一种含Ca低合金耐候钢及其制备方法和应用

摘要

本发明提供了一种含Ca低合金耐候钢，其化学成分及质量百分比含量如下：C：0.02～0.05％；Si：0.20～0.30％；Mn 0.6～1.00％；Ti：0.005～0.010％；Ca：0.0005～0.0020％；Cu：0.20～0.40％；Ni：0.20～0.60％；Nb：0.04～0.07％；P≤0.02％；S≤0.08％；Al≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明在钢中加入适量的Ca可以改变钢中夹杂物的尺寸和分布，利于钢中细小夹杂物生成并呈均匀弥撒分布，使钢的组织更为均匀，提高钢的强度，Ca与其他元素如Si、Cu等配合使用可有效地改善钢的耐候性，提高钢在自然条件下的耐蚀性，改善钢的耐腐蚀性能。

说明书

技术领域

本发明属于低合金钢制造领域，具体涉及一种含Ca低合金耐候钢及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国资源节约型与环境友好型社会的发展，桥梁钢的耐候性越来越受到重视。发展耐候桥梁钢，不仅能延长桥梁的整体使用寿命，而且能降低桥梁使用寿命期内的总费用。我国大陆海岸线长达18,000km，沿海地区通常是经济发达地区。随着这些地区桥梁建设尤其是跨海大桥建设的迅速发展，各种桥梁的建设也带动了对桥梁钢的需求，这些工程在加大了对桥梁钢需求的同时，对桥梁钢的性能也提出了更高的要求，不但要求有较高的强度、韧性和良好的焊接性能，有的还要求有一定的耐候性。

近年来低合金桥梁钢的开发及应用所产生的风潮已经席卷了整个北美，同时波及到欧洲及亚洲等区域。低合金桥梁钢在强度、韧性、耐候性、焊接性、抗疲劳等方面的性能都取得了大幅度的提高，在大跨度桥梁建设中具有广泛的应用前景。自A3q钢(屈服强度235MPa)、16Mnq钢和14MnNbq钢(屈服强度345MPa)成功的应用于公路和铁路桥梁以来，低合金桥梁钢也将开始应用于大型的工程项目。目前低合金桥梁钢还未在实际桥梁工程中得到广泛的应用，尤其在国内还仅仅是处于低合金桥梁钢的研制和开发过程中。

发明内容

因此，针对现有低合金耐候钢开发中合金成本高的不足，本发明提供一种较低成本且保证低合金耐候钢在工业海洋大气环境中具有良好耐腐蚀性能的低合金耐候钢及其制备方法。在保证该低合金耐候钢具有良好的综合力学性能的前提下，控制合金元素的成本，避免在生产过程中产生裂纹等现象，使之适合于工业化生产，在炼钢、连铸及轧制生产过程中简单易控制。

具体的，本发明提供的含Ca低合金耐候钢的化学成分及质量百分比含量如下：C：0.02～0.05％；Si：0.20～0.30％；Mn 0.6～1.00％；Ti：0.005～0.010％；Ca：0.0005～0.0020％；Cu：0.20～0.40％；Ni：0.20～0.60％；Nb：0.04～0.07％；P≤0.02％；S≤0.08％；Al≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。

优选地，所述耐候钢的化学成分及质量百分比含量如下：

C：0.025～0.03％；Si：0.22～0.25％；Mn 0.60～0.75％；Ti：0.005～0.010％；Ca：0.0008～0.0013％；Cu：0.31～0.35％；Ni：0.21～0.42％；Nb：0.06～0.07％；P≤0.02％；S≤0.08％；Al≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。

优选地，本发明还提供了含Ca低合金耐候钢的制备方法，包括如下步骤：

S1：对含Ca低合金耐候钢的钢水进行熔炼，所述耐候钢的化学成分及质量百分比含量为：C：0.02～0.05％；Si：0.20～0.30％；Mn 0.6～1.00％；Ti：0.005～0.010％；Ca：0.0005～0.0020％；Cu：0.20～0.40％；Ni：0.20～0.60％；Nb：0.04～0.07％；P≤0.02％；S≤0.08％；Al≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质；

S2：将熔炼后的钢水进行浇铸，形成钢锭，将所述钢锭开坯并热锻成一定尺寸的钢坯，将钢坯加热到1200℃，保温30min；

S3：采用两阶段控轧轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度1050～1070℃，终轧温度为1000℃；第二阶段为精轧，开轧温度900～950℃，终轧温度800～850℃，制成钢板；

