一種中碳合金鋼的製作方法

2023-06-07 20:30:16

專利名稱：一種中碳合金鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及耐大氣腐蝕合金鋼的成分設計及其製造方法，尤其涉及一種耐大氣 腐蝕中碳合金鋼的成分設計及其製造技術。適合用於鐵路、橋梁、電力設施等中的耐大 氣腐蝕零部件背景技術
眾所周知，自然界存在的金屬除個別貴重金屬如Au、Pt等外，絕大多數在熱力 學上是不穩定。大氣的主要成分為氮、氧、氬、水汽和二氧化碳，還含有二氧化硫、硫 化氫、二氧化氮、氨及鹽霧，對材料腐蝕影響最大的是氧和水汽，空氣中的鹽霧加速材 料的腐蝕。在乾燥的大氣中，屬於常溫化學腐蝕，氧化速度較低。在潮溼的大氣裡，屬 電化學腐蝕，大氣中的溼度越大，材料表面吸附的水膜越厚，腐蝕速度越快。
耐大氣腐蝕鋼的開發在20世紀初，最初發現的是銅和磷對鋼的耐蝕性的顯著 效果，以後就出現了著名的Corten鋼和世界各國的耐大氣腐蝕鋼，也叫做耐候鋼。我 國的耐大氣腐蝕鋼研製從20世紀60年代開始，自1965 1979年有19種含Cu及P、 RE、Ti的低合金鋼在風沙乾燥、工業大氣、潮溼都市和農村等10個不同的環境下進行 長達15年的大氣曝露試驗，取得了寶貴的第一手數據，於1984年制定了我國耐大氣腐 蝕鋼標準(GB 4171-84及GB 4172-84)，納入了高耐候性的3個牌號090CuPCrNi_A、 09CuPCrNi_B、09CuP 和焊接結構用耐候鋼的 4 個牌號16CuCr、lMnCuCr、15MnCuCr 及 15MnCuCr_QT。
從國外研究、開發和發展耐大氣腐蝕鋼來說，以美國最早，日本發展最快。美 國最先開發了 Corten A鋼；最早制訂了 ASTM242等低合金高強度耐大氣腐蝕鋼標準， 並首先推廣應用耐大氣腐蝕鋼。後來，國外在耐大氣腐蝕鋼的發展過程中出現了各種 各樣的牌號，例如日本加Nb的River-Ten鋼，加Ti的HI-YAW_Ten。另有一些是去掉 某些元素，改加其他元素，例如在CuPCrNi鋼中降低P含量可以改善鋼的焊接性能，降 低P含量提高Mn含量有英國的BS968(15CrMn2NiCu)，降低P含量加Ti的有前蘇聯的 H M (15CrMnCuTi)，降低P提高Si的有前蘇聯的IOCrSiNiCu鋼。
國內外關於中碳含銅含硫耐大氣腐蝕的合金鋼報導較少。專利文獻中記載的耐 大氣腐蝕的鋼以低碳鋼為主，碳含量一般在0.25%以下。如申請號為200510111858.6的 中國專利申請，碳含量為0.05 0.10，除添加Cu等耐大氣腐蝕元素外還添加Nb、Ti和 Mo等元素，屈服強度為550Mpa級。如申請號為00121262.1、200710121637.6的中國專 利申請，碳含量分別為0.085 0.15%和在0.08%以下，而且以稀土(RE)作為耐大氣腐 蝕元素。還如申請號為 001333579.0、00133580.4、200510019116.0 和 200710121637.6 的 中國專利申請，通過添加微量的合金元素作為耐大氣腐蝕元素，其碳含量也都在0.16% 以下或更低。
綜上所述，現有耐大氣腐蝕合金結構鋼尚存在以下不足之處(1)現有耐大氣 腐蝕合金結構鋼一般碳含量較低(一般在50.25%)，難以滿足強度級別要求較高的使用條件；(2)現有耐大氣腐蝕合金結構鋼大多應用於板材，而這些鋼種的成分設計應用 於棒材上則不能滿足強韌性的要求；(3)現有耐大氣腐蝕合金結構鋼因其主要針對於板 材，因而對鋼材的易切削性能均未作充分的考慮。發明內容
本發明的目的是提供一種中碳合金結構鋼，特別是含銅含硫耐大氣腐蝕的合 金結構鋼，即通過在鋼中加入銅、硫、鉻、鎳等合金元素及相應的成分設計，經過冶 煉-真空精煉-澆注-軋制-退火獲得珠光體+鐵素體組織的耐大氣腐蝕性能優良的合金 結構鋼，從而滿足鐵路、橋梁、電力等耐大氣腐蝕的零部件要求。
