专利名称：一种特高强度耐大气腐蚀钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及低碳低合金钢，尤其是适用于制造耐大气腐蚀构件的特高强度低碳低合金钢。
背景技术：
瑞典SSAB公司生产的相近强度级别的热轧薄板钢Domex700MC，其碳含量小于或等于0.12％，一般在0.07％左右，其它成份以常规合金元素为主，通过Mo及微合金元素Nb、Ti、V的复合添加来达到提高强度及改善性能的目的。该钢的屈服强度达到了700MPa，但由于成份设计时，没有考虑耐大气腐蚀的因素，使得该钢在要求耐候性的应用领域存在较大局限性。针对耐候性使用环境的要求，公开号CN 1800428A的《一种经济型耐候钢》专利，其成份设计在常规元素的基础上，加入了耐大气腐蚀元素Cu和P。虽然该钢考虑了使用环境的要求，但对强度级别的要求较低，屈服强度仅有345MPa。对于目前对钢铁材料高强度级别的要求来说，该钢的强度级别偏低，使得其应用也存在很大的局限性。
在大气环境中使用的钢结构如集装箱、桥梁等，由于受空气中氧、水和酸性物质的化学及电化学作用，往往会使之产生大气腐蚀，从而影响使用寿命，造成经济损失。目前，为了提高钢耐大气腐蚀的性能，国内外采用各种方法研制出一批耐大气腐蚀钢或称为耐大气腐蚀钢。尤其在我国，为防止大气腐蚀，必须不定期进行钢结构表面喷刷防腐涂料，为此花费大量人力、财力和物力。另一方面，为适应现代国民经济快速发展的需要，一些钢结构如桥梁等向重载、大跨度方向发展，因此研制抗拉强度≥600MPa的高强度耐大气腐蚀钢，用于大型桥梁、通信及输电塔架等，已成为当务之急。
目前，一般地采用在钢中添加一定量的Cu、P等合金元素，可显著提高钢的耐大气腐蚀性能，如美国研制的高磷、铜加镍、铬耐大气腐蚀钢COR-TEN A(ASTM A242)系列，其主要化学成分按重量百分比为C≤0.12％，Mn0.20～0.50％，Si0.25～0.75％，Cu0.25～0.60％，S≤0.04％，P≤0.07～0.15％，Cr0.30～1.25％，Ni≤0.65％，余为Fe。该耐大气腐蚀钢的屈服强度≥345MPa，抗拉强度≥490MPa。另外还研制了以Cr、Mn、Cu为主的COR-TEN B(ASTM A588)系列耐大气腐蚀钢及改良型COR-TEN B耐大气腐蚀钢，即COR-TEN B-QT 70(ASTM A852)，该钢碳含量为0.12～0.20％，用于制造桥梁。
另一项美国专利号为US6,315,946的专利，介绍一种超低碳贝氏体耐大气腐蚀钢(Ultralow carbon bainitic weathering steel)，其化学成分按重量百分比为C0.015～0.035％；Cu0.20～0.40％；Cr0.40～0.70％；Ni0.20～0.50％；Ti0.02～0.05％；Nb0.03～0.06％；B0.0015～0.003％；Mn≤2.0％；P≤0.012％；S≤0.005％；Si≤0.40％；Mo≤0.50％；V≤0.10％；Al≤0.03％；N≤0.006％；余为Fe和微量杂质。经控轧控冷后屈服强度仅≥450MPa，而且该专利公开文件中并没有公开一种钢成分中含Mo的具体方案。
发明内容
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是为克服上述不足，提供一种特高强度耐大气腐蚀钢，该钢的屈服强度≥700MPa、抗拉强度≥750MPa。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是一种特高强度耐大气腐蚀钢，其特征在于钢的化学成分的重量百分比为C0.01～0.07％、Si0.25～0.50％、Mn1.60～2.00％、P≤0.018％、S≤0.008％、Cu0.20～0.50％、Cr0.40～0.75％、Ni0.25～0.60％、Nb0.03～0.08％、Mo0.10～0.40％、Ti≤0.02％、Als≤0.035％、B≤0.003％，余量为Fe及杂质。
上述方案中，Mo的重量百分比为0.15～0.3％更好，Mo的重量百分比为0.15～0.25％为最佳。
上述方案中，B的重量百分比为0.0005～0.0014％最佳。
上述方案中，Ni/Cu的重量比为0.70～1.20最佳。
