CN103695801A - 一种高韧性、高耐候钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高韧性、高耐候钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C0.035～0.075%、Si≤0.30%、Mn0.40～0.80%、P0.07～0.11%、S≤0.004%、Cu0.20～0.50%、Ni0.10～0.40%、Cr0.40～0.70%、Ti0.008～0.016%、Nb0.010～0.030%、N≤0.0050%、Ca0.001%～0.004%、其余为Fe和不可避免夹杂；其采用低C－低Mn-高P的碳锰钢成分体系作为基础，通过Cu+Ni+Cr合金化，控制[%C]/[%P]≥0.49、[%Mn]/[%C]≥10，耐候性指数D_NH≥6.50%，[%C]×([%P]+2.5[%S])≤0.0025，[%Ca]/[%S]=1.0～3.0，([%Cu]+0.36[%Ni]+0.27[%Cr])×[%P]≥0.030，[%Ca]×[%S]^0.28≤0.002，采用TMCP工艺，具有优良低温韧性、弯曲冷加工特性及高耐候性，适宜于用做无涂装高速列车车厢箱体结构。

Description

一种高韧性、高耐候钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高韧性、高耐候钢及其制造方法，其屈服强度≥355MPa、抗拉强度≥490MPa、－40℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、相对普通结构钢腐蚀率≤20%，主要用于各种高速列车车厢壳体。

背景技术

众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、船舶制造、桥梁结构、锅炉压力容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、韧性和焊接性是低碳(高强度)低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组织状态。随着科技不断地向前发展，人们对钢的强韧性、焊接性提出更高的要求，即在维持较低制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢材的用量而节约成本，减轻钢构件自身重量、稳定性和安全性。

目前世界范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，通过合金组合设计、革新控轧/TMCP技术及热处理工艺获得更好的显微组织匹配，从而使钢板得到更优良强韧性、强塑性匹配、低屈强比、耐大气腐蚀性、更优良的焊接性及抗疲劳性能；本发明钢板正是采用上述技术，低成本地开发出综合力学性能、焊接性能均优异的耐候建筑结构用厚钢板。

现有技术制造耐大气腐蚀焊接结构用厚钢板时，一般要在钢中添加一定量的P、Ni、Cu、Cr等耐候性合金元素，目的是在钢板表面形成一层致密的非晶保护膜，阻止空气进入钢板内部，达到耐大气腐蚀作用。由此带来母材钢板韧性、焊接性，尤其钢板冷加工性能较差，无法满足整板长度方向、整板宽度方向冷弯90度加工成型等要求；为此日本采用低C含量成分设计，添加微合金元素Ti、Nb，结合控制轧制工艺，使钢板焊接性与低温韧性得到大幅度提高，（参见《制铁研究》，1982，Vol.309，P98；R&D神户制钢技报，1988，Vol.38，P97）。

为开发寒冷地区使用的耐候钢，日本采用低C－高Al－低N－微Ti处理成分设计技术，结合控制轧制工艺成功生产出满足－40℃低温韧性耐候钢板，（参见《铁と钢》，1985，Vol.71，S593）。

但是这些钢板也没有涉及冷加工成型时，整板长度方向、宽度方向90度冷弯加工成型；其次，Cr元素大幅度降低铁素体+珠光体显微组织控轧钢板的强度且降低屈服强度的幅度大于降低抗拉强度的幅度（参见《西山纪念技术讲座》86-87，P11），采用控轧工艺生产高加工性、高韧性的高耐候钢板存在较大的困难；同时大量专利文献只是说明如何实现母材钢板的低温韧性，对于如何在焊接条件下，获得优良的热影响区(HAZ)低温韧性说明得较少，尤其采用大线能量焊接时如何保证热影响区(HAZ)的低温韧性少之又少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧性、高耐候钢及其制造方法，其屈服强度≥355MPa、抗拉强度≥490MPa、－40℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、相对普通结构钢腐蚀率≤20%，适宜于用做无涂装高速列车车厢箱体结构，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

