（材料加工工程专业论文）高强度09cuptirea铁道车辆用钢的开发研制.pdf

摘要 铁道车辆、建筑塔架等构件长期暴露在大气中，大气腐蚀是造成这些物件 损坏的主要原因之一，开发耐大气腐蚀性能优良的钢种，对于延长构件的使用 寿命、减少维修、节约合金资源等均具有重要意义。 为适应铁道车辆用耐大气腐蚀钢新需求，本溪钢铁( 集团) 有限责任公司 研制开发了高强度0 9 c u p t i r e a 耐大气腐蚀用热轧钢板，采用铁水预处理、 转炉冶炼、a h f 精炼、连铸、热连轧及控轧控冷工艺，优化了高强度 0 9 c u p t i r e a 钢的生产工艺，通过力学性能和耐候性能的测试，确定了高强度 0 9 c u p t i r e a 钢的各项指标。 研究结果表明： 本钢采用铁水预处理一转炉冶炼一精炼一连铸一热连轧工艺生产高强度 0 9 c u p t i r e a 铁道车辆用钢工艺可行，参数制定合理。 高强度0 9 c u p t i r e - a 热轧钢板钢质洁净度高，组织均匀，尺寸外形良好，具 有良好焊接性能、冲压成型性能和耐大气腐蚀性能，达到了铁道车辆耐大 气腐蚀钢供货技术条件和b x 8 4 2 0 0 1 的要求。 同时与常规0 9 c u p t i r e a 钢相比，在强度级别上提高较大，为以后车辆的减 重、提速及新型车辆的设计提供依据。 经过研制掌握了高磷钢的合金化、钙质处理、结晶器喂稀土丝、微合金化钢 的控轧控冷等技术，为开发高磷钢、r e 钢和含n b 钢新品种积累了经验。 关键词：高强度0 9 c u p t i r e a 耐大气腐蚀钢铁道车辆组织性能 i i a b s t r a c t a r m o s p h e r i c c o r r o s i o ni so n eo ft h em a i nc a u s e st h a td a m a g e t h o s ec o n s t r u c t ss u c h a sr a i l w a yc a r r i a g e s ，b u i l d i n gb r a c k e ta n ds oo n r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h es t e e l w i t he x c e l l e n tw e a t h e rr e s i s t a n tp r o p e r t i e si so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rp r o l o n g i n gt h e s e r v i c el i f eo fc o n s t r u c t s ，l e s s e n i n gr e p a i r i n gt i m e sa n dc o s t sa n da l s of o rs a v i n ga l l o y r e s o u r c e t om e e tt h en e e df o rw e a t h e rr e s i s t a n ts t e e la p p l i e dt or a i l w a yc a r r i a g e s ，h i g h e r 0 9 c u p t i r e - as t e e lw e a t h e rr e s i s t a n ta r ed e v e l o p e db yb x s t e e l o fl a t ey e a r s t h e p r o d u c t i o nt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r o f h i e s - s t r e n g t h 0 9 c u p t i r e as t e e l c a nb e o p t i m i z e db y m e a n so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s i n gs u c ha sp r e t r e a t m e n to fl i q u i di r o n ， c o n v e r t e r s t e c l m a k i n ga n da l l yr e f i n i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n g ，h o tc o n t i n u o u sr o l l i n g a n dc o n t r o l l e dc o o l i n ga n d s oo n t h e p r o p e r t i e si n d i c e so f h i g h s t r e n g t h0 9 c u p t i r e - a s t e e lh a v e b e e nd e t e r m i n e db yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dr