為實現上述目的，本發明的中碳合金鋼，其化學成份(重量％)是碳0.30 0.45%，矽0.15 0.35 %，錳0.80 1.25 %，鉻0.40 1.20 %，鎳0.20 0.50%,氮0.003 0.015%，硫0.008 0.040%，以及銅和磷中的至少一種，其中， 銅0.20 0.45%，磷0.010 0.040%，餘為Fe及不可避免的雜質元素。
為了進一步提高本發明的中碳合金鋼的耐大氣腐蝕性，優選化學成分(重量％) 為碳0.30 0.45%，矽0.15 0.35%，錳0.80 1.25%，鉻0.40 1.20%， 鎳0.20 ~ 0.50%, Vi 0.008 ~ 0.040%, f同0.20 ~ 0.45%,磷0.010 ~ 0.040%, 氮0.003 0.015%，餘為Fe及不可避免的雜質元素。
成分設計理由或原理或其主要化學元素在鋼中的作用如下
碳是提高鋼強度的主要元素，保證一定的強度必須一定的碳含量。但是太 高的碳含量對塑性不利，在本發明中控制0.30 0.45%的碳含量可以保證獲得足夠的強 度，同時使鋼具有良好的塑性。
矽矽元素對耐腐蝕性能的影響目前尚不明確，有文獻指出矽含量與Cu、Cr配 合時能提高耐大氣腐蝕的性能。本發明鋼中矽控制在0.15 0.35%與其他元素配合可獲 得優良的耐大氣腐蝕性能。
錳錳對耐大氣腐蝕性能的影響目前還沒有定論，較多的看法是，Mn能提高耐 大氣腐蝕性能，但有文獻表明當鋼中Cu含量20.50%時耐大氣腐蝕性能卻降低。本發明 鋼中適宜添加錳含量為0.80 1.25%。
鉻、鎳鉻及鎳是提高耐大氣腐蝕性能的合金元素，一般在耐大氣腐蝕低合金 鋼中鉻的使用量為0.5 3%，鉻的耐大氣腐蝕作用很大程度上取決於鋼中有無其他耐腐 蝕性能的合金元素及其含量。鎳是抗大氣腐蝕有效的合金元素，一般認為Ni 2 3%時效 果才會非常顯著。出於經濟性的考慮，在發明鋼中控制在鉻0.40 1.20%、鎳0.20 0.50%是較為理想的添加量。
磷、銅Cu和P中添加一種或兩種都對耐大氣腐蝕有作用。由於磷和銅往往 配合起來添加更有利於耐大氣腐蝕，特別是在0.20 0.45%銅的配合下磷能起到顯著的 作用。因此，在本發明鋼中優選同時添加銅和磷，並控制磷為0.010 0.040%及銅為 0.20 0.45%，這樣能有效提高抗大氣腐蝕性能。
硫硫通常作為鋼中的雜質元素，會顯著降低鋼的塑性和韌性，一般越低越 好。但在本發明中適量的硫如0.008 0.040%，能改善鋼材的切削性能。
氮氮通常作為鋼中有害元素加以控制，研究表明適量的氮含量能提高鋼的強韌性能。氮可擴大和穩定奧氏體，鋼中含鉻、錳較多時，可顯著提高氮的溶解度，並可 利用氮合金化以代替價格較貴的鎳。本發明的鋼控制氮含量為0.003 0.015%，這樣對 其強韌性能有益。
同時鉛、銻、鉍是鋼中的雜質元素，在技術條件允許情況下應儘可能降低其含量。
本發明以碳、錳、鉻、鎳為主元素，並配以硫、銅和磷作為微量合金元素，不 僅可以有效提高耐腐蝕性能，而且可提高易切削性能。
上述中碳含銅含硫耐大氣腐蝕的合金結構鋼製備方法，採用二步法工藝流程 第一步電弧爐初煉一鋼包爐真空精煉一澆注鋼錠；第二步軋鋼機熱加工軋製成材。
第一步，電弧爐冶煉-鋼包爐真空精煉-模鑄澆注
在20 250噸的電弧爐中進行鋼液初煉；相應噸位的鋼包精煉；模鑄澆注；生 產出化學成分符合規定的2.3噸 25噸的鋼錠。
