一种铁路沿海环境用耐候钢及其制备方法与流程

本发明属于钢铁材料，具体涉及一种铁路沿海环境用耐候钢及其制备方法。

背景技术：

1、为解决沿海环境下的腐蚀问题，部分现有技术尝试采用高耐蚀海洋工程用钢，例如申请号为cn202110244515.6的中国专利所公开的技术方案。该类钢种通过大量添加ni（0.50%-1.20%）、mo（0.30%-1.20%）、cu（0.8%-1.5%）等贵重合金元素来显著提高耐海洋腐蚀性能。然而，其原材料成本是普通q355nh耐候钢的2.2-2.8倍，对于铁路检修通道步行道这类用量大、附加值低的结构件，经济性极差，难以大规模推广应用。同时，该类钢种的碳含量高达0.20%-0.35%，远高于q355nh的≤0.16%，焊接性极差，必须采用焊前预热（150-250℃）、焊后立即回火（620-680℃保温2-6h）的复杂工艺，而铁路桥梁附属结构的施工多为野外高空作业，现场不具备大型热处理设备的使用条件，无法满足该钢种的焊接工艺要求。此外，该类钢种是针对海洋全浸区和潮差区等极端腐蚀环境设计的，其耐蚀性能指标远高于海洋大气环境的要求，铁路检修通道步行道仅暴露在海洋大气环境中，使用该类钢种存在明显的性能过剩，造成不必要的资源浪费。

2、综上所述，现有技术中缺乏一种既具有良好耐沿海大气腐蚀性能、焊接性能优良、又具备成本优势的、专门适用于铁路沿海环境附属钢结构的耐候钢材料及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种铁路沿海环境用耐候钢及其制备方法，本发明通过"低成本多元素协同合金化和控轧控冷组织调控"的核心技术路线，开发出一种专门适用于铁路沿海c3-c4级大气环境的低合金耐候钢。本发明不依赖ni、mo等贵重合金元素，通过优化cu、cr、p的配比并添加微量sb、sn、nb元素，在钢材表面快速形成致密稳定的含cu-cr-sb复合保护性锈层；同时通过控轧控冷工艺获得均匀细小的铁素体和珠光体组织，保证钢材具有良好的综合力学性能和焊接性能。

2、本发明的技术方案如下。

3、一方面，本发明提供一种铁路沿海环境用耐候钢，以质量百分比计，由以下化学成分组成：

4、c：0.06%～0.12%；si：0.20%～0.40%；mn：0.80%～1.20%；p：0.08%～0.12%；s：≤0.010%；cu：0.30%～0.50%；cr：0.60%～1.00%；sb：0.03%～0.06%；sn：0.02%～0.05%；nb：0.015%～0.030%；余量为fe及不可避免的杂质。

5、优选地，c的含量为0.08%～0.1%；

6、优选地，si的含量为0.25-0.35%；

7、优选地，mn的含量为0.90-1.10%；

8、优选地，p的含量为0.09-0.11%；

9、优选地，s的含量为0.003-0.008%；

10、优选地，cu的含量为0.35-0.45%；

11、优选地，cr的含量为0.70-0.90%；

12、优选地，sb的含量为0.040-0.050%；

13、优选地，sn的含量为0.030-0.040%；

14、优选地，nb的含量为0.020-0.025%；

15、优选地，所述铁路沿海环境用耐候钢的最终组织为铁素体-珠光体组织，其中铁素体的晶粒尺寸5-10μm，铁素体体积分数为70-90%，余量为珠光体；

16、优选地，所述铁素体体积分数为 75-85%，余量为珠光体；

17、本发明采用cu-cr-p-sb-sn五元耐蚀合金体系，将cr含量提高至0.60%~1.00%，并添加0.03%~0.06%的sb和0.02%~0.05%的sn，提高了耐氯离子腐蚀性能。

