一种500MPa级耐候免涂镀热轧棒线材及其轧制工艺

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种耐候免涂镀热轧棒线材及其轧制工艺。

背景技术

工业用线、棒材门类众多(如：弹簧钢、桥索钢、帘线钢、冷镦钢、易切削钢、轴承钢等)，而为满足不同服役性能要求，热轧线、棒材往往需要经多个工序加工处理(如：冷拔、冷镦、调质以及编织、合股等)，因此对组织与性能要求严格。

当前，工业线、棒材升级换代主要聚焦强度等级的提升(如：帘线钢从70级向80、90级发展；桥索钢从1860MPa向1960MPa、2000MPa、2100MPa演变)，对能延长使用寿命的耐候性能关注较少，这主要有两方面原因：

(1)钢材主要依赖添加耐候元素(如：Cu、Cr、Ni、P等)提高耐候性能，而耐候元素会显著增加钢质淬透性，导致钢中出现贝氏体、马氏体等异常组织，与现有以铁素体、珠光体为主的工业线、棒材微观组织相比，贝氏体、马氏体等组织不利于拉拔、冷镦等深加工，因此为确保工业线、棒材使用性能，钢中往往严格限制Cu、Cr、Ni、P等元素的添加。

(2)在一些对最终成品有耐候性要求的线、棒材制品中，往往采用镀锌、镀铜等手段实现成品材的高耐候性，如：镀锌钢绞线、镀铜钢帘线等，这能有效避免耐候合金元素对钢质性能的影响，但涂镀过程污染大，能耗和加工成本高。

具有免涂镀、长寿命的耐候钢正成为当下绿色钢铁产品的发展热点；目前，国内外生产的耐候钢多数为板材，由于线棒材与板材完全不同的深加工流程和应用场景，对于连轧道次多、组织性能要求高且冷加工变形量大的耐候钢结构用热轧盘条及圆钢，国内鲜有报道。

CN108396238公开了一种1860MPa级耐腐蚀钢绞线用盘条及其生产方法，化学成分为C0.80～0.85％、Si0.15～0.35％、Mn0.60～0.70％、P≤0.025％、S≤0.015％、Cr0.35～0.40％、Cu0.21～0.27％、Ca(40～80)×10-4％，连铸过热度不大于30℃，结晶器电磁搅拌；连轧成100～200mm正方形钢坯；轧制时通条温差≤30℃；控制开轧温度、精轧入口温度、减定径入口温度及吐丝温度；斯太尔摩风冷线冷却采取强冷、弱冷、强冷的冷速控制方法，冷却至500℃后自然冷却。该发明生产的φ(8～13)mm盘条，抗拉强度达1150～1250MPa、延伸率为10～16％、面缩率为18～32％，在(23℃、15d)5％NaCl溶液全浸腐蚀条件下，腐蚀速度低于YL82B钢绞线用盘条腐蚀速率的70％。该专利虽然是线材产品，但因碳含量高、Cr含量低，因此其耐候性能无法满足长期裸用以及免维护要求。

北科大与邢钢开发的XG835NH钢盘条用于生产10.9MPa级耐大气腐蚀螺栓，该钢为中碳合金钢，钢中加入了Mn、Mo、Cr、Si等合金元素，合金元素增加了奥氏体转变的孕育期，提高了材料的过冷奥氏体稳定性能，但盘条轧制后冷却速度过快容易出现马氏体组织，马氏体组织强度高、硬度高，不利于盘条的拉拔和冷镦深加工。

当前，工业用棒线材主要通过镀锌等涂镀工艺来获得耐候性，这主要存在两方面问题：其一热镀锌工艺污染大、成本高；其二涂镀类产品表面耐候层往往较薄，在运输、安装、使用过程容易破损而达不到耐蚀效果；另外当前耐候钢在板材类发展较为充分，但对于需要冷拉、大变形的工业用棒线材，因与板材加工流程和应用场景的显著差异，导致耐候类工业用棒线材发展缓慢。

发明内容

本发明目的在于提供一种500MPa级耐候免涂镀热轧棒线材及其轧制工艺，可满足冷加工、免涂镀以及25年以上裸用要求，针对拉拔用工业棒线材深加工要求，采取全新的超级耐候成分体系，配合控轧控冷技术方案，在满足耐候性能的基础上形成利于冷加工的微观组织。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种500MPa级耐候免涂镀热轧棒线材，化学成分以质量分数计包括：

C：＜0.14wt％、Si：0.3～0.6wt％、Mn：0.5～0.75wt％、P＜0.03wt％、S＜0.02wt％、Cu：0.1～1.0wt％、Cr：1.0～4.5wt％、Cr/Cu＝5～11，其余为Fe及不可避免的杂质。