S4：向轧制形成的钢板喷水冷却至500-530℃，然后空冷至室温，即得所述含Ca低合金耐候钢。

更优选地，S2中，所述钢坯的断面为80mm×80mm×400mm。

更优选地，S4中，冷却速度为12-16℃/min。

本发明具有如下有益效果：

本发明在钢中加入适量的Ca可以改变钢中夹杂物的尺寸和分布，利于钢中细小夹杂物生成并呈均匀弥撒分布，使钢的组织更为均匀，提高钢的强度，Ca与其他元素如Si、Cu等配合使用可有效地改善钢的耐候性，提高钢在自然条件下的耐蚀性，改善钢的耐腐蚀性能。该低合金耐候钢是一种耐工业海洋大气腐蚀钢，主要应用于工业海洋大气环境下桥梁的建设。

该低合金耐候钢采用控轧控冷(TMCP)制造工艺进行制备，采用两阶段轧制，第一段为粗轧，开轧温度1050～1070℃，累计压下率≥50％，目的是使钢的细化奥氏体晶粒；第二阶段轧制为精轧，开轧温度900-950℃，终轧温度800～850℃，累计压下率≥70％，目的通过热轧细化组织，产生大量位错，增加析出相的形核位置，促进析出相析出，在轧后不需要热处理，能以热轧状态供货，有效保证了供货周期，降低了生产成本，并且克服了钢板规格受热处理炉限制的不足。

附图说明

图1为本发明实施例提供的轧制工艺示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

为了使低合金耐候钢具有较高的强度，同时具有良好冲击韧性和焊接性能，本发明以在低合金耐候钢中适量添加Ca元素的方式，提高钢的性能。由于适量Ca可以提高钢的强度并且可以作为冶炼过程中的净化剂，可以改变钢中夹杂物的尺寸和分布，使钢的组织更为均匀，提高钢的强度，Ca与其他元素如Si、Cu等配合使用可改善钢的耐候性，提高钢在自然条件下的耐蚀性，改善钢的耐腐蚀性能。

具体的，本发明提供的低合金钢配方中，各化学元素影响如下：

C的影响：C是钢中最基本的强化元素，也是强化作用最强的合金元素之一，但随着钢中碳含量的增加，虽然可获得较高的抗拉强度和硬度，其塑性和韧性却明显降低，热处理时钢易产生裂纹，过高的含碳量还会恶化焊接性，所以一般低合金高强钢的成分设计时碳含量在0.2％以下。

Mn的影响：Mn是常用的脱硫、脱氧元素，可以防止因FeS而产生的热脆和焊接热裂纹。Mn与α-Fe和γ-Fe均无限固溶，在奥氏体和铁素体组织中，Mn能起到较强的固溶强化作用。由于Mn会导致钢的临界点降低，进而促使奥氏体冷却时的过冷度提高，细化珠光体组织，使最终冷却后的渗碳体细化，从而改善组织的韧性。随着Mn的加入钢的淬透性会急剧提高，耐磨性也会改善。Mn是既能提高钢的强度又能改善韧性的元素之一，而且储量大价格低廉，是合金钢中重要的合金化元素，挖土机铲斗所用的Mn钢含Mn量高达11-14％，具有极高的耐磨性。但Mn含量并不是越多也好，过多的Mn反而会使晶粒粗化，产生回火脆性，并且使组织对过热敏感。

Si的影响：钢的冶炼过程中，Si常被作为还原剂和脱氧剂而加入到钢中，同时Si也是重要的合金化元素之一。和Mn一样，Si也属于廉价元素，Si能提高钢的电阻率，降低磁滞损耗，是电器行业所用硅钢的主要组成元素。Si也是制造弹簧钢的重要组分，因为Si能提有效提高钢的强度，尤其是弹性极限。Si还能使钢的淬透性和抗回火性增强，提高钢在自然条件下的耐蚀性。但钢中Si浓度过高时，焊接时会产生严重的喷溅，恶化焊缝质量，并易产生冷脆。

Ni的影响：Ni对钢的固溶强化和提升淬透性的作用中等，但可以细化铁素体晶粒，并在不影响强度的条件下提高钢的韧性，尤其是低温冲击韧性。Ni能提高钢的耐蚀性，与Cr、Mo联合使用效果更好并能提高钢的热强性，Ni是奥氏体稳定元素，是热强钢和奥氏体不锈钢的主要成分之一，但Ni的价格昂贵，近年来Ni的价格一直在上涨。

