本发明涉及钢材制备技术领域，特别提供了一种450mpa级耐候钢及其制备方法。
背景技术：
随着铁道车辆行业的发展，要求高强、轻量化、减薄化的呼声越来越高，比如车型为c64、c76、c80，已经采用屈服强度为450mpa的耐腐蚀钢，趋向于在同等规格、同强度级别的要求下，铁道车辆的发展趋势需要用更高强度和更薄规格钢板，另外，为了提高使用寿命、节约成本，要求钢板具有更高的耐大气腐蚀、抗海水腐蚀性能。一般采用的方法是：在钢中加入足够的铬、镍和铜等，与铌、钛结合，即保证高强度，又能够提高耐腐蚀性能，然而，铌、钛成本高，无法实现低成本化。
近年来客车实现了四次大提速，取得了明显的经济效益和社会效益。当前铁道部进一步提出我国铁路要实现跨越式发展的新思路，不仅客车提速，货车要实现重载提速。目前我国货车的行驶速度为80km/h，轴重21t。美国铁路以货运为主，其中很大一部分为运矿石、运煤，轴重在33t～39t，由此可见，目前我国铁路货车重载还有一定潜力。铁道车辆的技术进步，一定程度上依赖于我国钢材的品种、性能与质量。在20世纪80年代以前,钢结构基本上采用普碳钢、09mn2等，耐大气腐蚀钢则一直以屈服强度为295mpa的09cuptire和屈服强度为345mpa的09cupcrni为主，而美国等一些发达国家耐候钢的强度水平已高达550mpa。这种铬镍铜系列的耐候钢，科学试验及运用试验都证明其耐腐蚀性一般相当于普通碳素钢的2倍左右，在恶劣环境中相当于2～3倍。到2018年为止，铁路主型货车敞、棚车上都采用的是这种耐候钢。随着重载、提速的铁路主要技术政策的制定，选用高强度、高耐候的结构钢以降低车辆自重、提高整车性能问题显得尤为突出和迫切。
技术实现要素：
鉴于此，本发明的目的在于提供一种450mpa级耐候钢及其制备方法，以解决现有耐候钢成本高的问题。
本发明一方面提供了450mpa级耐候钢，按质量百分比，由如下成分组成：c：0.02～0.10％、si：0.10～0.30％、mn：0.90～1.50％、s：0.0010～0.0050％、p：0.005～0.015％、cu：0.10～0.30％、ni：0.05～0.20％，al：0.015～0.055％、cr：0.25～0.55％、o：0.0010～0.0030％，re:0.01～0.04％，其余为fe和其他不可避免的杂质。
本发明另一方面提供了上述450mpa级耐候钢的制备方法，包括如下步骤：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中s的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中als的质量含量控制在0.025～0.045％，出钢时加入铬铁、铜-镍合金，使钢包中的铬、铜和镍含量满足要求；
3)lf精炼
lf处理过程保持微正压，增n量≤10ppm；lf采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂casi线450米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸n，控制增n≤5ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；连铸过程中，结晶器喂稀土处理，采用双流双线喂入，以保证成品中re含量达到要求；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃；
5)加热炉加热
加热温度≥1250℃，目标出炉温度1220～1260℃，控制加热炉炉膛气氛，保证弱氧化性气氛，以避免“铜脆”的产生，另外，保证加热温度均匀，为保证板型提供基础；
6)热连轧轧制、卷取，得目标钢
荒轧道次选择3 3模式控制；保证轧制稳定性；终轧温度：≥850℃；卷取温度≤660℃，层流冷却模式采用前段快冷，保证终轧、卷取温度的精确控制。
优选，步骤3)中，喂casi线450米。
进一步优选，步骤4)中，浇钢过程投入轻压下功能。
进一步优选，步骤6)中，还包括f1、f2机后小除鳞的步骤。
进一步优选，步骤6)中，精轧压缩比≥4.5。
本发明提供的450mpa级耐候钢，采用低成本铬、镍和铜复合强化，取消铌、钛成分设计，获得一定含量铁素体加珠光体、微量贝氏体组织，该组织可保证钢板具有良好的强韧积和耐大气腐蚀性能，以及具有优良的成形性能、冷弯性能、焊接性能等。
本发明提供的450mpa级耐候钢的耐腐蚀原理如下：
cu是提高钢材耐候性能最为突出的元素，cu在大气腐蚀过程中起活化阴极作用，使阳极钝化，降低腐蚀速度，同时能加速钢的均匀溶解和fe2 的氧化速度，促进均匀的γ-feooh锈层的生成及此后向非晶态δ-feooh的转化，形成致密保护膜，并富集在其中从而达到耐腐蚀的效果。cu也是固溶强化元素，它能使钢的强度提高。cu的害处是热脆，连铸坯在炉内进行加热时，氧化性气体与钢料发生氧化反应，使表层的铁含量降低，cu含量因而相对增加，直至超过在铁中的溶解度，析出后会沿着晶界扩散，形成网络状的富cu相。
cr、ni是提高钢材耐候性的元素。cr的腐蚀电位较低，具有钝化倾向；固溶到fe3o4中，cr3 占据fe3 位置后会出现feo·cr2o3型尖晶石结构，使fe3o4趋于稳定，因此cr的作用是促进尖晶石型氧化物的生成，而cu的作用则是使尖晶石型氧化物非晶态化，它们共同促成非晶态腐蚀产物保护膜的形成。ni在耐候钢中的含量较低，但是提高耐候性的作用却优于其它元素，同时含铜钢中加ni，可使晶间产生熔点较高的铜镍化合物，钢表面的cu富集层转化为cu-ni富集层，熔点由1083℃提高到1200℃以上，能够有效地防止“cu脆”缺陷。另外cr、ni元素通过降低共析点的含碳量和提高过冷奥氏体的稳定性，使钢能在同样的冷却速度下得到更多更细的珠光体，从而提高了钢的强度。
