CN115852245B - 一种冷轧贝氏体型耐候钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷轧贝氏体型耐候钢，其特征在于，包括以质量百分比计的化学成分：C：0.13～0.16％；Mn：1.20～1.50％；Si：0.001～0.2％；P：0.008～0.025％；Alt：0.02～0.06％；Cu：0.25～0.40％；Cr：0.40～0.70％；Ni：0.10～0.30％；Ti：0.015～0.030％；Nb：0.008～0.020％；Fe≥90％；冷轧贝氏体型耐候钢的微观组织包括贝氏体和铁素体，其中贝氏体的体积分数为40～80％；该钢的屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥800MPa，伸长率≥5％。采用上述技术方案，可以控制上述钢中化学成分的含量能够保证在一定的热处理工艺下获得预期的强度并使成品获得良好的耐候性能，结合控制钢中包含以贝氏体和铁素体为基体的多相微观组织，使上述冷轧贝氏体型耐候钢同时具有良好的机械性能。本发明还公开了上述冷轧贝氏体型耐候钢的制备方法。

Description

一种冷轧贝氏体型耐候钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种冷轧钢，特别是涉及一种冷轧贝氏体型耐候钢及其制备方法。

背景技术

随着全球变暖和节能减排要求，世界各国均一致采取行动。2020年9月，我国政府在联合国大会上对外承诺，力争于2030年前碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和。因此高强减重在运输业对有着重要意义，由此薄板带钢的高强减薄也成为钢铁业的发展趋势。冷轧超高强耐候钢主要应用于集装箱侧板与顶板生产制造，主要需要满足两方面的需求：耐候性和屈服强度。

根据有关资料统计表明，世界上每年约有1/6的钢材因腐蚀而损耗。耐候钢就是在这样的背景下应运而生的，其特点是在钢中加入少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素。其作用使钢铁材料在锈层和基体之间形成一层约50～100μm厚的致密且与基体金属粘附性好的非晶态尖晶石型氧化物层，阻止了大气中的水和氧向钢铁基体渗入，从而提高了钢铁材料耐大气腐蚀能力。

而需要超高屈服强度钢的主要目的是通过提高带钢的强度从而进行厚度减薄，进而提高运输效能，减少能源消耗与碳排放。在二十一世纪最初几年，集装箱面板一般厚度为1.6mm左右，基体的屈服强度在350MPa左右。随着冷轧超高强钢生产技术发展，面板的用材厚度减薄到1.2mm左右，屈服强度相应提高到700MPa及以上。

随着超高强钢耐候钢的生产技术发展，国内也申请了相关专利。例如，中国发明专利CN101376950A公开了一种超高强度冷轧耐候钢板及其制造方法，该方法采用的化学成分(wt％)：C：0.09～0.16、Si：0.20～0.60、Mn：1.00～2.00、P：≤0.030、S≤0.015、N≤0.008、Al：0.02～0.06、Cu：0.20～0.40、Cr：0.40～0.60、Mo：0.05～0.25、Nb+Ti：0.04～0.08、其它为Fe和不可避免杂质。按照该发明的方法，使用的退火均热温度为680～790℃，优选实施案例为700～740℃，属于低温退火常规生产工艺。该方法主要缺点是没有利用相变强化来增加钢强度，而且需要添加较多的贵合金如Mo，Nb，Ti等造成成本升高。同时，在连退低温生产时，带钢内应力释放不均匀，可能还有板形问题。

中国发明专利CN103266274A公开了一种超高强度冷轧耐候钢板及其制造方法，其化学元素质量百分配比为：C：0.05～0.16％；Mn：1.00～2.20％；Al：0.02～0.06％；Cu：0.20～0.40％；Cr：0.40～0.60％；Ti：0.015～0.035wt％；P≤0.03％；且满足0.19％＜C+Mn/16＜0.23％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。该专利基体成分没有添加Nb合金，微观组织为马氏体，为了得到马氏体，要求较高的退火均热温度即850～880℃，冷却速度＞100℃/s。该专利对应的退火条件较为苛刻，对退火机组的快速冷却能力要求较高。按照该发明，成品的屈服强度＞700MPa，抗拉强度＞1000MPa，优选实施案例给出的抗拉强度最高达1235MPa，因为抗拉强度过高，在某些使用场合下，容易出现带钢开裂问题。