e s i s t a n tc o r r o s i o n t e s t t h er e s u l ti ss h o w i it h a t ： b yp r e t r e a t m e n t o fl i q u i di r o n c o n v e r t e rs t e e l m a k i n ga h fr e f i n i n g ， c o n t i n u o u sc a s t i n g 、h o tc o n t i n u o u sr o l l i n g p r o c e s s i n ga n ds oo n ，t h eh i 曲- s t r e n g t h0 9 c u p t i r e - aw e a t h e r r e s i s t a n ts t e e lc a l lb e p r o d u c e d 。 p u r i f i c a t i o no fh i g h s t r e n g t h0 9 c u p t i r e ah o tr o l h n gs t r i p e sa r eh i g h i t s s t r u c t u r e sa r eh o m o g e n e i t y i t ss i z ea n dp r o f i l ee x a c t i t u d e h a v eg o o d p r o p e r t i e s i n w e l d i n gp u n c h i n g a n dw e a t h e rr e s i s t a n t m e c h a n i c a la n d p r o c e s s i n gp r o p e r t i e sw e r em e e t t h en e e df o rt e c h n o l o g yc o n d i t i o no fw e a t h e r r e s i s t a n ts t e e la p p l i e dt or a i l w a yc a r r i a g e sa n db x 8 4 - 2 0 0 1 ， t h eh i g h s t r e n g t h0 9 c u p t i r e - ah o tr o l l i n gs t r i p e sp r o d u c e db yb x s t e e l i t m e e tt h en e e df o r p r o d u c e t h ed e s i g nf o rr a i l w a yc a r r i a g e s i l l 变! ! 查兰堡圭兰堡兰兰垒! ! ：坠! 三 t e c h n o l o g y o fa l l o y i n go f h i g hp h o s p h o r r i s s t e e l c a l c a r e o u st r e a t m e n tp r o c e s s a n dr a t ee a r t ht r e a t m e n ti nm o l da r em a s t e r e d i ti se a s yt h a tn e ws t e e lw e r e p r o d u c e d k e y w o r d s ：h i g h s t r e n g t h0 9 c u p t i r e as t e e l ，w e a t h e rr e s i s t a n tp r o p e r t y ，r a i l w a y c a r r i a g e s ，s t r u c t u r ea n dp r o p e r t y i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下完成的。论文中 的研究成果除加以注明和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：，銮客磊 日期：2 0 0 3 年8 月2 日 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 金属与周围环境介质之间发生化学或电化学作用而引起的变质和破坏，称为金属 腐蚀，金属腐蚀现象是十分普遍的。因为，从热力学的观点来看，除了极少数金属 ( 如金、铂等) 外，一般金属都有在环境介质中由元素状态逐渐变为金属化合物的倾 向，金属发生腐蚀是一个自发破坏过程。 金属腐蚀可以给人类带来巨大的经济损失。据国外统计，每年因腐蚀而报废的金 属设备和材料约相当于金属年产量的2 0 4 0 ，全世界因腐蚀而损耗的金属达1 亿 吨以上。另据一些工业发达国家的统计，每年由于腐蚀造成的经济损失约占国民生产 总值的1 o 3 5 ，例如荷兰每年因金属腐蚀造成的经济损失达到国民生产总值的 o 7 ，英国1 9 6 9 年因腐蚀造成的经济损失为1 3 6 5 亿英镑，相当于英国当年国民生产 总值的3 5 。 3 - 7 我国每年由于腐蚀造成的经济损失也是相当严重的，据统计，每年由于腐蚀，大 约有1 0 2 0 的钢铁变成废弃物。