一種屈服強度≥700MPa鐵路貨櫃用耐候鋼及生產方法與流程
2023-06-02 00:02:31 1
本發明涉及一種貨櫃鋼及生產方法，具體屬於一種屈服強度≥700mpa鐵路貨櫃用耐候鋼及生產方法，適用於傳統的兩段式熱軋生產線；產品厚度在1.0~2.5mm。
背景技術：
在我國鐵路貨車運輸「提高時速、減輕自重、增加載重」的背景下，高強化、輕量化是鐵路貨櫃用耐候鋼的發展方向。目前，鐵路貨櫃用耐候鋼主要使用的鋼板為屈服強度345mpa級耐候鋼，其單重較重，用鋼量和運輸成本較高。通過提高貨櫃用鋼強度，減薄貨櫃用鋼厚度，是實現貨櫃輕量化的有效途徑。有研究表明，如採用屈服強度大於700mpa級高強耐候鋼作為鐵路貨櫃的使用材料，可使貨櫃的角柱、底橫梁減重30%，其它部件如頂板、鵝頸槽梁、四波板等能不同程度減重13%以上。
經檢索：
中國專利公開號為cn1609257a的文獻，其公開了一種「針狀組織高強度耐候鋼及其生產方法」。該文獻的特點是採用極低碳、cu-cr-ni-mo-nb的加入及ti-al-zr-re或ca中的兩種或兩種以上複合添加，最終得到500mpa級別其具有針狀組織的耐候鋼。專利號為us6315946的美國專利公開一種「ultra-lowcarbonbainiticweatheringsteel」，其特點是採用超低碳、cu-cr-ni系成分設計，通過微合金強化及控軋控冷得到所需力學性能及耐候性，其成品厚度32~60mm，其屈服強度≤550mpa，主要利用的是nb的細晶和析出強化作用，加入微量ti等元素主要是為了改善耐候鋼的焊接性能，在高溫形成的tin非常穩定，在加熱或焊接的高溫條件下都不會溶解。微鈦處理鋼中的tin顆粒可以阻止軋前加熱過程中奧氏體晶粒粗化，並能有效抑制焊接熱影響區的晶粒長大。而且，該鋼屈服強度僅為450mpa左右，不能滿足高強度用戶的需求。
中國專利公開號為cn103103458a的文獻，其公開了一種高強度耐候鋼的生產方法，該耐候鋼的表面覆蓋有氧化鐵皮層，所述氧化鐵皮層中fe3o4含量為80%以上、厚度為7~10μm，且該耐候鋼中包含的成分及重量百分比分別為：c：0.01~0.05%、si：≤0.2%、mn：1.5~2.0%、p：≤0.02%、s：≤0.008%、cu：0.2~0.4%、ni：0.2~0.4%、cr：0.4~0.7%、mo：0.15~0.50%、nb：0.02~0.04%、ti：0.015~0.025%、als：≤0.03%，餘量為fe和不可避免的雜質。採用該方法製備的耐候鋼可在減免塗裝情況下使用。
上述生產方法涉及的耐候鋼的屈服強度≤700mpa，並且產品均為熱軋態使用，產品的性能波動較大，在現有技術中，採用熱軋方式生產的高強耐候鋼其同卷強度波動一般在150mpa左右，延伸率波動在10%左右。考慮到鐵路運輸過程的安全，鐵路貨櫃用鋼對性能穩定性要求較高，而採用熱軋+冷軋、退火的方式生產能很好的解決上述問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述文獻中存在的不足，採用nb、ti複合微合金化技術，並結合熱軋+冷軋、退火工藝，生產屈服強度≥700mpa，抗拉強度≥800mpa，延伸率a≥10%，鐵素體的晶粒尺寸在4.9~5.7μm，沉澱強化貢獻量在199~232mpa，冷彎性能及耐腐蝕性能優良的鐵路貨櫃用耐候鋼及生產方法。
實現上述目的的措施：
一種屈服強度≥700mpa鐵路貨櫃用耐候鋼，其組分及重量百分比含量為：c：0.13~0.16%，si：0.50~0.60%，mn：1.10~1.20%，p：≤0.015%，s：≤0.010%，cu：0.20~0.30%，cr：0.30~0.50%，nb：0.025~0.040%，ti：0.072~0.108%，v：0.010~0.020%，n：≤0.007%，其餘為fe和不可避免的雜質；同卷屈服強度波動不超過19mpa，抗拉強度波動不超過17mpa，延伸率波動不超過1.6%。
