[0001] 本发明涉及建筑结构用钢技术领域，尤其涉及一种耐海浪飞溅区腐蚀的建筑结构用热轧钢板及其制造方法。

[0002] 海洋是一个十分苛刻而复杂的腐蚀环境。海水是一种强电解质溶液，含有高浓度的氯离子。作为海工设施主体结构的钢铁设施极易与周围介质发生电化学反应而受到严重腐蚀，大大降低了这些设施的使用寿命。特别是在浪花飞溅区这一最苛刻的海洋环境腐蚀区域，各种设施受到干湿交替，海水飞沫、阳光、大气中的腐蚀性成分和氧气等一系列外部因素的作用，材料的腐蚀尤为严重。

[0003] 调查显示，海港码头、海洋采油平台等设施钢桩在这一区域腐蚀严重，一般为海水全浸区的3～10倍。一旦在这个区域发生严重的局部腐蚀破坏，会使整个设施的承载能力大大降低，使用寿命缩短，影响生产安全，甚至导致设施提前报废。

[0004] 在海浪飞溅区，由于处在干、湿交替区，氧气供应充分，所产生的腐蚀产物没有保护作用；由于海水的飞溅，其飞沫可以直接打到金属表面，使其腐蚀严重。腐蚀试验和调查结果表明，在一般情况下，对于普通碳钢、低合金钢等在海洋大气中的平均腐蚀速度约为0.03～0.08毫米/年，而在浪花飞溅区为0.3～0.5毫米/年。在浪花飞溅区这个部位很容易发生严重的腐蚀破坏，使整个钢结构物承载力大大降低而影响安全生产，缩短使用寿命，提前报废。

[0005] 根据上述工况条件，选定工业纯钛作为耐蚀层，钛具有很高的化学活性，在空气中极易与氧反应，生成氧化物。钛金属表面的氧化物致密、稳定，且“自愈”能力强。钛氧化物的“自愈”能力，主要指钛材表面某个地方的钛氧化膜受损后，它能迅速地生成一层新的钛氧化膜，阻止腐蚀性介质与钛进一步接触。

[0006] 对于海洋建筑结构用钢而言，除了要满足耐腐蚀的要求外，还要具备良好的力学性能，其中屈强比以及低温冲击韧性越来越成为建筑用钢重点关注的指标。屈强比是钢材的屈服强度与抗拉强度的比值，其大小反映了钢材塑性变形时不产生应变集中的能力。屈服比越低，钢材的塑性变形越能均匀地分布到较广的范围。低屈强比钢材制成的钢结构体系在地震力作用下，其塑性变形可以均匀地分布到较广的范围；而高屈强比的材料，则可能会发生应变集中，降低钢材整体塑性变形的能力，从而导致结构的脆性破坏，造成结构室温并发生突然垮塌。钢材在低温环境下会发生脆性转变，钢材的断裂形式会从韧性断裂转变为脆性断裂，其工程意义在于钢材在高于该温度下服役，构件不会发生脆性断裂，所以结构用钢通常需要根据材料服役环境对钢材的低温冲击性能做相应的要求，不同纬度的海洋温度差异较大，以中国渤海湾附近为例，冬季海边气温可达‑20℃以下，这就需要建筑材料满足‑40℃的冲击性能以保证不发生脆性断裂。材料在提高塑韧性的同时如果抗拉强度的提升幅度较小，屈强比将会大幅上升，低屈强比的控制就变得困难。

[0007] 中国专利CN201210260231.7公开了一种钛‑钢‑钛双面复合板的制备方法，通过将四块钛板与三块钢板按照一定顺序叠放于以最外层两块钢板焊接而成的封闭框体内，钛板与钛板之间加入由1重量份的活性α‑Al2O3和1.5重量份的4％聚乙烯醇水溶液混合而成的隔离剂并利用镍基合金作为钛板和钢板之间的过渡层，加热至500℃～630℃并抽真空，保温1～2h，真空度达到20～200Pa，其特点是组坯后先进行焊接，再抽真空，焊接时只需普通的电弧焊及埋弧焊就可满足条件，相比在真空条件下焊接，焊接条件要求低，成本低，且不用另外组建真空室；随后将组合坯料在常规加热炉并轧制复合，轧制温度700℃～900℃，通过最外层的钢板封焊以及抽真空，可将煤气中的C阻隔开，同时加入了镍基合金隔离层阻止界面TiC的生成，得到剪切强度230～260MPa同时界面结合率99.6％～100％的钛钢复合板。