据1 9 9 8 年我国公布的钢产量计算，我国由于钢 铁腐蚀的损失约相当于每年损失掉个年产3 0 0 万吨的钢铁厂。 5 此外，因金属腐蚀造成的事故还危及人身安全。如腐蚀事故可引起飞机、火车、 轮船失事以及输油、气管道：化工设备损坏以至于造成人员伤亡。另外，金属腐蚀还 污染环境，其腐蚀产物危害人体健康，破坏生态平衡。为了减轻金属腐蚀造成的损失 和危害，研究金属腐蚀的规律、发生的原因及其防护方法，开发耐大气腐蚀性能优良 的材料对延长构件的使用寿命、减少维修、节约合金资源等均具有重要意义。【7 】 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 大气环境、腐蚀及腐蚀种类 大气的主要成分为n ：( 7 5 ) 、o ：( 2 3 ) 、a r ( 1 2 6 ) 、水汽( o 7 ) 、 c o ：( o 0 4 ) ，其中对腐蚀影响最大的是0 2 和水汽。f 8 1 大气中的杂质有：工业大气中的s o ：、h ：s 、n o ：、n h 3 等；海洋大气中的n a c i 等，它们能增加大气的腐蚀性，加快金属的腐蚀速度。 9 1 由于大气环境随着温度、湿度、日照、雨量、风速等气象因素及污染情况的变化 而变化，因而世界各地的大气环境对金属腐蚀速度的影响有很大的差异。根据不同大 气环境对金属腐蚀影响，一般可将大气分为：工业大气、农村大气、城市大气、海洋 大气、热带大气、北极大气等。 1 0 - 1 4 金属暴露在大气中时，由于大气中的水汽使金属表面湿润，在金属表面形成电解 质溶液膜，而大气中的o ：溶解于电解质溶液膜中，则作为阴极去极化剂，对于腐蚀速 度起着重要的影响。此外，大气中的杂质溶解在金属表面的水膜中，则构成了有一定 电导和腐蚀性能的电解质溶液膜，也会加快金属在大气中的腐蚀速度。 1 5 - 1 7 从上所述，由于电解质溶液膜的存在，形成了进行电化学腐蚀的条件，使金属遭 受明显的大气腐蚀。同时，由于电解质溶液膜的厚度对大气腐蚀速度的影响，可将大 气腐蚀分为干的大气腐蚀、潮的大气腐蚀和湿的大气腐蚀三种类型。 1 2 1 干的大气腐蚀【1 7 】 这类腐蚀也叫做干氧化，是指金属在很干燥的大气中发生的腐蚀。在这种情况 下，金属表面不形成水膜，仅有几个分子层厚度的吸附膜，因此，还不具备电解质溶 液的性质。干的大气腐蚀不能算作电化学腐蚀，而是属于化学腐蚀中的常温氧化。由 于常温下金属氧化反应的速度很小，这类大气腐蚀的速度很低。 2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 潮的大气腐蚀【1 7 】 这是指金属在相对湿度小于1 0 0 的大气中发生的腐蚀。此时，金属表面有一层 肉眼看不见的水膜，其厚度在1 0 h m 至lp 1 1 1 左右，水膜虽然很薄，但已具备了电解质 溶液的性质，所以这类腐蚀属于电化学腐蚀范畴。金属在薄层液膜中的电极反应与通 常的电解质溶液中金属发生腐蚀时的电极反应相似，在阳极上发生金属溶解，在阴极 上主要发生氧去极化反应。一般，金属在大气中的腐蚀都属于这种潮的大气腐蚀。 1 2 - 3 湿的大气腐蚀旧 这是指金属在相对湿度大于1 0 0 的大气中或当雨水直接落在金属表面上时发生 的腐蚀。此时，水分在金属表面上成滴，凝聚形成一层肉眼可见的液膜，其厚度为1 m l m m 。如果金属表面有吸湿性较大的盐类( 如n a c l ) ，则更有利于液膜的生 成。显然，这种条件下的腐蚀属于电化学腐蚀。 关于金属表面液膜厚度与大气腐蚀速度之间的关系，见图1 1 。图中区域i 的金属 表面上有几个分子层厚度的吸附水膜，没有形成连续的电解质溶液，相当于干燥大气 中的腐蚀。区域i i 中，水膜开始具有电解质溶液的特点( 厚度为几十至几百分子层 厚) ，金属腐蚀性质由化学腐蚀逐渐变为电化学腐蚀，相当于潮的大气腐蚀，其腐蚀 速度随着液膜的增厚而增大，在达到最大腐蚀速度后，进入区域i i i 。区域i 为可见的 液膜层( 厚度为几十至几百um ) 。随着液膜厚度的迸一步增加，0 ，通过水膜的有效 扩散变得困难，因而金属腐蚀速度也相应下降，液膜再增厚，就进入区域，这与浸 泡在液体中的行为相同。由于o ：通过水膜的有效扩散层厚度基本上不再随着液膜厚度 变化而增大，所以腐蚀速度略有下降。区域i 和相当于湿的大气腐蚀。8 1 一般环境的大气腐蚀都是在区域i i 和区域i i i 中进行，有时随着气候条件和相应的 金属表面状态( 氧化物或盐类的附着情况) 的变化，各种腐蚀形成可以互相转换。 奎苎奎兰翌圭堂堡鎏奎 。 i叁= 兰丝篁 鹤 期 鬈 瓷 液蔗厚度 图1 1 大气腐蚀速度与金属表面液膜厚度之间的关系 f i g 1 1 t h e r d a t i o n s h i p b e t w e e na t m o s p h e r ec o r r o s i o nr a t ea n dt h et h i c k n e s so f w a t e rf i l m o nt h es u r f a c eo fm e t a i s 1 3 耐大气腐蚀钢的发展历史 从2 0 世纪开始，人们就已知道在钢中添加少量铜即可提高钢的耐腐蚀性能。 