一种免涂装高磷高性能耐候钢及其制备方法和应用与流程

1.本技术涉及高性能钢铁冶炼技术领域，尤其涉及一种免涂装高磷高性能耐候钢及其制备方法和应用。


背景技术：

2.为了防止或减少钢材的腐蚀，一般采取涂层或镀层法延长其使用寿命；目前，钢结构的房屋建筑、桥梁、电力和通讯铁塔等方面全部采用涂层法，例如刷漆、电镀或热镀锌等。但是目前表面喷涂等方法需要每3-5年进行防腐蚀涂装维护和每10-15年进行一次重新防腐涂装，并且涂装过程易造成人体健康危害和环境污染、同时存在涂镀成本较高等问题。
3.而耐大气腐蚀钢的推广应用解决了上述的一系列问题，但是目前的工程化应用的耐大气腐蚀钢的化学成分一般采用cr-ni-cu或cu-p成分体系，元素cr、cu及ni含量较高，而p元素含量基本小于0.10％，而由于cr和ni的高含量，将导致钢材的整体成本过高。
4.因此如何提供低成本的耐大气腐蚀钢，是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种免涂装高磷高性能耐候钢及其制备方法和应用，以解决现有技术中耐大气腐蚀钢的制备成本过高的技术问题。
6.第一方面，本技术提供了一种免涂装高磷高性能耐候钢，以质量分数计，所述耐候钢的化学成分包括：
7.c:0.020％～0.040％，si:0.20％～0.30％，mn:0.20％～0.30％，cu:0.20％～0.60％，p:0.25％～0.50％，s≤0.01％，ni:0.10％～0.15％，cr:0.25％～0.55％，其余为fe和不可避免的杂质元素。
8.可选的，所述耐候钢的化学成分还包括：
9.0.2≤[ni]/[p]≤0.5，0.25≤[ni]/[cu]≤0.5，0.1≤[ni]/[cr]-1/2
≤0.2；
[0010]
其中，[ni]为所述ni的质量分数，[p]为所述p的质量分数，[cu]为所述cu的质量分数，[cr]为所述cr的质量分数。
[0011]
可选的，以体积分数计，所述耐候钢的金相组织包括：铁素体：98％～99％和三次渗碳体：1％～2％。
[0012]
第二方面，本技术提供了一种制备第一方面所述的耐候钢的方法，所述方法包括：
[0013]
对铁水进行预处理，后进行冶炼，得到钢水；
[0014]
对所述钢水进行精炼，后进行连铸，得到铸坯；
[0015]
对所述铸坯进行轧制，得到低成本的高磷耐候钢。
[0016]
可选的，所述精炼包括精炼真空脱气，所述精炼真空脱气的脱气时间≥15min。
[0017]
可选的，所述连铸包括在预设目标温度的条件下以包钢水进行连铸，所述预设目标温度＝液相线温度+预设提高量，所述预设提高量为10℃～40℃。
[0018]
可选的，所述低成本的高磷耐候钢的厚度为3mm～10mm。
[0019]
可选的，所述低成本的高磷耐候钢的钢卷直径为5mm～12mm。
[0020]
第三方面，本技术提供了一种第一方面所述的耐候钢的应用，将所述耐候钢用于乡村大气环境和/或工业大气环境中。
[0021]
可选的，所述乡村大气环境和所述工业大气环境都满足：年均氯离子沉积率≤0.03mdd，0.24mdd＜年均二氧化硫沉积率＜2.0mdd。
[0022]
本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0023]
本技术实施例提供的一种免涂装高磷高性能耐候钢，通过耐候钢中p和cu元素搭配，利用质量分数为0.25％～0.50％的高含量p和cu形成钝化膜，而形成的钝化膜能覆盖在耐候钢的表面，从而阻碍大气环境中的so2渗透，进而对耐候钢形成保护，满足强辐射、高so2浓度的大气环境特征的耐腐蚀要求，从而利用高含量的p替代价格昂贵的ni，进而实现耐候钢的低成本制备。
附图说明
[0024]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本技术实施例提供的方法的流程示意图；
[0027]
