專利名稱：一種高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐候鋼制造領(lǐng)域，特別涉及一種高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板及其制造方法。
背景技術(shù)：
耐候鋼或稱耐大氣腐蝕鋼，如中國專利CN1609257公開的“針狀組織高強(qiáng)度耐候鋼及其生產(chǎn)方法”、中國專利CN1986864公開的“一種高強(qiáng)度低合金耐大氣腐蝕鋼及其生產(chǎn)方法”以及日本專利號(hào) JP04235250A 公開的“HIGH CORROSION RESISTANT STEEL SHEE”、美國專利號(hào) US6315946 公開的 “Ultra low carbon bainitic weathering steel” 等。上述專利所涉及的鋼種均屬傳統(tǒng)CORTEN鋼系列鋼種，成分體系屬于Cu-P-Cr-Ni系或Cr-Mn-Cu系，通過輔助添加其他微量合金元素并在一定的軋制工藝條件下獲得不同組織形態(tài)，從而達(dá)到所需的力學(xué)性能和耐蝕性能。在合金成分上為低Cr耐候鋼，Cr含量一般在0.7%以下，Al含量不超過0.1%。然而，依靠P、Re提高耐蝕性能存在P的偏析開裂及Re含量難以控制等問題。為進(jìn)一步提高耐大氣腐蝕性能，研究人員轉(zhuǎn)向于通過大幅度提高其它耐蝕元素的含量開發(fā)了高合金型的耐候鋼。如日本專利號(hào)JP01079346A公開的“耐海水腐蝕鋼”、日本專利號(hào)JP05302148A公開的“高耐蝕性強(qiáng)磁型制振合金”以及日本專利號(hào)JP10025550A公開的“耐蝕鋼”、日本專利號(hào) JP2000336463 公開的 “CORROSION RESISTANT STEEL IN THE SOIL”及日本專利號(hào) JP2002285298 公開的 “Cr-CONTAINING CORROSION RESISTANT STEEL FORBUILDING AND CONSTRUCTION STRUCTURE” 等。上述五個(gè)專利所涉及鋼種均含有較高的Al、Cr成分，同時(shí)配合其它合金元素實(shí)現(xiàn)特定的力學(xué)性能。其中前兩個(gè)專利屬于高Al型耐候鋼，專利JP01079346A鋼中Al含量高達(dá)7-20%，而專利JP05302148A鋼中除了高Al含量外，還含有遠(yuǎn)超普通耐候鋼水平的S1、Cr ；而后三個(gè)專利在成分體系上都屬于高Cr體系耐候鋼，Cr含量一般在7%以上，多為9-14%之間。其中專利JP10025550A中甚至含有高達(dá)0.45-0.65%的C。另外，上述專利還含有不等量的Co、W、Mo、B、Zr等成分。由上述專利所代表的高Al系、高Cr系耐候鋼，由于其合金成分太高，一方面增加了煉鋼、軋鋼的生產(chǎn)難度，同時(shí)成本也大幅度提高?，F(xiàn)有技術(shù)的耐候鋼，在保證良好力學(xué)性能的同時(shí)，其相對腐蝕率往往不高，甚至有的鋼種的綜合力學(xué)性能也保證不了，只是某一方面的力學(xué)性能優(yōu)異，滿足不了鐵路車輛等提高耐腐蝕的用鋼要求，服役期限較短，維修成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板及其制造方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。該高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板的屈服強(qiáng)度為350-500MPa，相對腐蝕率在27%以下，_40°C條件下夏比沖擊功在60J以上，延伸率在20%以上；主要用于鐵道車輛制造 行業(yè)、集裝箱制造業(yè)及橋梁工程、戶外塔架等領(lǐng)域。