1 9 1 0 1 9 11 年，美国有两家公司开始出售含有铜的钢；1 9 1 6 年，由美国材料试验协会 对2 6 0 种试验用钢在工业地带、半田园地带和海岸地带进行了最早的钢铁材料大气暴 露试验，试验结果表明了c u 和p 对耐大气腐蚀的显著效果；1 9 2 0 年，美国钢铁公司 开始大规模地研究钢的耐大气腐蚀规律，用3 万片试样在不同环境条件下的四个地区 进行了大气暴露试验，发现钢中c u 、p 、n i 、c r 元素适量的组合，可获得优良的耐大 气腐蚀性能，并在1 9 3 3 年作为专利和商用钢在市场上出售，这就是目前世晃上广泛应 用的c o r t e na 钢，耐腐蚀性能为碳钢的6 8 倍，在用户中享有很高的信誉。 1 9 - 2 5 从国外研究、开发和发展耐大气腐蚀钢来说，以美国最早，日本最快。如上所 述，美国最先进行钢铁材料的大气暴露试验研究，第一个研制、开发了高耐大气腐蚀 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 钢钢号c o r t e na 钢：最早制订a s t ma 2 4 2 等低合金高强度耐大气腐蚀钢标准 并首先使用和推广耐大气腐蚀钢。以后世界各国相继引进美国耐大气腐蚀钢生产技术 并竞相开发新的耐大气腐蚀钢。日本在耐大气腐蚀钢方面的起步并不早，在1 9 5 5 年没 有引进c o t t o na 钢生产技术以前，日本在耐大气腐蚀钢方面落后于美国2 0 多年，到 1 9 5 5 年，以引进美国c o r t e na 钢生产技术为契机，国内各钢铁公司竞相开发新的耐大 气腐蚀钢，有的领域已超过了所引进的美国技术。在1 9 6 8 年，日本制订了“j i s g 3 1 1 4 焊接结构用耐候性轧制钢材”标准：在1 9 7 1 年，制订了“j i sg 3 1 2 5 高耐候性 轧制钢材”标准，发展速度很快。产量很高，用途很广。据1 9 9 8 年报导，美国、日本 两国的耐大气腐蚀铜的产量已达3 0 0 万吨，而且还在不断增长。 我国耐大气腐蚀钢的发展较晚。1 9 6 0 年前后，武钢利用其铁矿中含铜，首先在国 内进行了耐大气腐蚀含铜钢和含铜低合金钢的研究和开发工作。以后，在1 9 6 5 年，由 于全国推广应用低合金钢，根据用户的要求，各钢铁公司相继重视提高钢的耐腐蚀性 能，并大规模地研究和开发耐大气腐蚀钢。当时，研究和开发该钢种的主要特点是 钢中不含n i 、c r ，以c u 或p 或c u 加p 为主，并结合我国富有的矿产资源一v 、t i 、 n b 、r e ，发展具有我国自己特点的耐大气腐蚀钢。1 9 7 8 年以后，开始根据用户的要 求，仿制了国外耐大气腐蚀钢钢号，采用了n i 、c r 等合金元素。在研究和开发耐大气 腐蚀钢的同时，在国内也配合开展了室外大气暴露试验。武钢与有关科研院所从1 9 6 5 年起，选择了1 9 种含铜的钢及含r e 、t i 、m n 、c u 的低合金钢，在我国不同环境条 件下( 风沙干燥、北方城郊、隧道、东北冶金工业区、海区、中部冶金工业区、农 村、江面、西南半工业区、南方潮湿城郊) 1 0 个试验站进行了7 个周期长达1 5 年的 大气暴露试验，积累了一批可靠的数据，寻得了钢材在大气中的腐蚀规律，肯定了 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 c u 、p 、t i 、r e 、m n 等合金元素对提高钢的耐大气腐蚀性能的有利作用，对进一步发 展我国耐大气腐蚀钢奠定了良好的基础。 1 9 8 4 年，由国家标准化委员会批准了我国第一个耐大气腐蚀钢标准高耐候性 结构钢标准( g b 4 1 7 4 8 4 ) ，标准中歹j j x t 三个钢号，有仿制并改进的钢号，也有国 产的钢号，用户可根据不同的用途和要求予以选择。目前我国生产和使用最多的除了 集装箱用耐大气腐蚀钢，就是铁道车辆用耐大气腐蚀钢( 但其强度级别较低) 。 1 4 耐大气腐蚀钢的成分设计特点及耐蚀机制 如前所述，耐大气腐蚀钢是在大气中具有比普通碳素钢优良的耐腐蚀性能、合金 元素含有百分之几、价格低廉的低合金钢。由于大气腐蚀的控制因素中，阳极控制的 比重较高，所以钢中加入耐大气腐蚀的合金元素对提高钢的耐大气腐蚀性能效果较 好。通过在耐大气腐蚀钢的开发过程中所进行的许多研究工作，特别是室外大气暴露 试验，进一步验证了合金元素对提高钢的耐大气腐蚀性能效果。在提高钢耐大气腐蚀 性能的合金元素中，c u 、p 、r e 等元素有显著的作用，是耐大气腐蚀钢必不可少的合 金元素。【” 0 9 c u p t i r e a 钢中的合金元素主要起两个作用，一是确保钢具有优良的耐大气腐 蚀性能；二是配合生产工艺，提高钢的强度和韧性，满足造车使用需要。 c u 一一是耐大气腐蚀钢中对提高耐大气腐蚀性能最主要、最普遍使用的合金元 素，在普通碳素钢中单独添加c u 也是最早使用的耐大气腐蚀钢。钢中c u 对耐大气腐 蚀作用随大气环境不同而不同( 见图l 。2 ) 。 同样钢中比较合适的c u 量依据大气环境条件的不同而异，在我国北方干燥大气地 区为0 1 5 0 2 0 ；在我国南方潮湿大气及中部工业大气地区为o 3 0 o 3 5 。 