550 MPa高強耐候鋼的工藝性能研究

郭 銳,何 博,汪 飛,石 踐

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

目前鐵路集裝箱運輸主要采用X70型集裝箱專用平車(載重70噸，尺寸：13.466 m×3.164 m)，1輛70噸級平車可以放2個20英尺國際標準集裝箱，而2個20英尺標準集裝箱最大總重僅為60.96噸，即70噸級集裝箱專用平車的運力沒有得到充分發(fā)揮。鐵路總公司為進一步推進鐵路供給側(cè)改革，深化現(xiàn)代物流建設(shè)，充分發(fā)揮70噸集裝箱專用平車的運輸能力[1]。20英尺35噸鐵路敞頂集裝箱能夠減少貨物在不同運輸方式之間轉(zhuǎn)換時的裝卸作業(yè)次數(shù)，從而降低由此產(chǎn)生的過程成本，同時符合國家降低市場上的物流運輸成本的發(fā)展要求和當前物流市場的發(fā)展需求，是未來集裝箱戰(zhàn)略[2]的重要組成部分。作為鐵路總公司進一步推進鐵路供給側(cè)改革、深化現(xiàn)代物流建設(shè)推出的貨運新產(chǎn)品，鐵路總公司同步推出了免收20英尺35噸鐵路敞頂集裝箱吊裝費和回空費的新政策，大力推進20英尺35噸鐵路敞頂集裝箱的應(yīng)用，存在廣闊的市場空間及發(fā)展前景[2～3]。

20英尺35噸鐵路敞頂集裝箱比20英尺國際標準通用集裝箱寬度和高度均有所增加，自重降低了21.72%，載重提高14.27%[4]。滿足降低自重，實現(xiàn)集裝箱輕量化的措施就是結(jié)構(gòu)件采用550 MPa高強耐候鋼替換355 MPa普通耐候鋼。

1 試驗材料與方法

本文在實驗室開展了550 MPa高強耐候鋼的研究，探索其化學(xué)成分、軋制工藝及顯微組織控制，為550 MPa高強耐候鋼工業(yè)試制方案的制定提供指導(dǎo)，550 MPa高強耐候鋼目標性能見表1。

表1 550MPa高強耐候鋼目標性能

試驗材料分別為兩種不同化學(xué)成分的高強耐候鋼，化學(xué)成分如表2所示，為考察卷取溫度對2種試驗鋼性能的影響，卷取溫度分別設(shè)定為640 ℃和590 ℃，詳細熱軋工藝參數(shù)如表3所示。

表2 試驗材料化學(xué)成分 單位：%

表3 熱軋工藝參數(shù)

從熱軋板上切取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，之后用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，再在Leica DMIRM 型光學(xué)顯微鏡下進行組織觀察。分別按照GB/T 228、GB/T229和GB232標準，沿?zé)彳埌宓臋M向切取拉伸試樣、沖擊試樣和冷彎試樣，在Z600電子拉力試驗機上測定鋼板力學(xué)性能，在PTM1300沖擊試驗機上測定其沖擊性能，在WZW-2000型彎曲試驗機上測定其冷彎性能。

腐蝕試驗參數(shù)：腐蝕液溫度(45±2)℃、箱內(nèi)環(huán)境溫度(45±2)℃，環(huán)境相對濕度70%±5%R.H.，腐蝕液為0.01 mol/L的亞硫氫鈉溶液，補給液為0.02 mol/L的亞硫酸氫鈉溶液；試驗時間：72 h，每1循環(huán)周期(60±3)min，其中試樣在腐蝕液中浸潤時間(12±1.5)min。腐蝕產(chǎn)物的去除按照GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》進行，緩蝕劑按表A1中的C3.5配置：500 ml鹽酸+500 ml蒸餾水+3.5 g六次甲基四胺。

腐蝕失重率(W)按下式進行計算：

式中：W—失重率，g/(m2·h)；G0—試樣原始重量，g；G1—試樣試后重量，g；a—試樣長度，mm；b—試樣寬度，mm；c—試樣厚度，mm；t—試驗時間，h。

相對腐蝕率=W試驗鋼/WQ345B×100%。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

試驗鋼的力學(xué)性能如表4所示，對應(yīng)的顯微組織照片見圖1。試驗鋼1-1的屈服強度為556 MPa，延伸率為20%，滿足目標性能要求。試驗鋼1-2顯微組織為粒狀貝氏體+少量鐵素體，由于貝氏體含量相對較高，屈服強度達到594 MPa，但是延伸率較低，為17%，不滿足目標要求。試驗鋼2-1的屈服強度為578 MPa，延伸率為23%，試驗鋼2-2的延伸率為15%，低于目標要求。加熱溫度和終軋溫度相同，不同卷取溫度的試驗鋼2的顯微組織為鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體。隨著試驗鋼卷取溫度的升高，其屈服強度降低，延伸率升高，采用640 ℃高溫卷取，有利于提高延伸率。粒狀貝氏體+少量鐵素體組織和鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體組織均能達到力學(xué)性能目標，但組織為后者的試驗鋼強度和延伸率相對較高，綜合力學(xué)性能更好，因而獲得鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體的顯微組織有利于實現(xiàn)550 MPa高強耐候鋼開發(fā)[5]。

