500 MPa級耐大氣腐蝕鋼的研制與開發★

何 晉， 辛建卿

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

耐大氣腐蝕鋼又稱為耐候鋼，具有較好的耐大氣腐蝕能力，其特點是通過添加少量 Cu、Cr、P、Ni等合金元素，可以使其在表面形成一層致密的氧化層，氧化層可以阻止大氣中的腐蝕介質侵入到鋼鐵基體中，從而減緩鋼板的銹蝕。由于耐候鋼的耐大氣腐蝕能力相比普通碳鋼能提高2～8倍，并且具有良好的力學、成型、焊接等性能，在國內外廣泛應用于鐵道車輛、電纜線槽、橋梁和集裝箱等行業[1]?？紤]耐候鋼具有良好的經濟性和耐蝕性，山西太鋼不銹鋼股份有限公司研制了500 MPa級耐大氣腐蝕鋼熱軋帶鋼。

1 化學成分設計

碳作為傳統強化元素添加到鋼中，增加碳含量，可以提高鋼的強度及硬度，但過高的碳含量會降低鋼的塑韌性和焊接性。因此，碳含量的要求為不大于0.16。

硅在鋼中起固溶強化作用，可以提高鋼的強度，但降低鋼的韌性，降低硅含量可以保證鋼板的焊接性能，避免硅高引起焊接飛濺。

錳能夠提高鋼的屈服強度與抗拉強度，起到一定的固溶強化作用，而錳含量增加會降低鋼的塑性，同時會影響焊接性能。

磷雖然對改善鋼的耐大氣腐蝕性能非常有效，但過量加入會降低鋼的塑性、韌性和焊接性能；硫作為鋼中的有害元素，使耐大氣腐蝕鋼產生熱脆性，降低鋼的塑性和韌性。因此，應盡可能降低耐大氣腐蝕鋼中的磷和硫含量。

銅是提高耐大氣腐蝕性能的主要合金元素，含銅鋼之所以具有耐蝕性，是因為銅在鋼的表面富集且形成一層致密的氧化層，氧化層可以阻止大氣中的腐蝕介質侵入到鋼鐵基體中，減緩鋼板的銹蝕[2]，從而使鋼具有良好的耐大氣腐蝕性能。當銅含量（質量分數）為0.25%時就可以使鋼具有良好的耐大氣腐蝕性能，銅與鉻、磷等其他元素同時加入到鋼中時，會得到更好的耐蝕性效果。

鉻能在耐大氣腐蝕鋼表面形成致密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力，提高銹層抵抗腐蝕介質入侵的能力[3]，使銹層生長速度減慢。當鉻和銅同時加入時，效果尤為明顯。

鎳能提高鋼的耐大氣腐蝕性能，同時，為了減少銅的熱脆缺陷，其含量一般大于銅含量的一半。

鈮、釩、鈦不僅能提高耐大氣腐蝕鋼強度，而且能改善其焊接性能。在鋼中加入鈮、釩、鈦元素能與碳、氮形成碳化物、氮化物和碳氮化物，這些化合物可以細化原奧氏體晶粒，在鐵素體基體上析出更細小彌散的碳化物、氮化物和碳氮化物，能夠起到析出強化的作用。

綜合考慮耐大氣腐蝕鋼要滿足耐蝕性、成型性及焊接性等各項性能要求，設定了熔煉成分的控制范圍，500 MPa級耐大氣腐蝕鋼的化學成分設計見表1。

表1 500 MPa級耐大氣腐蝕鋼的化學成分 %

2 熱連軋工藝制度

2.1 加熱工藝

制定合適的加熱制度不僅能夠減輕軋機負荷，還能保證軋制后鋼板的最終力學性能。為了充分發揮微合金元素在軋制過程中的強化作用，連鑄坯在加熱時要保證微合金元素充分固溶，適當的加熱溫度可以使原始奧氏體晶粒分布均勻，在軋制過程中再結晶后形成的奧氏體晶粒也均勻細小，從而在軋制后容易獲得細小的鐵素體晶粒。為了便于組織生產，確定鑄坯的加熱溫度范圍為1 250～1 280℃。

