一种耐高温高湿高盐雾海洋大气环境的耐候钢及制备方法与流程

本发明属于耐候钢技术领域，具体地涉及一种耐高温高湿高盐雾海洋大气环境的耐候钢及制备方法。

背景技术：

长期以来，由于我国低合金结构钢在设计和制造方面一直向着多品种、高强韧、复杂载荷、易焊接等主要方向发展，并未将耐蚀性作为结构钢的设计标准之一。即使是耐候钢，也都完全以大陆性气候环境为基础服役条件，因而常规的低合金结构钢或耐候钢在南海热带、亚热带环境下，短时间内就因为严重的腐蚀而失效，完全无法满足服役要求。尤其是南海岛礁工程设施设备常年暴露于高温、高湿、高盐雾、高辐射的海洋环境中，目前已成熟的耐候钢种在该环境下表现出寿命缩短、过早报废、频繁修补与维护，显著降低了设施设备的完好率，直接影响岛礁工程的可靠性和使用寿命。

耐候钢的研发起源于欧美，1933年美国的u.s.steel公司首先研制成功了耐大气腐蚀的含cu低合金钢——cor-ten系列钢。在cor-ten系列基础上，各钢铁大国根据资源和使用要求都开发了品种繁多的耐候钢系列。我国自20世纪60年代开始自主研发耐候钢，最早是针对桥梁用钢而研制的16mncu耐候钢，后又试制了09cupti薄板耐候钢。进入80年代，关于耐候钢的国家科技攻关正式展开，各个钢厂继往开来，学习国外先进耐候钢成分制造工艺，自主研发出一大批耐候钢种，其中包括攀钢集团开发的09cupre、济南钢铁公司开发的09mnnb、武钢集团开的09cupti、鞍钢集团开发的08cupvre及宝钢的b480gnqp等。2000年以后铁道部提出铁路车辆高速、重载的发展要求，联合宝钢、鞍钢、武钢等企业开发了450mpa的q450nqrl高强度耐候钢等。然而，目前针对南海环境这一苛刻服役环境，我国目前尚无完备的研究基础和技术水平，急需建立新型合金体系的耐候钢，使其在高温高湿高盐雾环境下具有较高的耐蚀性。

目前在严苛海洋大气环境中，只有3ni钢的耐候性得到广泛认同，但由于ni属于稀有金属，矿产资源并不丰富，且在钢中回收率极低，导致3ni钢成本较高，应用受限，因而自主开发出适用于南海高温高湿高盐雾海洋大气环境用的经济型耐候钢势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种耐高温高湿高盐雾海洋大气环境的耐候钢及制备方法，通过降低ni含量，提高cr含量，并辅助添加mo、sn等微合金元素以改善耐蚀性，最终提供一种适用于在高温高湿高盐雾海洋大气环境中使用的耐候钢。

一种耐高温高湿高盐雾海洋大气环境的耐候钢，耐候钢的化学成分(wt％)如下:c:0.03-0.07,si:0.35-0.55,mn:1.15-1.35,p:≤0.01,s:≤0.025,cu:0.25-0.45,cr:2.5-3.5,ni:0.9-1.1,mo:0.05-0.15,sn:0-0.6,其余为fe。轧制后的组织为贝氏体。

下面对以上各成分元素作用机理进行简述

c：本设计成分采用的是超低碳，一方面有助于贝氏体的形成，得到板条贝氏体组织，增强钢的韧性，另一方面，这种超低碳可避免较大尺寸的碳化物形成，避免与钢基体形成微电偶，提高耐蚀性，因而将其含量控制在0.03％～0.07％.

si：一方面可以提高钢的电阻率，增强钢在自然条件下的耐蚀性，另一方面，会在内锈层富集，有效细化锈层中的α-feooh，从而有效抑制腐蚀的进一步发展。但是si含量过高对焊接性有害，因而将其含量控制在0.35％～0.55％.

mn：是钢中主要的固溶强化元素，可弥补钢中降低c后导致的强度不足，且增加mn含量可以提高钢在海洋大气的耐蚀性。但是钢中mn含量过高，易形成mn偏析及条状mns夹杂，不仅会影响到钢材的韧性，还容易导致抗h2s腐蚀开裂。因而将其含量控制在1.15％～1.35％.

cu：是被人们较早运用并且是防蚀效果最佳的合金元素之一。在各类大气腐蚀环境当中，添加些许cu元素就可使其具备普通碳钢几倍的耐腐蚀性能。cu在耐候钢内锈层中的富集可以降低cl^-对钢的腐蚀的加速作用，同时加大了钢铁腐蚀电化学过程中整个系统的极化电阻，达到了增强锈层对钢基体的保护，提升耐候钢耐海洋大气腐蚀性能的作用。但是cu含量过高时，会在钢中富集，导致晶界脆化，因而将其含量控制在0.25％～0.45％.

