供稿|文小明 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

根據(jù)集裝箱行業(yè)的需求，為減輕箱體自重，并結(jié)合船運(yùn)行業(yè)發(fā)展需要，集裝箱制造原材料的屈服強(qiáng)度由345 MPa提高到550 MPa。本鋼針對市場需求，開發(fā)研制了集裝箱用BX550C高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼。產(chǎn)品成分及力學(xué)性能符合集裝箱行業(yè)要求，并具備良好的焊接性能、成形性能、耐大氣腐蝕性能，滿足了集裝箱行業(yè)升級換代鋼材需求。

中國作為全球最大的集裝箱制造和出口國，集裝箱的制造處于世界最前沿。目前，國內(nèi)集裝箱制造業(yè)常規(guī)生產(chǎn)的20英尺、40英尺標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱普遍采用345 MPa級別的SPA-H生產(chǎn)。由于全球造船行業(yè)的快速進(jìn)步，遠(yuǎn)洋集裝箱運(yùn)輸船的船載重能力大步提升，現(xiàn)在每船可裝載13000個(gè)左右標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，客戶出于運(yùn)輸及生產(chǎn)成本考慮采用高強(qiáng)鋼來取代SPA-H生產(chǎn)20英尺、40英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，每箱可降低箱體自重10%～13%，大大降低了運(yùn)輸成本。并且高強(qiáng)度集裝箱可以達(dá)到多裝貨物的效果，從而達(dá)到提高運(yùn)輸效率的目的。因此集裝箱制造廠已經(jīng)開始考慮采用550 MPa級別的高強(qiáng)度耐大氣鋼來取代SPA-H，從而達(dá)到最佳的性價(jià)比，保證集裝箱行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

工藝設(shè)計(jì)

工藝流程

生產(chǎn)工藝流程：鐵水預(yù)處理→180 t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→板坯連鑄→步進(jìn)式加熱爐→2300 mm熱連軋機(jī)組→TMCP→卷取→檢驗(yàn)。

化學(xué)成分設(shè)計(jì)

近代熱軋高強(qiáng)鋼的發(fā)展方向是采用低碳微合金化體系。低碳成分設(shè)計(jì)可以提高鋼的韌性，并顯著地提高集裝箱用鋼的焊接性能。Nb、V是微合金高強(qiáng)鋼的主要強(qiáng)化合金元素，在TMCP過程中Nb、V元素的第二相粒子應(yīng)變誘導(dǎo)析出阻礙形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，經(jīng)TMCP使精軋階段非再結(jié)晶區(qū)軋制的形變奧氏體組織再相變時(shí)轉(zhuǎn)化為細(xì)小的相變產(chǎn)物，可使鋼帶具有優(yōu)良的耐腐性能、良好的焊接性、超高強(qiáng)度、良好的低溫韌性。

針對生產(chǎn)高強(qiáng)耐大氣腐蝕鋼BX550C的耐大氣腐蝕性能、焊接性能、強(qiáng)韌性匹配等技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合本鋼2300 mm熱軋生產(chǎn)線的裝備水平、設(shè)備特性及軋制工藝水平，采用了C-Mn-Nb-V-Ti系鐵素體+貝氏體鋼設(shè)計(jì)，集裝箱用BX550C高強(qiáng)鋼的成分見表1。

表1 BX550C鋼化成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

熱連軋工藝設(shè)定

高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼BX550C要求確保鋼材具有優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能，而Cu、Cr是提高鋼材耐腐蝕效果最理想的合金元素。為提高BX550C的耐大氣腐蝕性能，在鋼中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.35%的Cu、0.55%～0.70%的Cr。含Cu鋼在加熱過程易出現(xiàn)“銅脆”現(xiàn)象，因此加熱爐的加熱工藝要求：鑄坯熱送熱裝，并嚴(yán)格控制連鑄坯表面質(zhì)量；嚴(yán)格控制加熱爐的爐內(nèi)氣氛以及升溫速度，當(dāng)板坯加熱溫度達(dá)到1083℃時(shí)，快速升溫，縮短在爐停留時(shí)間[1]。

采用低碳微合金化的成分設(shè)計(jì)和合理的TMPC軋制工藝最終獲得鐵素體+貝氏體組織的產(chǎn)品，成功生產(chǎn)出具有優(yōu)良耐大氣腐蝕性能、高強(qiáng)韌性匹配、良好焊接性能的高強(qiáng)集裝箱用BX550C鋼。TMCP工藝過程溫度控制方案如表2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

力學(xué)性能

工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品的力學(xué)性能檢驗(yàn)包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率及冷彎實(shí)驗(yàn)。表3為BX550C力學(xué)性能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品的力學(xué)性能。

表2 TMCP過程溫度控制方案

金相組織

高強(qiáng)集裝箱鋼BX550C的金相組織為鐵素體和貝氏體(見圖1)，晶粒度評級為11.5級。對不同批次、不同厚度的成品板卷進(jìn)行取樣分析，卷頭、卷中、卷尾及卷寬度方向取樣，晶粒度保持一致。

焊接性能

評價(jià)高強(qiáng)耐大氣腐蝕鋼BX550C的焊接性能，按照實(shí)物成分計(jì)算BX550C鋼的碳當(dāng)量weq(C) =0.41，冷裂紋敏感系數(shù)Pcm=0.169，說明BX550C有良好的可焊性。