c u 在钢中是以下列两种机理提高耐蚀性能的，一是阳极钝化学，c u 起着活化阴极的 一6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 在不同大气环境中，a 3 c u ( 0 3 4 c u ) 与a 3 ( 0 0 3 5 c u ) 钢的腐蚀量与时间的关系 f i g 1 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c o r r o s i o nr a t e ( a 3 c uv sa 3s t e d la n dt i m ei n d i f f e r e n ta t m o s p h e r ec o n d i t i o n 作用，在一定条件下可以促进钢产生阳极钝化，而降低钢的腐蚀速度和减少电化学腐 蚀率；二是c u 在钢板表面的富集，耐大气腐蚀钢的锈层分为两层( 见图1 3 ) ，上层 为一f e o o h 2 2 和y f e o o h “，下层为极致密的非晶质尖晶石型氧化铁( f e ，0 。) 。下 层与钢基体毗邻的面很光滑，c u 、p 等元素富集在非晶质层内，c u 使尖晶石化合物非 晶质化，即阻碍结晶化，降低腐蚀速率，阻止进一步的腐蚀反应，从而改善锈层的保 护性，使其具有良好的耐大气腐蚀性能。p 也是合金元素中提高耐大气腐蚀性能最有 效的元素，即使单独使用也有很好的效果，但是，一般不单独使用，往往与其它合金 元素，特别是与c u 、c r 等配合使用，用来提高钢的耐大气腐蚀性能，各类钢的耐大 气腐蚀性能见表1 1 。同时p 还是去极化剂，促使钢表面的f e 均匀溶解，避免点蚀， 有助于非晶层的形成；c u 、p 氧化后形成的c n ”、p o , 3 以及c u 等起催化作用，使y 一 奎! ! 查兰堡圭兰堡丝兰 量= 耋苎鎏 f e o o h 7 连续地转变为非晶态氧化铁层，因此起到保护钢的基体、提高钢的耐蚀性的 作用。c u 在耐大气腐蚀钢中的含量需大于0 2 0 p 含量需大于0 0 6 ，才具有良好的效 果。但钢中的p 会恶化钢的韧性，特别是剧烈的降低钢的低温冲击韧性。然而，通过 加t i 、a 1 细化晶粒，可以改善和提高钢的低温冲击韧性。1 1 2 3 d e l m 卫凰l a rm o n 8f c o o h p r o d u c c db yc a t a l y t i ca c 6 帆o f p 0 4 3 。 6f c 0 0 hc o n c e n t r a t e do nm e t a ls u r f s c e 5f c o o hc o h e s i v ea n dc o m p a c t 图1 3 锈层结构示意图 f i g 1 3s c h e m a t i co f t h e r u s ts t r u c t u r e o f p 表1 1 不同钢的化学成分及相对腐蚀 t a b l e1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fs t e e l sa n dr e l a t i v ec o r r o s i o n 化学成分，相对腐蚀， 钢类 cpc os i6 月1 2 月1 8 月2 4 月 c 钢o 1 30 0 0 8o 0 91 0 01 0 31 0 31 0 2 c p 钢o 1 20 1 7o 1 08 38 07 0 57 4 5 c p c u 钢0 1 4o 1 70 - 3 5o 1 08 l7 3 56 77 1 5 另外c u 对改善高s 和低s 的耐大气腐蚀钢的作用见图1 4 ( 1 5 5 年暴露试验结 果1 ，由图1 4 可见，含0 0 5 1 0 0 5 6 s 钢的腐蚀量比含0 0 2 6 0 0 3 5 s 钢增加一 图1 4c u 对高s 和低s 钢的大气腐蚀率的影响 f i g - 1 4e f l e e to f c u o n a t m o s p h e r ec o r r o s i o nr a t eo f s t e d sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n ts u i p h u r 倍，当钢中加入o 2 o 3 c u 后，两种含s 量钢的腐蚀量都下降到同一水平，说明 钢中含s 愈高，c u 对降低腐蚀率的相对效果就愈明显。 c u 与其它元素( 如p 、c r ) 复合使用时，提高耐大气腐蚀性能的效果更好，c u 和p 对钢的大气腐蚀性能影响见图1 5 。为了提高耐大气腐蚀性能，在低合金钢中的 c u 含量一般规定在o 2 o 5 ，钢中添加c u 虽然可以提高钢的耐大气腐蚀性能， 但含c u 钢有热加工敏感性问题，如果加热、轧制工艺不当，就会在钢坯或钢材的表 面产生网状裂纹。 c u 、p 元素除改善钢的耐蚀性能外，还是很强的固溶强化元素，它们能使钢的强 度显著提高。一般认为，p 元素在提高强度的同时，会对韧性产生不利的影响，而c u 元素则会引起钢的热脆。因此应控制c u 上限含量为o 5 0 ，p 为o 1 2 ，如果按p + c o 2 5 ，仍可获得良好的可焊性，同时采用合理的生产工艺，能有效地控制c u 、p 元素在晶界偏聚，消除c u 脆造成的板卷边裂及p 元素对钢韧性的有害作用。