本發(fā)明涉及高強度耐大氣腐蝕鋼及其生產(chǎn)方法，特別涉及一種高強度集裝箱用耐大氣腐蝕鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
：集裝箱用耐候鋼屬于耐大氣腐蝕鋼，如日本專利號JP04235250A、中國專利號00121262.1、中國專利號00133579.0公開的耐大氣腐蝕低合金結(jié)構(gòu)鋼。這類專利鋼種都是具有一定的耐大氣腐蝕性能的低合金結(jié)構(gòu)鋼，成份體系為Cu－P－Cr－Ni或Cr－P－Ti－RE。為進一步延長材料的使用壽命，近年來開發(fā)了一些高耐蝕性的耐候鋼，如日本專利號JP10025550A、JP2002363704、中國專利號CN101376953A等。這類專利鋼種一般含有很高的Cr、Al或二者的復(fù)合添加，煉鋼難度大、制造成本高。還有如中國專利號ZL200510036889.X公開的“一種應(yīng)用薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)Ti微合金化高強耐候鋼板的工藝”，雖然也采用了較高的Ti提高強度，但含有0.075-0.10％的P，在成分上仍屬于傳統(tǒng)的Cu-P-Cr-Ni耐候鋼。此外，中國專利公開號CN101660099B公開的“高強度低合金熱軋鐵素體貝氏體耐候鋼及其生產(chǎn)方法”和中國專利公開號CN102168229B公開的“耐候鋼板及其制造方法”。這兩個專利均采用較高的Mn，并通過Mo、Nb、V等強化元素的復(fù)合添加實現(xiàn)較高的強度，耐候水平與傳統(tǒng)的耐候鋼相當。該專利涉及鋼種的Mn含量較高，且含有Mo、Nb和V等元素。如中國專利號ZL200410061112.4公開的“針狀組織高強度耐候鋼及其生產(chǎn)方法”，中國專利號ZL200510111858.6公開的“一種高強度低合金耐大氣腐蝕鋼及其生產(chǎn)方法”。這兩個發(fā)明專利均屬低合金鋼制造領(lǐng)域。前者成分設(shè)計上采用極低碳、Cu-Cr-Ni-Mo-Nb的加入及Ti-Al-Zr-RE或Ca中的兩種或兩種以上復(fù)合添加，將碳含量控制在接近或小于常溫下碳 在α-Fe中的最大溶解度0.0218％，以減少或抑制滲碳體的析出，保證主控組織為均勻的針狀組織，以得到優(yōu)良的耐候性能；后者通過Nb、Ti及Mo的復(fù)合添加獲得高的強度，并通過Cu、Cr及Ni的加入保證耐候性能。這兩個專利采用的成份體系，前者采用了冶煉難度很大的極低碳含量設(shè)計，碳含量為0.01-0.04％，大大增加了生產(chǎn)難度和制造成本，其可達到的屈服強度也低于550MPa；后者添加了較多的Mo和Ni，提高了生產(chǎn)成本。此外，這兩個專利中均含有1.0％以上的Mn，Mn含量高對鋼的焊接及低溫韌性不利。美國專利US6056833公開的“THERMOMECHANICALLYCONTROLLEDPROCESSEDHIGHSTRENGTHWEATHERINGSTEELWITHLOWYIELD/TENSILERATIO；HOTROLLED，AIRCOOLED；PEARLITE-FREE”，其同樣是一種采用控軋控冷方法生產(chǎn)的高強度耐候鋼，屈服強度70－75ksi(約483－518MPa)，具有小于0.85的低屈強比。該專利采用了Cu-Cr-Ni耐候性成份設(shè)計和Nb－Ti－Mo微合金設(shè)計，且，該發(fā)明專利特別添加了V元素0.06-0.14％，這些合金元素不但大大增加了制造成本，而且不利于鋼板的焊接性能和低溫沖擊性能；從實際性能對比來看，該鋼種只保證達到483-518MPa。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種高強度集裝箱用耐大氣腐蝕鋼及其生產(chǎn)方法，屈服強度為450-550MPa級別，甚至可達到600MPa以上，該鋼除具備高強度、高耐大氣腐蝕性能(耐大氣腐蝕性能指數(shù)I≥6.0)外，還具有良好的焊接、冷彎等加工性能，延伸率優(yōu)良(冷彎滿足D＝a，180°；延伸率≥18％)，特別適用于集裝箱生產(chǎn)過程中的各種冷成形加工。