高韧性、高冷加工的高耐候钢板是厚板产品中难度较大的品种之一，其原因是该类钢板不仅要求超低C含量与高强度，高耐候性与优良的低温韧性与冷加工成型性，而且钢板还要具有较好的焊接性，能够在野外环境下实施焊接作业，焊接接头质量满足高铁对车厢的要求；这些性能要求很难同时满足。超低C含量与高强度，高耐候性与优良的低温韧性与冷加工成型性之间在成分设计和工艺设计上相互冲突，很难调和，即降低C含量时，很难实现高耐候钢板的高强度；在提高耐候性时，很难实现钢板优良的低温韧性与冷加工成型性；如何平衡超低C含量与高强度、高耐候性即高P含量与低温韧性与冷加工成型性是本产品最大的难点之一，也是关键核心技术；因此本发明在关键技术路线、成分和工艺设计上，综合了影响钢板高韧性、高耐候性、高强度、高冷加工成型性及钢板可焊性等关键因素，创造性地采用了低C－低Mn-高P含量的碳锰钢成分体系作为基础，采用Cu+Ni+Cr合金化，控制[%C]/[%P]≥0.49、[%Mn]/[%C]≥10，耐候性指数D_NH≥6.50%且([%Cu]+0.36[%Ni]+0.27[%Cr])×[%P]≥0.030，控制[%C]×([%P]+2.5[%S])≤0.0025、Ca处理且[%Ca]/[%S]比控制在1.0～3.0之间及[%Ca]×[%S]^0.28≤0.002，采用特殊的TMCP工艺，获得优良低温韧性、弯曲冷加工特性及高耐候性钢板，特别适宜于用做无涂装高速列车车厢箱体结构，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。

具体的，本发明的高韧性、高耐候钢，其成分重量百分比为：

C：0.035%～0.075%

Si：≤0.30%

Mn：0.40%～0.80%

P：0.07%～0.11%

S：≤0.004%

Cu：0.20%～0.50%

Ni：0.10%～0.40%

Cr：0.40%～0.70%

Ti：0.008%～0.016%

Nb：0.010%～0.030%

N：≤0.0050%

Ca：0.001%～0.004%

其余为Fe和不可避免的夹杂；且上述元素必须同时满足如下关系：

[%Mn]/[%C]≥10，以保证钢板晶粒均匀细小且在-40℃下夏比冲击试样断口纤维率至少高于50%；

[%C]/[%P]≥0.49，保证足够多的C原子偏聚在晶界上，抑制P原子在晶界偏聚，防止沿晶脆断模式发生，改善耐候钢板低温韧性与弯曲冷加工特性；这是本发明关键成分设计之一。

耐候性指数D_NH≥6.5%且([%Cu]+0.36[%Ni]+0.27[%Cr])×[%P]≥0.03，确保钢板具有高的耐候性，耐候性指数D_NH＝26.01[%Cu]＋3.88[%Ni]＋1.2[%Cr]＋1.49[%Si]＋17.28[%P]－7.29[%Cu]×[%Ni]－9.10[%Ni]×P－33.39[%Cu]²；这也是本发明关键成分设计之一。

控制[%C]×([%P]+2.5[%S])≤0.0025、Ca处理且[%Ca]/[%S]比控制在1.0～3.0之间及[%Ca]×[%S]^0.28≤0.002，保证钢板具有高的弯曲冷加工特性，适用于整板长度方向、宽度方向90度冷弯加工成型要求，满足制造高铁列车车厢的冷成型要求；这也是本发明关键成分设计之一。

众所周知，碳对钢板低温韧性、焊接性影响很大，从改善钢板的低温韧性及焊接性角度，希望钢中C含量比较低为宜；但从钢板的强度，更重要的从TMCP过程显微组织控制、C含量不宜过低，过低C含量不仅导致奥氏体晶界迁移率高，这给TMCP过程均匀细化组织带来较大问题，易形成混晶组织；同时过低C含量还造成晶界结合力降低，尤其在高P含量条件下，加剧P在晶界偏聚，弱化晶界结合力，导致钢板低温沿晶脆断；C含量高于0.09%时，不仅钢水凝固进入包晶反应区、导致板坯内部偏析、表面裂纹形成几率增加，尤其在高P含量条件下，高C促进板坯内部偏析呈几何级数增加，严重恶化钢板内质与机械性能；综合以上的因素，C的含量控制在0.035%～0.075%之间。

Si促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si虽然能够提高钢板的强度，但是Si严重损害钢板的低温韧性和焊接性，尤其在高P含量条件下，Si促进板坯内部偏析程度增加，严重恶化钢板内质与机械性能，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，Si含量控制在≤0.30%。