【4 】 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 5c u 和p 对钢的大气腐蚀性能的影响 f i g 1 5e f f e c to fc u a n dpo na t m o s p h e r ec o r r o s i o no fs t e e l s s i 和氧的亲和力较强，属于强脱氧元素，并以固溶形式存在于钢中，s i 可以提高 钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性和耐磨性，对于低强度级别( 2 9 5 m p a ) 的耐大气腐蚀 钢，s i 应与普碳钢相同，从而减少焊接时的飞溅；对于高强度级别( 3 4 5 m p a ) 的耐大 气腐蚀钢，s i 的含量应略高于低强度级别( 2 9 5 m p a ) 的耐大气腐蚀钢，但不应作为提 高强度的主要元素。 m n 在钢中以固溶态存在，属固溶强化元素，可提高铁素体的强度。低碳钢中的 m n 对提高强度有明显作用，因此把m n 作为0 9 c u p t i r e a 钢达到预定强度级别的主 要元素。但m n 与s 易形成m n s 塑性夹杂物，在热轧时沿轧制方向拉长，恶化钢的成 型性能；另外，m n 过高会使焊接性能显著变坏，所以在考虑0 9 c u p t i r e 。a 钢的内控 童i ! 查兰堡圭耋堡鎏兰 苎= 兰堑篓 成分时将m n 含量控制在o 2 5 0 ，4 5 之间，并利用控轧控冷来满足不同强度级别要 求，同时采用钙质处理，对m n s 进行变质处理消除m n s 的危害。 t i 在钢中的主要作用是细晶强化和析出强化，t i 在高温时，可以溶入奥氏体，阻 滞( y a ) 相变发生，钢中析出的t i n 、t i c 和t i ( c n ) 在奥氏体中可以阻止晶粒长 大，阻碍变形奥氏体发生再结晶，从而起到细化晶粒的作用。1 4 此外，钢中析出细小 弥散分布的t i n 、t i c ，能有效地阻碍或钉轧位错运动，从而提高钢基体变形抗力，起 到析出强化作用；钢中加入微量t i 还可以改善焊接热影响区的组织，提高焊接接头的 韧性；用微量t i 进行微台金化并施以控轧控冷是0 9 c u p t i r e a 获得良好性能的工艺 特点。 稀土( r e ) 元素能有效地脱硫、脱氧、降低钢中央杂物数量并使夹杂物球化。由 于r e 元素和s 具有很强的亲和力，它可优先与钢中的s 元素作用形成稀土硫化物或 稀土氧硫化物，其中稀土的各类硫化物在钢中呈球状或捧状，使钢中的夹杂物球化率 显著提高，从而改善钢的各项性能。另外，在耐大气腐蚀钢中加入r e ，使钢的内锈 层致密，而且与基体的结合力变强，不易脱离，可以阻止大气中o ：和h ：o 的扩散， 从而降低了腐蚀速度，因此稀土主要是通过佼锈层致密来增强与钢基体的附着力，达 到提高钢的耐大气腐蚀性能的。另外r e 中的c e 可降低c u 的活度，提高c u 的溶解 度，从而提高了c u 在钢中的利用率，r e 加入含p 的钢中，可使p 的宏观偏析减少， 使p 在晶界和铁素体界面上的偏聚减少3 0 ，这样p 在钢中的分布更合理。0 8 s 含量和硫化物的形态是影响成型性的主要因素，硫化物的数量愈多，尺寸愈 长，对成型性愈不利。众所周知，金属塑性变形时总是伴随着裂纹的形成和扩展过 程，如果在扩展的裂纹表面上存在硫化物夹杂与基体的明显界面，则硫化物将强烈地 促进裂纹扩展而导致宏观裂口的形成；另一方面硫化物在轧制过程中通常具有良好的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 变形能力而伸长成条状或链状，这种长条状夹杂物的存在造成了带钢机械性能的各向 异性。有资料指出，带钢各向异性的主要部分( 约8 0 ) 是由变形的硫化物引起的 剩下的2 0 是轧制变形时拉长的带状组织所致，最大限度地降低硫含量及有效地控制 硫化物形态是提高0 9 c u p t i r e a 钢成形性的关键，因此应尽可能降低钢中硫含量。 根据英国h u d s o n 所进行的6 0 个钢种的试验结果，合金元素量与钢的腐蚀速度率 ( c i ) 的关系式如下： c i ( i l l m a ) = 6 4 4 1 1 6 7 c 一1 0 0 1 s i - 0 2 6 9 m n 一2 4 1 0 s - 1 0 8 1 2 p 1 一 o 7 4 4 n i - 2 4 3 8 c u - 1 1 8 2 c r 】 1 5 耐大气腐蚀钢的种类和特性 1 5 1 种类 耐大气腐蚀钢可以根据不伺的用途，在含铜钢的基础上添加c r 、n i 、m o 、s i 、 t i 、卜m 、v 、r e 等合金元素生产出4 0 0 m p a 6 0 0 m p a 强度级别的钢材，本钢此次生 产的高强度0 9 c u p t i r e a 就是在钢中加入了n b 合金元素。 2 5 3 5 现在，国内外市场上出售的各种名称的耐大气腐蚀钢钢号的成分都颇为相似。