本發明屬于低合金鋼制造領域，具體涉及一種經濟型耐工業海洋大氣腐蝕鋼及其制備方法和應用。

背景技術：

隨著我國資源節約型與環境友好型社會的發展，橋梁鋼的耐候性越來越受到重視。發展耐候橋梁鋼，不僅能延長橋梁的整體使用壽命，而且能降低橋梁使用壽命期內的總費用。我國大陸海岸線長達18,000km，沿海地區通常是經濟發達地區。隨著這些地區橋梁建設尤其是跨海大橋建設的迅速發展，各種橋梁的建設也帶動了對橋梁鋼的需求，這些工程在加大了對橋梁鋼需求的同時，對橋梁鋼的性能也提出了更高的要求，不但要求有較高的強度、韌性和良好的焊接性能，有的還要求有一定的耐候性。現有的橋梁鋼為低合金耐候鋼，而其合金往往較高，嚴重影響了橋梁鋼的開發和生產。

技術實現要素：

因此，針對現有低合金耐候鋼開發中合金成本高的不足，本發明提供一種較低成本且保證低合金耐候鋼在工業海洋大氣環境中具有良好耐腐蝕性能的低合金耐候鋼及其制備方法。在保證該低合金耐候鋼具有良好的綜合力學性能的前提下，控制合金元素的成本，避免在生產過程中產生裂紋等現象，使之適合于工業化生產，在煉鋼、連鑄及軋制生產過程中簡單易控制。

具體的，本發明提供的低合金耐候鋼的化學成分及質量百分比含量如下：C：0.02～0.05％；Mn：0.6～1.00％；Cu：0.20～0.40％；Ni：0.15～0.50％；Nb：0.04～0.07％；Ti：0.005～0.015％；Si：0.30～0.60％；Al≤0.02％；P≤0.02％；S≤0.08％；其余為Fe和不可避免的雜質。

優選地，所述耐候鋼的化學成分及質量百分比含量如下：

C：0.03～0.045％；Mn：0.69～0.75％；Cu：0.3～0.32％；Ni：0.2～0.35％；Nb：0.06～0.065％；Ti：0.01～0.012％；Si：0.35～0.60％；Al≤0.02％；P≤0.02％；S≤0.08％；其余為Fe和不可避免的雜質。

更優選地，所述耐候鋼的化學成分及質量百分比含量如下：

C：0.037％；Si：0.48％；Mn：0.69％；Cu：0.32％；Ni：0.21％；Nb：0.064％；Ti：0.01％；Al：0.02％；P：0.016％；S：0.001％；其余為Fe和不可避免的雜質。

優選地，所述耐候鋼的屈服強度≥422MPa，抗拉強度≥528MPa，延伸率≥28.8％，-40℃低溫沖擊功≥252J。

本發明還提供了該低合金耐候鋼的制備方法，包括以下步驟：

S1：對低合金耐候鋼的鋼水進行熔煉，所述耐候鋼的化學成分及質量百分比含量為：C：0.02～0.05％；Mn：0.6～1.00％；Cu：0.20～0.40％；Ni：0.15～0.50％；Nb：0.04～0.07％；Ti：0.005～0.015％；Si：0.30～0.60％；Al≤0.02％；P≤0.02％；S≤0.08％；其余為Fe和不可避免的雜質；

S2：將熔煉后的鋼水進行澆鑄，形成鋼錠，將所述鋼錠開坯并熱鍛成一定尺寸的鋼坯，將鋼坯加熱到1200℃，保溫30min；

S3：采用兩階段控軋軋制，第一階段為粗軋，開軋溫度1050～1070℃，終軋溫度為1000℃；第二階段為精軋，開軋溫度900～950℃，終軋溫度800～850℃，制成鋼板；

S4：向軋制形成的鋼板噴水冷卻至500-530℃，然后空冷至室溫，即得所述低合金耐候鋼。

優選地，所述鋼坯的斷面為80mm×80mm×400mm。

優選地，S4中，冷卻速度為12-16℃/min。

本發明利用合金元素間的協同效應，降低高成本合金元素的使用，達到成本效益的最大化，同時，采用超低碳設計，減少了碳化物形成，易獲得單一均勻組織，提高鋼的大氣腐蝕性能及低溫韌性；添加微量合金元素Nb和Ti，有效抑制奧氏體晶粒長大，通過高溫大壓下，細化奧氏體晶粒，最終得到細小的晶粒組織，提高鋼的強度和低溫韌性，該低合金耐候鋼是一種耐工業海洋大氣腐蝕鋼，主要應用于工業海洋大氣環境下橋梁的建設。