Mn作为合金元素在钢板中除提高强度和改善韧性外，还具有扩大奥氏体相区，降低Ac₁、Ac₃、Ar₁、Ar₃点温度，细化组织晶粒之作用；加入量过少，钢板晶粒粗大甚至出现混晶现象；加入过多Mn会增加钢板内部偏析程度，降低钢板力学性能的均匀性和低温韧性，尤其在高P含量条件下，高Mn促进板坯内部偏析呈几何级数增加，严重恶化钢板内质与低温韧性；综合考虑上述因素，Mn含量控制在0.40%～0.80%之间。

P是对钢板耐候性贡献最大的元素，但是P对钢板的低温冲击韧性、焊接性损害巨大；为保证钢板具有高耐候性，在钢中添加一定数量的P不可避免；但是可以通过在钢中添加一定量的Cu、Cr、Ni元素来增加钢板耐候性，替代部分替代P元素而减少P元素添加量，改善钢板低温韧性与冷加工性；因此在综合钢板机械性能、焊接性及制造成本的条件下，合理的P含量控制在0.07%～0.11%之间。

S作为钢中有害夹杂对钢板的低温韧性(尤其横向低温韧性)、耐候性损害很大，更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的横向低温韧性、Z向性能及冷弯加工性；同时S还是浇铸、热轧过程中产生热脆性的主要元素；理论上希望S含量越低越好，但考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，要求S含量控制在≤0.004%。

Cu元素对钢板耐候性贡献仅次于P元素，在高耐候钢中添加一定数量的Cu是必不可少的；此外，Cu作为奥氏体稳定化元素，可以同时提高钢板强度且对钢板低温韧性影响较小；但加入过多的Cu(≥0.50%)时，尤其在高P含量条件下，在晶界形成低熔点Cu_xP_y金属间化合物，造成严重的铜脆及沿晶脆断；但如果加入Cu含量过少(<0.20%)，钢板达不到改善高耐候性要求，因此Cu含量控制在0.20%～0.50%之间。

向钢中添加一定数量的Ni，也可以改善钢板耐候性；更重要的是钢中加Ni可以防止铜脆发生，降低浇铸、热轧及焊接过程的热裂纹敏感性；此外，Ni是钢板获得优良低温韧性不可缺少的合金元素；因此从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是Ni是很贵重的合金元素，从低成本批量生产角度，适宜的加入量为0.10%～0.40%。

对于高耐候钢而言，Cr元素促进致密非晶氧化层作用较大，高耐候钢中添加一定数量的Cr是必不可少的；加入一定数量的Cr(≤0.70%)可以在不损害钢板的低温韧性及弯曲冷加工的条件下，提高钢板的耐候性；但如果加入Cr含量过少(<0.40%)，Cr对钢板耐候性贡献较小，达不到高耐候性要求；加入过多(>0.70%)，损害钢板的低温韧性与弯曲冷加工性；因此Cr含量控制在0.40%～0.70%之间。

N的控制范围与Ti的控制范围相对应，对于控制钢板晶粒、改善钢板低温韧性及焊接性，Ti/N在1.5～3.5之间最佳。N含量过低，生成TiN粒子数量少、尺寸大，不能起到控制钢板晶粒的作用而改善钢板低温韧性与焊接性，反而对钢板低温韧性与焊接性有害；但是N含量过高时，钢中自由[N]增加，尤其大线能量焊接条件下热影响区(HAZ)自由[N]含量急剧增加，严重损害HAZ低温韧性及弯曲冷加工性，恶化钢的加工使用特性。因此N含量控制在≤0.0050%。

钢中加入微量的Ti目的是与钢中N结合，生成稳定性很高的TiN粒子，抑制钢板晶粒及焊接HAZ区晶粒长大；钢中添加的Ti含量要与钢中的N含量匹配，匹配的原则是TiN不能在液态钢水中析出而必须在固相中析出；因此TiN的析出温度必须确保低于1400℃；当钢中Ti加入量过少(<0.008%)，形成TiN粒子数量不足，不足以抑制晶粒长大及改变焊接HAZ二次相变产物而改善钢板的低温韧性与焊接性；加入Ti含量过多(>0.016%)时，TiN析出温度超过1400℃，部分TiN颗粒在钢液凝固过程中析出大尺寸的TiN粒子，这种大尺寸TiN粒子不但不能抑制晶粒长大，反而成为裂纹萌生的起始点；因此Ti含量的最佳控制范围为0.008%～0.016%。