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:一種高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板，其化學(xué)成分重量百分含量(wt%)為:C:0.02-0.07%, Si:0.2-1.0%, Mn:0.2-2.2%, P 彡 0.01%, S 彡 0.006%, Cu:0.2-0.5%, Cr:0.5-3.5%, N1:0.2-1.2%, Al:0.4-4.0%, N 彡 0.005%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì);且 Al/Cr 為 0.5-8.0。進(jìn)一步的，本發(fā)明的高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板，還包括Nb、Ti和V中的一種或多種，其中 Nb:0.01-0.06%, T1:0.01-0.10%, V:0.02-0.10%,以重量百分比計(jì)。本發(fā)明的高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板，其屈服強(qiáng)度達(dá)到350_500MPa，滿足耐候鋼的高強(qiáng)度要求；相對Q345B的耐大氣腐蝕性能，其相對腐蝕率降低到27%以下，遠(yuǎn)低于目前要求普通耐候鋼相對Q345B腐蝕率不超過55%的規(guī)定水平，耐大氣腐蝕性能在目前的基礎(chǔ)上提高了 I倍。其在_40°C條件下夏比沖擊功在60J以上；延伸率在20%以上。耐候鋼在大氣服役環(huán)境條件下，鋼中各合金元素之間發(fā)生交互作用，在表面生成以α — FeOOH為主要成分的致密銹層，其熱力學(xué)穩(wěn)定，不參與鋼電化學(xué)腐蝕的陰極還原過程。銹層內(nèi)銅、鉻等元素的富集使銹層具有離子選擇性透過特性，顯著提高鋼的耐大氣腐蝕性能。因此本發(fā)明根據(jù)主要耐蝕合金元素相互作用提高耐蝕性能的原理，通過不同Al、Cr成分的配合，控制Al/Cr比在0.5-8.0之間，并配合適當(dāng)?shù)钠渌辖鹪?，設(shè)計(jì)了一種Al-Cr成分體系的耐大氣腐蝕鋼，鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到350-500MPa，滿足耐候鋼的高強(qiáng)度要求。相對Q345B鋼的耐大氣腐蝕性能，本發(fā)明鋼種的相對腐蝕率降低到27%以下，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)高耐候鋼相對Q345B鋼的腐蝕率不超過55%的規(guī)定水平，耐大氣腐蝕性能提高了 I倍。本發(fā)明鋼種在保證良好力學(xué)性能的同時(shí)，其相對腐蝕率降低了 I倍，滿足鐵路車輛等提高耐腐蝕的用鋼要求，達(dá)到延長服役期限，降低維修成本。同時(shí)，本發(fā)明鋼種在目前普通熱連軋耐候鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)控制軋制溫度并輔以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度，在獲得優(yōu)異綜合性能的同時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。而且，Al是地殼中含量僅次于氧和硅的第三大元素，儲(chǔ)量豐富。選擇Al作為主要的耐蝕元素，減少了貴`重稀有資源的消耗，起到節(jié)約資源的作用。在本發(fā)明的高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板的成分設(shè)計(jì)中:Al:A1通常在煉鋼過程中作為脫氧劑在鋼中添加，微量的Al同時(shí)有利于細(xì)化晶粒，改善鋼材的強(qiáng)韌性能。同時(shí)Al具有良好的抗氧化性，暴露在空氣中即可在表面生成一種耐腐蝕的氧化層。低碳鋼中加入適量的Al可以提高鋼的耐大氣腐蝕性能。添加Al后，鋼的腐蝕電位提高，同時(shí)Al與O (氧)能夠在表層形成致密的Al2O3薄膜，薄膜內(nèi)含有耐蝕性能好的物相α-Α1203，AlFeO3, AlFe3等物質(zhì)，耐腐蝕性能提高。但過高的Al將使鋼中鐵素體脆性增加而導(dǎo)致鋼韌性的降低，所以控制其含量為0.4-4%。