專利名稱：一種耐海水腐蝕鋼及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低合金鋼制造領(lǐng)域，尤其涉及一種耐海水腐蝕鋼及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
耐海水腐蝕鋼是為應(yīng)用于潮流發(fā)電、海水發(fā)電、海水溫差發(fā)電設(shè)備及海濱大型跨海橋梁、與海洋開發(fā)相關(guān)的海底容器、用于資源開發(fā)的各種大型海洋構(gòu)件以及造船用鋼等領(lǐng)域而開發(fā)的一類低合金鋼。
提高耐海水腐蝕性最主要的方法是依靠合理的合金成分設(shè)計(jì)，采用合金化手段。能夠提高鋼耐海水腐蝕性能的主要合金元素包括Cu、Cr、P、Al、P、Ni、Ca、Mg、Nb及稀土元素等。隨著鋼鐵冶金工藝水平以及以TMCP(控軋控冷)為代表的軋制技術(shù)不斷進(jìn)步，同時(shí)由于市場需求的不斷變化、工程設(shè)施需求及用戶使用技術(shù)水平的不斷提升，對耐海水腐蝕鋼在力學(xué)性能(特別是低溫沖擊韌性)、耐海水腐蝕性能、焊接性能及冷加工性能提出了更高的要求。
有關(guān)耐海水腐蝕鋼專利申請如下1981年1月30日公布的JP56009356專利為含P高可焊性耐蝕鋼，要求鋼中合金元素Mo+Cu+Ni+Co+Cr+W總量達(dá)4以上，并且需要同時(shí)加入大量其它的微量合金元素，極大地提高了鋼的制造成本。
1995年6月14日公布的CN1103672A專利為日本川崎制鐵株式會(huì)社在中國申請的同族專利，主要針對高溫多濕的腐蝕環(huán)境設(shè)計(jì)，用于船舶構(gòu)件(如壓載箱)，其化學(xué)成分(重量百分比)為C＜0.1，Si＜0.50，Mn＜1.5，Ni＜1.5，Cr 0.5～3.5，Mo＜0.8，Nb 0.005～0.05，Ti 0.005～0.05，AlT0.005～0.050，N 0.002～0.012；并且，上述成分要滿足Ni+Mo＜1.5，0.005＜Nb+Ti＜0.05。該專利認(rèn)為在高溫多濕海水流入流出的特殊環(huán)境條件下加入Cu對提高耐蝕性能不利，但不含Cu的鋼不能保證其它海水環(huán)境條件下，特別是海洋環(huán)境結(jié)構(gòu)件的耐蝕性能。因?yàn)閷τ谧匀缓Ｑ蟓h(huán)境條件下鋼的腐蝕過程而言，合金元素Cu能夠促進(jìn)電化學(xué)腐蝕過程中陽極反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)促進(jìn)保護(hù)性銹層的生成，因而對提高鋼的耐蝕性能極為有效。此外，鋼中最高Cr含量達(dá)3.5，如此高的Cr含量將使得鋼在實(shí)際海洋環(huán)境中的長期腐蝕速率產(chǎn)生“逆轉(zhuǎn)”，反而加速鋼的腐蝕。
1995年12月5日公布的JP07316722專利鋼也主要用于高溫高濕環(huán)境，不含有Cu，也存在同樣的問題。1999年1月6日公布的JP11001745專利中為保證耐蝕性能加入了Sn和Sb等元素，這些合金元素嚴(yán)重?fù)p害鋼的力學(xué)性能，特別是沖擊韌性，為鋼中應(yīng)當(dāng)盡量避免的有害元素。
1997年5月6日公布的JP09118919A專利涉及的是一種無縫鋼管用鋼的制造方法，該鋼種化學(xué)成分要求含Ni≤0.5，同進(jìn)需要采用淬火加回火的熱處理工藝，一方面提高了鋼的制造成本，另一方面使鋼的制造工藝復(fù)雜。
1996年3月19日公布的JP08073986屬于Ca處理鋼，但其Ni含量高達(dá)2.5，極大地提高鋼的制造成本。