中国发明专利CN107841689A公开了一种耐候钢板及其制造方法，其成分以质量％计含有C：0.04～0.10％、Si：0.18～0.35％、Mn：1.00～1.60％、P：0.008～0.015％、Cu：0.25～0.45％、Cr：0.40～0.60％、Ni：0.30～0.50％、Alt：0.02～0.05％、Nb：0.01～0.05％，余量为铁和无法避免的杂质。该专利涉及的制造方法为冶炼、精炼、连铸、加热及轧制，其中精轧阶段的开轧温度为850～970℃，终轧温度为780～860℃，精轧后停留10～30秒，这也是该专利的关键工艺点。对应产品形态为热轧产品，不涉及冷轧超高强耐候钢生产制造。

中国发明专利CN107829024A公开了一种700MPa级以上超高强度耐候钢板及其热连轧生产方法，化学成分为碳：0.06～0.08％，硅：0.15～0.25％，锰：1.25～1.35％，磷：≤0.018％，硫：≤0.005％，全铝：0.02～0.05％，铌：0.05～0.07％，钛：0.09～0.13％，铬：0.37～0.45％，铜：0.20～0.28％，镍：0.10～0.15％，氮：≤0.0050％，其余为铁。该专利给出的制造工艺出炉温度控制为1250～1280℃，卷取温度为570～610℃。该专利对应的成品厚度为1.5～6.0mm，对应的产品形态为热轧产品，不涉及冷轧超高强耐候钢生产制造。

发明内容

一方面，本发明提供了一种冷轧贝氏体型耐候钢，其特征在于，包括以质量百分比计的化学成分：C：0.13～0.16％；Mn：1.20～1.50％；Si：0.001～0.2％；P：0.008～0.025％；Alt：0.02～0.06％；Cu：0.25～0.40％；Cr：0.40～0.70％；Ni：0.10～0.30％；Ti：0.015～0.030％；Nb：0.008～0.020％；Fe≥90％；冷轧贝氏体型耐候钢的微观组织包括贝氏体和铁素体，其中贝氏体的体积分数为40～80％；冷轧贝氏体型耐候钢的屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥800MPa，伸长率≥5％。

采用本申请的技术方案，通过控制上述冷轧贝氏体型耐候钢中化学成分的含量，例如合理控制C、Mn元素的含量，能够保证在一定的热处理工艺下获得预期的强度；而控制Cu、Cr元素的含量可以使成品获得良好的耐候性能。结合控制冷轧贝氏体型耐候钢中包含以贝氏体和铁素体为基体的多相微观结构，使上述冷轧贝氏体型耐候钢具有良好的机械性能：屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥800MPa，伸长率≥5％。

下面简要说明各化学元素的设计思路和它们彼此之间的相互作用以及所要求保护的合金的化学成分的限制。

C：碳元素是钢铁生产中的最重要的基体强化元素，对应生产成本最低，可有效提高钢强度，但是过多的碳元素对焊接性能有不利影响。需要将碳含量控制在一个合理范围内，在本申请中，控制C的质量百分比为0.13～0.16％。

Mn：锰元素是钢中的固溶强化元素，同时也能提高钢的淬透性，有利于提高钢板的强度，但是当Mn含量太高时，也会恶化钢的焊接性能。相比于碳，锰元素在提高强度的同时还能保持一定的韧性。因此在本申请中，控制Mn的质量百分比为1.20～1.50％。

