046963.X钢(对比钢种)进行力学性能测试进行，拉伸试样标距满足：

测试结果如表2所示。根据铁道标准TB/T2375-93对本实施例钢种进行耐腐蚀性测试，测得本发明钢的腐蚀速率为普碳钢Q235B的61％(如图3所示)，具有非常优异的耐大气腐蚀性能。

另外，根据美国ASTM G101标准和日本JISF标准分别对本实施例钢种及对比钢种进行耐候性测试，结果表明，本实施例高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢的耐候性指数远大于对比钢种(其计算所得美国ASTM G101标准指标I小于6.0，日本JISF标准指标J小于1，达不到耐候钢标准所规定的耐候性能，如表3所示)。

表1本实施例钢种与对比钢种的组分及其重量百分比含量

表2本实施例钢种与对比钢种的力学性能测试对照

表3本实施例钢种与对比钢种的耐候性能评价

Claims (4)

1.一种高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢，其特征在于，该钢种包含的组分及重量百分比分别为：碳0.05～0.10％、硅0.30～0.45％、锰1.00～1.50％、磷≤0.015％、硫≤0.01％、铬0.50～0.70％、镍0.20～0.30％、铜0.20～0.40％、铝≤0.05％、钛0.01～0.025％、铌0.03～0.05％以及余量的铁和杂质；

该钢种的焊接冷裂纹敏感系数

P_cm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.2；

同时，其耐腐蚀指数I≥6.0，其计算公式参照美国ASTM G101标准，具体如下：

I＝26.01Cu+3.88Ni+1.2Cr+1.49Si+17.28P-7.92CuNi

-9.1NiP-33.39Cu²

或参照日本JISF标准，其耐腐蚀指数J＞1，其计算公式如下：

J＝1/[(1.0-0.16C)×(1.05-0.05Si)×(1.04-0.016Mn)×(1.0-0.5P)×(1.0+1.9S)×(1.0-0.1Cu)×(1.0-0.12Ni)×(1.0-0.3Mo)×(1.0-1.7Ti)]

该钢种的屈服强度≥450MPa

该钢种是采用如下工艺制备的：

采用铁水预脱硫、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工艺以及钙处理和LF精炼工艺处理铁水，获得轧钢所需钢锭，将钢锭加热到1200～1250℃，并均热处理1～2小时，而后对钢锭进行两阶段控制轧制处理，其中，再结晶区轧制开轧温度控制在1120～1150℃之间，未再结晶区轧制精轧开轧温度控制在940～980℃之间，精轧结束温度控制在810～830℃之间，其后对经热轧的钢材进行控制冷却处理，使钢材迅速冷却至550～590℃，最后对钢材进行卷取，得到成品耐候钢种。

2.根据权利要求1所述的高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢的制备方法，其特征在于，该方法中获取轧钢所需钢锭的过程为：

依次采用铁水预脱硫、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工艺以及钙处理和LF精炼工艺处理铁水，获得钢锭包含的组分及其重量百分比为：碳0.05～0.10％、硅0.30～0.45％、锰1.00～1.50％、磷≤0.015％、硫≤0.01％、铬0.50～0.70％、镍0.20～0.30％、铜0.20～0.40％、铝≤0.035％、钛0.01～0.025％、铌0.03～0.05％以及余量的铁和杂质。

3.根据权利要求2所述的高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢的制备方法，其特征在于，所述对经热轧的钢材进行控制冷却处理的过程中，冷却速率在15～20℃/s。

4.根据权利要求2所述的高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢的制备方法，其特征在于，该方法中：

进行所述均热处理，使钢锭中合金元素完全固溶；

在控制冷却处理过程中，冷却开始温度控制在800～830℃之间，冷却速率控制在15～20℃/s；

在卷取过程中，卷取温度控制在550～590℃之间；

最终得到的成品耐候钢种的焊接冷裂纹敏感系数≤2.0。

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