图2是实施例中制备得到的耐候钢的金相组织图；
[0028]
图3是本发明实施例提供的耐候钢铸坯的磷偏析图；
[0029]
图4是本发明实施例提供的耐候钢铸坯的轧制变形量为75％的磷偏析图；
[0030]
图5是本发明实施例提供的耐候钢铸坯的轧制变形量95％的磷偏析图。
具体实施方式
[0031]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0032]
在本技术一个实施例中，提供一种免涂装高磷高性能耐候钢，以质量分数计，所述耐候钢的化学成分包括：
[0033]
c:0.020％～0.040％，si:0.20％～0.30％，mn:0.20％～0.30％，cu:0.20％～0.60％，p:0.25％～0.50％，s≤0.01％，ni:0.10％～0.15％，cr:0.25％～0.55％，其余为fe和不可避免的杂质元素。
[0034]
本技术实施例中，c的质量分数为0.020％～0.040％的积极效果是在该质量分数的范围内，能保证材料大变形的加工能力及大比例铁素体单相组织的成型；当质量分数的取值大于该范围的端点最大值，将导致碳化物增多，影响金相组织的分布均匀程度，从而导致耐候钢的耐蚀性能变差，当质量分数的取值小于该范围的端点最小值，将导致材料变形的加工能力不足，同时无法保证铁素体单相组织的成型。
[0035]
si的质量分数为0.20％～0.30％的积极效果是在该质量分数范围内，由于si是钢中常用的脱氧元素，通过si的固溶强化提高钢材的加工硬化率，但是si能显著恶化钢的冷加工性能，同时促进p元素和s元素的晶界偏聚，影响组织成型，因此需要控制其质量分数的范围。
[0036]
mn的质量分数为0.20％～0.30％的积极效果是在该质量分数的范围内，由于mn是钢材中常见的脱氧元素，可以提高钢材的淬透性，但是在钢材连铸阶段具有中心偏析的风险与调质过程中强烈的晶界偏聚倾向，促进回火脆性，因此需要控制mn的质量分数。
[0037]
cu的质量分数为0.20％～0.60％的积极效果是在该质量分数的范围内，能显著的改善钢的耐候性和耐酸性；当质量分数的取值大于该范围的端点最大值，将导致作用饱和，会降低钢材的高温塑性，在加热过程中易产生裂纹，当质量分数的取值小于该范围的端点最小值，将导致cu含量偏低，无法有效的改善钢材的耐候性和耐酸性。
[0038]
p的质量分数为0.25％～0.50％的积极效果是在该质量分数范围内，在钢液凝固时易形成中心偏析和微观偏析，从而能显著提高钢材的高耐大气腐蚀性能；当质量分数的取值大于该范围的端点最大值，将导致p元素偏析后大大折减高p含量对高耐大气腐蚀性能，当质量分数的取值小于该范围的端点最小值，将导致p元素含量过低，无法替代高ni含量的耐大气腐蚀性能。
[0039]
s≤0.01％的积极效果是在该质量分数范围内，能保证钢材的变形性能和钢中的非金属夹杂物数量；当s的质量分数取值大于该范围的端点最大值，将导致s与mn形成mns夹杂物，并且在晶界偏聚而引起钢的热脆性，恶化钢材的加工能力。
[0040]
ni的质量分数为0.10％～0.15％的积极效果是在该质量分数的范围内，由于ni具有控制铸坯裂纹及提高耐腐蚀性能的效果；当质量分数的取值大于该范围的端点最大值，将导致的不利影响是过高的ni含量将导致制备出的耐候钢成本高及轧材表面缺陷控制难度大，当质量分数的取值小于该范围的端点最小值，将导致的不利影响是铸坯容易出现轧制裂纹，影响产品成型性能。
[0041]
cr的质量分数为0.25％～0.55％的积极效果是在该质量分数的范围内，由于cr与p、cu等元素能相互匹配，促使钢材产品能在满足服役环境条件下具有耐大气腐蚀性能效果；当质量分数的取值大于该范围的端点最大值，将导致的不利影响是过高的cr将导致最终生成的耐候钢成本高，当质量分数的取值小于该范围的端点最小值，将导致的不利影响是钢材产品的耐腐蚀性能降低。
[0042]
在一些可选的实施方式中，所述耐候钢的化学成分还包括：