Si：硅为固溶强化元素，能溶于铁素体中提高钢的硬度和强度，同时改善塑性；但是Si添加过多时会带来热轧红铁皮等工序表面问题，在本申请中，控制Si的质量百分比为0.001～0.2％；

P：磷元素一方面能和Cu形成耐腐蚀的阻挡层，提高钢板耐大气腐蚀性能，另一方面，也会降低带钢的焊接性能和冷弯性能。综合考虑，在本申请的冷轧贝氏体型耐候钢中，将磷的质量百分比控制为0.008～0.025％。

Al：钢中添加铝元素主要目的是为了脱氧。因为钢水在转炉完成后有一定的自由氧，通过添加铝的方式去除自由氧，以减少钢中内生夹杂物。同时保持一定的过剩铝，还能与N形成AlN颗粒，从而细化晶粒，提高成品屈服强度。本申请中，Al的总含量(Alt)控制为0.02～0.06％。

Cu：铜元素是耐候钢的关键控制元素，能够促进钢板表面形成稳定致密的锈蚀产物，从而达到耐大气腐蚀的目的。为了达到该目的，铜含量一般不低于0.2％。另一方面，铜的熔点相对较低，在板坯加热过程中，板坯表层的富铜相在熔融状态下达到一定程度时会导致表面开裂，从而造成“铜脆”缺陷，因此铜的上限也需要控制。在本申请中，铜的含量控制为0.25～0.40％。

Cr：一方面，铬元素是固溶强化元素，能够提高基体强度；另一方面，铬与铜同时添加能够在钢板表面形成致密的氧化膜从而提高耐候性能。但是铬添加太高时，会降低成品的焊接性能。在本申请中，铬的含量控制为0.40～0.70％。

Ni：镍元素一方面能够提高带钢的耐蚀性，另一方面还能够缓解“铜脆”缺陷；另外镍元素还能够强化铁素体从而提高带钢强度。在本申请中，镍的含量控制为0.10～0.30％。

Ti：钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，能够与之生成相应的化合物。其通过析出强化和细晶强化后可以提高成品的屈服强度和成形性能。在本申请中，钛的含量控制为0.015～0.030％。

Nb：铌与钛作用相似，能够与碳形成碳化铌化合物，起到析出强化和细晶强化作用，从而提高带钢的屈服强度。另外，铌合金单价较高，添加过多会造成生产成本。在本申请中，铌的含量控制为0.008～0.020％。

进一步地，上述冷轧贝氏体型耐候钢中化学成分的余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步地，在上述不可避免的杂质中，控制S的含量：S≤0.01％。

S是钢中的杂质元素，在条件允许情况下，为了获得性能更好的冷轧钢，应尽可能降低钢中杂质元素的含量。

另一方面，本发明还公开了一种冷轧贝氏体型耐候钢的制备方法包括步骤：冶炼、连铸、热轧、酸洗、冷轧、连续退火和平整；其中，冷轧贝氏体型耐候钢包括以质量百分比计的化学成分：C：0.13～0.16％；Si：0.001～0.2％；Mn：1.20～1.50％；P：0.008～0.025％；Alt：0.02～0.06％；Cu：0.25～0.40％；Cr：0.40～0.70％；Ni：0.10～0.30％；Nb：0.008～0.020％；Ti：0.015～0.030％；Fe≥90％；

冷轧贝氏体型耐候钢的微观组织包括贝氏体和铁素体，其中贝氏体的体积分数为40～80％；冷轧贝氏体型耐候钢的屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥800MPa，伸长率≥5％。

采用本发明中的制备方法，具有上述化学组分的钢经过两次轧制(热轧+冷轧)和连续退火步骤之后，可以得到一种冷轧贝氏体型耐候钢，该冷轧贝氏体型耐候钢中包含体积分数为40～80％的贝氏体，且具有良好的机械性能：屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥800MPa，伸长率≥5％，可以满足钢增强减重的要求。

