一种铁路货车车辆用耐大气腐蚀热轧钢板及其制造方法

专利名称：一种铁路货车车辆用耐大气腐蚀热轧钢板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种低合金热轧钢板的制造，尤其是一种铁路货车车辆用耐大气腐蚀热轧钢板及其制造方法。
背景技术：
我国目前是铁路运输最发达的国家，虽然铁路营业里程只有8万公里，处于世界第三位，但是运输密度，货物周转量，旅客周转量、货物发送量均居于世界第一位。铁路运输对于我国经济的作用不言而喻。为了满足运能要求，保障车辆周转效率，我国铁路运输中有很大一部分是靠使用通用车来完成的。通用货车车辆的保有量达到了 60多万辆(占货车总量的90%以上)，是铁路运输的主要运载工具。作为铁路货车的车体材料，目前主要是345MPa级的 09CuPCrNi-A和450MPa级的Q450NQR1两种耐候钢。相对于普通碳素钢，上述两种钢材的确能够延长车辆的检修周期，提高车体结构的服役寿命。但是由于运载货物的复杂性，车辆因腐蚀而失效的程度仍然很严重。例如，在2004年铁道科学研究院组织的专项调查中就发现，通用货车中的敞车的过早腐蚀失效现象非常严重。由于腐蚀，从车厢板上沿到下沿，厚度逐渐减薄。这使车厢下部成了最先因失效而截换的部位，使车厢的使用寿命大打折扣，不能达到预期的“检修周期延长到12年，使用寿命达到25年”的目标。分析表明，导致敞车出现这种状况与车辆运载的货物复杂、车辆下部在一定周期内间歇性地处于强电解质溶液的侵蚀下的服役环境条件有关。这种电解质溶液的成分比较复杂，可能时而是碱性的(如石灰残留后被雨水打湿后的残留液)，时而是酸性的(如含硫的煤，矿石粉等)，时而含有氯离子(如冬季大量运输添加了富Cl_离子的煤浆)。特别是富Cl_离子、富SO广的电解质残留液，将破坏锈层的稳定，导致所使用的耐候钢不能够形成稳定的保护锈层，因此发挥不了应有的作用，从而使车体下部过早因腐蚀而失效。为了解决这个问题，国内外都在尝试使用新的材料，如南非、澳大利亚、美国就采用铁素体型不锈钢制造部分铁路车辆，美国还使用铝材制造铁路车辆。我国在2003年以后，也制造了 3000多辆铝车，在2004 2008年制造了 2. 3万辆不锈钢车。不锈钢材料制造的车辆虽然解决了车厢腐蚀的问题，但是由于支撑结构不能使用不锈钢，导致不锈钢车厢和支撑结构形成电化学腐蚀回路，在实际环境中造成支撑结构腐蚀加剧，焊接接头也相对薄弱，在运行过程中容易开裂，所以仍不能完全解决车辆整体寿命延长的问题，且材料成本至少是耐候钢的两倍，所以不能大量在通用敞车上普及。铝材则存在易于破损，一旦损坏难以维修以及制造工序成本过高等问题。这也使其全面普及成为了难点。在这种使用条件下，找到一种比不锈钢和铝材更经济、比现在所用的耐候钢更耐用的新的铁路车辆用耐大气腐蚀钢，对于我国铁路车辆运输业来说，将有重要意义。查阅了目前的技术情况，在文献《低合金耐蚀钢_开发.发展及研究》(日松岛岩著，冶金工业出版社，2004年1月出版)中，介绍了各种类型的耐候钢。美国Cor-Ten系列耐候钢虽然具有良好的耐大气腐蚀性能，但在富Cl—离子等的电解质溶液侵蚀下，不能形成具有保护作用的稳定锈层。美国U. S. Steel公司的Mariner钢通过添加Cu-Ni-P提高耐海水腐蚀性能，其在富Cl—离子的潮湿环境对降低腐蚀速率应是有效的，但是它不适合腐蚀介质间歇性改变的情况，且P导致的焊接性不好。日本1976年开始商品化的Mayari等耐海水腐蚀低合金钢，短时间内对于抵御富Cl—离子的潮湿环境的腐蚀应是有效的，但是Cr-Cu 系列由于没有充分的措施防范Cr的碳化物引起的局部腐蚀，所以时间延长后会出现比普碳钢更严重的局部腐蚀。Cu-P-Ni系列，则和Mariner钢一样，有焊接方面的担心，并且在类似铁路车辆实际使用环境下，由于腐蚀介质不断变化，其耐腐蚀性能也不理想。日本新日铁公司1999年推出了 3. 0% Ni-0. 4Cu的产品，日本钢管公司在“特开平10-330880”中公布了复合添加Ni、Mo、P的耐海水腐蚀钢，这两种钢材，存在成本高的问题。