上述幾篇專利文獻(xiàn)中申請的技術(shù)均含有貴重合金元素Ni，為保證鋼的韌性及耐蝕性能，部分專利中Ni含量高達(dá)4(如JP11001745)，這極大地提高了鋼的制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種耐海水腐蝕鋼，可以在不添加貴重鎳元素的情況下，通過采用低碳低合金化學(xué)成分體系設(shè)計(jì)思路保證鋼種具有優(yōu)良的力學(xué)性能、可焊性及耐海水腐蝕性能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種耐海水腐蝕鋼的生產(chǎn)方法，通過采用TMCP軋制工藝保證鋼種具有優(yōu)良的力學(xué)性能、可焊性及耐海水腐蝕性能。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種耐海水腐蝕鋼，其成分為(重量百分比)C 0.04～0.10Si0.40～0.50Mn0.75～1.30
Nb≤0.020Ti≤0.025Al0.015～0.040Cu0.20～0.50Cr≤0.95Mo≤0.25Ca0.0015～0.0040P ≤0.020S ≤0.005O ≤0.0040N ≤0.0060H ≤0.00025其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)元素。
以下是本發(fā)明專利主要元素的作用及其限定說明①C是重要的強(qiáng)化元素，在鋼中主要以碳化物形式存在，和碳化物形成元素結(jié)合起析出強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用，因而其添加量不低于0.04，而過高的碳含量不利于焊接性，因而鋼中碳含量控制在0.04～0.10范圍。為充分保證鋼的高可焊性及低溫沖擊韌性，將C的優(yōu)選范圍控制為0.04～0.07。
②Si在鋼中具有較高的固溶度，對鋼的固溶強(qiáng)化效果高于Mn，能夠增加鋼中鐵素體體積分?jǐn)?shù)，使晶粒細(xì)化，有利于提高韌性。Si含量過高會(huì)導(dǎo)致可焊性和焊接熱影響區(qū)韌性惡化，因而Si含量控制范圍為0.40～0.50。
③Mn在鋼中主要起固溶強(qiáng)化的作用，是重要的強(qiáng)韌化元素，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，但是Mn含量過高將提高鋼的淬透性，從而導(dǎo)致可焊性和焊接熱影響區(qū)韌性惡化，所以規(guī)定Mn含量不得超過1.3％。
④S和P為有害雜質(zhì)元素，在鋼中易形成有害夾雜，惡化鋼板的韌性和塑性，因而應(yīng)嚴(yán)格控制其含量，本發(fā)明鋼種作為力學(xué)性能優(yōu)良的易焊接型耐海水腐蝕鋼，必須采用低P成份設(shè)計(jì)；高的S含量不僅降低鋼的低溫韌性，而且促進(jìn)鋼板的各向異性，因而本發(fā)明鋼種設(shè)計(jì)采用極低的S、P含量(P≤0.020，S≤0.005)。
⑤Al是為了脫氧而加入鋼中的元素，添加適量的Al有細(xì)化晶粒效果，改善鋼材的強(qiáng)韌性能。
⑥為保證鋼的優(yōu)良耐海水腐蝕性能，采用Cu-Cr-Mo合金體系，其中Cu元素能夠極大提高鋼的耐蝕性能，但為保證鋼的軋制性能并防止熱脆，將其含量控制在0.20～0.50，綜合考慮到添加Cu對耐海水腐蝕性能的提高效應(yīng)及熱加工性能，將其優(yōu)選范圍控制在0.25～0.45。Cr可以提高鋼的鈍化性能，在海水環(huán)境體系中可促進(jìn)鋼表面生成穩(wěn)定的鈍化膜，從而極大地提高鋼的耐蝕性能，由于單純添加Cr元素并不能極大提高鋼的耐海水腐蝕性能，并且過量的Cr元素對鋼的耐海水腐蝕性能反而具有“逆效應(yīng)”，同時(shí)增加鋼的點(diǎn)蝕傾向，利用各合金元素的綜合協(xié)同作用，適當(dāng)添加Mo合金元素，利用其與Cr的元素協(xié)同作用效應(yīng)抑制腐蝕的逆效應(yīng)及點(diǎn)蝕傾向，并控制Cr-Mo合金元素的比例為3.80～5.00，以取得良好的耐蝕性能，特別是抑制鋼在海水環(huán)境中的點(diǎn)蝕傾向。另外，Mo的加入可以推遲奧氏體向鐵素體相變時(shí)先析出鐵素體的形成，對控制相變組織起重要的作用。為取得最佳的效果，本發(fā)明中Cr與Mo的含量應(yīng)分別控制在≤0.95及≤0.25的范圍。由于Cr是保證鋼耐海水腐蝕性能的最主要元素，其含量過低不能保證鋼的耐蝕性能，過高含量將導(dǎo)致耐海水腐蝕性能的逆轉(zhuǎn)，綜合考慮這些因素，Cr的優(yōu)選范圍設(shè)定為0.80～0.95。根據(jù)上述加入Mo與Cr之間存在的成分比例關(guān)系，相應(yīng)地Mo的優(yōu)選范圍控制為0.16～0.20。