进一步地，在上述连续退火步骤中，控制均热保温温度≥820℃，均热保温时间为120～200s，控制缓冷结束温度为700～730℃，控制快冷结束温度为340～360℃，控制快冷速率为55～70℃/s。

在本申请中，控制退火均热保温温度为820℃以上并保温120～200s的主要目的是使轧硬态组织充分再结晶并奥氏体化；先缓冷到缓冷结束温度700～730℃，然后以55～70℃/s的快冷速率降温到贝氏体转变区温度340～360℃，也即快冷结束温度。采用55～70℃/s的快冷速率冷却到340～360℃，是为了获得具有目标贝氏体体积分数的组织，从而提高成品屈服强度。本技术方案提供的快冷速率(55～70℃/s)相比马氏体高氢快冷工艺(快冷速率在100℃/s以上)较低，能降低连退机组的快冷能力要求，能够在快冷能力受限的条件下获得冷轧贝氏体型耐候钢性能。

进一步地，在上述热轧步骤中，控制加热温度为1150～1220℃，控制终轧温度为850～910℃，控制卷取温度为480～540℃。

对于热轧工艺，本发明采用较低的板坯加热温度1150～1220℃，是为了在确保C、N化合物充分溶解的前提下，同时尽量减少板坯发生“铜脆”缺陷；热卷卷取时，卷取温度为480～540℃，主要是考虑在较低温度下卷取，避免热卷发生扁卷。

此外，在冷轧步骤中，还可以控制轧机压下率为55～70％。当压下率较低时，热轧晶粒未被完全轧长破碎，积累的形变能不足，会导致退火时再结晶晶粒尺寸相对较大，成品屈服强度会下降；而增大变形量会造成轧辊损耗较大，带来轧硬卷板形等问题。但是增大变形量对降低退火均热温度和提高带钢屈服强度是有益的。综合考虑，本申请中，控制控制轧机压下率为55～70％。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的化学成分中，碳锰含量适中，决定了成品能够获得一定的强度；然后通过合理控制Cu，Cr，Ni元素的含量保证了成品的耐候性能，通过添加Nb，Ti细化了晶粒，能够提高成品的屈服强度。

2、采用本发明提供的长流程制造方法，包括热轧和冷轧步骤，可以采用较低的连退均热温度与较低的快速冷却速度，生产出具有较高屈强比的冷轧贝氏体型耐候钢。且在普通的连退机组中，通过贝氏体转变工艺生产制造的冷轧钢板能够用于制造集装箱面板。该集装箱面板板形与表面质量优好，成品的屈服强度能够达到标准要求。

附图说明

图1是实施例1的冷轧贝氏体型耐候钢的微观组织照片；

图2是对比例2的冷轧贝氏体型耐候钢的微观组织照片。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1-16以及对比例1-4

本发明中实施例1-16以及对比例1-4的冷轧贝氏体型耐候钢均采用以下步骤制得：

步骤1、冶炼。在此步骤中，高炉铁水经过炼钢转炉机组进行吹炼，然后采用真空循环脱气法(RH)进行精炼。

具体地，在高炉中利用铁矿石、焦炭和其它溶剂在大型反应容器生产出液态铁，并通过鱼雷罐车运送到炼钢厂，并在运送过程中进行脱硫脱硅等处理。铁水的化学元素成分按照常规控制要求。转炉过程利用顶底复合吹氧对铁水进行吹炼，去除铁水中非金属夹杂物和各种杂质。精炼时利用真空循环脱气设备对钢包钢水进行二次精炼，主要目的是脱气、脱氧，并添加合金，使钢水的各化学元素成分调整至规定的范围之内，其中各化学元素的控制要求见上面所述，真空脱气时间控制在15min以上。