18、本发明通过控制c含量≤0.12%，添加0.015%~0.030%的nb以细化晶粒，并结合优化的控轧控冷工艺，改善了焊接接头性能匹配性。

19、本发明完全不使用ni、mo等贵重合金元素，且采用常规生产工艺即可实现，大幅降低了生产成本。

20、本发明通过控制c含量≤0.12%和s含量≤0.010%，实现了焊前无需预热、焊后无需热处理即可获得性能合格的焊接接头，从而保证了良好的焊接工艺性能。

21、本发明专门针对铁路沿海c3-c4级海洋大气环境进行成分设计，避免了针对海洋全浸区极端腐蚀环境设计所带来的性能过剩问题，从而实现了性能与应用场景的精准匹配。

22、在本发明的上述铁路沿海环境用耐候钢中，各元素的作用及含量控制依据如下：

23、c：含量为0.06%～0.12%，用于保证钢材强度。控制在0.12%以下，显著降低焊接冷裂纹敏感性，实现焊前无需预热；下限0.06%保证最低强度要求。

24、si：含量为0.20%～0.40%，为脱氧元素，同时促进锈层中α-feooh的形成。控制在0.40%以下，避免恶化焊接性能和韧性。

25、mn：含量为0.80%～1.20%，为固溶强化元素，用于提高强度和韧性。控制在1.20%以下，防止焊接热影响区晶粒粗大。

26、 p：含量为0.08%～0.12%，为核心耐蚀元素，用于促进锈层致密化。本发明突破传统耐候钢p≤0.030%的限制，通过精确控制p含量并与cu、cr协同作用，显著提高耐氯离子腐蚀性能。

27、 s：含量≤0.010%，有害杂质元素，严格控制以减少硫化物夹杂，提高耐点蚀性能和韧性。

28、 cu ：含量为0.30%～0.50%，为核心耐蚀元素，在锈层/基体界面富集形成cu富集层，阻碍氯离子渗透。控制在0.50%以下，避免产生铜脆。

29、 cr：含量为0.60%～1.00%，为核心耐蚀元素，提高锈层的稳定性和致密度。本发明将cr含量的下限从0.40%显著提升至0.60%，确保了在沿海高氯离子环境中锈层致密度的最低保障；同时控制上限为1.00%，在保证耐蚀性的同时避免了cr含量过高对焊接韧性的不利影响，从而实现了耐蚀性与焊接性的最佳平衡。

30、 sb：含量为0.03%～0.06%。sb在锈层中富集，能够抑制cl-的吸附和扩散，同时促进α-feooh的形成，使锈层更加致密稳定。

31、sn：含量为0.02%～0.05%，辅助耐蚀元素，与sb协同作用，进一步提高耐氯离子腐蚀性能。同时改善钢材的切削加工性能。

32、 nb：含量为0.015%～0.030%，微合金化元素，通过析出nbc细化晶粒，提高强度和韧性。同时改善焊接热影响区的组织，降低焊接脆化倾向。

33、本发明采用cu-cr-p-sb-sn五元耐蚀合金体系，替代传统的cu-cr-p-ni体系，完全不使用ni和mo等贵重合金元素，大幅降低生产成本。

34、本发明突破传统耐候钢对p含量的严格限制，将p含量提高至0.08-0.12%，并通过精确控制其他元素的配比，消除了高p带来的韧性恶化和焊接性问题。

35、本领域技术人员普遍认为需要较高的sn-sb含量才能获得显著的耐蚀效果，而本发明打破这样的技术偏见，首次实现低sn含量（0.02~0.05%）和低含量（0.03~0.06%）下，sn与sb仍能产生显著的协同耐蚀效应。

36、另一方面，本发明提供了上述铁路沿海环境用耐候钢的制备方法，该方法包括以下顺序步骤：

37、（1）冶炼与精炼：首先，进行转炉冶炼；其后，进行lf精炼，加入石灰和萤石造白渣，喂si-ca线进行钙处理，控制夹杂物形态；然后，合金化，出钢过程中先加入mn、si合金，lf精炼后期加入cu、cr合金，最后在软吹氩前加入p、sb、sn合金和nb铁，然后进行软吹氩，以保证钢水成分均匀，夹杂物充分上浮。

38、（2）连铸：采用板坯连铸机进行连铸；采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，以改善铸坯内部质量；铸坯缓冷，以防止产生裂纹。

