专利名称：一种耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于涉及耐腐蚀钢及其制备方法，特别涉及一种耐海水腐蚀超低碳贝氏体 钢及其制备方法。
背景技术：
随着海上以及沿海经济的发展，用于跨海大桥、船舶、海上石油钻井平台等领域要 求钢结构具有高强度、高低温韧性、高可焊性等优良的综合性能，超低碳贝氏体钢是能够满 足这种力学性能需求的理想材料。但这些钢结构的应用环境为长期暴露在含氯离子的海岸 大气或海水中，腐蚀性介质的侵蚀使得钢结构的使用安全性和使用寿命受到严重威胁，通 常采取涂漆或阴极保护措施来防止海水或含氯离子大气对结构钢的危害。如果能够提高超 低碳贝氏体钢自身的耐腐蚀性能，使其在使用时免除涂漆或阴极保护措施，可以大大降低 钢结构的维修和维护成本，保证钢结构的使用安全性和长寿命。在目前已公开的耐腐蚀低合金高强度钢相关文献技术中，日本申请的专利(公开 号JP61012849)介绍了一种耐海水腐蚀低碳钢，主要是通过将提高Ni含量至2 4%，以 及热轧后快冷+自回火工艺使得钢筋外层为马氏体或贝氏体，内层为铁素体和珠光体来保 证钢的低温韧性和耐海水腐蚀性。这种方法原材料成本高，生产工艺复杂，组织难于控制， 钢的强度达不到高强度标准。另一个日本中请的专利(公开号JP9067619)介绍了一种高 强度热轧钢板的合金化和生产工艺。该钢种的合金化程度较高，特别是提高了 Mo、Ni、Cu 等较贵重金属的含量，在改善钢的抗腐蚀性的同时也增加了钢的制造成本。2001年公开的 美国申请的专利(公开号US6315946)介绍了一种超低碳贝氏体耐候钢添加了 Mn、Cu、Nb、 V、Ti、P、Mo、Ni、B合金元素，其数量达9种之多，这对于工业化生产很难精确控制各合金元 素的化学成分，合金元素特别是微合金化元素种类过多，不仅增加钢的制造成本，而且各元 素之间会产生复杂的相互作用，影响发挥各自元素的作用。2007年公开的中国申请的专利 (公开号CN200610125365. 2)介绍了低碳贝氏体耐候钢采用热轧后淬火+回火工艺生产，虽 然提高了钢的强度，但使生产工艺复杂化，生产周期延长，对于大型板材和长型材不容易实 现。2008年公开的中围申请的专利(公开号CN200810047488. 8)涉及一种无碳化物贝氏体 钢，该发明的不足之处是仅提供了化学成分和轧制工艺，但未能提供钢的力学性能指标，在 模拟海水实验中腐蚀速率低的钢大都含有高含量的Mn，Cu, Ni，这不仅增加了原材料成本， 而且对钢的热塑性以及韧性都极为不利。
发明内容
针对现有耐海水腐蚀钢综合性能不好、制备成本高等问题，本发明提供一种耐海 水腐蚀超低碳贝氏体钢及其制备方法。本发明的耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢的组织为粒状贝氏体，其成分按重量百分比 为 CO. 02 0. 05%, Mn 1. 0 1. 5%, S < 0. 006%, SiO. 24 0. 40%, P 0. 04 0. 09%, NiO. 05 0. 2%，CuO. 3 0. 5%，Nb 0. 03 0. 04%，Mo 0.2 0.4%，B 0. 002 0. 005%，Al < 0. 08%, Cr ( 0. 06%，余量为 Fe。
上述低碳贝氏体钢的屈服强度至少540MPa，抗拉强度至少690MPa，断后伸长率 32 35%，断面收缩率69 76%，室温冲击吸收功134 145J，-40°C冲击吸收功97 129J。上述贝氏体钢的焊接冷裂纹敏感系数PcmSO. 13 0. 15，耐候指数(I)为6. 29 6. 95。本发明的成分的设定原理在于碳对钢的强度、韧性、可焊性影响很大，为避免钢中出现渗碳体，降低韧性，且不利 于可焊性，碳含量应低于0. 06，但如果碳含量过低，对于大生产冶炼比较困难，因此，碳含量 的范围限定在0. 02 0.05%。锰有利于提高强度和韧性，对贝氏体转变有很大的促进作用，成本低廉，Mn-Cu复 合有利于提高耐大气腐蚀性能。锰与硫形成高熔点MnS，防止FeS导致热脆，抵消硫对耐蚀 性的有害作用。锰含量超过2%时将使热轧钢在冷却过程中产生下贝氏体，在提高强度的同 时损害塑性和韧性；本发明中锰含量限定在1. 0 1. 5%。 磷在钢中常被做为有害杂质而加以限制，但是P与Cu复合能够促进具有保护作用 的羟基氧化物的形成，而且使氧化膜具有自我修复功能，抑制腐蚀的进一步发生。