CN114959451A

CN114959451A - 一种南海海洋环境用耐候耐火结构钢

Info

Publication number: CN114959451A
Application number: CN202210444394.4A
Authority: CN
Inventors: 穆鑫; 陈振业; 王悦; 吝章国; 陈昊男; 齐建军; 赵林; 韩鹏飞; 魏欣; 马荣耀; 王长罡; 魏洁; 陈楠; 董俊华
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS; HBIS Co Ltd
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS; HBIS Co Ltd
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2022-08-30

Abstract

本发明涉及低合金钢领域，具体涉及一种南海海洋环境用耐候耐火结构钢。该结构钢的化学成分(wt％)为：C：≤0.12％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.5～1.7％；P：≤0.06％；S：≤0.003％；Nb：0.01～0.04％；Ti：≤0.03％；Mo：≤0.4％；Cr：0.1～0.5％；Ni：0.2～0.5％；Cu：0.2～0.5％；B：0～0.003％；Als＜0.02％，余量为Fe。本发明的低合金钢强度级别可达460MPa，相比于普通Q460钢具有优异的耐火性和耐蚀性，其腐蚀速率降低了5％～15％。性能优良，可广泛应用于建筑、桥梁施工或者交通运输领域，具有良好的应用价值。

Description

一种南海海洋环境用耐候耐火结构钢

技术领域

本发明涉及低合金钢领域，具体涉及一种南海海洋环境用耐候耐火结构钢。

背景技术

钢铁材料广泛地应用在航空航天、桥梁、汽车、轮船等领域，暴露在户外的钢结构件在大气环境中普遍会发生大气腐蚀。腐蚀不仅是安全问题，生态文明问题，还是经济问题。据统计，我国腐蚀总成本约占当年GDP的3％～4％。大气腐蚀是在金属腐蚀中数量最多、覆盖面最广、破坏性最大的一种腐蚀。因此，对耐候钢的研发意义重大。腐蚀是材料和环境共同作用的结果，在环境因素无法改变的前提下，只能通过改变材料的成分、组织和结构，提高材料的耐蚀性。耐候钢，即低合金耐大气腐蚀钢，是在低碳钢的基础上通过添加少量合金元素Cu,Cr,Ni,P,Mn,Sn等来提高其耐大气腐蚀性能。目前，由于耐候钢的应用领域不断扩大，需要开发出更多种类的耐候钢，以满足时长的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全新成分的南海海洋环境用耐候耐火结构钢，具有优良耐南海海洋大气腐蚀性能，其耐蚀效果好。

本发明的技术方案是：

一种南海海洋环境用耐候耐火结构钢，包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.12％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.5～1.7％；P：≤0.06％；S：≤0.003％；Nb：0.01～0.04％；Ti：≤0.03％；Mo：≤0.4％；Cr：0.1～0.5％；Ni：0.2～0.5％；Cu：0.2～0.5％；B：0～0.003％；Als＜0.02％，余量为Fe。

所述的南海海洋环境用耐候耐火结构钢，包括以下质量百分比的化学成分：C：0.05～0.07％；Si：0.15～0.30％；Mn：0.9～1.1％；P：0.015～0.025％；S：≤0.002％；Nb：0.01～0.025％；Ti：0.01～0.02％；Mo：0.2～0.4％；Cr：0.2～0.5％；Ni：0.3～0.5％；Cu：0.2～0.35％；B：0.001～0.003％；Als＜0.01％，余量为Fe。

所述的南海海洋环境用耐候耐火结构钢，相比于普通Q460MPa级别钢，耐候耐火结构钢的腐蚀速率降低5％～15％。

所述的南海海洋环境用耐候耐火结构钢，耐候耐火结构钢应用于建筑、桥梁施工或者车辆制作领域，炎热潮湿地区裸露使用或者涂装使用。

所述的南海海洋环境用耐候耐火结构钢，耐候耐火结构钢强度达到460MPa级，相比于普通Q460钢高温强度更高，在600℃环境中2小时后的抗拉强度≥327MPa，高于其常温强度的2/3，是普通Q460钢在600℃环境中2小时抗拉强度的3倍以上。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明提供了一种全新成分的460MPa级南海海洋环境用耐蚀耐火钢，相比于普通Q460钢，其腐蚀速率降低了5％～15％，实现了优良的耐大气腐蚀性能。本发明的耐候钢可在炎热潮湿环境地区裸露或者轻涂装使用，后期维护成本少，产品寿命长，全周期使用成本会降低。

2、本发明可广泛地应用于建筑、桥梁施工或者车辆制作领域，具有良好的应用价值。本发明的460MPa级南海海洋环境用钢高温(600℃，2小时)抗拉强度是普通Q460钢的3倍以上。

