一种高强耐候钢及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种高强耐候钢及其制造方法，属于耐候钢技术领域。
背景技术
耐候钢作为一类量大面广的钢种，在铁路货车、集装箱、桥梁、通讯及电力塔架等领域发挥着重要作用。耐候钢技术发展的主要方向是：1)高强化；2)高耐候性。在我国铁路货车运输“提高时速、减轻自重、增加载重”的大背景下，高强耐候钢率先批量应用于铁路货车上。目前，铁路货车用高强耐候钢的数量最多，年需求量约为30万吨，其成分体系为Cr-Ni-Cu系，屈服强度级别以450MPa为主，同时含少量500MPa和550MPa级。
铁路货车用高强耐候钢在强度级别提高的同时，耐大气腐蚀性能与345MPa级别的09CuPCrNi系列钢相比并没有显著改善。因此，在实际使用过程中，仍存在两个方面的问题：1)现有耐候性指标难以满足铁路货车设计使用寿命25-30年的技术要求，在厂修时，货车车体钢板截换率偏高，由此导致修理成本增加、厂修时间延长和货车周转作业率下降；2)受耐候性不高的影响，货车车体用钢板不能继续减薄。
中国专利申请号200710045329.X公开了“一种高耐蚀高强度耐候钢及其制造方法”，其特点是采用超低碳、低锰、中铬的Cr-Ni-Cu系成分设计、利用Ti微合金化，可生产屈服强度大于700MPa，72h周期浸润腐蚀速率小于25％(与Q345B普碳钢比较)的高耐候性高强耐候钢。尽管该专利发明的高耐候钢具有较好的技术指标，但其Cr含量高达4.50～5.50％，合金成本较高且焊接性能不好。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种屈服强度级别为450MPa以上、72h周期浸润加速腐蚀试验的相对耐蚀率小于30％(与Q345B普碳钢比较)的经济型高耐候性高强耐候钢及其制造方法。
本发明的技术解决方案是：
1)本发明提供的一种经济型的高耐候性高强耐候钢，包含以下化学成分(wt％)：C：0.0010～0.0040、Si：0.10～0.30、Mn：0.40～0.70、P≤0.020、S≤0.008、Cr：2.50～3.50、Ni：0.20～0.40、Cu：0.25～0.50、Re：0.01～0.03、Al：0.02～0.06、Ca：0.001～0.004、N：0.001～0.005、Ti：0.01～0.03，Nb：0.01～0.03，余量为Fe和不可避免的其他杂质元素。
上述各化学成分的作用如下所述。
C含量控制在0.0010～0.0040％，选用超低碳设计，减少显微组织中碳化物数量，保证了钢的组织均匀性，避免异相间产生的电偶腐蚀，提高钢的耐候性能。同时，超低碳的设计也能显著提高钢的焊接性能和低温韧性。
Si含量控制在0.10～0.30％，Si以固溶强化的形式提高钢的强度，但含量过高可导致焊接性能下降，因此将其控制在0.30％以下。
Mn含量控制在0.40～0.70％，Mn是重要的强韧化和奥氏体稳定化元素，可扩大奥氏体相区，促进贝氏体组织转变的形成。
S在钢中形成硫化物夹杂，不仅降低耐大气腐蚀性能，也影响钢的低温韧性，因此，在钢种设计时将S含量控制在0.008％以下。
P虽能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，但P含量过高会降低钢的塑韧性和焊接性能，因而，在钢种设计时将P含量控制在0.020％以下。
Al是钢中添加的主要脱氧元素，0.02～0.06％含量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。
Cr可显著提高钢的钝化能力，促进钢表面形成致密的钝化膜或保护性锈层，其在锈层内的富集能有效提高锈层对腐蚀性介质的选择性透过特性。将钢中Cr含量控制在2.50～3.50％，可明显提高耐候钢的耐大气腐蚀性能。
Cu能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，但过高的Cu会导致热脆，在轧制过程中形成裂纹或恶化钢的表面质量，因此其含量控制在0.25～0.50％。
Ni能显著改善钢的低温韧性，将Ni/Cu比控制在1/3～1/1的合适范围，可有效阻止Cu的热脆。由于Ni为贵重金属元素，出于成本因素，将Ni的上限控制在0.40％，过高的Ni会增大氧化皮的粘附性，压入钢中会在表面形成热轧缺陷。
Ti含量控制在0.01～0.03％，Ti是强氮化物形成元素，氮化钛能有效钉扎在奥氏体晶界，有助于抑制板坯再加热过程中的奥氏体晶粒长大，同时在再结晶控轧过程中抑制铁素体晶粒长大，提高钢的韧性。
Nb是强碳氮化物形成元素，其碳氮化物的析出主要作用是钉扎位错，从而提高钢的强度和韧性。从控制微合金化成本，提高耐候钢强度两方面考虑，将Nb含量控制在0.01～0.03％。