為進(jìn)一步評定高強(qiáng)集裝箱鋼BX550C的焊接性能，模擬集裝箱生產(chǎn)廠的生產(chǎn)焊接工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室焊接實(shí)驗(yàn)。

表3 牌號為BX550C的鋼產(chǎn)品力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)室模擬焊接環(huán)境：手工電弧焊、J502WCu焊條、焊接實(shí)驗(yàn)元件厚度為2.0～5.0 mm、焊縫對接、焊接電流為155～165 A、焊接電壓21～24 V、焊接速度245～255 mm/min。

圖1 BX550C熱軋板金相組織

試樣焊接后，采用垂直于焊縫方向取樣，分別加工拉伸、冷彎試樣，按照國標(biāo)GB 2561、GB 2563進(jìn)行拉伸及彎曲實(shí)驗(yàn)。6支焊接試樣強(qiáng)度均斷裂于母材上，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；取焊接試樣進(jìn)行180°冷彎，均合格。表4為焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)和彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表4 焊接接頭拉伸和彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對焊接區(qū)域進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，圖2為熔合區(qū)、熱影響區(qū)、正火區(qū)、母材的金相組織。從焊接區(qū)域組織分析，熱影響區(qū)沒有明顯的硬化傾向，也沒有明顯的軟化現(xiàn)象，具有良好的抗裂性能，焊接工藝合理。

耐腐蝕性能

為評定高強(qiáng)耐大氣腐蝕鋼BX550C的耐腐蝕性能，委托第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大氣環(huán)境暴露實(shí)驗(yàn)和鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)。選定內(nèi)陸氣候(北京)、海洋大氣環(huán)境(青島)兩種環(huán)境分別進(jìn)行全天候靜態(tài)室外大氣暴露實(shí)驗(yàn)。對比鋼種Q235B、B480GNQR(寶鋼)、SPAH(新日鐵)，試樣尺寸5.0 mm×200 mm×100 mm，試樣投掛及加工方式按ASTMG50-76進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)分0.5、1、2、3、5年共5個(gè)周期?，F(xiàn)大氣環(huán)境暴露實(shí)驗(yàn)已進(jìn)行近半年，0.5年周期的腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。從表中大氣環(huán)境暴露實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出BX550C具有良好的耐腐蝕性能。

圖2 BX550C鋼焊縫金相組織圖(體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕)

表5 大氣暴露實(shí)驗(yàn)結(jié)果(0.5年)

鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)是模擬海洋大氣環(huán)境進(jìn)行，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB 10125，設(shè)備為YQ-25D型鹽霧腐蝕箱。鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)噴霧介質(zhì)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl水溶液，其pH值為6.5～7.2，噴嘴壓力為0.0686～0.1177 MPa，箱內(nèi)工作室溫度(35±2)℃，相對濕度95%以上。采用間斷噴霧方式，每小時(shí)內(nèi)噴霧15 min(停45 min)，每日開機(jī)8 h，其余時(shí)間自然放置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。從鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)和大氣環(huán)境暴露實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，高強(qiáng)耐大氣腐蝕鋼BX550C鋼具有較高的耐蝕率。耐腐蝕性能要優(yōu)于寶鋼集裝箱鋼B480GNQR水平，與日本新日鐵SPA-H鋼的耐蝕性能基本持平。

表6 鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對Q235B、本鋼BX550C、新日鐵的SPA-H經(jīng)加速腐蝕后的腐蝕產(chǎn)物表面形貌分析、腐蝕產(chǎn)物斷面形貌分析、腐蝕產(chǎn)物相組成分析、電化學(xué)性能分析、極化曲線的測定與分析、阻抗譜的測定與分析來對比三種鋼的耐腐蝕性能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：本鋼BX550C、新日鐵的SPA-H的耐大氣腐蝕性能都優(yōu)于Q235鋼。Q235鋼的銹層是由疏松的外銹層組成，而BX550C、SPA-H耐候鋼的銹層明顯分為內(nèi)外兩層，耐候鋼的內(nèi)銹層是由黑色的Fe3O4和靠近基體質(zhì)地較軟的似非晶態(tài)層構(gòu)成，外銹層主要是由α-FeOOH和Fe2O3組成[3]；兩種耐大氣腐蝕鋼鈍化趨勢明顯，自腐蝕電流遠(yuǎn)低于Q235鋼，自腐蝕電位、極化電阻則明顯高于Q235鋼；兩種耐候鋼的電化學(xué)過程與Q235鋼明顯不同，本鋼BX550C、新日鐵的SPA-H耐候鋼存在兩個(gè)雙電層，線性極化電阻(Rp)及電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rt)值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Q235鋼，電極反應(yīng)過程以氧擴(kuò)散的濃差極化為主[2]。本鋼BX550C與新日鐵SPA-H的整體耐大氣腐蝕性能相當(dāng)。

結(jié)束語

采用合理的化學(xué)成分和TMCP工藝設(shè)計(jì)可以獲得具有耐腐蝕性能優(yōu)良、焊接性能良好、成型性能良好、強(qiáng)度和韌性高的集裝箱用BX550C高強(qiáng)鋼。高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼BX550C具有良好的耐蝕性、沖擊韌性，滿足集裝箱制造業(yè)的安全性要求，達(dá)到了用戶使用要求，高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼BX550C作為集裝箱行業(yè)的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有廣闊的市場前景。