39、（3）控轧控冷：将铸坯加热；粗轧；精轧；冷却：采用层流冷却后，再空冷至室温。

40、优选地，在步骤（1）中，所述转炉冶炼中，采用铁水预处理脱硫，铁水s含量≤0.005%。

41、优选地，在步骤（1）中，所述转炉冶炼中，转炉终点控制c≥0.05%，p≤0.010%。

42、优选地，在步骤（1）中，所述转炉冶炼中，采用挡渣出钢，下渣量≤50kg/炉。

43、优选地，在步骤（1）中，所述lf精炼中，精炼时间≥15min，白渣保持时间≥10min。

44、优选地，在步骤（1）中，所述软吹氩中，软吹氩时间≥8min，氩气流量为50～80l/min

45、优选地，在步骤（2）中，铸坯厚度为200～250mm。

46、优选地，在步骤（2）中，中包过热度为15～25℃。

47、优选地，在步骤（2）中，拉速为1.0～1.2m/min。

48、优选地，在步骤（2）中，铸坯缓冷时间≥24h。

49、优选地，在步骤（3）中，铸坯加热温度为1180～1220℃，保温时间为2～3h，以保证合金元素充分固溶。

50、优选地，在步骤（3）中，所述粗轧步骤中，开轧温度为1100～1150℃，终轧温度≥950℃，总压下率≥60%，道次压下率≥15%。

51、优选地，在步骤（3）中，所述精轧步骤中，开轧温度为880～920℃，终轧温度为780～820℃，总压下率≥70%，最后三道次压下率≥10%。

52、优选地，在步骤（3）中，所述冷却步骤中，层流冷却冷却速度为10～15℃/s，层流冷却的终冷温度为550～600℃。

53、本发明通过上述工艺取得了以下有益效果：

54、本发明将精轧步骤的终轧温度控制在奥氏体未再结晶区，配合适当的冷却速度，获得均匀细小的铁素体+珠光体组织，晶粒尺寸控制在5-10μm。同时，将终冷温度控制在550～600℃，避免了贝氏体或马氏体等硬脆组织的产生，保证了钢材具有良好的韧性和焊接性能。此外，控轧控冷工艺与nb微合金化相结合，通过细晶强化和析出强化的协同作用，在不增加碳含量的前提下保证了钢材的强度要求，实现了强度、韧性和焊接性的良好匹配。

55、本发明的产品性能指标如下：

56、力学性能：屈服强度≥355mpa，抗拉强度490-630mpa，伸长率≥24%，-20℃冲击吸收功≥47j。

57、耐蚀性能：按照gb/t 10125-2012进行中性盐雾试验，1000h腐蚀失重≤30g/m2，比q355nh降低50%以上；在沿海c4级环境下，年均匀腐蚀深度≤0.02mm。

58、焊接性能：采用e5015焊条进行手工电弧焊，焊前无需预热，焊后无需热处理；焊接接头抗拉强度≥母材的95%，-20℃冲击吸收功≥34j；焊接接头与母材的腐蚀速率比≥0.9。

59、与现有技术相比，本技术特别取得了以下技术效果：

60、（一）提高耐氯离子腐蚀性能，实现免涂装长寿命服役

61、本发明突破传统耐候钢p≤0.030%的限制，将p含量控制在0.08%~0.12%，并首次协同添加0.03%~0.06%的sb和0.02%~0.05%的sn作为关键耐蚀助剂，结合cu、cr的协同作用，形成了cu-cr-p-sb-sn五元耐蚀合金体系，能够在沿海高氯离子环境中促进致密、稳定、附着力强的保护性锈层快速形成，有效阻挡cl-向基体的渗透。经本发明技术方案制备的耐候钢，在我国东南沿海c3-c4级大气环境下的年均匀腐蚀深度≤0.02mm，较现有q355nh耐候钢（年腐蚀深度0.05~0.10mm）降低50%以上，服役寿命可达30年以上，实现了免涂装或低维护使用。