Ca含量控制在0.001～0.004％，向钢中加入Ca，可使钢中形成有利于提高耐腐蚀性能的CaO-Al2O3和CaS-MnS的复合夹杂物，这些碱性夹杂遇水后会提高钢表面碱度，阻止大气中酸性物质对基体的进一步腐蚀。同时，Ca元素有利于锈层中形成稳定致密的保护性氧化物α-FeOOH。
Re含量控制在0.01～0.03％，向钢中加入Re，一方面使硫化物夹杂球化，降低硫化物和基体间的电位差；另一方面可在钢板表层形成一层稀土保护膜，以提高耐候性能。但稀土加入量不能过多，容易形成大颗粒的稀土硫氧化物夹杂，影响钢的综合力学性能。因此，将其控制在0.03％以下。
2)本发明提供的一种高耐候性高强耐候钢的制造方法，冶炼工序包括转炉或电炉冶炼、精炼、板坯连铸，板坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取和精整，其特征在于：在钢水完全脱氧后，精炼结束前，向钢包中加入TiFe70钛铁0.16～0.50kg/t，并喂入Si-Ca线0.25～1.20kg/t；中间包浇铸温度1540～1555℃；在连铸结晶器内喂入Re含量大于97％的Ce和La混合稀土丝，加入量为0.10～0.50kg/t；板坯再加热温度为1180～1300℃；采用两阶段控制轧制，中间坯与成品厚度比值大于3.0；粗轧出口温度890～1050℃、精轧终轧温度800～860℃、轧后冷却速率10-15℃/s、卷取温度580-640℃。
本发明的发明思路是：
1)采用超低碳的成分设计，碳含量控制在0.001～0.004％，以减少碳化物析出；
2)采用2.50～3.50％的Cr含量设计，以提高钢的表面钝化能力和锈层保护性；
3)采用Ca加Re地夹杂物复合变质处理，以降低夹杂物与基体间电位差；
4)采用0.01～0.03％Ti和0.01～0.03％Nb微合金化，以提高钢的强度和韧性；
5)通过控轧控冷得到均匀的贝氏体组织。
本发明一种高强耐候钢及其制造方法的有益效果：
1)采用Ca加Re的夹杂物复合变质处理，在满足高耐候性要求的前提下，可将Cr含量控制在2.50～3.50％，从而具有较好的经济性；
2)本发明提供的钢种，其屈服强度达550MPa以上，与Q345B比较，其72h周期浸润腐蚀试验的相对腐蚀率小于30％，属于高耐候性高强耐候钢；可取代传统高强耐候钢，裸装或涂装用于铁路货车、集装箱、桥梁、通讯和电力塔架领域，以减轻构建自重，延长使用寿命。
3)本发明提供的钢种，可热轧状态直接供货，有效缩短供货周期，降低制造成本。
实施例
按照本发明钢成分要求，本发明提供的一种高耐候性高强耐候钢的制造方法，冶炼工序包括转炉冶炼、精炼、板坯连铸，板坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取和精整。炼钢工序采用转炉顶底复合吹炼、炉外精炼和板坯连铸。通过铁水喷吹颗粒镁深脱硫、在炉外精炼工序，首先造有利于吸附夹杂的精炼渣；钢水完全脱氧后，精炼结束前，向钢包中加入钛铁，以获得较高的Ti元素收得率；随后向钢包中喂入Si-Ca线，对夹杂进行部分变质处理，并保持30min以上静置时间以利于夹杂物的充分上浮。Re含量大于97％的Ce和La混合稀土丝在连铸结晶器喂入，以进一步完成对夹杂物的球化变质处理，减轻夹杂物对腐蚀的危害。各例的TiFe70钛铁、Si-Ca线和稀土丝的喂入量见表1。得到成分如表2所示的无缺陷板坯。
轧钢工序采用表3所示的热轧工艺参数，经过板坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取和精整，得到耐候性如表4、力学性能如表5所示的热轧高耐候性高强耐候钢的钢卷。
耐大气腐蚀性能的评定依据铁道行业标准《TB/T 2375-93铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》，以普通碳钢Q345B和高强耐候钢Q450NQR1为对比样，进行72h的周期浸润腐蚀试验。每个钢种选取3块平行试样，通过计算每块试样单位面积单位时间的腐蚀失重量，求其平均值得到平均腐蚀速率。耐候钢与Q345B的平均腐蚀速率比较，可得到其相对腐蚀速率。
按本发明提供的成分设计范围、冶炼和轧制工艺控制技术，所得实施例钢的72h周期浸润腐蚀试验的相对腐蚀速率小于30％(与Q345B比较)，耐候性能明显好于传统高强耐候钢；屈服强度大于550MPa，延伸率大于24％，180o冷弯合格。该钢属于高耐候性高强耐候钢；可取代传统高强耐候钢，裸装或涂装用于铁路货车、集装箱、桥梁、通讯和电力塔架领域，以减轻构建自重，延长使用寿命。
表3热轧工艺参数
表4耐大气腐蚀性能测试结果
表5钢的力学性能