表4 力學(xué)性能

圖1 顯微組織

2.2 冷彎性能和沖擊性能

試驗鋼上取橫向冷彎試樣進行了180°(d=2a)冷彎試驗，彎曲后的照片如圖2所示。為規(guī)避表面氧化層的影響，冷彎試驗后試樣表面采用了酸洗處理。冷彎試驗后試樣表面無裂紋出現(xiàn)，表明試驗鋼1和試驗鋼2都具有良好的冷彎性能，表明試驗鋼具有良好的成型性能。

酸洗前表面180°(d=2a)

A類硫化物夾雜一般以長條狀的MnS存在，A類硫化物夾雜物級別較高的鋼材，發(fā)生變形時會優(yōu)先在夾雜物與金屬界面出發(fā)生分離，并在其周圍形成很多細小的空洞，這些空洞隨著形變過程不斷擴展，相互合并，最終形成大量裂紋，惡化鋼材的冷彎性能[6]。試驗鋼的非金屬夾雜物種類及級別如表5所示，試驗鋼中各類夾雜物級別≤0.5級，其中A類硫化物夾雜物級別為0，因而試驗鋼的冷彎性能較好。

表5 非金屬夾雜物類型和級別

試驗鋼的系列沖擊吸收功和斷面纖維率如表6所示，沖擊功隨溫度變化曲線如圖3所示，兩種試驗鋼的-40 ℃沖擊功>50 J，達到目標要求。兩種試驗鋼的系列沖擊功比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)急劇降低的現(xiàn)象，且沖擊試樣斷口的纖維率都為100%，基本沒有出現(xiàn)脆性斷裂，且韌脆轉(zhuǎn)變溫度都低于-60 ℃，沖擊性能及穩(wěn)定性良好。

試驗鋼1-1 試驗鋼2-1

表6 系列溫度沖擊

試驗鋼2-1的系列溫度沖擊斷口宏觀形貌如圖4所示，SEM形貌如圖5所示?？梢娫?60 ℃下沖擊斷口仍然以微孔聚集型的韌窩斷裂為主，韌窩底部較為潔凈，未見夾雜物存在，表現(xiàn)為沖擊韌性良好[6]。

圖4 系列溫度沖擊斷口宏觀形貌

圖5 系列溫度沖擊斷口SEM形貌

2.3 耐腐蝕性能

試驗鋼和對比鋼Q345B進行72 h的周期浸潤腐蝕試驗之后，試驗鋼1和試驗鋼2相對于Q345B腐蝕率分別為54%和53%，詳見表7所示，試樣表面形貌見圖6所示。Q345B表面銹層較為疏松，表面粗糙，銹層出現(xiàn)大量脫落。而試驗鋼銹層致密完整，具備阻礙腐蝕介質(zhì)滲透進去，抑制進一步腐蝕基體的作用，因而耐蝕性能明顯優(yōu)于Q345B。Cr元素形成一層致密的Cr2O3氧化膜保護基體，張海濤[7]提到Cr元素還可以使得實驗鋼銹層孔洞裂紋減少，有利于銹層的致密化，Cu元素富集形成致密的CuO氧化層。宋春暉[8]提到Cu可以提高α-FeOOH形核率，而α-FeOOH是絕緣的非活性物質(zhì)，它是最穩(wěn)定的羥基鐵氧化物，是保護性銹層的主要構(gòu)成相。相對Q345B來說，耐候鋼中的Cu元素使銹層結(jié)構(gòu)得到細化，促進銹層形成α-FeOOH，提高鋼的耐腐蝕性能。Ni不僅可以提高鋼材的耐蝕性，還能顯著改善鋼的低溫韌性。由此表明：Cr、Ni、Cu等合金元素提高鋼板耐腐蝕性能的主要原因是提升銹層致密性[9～10]。

表7 腐蝕速率

圖6 腐蝕宏觀形貌

對試驗鋼的內(nèi)銹層進行了EDS能譜分析，如圖7所示?？梢妰?nèi)銹層腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，銹層還存在著Cr、Cu等耐蝕性元素的富集。Cr在內(nèi)銹層富集能有效提高銹層對腐蝕性介質(zhì)的選擇透過特性。Cu和Cr在銹層內(nèi)部產(chǎn)生附集，兩種元素的協(xié)同增強了銹層的保護作用，使試驗鋼的耐蝕性能明顯增強[11]。

圖7 內(nèi)銹層EDS能譜圖

3 結(jié)論

(1)采用0.09C+1.35Mn+0.050Nb+0.015Ti或0.06C+1.10Mn+0.050Nb+0.030Ti的化學(xué)成分設(shè)計和640 ℃高溫卷取工藝，試驗鋼的力學(xué)、冷彎和沖擊性能良好，達到目標性能，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60 ℃。

(2)粒狀貝氏體+少量鐵素體組織和鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體組織類型的試驗鋼均能達到試驗鋼的目標性能，但組織為鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體的試驗鋼的強度和延伸率相對較高，綜合力學(xué)性能更好。

(3)試驗鋼中添加了Cr、Ni、Cu，使其表面生成的銹層致密完整，有效阻礙了腐蝕介質(zhì)進一步腐蝕基體，同時Cr、Cu元素在內(nèi)銹層中富集并產(chǎn)生協(xié)同作用增強了銹層對基體的保護，使試驗鋼的耐蝕性能明顯增強，相對于Q345B腐蝕率≤55%。