按上述方案，化学成分以质量分数计包括：

C：＜0.14wt％、Si：0.4～0.5wt％、Mn：0.6～0.7wt％、P＜0.03wt％、S＜0.02wt％、Cu：0.3～0.7wt％、Cr：2～3.5wt％、Cr/Cu＝7～9，其余为Fe及不可避免的杂质。

按上述方案，进行微合金化，化学成分以质量分数计还包括Nb：0.015～0.035wt％、V：0.04～0.07wt％、Nb/V＝1/3～2/3。

上述500MPa级耐候免涂镀热轧棒线材的轧制工艺，包括以下步骤：

钢坯加热；包括预热段、加热段和均热段；

轧制；采取低温控轧，全流程采用奥氏体未再结晶轧制；

控冷；线材采用斯太尔摩工艺控制冷却；棒材上冷床采用保温罩缓冷。

按上述方案，所述钢坯加热工艺中钢坯为小方坯或矩形坯，断面(140～220mm)×(140～220mm)；预热段加热温度≤600℃、加热时间10min～15min；加热段分加热1段和加热2段，加热1段的加热温度600℃～1000℃、加热时间10min～15min，加热2段的加热温度1000℃～1200℃、加热时间40min～50min；均热段加热温度1100℃～1200℃、加热时间10min～20min。

按上述方案，所述轧制工艺中精轧温度为850±10℃、入减定径温度840±10℃，终轧温度830±10℃。

按上述方案，所述控冷工艺中，线材采用斯太尔摩工艺控制冷却，0#辊道速度0.2～1m/s，余下8组辊道速度相对于前一组辊道提升3％(极差)；13组风机的风量为210000m

按上述方案，所述控冷工艺中，棒材上冷床温度＞600℃，采用保温罩缓冷，出保温罩温度＞330℃。

相对于现有技术，本发明有益效果如下：

本发明开发出一种500MPa级耐候免涂镀热轧棒线材及其轧制工艺，可满足冷加工、免涂镀以及25年以上裸用要求，将彻底改变现有镀锌类棒线产品用钢情况，实现下游加工流程的简化(免涂镀)和应用端的免维护，降低下游用户全流程成本，具有良好的市场应用前景，有望全面替代现有传统涂镀类产品。

附图说明

图1：实施例1热轧态微观组织：铁素体+珠光体，200X。

图2：实施例1热轧态微观组织：铁素体+珠光体，500X。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

具体实施方式提供了一种500MPa级耐候免涂镀热轧棒线材，化学成分以质量分数计包括：

C：＜0.14wt％、Si：0.3～0.6wt％、Mn：0.5～0.75wt％、P＜0.03wt％、S＜0.02wt％、Cu：0.1～1.0wt％、Cr：1.0～4.5wt％、Cr/Cu＝5～11，其余为Fe及不可避免的杂质。

优化的方案中，化学成分以质量分数计包括：

C：＜0.14wt％、Si：0.4～0.5wt％、Mn：0.6～0.7wt％、P＜0.03wt％、S＜0.02wt％、Cu：0.3～0.7wt％、Cr：2～3.5wt％、Cr/Cu＝7～9，其余为Fe及不可避免的杂质。

优化的方案中，还包括进行微合金化，化学成分以质量分数计还包括Nb：0.015～0.035wt％、V：0.04～0.07wt％、Nb/V＝1/3～2/3。

具体实施方式还提供了上述500MPa级耐候免涂镀热轧棒线材的轧制工艺，包括：

钢坯加热；包括预热段、加热段和均热段；

轧制；采取低温控轧，全流程采用奥氏体未再结晶轧制；

控冷；线材采用斯太尔摩工艺控制冷却；棒材上冷床采用保温罩缓冷。

具体地，所述钢坯加热工艺中钢坯为小方坯或矩形坯，断面(140～220mm)×(140～220mm)；预热段加热温度≤600℃、加热时间10min～15min；加热段分加热1段和加热2段，加热1段的加热温度600℃～1000℃、加热时间10min～15min，加热2段的加热温度1000℃～1200℃、加热时间40min～50min；均热段加热温度1100℃～1200℃、加热时间10min～20min。

具体地，所述轧制工艺中精轧温度为850±10℃、入减定径温度840±10℃，终轧温度830±10℃。

具体地，所述控冷工艺中，线材采用斯太尔摩工艺控制冷却，0#辊道速度0.2～1m/s，余下8组辊道速度相对于前一组辊道提升3％(极差)；13组风机的风量为210000m

具体地，所述控冷工艺中，棒材上冷床温度＞600℃，采用保温罩缓冷，出保温罩温度＞330℃。

本发明具体实施方式中C：碳元素对钢的腐蚀不利，并且对焊接性能、冷脆性能和冲压性能有影响；碳对盘条的强度和塑性影响最为显著，随着碳含量的增加，盘条强度不断提高、塑性急剧降低，碳含量还影响最终成品可拉拔性能。综合考虑，本发明碳含量＜0.14wt％。