步骤2、连铸。经过二次精炼后的钢水注入中间包，钢水过热度按照10～20℃进行管控；在连铸设备中快速冷却凝固为固态并通过火焰切割为一定尺寸的钢坯，连铸的速度按照1.0～1.5m/min进行管控，钢坯的厚度为230～250mm。

步骤3、热轧。在此步骤中对钢坯重新加热并按照一定的工艺要求轧制到一定厚度范围的热轧卷，热轧的主要工艺包括板坯加热温度：1150～1220℃，板坯保温时间在150min以上，板坯经过5道次粗轧后进入7机架精轧机，出精轧机架终轧温度为850～920℃；经过层流冷却后带钢卷取控制温度为480～540℃。热轧带钢的厚度只是中间厚度，范围为2.3～6.0mm。

步骤4、酸洗。采用常规酸洗工艺。此步骤的主要目的是去除热轧卷表面的氧化铁皮和脏污杂质，并达到一定的表面清洁度，此过程带钢的厚度不发生改变。

步骤5、冷轧。以酸洗卷为原料，主要目的是将带钢进一步轧制变薄，并保证一定的板形、表面粗糙度和厚度精度。本工序的关键工艺是变形量，也就是轧制压下率，一般控制在55～70％左右，本工序的产品一般称为轧硬卷。

步骤6、连续退火。以轧硬卷为原料进行热处理，主要目的是通过热处理使轧硬态组织再结晶并获得期望的、具有一定比例的金相组织，从而改善钢的塑性并达到一定强度。在此步骤中，控制退火均热保温温度≥820℃，均热保温时间：120～200s；缓冷结束温度：700～730℃；快冷结束温度：340～360℃，快冷速率：55～70℃/s。

步骤7、平整。

上述实施例和对比例中冷轧贝氏体型耐候钢的化学成分和制备过程的工艺参数具体参见下列表格。

表1列出了实施例1-16和对比例1-4的冷轧贝氏体型耐候钢的各化学元素的质量百分比。

表1.(余量为Fe和除了S以外的其他不可避免的杂质)

序号	C	Si	Mn	P	S	Alt	Nb	Ti	Cu	Ni	Cr
												对比例1	0.1231	0.041	1.22	0.0119	0.0017	0.0296	0.012	0.024	0.284	0.145	0.488
对比例2	0.1486	0.007	1.308	0.0094	0.0024	0.0321	0.003	0.0189	0.268	0.134	0.469
												对比例3	0.1310	0.007	1.1	0.0094	0.0024	0.0321	0.003	0.0189	0.268	0.134	0.391
对比例4	0.1482	0.009	1.279	0.0096	0.0025	0.0255	0.0001	0.0187	0.252	0.140	0.472
												实施例1	0.1369	0.027	1.282	0.0095	0.0045	0.0325	0.009	0.0215	0.271	0.135	0.471
实施例2	0.1414	0.002	1.29	0.0119	0.0029	0.0365	0.02	0.0185	0.267	0.149	0.455
												实施例3	0.1533	0.026	1.335	0.0080	0.0049	0.0496	0.012	0.0177	0.281	0.287	0.473
实施例4	0.1482	0.009	1.279	0.0096	0.0025	0.0255	0.01	0.0187	0.252	0.140	0.472
												实施例5	0.1466	0.019	1.45	0.0122	0.0031	0.0306	0.008	0.0189	0.258	0.141	0.483
实施例6	0.1591	0.016	1.336	0.0111	0.003	0.0348	0.01	0.0203	0.275	0.142	0.478
												实施例7	0.1435	0.016	1.355	0.0115	0.004	0.035	0.008	0.019	0.261	0.141	0.58
实施例8	0.1523	0.04	1.31	0.0102	0.0031	0.029	0.011	0.0197	0.284	0.150	0.68
												实施例9	0.158	0.017	1.48	0.0207	0.0024	0.0305	0.009	0.02	0.304	0.140	0.468
实施例10	0.1414	0.02	1.2	0.0119	0.0029	0.0365	0.019	0.0185	0.267	0.249	0.455
												实施例11	0.147	0.021	1.317	0.0171	0.0062	0.0548	0.008	0.0208	0.281	0.140	0.65
实施例12	0.1322	0.017	1.22	0.0122	0.0031	0.0292	0.011	0.0191	0.275	0.142	0.489
												实施例13	0.1342	0.15	1.327	0.0249	0.0035	0.0201	0.014	0.0176	0.321	0.136	0.45
实施例14	0.138	0.18	1.312	0.0118	0.0093	0.0286	0.011	0.0195	0.272	0.110	0.402
												实施例15	0.1469	0.017	1.274	0.0122	0.0031	0.06	0.01	0.0298	0.275	0.300	0.489
实施例16	0.1533	0.026	1.335	0.0080	0.0049	0.0396	0.013	0.0152	0.398	0.147	0.553