2.2 軋制工藝

采用二階段控制軋制，粗軋的目的是經過多道次大變形軋制可以使奧氏體晶粒充分破碎，通過多次再結晶可以細化奧氏體晶粒且得到均勻的奧氏體組織。為防止產生混晶組織，保證軋制穩定性，粗軋道次變形率按照不小于14%控制；隨后進入精軋階段，精軋是在奧氏體未再結晶區進行足夠的變形量，使奧氏體晶粒充分拉長并在晶粒內部形成均勻的變形帶，變形帶可以為奧氏體向鐵素體的轉變提供大量的形核位置，使相變后的鐵素體晶粒得以細化均勻。為了得到均勻的變形帶，獲得細小均勻的鐵素體晶粒，精軋累計變形率應控制在70%以上。

2.3 冷卻工藝

軋后冷卻工藝是熱軋帶鋼的關鍵環節，卷取溫度直接影響到鋼板的組織和性能。在冷卻過程中將發生形變:奧氏體向鐵素體的轉變。軋后快速冷卻可以使相變溫度開始向低溫移動，這樣就使鐵素體的形核率得以提高，導致鐵素體晶粒得到細化，強度及塑性都有所提高。軋后快速冷卻還可以阻止或延遲鈦的碳、氮化物在冷卻過程中過早析出，能夠生成更加彌散的析出物。所以卷曲溫度范圍確定為480～650℃。

3 組織和性能控制

3.1 微觀組織特征

經過熱連軋生產線的批量試制，500 MPa級耐大氣腐蝕鋼試樣的金相組織如圖1所示，在掃描電鏡下觀察到的500 MPa級耐大氣腐蝕鋼試樣的組織形貌如圖2所示。結果表明，500 MPa級耐大氣腐蝕熱軋帶鋼的組織為鐵素體+少量珠光體，晶粒度均在10級及以上，鐵素體晶粒尺寸為5～15 μm。

圖1 500 MPa級耐大氣腐蝕鋼試樣的金相組織

圖2 在掃描電鏡下觀察到的500 MPa級耐大氣腐蝕鋼試樣的組織形貌

3.2 拉伸性能和冷彎性能

批量生產的500 MPa級耐大氣腐蝕熱軋帶鋼力學性能檢測結果如表2所示。由表2可見，500 MPa級耐大氣腐蝕熱軋帶鋼的拉伸性能符合標準要求，且有較大的富余量。冷彎試驗結果合格，表明鋼板具有良好的成型性能，可滿足用戶的加工使用要求。

表2 500 MPa級耐大氣腐蝕熱軋帶鋼力學性能

3.3 耐大氣腐蝕性能

依據美標ASTM G101《低合金鋼耐大氣腐蝕性評估的標準指南》，可以采用耐大氣腐蝕指數I來評估耐大氣腐蝕性能。當耐大氣腐蝕指數I≥6時，表明鋼材具有較好的耐大氣腐蝕性能。I指數計算公式如式（1）。

對500 MPa級耐大氣腐蝕鋼實物進行計算，耐大氣腐蝕指數最低為6.17，最高為6.75，表明500 MPa級耐大氣腐蝕鋼具有良好的耐大氣腐蝕性能。

4 結論

1）確定了500 MPa級耐大氣腐蝕鋼的化學成分控制范圍和熱連軋工藝制度。鑄坯的加熱溫度范圍為1 250～1 280℃，采用二階段控制軋制細化組織，卷曲溫度為480～650℃。

2）批量生產的500 MPa級耐大氣腐蝕熱軋帶鋼的組織為鐵素體+少量珠光體，其拉伸性能和冷彎性能優異，耐大氣腐蝕性能良好，能夠滿足鐵道車輛制造要求。