該低合金耐候鋼采用控軋控冷(TMCP)制造工藝進行制備，采用兩階段軋制，第一段為粗軋，開軋溫度1050～1070℃，累計壓下率≥50％，目的是細化奧氏體晶粒；第二階段軋制為精軋，開軋溫度900-950℃，終軋溫度800～850℃，累計壓下率≥70％，目的通過熱軋細化組織，產生大量位錯，增加析出相的形核位置，促進析出相析出，在軋后不需要熱處理，能以熱軋狀態供貨，有效保證了供貨周期，降低了生產成本，并且克服了鋼板規格受熱處理爐限制的不足。

附圖說明

圖1為本發明實施例1提供的軋制工藝示意圖。

具體實施方式

為了使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案能予以實施，下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

為了使低合金耐候鋼具有較高的強度，同時具有良好沖擊韌性和焊接性能，本發明采用低成本合金元素Si以降低較高成本合金元素Cr、Ni的用量，利用合金元素間的協同效應，降低高成本合金元素的使用，達到成本效益的最大化。同時，具有良好的綜合力學性能，適用于工業海洋大氣環境下的橋梁等應用要求。

具體的，本發明的主要合金元素含量基于以下原理：

化學成分大體上可以分為合金元素和雜質元素，合金元素中常見的有Mn、Si、Ni、Cr、Mo等，它們一般添加量較高，雜質元素如S、P、N、H等，它們會惡化組織的力學性能，影響焊接性，導致焊接時產生冷裂紋、熱裂紋等缺陷，隨著鋼向純凈化方向發展，鋼中雜質元素的含量越來越低。Si、Mn價格便宜是常用的脫氧元素，一般在低合金高強鋼中含量很高，各國資源儲量不同，合金鋼的元素配比也大相徑庭，前蘇聯的合金鋼中含Cr多，美國含Ni較多，德國則多含Cr、Mn元素，我國Cr、Ni元素較為稀缺，但蘊藏大量的Mn、Si、Mo、W、V、B和稀土等礦藏，在國內一般含Ni高的鋼價格昂貴。各化學元素影響如下：

C的影響：C是鋼中最基本的強化元素，也是強化作用最好的合金元素之一，但隨著鋼中碳含量的增加，雖然可獲得較高的抗拉強度和硬度，其塑性和韌性卻明顯降低，熱處理時鋼易產生裂紋，過高的碳含量還會惡化鋼的焊接性能，所以一般低合金高強鋼的成分設計時碳含量在0.2％以下。

Si的影響：在鋼中可以起到固溶強化作用，提高鋼的強度。鋼的冶煉過程中，Si常被作為還原劑和脫氧劑而加入到鋼中，同時Si也是重要的合金化元素之一，同Mn一樣，Si也屬于廉價元素。Si能使鋼的淬透性和抗回火性增強，Si還有利于細化α-FeOOH，從而降低鋼的整體腐蝕速率，與其他元素如Cu、Cr、Ca配合使用可有效地改善鋼的耐候性，提高鋼在自然條件下的耐蝕性。但鋼中Si含量太高會降低鋼的低溫韌性和焊接性能。

Mn的影響：Mn是常用的脫硫、脫氧元素，可以防止因FeS而產生的熱脆和焊接熱裂紋。Mn與α-Fe和γ-Fe均無限固溶，在奧氏體和鐵素體組織中，Mn能起到較強的固溶強化作用。由于Mn會導致鋼的相變臨界點降低，使奧氏體冷卻時的過冷度增大，細化珠光體組織，使最終冷卻后的滲碳體細化，從而提高鋼的韌性。隨著Mn的加入鋼的淬透性會急劇提高，耐磨性也得到改善。Mn是既能提高鋼的強度又能改善韌性的元素之一，而且儲量大價格低廉，是合金鋼中重要的合金化元素，但Mn含量并不是越多也好，過多的Mn反而會使晶粒粗化，產生回火脆性，增大鋼的過熱敏感性。

P的影響：P是提高鋼耐大氣腐蝕性能最有效的合金元素之一，一般P含量在0.08-0.15％時耐蝕性最佳。但P是一種易于偏析的元素，在鋼的局部容易產生偏析，從而降低鋼的塑性、低溫韌性和焊接性能。

Cu的影響：Cu在鋼中加入0.2-0.4％的Cu時，無論在鄉村大氣、工業大氣或海洋大氣中，都具有較普碳鋼優越的耐蝕性能。Cu有抵消鋼中S的有害作用的明顯效果。其作用特點是，鋼中S含量愈高，合金元素Cu減低腐蝕速率的相對效果愈顯著，一般認為這是Cu和S生成難溶的硫化物所致。