[0008] 中国专利CN201710769999.X公开了一种钛钢复合板的制备方法，选择钛钢组合坯相互接触的表面，在接触的钛材表面上涂上耐高温防渗碳渗氮隔离涂层，放在室温下进行干燥处理；干燥处理完成后将钛坯两两对正叠置，中间放入钢坯，完成组坯得到复合坯，其中所用钛板厚度大于2mm，钢板厚度大于5mm，随后对复合坯四周进行封焊并留出一定尺寸的未焊合去，对坯料进行抽真空达到10‑2～10‑3Pa后再进行焊合；将板坯加热至500～700℃并进行轧制，首道次压下率超过25％，末道次压下率不超过15％，总压下率为60～70％，轧制速度为0.1～1.0mm/s。该专利通过采用的涂层具有高温防渗保护作用，在高温下免受其他杂质元素的扩散和氧化，阻隔C、N等元素的扩散，其实施例采用Q235与TA1结合，所生产的钢板剪切强度达到了176MPa、181MPa、182MPa。

[0009] 以上两专利主要通过在钛和碳钢之间增加附加的镍基合金隔离层的方式避免脆性的Ti的化合物的生成。

[0010] 中国专利CN201811327623.4公开了一种钛‑钢‑钛复合板材及其制备方法，通过将同尺寸两张钛板中间固定一张碳钢，通过不可逆大轧制力温轧机进行温态复合轧制使三层带材复合成为一体，轧制完成后对轧制复合板进行热处理操作，包括500～600℃保温20～60分钟的初次退火以及680～700℃的再结晶退火保温30～120分钟，最后通过矫直平整剪切整形等得到产品，该专利主要描述了一种非热轧复合的复合钛钢板的制备方法，由于采用不可逆轧机轧制，只能进行单道次的轧制生产，同时还需进行热处理，实施例主要涉及的是钢带生产方法，对于复合后的性能也未提及。

[0011] 中国专利CN201510543767.3公开了一种钛钢复合板的制备方法，利用该方法所得钛钢复合板的结合强度高，该专利通过将两张普碳钢板或钢坯中间固定一张钛板，在真空环境下焊接坯料四周，将组合坯料加热至850～900℃，加热120～360min，控制开轧温度800℃以上，终轧温度700℃以下，并且控制单道次变形量均在20～30％，轧制总变形量≥90％，进行大压下率轧制以破碎界面生成的脆性相化合物，降低其对结合面的影响，轧制得到结合强度大于240MPa的钛钢复合板，该专利要求的道次压下率和总变形量都很高，在轧制过程中易产生边部焊缝开裂，破坏真空度，不宜界面结合。

[0012] 中国专利CN201610994234.1公开了一种钛钢复合板的生产方法，涉及一种钛钢板的退火技术生产方法，首先将钛板及钢板进行组坯，形成钢板‑钛板‑隔离剂‑钛板‑钢板对称式多层组合坯料，通过轧制复合或爆炸复合的方式进行复合，复合后的坯料采用连续退火酸洗线进行退火酸洗，先加热至500～750℃,使得心部钛板再结晶，再加热至950～1050℃，使得基部钢板再结晶，该专利目的是通过两阶段热处理同时获得复材和基材的性能，两阶段热处理会发生钛、铁和碳元素的过度扩散，产生铁钛的金属间化合物和碳化钛等脆性，劣化界面剪切强度。

[0013] 中国专利CN201710996925.X公开了一种薄复层双面钛钢复合板及其制备方法，通过大厚度组坯以及大压下轧制技术，实现钛、钢之间的良好复合，该专利是由钛复层、基层和钛复层构成的双面钛复合板，钛复层材质为TA2，其中钛复层厚为0.2～1mm，组坯按照由上至下依次为盖板、钛复材、碳钢基材、钛复材、盖板的顺序居中叠放，在真空室中抽取真空后对其四周缝隙进行真空电子束封焊接，真空度为1.0×10‑2～4.5×10‑2Pa，将密封焊接处理后的复合坯加热至900～920℃保温，保温时间按照1min/mm×复合坯总厚度计算，开轧温度为880～900℃，终轧温度为800℃以上，空冷至室温，单道次压下率为≥15％，且头三道次压下率≥20％，总压下率≥80％，将轧制后得到的复合板进行切边、分板、表面修磨后得到双面钛钢复合板，该专利通过复合板坯的表面清洁处理，盖板的包覆隔离空气作用，控制轧制温度以及采用大压下的方式，使复合界面生成的钛铁、钛碳化合物破碎、细化，弥散分布在复合界面，改善化合物的分布状态，进一步保证复合质量和性能稳定性，剪切强度达到241MPa。

[0014] 中国专利CN201710983322.6公开了一种薄复层钛钢复合板及其制备方法，采用钛和碳钢复合的双层结构，其组坯方式、加热工艺与中国专利CN201710996925.X相似，开轧温度为880～900℃，单道次压下率为25～30％，总压下率≥85％，在控制单道次压下率和总压下率的同时，限定钛钢复合板的厚度为3～16mm，终轧温度为800℃以上，空冷至室温，通过表面处理得到钛钢复合板，钛复层厚度≤1mm，该专利通过对称组坯的方式并将钛封焊进碳钢板中提高复合质量，轧制后钢板剪切强度达到238MPa以上，且复合界面结合率为100％，其碳钢层达到了Q345级别碳钢的国家标准要求。