Cr =Cr對改善鋼的鈍化能力具有顯著的效果，可促進(jìn)鋼表面形成致密的鈍化膜或保護(hù)性銹層，其在銹層內(nèi)的富集能有效提高銹層對腐蝕性介質(zhì)的選擇性透過特性。同時(shí)含Al鋼中Cr的添加可以有效提高塑性、韌性，并且Cr與Al配合顯著提高鋼的耐大氣腐蝕性能，并且在一定的Al及Cr含量條件下隨著Al/Cr比的提高，鋼的腐蝕速率有降低的趨勢。但過高的Cr 一方面提高了鋼板的制造成本，同時(shí)對焊接及韌性不利。綜合考慮不同Al、Cr含量對鋼板性能的影響，控制Al/Cr比在0.5-8.0之間。C:C是鋼中主要的強(qiáng)化元素，能夠顯著提高鋼板的強(qiáng)度，但較多的C對鋼板焊接、韌性及塑性不利。低C設(shè)計(jì)在于限制了珠光體組織及其它碳化物的形成，保證鋼的顯微結(jié)構(gòu)為均相組織，避免了異相之間的電位差引起原電池腐蝕，提高了鋼的耐蝕性能。所以限定其含量為0.02-0.07%。Si =Si含量控制在0.2-1.0%，Si在鋼中具有較高的固溶度，能夠增加鋼中鐵素體體積分?jǐn)?shù)，細(xì)化晶粒，因而有利于提高韌性，但含量過高將導(dǎo)致其焊接性能下降，因此上限控制在1.0%。Mn:Mn具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)顯著降低鋼的相變溫度，細(xì)化鋼的顯微組織，是重要的強(qiáng)韌化元素，但是Mn含量過多使淬透性增大，從而導(dǎo)致可焊性和焊接熱影響區(qū)韌性惡化，所以將其含量控制在0.2-2.2%。S:S的存在將惡化鋼的耐大氣腐蝕性能，而P能有效提高鋼的耐大氣腐蝕性能，但P含量過高會(huì)降低鋼的韌性及塑性，同時(shí)，P的存在易產(chǎn)生偏析，因而本發(fā)明鋼種設(shè)計(jì)采用極低的S、P含量，其控制范圍為P彡0.01%, S彡0.006%。Ni =Ni是能夠提高鋼的強(qiáng)度同時(shí)改善其韌性的元素，并提高其淬透性，可有效阻止Cu的熱脆引起的網(wǎng)裂。由于Ni為貴重金屬元素，出于成本因素，而且過高的Ni會(huì)提高氧化皮的粘附性，壓入鋼中會(huì)在表面形成熱軋缺陷。所以其含量限定為0.2-1.2%。Cu =Cu與Ni具有大體相同的作用，有固溶和沉淀強(qiáng)化作用，與Ni適當(dāng)配比，能夠顯著提高鋼的耐大氣腐蝕性能，但過高對焊接不利，且熱軋時(shí)易發(fā)生網(wǎng)裂，所以其含量控制在 0.20-0.50%οNb =Nb是強(qiáng)的碳化物形成元素，所形成的微細(xì)碳化物顆粒能細(xì)化組織，并產(chǎn)生析出強(qiáng)化作用，顯著提高鋼板的強(qiáng)度，但較多的Nb對焊接不利，可以選擇添加，建議不超過0.06%οTi和V:添加0.01-0.10%Ti主要是抑制板坯再熱過程中的奧氏體晶粒長大，同時(shí)在再結(jié)晶控軋過程中抑制鐵素體晶粒長大，提高鋼的韌性。含Al低碳鋼中同時(shí)加入微量的V或Ti可以明顯降低腐蝕速率。所以選擇添加的V量控制在0.02-0.1%范圍內(nèi)。N:鋼中Al元素與N結(jié)合易形成A1N，從而使鋼中的氮化物數(shù)量顯著增多。AlN作為一種非金屬夾雜物獨(dú)立存在于鋼中時(shí)，破壞了鋼基體的連續(xù)性，尤其是AlN數(shù)量較多、呈聚集分布時(shí)，其危害程度更甚，因此必須控制N含量在0.0050%以下。除了本發(fā)明上述鋼種的化學(xué)成分范圍的控制之外，本發(fā)明的另一關(guān)鍵技術(shù)涉及該高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板生產(chǎn)工藝流程的選擇和控制。其基本工藝流程如下:冶煉一爐外精煉一連鑄一板還再加熱一控制軋制一控制冷卻一卷取一精整一交貨。本發(fā)明高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板的制造方法，具體包括如下步驟:I)冶煉、爐外精煉、連鑄:按下述成分冶煉、爐外精煉、鑄造形成板坯，化學(xué)成分重量百分含量為:C:0.02-0.07%, Si:0.2-1.0%, Mn:0.2-2.2%, P ≤ 0.01%, S ≤ 0.006%, Cu:0.2-0.5%, Cr:0.5-3.5%, N1:0.2-1.2%, Al:0.4-4.0%, N ≤ 0.005%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)；且 Al/Cr 為 0.5-8.0 ；或者鋼水化學(xué)成分還包括Nb、Ti和V中的一種或多種，其中Nb:0.01-0.06%, Ti:
