CN109252091A - 高韧性高耐候钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高铁用钢材制造领域，尤其涉及一种高韧性高耐候钢及其制备方法。本发明所设计的高韧性高耐候钢的制备方法包括步骤：1)冶炼：将生铁、废钢铁合金加入转炉冶炼、转炉、吹炼、RH炉精炼后钢水的成分及其重量百分比为，C：0.06～0.17％、N：0.006～0.017％、Si：0.2～0.40％、Mn：0.8～1.7％、Ti：0.007％～0.020％、Cr：0.35～1.50％、Ni：0.154～1.00％，余量为Fe；其中C/N比值为10～22，Ni/N比值为20～100；2)浇注成型；3)热轧；4)冷却。与传统的高韧性高耐候钢相比，本发明优化钢的化学成分、限定了C/N比和Ni/N比以及改进了工艺步骤来提高钢基的强韧性，增强钢基的抗腐蚀性。

Description

高韧性高耐候钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及高铁用钢材制造领域，尤其涉及一种高韧性高耐候钢及其制备方法。
背景技术
目前我国高速铁路发展迅猛，其中高速列车关键部件对韧性和耐蚀性要求高。随着工业发展的进步，高铁用高韧性高耐候钢材料尤其是高级别高铁用高韧性高耐候钢的生产已经有很大的突破，期间产生了很多比较优秀的发明，从而促进了耐候钢向更高级别和更优性能的研究与发展。
如申请号为201010022912.0，发明名称为“韧性优良的高耐蚀性含Cr耐候钢”的中国发明专利申请文件，该发明公开了一种高耐蚀性含Cr耐候钢的制备方法，但是该方法没有优化合金元素的配比，含碳量较低，在0.01～0.06％C范围，铬含量较高，在2.5～7.0％范围，焊接性较差。又如申请号为200710045329.X，发明名称为“一种高耐蚀高强度耐候钢及其制造方法”的中国发明专利，该发明的钢中加入了大量的Cr元素，Cr在4.50～5.50％范围，Mn含量较低，Mn在0.01～0.05％范围。又如申请号为200510045624.6，发明名称为一种经济型耐候钢的中国发明专利申请文件，该发明在Q235钢的基础上调整部分元素含量，利用Cu、Mn、Si、Al等元素的合金化，在不改变Q235钢生产工艺的条件下生产出一种经济型耐候钢。又如申请号为201010113848.7，发明名称为耐候钢板及其制造方法的中国发明专利申请文件，该发明制备的钢中加入Ti、Cr、Ni、Mo、Nb、V等众多合金元素，获得一种耐腐蚀性能好、强度高、韧性好的高强度高韧性钢板。以上四个发明专利申请文件中均利用Cu、Cr、Ni等元素的调价提高耐蚀性和韧性，但是Cu、Cr、Ni等元素的添加增加成本。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种高韧性高耐候钢及其制备方法，得到的钢材具有较好的韧性和抗腐蚀性。
为实现上述目的，本发明所设计的高韧性高耐候钢的制备方法包括步骤：
1)冶炼
将生铁、废钢铁合金加入转炉冶炼、转炉、吹炼、RH炉精炼后钢水的成分及其重量百分比为，C：0.06～0.17％、N：0.006～0.017％、Si：0.2～0.40％、Mn：0.8～1.7％、Ti：0.007％～0.020％、Cr：0.35～1.50％、Ni：0.154～1.00％，余量为Fe；其中C/N比值为10～22，Ni/N比值为20～100；
2)浇注成型
浇注温度控制在1520℃～1555℃，快速浇注完成得到成型钢；
3)热轧
成型钢经高压除磷后进行粗轧，粗轧温度为980℃～1100℃，随后进行精轧，精轧开轧温度为900℃～960℃，终轧温度为650℃～790℃；
4)冷却
热扎后以40～100℃/s的速度进行强冷，冷至450～550℃，随后进入缓冷段，冷速5～10℃/s，冷至室温。
与传统的高韧性高耐候钢相比，本发明优化钢的化学成分、限定了C/N比和Ni/N比以及改进了工艺步骤来获得组织结构为铁素体+贝氏体+珠光体+残余奥氏体的高韧性高耐候，提高钢基的强韧性，增强钢基的抗腐蚀性。
通过控制C/N的比值，控制碳化物沿晶界析出的数量，最大限度提高间隙原子N的溶解度，增强固溶强化作用，减弱碳化物析出倾向，提高钢的韧性。通过控制Ni/N比值，增强钢的抗腐蚀性，因为增添Ni的含量不仅提高晶界结合力，而且抑制碳氮化物沿晶界析出，同时可以提高N的固溶度，增强N的强化效果；而随着N元素会增加基体中的氮化物的析出趋势也会增强，消弱抗晶间腐蚀性能，N的质量百分含量在0.006～0.017％时氮化物沿晶界析出不明显，合理控制Ni/N比在20～100范围可以使钢具有良好的抗腐蚀性和强韧性。
