專利名稱：一種高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及耐候鋼制造領域，特別涉及一種高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板及其制造方法。
背景技術：
耐候鋼或稱耐大氣腐蝕鋼，如中國專利CN1609257公開的“針狀組織高強度耐候鋼及其生產方法”、中國專利CN1986864公開的“一種高強度低合金耐大氣腐蝕鋼及其生產方法”以及日本專利號 JP04235250A 公開的“HIGH CORROSION RESISTANT STEEL SHEE”、美國專利號 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，從而達到所需的力學性能和耐蝕性能。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。為進一步提高耐大氣腐蝕性能，研究人員轉向于通過大幅度提高其它耐蝕元素的含量開發了高合金型的耐候鋼。如日本專利號JP01079346A公開的“耐海水腐蝕鋼”、日本專利號JP05302148A公開的“高耐蝕性強磁型制振合金”以及日本專利號JP10025550A公開的“耐蝕鋼”、日本專利號 JP2000336463 公開的 “CORROSION RESISTANT STEEL IN THE SOIL”及日本專利號 JP2002285298 公開的 “Cr-CONTAINING CORROSION RESISTANT STEEL FORBUILDING AND CONSTRUCTION STRUCTURE” 等。上述五個專利所涉及鋼種均含有較高的Al、Cr成分，同時配合其它合金元素實現特定的力學性能。其中前兩個專利屬于高Al型耐候鋼，專利JP01079346A鋼中Al含量高達7-20%，而專利JP05302148A鋼中除了高Al含量外，還含有遠超普通耐候鋼水平的S1、Cr ；而后三個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、軋鋼的生產難度，同時成本也大幅度提高。現有技術的耐候鋼，在保證良好力學性能的同時，其相對腐蝕率往往不高，甚至有的鋼種的綜合力學性能也保證不了，只是某一方面的力學性能優異，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。

發明內容
本發明的目的在于提供一種高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板及其制造方法，以解決現有技術中存在的上述問題。該高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板的屈服強度為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、集裝箱制造業及橋梁工程、戶外塔架等領域。
為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案:一種高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板，其化學成分重量百分含量(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;且 Al/Cr 為 0.5-8.0。進一步的，本發明的高耐蝕型高強度含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。本發明的高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板，其屈服強度達到350_500MPa，滿足耐候鋼的高強度要求；相對Q345B的耐大氣腐蝕性能，其相對腐蝕率降低到27%以下，遠低于目前要求普通耐候鋼相對Q345B腐蝕率不超過55%的規定水平，耐大氣腐蝕性能在目前的基礎上提高了 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境條件下，鋼中各合金元素之間發生交互作用，在表面生成以α — FeOOH為主要成分的致密銹層，其熱力學穩定，不參與鋼電化學腐蝕的陰極還原過程。銹層內銅、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。因此本發明根據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，并配合適當的其它合金元素，設計了一種Al-Cr成分體系的耐大氣腐蝕鋼，鋼的屈服強度達到350-500MPa，滿足耐候鋼的高強度要求。相對Q345B鋼的耐大氣腐蝕性能，本發明鋼種的相對腐蝕率降低到27%以下，遠低于傳統高耐候鋼相對Q345B鋼的腐蝕率不超過55%的規定水平，耐大氣腐蝕性能提高了 I倍。本發明鋼種在保證良好力學性能的同時，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，達到延長服役期限，降低維修成本。同時，本發明鋼種在目前普通熱連軋耐候鋼的基礎上適當控制軋制溫度并輔以適當的冷卻速度，在獲得優異綜合性能的同時，易于實現規模化工業生產。而且，Al是地殼中含量僅次于氧和硅的第三大元素，儲量豐富。選擇Al作為主要的耐蝕元素，減少了貴`重稀有資源的消耗，起到節約資源的作用。在本發明的高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板的成分設計中:Al:A1通常在煉鋼過程中作為脫氧劑在鋼中添加，微量的Al同時有利于細化晶粒，改善鋼材的強韌性能。同時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Al與O (氧)能夠在表層形成致密的Al2O3薄膜，薄膜內含有耐蝕性能好的物相α-Α1203，AlFeO3, AlFe3等物質，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，可促進鋼表面形成致密的鈍化膜或保護性銹層，其在銹層內的富集能有效提高銹層對腐蝕性介質的選擇性透過特性。同時含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是鋼中主要的強化元素，能夠顯著提高鋼板的強度，但較多的C對鋼板焊接、韌性及塑性不利。低C設計在于限制了珠光體組織及其它碳化物的形成，保證鋼的顯微結構為均相組織，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數，細化晶粒，因而有利于提高韌性，但含量過高將導致其焊接性能下降，因此上限控制在1.0%。