国 外著名的耐大气腐蚀钢号有：美国的c o r t e n ( c u c n m p - s i ，c u c r - n i - v ) ，m a y a r i - - r ( c u c r - n i p ) ，y o l o y ( c u - n i p ) ；日本的n a w ( 新日铁：c u c r ，c u p c r ， c u p - t i ) ，r i v e r t e n ( 川崎制铁) ，r ( 住友金属) ，t a i c o r ( 神户制钢) ，c u p t e n 、 c u p l o y ( 日本钢管) ；我国有：0 9 c u p c r n i a ，0 9 c u p c r n i b ，0 9 c u v ( c u p ) 的高耐大 气腐蚀钢。 4 1 - - 4 9 现时的耐大气腐蚀钢已经进入了标准化，各个国家都有自己的耐大气腐蚀钢标 准，如美国有a s t ma 2 4 2 ，a 5 8 8 高强度低合金结构钢( 即耐大气腐蚀钢) 标准和美 国联邦钢铁公司( u s s ) 耐大气腐蚀钢标准( 其中包括著名的c o r t e na 、b 、c ，b - q t 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 系列钢) ；日本不仅有j i sg 3 1 1 4 焊接结构用耐候性轧制钢材标准，j i s g 3 1 2 5 高耐 候性轧制钢材标准，而且还有各企业( 如新日铁、川崎制铁、神户制钢、日本钢管、 住友金属等) 耐候钢标准：前苏联有r 1 0 c t 一1 9 2 8 2 低合金钢板和钢带( 其中包括耐 大气腐蚀钢) 标准；法国有n f a 3 5 5 0 2 耐大气腐蚀钢标准；国际组织有i s 0 4 9 5 2 耐大 气腐蚀钢标准；我国有g b 4 1 7 1 8 4 高耐候性结构钢标准。 5 3 - 5 8 根据成分特点和用途，现有的耐大气腐蚀钢可以分为两大类，一类是着重考虑其 耐大气腐蚀性能，钢中的耐腐蚀合金元素以c u p 为基础，特别是含有o 0 7 o 1 5 p ，作为一般结构用钢，称为高耐候钢。这类钢号有：美国的c o r t e na 钢：日本的 s p a - h 、s p a c ；我国的0 9 c u p 、0 9 c u p c r n i a 、0 9 c u p c r n i b 等；另一类是既考虑其 耐大气腐蚀性能，又考虑其焊接性能，与上一类钢的成分相比，主要是限制了其p 含 量，一般规定小于o 0 4 称为焊接结构用耐候钢。这类钢的钢号有：美国的c o r t e n b 、c o r t e nc ：日本的s m4 0 0 a 、4 0 0 b 、4 0 0 c 和s m4 9 0 a 、4 9 0 1 3 、4 9 0 c 以及s m 5 7 0 a ；我国已研制成功的焊接用耐大气腐蚀钢代表钢号有n h 3 5 q 。 1 5 2 特性 关于耐大气腐蚀钢的耐大气腐蚀性能在很多文献中都有报导。以c o r t e n 钢作为耐 大气腐蚀钢的代表钢号为例，经过在日本工业地区和海岸的长期暴露试验的结果，见 图1 6 。 在工业地带和海岸的环境下，c o r t e nb ( c r - n i v 系) 和c o r t c na ( c r n i c u p 系) 的耐大气腐蚀性能都比普通碳素钢好。只是因为耐大气腐蚀钢虽然在大气暴露初 期，与普通碳素钢进行着相同的腐蚀，但是随着岁月的流逝，腐蚀速率变慢，一般经 过2 3 年，腐蚀就不再继续进行。究其原因是由于耐大气腐蚀钢的一部分锈层慢慢地 变成稳定的锈层，称为保护膜，防止了以后腐蚀的进行。 2 3 - 2 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 通常，钢结构物为了防锈和美观，多使用涂装。耐大气腐蚀钢在涂装的场合，其 生锈和起泡时间也比普通碳素钢推迟许多，说明了耐大气腐蚀钢的涂装要比普通碳素 钢好得多。 耐大气腐蚀钢在制做钢结构时，还必须考虑焊接性能。耐大气腐蚀钢与普通碳素 曩年数 0 4 8t 21 4 曩曩辱敦i t 图1 6 耐大气腐蚀钢和普碳钢腐蚀量与时间的关系 f i g 1 6t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o r r o s i o nc o n t e n to fw e a t h e r i n gs t e e l a n dp l a i nc a r b o ns t e e la n dt i m e ：! 瞄 晡 &基 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 钢相比，一般地都认为其焊接性较差，如含p 的高耐大气腐蚀的轧制钢材由于在焊后 冷却中，在高温区域容易产生所谓高温裂纹。此外，耐大气腐蚀钢的焊接必需有专门 的手工焊焊条，埋弧焊和c 0 2 气体保护焊的焊接材料，以保证其焊接接头的使用性 能，使其耐大气腐蚀性能不能低于母材。一般耐大气腐蚀钢的加工性和普通钢材大致 相同，可以按照耐大气腐蚀钢的抗拉强度或硬度的高低来选择加工方法。 