62、（二）改善焊接接头性能匹配性，消除结构薄弱环节

63、本发明通过低c（0.06%~0.12%）+nb（0.015%~0.030%）微合金化成分体系设计，配合nb对晶粒的细化作用，有效抑制了焊接热影响区的晶粒粗大和合金元素偏析，使焊接接头的组织均匀性和电化学均匀性得到显著改善。同时，严格控制s≤0.010%，进一步减少了有害夹杂物对焊接接头耐蚀性的不利影响。经测试，本发明耐候钢的焊接接头与母材的腐蚀速率比≥0.9，焊接接头的耐蚀性和力学性能与母材基本相当，消除了电偶腐蚀差异，有效避免了焊接接头成为腐蚀薄弱环节，显著提高了结构的整体性和长期安全性。

64、（三）降低生产成本，具备大规模推广应用条件

65、本发明采用cu-cr-p-sb-sn五元耐蚀合金体系，完全不添加ni、mo等贵重合金元素，cu含量控制在0.30%~0.50%的较低水平，同时省去了锻后72h缓冷及焊后620~680℃×2~6h回火等复杂热处理工序。经核算，本发明综合生产成本仅为现有海洋工程用钢的40%~50%，材料成本控制在q355nh耐候钢的1.1倍以内，有效解决了现有技术经济性差、无法在铁路检修工程中批量应用的核心问题，为铁路沿海环境附属钢结构的大规模应用创造了经济可行性。

66、（四）保证良好的焊接工艺性能，适应铁路现场施工条件

67、本发明通过将碳含量控制在0.06%~0.12%的较低水平，配合nb（0.015%~0.030%）微合金化以及s≤0.010%的严格控硫设计，大幅改善了钢材的焊接性，实现了焊前无需预热、焊后无需热处理即可获得性能合格的焊接接头，完全适应铁路桥梁高空、野外、天窗时间短的施工条件，显著降低了现场施工难度和成本。

68、（五）实现性能与应用场景的精准匹配，避免资源浪费

69、本发明专门针对铁路沿海c3-c4级海洋大气环境进行成分优化和性能设计，避免了现有海洋工程用钢针对海洋全浸区/潮差区极端腐蚀环境设计所带来的性能过剩问题。在满足30年免涂装服役要求且力学性能与q355nh相当的前提下，最大限度地节约了贵重合金资源，实现了性能与应用场景的精准匹配，显著提高了工程的综合经济效益。

70、（六）开辟了“低合金化、多元协同”的全新技术路线，克服了现有技术的合金设计偏见

71、现有技术普遍通过大量添加ni、mo及高含量的cu、sn、sb来堆砌耐蚀性能，特别是存在“需要较高sn、sb含量才能获得显著耐蚀效果”以及“避免添加cr”的技术偏见。本发明与之完全不同，本发明摒弃ni、mo贵重合金，反其道而行将cr提升至0.60-1.00%，突破传统耐候钢p含量上限，构建cu-cr-p-sb-sn五元耐蚀体系；同时仅采用微量sb(0.03-0.06%)、sn(0.02-0.05%)，依靠cu-cr-p基体与微量sb-sn的相互耦合，实现显著的耐氯离子协同增效；配合nb微合金化与精准控轧控冷，直接获得晶粒5-10μm、铁素体体积分数70-90%的铁素体-珠光体细晶组织，无需轧后保温回火。本发明在大幅控制合金成本的同时，实现钢材本体优异耐蚀，同时解决焊接接头电偶腐蚀难题，实现焊前无需预热、焊后无需热处理，专门适配铁路沿海桥梁附属钢结构的大批量工程应用场景。

72、综上所述，本发明通过优化的成分设计和制备工艺，在保证力学性能不低于q355nh的前提下，以q355nh约1.1倍的材料成本和现有海洋工程用钢40%~50%的综合生产成本，实现了耐蚀性较q355nh提升50%以上、焊接接头与母材腐蚀速率比≥0.9、焊前无需预热且焊后无需热处理的综合技术效果，为铁路沿海环境附属钢结构提供了一种兼具经济性、耐久性和施工适用性的系统性解决方案。