磷还有强 烈的固溶强化效果。磷含量过高容易在晶界偏聚，形成磷化物，对钢的低温韧性产生不利影 响，因此，磷含量限制在0. 04 0. 09%。镍具有改善钢的低温韧性和抗腐蚀作用，在含铜钢中可防止热脆，但镍是贵重金 属，因此，加入量限制在0. 05 0. 2%。铜可提高钢的强度、低温韧性和耐蚀性，但铜含量过高连铸坯在加热或热轧时易 于产生裂纹，铜的价格也比较高，将铜含量限制在0. 3 0. 5%。铌是重要的微合金化元素，能够有效推迟变形奥氏体的动态再结晶，阻止奥氏体 晶粒长大，连铸坯在精轧时通过形变诱导析出铌的碳氮化物粒子对位错具有钉扎作用，促 进贝氏体转变，提高钢的强度和韧性。铌含量限制在0. 03 0. 04%。钼能够强烈推迟铁素体转变，促进贝氏体形成，钼与铜、磷、镍共同作用可提高钢 的耐蚀性，特别是在含氯离子环境下提高耐孔蚀能力。钼是贵重金属，添加量不易过多，限 制在0. 2 0. 4%。硼可以提高淬透性，促进贝氏体转变。硼优先偏聚在奥氏体晶界能够抑制磷的偏 聚，从而抵消磷对低温韧性的不利影响。硼含量限制在0. 002 0. 005%。本发明的耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢的制备方法步骤为按上述成分冶炼钢水并浇注成铸锭，将铸锭升温至1200 1230°C均热处理2 3h后进行两阶段轧制，其中在奥氏体再结晶区进行的粗轧开轧温度1100 1130°C，粗轧终 轧温度为990 1000°C，粗轧累计变形量42 44% ；在奥氏体未再结晶区进行的精轧开轧 温度920 940°C，精轧终轧温度为830 850°C，精轧总变形量69 71%，精轧结束后以 7 10°C /s的冷却速率水冷至450 500°C，再空冷至室温。本发明的制备方法中，粗轧过程通过奥氏体动态再结晶和道次间隔期间的静态再 结晶来有效细化原始粗大奥氏体晶粒；精轧过程通过低温大变形量控制轧制和控制冷却能 够增加变形奥氏体内的缺陷密度，诱导第二相粒子的析出，提高奥氏体向贝氏体相变的形核率，抑制铁素体的形成，在室温下获得细小均勻的粒状贝氏体组织。本发明的耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢的综合力学性能好，并且原料成本低，生产工艺简单，通过降低碳含量并合理加入铜、磷、钼、硼等元素，采用TMCP轧制工艺，获得均勻 的粒状贝氏体组织，超低碳贝氏体钢中添加P能促进致密的内锈层的形成，从而有效降低 了在海水中的腐蚀速率，因此在具有优良的力学性能和可焊性基础上，还具有良好的耐海 水腐蚀的性能。
图1为本发明实施例1、2的低碳贝氏体钢产品和传统低碳贝氏体钢材在3. 5% NaCl溶液中的极化曲线图；图2为本发明实施例1、2的低碳见氏体钢带锈层样品和传统低碳贝氏体钢材带锈 层样品在3. 5% NaCl溶液中的极化曲线图；图3为传统低碳贝氏体钢材显微组织照片图；图4为本发明实施例1的低碳贝氏体钢显微组织照片图；图5为本发明实施例2的低碳贝氏体钢显微组织照片图；图6为传统低碳贝氏体钢材在3. 5% NaCl溶液中浸泡20天后表面锈层形貌图；图7为本发明实施例1的低碳贝氏体钢在3. 5% NaCl溶液中浸泡20天后表面锈 层形貌图；图8为传统低碳贝氏体钢和实施例1中的低碳贝氏体钢产品在3. 5 % NaCl溶液中 分别浸泡20天后锈层剖面形貌图；图中(a)为传统低碳贝氏体钢，(b)为实施例1中的低碳贝氏体钢产品，X为相似 成分的低磷钢，Y为实施例1的产品，ζ为实施例2的产品，B为传统低碳贝氏体钢的锈层， C为传统低碳贝氏体钢基体，D为实施例1的低碳贝氏体钢的外锈层，E为实施例1的低碳 贝氏体钢的内锈层，F为低碳贝氏体钢基体。
具体实施例方式实施例1成分按重量百分比为C 0. 03%, Mn 1. 17%, S 0. 005%, Si 0. 27%, P 0. 048%, Ni 0. 15%, Cu 0.3%，Nb 0. 038%, Mo 0. 21%, B 0. 0038%, Al 0. 078%, Cr 0.06%，余量