钢的化学成分方方面，通过加入Ti、Cr合金元素，以相变和固溶强化提高高铁用高韧性高耐候钢的强度，弥散析出的碳氮化钛细小颗粒有较好的强化作用，同时由于Ni的加入提高了N元素的溶解度，抑制了Cr的氮化物沿晶界析出从而提高了钢的晶界结合力，进一步提升了基体的强度和韧性，以下通过化学元素及其范围限定具体说明。
C：碳是廉价而有效的强化元素，在本发明钢中，碳是获得高强度的主要强化元素。实验证实为获得500MPa以上的强度，碳含量一般不小于0.06％，并且在控轧条件下需要与氮含量保持一定的匹配关系。但过高的碳量将使贝氏体转变区显著石移，并且与Cr作用会促进第二相析出，导致材料脆性增加，出现韧性不足的现象。在本发明钢设计中，碳量控制在0.06％～0.17％范围内，C/N比控制在10～22。
N：氮资源丰富且廉价，与碳原子相比原子体积较小，但强化作用更明显，在本发明钢中，氮元素以间隙原子存在于体心立方晶格中发挥强化作用。在本发明钢设计中，氮量控制在0.006～0.017％范围内，并与上述碳含量保持一定的比例关系。
Mn：为扩大奥氏体区元素，固溶于铁素体(或奥氏体)中强化基体，还能与钢中的氮相互作用提高冲击韧性。但锰含量过高会引起晶粒粗化和成分偏析，因此本发明将Mn控制在0.80～1.70％范围。
Si：Si固溶于钢中，起固溶强化作用，Si元素在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物沿晶界析出的特点，增加晶界结合力，提高韧性，并提高基体材料耐磨性。当硅含量过高时会导致钢板的表面出现结巴或粘连，也会使钢板的塑韧性显著下降，所以本发明将Si含量控制在0.20～0.40％范围。
Ti：Ti是强碳化物形成元素，Ti与N、C形成的碳氮化物结合力极强、很稳定，析出的碳氮化物富集在钢的晶界处抑制晶粒长大，并且析出的硬质颗粒提高钢的强度和耐磨性。在加入钢中一定量的Ti，会大量弥散析出TiN(C)颗粒，这些弥散析出的第二相颗粒不仅在高温段能有效阻止晶粒长大粗化，减少粗大柱状组织和带状组织形成，而且能够增加N的加入量，使更多的N原子溶于γ和α相中，形成间隙固溶体提高钢基的强韧性。本发明加入的Ti含量为0.007％～0.020％。
Cr：Cr元素的加入可以起到很好的固氮作用，同时对提高材料的抗腐蚀性非常重要，在本发明钢种真空后期可加入一定含量的氮化铬进行补氮，用以补偿真空处理的氮原子流失，微调成分体系。但钢中Cr元素的增加不宜太高，过高的Cr容易与C结合成M23C6化合物，弱化晶界，使材料变脆，并降低材料的抗腐蚀性，这里将Cr元素控制在0.35～1.50％左右。
Ni：Ni元素的加入可以提高氮在钢中的溶解度，使含氮钢的冶炼变得容易，同时对提高材料的低温韧性和抗腐蚀性非常重要，本发明钢种将Ni元素控制在0.154～1.00％，并与N保持一定的比例关系，Ni/N比控制在20～100范围。
综上所述，本发明控制钢的化学成分和控制化学成分中C/N和Ni/N的比值以及采用本发明的工艺方法来提高钢基的强韧性，增强钢基的抗腐蚀性。
作为优选方案，所述步骤1)中，吹炼过程中采用氮气/氩气复合吹炼，氮气/氩气为1:3。
与传统的纯氩气吹炼的方法，本发明通过采用氮气/氩气复合吹炼增加钢水中N的含量。
作为优选方案，所述步骤1)中，RH炉精炼过程中添加氮化铬进一步控制钢水中N和Cr的含量。
与传统的精炼方法相比，本发明在精炼过程中添加氮化铬，一方面补充铬，另一方面微调氮的含量，补偿真空处理的氮原子流失。
作为优选方案，所述高韧性高耐候钢的化学成分及其重量百分比为，C：0.152～0.168％、N：0.0077～0.0120％、Si：0.21～0.39％、Mn：0.98～1.7％、Ti：0.007％～0.0160％、Cr：0.35～0.56％、Ni：0.154～0.66％，余量为Fe；其中C/N比值为12.67～21.82，Ni/N比值为20～64.71。
作为优选方案，所述步骤3)中成型钢坯在1280～1380℃保温1.5～2.5h处理后进行高压除磷，粗轧过程中前两道次压下量≥30％，后面每道次选用压下率14～16％，粗轧累积压下率大于70％；精轧累计压下量为74～76％。
由上述高韧性高耐候钢的制备方法得到的高韧性高耐候钢的组织结构为铁素体+贝氏体+珠光体+残余奥氏体。