cr：是典型的铁素体形成元素，可使得贝氏体转化温度提高，钢组织更加均匀。cr也是耐候钢中最常用的耐蚀元素之一，它可以促进不稳定的γ-feooh转化为稳定的α-feooh，细化锈层晶粒，提高锈层的致密性和稳定性，且cr会替代feooh中部分fe的位置形成crxfe1-xooh，使得锈层具备阳离子选择能力，能够有效阻止氯离子和硫酸根离子的渗透，而让锈层起到保护作用。由于南海大气环境苛刻，钢中的耐蚀元素含量不可过低，从经济性和耐蚀性两方面考虑，cr是一个较为合适的选择，因而将其含量控制在2.5％～3.5％.

ni：ni是一种热力学稳定的元素，加入ni能使钢的自腐蚀电位向正向移动，增强了钢的稳定性。ni均匀分布在锈层中，随着ni含量的提高，促进了尖晶石向较细、致密结构的转变，细化内锈层晶粒，增加内锈层的致密性钢的耐蚀性能也随之提高，且一定ni的加入，可以防止轧制中cu引起的缺陷，改善钢的低温韧性，因而将其含量控制在0.9％～1.1％.

mo：在锈层中可形成mo4^2-，一方面mo4^2-具有缓蚀作用，另一方面mo4^2-的存在可以使内锈层具备阳离子选择性，从而在电学上抑制cl^-的侵入，且mo4^2-与fe²⁺也会形成不溶于水的化合物，形成稳定的保护层，提高钢的耐蚀性。但mo含量过高会增加钢的淬透性，对焊接不利，因而将其含量控制在0.2％～0.4％.

sn：可提高钢自身的腐蚀电位，自腐蚀电流密度降低，通过加大双电层电阻，抑制离子交换而达到减缓腐蚀速率，提高其耐蚀性的效果。形成锈层后，锈层中sno和sno2的存在，可抑制钢的进一步溶解，腐蚀速率下降。sn和cu之间还有协同作用，在钢表面形成连续的同时含有氧化锡、氧化铜的膜层，提高钢的耐腐蚀性能。但sn含量过高会损害钢的韧性，因而将其含量控制在0.1％～0.6％

本发明的制备工艺如下：按照上述化学成分进行冶炼得到钢坯，通过控轧控冷得到板状钢料。具体轧制工艺如下：将钢坯加热至奥氏体化温度1180～1220℃，保温1.5-2.5h使之完全奥氏体化；随后炉冷至开轧温度980～1020℃，经过10～12道次轧制后成12mm的钢板，保证终轧温度在860～900℃之间；轧制后进入水层流区域冷却，冷却速率为20～25℃/s，保证出水温度在440～460℃之间，然后在空气中冷却至室温。

本发明的有益效果：

(1)本发明适当提高了钢的强度和改善韧性。利用超低碳条件，并适当添加cu、cr、mo等固溶强化元素，再通过控轧控冷工艺得到均匀细小的贝氏体组织，使得钢强度提高，韧性也得到改善。

(2)本发明提高了钢在高温高湿高盐雾海洋大气环境中的耐腐蚀性能。通过提高cr含量，并复合添加少量的mo、sn等微量元素，提高钢对抗高温高湿高盐雾海洋大气环境的能力。

附图说明

图1为实施案例1中钢的微观组织图，

图2为实施案例2中钢的微观组织图，

图3为实施案例3中钢的微观组织图，

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施案例进一步说明本发明的技术方案，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。

实施案例1～3

1.耐高温高湿高盐雾海洋大气环境的耐候钢的化学成分及质量百分比为，c:0.03～0.07,si:0.35～0.55,mn:1.15～1.35,p:≤0.01,s:≤0.025,cu:0.25～0.45,cr:2.5～3.5,ni:0.9～1.1,mo:0.05～0.15,sn:0.1～0.6,其余为fe。

2.通过25kg真空感应炉，按照上述化学成分进行冶炼得到钢坯。

3.通过控轧控冷得到板状钢料。具体轧制工艺如下：将钢坯加热至奥氏体化温度1180～1220℃，保温2h使之完全奥氏体化；随后炉冷至开轧温度980～1020℃，经过10～12道次轧制后成12mm的钢板，保证终轧温度在860～900℃之间；轧制后进入水层流区域冷却，冷却速率为20～25℃/s，保证出水温度在440～460℃之间，然后在空气中冷却至室温。

4.对三种实施案例进行不同周期的浸泡实验，浸泡溶液为西沙大气模拟溶液：0.1％wtnacl，0.05％wtna2so4，0.05％wtcacl2，实验温度为室温，试验周期节点设置为7d、15d、30d、60d、90d。

表1为实施案例1～3的化学成分(wt％)

表2为实施案例1～3的力学性能

表3为对比例1～2两种典型q420nh钢的化学成分及重量百分比(wt％)，一种不含sn，另一种含sn。

表4为实施案例1～3，对比例1～2在西沙大气模拟液中分别浸泡7d、15d、30d后的平均腐蚀速率(g/m²·h)，从表中可以看出由于cr、mo、sn的加入，钢的腐蚀速率在不断降低，且含sn钢的平均腐蚀速率明显低于不含sn。腐蚀30d时实施案例1-3的腐蚀速率分别下降30％、2％、19％。

表1

表2

表3

表4