钢中添加微量的Nb元素目的是提高再结晶停止温度，扩大控轧工艺窗口，进行未再结晶控制轧制、提高TMCP钢板强韧性，改善TMCP钢板冷加工特性；当Nb添加量低于0.010%时，除不能有效发挥的控轧作用之外，对TMCP钢板相变强化能力也不足；当Nb添加量超过0.030%时，Nb通过控轧改善钢板低温韧性作用达到饱和，造成贵重Nb元素资源浪费，增加制造成本，因此Nb含量控制在0.015%～0.030%。

对钢进行Ca处理，一方面可以纯净钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物，抑制S的热脆性，提高钢板冲击韧性和冷加工特性，改善钢板机械性能的各向异性；Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大，Ca加入量过高，形成Ca(O,S)尺寸粗大，脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性与冷加工特性，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一般控制Ca含量按ACR＝Ca[1-1.24×O]/1.25×S，其中ACR为硫化物夹杂形状控制指数，取值范围1.0～3.0之间为宜，因此Ca含量的控制范围为0.001%～0.004%。

根据本发明钢板组织是均匀细小且包含亚结构的铁素体＋珠光体+弥散分布的贝氏体，实现钢板的高强度、高韧性、高耐候性及优良的弯曲冷加工特性。

本发明的高韧性、高耐候钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼、连铸工艺，并采用轻压下技术，连铸轻压下量控制在3mm～8mm之间，中间包浇注温度1535℃～1555℃，拉坯速度0.7m/min～1.0m/min；

2)板坯加热，加热温度1100℃～1200℃，板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞；

3)轧制

第一阶段为普通轧制，采用不间断连续轧制方式，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；

第二阶段采用奥氏体单相区控制轧制，控轧开轧温度860℃～900℃，轧制道次压下率≥7%，累计压下率≥60%，终轧温度780℃～820℃；

4)冷却

控轧结束后，钢板立即运送到ACC设备处，输送时间≤30s，随即对钢板进行加速冷却；钢板开冷温度770℃～810℃，冷却速度≥10℃/s，停冷温度为≤400℃，随后钢板自然空冷至室温停冷温度与冷却速度设定是本发明关键技术之一，冷却速度≥10℃/s、停冷温度为≤400℃，可以充分抑制高P含量的高耐候钢板P在晶界偏聚，导致钢板沿晶脆断，改善钢板低温韧性与弯曲冷加工性；这是本发明关键工艺设计之一。

为了获得优良的冷加工性能，降低C含量及其他合金元素含量是必要的，尤其在高P含量条件下，采用超低碳、低碳当量设计是唯一选择；但是超低碳、低碳当量设计将导致钢板强度不足，因此采用贝氏体强化必不可少，为了获得贝氏体组织，必须采用轧后加速冷却工艺，确保得到贝氏体组织；其次，在高P含量条件下，为了获得优良的低温韧性，细化晶粒是唯一的选择，因此必须采用控制轧制工艺，确保晶粒细化；综合上述两点内容，在上述设计的成分范围内，采用TMCP工艺(即控制轧制+加速冷却)，获得包含亚结构的铁素体＋珠光体+弥散分布的贝氏体，实现高P含量钢板的高的冷加工特性及优良的低温韧性。

本发明的有益效果是：

本发明采用合金元素组合设计与特殊的TMCP工艺相结合，最大限度地提高了合金元素P、Cu、Ni、Cr改善耐侯性及综合力学性能(尤其抗拉强度与低温韧性)的潜能，降低了吨钢贵重合金元素Cu、Ni、Cr的用量；且用特殊TMCP工艺代替热处理工艺，减少了制造工序，缩短制造周期；钢板获得了高强度、高韧性、高耐候性及优良的弯曲冷加工特性，特别适宜于制造高速列车车厢壳体，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产；本发明不仅大幅度降低贵重资源消耗，降低制造成本，缩短了制造周期，同时还消除了大量含Cu、Ni的废钢回收再利用的困难，实现制造过程的绿色环保；本发明钢板开发结束了高铁列车箱体材料从法、德进口局面，填补了国内空白。