本发明主要合金元素含量的设定是基于以下原理本发明钢成分中含Mo，Mo能够有效地延长珠光体转变的孕育期，使铁素体和珠光体区域右移，但对贝氏体的相变影响很小。因此使得本发明钢经奥氏体化后在连续快速冷却时，可以获得贝氏体组织。当钢中含碳量很低时，这种微细结构的贝氏体和针状铁素体组织，能够保证钢具有良好的延性。同时，含Nb-Mo的高强度低合金钢较之含Nb-V的钢可以具有高得多的强度，这是因为Mo能降低碳化物形成元素(如Nb等)的扩散能力，从而阻碍碳化物的形成，推迟碳化物的析出过程。在高强度低合金钢中，屈服强度随钼Mo加入量的增加而提高，同时，Mo也能有效的提高钢的耐腐蚀能力。
本发明选择B含量≤0.0030％，B是表面活性元素，极易偏聚到晶界，有效地抑制先共析铁素体的形核及长大，强烈抑制Y-相变，提高钢材的强度；B与N的交互作用，能明显提高钢材的低温韧性。B含量过高易形成B的碳化物和氮化物，并集聚在原奥氏体晶界，促使附近地区位错密度增高，可以作为氢在局部地区的陷阱，因而促使此处发生晶界开裂。
本发明的铜(Cu)含量为0.20％～0.50％，铜能提高钢的淬透性，在钢中主要起固溶及沉淀强化作用，同时通过Cu-Cr-Ni的适当配比，可以显著提高钢的耐候性能，此外还有利于获得良好的低温韧性，增加钢的抗疲劳裂纹扩展能力。Cu含量小于0.15％时，其沉淀强化作用不明显，Cu含量大于0.50％时，钢板焊接热影响区韧性会降低，且在钢坯加热过程中易产生网裂。
Cr、Ni都可以提高钢的耐腐蚀性。钢中同时加入几种提高耐腐蚀性元素有特别良好的作用，含Cu钢在腐蚀过程中，Cu、Cr、Ni等元素富集于靠近基体的金属锈层中，降低了Fe3O4的结晶化程度，形成致密、接近于非晶态的稳定锈层。此种锈层能够阻碍带有腐蚀性的介质向基体渗透，使钢的耐大气腐蚀性能提高。同时Ni还能显著改善钢的低温韧性，使基材和焊接热影响区低温韧性大幅度提高。Ni/Cu的重量比为0.70～1.20，Ni能有效阻止Cu的热脆引起的网裂。Ni加入量小于0.10％，Ni起不到作用，但含量过高易造成钢板氧化铁皮难以脱落。本发明Ni的含量为0.25～0.60％，Cr的含量为0.40～0.75％。
本发明的碳(C)含量为0.01％～0.07％，碳是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，如果溶入基体，能够起到固溶强化的作用，增加碳含量会促进形成碳化物及马氏体。为了保证高韧性、优良的冷成型性和焊接性能，将碳含量限定在0.07％以下，既可提高钢的强度又适合生产操作。
本发明的硅(Si)含量为0.25％～0.50％，Si主要是以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量不可过高，以免降低钢的韧性和焊接性能。
本发明的锰(Mn)含量是根据产品轧制时的冷却速度、规格和性能而确定的，添加1.60％～2.00％的锰，可降低奥氏体转变成铁素体的相变温度，扩大铁碳相图中的奥氏体区域，促进钢的中温组织转变，有利于细化晶粒尺寸，提高钢的屈服强度和冲击韧性。
本发明的磷(P)含量≤0.018％、硫(S)含量≤0.008％。较高的磷含量可以大幅度提高钢的耐候性，但是磷在钢中具有容易造成偏析、恶化焊接性能、显著降低钢的低温冲击韧性、提高脆性转变温度，所以，考虑到本发明钢强度较高，控制磷含量≤0.018％。硫易与锰结合生成MnS夹杂，硫还影响钢的低温冲击韧性。因此，本发明应尽量减少磷、硫元素对钢性能的不利影响，通过对铁水进行深脱硫预处理、真空处理等手段，控制磷、硫含量，从而减轻其不利影响。
本发明的Nb含量为0.03～0.08％，Nb是强碳氮化物形成元素，能提高钢的奥氏体再结晶温度，利于本发明钢在较高的轧制温度下进行轧制。同时，Nb能显著细化晶粒并提高本发明钢的抗拉强度，在控轧过程中，通过抑制再结晶和阻止晶粒长大，可细化奥氏体晶粒尺寸。在轧后冷却过程中，NbC和NbN微小质点析出，可起沉淀强化的作用。
本发明选择Ti含量为≤0.02％，Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，在钢重新加热中阻止奥氏体晶粒长大，在高温奥氏体区粗轧时TiN和TiC析出，可有效地钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒长大，另外钢板在焊接过程中，钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板焊接性能。
本发明的Als含量控制在≤0.035％，Al是钢中的主要脱氧元素。Al含量大于0.035％，将导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性及耐候性能。Al的熔点较高，在生产中，Al可以用来组织晶粒长大。
本发明具有以下优点