附图说明

图1为对比例和实施例在模拟大气环境下的腐蚀速率曲线。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明南海海洋环境用耐候耐火结构钢，包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.12％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.5～1.7％；P：≤0.06％；S：≤0.003％；Nb：0.01～0.04％；Ti：≤0.03％；Mo：≤0.4％；Cr：0.1～0.5％；Ni：0.2～0.5％；Cu：0.2～0.5％；B：0～0.003％；Als＜0.02％，余量为Fe。

上述南海海洋环境用耐候耐火结构钢的成分设计思想是：

C是钢中有效的强化元素，提高C含量有利于提高强度，但是过高的碳含量会析出碳化物颗粒，降低塑性和韧性。同时，过高的碳含量还影响钢的焊接和冲压等性能。因此，本发明设计C≤0.12wt％，优选的C：0.05～0.07wt％。

在钢铁冶金上，Si可以起到和P相似的作用，都能缩小γ相区，形成γ相圈，对铁素体的固溶强化作用仅次于P。Si还能提高钢的电阻率，增强钢在自然条件下的耐蚀性。与其他合金元素(如：Cu、Cr、P、Ni等)协同改善钢的耐蚀性，但是过高的Si的含量过高会使轧制时除磷困难，还会导致焊接性能下降。因此，本发明设计Si：0.1～0.3wt％，优选的Si：0.10～0.20wt％。

Mn具有较强的固溶强化作用，能显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素，同时较多的学者认为Mn能提高钢在海洋大气的耐蚀性，在锈层中以MnFe₂O₄的形式存在。但是过多的Mn使铸造过程中容易产生铸坯裂纹，同时还会降低钢的焊接性能。因此，本发明涉及Mn：0.5～1.7wt％，优选的Mn：0.9～1.1wt％。

适当的P含量可显著提高钢的耐大气腐蚀性能，当P和Cu联合加入钢时，呈现出更好的协同耐候效应。但P含量过高会显著降低钢的塑性及低温韧性。因此，本发明设计P：≤0.06wt％，优选的P：0.015～0.025wt％。

S是不良耐候性元素，作为残余元素其含量被控制在0.04wt％以下。因此，本发明设计S：≤0.003wt％，优选的S：≤0.002wt％。

Nb既是一种强铁素体形成元素，又是强碳氮化物，在长时间受热时又易于形成金属化合物，起到强化力学性能，细化晶粒的作用。在耐高温的用途中，Nb可代替部分Mo，降低成本。因此，本发明设计Nb：0.01～0.04wt％，优选的Nb：0.01～0.025wt％。

Ti也既是强碳化物形成元素，也是强铁素体形成元素之一，可以明显提高低合金钢的塑性和韧性。含钛的合金结构钢，有良好的力学性能和工艺性能，主要缺点是淬透性稍差。因此，本发明设计Ti：≤0.03％，优选的Ti：0.01～0.02％。

Mo在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的耐蚀性。由于Mo使形变强化后的软化和恢复温度以及再结晶温度提高，并强烈提高铁素体的蠕变抗力，有效抑制渗碳体在450～600℃的聚集，促进特殊碳化物的析出，因而成为提高钢的热强性的最有效的合金元素。但是Mo的价格昂贵，使用成分较高。因此，本发明设计Mo：≤0.4wt％，优选的Mo：0.2～0.4wt％。

Cr能够增加钢的淬透性并有二次硬化作用，可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆；含量较高时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用，还增加钢的热强性，Cr为不锈耐蚀钢及耐热钢的主要合金元素。因此，本发明设计Cr：0.1～0.5％，优选的Cr：0.2～0.5％。

Ni在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对塑性的影响不显著。随着Ni含量的增加，钢的屈服强度比抗拉强度提高得快，因此含Ni钢的屈服比较普通碳素钢高。镍在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺性能的损害较其他合金元素的影响小。当Ni含量较高时，可以显著提高钢抗海洋大气腐蚀的性能。。因此，本发明设计Ni：0.2～0.5％，优选的Ni：0.3～0.5％。

Cu在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的耐大气腐蚀性能，特别是和P的配合使用。加入Cu还能提高钢的强度和屈服比，而对焊接性能没有不利的影响。Cu含量超过0.75wt％时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用，但含量高时，对热变形不利，在热加工时导致铜脆现象。因此，本发明设计Cu：0.2～0.5％，优选的Cu：0.2～0.35％。

B在钢中主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其他较稀贵的金属，如：镍、铬、钼等，为了这一目的，其含量一般规定在0.001～0.005wt％。因此，本发明设计B：0～0.003％，优选的B：0.001～0.003％。

基于上述优选成分，本发明460MPa级南海海洋环境用耐蚀耐火钢相比于普通Q460钢，其腐蚀速率降低了5％～15％。

基于上述南海海洋环境用耐蚀耐火钢优异的耐腐蚀性能，本发明还提供了一种上述460MPa级耐蚀耐火钢的用途，在建筑、桥梁施工或者车辆制作领域，炎热潮湿地区裸露使用或者涂装使用。

