耐候鋼成分設(shè)計和軋制工藝淺析

陳曉山，王敬忠，馬占福

（1.新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部；2. 西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院)

1 概述

耐候鋼是通過指添加少量合金元素(如Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti、Re等)使鋼的耐大氣腐蝕性能獲得明顯改善，耐候鋼是屬于低合金高強度鋼。耐候鋼表面形成的保護性銹層，有效阻滯腐蝕介質(zhì)的滲入和傳輸，其耐大氣腐蝕性能為普通碳素鋼的2～8倍，涂裝性可提高1.5～10倍，被廣泛用于制造車輛、橋梁、塔架、集裝箱等鋼結(jié)構(gòu)。與不銹鋼相比，耐候鋼只有微量的合金元素，價格比不銹鋼低廉[1]。因此，近年來耐候鋼得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

耐候鋼在國外發(fā)展較早，美國自1933年開始研發(fā)一系列耐候鋼產(chǎn)品，主要用于橋梁的建造。日本1 9 5 7 年開始開發(fā)C u 耐候鋼，已研制出500MPa至780MPa的耐海洋性大氣腐蝕耐候鋼，建造了數(shù)百座橋梁，日本耐候鋼技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。我國起步較晚，自1960年開始開發(fā)Cu耐候鋼，目前正在研發(fā)900MPa強度級別的耐候鋼。筆者主要對國內(nèi)耐候鋼發(fā)展過程中形成的成分體系、組織設(shè)計以及工藝控制三個方面進行分析。

2 耐侯鋼的成分設(shè)計

2.1 耐候鋼成分設(shè)計時考慮的統(tǒng)一指標(biāo)

為了滿足耐腐蝕性和焊接性能的要求，一般在確定耐候鋼成分體系時要進行計算。依據(jù)耐候鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼材具有較好的耐大氣腐蝕性能時，I≥6.0以上，I值越高，鋼材的耐腐蝕性能越好(I表示耐候鋼的耐腐蝕性能,見公式（1）。為了保證耐候鋼在使用的時侯，容易焊接而不出現(xiàn)焊接裂紋，在成分設(shè)計時還須考慮焊接冷裂紋敏感系數(shù)或碳當(dāng)量Cev來衡量，見公式（2）、（3）。

2.2 合金元素對耐候鋼抗大氣腐蝕/焊接性的作用

2.2.1 各合金元素對耐候鋼抗腐蝕的作用

有研究者把多種元素對耐候鋼腐蝕性能的影響歸納于圖1[2]。從圖1可以看出，P含量在0～0.2%有強烈提高鋼抗大氣腐蝕的能力；Cu含量在0 ～0.2%增加，鋼的抗大氣腐蝕能力迅速增加，當(dāng)Cu含量達到0.4%時，抗大氣腐蝕能力趨于穩(wěn)定；Cr含量在0 ～0.8%增加，鋼的抗大氣腐蝕能力逐漸增強，超過0.8%對抗大氣腐蝕的能力影響不大；Ni不僅對鐵素體有強化作用，而且能夠細化鐵素體晶粒，提高鋼的沖擊韌性，Ni能細化銹層結(jié)晶，促進不穩(wěn)定的γ-FeOOH轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的α-FeOOH，使耐候鋼的耐大氣腐蝕性能提高[3]；S i含量從0.1% ～0.6%，對鋼的抗工業(yè)大氣腐蝕能力有一定的增強作用，另外Mo能夠起到固溶強化作用，提高鋼的淬透性，當(dāng)鋼中同時存在Mo與Mn時，有利于形成細小的針狀鐵素體，避免產(chǎn)生粗大的多邊形鐵素體，一般Mo的含量大約在0.15%～0.50%，Mo可以提高耐候鋼銹層的致密性，避免銹層中產(chǎn)生裂紋與孔洞，進一步提高耐候鋼銹層的保護性。Nb能使耐候鋼表面銹層均勻化，并且能提高銹層的致密性，從而提高鋼的耐大氣腐蝕性能。[4]

圖1 元素對耐候鋼腐蝕性能的影響(1 mil=0.025mm;暴露15.5年)