申请号为CN200810090387. 9的专利文献，公开了一种耐点蚀的钢板，通过Ni、Cu 在表层的富化而获得耐腐蚀性，但在铁路敞车的使用条件下，这种富化层极易被装载物破坏而丧失保护性，因而不适合在铁路通用车辆上应用。申请号为CN200610030713. 8的专利文献，公开了一种700MPa级的耐大气腐蚀钢板。耐腐蚀成分与目前使用的Q450NQR1相当， 即使在铁路通用车辆上应用也应不具有更高的使用寿命。申请号为CN200610059680. X的专利文献，公开了一种表层富集Cu、Ni的高耐候性钢材，其中含有0.01 3.0质量％ WZn 元素，钢材焊接麻烦，且生产工艺复杂。申请号为CN200510027312. 2的专利文献，通过添加 0. 8% 1. 2%的Ni及0. 2% 0. 5%的Cu来提高耐盐雾腐蚀性能，在耐腐蚀设计上成本较高。申请号为CN200610035800. 2的专利文献，在耐腐蚀成分设计上与Cor-TenA相同，P的添加对焊接不利，同时由于其耐蚀性与09CUPCrM-A相当，在铁路车辆的实际使用条件下， 耐腐蚀能力略显不足。实际上，铁路车辆制造企业需要一种成本相对低廉的、强韧性与现在所使用的 Q450NQR1相当、易于焊接、冷弯成型适应性良好，在敞车实际运营环境中的使用，耐蚀能力比目前的Cor-TenB系列耐候钢提高1倍以上的低合金钢。目前还没有满足这种要求的铁路车辆用耐候钢。

发明内容
针对我国铁路通用货车车辆的敞车在使用过程中由于腐蚀严重而导致频繁截换， 使维修工作量增加，以及现用的耐候钢材料不能满足铁路车辆25年寿命周期内无截换要求的问题，发明了在通用敞车的使用环境下，耐腐蚀性能提高0. 5 1. 0倍以上，焊接性能相对Q4050NQR1不降低，屈服强度在450MPa以上，断后比例延伸率在20%以上，_40°C的冲击韧性与Q450NQR1处于同等水平，成本不到经济型不锈钢50%的一种耐候钢板，以满足我国铁路货车车辆的制造需要。能够在铁路车辆制造行业广泛推广应用。本发明提出一种屈服强度在450MPa以上的热轧带钢的生产方法，其成分按质量百分比计，包括C 0. 02% 0. 05%、Si 0. 25 % 0. 65 %、Mn 0. 25 % 0. 85 %、P 0.010%
0.040%, S 0.007% 以下、Ti 0. 03 % 0. 12 %、Nb 0. 02 % 0. 07 %、V 彡 0. 06 %、Cr
1.0% 2. 15%, Ni 0. 15% 0. 65%, Sb 彡 0. 07%, Cu 0. 25% 0. 45%, Al 0. 010% 0. 055%,0. 006% 0. 012%的 Ce，且含有 0. 003% 0. 009%的 Ca、0. 002% 0. 005% Mg 中的一种或两种。且Cr和Ni含量满足1.48%^Ni+0. 85Cr ( 2. 05%的条件，C、Ti、Nb、V含量满足Ti/C彡1. 0，(Ti+Nb+V)/C彡3，余量为Fe以及不可避免的杂质。钢板的生产工序是冶炼-连铸-在1200 1260°C加热均勻后、于高于1000°C的温度范围内进行粗轧，在1100 980°C开始精轧，在950 880°C结束轧制、经1 35s后以10°C /s以上的冷却速度冷却后，在590 690°C进行卷取。其中在连铸时，在结晶器或中包通过预留的给料器喂入含有Ca、Mg、Ce的包芯线，使成品钢中的Ca、Mg、Ce达到含量要求。技术特征的详细说明(1)本发明目的是提供一种以上述成分通过常规的热轧工艺生产屈服强度在 450MPa以上的热轧带钢的生产方法，热轧带钢具有450MPa或以上的高强度、良好的延伸率、焊接、冷弯成型性能。同时具有良好的耐大气腐蚀性能。用于冬季以含有氯粒子的解冻液解冻所运煤碳的铁路通用敞车，本发明钢相对于腐蚀指数I为6. 0 8. 0的传统的耐候钢，腐蚀速率降低一倍以上。