[0015] 上述两专利对于复层以及基层的详细设计没有提及，仅对拉伸性能以及剪切强度进行了描述，复层要求的道次压下率和总压下率都偏高，且没有控制材料的耐蚀性、基层材料低温冲击性能、屈强比等性能指标，不满足建筑结构用钢的要求。

[0016] 综上所述，以上专利主要对复合钢板的制备方法进行了描述，具体实施例在性能方面主要对界面剪切强度和拉伸性能等做了简要说明，海浪飞溅区的钢结构用钢，除了要耐海浪飞溅区的腐蚀外，还要确保具备必要的结构用钢性能要求，如前述的低屈强比以及相应的低温冲击性能以保证结构安全，而以上专利对于耐蚀层的腐蚀速率、屈强比、低温冲击等均未进行相关成分及工艺设计，无法保证可以满足海浪飞溅区环境下的高耐蚀的钢结构用钢板的使用要求。

[0091] 下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细的说明。应明确，以下实施例仅用于对本发明的具体实施方式的描述，并不对本发明的保护范围构成任何限制。

[0092] 参见图1、图2、图4，其所示为本发明所述建筑结构用热轧钢板的两种层间结构的示意图，其中，1为基层，2为耐蚀层，3为界面过渡层。

[0093] 本发明所述建筑结构用热轧钢板(复合钢板)实施例的基层的成分参见表1，成分余量为Fe和不可避免杂质。表2为本发明复合钢板实施例的制造工艺参数。表3示出实施例和对比例的复合钢板中基层和耐蚀层的金相组织和力学性能、界面过渡层厚度。

[0094] 其中，复合钢板的屈服强度和抗拉强度参照GB/T 6396‑2008《复合钢板力学及工艺性能方法》以及GB/T 228‑2010《金属材料室温拉伸试验方法》进行测量。

[0095] 基层碳钢的‑40℃冲击功KV2/J(纵向)参照GB/T 6396‑2008《复合钢板力学及工艺性能方法》以及GB/T 229‑2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》测量。

[0096] 晶粒度评级按如下进行：根据GB/T 6394‑2017《金属平均晶粒度测定方法》采用截点法对不锈钢和碳钢中的铁素体组织分别进行晶粒度评级。

[0097] 对比例采用与本发明实施例基本相同的上述步骤制备，不同之处在于基层碳钢成分和进行轧制或冷却步骤时采用的某些工艺参数不符合本发明的要求。

[0098] 实施例3的耐蚀层的金相组织参见图3，所示为单一、等轴状的α‑Ti，平均晶粒尺寸为102.8um。

[0099] 实施例3的界面过渡层参见图4，界面过渡层3的厚度在7.5μm，其中断续状的细小颗粒为TiC，尺寸小于120nm。

[0100] 实施例3的基层金相组织参见图5，显示基层碳钢的金相组织为铁素体+珠光体，其中珠光体体积分数6.8％，晶粒度级别为≥8.5级。

[0101] 表4示出了实施例1‑8和对比例1‑4的复合钢板挂片试样在海浪飞溅区6个月后的腐蚀情况。观察结果显示，除对比例4外，其他实施例及对比例的腐蚀速率均≤0.006mm/年。

[0102] 对比例1‑4由于采用不符合要求的成分设计要求、热加工工艺条件，导致复合钢板的某些性能不能满足使用要求(性能参数不在发明限定的范围)。其中：

[0103] 对比例1由于化学成分采用无Ti、Nb和Cr添加，采用的轧制压下率不在本发明限定的范围，因此屈服强度、屈强比，冲击性能和界面剪切强度不能满足要求。

[0104] 对比例2由于化学成分无Ni添加、终轧温度、冷却速度、终冷温度不在本发明限定的范围，因此其屈强比、冲击性能不能满足要求。

[0105] 对比例3由于化学成分Cu+Ni添加量小于0.02％及冷却速度、终冷温度不在本发明限定的范围，因此其金相组织为贝氏体，力学性能及屈强比、冲击性能均不能满足要求。

[0106] 对比例4由于加热温度、终轧温度不在本发明限定的范围，因此其界面过渡层厚度过厚，导致剪切强度不满足性能要求、由于加热温度过高，在后续的加工和冷却过程中无法完全消除β‑Ti，致使腐蚀速率高。

[0107] 通过本发明的制备方法，尤其是对加热、轧制和冷却工艺的控制，使钢板中的基层表现出优良的屈强比以及低温冲击韧性，同时覆层具备优异的耐腐蚀性能以及高结合强度，其屈服强度为352～445MPa，抗拉强度为497～602MPa，屈强比0.71～0.80，‑40℃冲击功均在190J以上，界面剪切强度均大于252MPa。

[0108] 需要说明的是，本发明中记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非彼此之间产生矛盾。在不脱离本发明的范围的情况下可对本发明进行各种修改和变化，这对本领域技术人员而言将是显而易见的。例如，作为一个实施方式的一部分显示或描述的特征可以与另一个实施方式一起使用以产生又一个实施方式。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等价物范围内的这些修改。

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