2.2.2 各合金元素對耐候鋼焊接性能的作用

含Cu量低于0.55%時，對焊接性能危害不大，國內(nèi)耐候鋼的含Cu量均低于0.45%。P含量達到0.1%以上對焊接性能影響較大，焊接凝固時，P促進低熔點夾雜物生成，既易產(chǎn)生高溫裂紋，又增加低溫裂紋敏感性，使焊縫的延展性和韌性變壞。過高的Mo會使鋼的低溫韌性顯著惡化，也會在焊接時形成過多的馬氏體，導(dǎo)致焊接接頭脆性增加，綜合考慮改善組織和提高腐蝕性，含Mo的量一般控制在0.10%～0.40%。Si在鋼中具有較高的固溶度，能夠增加鋼中鐵素體體積分數(shù)，細化晶粒，有利于提高韌性，但含量過高可導(dǎo)致焊接性能下降]。在含銅鋼中加入一定比例（0.5% ～1.0%）的Ni元素，使鋼材晶界處產(chǎn)生高熔點的銅鎳化合物，消除液態(tài)銅在界面富集的機會，降低澆鑄、熱軋及焊接過程的熱裂紋敏感性。Nb能起沉淀強化和細晶強化作用，降低鋼的低溫轉(zhuǎn)變溫度，使晶粒更細小，提高鋼的強度、韌性和焊接性能。

2.3 耐候鋼中合金元素的協(xié)同作用

2.3.1 耐候鋼中Cu與Ni元素的協(xié)同作用

銅、鎳復(fù)合添加，0.25% ～0.40%銅可以提高鋼的耐腐蝕性能，0.35% ～0.40%(或者更低)的鎳可克服銅引起的表面龜裂。Ni與鋼液中的Cu、Sb等低熔點元素形成合金而有效抑制其在晶界的富集析出，通常Ni含量在0.10%以上，才能起到緩解銅脆的作用。為了防止發(fā)生“銅脆”，鎳銅比一般控制在0.5以上[5]，也有認為Ni/Cu比大于1/3就可有效控制“銅脆”。

2.3.2 耐候鋼中其他合金元素復(fù)合添加的協(xié)同作用

N b-T i復(fù)合微合金化，在高溫過程形成的TiN在液態(tài)或奧氏體高溫區(qū)沉淀，并且在奧氏體低溫作為Nb(C, N)和TiC的非均勻形核質(zhì)點，相比單一Nb或Ti微合金化，其細晶、析出強化效果更明顯。利用TiN對奧氏體晶粒長大的抑制作用，相比單一Nb微合金化，細晶強化效果更顯著[6]。Cu與Cr復(fù)合添加顯著地減小了銹層的厚度并提高了銹層的致密度，兩種合金元素協(xié)同作用增強了銹層的保護作用，使合金的耐蝕性能明顯增強。

3 耐候鋼的抗腐蝕性對其組織的要求

3.1 耐候鋼微觀組織與耐腐蝕性的關(guān)系

對同成分的、不同組織狀態(tài)的耐候鋼的研究表明，鐵素體+珠光體組織的銹層中有較多空洞和裂紋，抗腐蝕性能由強到弱為馬氏體組織>針狀鐵素體組織>珠光體+鐵素體組織的[7]。王樹濤的研究則認為，鐵素體+貝氏體組織較鐵素體+珠光體具有更高的耐腐性能[8]。貝氏體組織不僅具備優(yōu)良的強韌性，也具備良好的耐腐蝕性能，至于鐵素體+珠光體鋼的長期耐腐蝕性能也較好的原因可能是由于珠光體中的滲碳體片對銹層與基體起鉚接作用[9]。

3.2 熱加工工藝對耐候鋼微觀組織的影響

一般耐候鋼的控制軋制，使得其組織狀態(tài)更加豐富，但是控制不當(dāng)也會導(dǎo)致最終獲得不均勻的

組織。文獻的研究結(jié)果表明，在兩相區(qū)軋制容易得到粗大的混晶鐵素體組織，不利于鋼力學(xué)性能的提高。在接近臨界溫度的單相奧氏體區(qū)變形，更容易獲得細小鐵素體晶粒組織[1011]；在750～850℃隨著溫度升高高峰值應(yīng)力降低，鋼中發(fā)生了形變誘導(dǎo)鐵素體相變使鋼發(fā)生動態(tài)軟化，隨著變形溫度升高，在形變誘導(dǎo)相變的情況下鐵素體晶粒容易變得粗大。但控制得當(dāng)，經(jīng)兩相區(qū)軋制也可以獲得平均晶粒尺寸約為1.8μm細晶粒組織，Cu-P-Cr-Ni-Mo雙相耐候鋼在多道次軋制過程中其晶粒細化過程是原始晶粒被分割細化成亞晶，同時亞晶界逐漸大角化而演化成大角度晶界的過程，而大變形量會拉長晶粒，通過卷取保溫能夠使之發(fā)生充分回復(fù)，促使亞晶界扭轉(zhuǎn)呈大角晶界，進一步分割細化晶粒[12]。