本发明的优点在于：与现有技术相比，本发明提供一种高韧性高耐候钢的制备方法，通过控制钢的化学成分和控制化学成分中C/N和Ni/N的比值以及控制制备工艺获得的高韧性高耐候钢为铁素体+贝氏体+珠光体+残余奥氏体四相混合组织复合组织，明显提高钢基的强韧性，增强钢基的抗腐蚀性。而且与现有的高韧性高耐候钢相比，本发明使用廉价合金元素，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例5得到的高韧性高耐候钢微观组织金相图；
图2为本发明实施例5得到的高韧性高耐候钢微观组织EBSD图；
图3为本发明实施例5得到的高韧性高耐候钢中残余奥氏体比例统计图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。
为解决现有高韧性高耐候钢的制备技术中存在Cu、Cr、Ni等元素的调价增加成本的问题，本发明提供一种高韧性高耐候钢的制备方法，其通过控制钢的化学成分和控制化学成分中C/N和Ni/N的比值以及采用本发明的工艺方法，提高钢材的抗腐蚀性和韧性。具体地说，利用C、N、Ni和Cr合金元素合理搭配，且C/N比值为10～22，Ni/N比值为20～100，充分发挥C、N在强韧化方面的协调作用，增加晶界结合力，提高冲击韧性和强度，并与Cr协调作用于基体提高钢的耐蚀性，有效避免了大量Cr的含量的添加，在工艺上再通过冶炼、控轧工艺，获得一种以铁素体+贝氏体+珠光体+残余奥氏体四相混合组织复合组织为基体的高韧性高耐候钢。以下将通过具体的实施例来对本发明的高韧性高耐候钢的制备方法的优选方式进行详细地说明。
实施例1～10
以下实施例中的高韧性高耐候钢如下步骤制造而成：
1)冶炼
高韧性高耐候钢的化学成分及其重量百分比为，C：0.06～0.17％、N：0.006～0.017％、Si：0.2～0.40％、Mn：0.8～1.7％、Ti：0.007％～0.020％、Cr：0.35～1.50％、Ni：0.154～1.00％，余量为Fe。
将生铁、废钢铁合金加入转炉冶炼，废钢的添加量为总量的15％，生铁和各种铁合金的添加量按照上述的化学成分的重量百分比进行添加，然后转炉，并且氩站大罐底以比值为1:3的氮气/氩气复合吹炼提高N的含量，随后采用RH炉精炼添加氮化铬，一方面补充铬，另一方面微调氮的含量，补偿真空处理的氮原子流失。通过氮气/氩气复合吹炼和氮化铬的添加控制钢水中C/N比值为10～22，Ni/N比值为20～100。
2)浇注成型
浇注温度控制在1520℃～1555℃，并快速浇注完成，以提高成型的质量。
3)热轧
成型钢坯在1280～1380℃保温1.5～2.5h处理后进行高压除磷，消除氧化表层的危害，然后进入粗轧。粗轧温度为980℃～1100℃，其压下量在前两道次压下量≥30％，后面每道次选用压下率15％左右，粗轧累积压下率大于70％；精轧开轧温度为900℃～960℃，终轧温度为650℃～790℃，累计压下量为75％左右。
4)冷却
热轧后以40～100℃/s的速度进行强冷，冷至450～550℃，此后进入缓冷段，冷速5～10℃/s，冷至室温。
传统的高韧性高耐候钢组织为贝氏体+珠光体，结合附图1～3所示，本发明得到的高韧性高耐候钢组织为铁素体+贝氏体+珠光体+残余奥氏体。本发明通过改进高韧性高耐候钢的化学成分以及配合化学成分的变化改进制备工艺，使钢组织发生变化，提高耐候钢的韧性和耐腐蚀性。
实施例1～6中精炼后的钢水的化学成分及其重量百分比见表1：
表1
C N SI Mn TI Cr Cu Ni Mo C/N NI/N
实施例1 0.132 0.0060 0.35 1.24 0.0150 0.74 - 0.6 - 22 100
实施例2 0.060 0.0060 0.26 0.80 0.020 1.50 - 0.35 - 10 58.3
实施例3 0.168 0.0077 0.39 1.70 0.0070 0.35 - 0.154 - 21.82 20
实施例4 0.152 0.0120 0.21 0.98 0.0160 0.49 - 0.46 - 12.67 38.33
实施例5 0.156 0.0102 0.33 1.10 0.0086 0.56 - 0.66 - 15.29 64.71
实施例6 0.170 0.0170 0.38 1.12 0.0110 0.89 - 0.76 - 10.00 44.71
实施例7 0.133 0.0126 0.22 1.36 0.0140 1.35 - 1.00 - 10.56 79.4
实施例8 0.136 0.0131 0.27 1.58 0.0190 1.21 - 0.69 - 10.38 52.67
实施例9 0.170 0.017 0.20 1.69 0.0180 1.13 - 0.58 - 10 34.11
实施例10 0.082 0.0081 0.40 1.03 0.0168 0.98 - 0.61 - 10.12 75.31