另外，采用控軋控冷方式生產(chǎn)，不必進行熱處理，生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)方法簡單，鋼材成本較低。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：本發(fā)明在較低的C－Mn鋼成分的基礎(chǔ)上，通過復(fù)合添加耐候性元素Cu、Cr和微合金強化元素Ti，采用控軋控冷工藝進行生產(chǎn)，使鋼板具有細小的鐵素體和少量貝氏體組織，屈服強度指標達到450-550MPa，甚至 可達到600MPa以上。具體的，本發(fā)明的一種高強度集裝箱用耐大氣腐蝕鋼，其化學(xué)成分重量百分比為：C：0.03-0.10％，Si：0.30-0.60％，Mn：0.40-0.80％，P≤0.015％，S≤0.006％，Al≤0.05％，Cu：0.20-0.4％，Cr：0.40-0.90％，Ti：0.06-0.12％，Ca：0.001-0.006％，N≤0.006％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。在本發(fā)明鋼的化學(xué)成分設(shè)計中：C是鋼中有效的強化元素，溶入基體具有固溶強化作用，同時在鋼中以碳化物形式存在，和合金元素結(jié)合發(fā)揮析出強化和細化晶粒的作用，因而添加量不得低于0.03％；而過多的C在鋼中形成較多的碳化物起到原電池的作用，促進腐蝕的進行從而降低鋼的耐腐蝕性能，且不利于焊接，因而限定C含量不得高于0.10％。Si是為了對鋼進行脫氧而添加的元素，同時也是耐蝕元素，并具有固溶強化作用，所以控制含量下限為0.30％，Si含量多了會導(dǎo)致可焊性和焊接熱影響區(qū)韌性惡化，因而其上限規(guī)定為0.60％。Mn成本低廉，是重要的強韌化元素，起固溶強化的作用，提高鋼的強度和韌性，同時Mn還是擴大奧氏體元素，能降低過冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，促進鋼中中低溫強化組織的轉(zhuǎn)變，有利于鋼強度的提高。但是Mn含量過多使淬透性增大，從而導(dǎo)致可焊性和焊接熱影響區(qū)韌性惡化，所以規(guī)定Mn含量范圍限定為0.40-0.80％。P屬于耐蝕元素，但P對鋼板的韌性影響極大，所以本發(fā)明鋼種摒棄P作為提高耐蝕性能的元素，采用低P成分設(shè)計；高的S含量不僅降低鋼的低溫韌性，而且促進鋼板的各向異性，對冷成形性能不利，且硫化物夾雜會使鋼的耐候性能也明顯降低。因而本發(fā)明鋼種設(shè)計采用極低的P、S含量，分別控制在0.015％和0.006％以下。Al是為了脫氧而加入鋼中的元素，添加適量的Al有利于細化晶粒，改善鋼材的強韌性能，而較高的Al不利于連鑄時的澆坯，所以控制上限為0.05％。Cr不僅是提高鋼的淬透性的元素，而且能有效提高鋼的耐大氣腐蝕性能。特別是本發(fā)明專利中未采用P提高耐候性能，所以必須保證一定的Cr加入量。但隨著Cr含量的增加，將嚴重惡化焊接性能及低溫沖擊韌性， 所以Cr含量應(yīng)限定為0.40％-0.90％。Cu在鋼中主要起固溶和沉淀強化作用，同時Cu的電化學(xué)電位高于Fe，能促進鋼表面致密性銹層的形成，也是耐蝕性元素，加入0.20％以上的Cu即可顯著改善鋼的耐大氣腐蝕性能，但是如果含量高時不僅會損害焊接熱影響區(qū)韌性，而且熱軋時易發(fā)生網(wǎng)裂，惡化鋼板的表面性能，所以Cu含量限定在0.20％-0.40％。通過Ca處理可以控制硫化物的形態(tài)以改善鋼板的各向異性和塑性，提高低溫韌性，其含量少于0.001時沒有效果，而超過0.006則會產(chǎn)生許多CaO、CaS，并形成粗大的夾雜物，對鋼的韌性造成損害，甚至影響鋼的焊接性能。所以規(guī)定Ca含量范圍為0.001％-0.006％。Ti是一種強烈的碳氮化物形成元素，在鋼中主要以TiC或Ti(C，N)的形式存在。TiN在高溫下仍保持穩(wěn)定，具有抑制加熱奧氏體晶粒長大作用，同時在冷卻過程中產(chǎn)生析出強化。