4 耐候鋼的成分體系及控軋控冷工藝

國內(nèi)耐候鋼產(chǎn)品從345MPa強度級別發(fā)展到900MPa強度級別，其成分體系朝著復(fù)雜化、多元化和高合金化的方向發(fā)展，如圖2所示。對耐候鋼成分體系的合金化設(shè)計，從幾個方面綜合考慮：（1）耐候鋼的抗大氣環(huán)境的腐蝕性；（2）耐候鋼的強度要求；（3）耐候的控軋和控冷工藝；（3成分體系和合金化程度的成本。

圖2 耐候鋼成分體系發(fā)展及合金化程度的發(fā)展趨勢

4.1 450MPa及以下級別耐候控軋和控冷工藝要求

450MPa強度級別耐候鋼一般分粗軋和精軋兩個階段軋制一般粗軋開軋溫度控制在1 0 5 0 ～1200℃，粗軋終了溫度控制在950 ～1150℃，精軋開軋溫度控制在860 ～950℃，采用5 ～35℃/s的快速冷卻至450 ～650℃，然后卷曲或空冷，為了調(diào)控鋼中析出相的數(shù)量，精軋終了空冷數(shù)十秒，然后再快速冷卻至卷曲溫度或最終冷卻溫度。

為了改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，使晶粒得到充分細化，一般粗軋階段的總變形量控制在50%以上，道次變形量控制在15%以上乃至于35%以上；精軋總變形量控制在60% ～70%以上，道次變形量要求變形滲透到軋件的整個厚度。

4.2 500MPa及以上級別耐候鋼控軋和控冷工藝要求

500MPa及以上強度級別耐候鋼的軋制也分兩個階段：一是粗軋階段，即在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制；二是精軋階段，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制。

粗軋前的加熱溫度約為1180 ～1250℃，粗軋的開軋溫度約為950 ～1250℃，粗軋終了溫度約為900 ～1100℃；精軋開軋溫度多數(shù)在850 ～1050℃，精軋終了溫度800 ～900℃；帶鋼的卷曲溫度或中厚板的開始空冷的溫度多數(shù)選擇550 ～650℃，也有冷卻終止溫度控制在700℃的。一般終軋快冷采用10-20℃/s的冷卻速度。500MPa及以上強度級別的耐候鋼，粗軋的累積變形量達到60% ～80%，精軋累積變形量達到70%，道次變形量以變形滲透為依據(jù)。

4.3 不同級別控軋控冷工藝的異同及組織要求

低強度級別、高強度級別耐候鋼在粗軋、精軋的溫度控制方面區(qū)別不明顯，但精軋后的冷卻速率方面有較大的區(qū)別。 低強度級別耐候鋼（450MPa以下）的冷卻速度較低而高強度級別耐候鋼（500MPa以上）所要采用的冷卻速率則較大。鐵素體+狀體組織的組織形態(tài)一般很難穩(wěn)定滿足450MPa以上強度級別的耐熱鋼性能的要求，因此500MPa及以上級別的耐候鋼要采用針狀鐵素體、粒狀貝氏體、貝氏體甚至回火馬氏體組織作為基體組織，這要求在終軋后的保持較快的冷卻速度以防止珠光體和等軸鐵素體組織出現(xiàn)。

5 結(jié)束語

綜合分析認為，國內(nèi)外耐候鋼的發(fā)展呈以下趨勢：

（1）高強韌化，適應(yīng)于極端條件。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，各工業(yè)領(lǐng)域?qū)︿摬男阅艿囊笤絹碓礁?，耐候鋼也朝著高強韌化方向發(fā)展，由最初2 9 5 M P a級別發(fā)展到目前7 0 0 M P a級別，乃至于900MPa級別的耐候鋼。

（2）成分體系復(fù)雜化。 隨著對耐候鋼強度級別和低溫沖擊韌性以及抗腐蝕性要求的提高，簡單的成分體系難以保證這些性能，國內(nèi)外技術(shù)人員開發(fā)出了一系列的成分體系，高強-高韌-高耐腐性的耐候鋼中化學(xué)成分的種類越來越多，某些合金元素（Cr、Ni）的含量越來越高，C、S、P等元素的含量出現(xiàn)越來越低的趨勢。

（3）組織呈現(xiàn)多樣性。早期耐候鋼的微觀組織以鐵素體+少量珠光體為主，目前，新開發(fā)的耐候鋼有完全針狀鐵素體組織、針狀鐵素體+少量多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、鐵素體+少量島狀馬氏體組織等多種組織類型。