铁路机车车辆由于长期暴露在大气中运行，大气腐蚀是车辆损坏的主要原因之 一，普通碳素钢制造的铁道车辆，因抗大气腐蚀差，使用寿命短，货车运行一年半就 要进行段修，五年要进行大修，因此，采用耐大气腐蚀钢是延长车辆使用寿命的有效 措施，一般大修时间为八到十年。 0 9 c u p t i r e - a 耐大气腐蚀钢是结合我国资源情况研制的钢种，该钢种是在0 9 c u p 的基础上加入少量t i 和r e ，以改善其综合性能而研制的。其化学成分设计合理，性 能优良，该钢种主要用于制造铁道车辆及各类耐蚀结构件。经实践证明，由于提高了 耐大气腐蚀性能，延长了使用寿命，具有较大的社会效益。本钢从1 9 9 9 年末开始研制 生产至今，生产厚度为2 0 m m 1 2 0 m m ，宽度为9 0 0 m m 1 5 0 0 m m ，生产试制了1 5 万吨，生产工艺稳定，成品性能合格率1 0 0 ，钢板尺寸公差及板形良好，产品性能 达到铁道部运输局下发的铁道车辆用耐大气腐蚀钢供货技术条件和国外同类钢标准水 平，但随着火车提速和车身自重的减轻，开发高强度的0 9 c u p t i r e a 势在必行。 1 6 本课题研究目的和意义 为适应铁道车辆制造行业对耐大气腐蚀钢的要求，本钢通过产品结构调整，拟开 发试制铁道车辆高强度的用耐大气腐蚀钢，其主要钢种为高强度的0 9 c u p t i r e a 。 第二章技术指标与试制工艺 2 1 技术指标 2 1 1 化学成分 本钢在研制开发初期所制定的0 9 c u p t i r e 钢技术标准( b x 6 2 1 9 9 9 ) 参照的是 g b 4 1 7 1 8 4 中的0 9 c u p ，以及国内铁道车辆制造工厂对板材的要求，实际冶炼化学成 分都符合铁道车辆用耐大气腐蚀供货技术条件中0 9 c u p t i r e a 及0 9 c u p r e b 对成 分的要求。2 0 0 1 年7 月，为适应铁道部运输局要求，本钢根据铁道部运输局运装货车 2 0 0 0 】1 3 7 号文件及 2 0 0 1 6 2 号文件所规定的供货技术条件，在b x 6 2 1 9 9 9 的基础 上，重新制订了b x 8 4 2 0 0 1 铁道车辆用耐大气腐蚀用热轧钢带( 板) 技术条件 ( 见附件二) ，并完全符合铁道部运输局下发的铁道车辆耐大气腐蚀钢供货技术条 件，见表2 1 ，本次开发试制的高强度0 9 c u p t i r e a 并没有制定的新的技术条件， 只是在冶炼时加入的一定的n b 合金元素，在连轧轧制时进行控轧控冷，以达到预期 效果。 2 1 2 性能要求 性能要求见表2 2 所示。 2 2 试制工艺 2 2 1 工艺流程 童! ! 奎兰要圭兰堡篓兰 墨三兰垫查堡垦：i i i 墼三堇 工艺流程：铁水预处理一1 2 0 吨转炉冶炼一a h f 处理( 吹a r 并进行c a 质处理) 一连铸( 结晶器喂r e 丝) 一加热一1 7 0 0 m m 热连轧一控制冷却一卷取一取样一机能检 验一包装缴库一发货。见图2 1 。 铁水预处理进行深脱硫( 0 0 0 5 ) ：转炉出钢采用奥钢联( v a i ) 气动挡渣， 下渣量不大于5 k g t 钢；a h f 精炼处理进行成分微调( 加入n b ) 以及c a n o n ，控制 钢水温度至终点目标：大包采用长水口保护浇铸及下渣自动检测，中包采用浸入式水 口，并在结晶器喂入r e 丝，r e 的喂入量按0 2 0 k g t 钢0 3 0 k g t 钢，喂丝速度根据拉 坯速度进行调整，喂丝速度控制在1 3 m m i n 1 7 r n m i n 之间。严格控制拉坯速度在不 超过1 2 m m i n ，采用结晶器液位自动控制，在浇铸过程中尽可能保证恒速浇铸。结晶 器、二冷段冷却强度采用中冷模式及合适水表号。生产实践表明，本钢整个冶炼及浇 铸工艺制定合理可行，板坯表面质量、内部质量良好。 表2 10 9 c u p t i r e 钢化学成分( 州) t a b k2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f 0 9 c u p t i r es t i ，( w t ) 牌号标准 cs im npsc ut i r e 0 2 00 - 2 0o 0 6 0 2 5 0 9 c u p t i r eb x 6 2 1 9 9 9 o 1 20 0 3o 0 30 1 5 0 4 0o 5 0o 1 20 4 5 0 9 c u p t i r e a 0 2 0o 2 50 0 7 0 2 5o 0 1 铁道车辆 o 1 2 0 0 2 o 0 3 0 4 0 0 5 5o 1 2 0 5 00 0 4 供货技术o 2 0o 2 50 0 70 2 50 0 1 0 9 c u p t i r e b 条件 0 1 20 0 20 0 3 0 5 0 0 7 00 1 20 5 00 0 4 o t 2 0o - 2 5 0 0 7 o 2 5o 0 1 0 9 c u p t i r e a 0 0 2 0 0 3 0 1 2 0 4 00 5 5o 1 20 5 00 0 4 b x 8 4 2 0 0 1 o 2 0o 2 5 0 0 7 0 2 50 0 1 0 9 c u p t i r e b 0 1 2 0 0