優選地：c的重量百分比含量為：0.15~0.16%。
優選地：nb的重量百分比含量為：0.028~0.036%。
優選地：ti的重量百分比含量為：0.075~0.093%。
生產一種屈服強度≥700mpa鐵路貨櫃用耐候鋼的方法，其步驟：
1）冶煉並連鑄成坯，對鑄坯進行加熱，並控制出爐溫度在1260~1280℃，加熱時間不低於160min；
2）進行粗軋，並控制粗軋開軋溫度在1210~1230℃，結束軋制溫度在1080~1100℃，累計壓下率不低於75%；
3）進行精軋，並控制精軋開軋溫度在1030~1050℃，終軋溫度在890~910℃；
4）常規層流冷卻至卷取溫度，
5）進行卷取，並控制卷取溫度在650~700℃；
6）鋼卷冷卻至室溫後進行酸洗；
7）進行冷軋，並控制冷軋總壓下率在50~70%；
8）進行罩式爐退火，並控制加熱溫度在550~650℃，保溫時間在5~10h；
9）進行冷卻，在冷卻速度為50~100℃/h下冷卻至50℃以下並出爐，冷卻氣氛為全氫或氮氫混合氣氛；採用氮氫混合氣氛時，h2的比例不低於70%；
10）進行平整，成品厚度在1.0~2.5mm。
優選地：罩式爐加熱溫度在570~635℃，保溫時間在7.6~10h。
優選地：退火後的冷卻速度在55~80℃/h。
本發明中各元素的機理及作用
c：選用超低碳設計的目的是減少鋼顯微組織中滲碳體的數量，抑制珠光體的形成，避免由不同相間電極電位差導致的電偶腐蝕，提高鋼的耐蝕性能。同時超低碳設計也有利於焊接及低溫韌性。但碳含量也不宜過低，應足以與微合金元素nb、ti結合形成納米級析出物，從而起到沉澱強化的作用，因此將c含量控制在0.13~0.16%。優選地為0.15~0.16%。
si：在鋼中起到固溶強化的作用，同時是脫氧元素，但其含量過高會給軋制時除鱗帶來困難，且降低鋼的焊接性能，因此將其控制在0.50~0.60%。
mn：是鋼中重要的強韌化元素，提高鋼中的錳含量，能擴大γ區，降低轉變溫度，擴大軋制範圍，促進晶粒細化，從而增加了鋼的強韌性，衝擊轉變溫度也幾乎不發生變化，因此mn含量控制在1.10~1.20%。
p：有效的提高鋼的耐候性能，但其對鋼的韌性及塑性不利，其耐候性可由其他耐候元素彌補，因此將p含量控制在0.015%以下。
s：鋼中s含量過高產生的mns夾雜會使鋼的縱橫向性能產生明顯差異，惡化低溫韌性，且會明顯降低鋼的耐候性能。s含量優選範圍在0.010%以下。
cu：是耐候鋼中主要的耐候元素，能有效提高鋼的耐候性能，cu作為合金元素加入到鋼中同時還有固溶及沉澱強化作用。但cu含量過高時，容易在加熱或熱軋時產生裂紋，惡化鋼材的表面性能。因此將cu含量控制在0.20~0.30%。
cr：與鋼中cu等元素匹配使用可顯著提高鋼的耐大氣腐蝕能力，此外，cr元素可有效提高鋼的淬透性，cr含量控制在0.30~0.50%。
nb：是強碳氮化物形成元素，鋼中微量nb能抑制變形奧氏體的再結晶，阻止奧氏體晶粒的長大，提高奧氏體再結晶溫度，細化晶粒，提高鋼的強度和韌性。此外，在冷卻過程中nb(cn)的析出，可起到沉澱強化的作用，提高鋼的機械性能，nb含量控0.025~0.040%，優選地為0.028~0.036%。
ti：是強氮化物形成元素，其氮化物能有效釘扎奧氏體晶界，有助於控制奧氏體晶粒的長大，此外，在冷卻過程中ti(cn)、tic的析出，可起到沉澱強化的作用，提高鋼的機械性能，ti含量控制在0.072~0.108%，優選地為0.075~0.093%。