此外，Ti有阻止形變奧氏體再結(jié)晶和促進粒狀貝氏體形成的作用，析出的Ti的碳氮化物顆粒能阻止焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化，改善焊接性能。特別是Ti能夠控制硫化物的形狀，使得含Ti鋼具有非常好的冷成形能力，橫向、縱向及厚度方向的性能均勻。研究表明，鋼中Ti含量超過0.06時強化作用開始明顯，顯著提高鋼的強度，Ti含量過高則易在晶界上形成Ti的氮化物和硫化物而引起鋼的脆化。所以限定Ti的含量為0.06-0.12％。本發(fā)明鋼種為控制制造成本，對貴重合金元素如Ni、Nb和V等的含量加以控制。其中Ni能提高淬透性，顯著改善鋼材的低溫韌性并有效阻止Cu的熱脆引起的網(wǎng)裂。而Nb、V均能形成細微碳氮化物，有利于細化晶粒組織和發(fā)揮析出強化的作用，但這些元素的加入將明顯提高制造成本，且V的加入對焊接性能和低溫韌性不利，因而對三種元素的上限加以限定。本發(fā)明的主要創(chuàng)新點在于：通過固溶強化、細晶強化和析出強化相結(jié)合的設(shè)計思想，在保證鋼板耐候性的前提下，大幅提高鋼的強度，可根據(jù)成分和工藝不同獲得不同強度級別的高強度耐候鋼。C是鋼中的最有效強化元素，C固溶入基體中具有固溶強化作用；C還可與微合金元素如Nb，Ti，V等結(jié)合，形成細小的納米析出相，可起到 析出強化的效果。本發(fā)明中C和Ti的成分設(shè)計充分考慮TiC析出強化和C的固溶強化作用。C和Ti的含量范圍是綜合考慮各種強化方式設(shè)計的。一般情況下，鋼中的C含量小于0.03％，在高溫卷取工藝條件下，鋼的屈服強度達不到450-550MPa級別，同時可用于析出強化的TiC數(shù)量較少，對強度提高有限；C的含量也不宜超過0.10％，因為C含量過高，雖然強度可以提高，但由于與Ti形成的碳氮化物尺寸較大，不僅起不到析出強化效果，而且降低鋼的耐腐蝕性能。通常情況下，鋼中起析出強化效果的TiC粒子平均尺寸～10nm，其體積分數(shù)根據(jù)C和Ti含量的不同通常在0.01-0.5％。根據(jù)公式Δσ0.2p＝5.9f1/2/d·ln(d/b)，其中d是析出相平均尺寸，f是析出相體積分數(shù)，b是柏氏矢量。據(jù)此，可計算出析出相尺寸～10nm、體積分數(shù)在0.01-0.5％時，析出強化對強度的貢獻在22-154MPa，取中值為88MPa，由此可推算出C的目標含量應(yīng)在0.07％附近；同理，根據(jù)已知的析出強度貢獻和析出相尺寸可反算出Ti的目標含量應(yīng)在0.08％左右。除了析出強化外，本發(fā)明還考慮了細晶強化的影響。鋼板晶粒大小除了與成分設(shè)計有關(guān)之外，還與軋制工藝密切相關(guān)。細晶強化對強度的貢獻根據(jù)公式Δσ0.2g＝19.7d-1/2，其中d是鐵素體晶粒尺寸。實際軋制過程中鋼的鐵素體晶粒尺寸一般在5-10um，由此可得晶粒細化對強度的貢獻在197-279MPa之間。這樣，析出強化和固溶強化貢獻之和約為285-367MPa。要獲得屈服強度達450-550MPa的高強耐候鋼，固溶強化的效果至少達到83-165MPa。根據(jù)固溶強化機理，置換元素如Mn，Cr等對強度的貢獻較小，加之其含量較低，因此對強度的貢獻可忽略，而固溶強化的效果主要取決于間隙原子C和N的含量，由于N基本被Ti全部固定，而C有一部分與Ti結(jié)合其析出強化作用，另一部分則起固溶強化作用。根據(jù)公式Δσ0.2s＝5000C，取固溶強化貢獻的中值124MPa，可知固溶的碳含量至少達到0.025％，加上與Ti結(jié)合的一部分C，故鋼中的碳含量至少達到0.03％，其含量應(yīng)控制在0.03-0.10％；Ti和C的含量應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，同時采用合適的加熱、軋制、冷卻以及卷取工藝制度才能獲得所需要的力學(xué)性能和耐候性。其中，Ti和C應(yīng)同時滿足下兩式：(1)1.0≤Ti/C≤4.0；(2)-2.75≤log10[Ti％][C％]≤-1.92；控制Ti/C的目的主要是為了獲得細小的納米級TiC；控制Ti和C 乘積的對數(shù)范圍主要是為了獲得足夠數(shù)量的細小納米TiC，若Ti和C的含量過高，則形成的TiC較為粗大，對強度的提高貢獻不大。