附图说明

图1为本发明实施例钢5的显微组织(1/4厚度处)。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

表1为本发明实施例钢的成分，表2为本发明实施例钢的制造工艺。表3为本发明实施例钢的性能。

本发明实施例工艺为：TDS铁水深度脱硫→转炉冶炼→LF→RH(喂Si－Ca丝)→连铸(采用轻压下工艺)→板坯下线精整→板坯定尺火切→加热→TMCP→钢板缓冷→AUT/MUT→钢板切边、切头尾→取样与性能验测→切定尺钢板→表面质量和外观尺寸、标识及检测→出厂。

参见图1，其所示为本发明实施例5钢板的显微组织，其为均匀细小且包含亚结构的铁素体＋珠光体+弥散分布的贝氏体，实现了钢板的高强度、高韧性、高耐候性及优良的弯曲冷加工特性。

本发明根据钢板技术特点，通过合理的合金元素的组合设计与特殊TMCP工艺相结合，钢板获得了高强度、高韧性及优良的弯曲冷加工特性，因而提高构件安全可靠性、缩短了用户构件制造的时间与困难、节约了用户构件制造的成本；钢板的高耐候无涂装性，大大降低了用户维护、使用成本，延长了构件服役周期，为用户创造了巨大的价值；因而此类钢板是高附加值、绿色环保性的产品；由于本发明钢板生产过程中不需要添加任何设备，制造工艺简洁、生产过程控制容易，因此制造成本低廉，具有很高性价比和市场竞争力；且技术适应性强，可以向所有具有加速冷却设备的中厚板生产厂家推广，具有很强的商业推广性，具有较高的技术贸易价值。

随着我国经济持续发展，铁路交通尤其高速铁路交通工程建设量越来越大，绿色环保性材料作为国家重点推广的项目越来越受到重视，环保硬性约束指标将逐渐扩展到基础设施工程项目，作为绿色环保型高性能耐候车辆用高强钢板具有广阔的市场前景。目前宝钢股份厚板厂已成功采用该技术低成本、稳定批量地生产出综合性能优良的高铁列车专用高强、高韧的高耐候钢板，首批150吨高耐候钢板用于高铁工程项目，在南京车辆厂制造高速列车车厢结构。

Claims (2)

1.一种高韧性、高耐候钢，其成分重量百分比为：

C：0.035%～0.075%

Si：≤0.30%

Mn：0.40%～0.80%

P：0.07%～0.11%

S：≤0.004%

Cu：0.20%～0.50%

Ni：0.10%～0.40%

Cr：0.40%～0.70%

Ti：0.008%～0.016%

Nb：0.010%～0.030%

N：≤0.0050%

Ca：0.001%～0.004%

其余为Fe和不可避免的夹杂；且上述元素必须同时满足如下关系：

[%Mn]/[%C]≥10；

[%C]/[%P]≥0.49，

耐候性指数D_NH≥6.5%，

（[%Cu]+0.36[%Ni]+0.27[%Cr])×[%P]）≥0.03，

耐候性指数D_NH＝26.01[%Cu]＋3.88[%Ni]＋1.2[%Cr]＋1.49[%Si]＋17.28[%P]－7.29[%Cu]×[%Ni]－9.10[%Ni]×P－33.39[%Cu]²；

[%C]×([%P]+2.5[%S])≤0.0025；

[%Ca]/[%S]比控制在1.0～3.0之间，[%Ca]×[%S]^0.28≤0.002，获得的钢板组织是均匀细小且包含亚结构的铁素体＋珠光体+弥散分布的贝氏体。

2.如权利要求1所述的高韧性、高耐候钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼、连铸工艺，并采用轻压下技术，连铸轻压下量控制在3mm～8mm之间，中间包浇注温度1535℃～1555℃，拉坯速度0.7m/min～1.0m/min；

2)板坯加热，加热温度1100℃～1200℃，板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞；

3)轧制

第一阶段为普通轧制，采用不间断连续轧制方式，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；

第二阶段采用奥氏体单相区控制轧制，控轧开轧温度860℃～900℃，轧制道次压下率≥7%，累计压下率≥60%，终轧温度780℃～820℃；

4)冷却

控轧结束后，钢板立即运送到ACC设备处，输送时间≤30s，随即对钢板进行加速冷却；钢板开冷温度770℃～810℃，冷却速度≥10℃/s，停冷温度为≤400℃，随后钢板自然空冷至室温。

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