⑦微合金元素Ti能形成細(xì)微碳氮化物，可抑制鋼坯加熱過程奧氏體晶粒長大，與TMCP結(jié)合可以發(fā)揮細(xì)化晶粒組織和析出強(qiáng)化的作用，Nb可以提高再結(jié)晶溫度，抑制再結(jié)晶過程，通過強(qiáng)化晶粒細(xì)化效果進(jìn)一步提高鋼的韌性。由于對鋼耐海水腐蝕性能起關(guān)鍵作用的合金元素鉻及鉬以固溶態(tài)存在時(shí)才能極大發(fā)揮其作用，因此復(fù)合加入微合金元素鈮及鈦(Nb≤0.020，Ti≤0.025)并控制氮含量(N≤0.0060)，保證鈮及鈦生成彌散分布的氧化物或氮化物，既可以起析出強(qiáng)化效果，又能保證有益合金元素的固溶效應(yīng)。為了強(qiáng)化Nb的析出強(qiáng)化作用、進(jìn)一步細(xì)化鋼中鐵素體組織，故加入較高的Nb，并且對氮的含量進(jìn)行控制；為滿足力學(xué)性能要求，控制Ti及N元素的比例為2.60～4.70，以保證析出強(qiáng)化效果。Cu-Cr-Mo系輔助添加強(qiáng)化元素Ti、Nb合金成分，可允許大幅度降低C含量到0.04～0.10，因而降低碳當(dāng)量，以保證鋼板優(yōu)良的焊接性能。
⑧合金體系成分中加入0.0015～0.0040的Ca一方面可以提高鋼的耐蝕性能，因?yàn)榧尤脘撝械腃a以化合物(如CaS、CaO或其它復(fù)合物)狀態(tài)存在，通過水解反應(yīng)可以生成微區(qū)的弱堿性環(huán)境，有利于保護(hù)性氧化物α-FeOOH的生成，這種氧化物具有離子選擇透過性，可以極大提高鋼的耐海水腐蝕性能。另一方面，通過微鈣處理可以改善鋼中有害夾雜物的形態(tài)和分布，有利于提高鋼的韌性并保證力學(xué)性能的各向同性。
⑨為進(jìn)一步降低成本，取消加入貴重元素Ni，由于Ni的作用是改善鋼的韌性，本發(fā)明在取消Ni元素的情況下可通過控制鋼的純凈度、改善鋼中夾雜物形態(tài)和分布等來彌補(bǔ)鋼的韌性損失。本發(fā)明為不含鎳鋼，取消Ni元素(元素Ni有利于改善鋼的韌性)后，為保證鋼的優(yōu)良力學(xué)性能，特別是沖擊性能，必須嚴(yán)格控制鋼中氣體含量及夾雜物形態(tài)。煉鋼成分控制應(yīng)當(dāng)保證鋼中P≤0.020，S≤0.005，O≤0.0040，N≤0.0060，H≤0.00025。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了耐海水腐蝕鋼的生產(chǎn)方法，基本工藝流程如下鐵水深脫硫→轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉→爐外精煉→連鑄→板坯再加熱→軋制→冷卻→卷取→精整。
以下是主要工序的關(guān)鍵點(diǎn)鐵水深脫硫目的是保證鋼中低的S含量(S≤0.005)；轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉目的是控制碳含量在0.04～0.10的范圍內(nèi)。
綜合考慮微合金元素碳氮化物在奧氏體中的溶解行為及加熱過程中奧氏體晶粒長大行為，鋼坯在1200℃以上再熱后，經(jīng)兩階段控制軋制，為保證再結(jié)晶細(xì)化晶粒效果，要求950℃以上的累計(jì)變形量≥80％，精軋開軋溫度不低于880℃，為保證形變細(xì)化晶粒效果，終軋溫度控制在750-850℃，然后以5-20℃/秒的冷卻速率冷卻到500-650℃卷取，再冷卻至室溫?？刂评鋮s速率的目的是增加相變過冷度，促進(jìn)鐵素體相變，保證相變強(qiáng)化效果。
本發(fā)明的有益效果如下(1)低碳低合金體系設(shè)計(jì)思路及TMCP生產(chǎn)工藝的實(shí)施能夠保證鋼的優(yōu)良的力學(xué)性能及高可焊性，同時(shí)使鋼的制造成本大幅度降低。
(2)Cu-Cr-Mo系合金設(shè)計(jì)并進(jìn)行微Ca處理能夠保證鋼種具有優(yōu)良的耐海水腐蝕性能。