常用的微合金元素有Ti、B、Zr、V和稀土等，虽然相比普通元素，它们的加入量极少，一般含量不超过0.2％有时甚至会低于0.001％，但却可以对组织产生深远影响。

Ti的影响：Ti化学性质活泼，极易和碳氮元素反应生成碳氮化物。Ti溶于固溶体中，会产生明显的固溶强化作用但会恶化韧性。Ti以固溶态存在于奥氏体中时，组织的淬透性会显著提高，但若Ti以化合物形态存在于奥氏体中，颗粒细小的化合物会加速奥氏体的分解，反而使淬透性降低。钢的耐回火性、抗氧化性和热强性都会随着Ti的加入而提高，Ti也会产生二次硬化效果。钢中Ti含量超过一定值，会形成弥散分布的第二相粒子，产生时效强化。在MAG焊过程中，活泼的Ti可被大量烧损，保护重要元素免遭氧化。

Nb的影响：Nb属于强碳氮化物形成元素，并有很强的固溶强化作用。对钢淬透性的影响与V、Ti相似。Nb也可以细化晶粒，并降低组织的低温脆性转变温度，进而提高低温冲击韧性。钢的强度会随着微量Nb的加入而提高，并且不会影响韧性。

Ca的影响：

钢中加入适量的Ca可以改变钢中夹杂物的尺寸和分布，利于钢中细小夹杂物生成并呈均匀弥撒分布，从而使钢的组织更为均匀，提高钢的强度并改善钢的耐腐蚀性能。

稀土元素的影响：钢中加入微量的稀土元素可以有效减少焊缝中的氧化物、氮化物、硫化物等杂质，并改变焊缝中夹杂物的形态，使得原本对组织不利的长条形夹杂物转变成球形夹杂物，减少夹杂物带来的不利影响。

以下就本发明的技术方案进行具体的举例说明。

实施例1

一种含Ca低合金耐候钢，其化学成分及质量百分比含量为：C：0.03％；Si：0.22％；Mn：0.75％；Cu：0.31％；Ni：0.22％；Nb：0.06％；Ti：0.01％；P：0.02％；S：0.007％；Ca：0.001％；其余为Fe和不可避免的杂质。

该含Ca低合金耐候钢的制备方法，包括以下步骤：

采用真空感应炉熔炼200kg化学成分如上所示的钢水，将熔炼后的钢水进行浇铸，形成钢锭，将钢锭开坯并热锻成断面80mm×80mm×400mm的钢坯，将钢坯加热到1200℃，保温30min；

采用两阶段控轧轧制，其轧制工艺示意图如图1所示，第一阶段为粗轧，开轧温度1070℃，累计压下率50％，终轧温度为1000℃；第二阶段为精轧，开轧温度950℃，终轧温度840℃，累计压下率70％，制成钢板；向轧制形成的钢板喷水冷却至507℃，然后空冷至室温，冷却速度为15℃/min，即得所述含Ca低合金耐候钢。

实施例2

一种含Ca低合金耐候钢，其化学成分及质量百分比含量为：C：0.027％；Si：0.23％；Mn：0.63％；Cu：0.31％；Ni：0.21％；Nb：0.07％；Ti：0.010％；P：0.015％；S：0.002％；Ca：0.0008％；其余为Fe和不可避免的杂质。

该含Ca低合金耐候钢的制备方法，包括以下步骤：

采用真空感应炉熔炼200kg化学成分如上所示的钢水，将熔炼后的钢水进行浇铸，形成钢锭，将钢锭开坯并热锻成断面80mm×80mm×400mm的钢坯，将钢坯加热到1200℃，保温30min；

采用两阶段控轧轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度1060℃，累计压下率50％，终轧温度为1000℃；第二阶段为精轧，开轧温度950℃，终轧温度830℃，累计压下率70％，制成钢板；向轧制形成的钢板喷水冷却至530℃，冷却速度为16℃/min，然后空冷至室温，即得所述含Ca低合金耐候钢。

实施例3

一种含Ca低合金耐候钢，其化学成分及质量百分比含量为：C：0.03％；Si：0.22％；Mn：0.75％；Cu：0.35％；Ni：0.42％；Nb：0.06％；Ti：0.01％；P：0.02％；S：0.002％；Ca：0.0013％；其余为Fe和不可避免的杂质。