本发明具有良好的高温性能，在600℃环境中2小时后的抗拉强度≥327MPa，高于常温强度的2/3。而普通Q460钢在600℃环境中2小时后的抗拉强度≤105MPa。

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。

实施例和对比例

本发明的耐蚀耐火钢和对比例1(普通耐候钢Q460)的具体成分如表1所示。采用常规冶炼和控扎控冷工艺进行460MPa级耐蚀耐火钢制备，根据ISO 16539-2013对实施例和对比例进行室内干湿交替加速模拟实验，对比其相对于普通耐候钢Q460的耐腐蚀性能。具体实验步骤如下：

(I)称量样品的初始质量，所用分析天平为Sartorius BS 224S，其精度为：d＝0.1mg；

(II)将试验样品放入PR-2KP恒温恒湿试验箱30分钟预湿，试验箱内温度为35℃，相对湿度为90％；

(III)将试验样品取出试验箱，并往其表面按40μL/cm²滴加腐蚀模拟液，使其铺展均匀，其中本试验所用模拟海洋环境为浓度3wt％的NaCl水溶液，所需时间约10分钟；

(IV)再次将试验样品放回试验箱344分钟，即保证第一阶段总时间为6.4小时，此过程模拟高温高湿环境；

(V)通过程序设定，将试验箱的箱体温度控制在40℃，相对湿度为40％，持续时间为1.6小时，此过程模拟干燥环境。以上总时间为8个小时代表一个试验周期，湿干环境时间比例为4:1，模拟相对湿度为80％的南海海洋大气腐蚀环境。

(VI)每3个试验周期，即24小时后，将试验样品取出用蒸馏水洗盐以避免盐粒在试验样品表面聚集，待试验样品表面干燥后重复第(III)、(IV)和第(V)步，直到设定的干湿交替周期。试验周期为30天，共720小时，腐蚀失重测量的时间为：120、240、360、480、600和720小时，共6次测量。

通过三个试验样品单位面积腐蚀失重求得平均腐蚀速率。进而求得实施例相对于对比例的腐蚀速率减少量。

表1三种高强耐候钢化学成分(wt.％)

如图1所示，从实施例(Q460-1和Q460-2)和对比例(Q460)的平均腐蚀速率曲线可以看出，三种钢的腐蚀速率均呈现出先增大后减小的趋势：前240h，Q460-2钢腐蚀最快，Q460-1次之，Q460钢腐蚀最慢；但是360h之后，Q460-1钢的腐蚀速率迅速减小，腐蚀速率明显小于其他两种钢，耐大气腐蚀性能最佳。

综上所述，本发明的460MPa级耐蚀耐火钢的低合金钢强度级别可达460MPa，相比于普通Q460钢具有优异的耐火性和耐蚀性，其腐蚀速率降低了5％～15％。从而，可以实现优良的耐大气腐蚀性能，产品可在炎热潮湿地区裸露使用，减少涂装成本，减少环境污染，可广泛应用于建筑、桥梁施工、交通运输或者车辆制作领域，具有良好的应用前景。

Claims

1.一种南海海洋环境用耐候耐火结构钢，其特征在于，包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.12％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.5～1.7％；P：≤0.06％；S：≤0.003％；Nb：0.01～0.04％；Ti：≤0.03％；Mo：≤0.4％；Cr：0.1～0.5％；Ni：0.2～0.5％；Cu：0.2～0.5％；B：0～0.003％；Als＜0.02％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的南海海洋环境用耐候耐火结构钢，其特征在于，包括以下质量百分比的化学成分：C：0.05～0.07％；Si：0.15～0.30％；Mn：0.9～1.1％；P：0.015～0.025％；S：≤0.002％；Nb：0.01～0.025％；Ti：0.01～0.02％；Mo：0.2～0.4％；Cr：0.2～0.5％；Ni：0.3～0.5％；Cu：0.2～0.35％；B：0.001～0.003％；Als＜0.01％，余量为Fe。

3.根据权利要求1或2所述的南海海洋环境用耐候耐火结构钢，其特征在于，相比于普通Q460MPa级别钢，耐候耐火结构钢的腐蚀速率降低5％～15％。

4.根据权利要求1或2所述的南海海洋环境用耐候耐火结构钢，其特征在于，耐候耐火结构钢应用于建筑、桥梁施工或者车辆制作领域，炎热潮湿地区裸露使用或者涂装使用。

5.根据权利要求1或2所述的南海海洋环境用耐候耐火结构钢，其特征在于，耐候耐火结构钢强度达到460MPa级，相比于普通Q460钢高温强度更高，在600℃环境中2小时后的抗拉强度≥327MPa，高于其常温强度的2/3，是普通Q460钢在600℃环境中2小时抗拉强度的3倍以上。