0.01-0.10%, V:0.02-0.10%,以重量百分比計(jì)；2)板坯加熱:將步驟I)獲得的板坯進(jìn)行加熱，加熱溫度為1220°C以上；
3)軋制:采用粗軋、精軋兩段控制軋制工藝，且精軋的終軋溫度為720-800°C ；4)冷卻:將軋制后鋼板進(jìn)行冷卻，且冷卻速度為10_40°C /s ；5)卷取、精整:控制鋼板在460-520°C范圍內(nèi)進(jìn)行卷取，之后再冷卻至室溫，并進(jìn)行精整即可獲得所述高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼。本發(fā)明涉及鋼種中含有較多的Al，而Al為促進(jìn)鐵素體形成元素，其連續(xù)冷卻曲線(CCT曲線)如

圖1所示。從圖1中可以看出，鋼種的奧氏體化溫度在1150°C以上。綜合考慮微合金元素碳氮化物在奧氏體中的溶解行為及加熱過程中奧氏體晶粒長大行為，本發(fā)明特別強(qiáng)調(diào)鋼坯在1220°C以上再加熱，采用兩段控制軋制工藝。 為獲得本發(fā)明鋼所要求的性能，必須控制鋼的基體組織為鐵素體+貝氏體。從CCT曲線看，本發(fā)明涉及鋼種具有很寬的鐵素體區(qū)。為獲得優(yōu)異的綜合性能，保證再結(jié)晶細(xì)化晶粒效果，要求950°C以上的累計(jì)變形量彡80%，精軋終軋溫度不低于750°C (成品厚度增加可適當(dāng)降低終軋溫度)；為保證形變細(xì)化晶粒效果，終軋溫度控制在720-800°C，終軋溫度超過800°C，晶粒組織會(huì)迅速長大并粗化；溫度過低則導(dǎo)致軋制力過高，能耗增加。從連續(xù)冷卻曲線可以看出，冷卻速度在50°C /s以下均可以獲得鐵素體+貝氏體組織?？紤]到快速冷卻以細(xì)化組織及相變完成時(shí)間，欲在短時(shí)間內(nèi)完成大部分鐵素體一貝氏體相變，冷卻速度必須控制在10°c /s以上；而冷卻速度過高，在組織相變點(diǎn)隨之降低，鋼中的鐵素體組織含量偏低，導(dǎo)致鋼的塑性變差，所以控制冷卻速度在40°C /s以下。因此本發(fā)明的鋼種的軋后冷速控制在10-40°C /s范圍內(nèi)。卷取溫度根據(jù)鋼的相變點(diǎn)并結(jié)合鋼板組織確定。從圖1看，鋼的馬氏體相變開始溫度約為460°C，停冷溫度低于這個(gè)溫度將形成大量馬氏體，雖然提高了強(qiáng)度但嚴(yán)重降低鋼材料的韌性和塑性；停冷溫度超過520°C則無法獲得鐵素體+貝氏體的組織，所以必須控制鋼種在460-520 °C范圍內(nèi)卷取，之后再冷卻至室溫。本發(fā)明的高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板，其化學(xué)成分配比和力學(xué)性能如表I所示，并與相近鋼種進(jìn)行了化學(xué)成分、性能的對比(參見表I)。其中，對比專利1:中國專利CN101376953A，其為超低碳成分，同時(shí)Mn含量也極低，
且要求含有一定量的N、Ca。對比專利2:日本專利號(hào)JP2002363704，其成分上必須3_20%的Mn，并選擇添加Cu、N1、Mo、Nb、V、T1、Zr及Mg+Ca等元素中的一種或多種。對比專利3:日本專利號(hào)JP2002285298，其成分上還必須添加N，同時(shí)添加4_9%的Cr,并選擇添加Cu、N1、Mo、Nb、V、T1、Ca及Mg、Re等元素中的一種或多種。表I本發(fā)明鋼與對比鋼種的化學(xué)成分、力學(xué)性能的對比
權(quán)利要求