该含Ca低合金耐候钢的制备方法，包括以下步骤：

采用真空感应炉熔炼200kg化学成分如上所示的钢水，将熔炼后的钢水进行浇铸，形成钢锭，将钢锭开坯并热锻成断面80mm×80mm×400mm的钢坯，将钢坯加热到1200℃，保温30min；

采用两阶段控轧轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度1060℃，累计压下率50％，终轧温度为1000℃；第二阶段为精轧，开轧温度950℃，终轧温度830℃，累计压下率70％，制成钢板；向轧制形成的钢板喷水冷却至530℃，冷却速度为16℃/min，然后空冷至室温，冷却速度为15℃/min，即得所述含Ca低合金耐候钢。

对比例1

一种无Cr合金钢，其化学成分及质量百分比含量为：C：0.035％；Si：0.25％；Mn：0.75％；Cu：0.32％；Ni：0.20％；Nb：0.06％；Ti：0.012％；Al：0.02％；P：0.018％；S：0.001％；其余为Fe和不可避免的杂质。

该无Cr合金钢的制备方法，包括以下步骤：

采用真空感应炉熔炼200kg化学成分如上所示的钢水，将熔炼后的钢水进行浇铸，形成钢锭，将钢锭开坯并热锻成断面80mm×80mm×400mm的钢坯，将钢坯加热到1200℃，保温30min；

采用两阶段控轧轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度1065℃，累计压下率50％，终轧温度为1000℃；第二阶段为精轧，开轧温度950℃，终轧温度850℃，累计压下率70％，制成钢板；向轧制形成的钢板喷水冷却至527℃，冷却速度为15℃/min，然后空冷至室温，即得无Cr合金钢。

对比例2

一种合金钢，其化学成分及质量百分比含量为：C：0.038％；Si：0.24％；Mn：0.73％；Cu：0.30％；Ni：0.22％；Cr：0.43％；Nb：0.06％；Ti：0.01％；Al：0.02％；P：0.016％；S：0.001％；其余为Fe和不可避免的杂质。

该合金钢的制备方法，包括以下步骤：

采用真空感应炉熔炼200kg化学成分如上所示的钢水，将熔炼后的钢水进行浇铸，形成钢锭，将钢锭开坯并热锻成断面80mm×80mm×400mm的钢坯，将钢坯加热到1200℃，保温30min；

采用两阶段控轧轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度1065℃，累计压下率50％，终轧温度为1000℃；第二阶段为精轧，开轧温度950℃，终轧温度850℃，累计压下率70％，制成钢板；向轧制形成的钢板喷水冷却至518℃，冷却速度为13℃/min，然后空冷至室温，即得低合金耐候钢。

对实施例1-3以及对比例1-2所制得合金钢进行性能测试，具体通过常规手段测试力学性能、并计算焊接性能和耐腐蚀性能，所测得的合金钢的力学性能如表1所示。

表1 合金钢的力学性能

表中，耐腐蚀指数I计算公式为美国材料与试验协会标准ASTM G101-01中修正的Legault-Leckie公式，其值越大，耐腐蚀性越强，计算公式为：

I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Ni)(％Cu)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)(％Cu)

此外，焊接冷裂纹敏感系数计算公式为：

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B

由表1可以看出，本发明实施例1-3合金钢的屈服强度≥412MPa，抗拉强度≥508MPa，延伸率≥39.8％，-40℃下比冲击功≥335J，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm小于0.097，耐腐蚀性指数I大于5.83，以上数据表明试验钢具有优良的力学性能，尤其是具有优异的低温韧性；同时具有良好的焊接性能和耐大气腐蚀性能，与含Cr的低合金钢相比，不仅性能优良，还大大降低了生产成本。此外，避免了现有低合金钢生产和使用过程中可能造成的由+6价Cr导致的毒性和环境污染问题。

为了更好的表征实施例1-3制备得到的合金钢在模拟工业海洋大气条件(含Cl^-和SO₂)下的腐蚀性能，采用干湿周浸法对实例钢的耐腐蚀性能进行测试，其结果如表2所示，向钢中添加适量Ca元素，能够提高钢的耐工业海洋大气腐蚀性能。

表2 本发明实施例钢和对比钢在模拟工业海洋大气条件下腐蚀结果比较

由表2可以看出，适当增加钢中的Ca含量，在降低生产成本的同时，可以降低钢的腐蚀深度，提高钢的耐工业海洋大气腐蚀性能。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。