(3)由于含鎳鋼的鑄坯表面氧化皮較厚且附著性強(qiáng)，必須采用機(jī)械加工或砂輪等對表面進(jìn)行預(yù)清理，此外，鋼坯加熱前要進(jìn)行包裹鐵皮處理，以防止在加熱過程中進(jìn)一步產(chǎn)生氧化鐵皮。因此，含鎳鋼的加熱軋制工序十分復(fù)雜，本發(fā)明則完全無需進(jìn)行額外的清理和防護(hù)措施，從而降低了鋼的生產(chǎn)成本。
具體實(shí)施例方式
以下是本發(fā)明實(shí)施例1-5的具體說明。
實(shí)施例1-5的具體化學(xué)成分(Wt％)見表1，具體工藝參數(shù)見表2，實(shí)施例1-5的具體力學(xué)性能及耐蝕性能見表3。
表1

表2

表3


備注#表示海洋飛濺區(qū)，*表示海洋全浸區(qū)由表3可以看出，本發(fā)明鋼通過合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，結(jié)合TMCP生產(chǎn)工藝，在不含貴重合金元素Ni的基礎(chǔ)上通過添加微合金元素及控制輕量有害元素保證鋼質(zhì)純凈的前提下，通過細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化可使鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到409～435MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到516～569MPa，即使不添加合金元素Ni，通過合理的控軋及控冷工藝使鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到-55℃以下，保證了鋼可應(yīng)用于低溫環(huán)境下。此外，Cu-Cr-Mo系合金成分設(shè)計(jì)思想保證了鋼良好的耐海水腐蝕性能。
權(quán)利要求
1.一種耐海水腐蝕鋼，其成分重量百分比為C 0.04～0.10；Si 0.40～0.50；Mn 0.75～1.30；Nb ≤0.020；Ti ≤0.025；Al 0.015～0.040；Cu 0.20～0.50；Cr ≤0.95；Mo ≤0.25；Ca 0.0015～0.0040；P ≤0.020；S ≤0.005；O ≤0.0040；N ≤0.0060；H ≤0.00025；其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐海水腐蝕鋼，其特征在于，所述C含量的重量百分比為0.04～0.07。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐海水腐蝕鋼，其特征在于，所述Cu含量的重量百分比為0.25～0.45。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐海水腐蝕鋼，其特征在于，所述Cr含量的重量百分比為0.80～0.95，Mo含量的重量百分比為0.16～0.20。
全文摘要
一種耐海水腐蝕鋼，其成分重量百分比為C0.04～0.10；Si0.40～0.50；Mn0.75～1.30；Nb≤0.020；Ti≤0.025；Al0.015～0.040；Cu0.20～0.50；Cr≤0.95；Mo≤0.25；Ca0.0015～0.0040；P≤0.020；S≤0.005；O≤0.0040；N≤0.0060；H≤0.00025；其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明的耐海水腐蝕鋼可以在不添加貴重鎳元素的情況下，通過采用低碳低合金化學(xué)成分體系設(shè)計(jì)思路保證鋼種具有優(yōu)良的力學(xué)性能、可焊性及耐海水腐蝕性能。
文檔編號(hào)C22C38/16GK101029372SQ200610024179
公開日2007年9月5日 申請日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者李自剛, 錢余海, 張全成, 楊阿娜 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司