为Fe，组织为贝氏体。上述的低碳贝氏体钢的屈服强度为540MPa，抗拉强度为690MPa，断后伸长率 32%，断面收缩率69.4%，室温纵向冲击吸收功140. 1J，_40°C纵向冲击吸收功127. 8J。上述的低碳贝氏体钢的焊接冷裂纹敏感系数为0. 15，耐候指数为6. 29 6. 95。制备方法为按上述成分冶炼钢水并浇注成铸锭，将铸锭升温至1200°C均热处理 3h后进行两阶段轧制，其中，在奥氏体再结晶区进行的粗轧开轧温度iioo°c，粗轧终轧温 度为990°C，粗轧累计变形量42% ；在奥氏体未再结晶区进行的精轧开轧温度920°C，精轧 终轧温度为830°C，精轧总变形量69%，精轧结束后以7°C /s的冷却速率水冷至500°C，再 空冷至室温；显微组织如图4所示。将上述低碳贝氏体钢在3. 5% NaCl溶液中浸蚀5天，测得年腐蚀率为0. 120mm/a,浸蚀20天测得年腐蚀率为0. 095mm/a ；浸泡20天后表面锈层形貌如图7所示，锈层剖面形 貌如图8所示。采用传统低碳贝氏体钢进行对比实验，选用的传统低碳贝氏体钢的成分为 C 0. 050%, Mn 1. 28%, S 0. 008%, Si 0. 40%, P 0. 008%, Ni 0. 08%, Cu 0. 36%, Nb 0. 040%, Mo 0. 31%, B 0. 007%, Al 0. 06%, Cr 0. 05%，余量为 Fe ；焊接冷裂纹敏感系数 为0. 20，耐候指数为5. 83 ；低碳贝氏体钢的屈服强度为725MPa，抗拉强度为810MPa，断后 伸长率32.8%，断面收缩率50.0%，室温纵向冲击吸收功111. 6J，-40°C纵向冲击吸收功 50. OJ0在3. 5% NaCl溶液中浸蚀5天，测得年腐蚀率为0. 134mm/a,浸蚀20天测得年腐蚀 率为0. 104mm/a ；显微组织照片如图3所示，浸泡20天后表面锈层如图6所示，锈层剖面形 貌如图8所示。上述两种钢材在3. 5% NaCl溶液中的极化曲线如图1所示，带锈层样品在3. 5% NaCl溶液中的极化曲线如图2所示。实施例2成分按重量百分比为C 0. 03%，Mn 1. 14%, S 0. 005%, Si 0. 28%, P 0. 09%, Ni 0. 15%,CuO. 3%,Nb 0. 036%,Mo 0. 22%,B 0. 0038%,Al 0. 067%,Cr 0.06%，余量为 Fe，
组织为贝氏体。上述的低碳贝氏体钢的屈服强度为575MPa，抗拉强度为720 MPa，断后伸长率 32. 8%，断面收缩率70. 0%，室温纵向冲击吸收功134. 6J，_40°C纵向冲击吸收功97. 8J。上述的低碳贝氏体钢的焊接冷裂纹敏感系数为0. 15，耐候指数为6. 95。制备方法为按上述成分冶炼钢水并浇注成铸锭，将铸锭升温至1230°C均热处理 2. 5h后进行两阶段轧制，其中，在奥氏体再结晶区进行的粗轧开轧温度1130°C，粗轧终轧 温度为1000°C，粗轧累计变形量44%;在奥氏体未再结晶区进行的精轧开轧温度940°C，精 轧终轧温度为850°C，精轧总变形量71%，精轧结束后以8°C /s的冷却速率水冷至480°C， 再空冷至室温；显微组织如图5所示。将上述低碳贝氏体钢在3. 5% NaCl溶液中浸蚀5天，测得年腐蚀率为0. 107mm/a, 浸蚀20天测得年腐蚀率为0. 090mm/ao实施例3成分按重量百分比为C 0. 02%, Mn 1. 05%, S 0. 004%, Si 0. 40%, P 0. 08%, Ni 0. 05%, CuO. 4%, Nb 0. 03%, Mo 0. 31%, B 0. 0022%, Al 0. 071%, Cr 0.05%，余量为 Fe，
组织为贝氏体。上述低碳贝氏体钢的屈服强度为563MPa，抗拉强度为705MPa，断后伸长率 32. 5%，断面收缩率73%，室温纵向冲击吸收功131J，_40°C纵向冲击吸收功101. 3J。上述的低碳贝氏体钢的焊接冷裂纹敏感系数为0. 13，耐候指数为6. 56。制备方法为按上述成分冶炼钢水并浇注成铸锭，将铸锭升温至1220°C均热处理 2h后进行两阶段轧制，其中，在奥氏体再结晶区进行的粗轧开轧温度iiio°c，粗轧终轧温 度为990°C，粗轧累计变形量43% ；在奥氏体未再结晶区进行的精轧开轧温度930°C，精轧 终轧温度为840°C，精轧总变形量70%，精轧结束后以9°C /s的冷却速率水冷至460°C，再 空冷至室温。实施例4