本發(fā)明所涉及的高強度耐候鋼除了成分體系上的創(chuàng)新之外，還必須與創(chuàng)新性的工藝相結(jié)合才能獲得所述的高強度耐候鋼。首先，高Ti鋼的成分體系設(shè)計必須要求高的加熱溫度(如要求加熱溫度≥1260℃)以保證盡可能多的Ti固溶在基體中，這就要求控制鋼中Ti和C的含量使TiC的固溶溫度控制在相對較低的溫度范圍；其次，終軋結(jié)束后以較高的冷速(≥30℃/s)冷卻至合適的卷取溫度。軋后高冷速的目的：一是細化晶粒，提高強度；二是抑制在水冷過程中TiC的提前析出，使固溶在基體中的Ti和C盡量在卷取過程中形成，這樣形成的TiC尺寸細小，可達10nm以下，具有很強的析出強化效果；同時，卷取溫度也應(yīng)控制在合理的溫度范圍。由于TiC的析出動力學(xué)規(guī)律決定了其存在最佳的析出溫度范圍，在此范圍內(nèi)，TiC析出數(shù)量最多，平均寸最小，其析出強化效果最佳，從而利用細晶強化和析出強化保證鋼卷具有高強度和高韌性。本發(fā)明所述的高強度集裝箱用耐大氣腐蝕鋼的制造方法，其包括如下步驟：4)冶煉、鑄造按上述成分冶煉，采用鐵水預(yù)脫硫，轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉，RH真空循環(huán)脫氣工藝，同時進行鈣處理；5)鑄坯加熱控制鑄坯加熱溫度1260℃以上，并控制出爐溫度在1230℃以上，控制加熱爐的氣氛為還原性氣氛，并保溫3h以上；6)軋制采用兩階段控制軋制，控制粗軋結(jié)束溫度在1020℃以上，在950℃以上開始精軋，累計壓下率≥80％，精軋終軋溫度830～880℃，然后≥30℃/s的冷卻速率冷卻到580～660℃卷取，然后再空冷到室溫。本發(fā)明鋼中未添加Ni元素，采用加熱工藝抑制鋼坯加熱過程中產(chǎn)生的Cu脆?？刂畦T坯加熱溫度1260℃以上，并控制出爐溫度在1230℃以上，控制加熱爐的氣氛為還原性氣氛并保溫3h以上。加熱過程一方面保證鋼 坯充分奧氏體化，并保證鋼坯成分充分均勻化；對于本發(fā)明鋼來說，保證加熱時間≥3小時還有另外一個重要的作用：將鋼坯中的Ti析出粒子固溶進入到奧氏體組織中。Ti的固溶過程需要較高的溫度、以及較長的時間，且這些參數(shù)與鋼中的碳含量和Nb含量有關(guān)。這也是本發(fā)明對加熱過程進行控制的關(guān)鍵原因。軋制采用兩階段控制軋制，控制粗軋結(jié)束溫度在1020℃以上，在950℃以上開始精軋，累計壓下率≥80％，精軋終軋溫度830-880℃，并且隨著成品板厚的增加終軋溫度應(yīng)相應(yīng)降低，然后≥40℃/s的冷卻速率冷卻到580-660℃卷取，同樣也根據(jù)板厚的增加適當降低卷取溫度，然后再空冷到室溫。本發(fā)明鋼種不需要軋后熱處理，縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：1、本發(fā)明鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，屈服強度在450-550MPa以上，比普通耐候鋼強度大大提高，增加承重能力，適合集裝箱的減薄設(shè)計；而且本發(fā)明鋼種具有優(yōu)良的塑性，冷成形性好，特別適合集裝箱板的冷彎加工。2、本發(fā)明鋼不采用高的P含量，具有良好的焊接性能，同時通過控制Cu、Cr等抗大氣腐蝕性元素的含量，確保其耐大氣腐蝕性能不低于普通耐候鋼，耐候性為普通鋼材的2～8倍，鋼材使用時間越長，越能發(fā)揮這一優(yōu)勢。3、本發(fā)明鋼的碳當量小于等于0.38％，通常碳當量在0.41％以下即屬于易焊接鋼種。所以本發(fā)明鋼種具有良好的焊接性能，可以實現(xiàn)不預(yù)熱焊接，也避免了焊后熱處理。通過合理的成份設(shè)計和焊接材料推薦，可以有效提高焊接效率，獲得良好的焊接接頭性能。