1、本发明钢屈服强度(ReL)≥700MPa，抗拉强度(Rm)≥750MPa，属于特高强度钢，以热轧状态交货，简化了生产工艺，提高了成材率，降低了成本，适应大生产要求。
2、本发明钢成份设计为低碳Cu-Cr-Ni-Mo成份系列，有效地保证了本发明钢的耐候性，试验结果表明，本发明钢的耐候性是Q345钢的2倍左右，有效的保证了钢板厚度减薄使用时的使用寿命。
具体实施例方式
本发明特高强度耐大气腐蚀钢实施例1～9，钢的化学成分的重量百分比为C0.04～0.05％、Si0.25～0.35％、Mn1.75～1.9％、P0.013～0.016％、S0.003～0.006％、Cu0.20～0.50％、Cr0.40～0.75％、Ni0.25～0.60％、Nb0.03～0.08％、Mo0.10～0.40％，Ti≤0.02％、Als≤0.035％、B≤0.003％，余量为Fe及杂质。具体成分见表1。
上述实施例的生产方法如下在炼钢厂80吨转炉上进行顶底复合吹炼，采用铁水深脱硫技术，使铁水中的S≤0.005％；合金化过程，在炉前加入Cu板、Ni板、Mo-Fe，在炉后出钢1/3时开始加金属锰、Si-Fe、Cr-Fe、Nb-Fe等合金，出钢2/3时加入完毕；钢水经过吹氩气后，再经过真空处理，按目标要求加入B-Fe，使钢中的化学成份满足表1的要求，余量为Fe及不可避免的夹杂。
将钢水浇注成210～250mm×1250mm断面的板坯。然后将该板坯送至热连轧厂，在2250mm轧机上采用控轧控冷处理的热连轧生产工艺，将其轧制成热轧板。为充分发挥微合金元素在钢中的作用，最好利用大功率轧机的设备能力，减少轧制道次，提高道次压下率。先粗轧，每道次压下率为20～30％，累计压下率为80～90％，粗轧结束温度为1000～1080℃；再精轧，精轧开轧温度为950～1030℃，中间道次压下率为20～25％，最后两道次压下率为10～15％，终轧温度为820～870℃；钢板轧后采用层流冷却，冷却速度为15～40℃/s，卷取温度为550～620℃，制得板厚为2～12mm的热轧板(卷)。
对用上述本发明实施例1～9钢制成的热轧板进行屈服强度、抗拉强度、延伸率的检测，检测结果见表1。
从检测结果可以看出，实施例1钢板的屈服强度、抗拉强度均低于本发明钢的目标要求，实施例9钢板的延伸率太低，不利于钢板在冷成型状态下使用，实施例2～8钢板的力学性能指标均达到本发明钢的要求，但是，从钢板的成型性方面考虑，实施例2～6钢板的成型性能较好，其中，实施例3～5最佳。
对用本发明实施例3～5钢制成的热轧板进行腐蚀率、相对耐蚀性的检测，检测结果见表2、表3。
试验结果表明，本发明实施例3～5钢的耐候性，是Q345钢的2倍左右，有效的保证了钢板厚度减薄使用时的使用寿命。
表1
表2腐蚀率(g/m2.h)
表3相对耐蚀性(％)
权利要求
1.一种特高强度耐大气腐蚀钢，其特征在于钢的化学成分的重量百分比为C0.01～0.07％、Si0.25～0.50％、Mn1.60～2.00％、P≤0.018％、S≤0.008％、Cu0.20～0.50％、Cr0.40～0.75％、Ni0.25～0.60％、Nb0.03～0.08％、Mo0.10～0.40％、Ti≤0.02％、Als≤0.035％、B≤0.003％，余量为Fe及杂质。
2.根据权利要求1所述的耐大气腐蚀钢，其特征在于Mo的重量百分比为0.15～0.3％。
3.根据权利要求1所述的耐大气腐蚀钢，其特征在于Mo的重量百分比为0.15～0.25％。
4.根据权利要求1所述的耐大气腐蚀钢，其特征在于B的重量百分比为0.0005～0.0014％。
5.根据权利要求1所述的耐大气腐蚀钢，其特征在于Ni/Cu的重量比为0.70～1.20。
全文摘要
本发明涉及一种特高强度耐大气腐蚀钢，钢的化学成分的重量百分比为C0.01～0.07％、Si0.25～0.50％、Mn1.60～2.00％、P≤0.018％、S≤0.008％、Cu0.20～0.50％、Cr0.40～0.75％、Ni0.25～0.60％、Nb0.03～0.08％、Mo0.10～0.40％、Ti≤0.02％、Als≤0.035％、B≤0.003％，余量为Fe及杂质。本发明钢屈服强度(ReL)≥700MPa，抗拉强度(Rm)≥750MPa，属于特高强度钢，以热轧状态交货，简化了生产工艺，提高了成材率，降低了成本，适应大生产要求。
文档编号C22C38/58GK1962917SQ20061012512
公开日2007年5月16日 申请日期2006年11月23日 优先权日2006年11月23日
发明者陈邦文, 宋育来, 陈吉清, 胡敏, 刘志勇, 郑华 申请人:武汉钢铁(集团)公司