钢中添加“铬、镍和铜等”复合微合金元素后，在钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。在锈层和基体之间形成非晶态尖晶石型氧化物致密层，这层致密氧化物膜阻止外界环境空气中氧和水向钢基体渗入，减缓锈蚀向钢材纵深发展，提高了钢材的耐腐蚀能力。
本发明提供的450mpa级耐候钢在成分设计上，采用适当的“铬、镍和铜”复合强化，不添加铌、钒和钛合金，合金成本较低，钢液纯净，在保证优异性能的基础上，节约成本；力学性能上，各项指标达到要求，且富余量较充足；在具有良好的耐腐蚀性能的同时，还具有优良的成形性能、冷弯性能、焊接性能等。
本发明提供的450mpa级耐候钢的制备方法在取消铌、钒、钛合金基础上，利用铬、镍和铜复合强化，在一定的配比下，配合热机械控制轧制工艺，可生产出具有高的强塑积以及良好耐腐蚀性能的低合金高强钢，又能够实现低成本化，具体地：
1)通过控制加热温度和炉膛气氛，加热温度控制在≥1250℃，目标出炉温度1220～1260℃，高温快烧，炉膛内保证弱氧化性气氛，缩短保温时间，保温时间15～25分钟，保证合金元素充分融入，以及高强钢在轧制时有较好的塑性以及良好的板形，另外，避免由于“铜脆”引起的裂纹，满足轧制工艺要求；
2)精轧压缩比保证在4.5及以上(≥4.5)，可保证成品钢板的金相组织、力学性能和物理性能，提高产品质量；
3)控制终轧温度，低温卷取。保证有充分的时间形成金属间析出物，细化晶粒，在保证强塑积的同时，还可提高钢板的耐蚀性能。
本发明的有益效果如下：
(1)通过本工艺生产的耐腐蚀钢，以优异的性能和良好耐腐蚀性能，完全满足用户的使用需求，在铁道车辆领域促进产品的轻量化、大型化；
(2)使用本技术生产的耐腐蚀钢，降低了企业的成本，体现出较高的成品质量和成品率，具有很好的经济效益。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
本发明提供了一种450mpa级耐候钢，按质量百分比，由如下成分组成：c：0.02～0.10％、si：0.10～0.30％、mn：0.90～1.50％、s：0.0010～0.0050％、p：0.005～0.015％、cu：0.10～0.30％、ni：0.05～0.20％，al：0.015～0.055％、cr：0.25～0.55％、o：0.0010～0.0030％，re:0.01～0.04％，其余为fe和其他不可避免的杂质。
本发明还提供了上述450mpa级耐候钢的制备方法，包括如下步骤：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中s的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中als的质量含量控制在0.025～0.045％，出钢时加入铬铁、铜-镍合金，使钢包中的铬、铜和镍含量满足要求；
3)lf精炼
lf处理过程保持微正压，增n量≤10ppm；lf采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂casi线450米～500米，优选为500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸n，控制增n≤5ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；连铸过程中，结晶器喂稀土处理，采用双流双线喂入，以保证成品中re含量达到要求；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃；优选，浇钢过程投入轻压下功能；连铸坯采用热送热装，剩余板坯放置在库内缓冷区；
5)加热炉加热
加热温度≥1250℃，目标出炉温度1220～1260℃，控制加热炉炉膛气氛，保证弱氧化性气氛，以避免“铜脆”的产生，另外，保证加热温度均匀，为保证板型提供基础；
6)热连轧轧制、卷取，得目标钢
荒轧道次选择3 3模式控制；做好精轧模型的负荷分配，保证轧制稳定性；终轧温度：≥850℃；卷取温度≤660℃，层流冷却模式采用前段快冷，保证终轧、卷取温度的精确控制，根据带钢表面的实际情况，还可以选择性地投入f1、f2机后小除鳞。
作为技术方案的改进，步骤6)中，精轧压缩比≥4.5，以改善成品的金相组织和物理性能，提高产品质量。
本发明提供的450mpa级耐候钢的制备方法主要应用于高耐腐蚀性能、高强减重、优良焊接性能和成型性能的铁道车辆用钢，本发明选用的是传统成分与现代工艺相结合的方式，取消铌、钒和钛，利用微量的铬、镍和铜等元素，不足部分加入碳、锰元素，目的是在保证高强度的同时，还要具有高耐腐蚀性能，降低生产成本，扩大装载量。它的原理是：利用原始成分“铬、镍和铜”复合强化，不添加铌、钒和钛合金，不足的部分添加碳、锰，与现代热机械控制轧制相配合，得到细化的铁素体加珠光体，以及微量的贝氏体组织，该种组织在保证高强塑积的同时，还能够提高钢材的耐大气腐蚀性能和焊接性能等，使钢材的强度级别450mpa，能够有效地弥补原设计中强度低、耐腐蚀性差的问题。
该项技术生产的专用钢材包括厚钢板、薄钢板等类型，适用于现代冷、热加工成形和焊接操作等。
实施例