碳當量公式為：Ceq=C+Mn6+Cr+Mo+V5+Cu+Ni15]]>4、本發(fā)明鋼種采用控軋控冷生產(chǎn)，軋態(tài)交貨，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)周期短，同時發(fā)明鋼中不添加諸如Ni、Nb及V等貴重合金元素，鋼材成本較低，在各種冶金企業(yè)均可實施。具體實施方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1按照本發(fā)明鋼化學(xué)成份要求，采用轉(zhuǎn)爐冶煉，然后進行爐后精煉，獲得化學(xué)成份見表1，連鑄切坯送熱軋生產(chǎn)線，鋼坯加熱溫度為1260℃，采用兩階段控軋和軋后水冷并卷取，終軋溫度為830℃～880℃，卷取溫度為580℃～660℃。本發(fā)明鋼實施例的力學(xué)性能見表1所示。與相近鋼種進行了化學(xué)成分、力學(xué)性能等的對比，其中對比專利1為中國專利號ZL200410061112.4，對比專利2為中國專利號ZL200510111858.6。對比專利3為美國專利US6056833。表1本發(fā)明鋼與對比鋼種的化學(xué)成份、力學(xué)性能對比注：Pcm＝C+V/10+Mo/15+(Mn+Cu+Cr)/20+Si/30+Ni/60+5·B本發(fā)明鋼種與對比專利1的化學(xué)成份有明顯不同，本發(fā)明鋼種C含量為0.03～0.10％，而對比專利1鋼的C含量為0.01～0.04％；本發(fā)明鋼不添加Nb、V和Ni，而對比鋼中除了這些合金元素外，Mn含量也明顯高于本發(fā)明(0.4-0.8％)，且添加了貴重合金元素Mo，同時Ti的含量與本發(fā)明鋼種也明顯不同。而對比專利2要求V含量為0.01～0.15％，對比專利3要求V含量為0.06～0.14％。本發(fā)明鋼的力學(xué)性能要求與對比鋼不同，本發(fā)明鋼種屈服強度可滿足450-550MPa以上，而三個對比專利鋼種中除了對比專利2外其他的屈服強度要求均低于550MPa。實施例2按照本發(fā)明成分要求，在試驗室500kg真空感應(yīng)爐上冶煉本發(fā)明鋼?；瘜W(xué)成分見表2，制造工藝參見表3。鋼坯加熱溫度為1260℃，終軋溫度830～880℃，軋后加速冷卻至580℃～660℃卷取，隨后空冷至室溫。本發(fā)明鋼力學(xué)性能見表4。表2本發(fā)明鋼實施例－化學(xué)成分(wt％)實施例CSiMnPSAlCuCrTiCaN10.0300.320.540.0080.0040.0370.350.600.060.00210.004520.0310.390.800.0090.0030.0350.310.900.120.00380.004430.0470.320.610.0100.0030.0360.320.490.090.00290.005140.0660.300.490.0100.0030.0370.220.580.100.00560.003550.0780.470430.0100.0030.0450.330.760.110.00440.004660.0750.580.400.0100.0040.0330.280.540.0950.00280.003170.0880.310.800.0110.0050.0370.360.540.120.00150.0041表3表4從與現(xiàn)有專利的對比可發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鋼種采用更為經(jīng)濟的成分設(shè)計和連鑄連軋生產(chǎn)制造工藝，軋態(tài)交貨無需熱處理，鋼卷具有良好的焊接性能、耐候性，同時屈服強度滿足450-550MPa以上的高強度要求，特別是采用高Ti設(shè)計改善了冷成形性能，這是目前已發(fā)現(xiàn)的所有耐候鋼發(fā)明專利所不具備的。按本發(fā)明鋼種成分設(shè)計范圍及軋制工藝控制技術(shù)所得實施例鋼的屈服強度達450-550MPa級別，甚至可達到600MPa以上，延伸率在18％以 上。該鋼除具備高強度、高耐大氣腐蝕性能外，還具有良好的焊接、冷彎等加工性能，延伸率優(yōu)良，特別適用于集裝箱生產(chǎn)過程中的各種冷成形加工。當前第1頁1 2 3