1.一種高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板，其化學(xué)成分重量百分含量為:C:0.02-0.07%,Si:0.2-1.0%, Mn:0.2-2.2%, P 彡 0.01%, S 彡 0.006%, Cu:0.2-0.5%, Cr:0.5-3.5%, Ni:0.2-1.2%, Al:0.4-4.0%, N 彡 0.005%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)；且 Al/Cr 為 0.5-8.0 ；鋼板屈服強(qiáng)度為350-500MPa，相對腐蝕率在27%以下，_40°C條件下夏比沖擊功在60J以上，延伸率在20%以上。
2.如權(quán)利要求1所述的高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板，其特征在于，還包括Nb、Ti和V中的一種或多種，其中Nb:0.01-0.06%,T1:0.01-0.10%,V:0.02-0.10%,以重量百分比計(jì)。
3.一種高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板的制造方法，包括如下步驟: 1)冶煉、爐外精煉、連鑄； 按下述成分冶煉、爐外精煉、連鑄形成板坯，化學(xué)成分重量百分含量為:C:0.02-0.07%, Si:0.2-1.0%, Mn:0.2-2.2%, P 彡 0.01%, S 彡 0.006%, Cu:0.2-0.5%, Cr:0.5-3.5%, N1:0.2-1.2%, Al:0.4-4.0%, N 彡 0.005%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)；且 Al/Cr 為 0.5-8.0 ； 2)板還加熱:將步驟I)獲得的板還進(jìn)行加熱，加熱溫度為1220°C以上； 3)軋制:采用粗軋、精軋兩段控制軋制工藝，且精軋的終軋溫度為720-800°C； 4)冷卻:將軋制后鋼板進(jìn)行冷卻，冷卻速度為10-40°C/s ； 5)卷取、精整: 控制鋼板在460-520°C范圍內(nèi)進(jìn)行卷取，之后再冷卻至室溫，并進(jìn)行精整即可獲得所述高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼；所獲鋼板的屈服強(qiáng)度為350-500MPa，相對腐蝕率在27%以下，_40°C條件下夏比沖 擊功在60J以上，延伸率在20%以上。
4.如權(quán)利要求3所述的高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板的制造方法，其特征在于，所述鋼水化學(xué)成分還包括Nb、Ti和V中的一種或多種，其中Nb:0.01-0.06%, T1:0.01-0.10%,V:0.02-0.10%,以重量百分比計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高耐蝕型高強(qiáng)度含Al耐候鋼板及其制造方法，其化學(xué)成分重量百分含量為C0.02-0.07%，Si0.2-1.0%，Mn0.2-2.2%，P≤0.01%，S≤0.006%，Cu0.2-0.5%，Cr0.5-3.5%，Ni0.2-1.2%，Al0.4-4.0%，N≤0.005%，并選擇添加Nb0.01-0.06%，Ti0.01-0.10%，V0.02-0.10%中的一種或多種，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；且Al/Cr為0.5-8.0。其屈服強(qiáng)度350-500MPa，延伸率在20%以上，同時(shí)具有良好的沖擊韌性和較低的屈強(qiáng)比；耐候性能相對于傳統(tǒng)高強(qiáng)耐候鋼的性能要求(相對腐蝕率≤55%)提高了一倍以上，相對腐蝕率在27%以下。
文檔編號(hào)C22C38/58GK103074548SQ20131002611
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者宋鳳明, 溫東輝, 李自剛, 胡曉萍, 楊阿娜, 李建業(yè) 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司