Mn:Mn具有較強的固溶強化作用，同時顯著降低鋼的相變溫度，細化鋼的顯微組織，是重要的強韌化元素，但是Mn含量過多使淬透性增大，從而導致可焊性和焊接熱影響區韌性惡化，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含量過高會降低鋼的韌性及塑性，同時，P的存在易產生偏析，因而本發明鋼種設計采用極低的S、P含量，其控制范圍為P彡0.01%, S彡0.006%。Ni =Ni是能夠提高鋼的強度同時改善其韌性的元素，并提高其淬透性，可有效阻止Cu的熱脆引起的網裂。由于Ni為貴重金屬元素，出于成本因素，而且過高的Ni會提高氧化皮的粘附性，壓入鋼中會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，有固溶和沉淀強化作用，與Ni適當配比，能夠顯著提高鋼的耐大氣腐蝕性能，但過高對焊接不利，且熱軋時易發生網裂，所以其含量控制在 0.20-0.50%οNb =Nb是強的碳化物形成元素，所形成的微細碳化物顆粒能細化組織，并產生析出強化作用，顯著提高鋼板的強度，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，同時在再結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。N:鋼中Al元素與N結合易形成A1N，從而使鋼中的氮化物數量顯著增多。AlN作為一種非金屬夾雜物獨立存在于鋼中時，破壞了鋼基體的連續性，尤其是AlN數量較多、呈聚集分布時，其危害程度更甚，因此必須控制N含量在0.0050%以下。除了本發明上述鋼種的化學成分范圍的控制之外，本發明的另一關鍵技術涉及該高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板生產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。本發明高耐蝕型高強度含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；且 Al/Cr 為 0.5-8.0 ；或者鋼水化學成分還包括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；2)板坯加熱:將步驟I)獲得的板坯進行加熱，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范圍內進行卷取，之后再冷卻至室溫，并進行精整即可獲得所述高耐蝕型高強度含Al耐候鋼。本發明涉及鋼種中含有較多的Al，而Al為促進鐵素體形成元素，其連續冷卻曲線(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，本發明特別強調鋼坯在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，本發明涉及鋼種具有很寬的鐵素體區。為獲得優異的綜合性能，保證再結晶細化晶粒效果，要求950°C以上的累計變形量彡80%，精軋終軋溫度不低于750°C (成品厚度增加可適當降低終軋溫度)；為保證形變細化晶粒效果，終軋溫度控制在720-800°C，終軋溫度超過800°C，晶粒組織會迅速長大并粗化；溫度過低則導致軋制力過高，能耗增加。從連續冷卻曲線可以看出，冷卻速度在50°C /s以下均可以獲得鐵素體+貝氏體組織。考慮到快速冷卻以細化組織及相變完成時間，欲在短時間內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，在組織相變點隨之降低，鋼中的鐵素體組織含量偏低，導致鋼的塑性變差，所以控制冷卻速度在40°C /s以下。因此本發明的鋼種的軋后冷速控制在10-40°C /s范圍內。卷取溫度根據鋼的相變點并結合鋼板組織確定。從圖1看，鋼的馬氏體相變開始溫度約為460°C，停冷溫度低于這個溫度將形成大量馬氏體，雖然提高了強度但嚴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范圍內卷取，之后再冷卻至室溫。本發明的高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板，其化學成分配比和力學性能如表I所示，并與相近鋼種進行了化學成分、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JP2002285298，其成分上還必須添加N，同時添加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本發明鋼與對比鋼種的化學成分、力學性能的對比
權利要求
1.一種高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板，其化學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；且 Al/Cr 為 0.5-8.0 ；鋼板屈服強度為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.如權利要求1所述的高耐蝕型高強度含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。
3.一種高耐蝕型高強度含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；且 Al/Cr 為 0.5-8.0 ； 2)板還加熱:將步驟I)獲得的板還進行加熱，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范圍內進行卷取，之后再冷卻至室溫，并進行精整即可獲得所述高耐蝕型高強度含Al耐候鋼；所獲鋼板的屈服強度為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.如權利要求3所述的高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板的制造方法，其特征在于，所述鋼水化學成分還包括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。
全文摘要
本發明涉及一種高耐蝕型高強度含Al耐候鋼板及其制造方法，其化學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；且Al/Cr為0.5-8.0。其屈服強度350-500MPa，延伸率在20%以上，同時具有良好的沖擊韌性和較低的屈強比；耐候性能相對于傳統高強耐候鋼的性能要求(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C22C38/58GK103074548SQ20131002611
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者宋鳳明, 溫東輝, 李自剛, 胡曉萍, 楊阿娜, 李建業 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司