(2)本发明的重要特点之一是C与Ti、Nb、V的比例控制和Cr、Ni元素的总量控制。通过控制Ti/C彡1. 0，(Ti+Nb+V)/C彡3，使钢中珠光体的体积分量减少到以下，并抑制钢中形成单一的Cr的碳化物，提高了钢的耐盐雾腐蚀性能。通过控制M、Cr含量满足 1. 48%^Ni+0. 85Cr ( 2. 05 %，使钢在铁路通用敞车的服役条件下，具有了良好的耐环境腐蚀能力、同时仍保持良好的焊接性能。当[Ni+0. 85Cr]值低于1. 48%时，钢板的耐环境腐蚀能力将不足，当[Ni+0. 85Cr]值高于2. 05%时，由于合金含量的增加，钢板的焊接性能将变坏。(3)本发明的第二个重要特点是通过在中包或结晶器喂含有Ca、Mg、Ce的包芯线， 使钢中得到含量达到0. 006 % 0. 012 %的Ce，以及含量达到0. 003 % 0. 009 %的Ca或者 0. 002% 0. 005% Mg，或者使钢中同时含有 0. 006% 0. 012%的 Ce、0. 003% 0. 009% 的Ca、0. 002% 0. 005%的Mg。当钢中含有这些微量元素时，将促使钢在服役过程中产生的锈层很快转变为α-FeOOH，结构致密，不宜脱落，从而延缓腐蚀的进一步发生。单独向钢中加入Ce，需要含量达到0. 02%以上才会起到这种作用，但是Ce含量超过0. 012%就会改变连铸保护渣的性状，使板坯易于出现表面裂纹，给连铸带来麻烦。Mg、Ca在钢中以氧化物或硫化物的形态存在，一般都易于上浮，不能达到促使锈层改性的必要的含量。和Ce复合加入时，则易于形成Ce、Ca、Mg复合型的细小氧化物，且易于在铸坯凝固后弥散分布于钢中。通过Ca、Mg弥补Ce的作用，可以使Ce含量降低到0. 012%以下，而促使锈层结构转变的作用不降低。(4) C元素是强化元素，其低于0. 02%时，固溶强化作用不足。超过0. 05%，这不易使钢形成单相的铁素体组织，影响到钢板的耐腐蚀性能。因此限定其含量范围在0. 02% 0. 05%。(5)Mn是强化元素，又是钢中冶炼时必然存在的元素。根据要达到的强度级别水平确定其含量范围，但使其低于0. 25%强度不宜达到要求。限定其不超过0. 85%，主要是考虑成本因素，并且过高也不利于焊接，延伸率等也受到影响，因此确定其范围为0. 50% 0. 85%。(6) Si有强化作用，且是一种必要的脱氧元素。同时Si有明显提高耐环境腐蚀的作用，低于0. 25%，钢板在实际使用环境中的耐腐蚀作用将不足，但是高于0. 65 %以后，造成焊接飞溅倾向增加，对焊接不利。因此确定其范围为0. 25% 0. 65%。(7)P易于导致偏析，对焊接性和冷弯成型性能不利。但是由于具有很强的固溶强化作用，可以补偿碳降低导致的强度不足，当P含量低于0.01%时，其强化作用将体现不出来，当P高于0. 04%时焊接时会出现明显的偏析现象。所以限定P含量范围为0. 01% 0. 04%。(8) S是有害元素，从力学性能上来说，自然是越低越好，特别是在有P存在时，还会促进P在钢板中的偏析。当对钢进行喂(Si+Ca+Mg+Ce)复合线处理后，S控制在0. 007% 以下，对P的偏析将没有明显影响，并且也不足以导致钢板韧性降低。因此限定钢中S的上限为 0. 007% ο(9)控制(Ti+Nb+V)/C彡3，且Ti范围为0.03% 0. 12%。是因为Ti是强碳化物形成元素，其形成碳化物的作用要强于Nb、V，控制其含量在0. 03%以上，可以抑制钢中形成单一的Cr的碳化物，保障初期腐蚀的均勻进行，抑制长期服役后点腐蚀的发生。当其含量超过0. 12%以后，由于Ti/C比过大，在钢板卷取后，会导致C的固溶强化不足。所以其含量范围为0. 03% 0. 12%。(11)控制(Ti+Nb+V)/C彡4，且Nb的范围为0.02% 0.07%。除了利用Nb补偿 Ti抑制钢中形成单一的Cr的碳化物的作用外，还利用Nb提高奥氏体未再结晶温度的作用， 使钢轧制后晶粒进一步细化，保障了钢的强度水平和韧性水平。Nb含量低于0. 02%时，其在控制轧制中细化晶粒的作用不足。