高湿热海洋大气环境桥梁结构用耐蚀低合金钢及制备方法与流程

本发明属于耐蚀钢技术领域，具体地涉及一种高湿热海洋大气环境桥梁结构用经济型耐蚀低合金钢。

背景技术：

热带高湿热海洋大气环境具有高温、高湿、高氯离子和高辐照强度的特点，属于严酷海洋大气腐蚀环境，严重威胁该环境下桥梁等基础设施的建设、运行和维护。例如，处于热带海洋大气环境的泰国达叻地区(100°58'e，12°5'n)，其年平均温度约为28℃，平均相对湿度约为80％，最高达到98％，年降雨总量约为1000mm，属于典型热带高湿热海洋大气环境，据统计泰国年腐蚀损失约为136亿美元以上。这种热带高湿热海洋大气环境腐蚀严重威胁着桥梁结构等重要基础设施的服役安全，制约着交通运输工具的安全可靠运行。目前，热带高湿热海洋大气环境的桥梁等基础设施建设对低成本的经济型耐蚀钢存在着比较迫切的需求，因此需要开发出一种适用于高湿热海洋大气环境桥梁结构用低成本的经济型耐蚀低合金钢。

目前，越来越多国内外学者专注于耐海洋大气腐蚀用钢的研发。例如日本nkk公司开发出主要合金成分为1.5％ni-0.3％mo的海岸耐蚀钢板。日本jfe钢铁公司针对海洋大气环境开发出主要合金成分为2.7％ni-0.38％cu-0.02％p的新型耐蚀钢，极大提高cu-p系耐蚀钢的耐海水腐蚀性。美国的u.s.steel公司首先研制成功了高强度耐蚀低合金钢—corten钢，在20世纪60年代能够不涂漆直接应用于建筑和桥梁，其中最普遍应用的是高p、cu、cr和ni的cortena系列钢和以cr、mn、cu合金化为主的cortenb系列钢，这种耐蚀钢在日本以及部分欧洲国家得到了广泛使用。紧接着印度模仿美国的cortena系列耐蚀钢开发出sailcor-a系列耐蚀钢。韩国pohang科技大学也研发出添加ni元素和ca元素的系列耐海洋大气腐蚀性低合金钢。我国许多钢厂也进行了耐蚀钢的开发，如鞍钢集团的08cupvre系列和3ni钢、济南钢铁公司的09mnnb钢等。

现今已有一些在海洋大气环境中高耐蚀性的低合金钢开发的公开专利，如专利公开号cn101376953a公开了“一种高耐蚀性高强度耐候钢及其制造方法”，专利申请号201710502466.5公开了“一种使用于海洋环境下的耐候钢”，专利申请号201710075154.0“一种适用于高温滨海环境的高耐蚀低合金钢”，美国专利号us6315946公开了“超低碳贝氏体耐候钢”。这些专利大多围绕合金元素cu、ni、cr或侧重于轧制工艺的改变，而对于热带高湿热海洋大气环境中进行实际现场暴晒腐蚀实验的较少；而专利申请号201611097512.x公开了“一种耐高湿热海洋大气高强度耐候钢”，该发明钢种在中国南海地区进行现场暴晒实验后具有良好耐蚀性，该发明中ni含量高达2.90％～3.10％，显著提高了这种钢的成本。

综上所述，各国耐蚀钢的开发各有异同，但都是根据本土的使用环境和气候特点进行研发和应用。总体来看，虽然各国耐蚀钢均在迅速发展，但尚未有满足一定耐蚀性能要求、较低成本，可满足大规模工程应用的适用于热带高湿热严酷海洋大气环境的经济型耐蚀低合金钢。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有问题，提供一种高湿热海洋大气环境桥梁结构用经济型耐蚀低合金钢，在一定的经济合理的制造成本情况下，提高钢种耐热带高湿热严酷海洋大气腐蚀性能，以满足热带高湿热海洋大气环境对高耐蚀性桥梁结构用低合金钢的迫切需要。

一种高湿热海洋大气环境桥梁结构用耐蚀低合金钢，其化学成分(wt.％)为：c：0.02～0.05、si：0.20～0.60、mn：0.70～1.20、p≤0.02、s≤0.003、cu：0.20～0.90、ni：0.50～1.60、mo：0.10～0.50、ti：0.010～0.030、nb≤0.030，其余为fe及不可避免的杂质。

进一步地，所述钢的化学成分(wt.％)优选为：c：0.025～0.035％，si：0.29～0.32％，mn：0.72～0.76％，p≤0.01％，s≤0.003％，cu：0.23～0.90，ni：0.70～1.50，mo：0.20～0.40，ti：0.018～0.021，nb≤0.020，其余为fe和其他不可避免杂质元素。

如上所述高湿热海洋大气环境桥梁结构用耐蚀低合金钢的轧制工艺如下：

采用200kg真空感应炉熔炼，加热温度1150～1200℃，道次变形量10％～20％，采用再结晶区和未再结晶区两阶段控制轧制，终轧温度780～860℃，最后快速淬火至室温，板材成品厚度规格为5～40mm。