Ni的影響：Ni對鋼的固溶強化和提升淬透性的作用中等，但可以細化鐵素體晶粒，并在不影響強度的條件下提高鋼的韌性，尤其是低溫沖擊韌性。Ni是一種比較穩定的合金元素，鋼中加入Ni能使鋼的自腐蝕電位正向移動，增加了鋼的穩定性，提高鋼的耐蝕性，與Cr、Mo聯合使用效果更好并能提高鋼的熱強性，Ni是提高奧氏體穩定化元素，是熱強鋼和奧氏體不銹鋼的主要成分之一，但Ni的價格昂貴，近年來Ni的價格一直在上漲。

下面是常用的微合金元素有Ti、B、Zr、V和稀土等，雖然相比普通元素它們的加入量極少，一般含量不超過0.2％有時甚至會低于0.001％，但卻可以對組織產生深遠影響。

Ti的影響：Ti化學性質活潑，極易和碳氮元素反應生成碳氮化合物。Ti溶于固溶體中，會產生明顯的固溶強化作用但會惡化韌性。Ti以固溶態存在于奧氏體中時，組織的淬透性會顯著提高，但若Ti以化合物形態存在于奧氏體中，顆粒細小的化合物會加速奧氏體的分解，反而使淬透性降低。鋼的耐回火性、抗氧化性和熱強性都會隨著Ti的加入而提高，Ti還會產生二次硬化的效果，鋼中Ti含量超過一定值，會形成彌散分布的第二相粒子，產生時效強化。

Nb的影響：Nb屬于強碳氮化物形成元素，并有很強的固溶強化作用。對鋼淬透性的影響與V、Ti相似。Nb也可以細化晶粒，并降低組織的低溫脆性轉變溫度，進而提高低溫沖擊韌性。鋼的強度會隨著微量Nb的加入而提高，并且不會影響韌性。

以下就本發明的技術方案進行具體的舉例說明。

實施例1

一種低合金耐候鋼，其化學成分及質量百分比含量為：C：0.045％；Si：0.35％；Mn：0.71％；Cu：0.3％；Ni：0.35％；Nb：0.065％；Ti：0.012％；Al：0.02％；P：0.02％；S：0.007％；其余為Fe和不可避免的雜質。

該低合金耐候鋼的制備方法，包括以下步驟：

采用真空感應爐熔煉200kg化學成分如上所示的鋼水，將熔煉后的鋼水進行澆鑄，形成鋼錠，將鋼錠開坯并熱鍛成斷面80mm×80mm×400mm的鋼坯，將鋼坯加熱到1200℃，保溫30min；

采用兩階段控軋軋制，其軋制工藝示意圖如圖1所示，第一階段為粗軋，開軋溫度1070℃，累計壓下率50％，終軋溫度為1000℃；第二階段為精軋，開軋溫度950℃，終軋溫度840℃，累計壓下率70％，制成鋼板；向軋制形成的鋼板噴水冷卻至507℃，然后空冷至室溫，冷卻速度為15℃/min，即得所述低合金耐候鋼。

實施例2

一種低合金耐候鋼，其化學成分及質量百分比含量為：C：0.03％；Si：0.42％；Mn：0.75％；Cu：0.31％；Ni：0.22％；Nb：0.06％；Ti：0.01％；Al：0.02％；P：0.02％；S：0.007％；其余為Fe和不可避免的雜質。

該低合金耐候鋼的制備方法，包括以下步驟：

采用真空感應爐熔煉200kg化學成分如上所示的鋼水，將熔煉后的鋼水進行澆鑄，形成鋼錠，將鋼錠開坯并熱鍛成斷面80mm×80mm×400mm的鋼坯，將鋼坯加熱到1200℃，保溫30min；

采用兩階段控軋軋制，第一階段為粗軋，開軋溫度1060℃，累計壓下率50％，終軋溫度為1000℃；第二階段為精軋，開軋溫度950℃，終軋溫度830℃，累計壓下率70％，制成鋼板；向軋制形成的鋼板噴水冷卻至530℃，冷卻速度為16℃/min，然后空冷至室溫，即得低合金耐候鋼。

實施例3

一種低合金耐候鋼，其化學成分及質量百分比含量為：C：0.037％；Si：0.48％；Mn：0.69％；Cu：0.32％；Ni：0.21％；Nb：0.064％；Ti：0.01％；Al：0.02％；P：0.016％；S：0.001％；其余為Fe和不可避免的雜質。

該低合金耐候鋼的制備方法，包括以下步驟：

采用真空感應爐熔煉200kg化學成分如上所示的鋼水，將熔煉后的鋼水進行澆鑄，形成鋼錠，將鋼錠開坯并熱鍛成斷面80mm×80mm×400mm的鋼坯，將鋼坯加熱到1200℃，保溫30min；