对比例1 0.032 - 0.19 1.58 0.024 0.45 - 0.31 0.40 - -
对比例2 0.004 - 0.25 0.035 0.03 5.50 0.40 0.20 - - -
“-“表示未添加，对比例1为公开号为CN102168229A的中国发明专利申请文件，对比文件2为公开号为CN101376953A的中国发明专利申请文件。
实施例1～10、对比例1～2的工艺参数件表2。
表2
实施例1～10、对比例1～2以及高耐候钢Q450NQR1的综合力学性能比较见表3。耐大气腐蚀性能测试，按照铁路用耐候钢周期侵润试验方法(TB/T2375-93)进行72h的周期侵润循环腐蚀实验，通过计算样品单位面积额腐蚀失重量求得平均腐蚀速率。
表3
从表3可以看出，与对比例相比，本发明得到高韧性高耐候钢的延伸率、冲击韧性和平均腐蚀速率均有提高，说明本发明的高韧性高耐候钢具有较好的韧性和抗腐蚀性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种高韧性高耐候钢，其特征在于，所述高韧性高耐候钢的化学成分及其重量百分比为，C：0.06～0.17％、N：0.006～0.017％、Si：0.2～0.40％、Mn：0.8～1.7％、Ti：0.007％～0.020％、Cr：0.35～1.50％、Ni：0.154～1.00％，余量为Fe；其中C/N比值为10～22，Ni/N比值为20～100。
2.根据权利要求1所述的高韧性高耐候钢，其特征在于，所述高韧性高耐候钢的化学成分及其重量百分比为，C：0.152～0.168％、N：0.0077～0.0120％、Si：0.21～0.39％、Mn：0.98～1.7％、Ti：0.007％～0.0160％、Cr：0.35～0.56％、Ni：0.154～0.66％，余量为Fe；其中C/N比值为12.67～21.82，Ni/N比值为20～64.71。
3.根据权利要求1或2所述的高韧性高耐候钢，其特征在于，所述高韧性高耐候钢的组织结构为铁素体+贝氏体+珠光体+残余奥氏体。
4.一种高韧性高耐候钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)冶炼
将生铁、废钢铁合金加入转炉冶炼、转炉、吹炼、RH炉精炼后钢水的成分及其重量百分比为，C：0.06～0.17％、N：0.006～0.017％、Si：0.2～0.40％、Mn：0.8～1.7％、Ti：0.007％～0.020％、Cr：0.35～1.50％、Ni：0.154～1.00％，余量为Fe；其中C/N比值为10～22，Ni/N比值为20～100；
2)浇注成型
浇注温度控制在1520℃～1555℃，快速浇注完成得到成型钢；
3)热轧
成型钢经高压除磷后进行粗轧，粗轧温度为980℃～1100℃，随后进行精轧，精轧开轧温度为900℃～960℃，终轧温度为650℃～790℃；
4)冷却
热扎后以40～100℃/s的速度进行强冷，冷至450～550℃，随后进入缓冷段，冷速5～10℃/s，冷至室温。
5.根据权利要求4所述的高韧性高耐候钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，吹炼过程中采用氮气/氩气复合吹炼，氮气/氩气为1:3。
6.根据权利要求4所述的高韧性高耐候钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，RH炉精炼过程中添加氮化铬进一步控制钢水中N和Cr的含量。
7.根据权利要求4所述的高韧性高耐候钢的制备方法，其特征在于，所述高韧性高耐候钢的化学成分及其重量百分比为，C：0.152～0.168％、N：0.0077～0.0120％、Si：0.21～0.39％、Mn：0.98～1.7％、Ti：0.007％～0.0160％、Cr：0.35～0.56％、Ni：0.154～0.66％，余量为Fe；其中C/N比值为12.67～21.82，Ni/N比值为20～64.71。
8.根据权利要求4所述的高韧性高耐候钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中成型钢坯在1280～1380℃保温1.5～2.5h处理后进行高压除磷，粗轧过程中前两道次压下量≥30％，后面每道次选用压下率14～16％，粗轧累积压下率大于70％；精轧累计压下量为74～76％。
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