初煉爐(如電弧爐)採用一定的電壓和電流熔化廢鋼，鋼水達到P含量為 0.002 0.040%，C含量為0.05 0.10%，初煉爐的出鋼溫度T 2 1620°C。出鋼後期加 入適量的石灰或合成渣。鋼包精煉爐調整化學成分，鋼包精煉爐初脫氧加Al到0.03 0.06%,攪拌25分鐘。真空爐處理在66.7 壓力下保持2 15分鐘。真空畢餵入S硫線， 根據初始硫含量餵入量在600 1400m。餵線後取樣分析，當S為0.008 0.040%時， 吊包澆注。澆注2.3 25噸鋼錠，模冷16 M小時後脫模進入下道工序。
本發明鋼在冶煉中用鋁脫氧，經過真空爐精煉環節最終鋼中為殘餘鋁，一般 S 0.020%。
S含量是通過在煉鋼後餵入S硫線進行控制。
P含量可在初煉爐進行控制，根據初煉爐出鋼時P含量在鋼包精煉爐中通過添加 磷鐵合金控制P含量為0.010 0.040%。
第二步棒材軋制
採用軋鋼機(初軋機)熱加工軋制方法，先將合格鋼錠軋制開坯成方鋼坯，再將 方鋼坯熱加工軋制至成品棒材，工藝要點
初軋機熱加工軋制開坯，將鋼錠軋製成方鋼坯
加熱爐加熱工藝鋼錠入爐溫度為600 900°C，保溫20 40分鐘；經過 120 200分鐘升溫至1250 1290°C ；保溫150 180分鐘；本工藝相對於傳統合金結 構鋼相比均熱溫度降低30 40°C，均熱時間延長50 80分鐘，使鋼錠充分均勻擴散。
初軋機軋制工藝按常規軋制工藝，初軋機將合格鋼錠軋制開坯成方鋼坯；優 選在初軋開坯後進行鋼錠頭部管理，成坯率不大於85%。
鋼坯進緩冷坑冷卻M 48小時(根據坯料的規格)，冷坯料進行砂剝精整。常 規合金結構鋼軋後一般採用退火工藝，本發明鋼坯整樁堆冷後進緩冷坑緩冷，主要目的 是防止開裂和降低鋼中氫的含量。
軋鋼機熱加工將鋼坯軋制至棒材
軋鋼機加熱爐加熱工藝加熱至1050 1220°C溫度，加熱時間為120 150分 鍾，方坯料陰陽面溫差S 40°C鋼坯出爐。常規合金結構鋼均熱時間為100分鐘，本發明 工藝中均熱時間延長20 50分鐘，以保證鋼坯加熱均勻。5
按常規工藝軋制，終軋溫度為800 900°C。
根據本發明，鋼經軋製成棒材或線材後，可製成鐵路、橋梁、電力等耐大氣腐 蝕的零部件。零件在熱處理條件下，抗拉強度Rm2 900Mpa，衝擊功^ 180J，具有良好的 塑韌性配比。
本發明鋼經軋製成棒材或線材後，切削性能優良，便於加工成零部件。
本發明鋼純潔度高夾雜物級別低(根據GB/T 10561檢測可滿足.. B<2, C< 1, D<1)；氣體含量低(氧S 15ppm，氫S 1.5ppm)。
本發明鋼具有優良的抗大氣腐蝕性能，經稱重法試驗，其耐腐蝕性能優於同類 強度級別的合金結構鋼。製成的鐵路零部件實際使用耐腐蝕效果明顯由於同類強度級別 的合金結構鋼。
具體實施方式
以下通過具體實施例對本發明進行較為詳細的說明，但不僅僅限於這些實施 例，在不脫離本發明基本構思的前提下，還可以有更多變化和改進的其他實施例。
根據本發明的較優選的實施方式，其化學成分如表1所示。其製備方法採用二 步法工藝流程第一步電弧爐初煉一鋼包爐真空精煉一澆注鋼錠；第二步軋鋼機熱 加工軋製成材。
第一步，在40噸的電弧爐中進行鋼液初煉；相應噸位的鋼包精煉；模鑄下注法 澆注；生產出化學成分符合規定的3.7噸鋼錠(鋼錠尺寸460mmX 564mmX 1790mm)。
第二步鋼錠進加熱爐入爐溫度為880°C並保溫35分鐘；經過160分鐘升溫至 1260 1280°C ；保溫160分鐘；初軋機按常規軋制工藝，初軋機將合格鋼錠軋制開坯成 140mmX 140mm方鋼坯；控制成坯率為84% ；鋼坯進緩冷坑冷卻28小時，冷坯料進行砂 剝精整；140mmX 140mm方鋼坯進軋鋼機加熱爐加熱至溫度為1140°C，保溫130分鐘， 方坯料陰陽面溫差S 40°C時鋼坯出爐；終軋溫度850°C。
表1實施例鋼棒的化學成分，wt%
權利要求