采用兩階段控軋軋制，第一階段為粗軋，開軋溫度1065℃，累計壓下率50％，終軋溫度為1000℃；第二階段為精軋，開軋溫度950℃，終軋溫度850℃，累計壓下率70％，制成鋼板；向軋制形成的鋼板噴水冷卻至517℃，冷卻速度為12℃/min，然后空冷至室溫，即得低合金耐候鋼。

對比例1：

一種無Cr合金鋼，其化學成分及質量百分比含量為：C：0.035％；Si：0.25％；Mn：0.75％；Cu：0.32％；Ni：0.20％；Nb：0.06％；Ti：0.012％；Al：0.02％；P：0.018％；S：0.001％；其余為Fe和不可避免的雜質。

該無Cr合金鋼的制備方法，包括以下步驟：

采用真空感應爐熔煉200kg化學成分如上所示的鋼水，將熔煉后的鋼水進行澆鑄，形成鋼錠，將鋼錠開坯并熱鍛成斷面80mm×80mm×400mm的鋼坯，將鋼坯加熱到1200℃，保溫30min；

采用兩階段控軋軋制，第一階段為粗軋，開軋溫度1065℃，累計壓下率50％，終軋溫度為1000℃；第二階段為精軋，開軋溫度950℃，終軋溫度850℃，累計壓下率70％，制成鋼板；向軋制形成的鋼板噴水冷卻至527℃，冷卻速度為15℃/min，然后空冷至室溫，即得合金鋼。

對比例2：

一種合金鋼，其化學成分及質量百分比含量為：C：0.038％；Si：0.24％；Mn：0.73％；Cu：0.30％；Ni：0.22％；Cr：0.43％；Nb：0.06％；Ti：0.01％；Al：0.02％；P：0.016％；S：0.001％；其余為Fe和不可避免的雜質。

該合金鋼的制備方法，包括以下步驟：

采用真空感應爐熔煉200kg化學成分如上所示的鋼水，將熔煉后的鋼水進行澆鑄，形成鋼錠，將鋼錠開坯并熱鍛成斷面80mm×80mm×400mm的鋼坯，將鋼坯加熱到1200℃，保溫30min；

采用兩階段控軋軋制，第一階段為粗軋，開軋溫度1065℃，累計壓下率50％，終軋溫度為1000℃；第二階段為精軋，開軋溫度950℃，終軋溫度850℃，累計壓下率70％，制成鋼板；向軋制形成的鋼板噴水冷卻至518℃，冷卻速度為13℃/min，然后空冷至室溫，即得低合金耐候鋼。

對實施例1-3以及對比例1-2所制得合金鋼進行性能測試，具體通過常規手段測試力學性能，并計算焊接性能和耐腐蝕性能，所測得的合金鋼的力學性能如表1所示。

表1合金鋼的力學性能

表中，耐腐蝕指數I計算公式為美國材料與試驗協會標準ASTM G101-01中修正的Legault-Leckie公式，其值越大，耐腐蝕性越強，計算公式為：

I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Ni)(％Cu)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)(％Cu)

此外，焊接冷裂紋敏感系數計算公式為：

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

由表1可以看出，本發明實施例1-3合金鋼的屈服強度≥422MPa，抗拉強度≥528MPa，延伸率≥28.8％，-40℃下比沖擊功≥252J，焊接冷裂紋敏感性系數Pcm小于0.11，耐腐蝕性指數I大于6.14，以上數據表明試驗鋼具有優良的力學性能，尤其是具有優異的低溫韌性；同時具有良好的焊接性能和耐大氣腐蝕性能。與含Cr的低合金鋼相比，不僅性能優良，還大大降低了生產成本。此外，避免了現有低合金鋼生產和使用過程中可能造成的由+6價Cr導致的毒性和環境污染問題。

為了更好的表征實施例1-3制備得到的合金鋼在模擬工業海洋大氣條件(含Cl^-和SO₂)下的腐蝕性能，采用干濕周浸法對實例鋼的耐腐蝕性能進行測試，其結果如表2所示，鋼中增加Si元素的含量，能夠提高鋼的耐工業海洋大氣腐蝕性能。

表2本發明實施例鋼和對比鋼在模擬工業海洋大氣條件下腐蝕結果比較

由表2可以看出，適當增加鋼中的Si含量，在降低生產成本的同時，可以顯著提高鋼的耐工業海洋大氣腐蝕性能。

以上所述實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，其保護范圍不限于此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護范圍之內，本發明的保護范圍以權利要求書為準。