进一步地，所述耐蚀钢组织为铁素体+珠光体。

进一步地，所述耐蚀钢的屈服强度：345～490mpa，抗拉强度：530～580mpa，断后伸长率：22～30％，总伸长率：10～15％。

下面对本发明中钢化学成分的设计说明如下：

c：对于提高钢材强度较为重要，通常耐候钢中c含量被控制在0.12％以下，同时c含量对组织的热处理有一定影响，本发明钢经轧制后其组织为铁素体+珠光体，因此将其含量控制在0.02～0.05％。

si：能够在钢表面形成富si保护膜，从而提高钢的耐海洋大气腐蚀性能，但含量过高的si对钢的焊接性有害，因此将其含量控制在0.20～0.60％。

mn：钢中适量的mn可以提高钢在海洋大气中的耐腐蚀性能，但含量过高会增加钢的淬透性，影响韧性，因此将其含量控制在0.70～1.20％。

p：能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，但其含量过高有损钢的韧性和焊接性，因此将其含量控制在≤0.02％。

s：容易形成硫化物夹杂，损害钢的韧性，严重降低钢的耐蚀性能，因此将其含量控制在≤0.003％。

cu：是防腐蚀效果最佳的合金元素之一，在海洋大气环境，添加0.5％以下就可以使耐蚀钢的耐蚀性能高于普碳钢几倍，但其含量过高容易造成热脆，因此将其含量控制在0.20～0.90％。

ni：是耐蚀钢中最常用有效的耐蚀元素之一，其含量的提高对于改善材料在海洋大气环境耐蚀性更为有效，但考虑经济成本，应适当提高ni含量，因此将其含量控制在0.50～1.60％。

mo：适当提高合金元素mo含量能够有效提高钢的耐海洋大气腐蚀性能，但其含量过高会增加钢的淬透性，不利于焊接，因此将其含量控制在0.10～0.50％。

ti：有助于晶粒细化、提高强度，还能改善焊接性能，因此将其含量控制在0.010～0.030％。

nb：加入少量有助于钢的晶粒细化，从微合金化成本角度出发，将其含量控制在≤0.030％。

基于上述成分设计说明：

本发明优点：

1.根据本发明的合金设计成分得到的耐蚀钢具有优良的耐蚀性，在泰国达叻热带海洋大气腐蚀实验站进行12个月现场暴晒实验，结果表明，本发明合理成分设计的低合金钢其耐蚀性可比普碳钢提高50％(见实施例1)；

2.根据本发明的耐蚀钢，其屈服强度达345～490mpa，抗拉强度达530～580mpa，断后伸长率为22～30％，总伸长率为10～15％，符合海洋大气环境下桥梁结构用耐蚀低合金钢对力学性能的要求。

附图说明

图1试样腐蚀后的宏观腐蚀形貌(a:0#普通碳钢；b:1#低合金钢；c:2#低合金钢)

具体实施方式

实施例1泰国海洋环境大气腐蚀实验站现场暴晒实验

本发明中的试验钢在泰国海洋环境大气腐蚀实验站进行12个月现场暴晒实验。大气暴露实验按照gb/t14165-2008《金属和合金大气腐蚀实验现场实验的一般要求》进行大气暴露实验，暴露试样正面朝南，与地面成45°进行暴晒。将试样固定于暴露架上。样品在暴露12个月后取回，用数码相机观察酸洗前后试样的表面宏观形貌，酸洗后进行腐蚀失重的测试。钢的力学性能测试结果见表2。

暴晒实验前记录腐蚀失重试样原始质量，从现场取样后对其使用除锈液去除表面锈层，除锈液的配置按照gb/t16545-1996《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》中相关要求进行，具体为500ml盐酸+500ml蒸馏水+3.5g六次甲基四胺溶液，除锈完成后经蒸馏水冲洗，并冷风吹干后称重，并按公式(1)计算腐蚀速率。

式中，v—腐蚀速率，mm/y；

w—暴露不同时间后的腐蚀失重，g；

s—试样表面积，cm²；

t—暴露时间，h；

ρ—试样密度，g/cm³。

三种试验钢的化学成分见表1，其中1#和2#钢是在普碳钢基础上通过优化合金元素含量得到的新型耐蚀钢。表2给出了本发明的低合金钢的力学性能测试结果。

表1实验用碳钢和本发明耐蚀低合金钢的化学成分(wt％)

表2本发明耐蚀低合金钢的力学性能

采用公式(2)计算本发明低合金钢的耐蚀性：

其中，ci为钢的耐蚀性，vi分别为0#(i为0)，1#(i为1)和2#(i为2)钢的腐蚀速率，其中v0为普碳钢的腐蚀速率。

采用公式(3)计算耐蚀钢相对普碳钢的耐蚀性提高率αi：

根据实施例1的现场实验数据所得到耐蚀性提高率如表3所示。

表3本发明低合金钢相对普碳钢的耐蚀性提高率

由表3可知，本发明中的2#钢表现出了良好的耐蚀性，其耐蚀性相比普碳钢提高了50％。图1是实施例1中普碳钢和本发明耐蚀低合金钢在实际热带海洋环境的腐蚀宏观形貌照片，可以看出，普碳钢表面锈层覆盖比较完整，但不具有明显的保护性，2#钢表面锈层较为致密，保护性最好。提高单一合金元素mo含量能够有效增强钢种耐蚀性，但提高单一合金元素cu含量对于提高耐蚀性效果不明显，因此，在降低合金元素cu、ni含量的前提下，适当提高合金元素mo的含量，既能使低合金钢元素成本较为经济合理，还具有良好的耐热带高湿热海洋大气环境的腐蚀性能。

综上所述，本发明的低合金钢的耐蚀性相比普碳钢有明显的提高。本发明耐蚀低合金钢的耐蚀性提高率可达到50％，表现出良好的耐热带高湿热海洋大气环境的腐蚀性能。本发明耐蚀低合金钢的屈服强度达345～490mpa，抗拉强度达530～580mpa，断后伸长率为22～30％，总伸长率为10～15％，满足海洋大气环境下桥梁结构用耐蚀低合金钢对力学性能的要求，可在东南亚等热带高湿热海洋大气环境中作为结构材料使用，从而延长设施的使用寿命。