到0.07%时，其作用已经达到饱和。所以限定其含量范围为0. 02% 0. 07%。(11)控制(Ti+Nb+V)/C彡4，且V的范围为0 0.06%。除了利用V补偿Ti抑制钢中形成单一的Cr的碳化物的作用外，还利用了 V的沉淀强化作用。本发明钢中V的沉淀相更易于在630°C以下析出，当钢中的Nb含量高，其细晶强化足够时，可以不添加V。当Nb 不足时，V在卷取后的沉淀强化可以补偿细晶强化的不足。但V含量超过0.06%时会导致焊接性能不好，且成本增加。所以限定V的范围为< 0. 06%。(12)本发明中选择加入Sb，是因为Sb有促进锈层快速转变为α -FeOOH的作用。 当钢中喂入的Ce、Ca、Mg足够时，无须添加Sb。当Ce、Ca、Mg的收得率不稳定时，可以添加 Sb来进行补偿。其含量上限限定在0. 07%，是因为超过这个含量，钢的晶界脆性增加，对韧性不利。(13) Cu是传统的耐工业大气腐蚀的元素，其含量达到0. 25%时，开始发挥作用， 到达0. 45%时，作用已经饱和，进一步提高既增加成本也导致焊接性变坏，所以限制其范围为 0. 25% 0. 45%。(14)Ni元素在本发明中与Cr元素同时发挥耐Cl—离子腐蚀的作用，同时改善钢的韧性，并防止在板坯加热和热轧过程中，Cu所导致的热裂缺陷的发生。M与Cr的含量满足 1.48%彡Ni+0.85Cr < 2.05%，当附含量低于0. 15%时，保障钢的韧性的作用不足。超过 0. 65%时，由于成本增加过高，钢的经济性变差，所以限定其范围为0. 15% 0. 65%。(15) Cr元素与Ni元素同时发挥耐Cl_离子腐蚀的作用，其含量达到1. 0%以上时， 钢在盐雾条件下的腐蚀速率大幅度下降，而在这个含量以下，钢在盐雾条件下的腐蚀速率随Cr元素的变化不明显。当Cr元素含量超过2. 15%时，钢的焊接性能明显变差。因此控制Cr含量在1.0% 2. 15%，且与Ni的含量满足1.Ni+0. 85Cr < 2. 05%关系。在
6通用敞车的使用环境中，其耐腐蚀性能达到I指数为6 8的传统耐候钢的1. 5倍以上。(16)钢中微量元素的加入采用中包及结晶器喂入，可以保障微量元素的收率。其中选择中包喂入时，可以向钢中预先加入Sb元素。在结晶器喂入时，微量元素的收率很高， 但是对铸坯的表面有影响，需要注意铸坯的检查和清理。(17)以本发明限定的成分，通过冶炼-连铸-热连轧工序进行生产，在1200 1260°C加热均勻后、于高于1000°C的温度范围内进行粗轧，在1100 980°C开始精轧，在 950 880°C结束轧制、经1 35S后以10°C /s以上的冷却速度冷却后，在550 690°C进行卷取。对各阶段温度进行限定的理由如下加热温度限定在1200 1260°C，是因为钢的合金含量相对较高，要使合金元素在较高的加热温度下充分均勻化，1200°C是必要的温度，而超过1260°C，能耗升高，钢坯的氧化损失大。所以确定加热温度为1200 1260°C。粗轧是为精轧做准备，开轧温度限定在1000°C以上，钢的塑性好，强度低，易于轧制，中间坯头尾不会因温差而导致尺寸不良以及发生翘头、瓢曲等形状不良而影响下步工序的正常进行。低于1000°c，会使粗轧坯发生形状不良的几率增大。精轧开始温度高于1100°C，成品晶粒不易细化，细晶强化效果不好。低于980°C， 则增加精轧机架的负荷，容易导致事故。在1100 980°C进精轧机架开始轧制，即可使轧机负荷不过高，又能有效细化晶粒。由于Cr高、C低，所以Ac3高，规定终轧温度在880°C以上，可以避免在双相区轧制使轧机负荷过大，并避开板形难于控制的变形温度区间，且能减少钢板纵横向性能差异。但终轧温度高于950°C，晶粒细化不足，影响强化效果。卷取温度确定在560 690°C，是因为高于690°C，卷取后不宜得到细晶组织，强化作用不足。低于560°C，一是会出现过量的贝氏体转变，延伸率下降，影响成型性能，二是卷取后内应力增加，板形不好控制。本发明同现有技术相比，具有以下优点和积极效果按本发明生产的高耐候性低合金钢板，用于铁路通用敞车的制造，相对于目前所使用的传统耐候钢，由于耐电解质积液腐蚀能力大幅度提高，可使车辆使用寿命提高0.5 倍以上(即材料耐腐蚀寿命达到原来的1. 5倍以上，也使车辆寿命同步提高)，且大幅度减少了车辆的维护成本。同时本发明钢强度、焊接性能、冲击韧性均与目前使用的450MPa级高韧性耐候钢相近，能够保障车辆运营安全性要求。可以实现铁路通用敞车25年寿命期间内无截换的目标要求。