成分按重量百分比为C 0. 05%, Mn 1.5%，S 0. 005%, Si 0. 33%, P 0. 055%, Ni 0. 19%, Cu 0. 5%, Nb 0. 04%, Mo 0. 4%, B 0. 005%, Al 0. 064%, Cr 0. 05%，余量为 Fe， 组织为贝氏体。上述低碳贝氏体钢的屈服强度为570MPa，抗拉强度为710MPa，断后伸长率33 %， 断面收缩率71%，室温纵向冲击吸收功139J，-40°C纵向冲击吸收功112. 3J。上述的低碳贝氏体钢的焊接冷裂纹敏感系数为0. 14，耐候指数为6. 73。制备方法为按上述成分冶炼钢水并浇注成铸锭，将铸锭升温至1220°C均热处理 3h后进行两阶段轧制，其中，在奥氏体再结晶区进行的粗轧开轧温度1120°C，粗轧终轧温 度为1000°C，粗轧累计变形量44%;在奥氏体未再结晶区进行的精轧开轧温度920°C，精轧 终轧温度为850°C，精轧总变形量70%，精轧结束后以10°C /s的冷却速率水冷至450°C，再 空冷至室温。
权利要求
一种耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢，其特征在于成分按重量百分比为C 0.02～0.05％，Mn 1.0～1.5％， S＜0.006％，Si0.24～0.40％，P 0.04～0.09％，Ni0.05～0.2％，Cu 0.3～0.5％，Nb0.03～0.04％，Mo 0.2～0.4％，B 0.002～0.005％，Al＜0.08％，Cr≤0.06％，余量为Fe；组织为粒状贝氏体。
2.根据权利要求1所述的一种耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢，其特征在于该低碳贝氏体 钢的屈服强度至少540MPa，抗拉强度至少690MPa，断后伸长率32 35%，断面收缩率69 76%，室温纵向冲击吸收功134 145J，40°C纵向冲击吸收功97 129J。
3.根据权利要求1所述的一种耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢，其特征在于该低碳贝氏体 钢焊接冷裂纹敏感系数为0. 1 3 0. 15，耐候指数为6. 29 6. 95。
4.权利要求1所述的耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢的制备方法，其特征在于步骤为真 空冶炼钢水并浇注成铸锭，其成分按重量百分比为C 0. 02 0. 05%，Mn 1. 0 1. 5%，S<0. 006%, SiO. 24 0. 40%, P 0. 04 0. 09%, NiO. 05 0. 2%，Cu 0. 3 0. 5%, Nb 0. 03 0. 04%, Mo 0. 2 0. 4%，B 0. 002 0. 005%, Al < 0. 08%, Cr 彡 0. 06%，余量 为Fe ；将铸锭升温至1200 1230°C均热处理2 3h后进行两阶段轧制，其中，在奥氏体 再结晶区进行的粗轧开轧温度1100 1130°C，粗轧终轧温度为990 1000°C，粗轧累计 变形量42 44% ；在奥氏体未再结晶区进行的精轧开轧温度920 940°C，精轧终轧温度 为830 850°C，精轧总变形量69 71%，精轧结束后以7 10°C /s的冷却速率水冷至 450 500°C，再空冷至室温。
全文摘要
一种耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢及其制备方法，贝氏体钢的成分按重量百分比为C0.02～0.05％，Mn 1.0～1.5％，S＜0.006％，Si0.24～0.40％，P 0.04～0.09％，Ni0.05～0.2％，Cu0.3～0.5％，Nb 0.03～0.04％，Mo 0.2～0.4％，B 0.002～0.005％，Al＜0.08％，Cr≤0.06％，余量为Fe；组织为粒状贝氏体。制备方法为真空冶炼钢水并浇注成铸锭，均热处理后在奥氏体再结晶区进行粗轧，然后在奥氏体未再结晶区进行精轧，轧制后水冷至450～500℃，之后空冷至室温。本发明的耐海水腐蚀超低碳贝氏体钢的综合力学性能好，原料成本低，生产工艺简单，在具有优良的力学性能和可焊性基础上，还具有良好的耐海水腐蚀的性能。
文档编号B21B37/74GK101880835SQ20101019999
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月13日 优先权日2010年6月13日
发明者任海鹏, 刘春明, 崔文芳, 张思勋, 王慧玉, 董杰, 韩文习 申请人:东北大学;莱芜钢铁集团有限公司