Si：硅元素是钢中重要的强化元素，并且对耐腐蚀性能有利，能显著提高拉拔后钢丝的弹性极限，但过高的Si含量将增大铁素体脆性不利于冷镦加工。综合考虑，本发明硅含量0.3～0.6wt％。

Mn：锰与硫结合生成MnS进而减轻硫的危害，并能细化珠光体、提高钢丝强度；但Mn在钢中易于偏聚，进而引起组织与性能不均匀，过高的Mn含量还将增加生产成本；另外，对于耐候钢而言，学术界中锰对耐蚀性的影响认识不统一，大多数学者认为，锰能提高钢对海洋大气的耐蚀性，但对在工业大气中的耐蚀性几乎无影响。综合考虑，本发明锰含量0.5～0.75wt％。

P：磷是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的合金元素之一，磷在钢中能均匀溶解，有助于在钢表面形成致密的保护膜，使其内部不被大气腐蚀，通常钢中w(P)＝0.08％～0.15％时耐蚀性最佳；但对于需深度冷加工的工业线材而言，磷容易产生冷脆，对钢质量尤其是冷加工性能有较大影响，为此需进行严格控制。综合考虑，本发明磷含量P＜0.03wt％。

S：硫在本钢种属于有害元素，硫容易产生热脆，进而恶化钢丝拉拔和热处理加工条件，并且如果使钢中残余硫的质量分数降至0.01％，则可使碳素钢的耐候性获得大幅度提升。综合考虑，本发明硫含量S＜0.02wt％。

Cu：铜是生产耐腐蚀类钢铁材料常用的合金添加元素，Cu是一种化学反应速度较慢的金属元素，通过添加Cu就能够提高钢材的强度，但如果Cu含量过高，会直接影响钢材的低温韧性。值得注意的是，铜抵消钢中硫的有害作用的效果很明显，其作用特点是，钢中硫含量愈高，铜降低腐蚀速率的相对效果愈显著。这是因为铜与硫生成了难溶硫化物。综合考虑，本发明铜含量为0.1～1.0wt％。

Cr：铬是提升钢耐候性能的主要元素，铬能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力，使锈层生长速度减慢。但铬会大幅度提升钢的淬透性，过量的铬会导致钢中形成贝氏体、马氏体等异常组织，对钢的冷加工性能不利。综合考虑，本发明铬含量为1.0～4.5wt％。

Cr/Cu：同为耐候元素铜、铬存在协同强化作用，基于最经济成本考虑，本发明中Cr/Cu＝5～11。

Nb、V：铌、钒是常见微合金强化元素，可阻止奥氏体晶粒长大，细化再加热奥氏体晶粒，提高组织与性能的均匀性，但过量加入将显著提升生产成本，并且Nb、V复合微合金化强化效果优于单个元素作用。综合考虑，本发明铌、钒含量分别为0.015～0.035wt％、0.04～0.07wt％，且Nb/V＝1/3～2/3。

本发明作为高合金钢种，铸坯加热过程需要避免裂纹产生，因此需制定出专用的分段加热工艺；同时，本发明也是低碳钢，为进一步提升强韧性，亦采用低温控轧并通过合适的控冷获得适宜拉拔的微观组织，并避免出现大量马氏体、贝氏体等异常组织。

本发明各实施例和对比例的化学成分见表1；各实施例和对比例加热工艺参数见表2；各实施例和对比例轧制过程工艺参数见表3；各实施例和对比例控冷工艺参数见表4。各实施例和对比例试验效果(强韧性、冷镦性能、耐候性)见表5。

实施例1中的微观组织见附图1和附图2，其中附图1为热轧态微观组织：铁素体+珠光体，200X；附图2为热轧态微观组织：铁素体+珠光体，500X。

表1化学成分wt％

表2加热工艺参数

表3轧制工艺参数

表4控冷工艺参数

表5试验效果

从表5可知，作为当前常规用产品的对比例1～对比例3，其强韧性和耐腐蚀性能均显著低于实施例，不能满足免涂镀使用要求；而本发明开发出的一种500MPa级耐候免涂镀热轧棒线材及其轧制工艺，具有优异的强韧性、冷镦性以及耐候性能(相对腐蚀率≤25％)，可满足深度拉拔和冷镦加工要求，并且制造的产品能满足冷加工、免涂镀、25年以上裸用要求，简化了下游加工流程和应用端维护，降低下游用户全流程采购成本，具有良好的市场应用前景，有望全面替代现有传统涂镀类产品。