1.一種中碳合金鋼，其按重量百分比計的成分為C: 0.30-0.45%, Si 0.15 0.35%， Mn 0.80 ~ 1.25%, Cr 0.40 ~ 1.20%, Ni 0.20 0.50 %， N 0.003 ~ 0.015%, S 0.008 0.040%，以及 Cu 和 P 中的至少一種，其中 Cu 0.20 0.45%， P 0.010 0.040%，餘為Fe及不可避免的雜質元素。
2.—種中碳合金鋼，其按重量百分比計的成分為C:0.30-0.45%, Si 0.15 0.35%， Mn 0.80 ~ 1.25%, Cr 0.40 ~ 1.20%, Ni 0.20 0.50 %， N 0.003 ~ 0.015%, S 0.008 0.040%，Cu: 0.20 ~ 0.45%, P 0.010 0.040%，餘為 Fe 及不 可避免的雜質元素。
3.—種中碳合金鋼的製造方法，包括電弧爐初煉一鋼包爐真空精煉一澆注鋼錠一 軋鋼機熱加工軋制；初軋機熱加工軋制鋼錠入爐溫度為600 900°C，保溫20 40分鐘；經過120 200分鐘升溫至1250 1290°C，保溫150 180分鐘，按常規初軋成方鋼坯；初軋的方鋼坯進緩冷坑冷卻M 48小時；軋鋼機熱加工軋制在軋鋼機加熱爐加熱工藝中，加熱至1050 1220°C溫度，保溫 120 150分鐘，然後按常規工藝進行軋制。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，初煉中，控制P含量為0.002 0.040%， C含量為0.05 0.10%，初煉爐出鋼溫度T2 1620°C。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，根據初煉爐出鋼時P含量，通過在鋼包精 煉爐中添加磷鐵合金控制P含量為0.010 0.040%。
6.如權利要求3 5任一所述的方法，其特徵在於，真空精煉中，真空爐處理在 66.7 壓力下保持2 15分鐘；真空畢餵入S硫線，控制餵入量在600 1400m，當S為 0.008 0.040%時，吊包澆注鋼錠，然後模冷16 M小時後脫模。
7.如權利要求3 6任一所述的方法，其特徵在於，還包括對初軋後的方鋼坯進行頭 部管理，其成坯率不大於85%。
8.如權利要求3 7任一所述的方法，其特徵在於，軋鋼機加熱爐加熱工藝中，方鋼 坯的陰陽面溫差S40°C時，方鋼坯出爐。
9.如權利要求3 8任一所述的方法，其特徵在於，還包括對進緩冷坑冷卻後的方鋼 坯進行砂剝精整。
10.如權利要求3 9任一所述的方法，其特徵在於，終軋溫度為800 900°C。
全文摘要
一種中碳合金鋼，其按重量百分比計的成分為C0.30～0.45％，Si0.15～0.35％，Mn0.80～1.25％，Cr0.40～1.20％，Ni0.20～0.50％，Cu0.20～0.45％，S0.008～0.040％，P0.010～0.040％，N0.003～0.015％，餘為Fe及不可避免的雜質元素。其製造方法中，加熱爐加熱工藝鋼錠入爐溫度600～900℃保溫20～40分鐘；經過120～200分鐘升溫至1250～1290℃，保溫150～180分鐘；常規初軋成方鋼坯後，鋼坯進緩冷坑冷卻24～48小時；軋鋼機加熱爐加熱工藝加熱至1050～1220℃溫度，保溫120～150分鐘；按常規工藝進行軋制。該合金鋼製成零件後具有優良的抗大氣腐蝕性能，能滿足鐵路、橋梁、電力等耐大氣腐蝕的零部件要求。
文檔編號C21C5/52GK102021485SQ20091019592
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者劉湘江, 宋建萍, 杜維清, 陳鋒 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司