[0043]
0.2≤[ni]/[p]≤0.5，0.25≤[ni]/[cu]≤0.5，0.1≤[ni]/[cr]-1/2
≤0.2；
[0044]
其中，[ni]为所述ni的质量分数，[p]为所述p的质量分数，[cu]为所述cu的质量分数，[cr]为所述cr的质量分数。
[0045]
本技术实施例中，0.2≤[ni]/[p]≤0.5的积极效果是在该范围内，能保证低成本的情况下，保证耐候钢的低腐蚀速率；当[ni]/[p]的比值大于该范围的端点最大值，虽然能保证耐候钢的低腐蚀速率，但是由于采用了大量的ni，会大幅度提高钢材的制造成本，当[ni]/[p]的比值小于该范围的端点最小值，将导致钢材的制造缺陷裂纹大幅度提升，无法实现后续的深加工。
[0046]
0.25≤[ni]/[cu]≤0.5的积极效果是在该范围内，能保证低成本的情况下，保证
耐候钢的低腐蚀速率；当[ni]/[cu]的比值大于该范围的端点最大值，虽然能保证耐候钢的低腐蚀速率，但是由于采用了大量的ni，会大幅度提高钢材的制造成本，当[ni]/[cu]的比值小于该范围的端点最小值，将导致钢材的制造缺陷裂纹大幅度提升，无法实现后续的深加工。
[0047]
0.1≤[ni]/[cr]-1/2
≤0.2的积极效果是在该范围内，能使得钢材产品具有良好的长周期耐大气腐蚀性能，并且在0.01mol/l nahso3腐蚀液周期浸润条件下，可实现0.5g/(m2·
h)～0.6g/(m2·
h)的腐蚀速率；当[ni]/[cr]-1/2
的取值大于该范围的端点最大值，将导致的不利影响是说明此时ni的加入量过多，将导致钢材产品的成本增加，而钢材的耐腐蚀性能下降，产品冷成型能力会下降，当[ni]/[cr]-1/2
的取值小于该范围的端点最小值，将导致的不利影响是钢材产品的耐腐蚀性能下降。
[0048]
在一些可选的实施方式中，以体积分数计，所述耐候钢的金相组织包括：铁素体：98％～99％和三次渗碳体：1％～2％。
[0049]
本技术实施例中，铁素体的体积分数为98％～99％的积极效果是在该体积分数的范围内，单一的铁素体微观组织能有效的提高材料的耐腐蚀性能；当体积分数的取值小于该范围的端点值，将导致不利影响是铁素体的含量不足，将出现多相组织间微观电位腐蚀现象。
[0050]
三次渗碳体的体积分数为1％～2％的积极效果是在该体积分数范围内，钢材产品会获得一定的强度增幅；当体积分数的取值大于或小于该范围的端点值，将导致不利影响是若三次渗碳体的体积分数少于1-2％，钢材产品的强度会有一定的下降，若三次渗碳体的体积分数高于2％，钢材产品的的耐腐蚀性能会有一定量的下降。
[0051]
在本技术一个实施例中，提供一种免涂装高磷高性能耐候钢的制备方法，所述方法包括：
[0052]
s1.对铁水进行预处理，后进行冶炼，得到钢水；
[0053]
s2.对所述钢水进行精炼，后进行连铸，得到铸坯；
[0054]
s3.对所述铸坯进行轧制，得到低成本的高磷耐候钢。
[0055]
在一些可选实施方式中，所述精炼包括精炼真空脱气，所述精炼真空脱气的脱气时间≥15min。
[0056]
本技术实施例中，精炼真空脱气的脱气时间≥15min的积极效果是在该时间范围内，能保证真空处理后的[h]含量在合理范围内。
[0057]
在一些可选的实施方式中，所述连铸包括在预设目标温度的条件下以包钢水进行连铸，所述预设目标温度＝液相线温度+预设提高量，所述预设提高量为10℃～40℃。
[0058]
本技术实施例中，预设提高量为10℃～40℃的积极效果是在该提高量范围内，有益效果是在该预设提高量的范围内，可控制良好的铸坯心部质量；当温度的取值大于或小于该范围的端点值，将导致的不利影响是若预设提高的温度差小于10℃，会出现浇注冻钢的现象，不利于钢材产品的生产；若预设提高的温度差高于40℃，会导致钢材产品的铸坯心部偏析及心部缺陷等问题。
[0059]
在一些可选的实施方式中，所述低成本的高磷耐候钢的厚度为3mm～10mm。