v：是強碳氮化物形成元素，鋼中微量v提高鋼的強度和韌性。此外，在冷卻過程中v(cn)、vc的析出，可起到沉澱強化的作用，提高鋼的機械性能，v含量控制在0.010~0.020%。
n：氮在加鈦的鋼中可與鈦結合形成氮化鈦，這種在高溫下析出的第二相有利於強化基體，並提高鋼板的焊接性能。但是氮含量高於0.007％，氮與鈦的溶度積較高，在高溫時鋼中就會形成顆粒粗大的氮化鈦，嚴重損害鋼的塑性和韌性；另外，較高的氮含量會使穩定氮元素所需的微合金化元素含量增加，從而增加成本，故將其含量控制在0.007％以下。
通過採用nb-ti複合微合金化，在高溫過程形成的tin在液態或奧氏體高溫區沉澱，並且在奧氏體低溫作為nb（c,n）和tic的非均勻形核地點，相比單一nb、ti微合金化，其細晶強化效果更明顯。本發明在添加較少量nb的基礎上添加較多的ti，主要是利用了tin對奧氏體晶粒長大的抑制作用，以及tic的析出強化作用，相比單一nb微合金化，細晶和析出強化效果更顯著，ti在複合微合金化中處於主要地位。冷軋後通過退火的方式，使得微合金碳、氮化物充分析出，最大限度的發揮析出強化的作用。由於微合金碳、氮化物受退火溫度和冷卻速度的影響較大，因此需對退火工藝進行精確控制，退火溫度較低、保溫時間較短、冷卻速度較快時微合金碳、氮化物難以充分析出，退火溫度較高時，保溫時間較長、冷卻速度較慢時析出的微合金碳、氮化物會長大粗化，導致沉澱強化效果減弱。
本發明與現有技術相比，通過利用nb、ti複合微合金化，並結合熱軋+冷軋、退火工藝，使屈服強度≥700mpa，抗拉強度≥800mpa，延伸率a≥10%，冷彎性能及耐腐蝕性能優良，且性能穩定。
附圖說明
附圖1為本發明鋼板的金相組織圖；
附圖2為碳萃取復型試樣的透射電鏡照片。
具體實施方式
下面對本發明予以詳細描述：
表1為本發明各實施例及對比例的組分取值列表；
表2為本發明各實施例及對比例的主要工藝參數列表；
表3為本發明各實施例及對比例力學性能檢測情況列表；
表4為本發明各實施例及對比例耐蝕性能檢測情況列表；
表5為本發明各實施例同卷主要力學性能波動檢測情況列表。
本發明各實施例按照以下步驟生產：
1）冶煉並連鑄成坯，對鑄坯進行加熱，並控制出爐溫度在1260~1280℃，加熱時間不低於160min；
2）進行粗軋，並控制粗軋開軋溫度在1210~1230℃，結束軋制溫度在1080~1100℃，累計壓下率不低於75%；
3）進行精軋，並控制精軋開軋溫度在1030~1050℃，終軋溫度在890~910℃；
4）常規層流冷卻至卷取溫度，
5）進行卷取，並控制卷取溫度在650~700℃；
6）鋼卷冷卻至室溫後進行酸洗；
7）進行冷軋，並控制冷軋總壓下率在50~70%；
8）進行罩式爐退火，並控制加熱溫度在550~650℃，保溫時間在5~10h；
9）進行冷卻，在冷卻速度為50~100℃/h下冷卻至50℃以下並出爐，冷卻氣氛為全氫或氮氫混合氣氛；採用氮氫混合氣氛時，h2的比例不低於70%；
10）進行平整，成品厚度在1.0~2.5mm。
表1本發明各實施例及對比例化學成分取值列表（wt%）
表2本發明各實施例及對比例主要工藝參數列表
續表2本發明各實施例及對比例主要工藝參數列表
表3為本發明各實施例及對比例力學性能檢測情況列表
表4為本發明各實施例及對比例耐蝕性能檢測情況列表
表5為本發明各實施例同卷主要力學性能波動檢測情況列表
從表3~5可以看出，本發明所生產的鋼板，其屈服強度≥700mpa，抗拉強度≥800mpa，延伸率a≥10%，且屈服強度波動範圍不超過19mpa，抗拉強度波動範圍不超過17mpa，冷彎性能、耐蝕性能也很良好。
上述實施例僅為最佳例舉，而並非是對本發明的實施方式的限定。