表2示出了实施例1-16及对比例1-4的冷轧贝氏体型耐候钢在热轧过程中涉及的工艺参数。

表2.

表3示出了实施例1-16及对比例1-4的冷轧贝氏体型耐候钢在冷轧和连续退火过程中涉及的工艺参数。

表3.

表4示出了本发明实施例1-16和对比例1-4中力学性能的检测结果。

表4.

表4中拉伸性能检测标准：试样为JIS Z2241规定的No.5试样，试样方向为横向；弯曲试验对应180°弯曲，弯心直径为2倍试样厚度，试样方向为纵向。

图1是实施例1工艺下的成品微观组织，为预期的贝氏体+铁素体组织；图2是对比例2工艺下的成品微观组织，主要是马氏体+铁素体组织。

从表4看，实施例成品屈服强度全部在700MPa以上,均值约790MPa，抗拉强度均值约为970MPa，达到目标要求。对比例中由于化学组分未经优化或者生产工艺不能达到设定的工艺参数，最终没有获得期望的产品性能。具体地，对比例1碳含量偏低；对比例2均热温度与快冷温度偏低；对比例3中Mn、Cr含量偏低，对比例4快冷结束温度偏高，因为这些异常因素的影响，不能获得预期的金相组织，例如会出现不期望的马氏体组织，或者贝氏体含量不够高，对应的成品屈服强度与抗拉强度相对正常实施例均偏低，其中屈服强度低于目标700MPa要求。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.一种冷轧贝氏体型耐候钢，其特征在于，具有以质量百分比计的如下化学成分：C：0.13～0.16%；Mn：1.20～1.50%；Si：0.001~0.2%；P：0.008~0.025%；Alt：0.02～0.06%；Cu：0.25～0.40%；Cr：0.40～0.70%；Ni：0.10~0.30%；Ti：0.015～0.030%；Nb：0.008~0.020%；余量为Fe及不可避免的杂质；

所述冷轧贝氏体型耐候钢的微观组织由贝氏体和铁素体组成，其中所述贝氏体的体积分数为40~80%；

所述冷轧贝氏体型耐候钢的屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥800MPa，伸长率≥5%。

2.根据权利要求1所述的冷轧贝氏体型耐候钢，其特征在于，在所述不可避免的杂质中，控制S的含量：S≤0.01%。

3.权利要求1～2中任一项所述的冷轧贝氏体型耐候钢的制备方法，其特征在于，包括步骤：冶炼、连铸、热轧、酸洗、冷轧、连续退火和平整；

在所述连续退火步骤中，控制均热保温温度≥820℃，均热保温时间为120~200s，控制缓冷结束温度为700~730℃，控制快冷结束温度为340~360℃，控制快冷速率为55~70℃/s。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，控制所述制备方法满足下述工艺参数的至少一项：

在所述热轧步骤中，控制加热温度为1150~1220℃，控制终轧温度为850~910℃，控制卷取温度为480~540℃；

在所述冷轧步骤中，控制轧机压下率为55~70%。