具体实施例方式(1)化学成分实施例
权利要求
1.一种铁路货车车辆用耐大气腐蚀热轧钢板，其特征在于钢板化学成分的质量百分比为C 0. 02% 0. 05%,Si 0. 25% 0. 65%,Mn 0. 25% 0. 85%,P0. 010% 0. 040%,S 0.007% 以下、Ti 0. 03% 0. 12%、Nb 0. 02% 0. 07%、V 彡 0. 06%、Cr 1.0% 2. 15%、 Ni 0. 15% 0. 65%、Sb 彡 0. 07%, CuO. 25% 0. 45%, A10. 010% 0. 055%,0. 006% 0. 012%的Ce，且含有0. 003% 0. 009%的Ca、0. 002% 0. 005% Mg中的一种或两种，且 Cr 和 Ni 含量满足 1. 48%^ Ni+0. 85Cr ^ 2. 05% 的条件，C、Ti、Nb、V 含量满足 Ti/C 彡 1. 0， (Ti+Nb+V)/C彡3，余量为Fe以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求2所述的铁路货车车辆用耐大气腐蚀热轧钢板，其特征在于钢板化学成分的质量百分比为Ti 0. 03% 0. 05%,Crl. 26% 2. 15%。
3.一种用于权利要求1或2任一项所述的铁路货车车辆用耐大气腐蚀热轧钢板的制造方法，主要包括冶炼、连铸及钢坯轧制，其特征在于铸坯在1200 1260°C加热均勻后进行粗轧，在1100 980°C开始精轧，在950 880°C结束轧制、经1 35s后以10°C /s以上的冷却速度冷却后，在590 690°C进行卷取。
4.根据权利要求3所述的铁路货车车辆用耐大气腐蚀热轧钢板的制造方法，其特征在于连铸时在结晶器或中包通过给料器喂入含有Ca、Mg、Ce的包芯线。
5.根据权利要求4所述的铁路货车车辆用耐大气腐蚀热轧钢板的制造方法，其特征在于选择中包喂入时可以向钢中预先加入Sb元素，加入量控制在Sb < 0. 07%。
全文摘要
本发明公开一种铁路货车车辆用耐大气腐蚀热轧钢板及其制造方法，钢板化学成分的质量百分比为C0.02％～0.05％、Si0.25％～0.65％、Mn0.25％～0.85％、P0.010％～0.040％、S0.007％以下、Ti 0.03％～0.12％、Nb 0.02％～0.07％、V≤0.06％、Cr 1.0％～2.15％、Ni 0.15％～0.65％、Sb≤0.07％、Cu0.25％～0.45％、Al0.010％～0.055％、0.006％～0.012％的Ce，且含有0.003％～0.009％的Ca、0.002％～0.005％Mg中的一种或两种，且Cr和Ni含量满足1.48％≤Ni+0.85Cr≤2.05％的条件，C、Ti、Nb、V含量满足Ti/C≥1.0，(Ti+Nb+V)/C≥3，余量为Fe以及不可避免的杂质。通过连铸、热连轧、卷取的方法制造的钢板，耐腐蚀性能为Q450NQR1的1.5倍以上，屈服强度在450MPa以上，断后比例延伸率在20％以上，-40℃冲击韧性与Q450NQR1处于同等水平。
文档编号C21C7/00GK102268613SQ201010201789
公开日2011年12月7日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者刘凤莲, 刘志伟, 吕东, 孙群, 敖列哥, 王东明, 谷春阳, 郭晓宏 申请人:鞍钢股份有限公司