按如下质量百分比制备450mpa级耐候钢：c：0.02～0.10％、si：0.10～0.30％、mn：0.90～1.50％、s：0.0010～0.0050％、p：0.005～0.015％、cu：0.10～0.30％、ni：0.05～0.20％，al：0.015～0.055％、cr：0.25～0.55％、o：0.0010～0.0030％，re:0.01～0.04％，其余为fe和其他不可避免的杂质。
制备方法如下：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中s的质量≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中als的质量含量控制在0.025～0.045％，出钢时加入铬铁、铜-镍合金，使钢包中的铬、铜和镍含量满足要求；
3)lf精炼
lf处理过程保持微正压，增n量≤10ppm；lf采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂casi线450米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸n，控制增n≤5ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；连铸过程中，结晶器喂稀土处理，采用双流双线喂入，以保证成品中re含量达到要求；浇钢过程投入轻压下功能；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃；板坯热过热装，剩余板坯放库内缓冷区；
5)加热炉加热
加热温度≥1250℃，目标出炉温度1220～1260℃，控制加热炉炉膛气氛，保证弱氧化性气氛，以避免“铜脆”的产生，另外，保证加热温度均匀，为保证板型提供基础；
6)热连轧轧制、卷取，得钢板
荒轧道次选择3 3模式控制；调整精轧模型的负荷分配，保证轧制稳定性；终轧温度：≥850℃；卷取温度≤660℃，层流冷却模式采用前段快冷，保证终轧、卷取温度的精确控制；还可以根据带钢表面的实际情况，选择性的投入f1、f2机后小除鳞；同时，优化调整机架间冷却水量的控制，其中，步骤6)中，精轧压缩比≥4.5，能够改善钢材的金相组织和物理性能，提高最终产品质量；
下面对利用上述实施例提供的方法制得的在目标组分范围内的钢进行性能测试，结果如表1所示：
表1：性能测试结果
下面对利用上述实施例提供的方法制得的在目标组分范围内的钢进行72小时相对腐蚀试验，结果如表2所示：
表2:72小时相对腐蚀试验结果
下面给出对背景技术中所述的现有铌、钛成分设计的耐候钢(对比例)的性能测试结果：
表3：性能测试结果
表4：72小时相对腐蚀试验结果
结论：从实施例和比较例的实验结果来看，本申请提供的采用低成本铬、镍和铜复合，取消铌、钛成分设计的耐候钢，强化效果要优于原有的工艺。
1.450mpa级耐候钢，其特征在于，按质量百分比，由如下成分组成：c：0.02～0.10％、si：0.10～0.30％、mn：0.90～1.50％、s：0.0010～0.0050％、p：0.005～0.015％、cu：0.10～0.30％、ni：0.05～0.20％，al：0.015～0.055％、cr：0.25～0.55％、o：0.0010～0.0030％，re:0.01～0.04％，其余为fe和其他不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的450mpa级耐候钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中s的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中als的质量含量控制在0.025～0.045％，出钢时加入铬铁、铜-镍合金，使钢包中的铬、铜和镍含量满足要求；
3)lf精炼
lf处理过程保持微正压，增n量≤10ppm；lf采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂casi线450米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸n，控制增n≤5ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；连铸过程中，结晶器喂稀土处理，采用双流双线喂入，以保证成品中re含量达到要求；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃；
5)加热炉加热
加热温度≥1250℃，目标出炉温度1220～1260℃，控制加热炉炉膛气氛，保证弱氧化性气氛，以避免“铜脆”的产生，另外，保证加热温度均匀，为保证板型提供基础；
6)热连轧轧制、卷取，得目标钢
荒轧道次选择3 3模式控制；保证轧制稳定性；终轧温度：≥850℃；卷取温度≤660℃，层流冷却模式采用前段快冷，保证终轧、卷取温度的精确控制。
3.按照权利要求2所述的450mpa级耐候钢的制备方法，其特征在于：步骤3)中，喂casi线450米。
4.按照权利要求2所述的450mpa级耐候钢的制备方法，其特征在于：步骤4)中，浇钢过程投入轻压下功能。
5.按照权利要求2所述的450mpa级耐候钢的制备方法，其特征在于：步骤6)中，还包括f1、f2机后小除鳞的步骤。
6.按照权利要求2所述的450mpa级耐候钢的制备方法，其特征在于：步骤6)中，精轧压缩比≥4.5。
技术总结