[0060]
在一些可选的实施方式中，所述低成本的高磷耐候钢的钢卷直径为5mm～12mm。
[0061]
在本技术一个实施例中，提供一种免涂装高磷高性能耐候钢的应用，将所述耐候
钢用于乡村大气环境和/或工业大气环境中。
[0062]
在一些可选的实施方式中，所述乡村大气环境和所述工业大气环境都满足：年均氯离子沉积率≤0.03mdd，0.24mdd＜年均二氧化硫沉积率＜2.0mdd。
[0063]
各实施例和对比例的化学成分取值如表1所示。
[0064]
表1
[0065][0066][0067]
各组实施例和对比例的[ni]/[p]、[ni]/[cu]和[ni]/[cr]-1/2
的比值如表2所示。
[0068]
表2
[0069][0070][0071]
相关实验：
[0072]
将各实施例和对比例所得的钢材在高so2浓度的大气环境中长周期腐蚀速率，结果如表3所示。
[0073]
相关实验的测试方法：对各实施例和各对比例的钢材进行周期浸润腐蚀
[0074]
表3
[0075][0076]
表3的具体分析：
[0077]
长周期腐蚀速率是指钢材在0.01mol/l的nahso3溶液中浸润后的腐蚀速率，长周期腐蚀速率越低，说明钢材的耐高so2浓度的大气环境的腐蚀性能越好。
[0078]
由实施例1-10的数据可知：
[0079]
经过本发明的高磷含量的设计，再仅添加少量ni、cr、cu合金元素，可在低成本路线的条件下维持(长周期)腐蚀速率在0.5g/(m2·
h)～0.6g/(m2·
h)水平，从而促使钢材产品获得良好的耐腐蚀性能。
[0080]
从对比例1-3的数据可知：
[0081]
由于对比钢种添加较高的ni、cr和cu元素的含量，将导致钢材产品的合金成本高，且在同等腐蚀条件下，钢材的腐蚀速率在1.0g/(m2·
h)～1.4g/(m2·
h)。
[0082]
本技术实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
[0083]
(1)本技术实施例提供的耐候钢，利用质量分数为0.25％～0.50％的高含量p和cu形成钝化膜，而形成的钝化膜能覆盖在耐候钢的表面，从而阻碍大气环境中的so2渗透，进而对耐候钢形成保护，从而使耐候钢满足强辐射、高so2浓度的大气环境特征的耐腐蚀要求，此过程中利用高含量的p替代价格昂贵的ni，进而实现耐候钢的低成本制备。
[0084]
(2)本技术实施例提供的耐候钢，其金相组织中含有大量的铁素体单相组织，以及少量的三次渗碳体，从而能有效的抵抗高so2浓度的大气环境特征的腐蚀。
[0085]
(3)本技术实施例提供的方法，通过限定冶炼过程的各个参数和连铸阶段的参数，能有效的保证最终的钢材产品的微观组织分布均匀，同时能保证在低成本的情况得到高耐候钢。
[0086]
附图解释：
[0087]
图2是实施例中制备得到的耐候钢的金相组织图；
[0088]
由图2可知，高耐候钢中存在大比例的铁素体单相组织。
[0089]
图3是本发明实施例提供的耐候钢铸坯的磷偏析图；
[0090]
图4是本发明实施例提供的耐候钢铸坯的轧制变形量为75％的磷偏析图；
[0091]
图5是本发明实施例提供的耐候钢铸坯的轧制变形量95％的磷偏析图；
[0092]
由图2至图5可知，在实施例1、实施例3和实施例8中，若采用本技术的高p含量，能形成中心偏析和微观偏析，从而能有效的配合cu元素，抑制点蚀，形成钝化膜阻碍大气环境中的so2渗透，从而满足强辐射、高so2浓度的大气环境特征的腐蚀性能。
[0093]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0094]
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0095]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。