耐大氣腐蝕鋼(共7頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上簡介:耐大氣腐蝕鋼，又稱耐候鋼。耐候鋼是指通過添加少量合金元素，使其在大氣中具有良好耐腐蝕性能的低合金強度鋼。耐候鋼的耐大氣腐蝕性能為普碳鋼的28倍，耐候鋼除具有良好的耐候性外，還具有優(yōu)良的成形、焊接等使用性能。耐候鋼是通過在普通鋼中添加一定量的合金元素制成的一種低合金鋼，主要合金成分為Cu、P、Cr、Ni等元素。耐候鋼的耐大氣腐蝕性能遠高于普碳鋼，在國外被廣泛應用于集裝箱、橋梁、汽車、鐵路車輛和建筑等制造行業(yè)，目前國內耐候鋼主要用于集裝箱、鐵路車輛，由此可見我國的耐候鋼應用領域還有很大的發(fā)展空間。耐候鋼作為一種高效鋼材。一直是大氣腐蝕用鋼品種開發(fā)與腐蝕研究的熱點。特

2、別是近二十年來，人們進行了大量的大氣暴曬、干濕循環(huán)等試驗。并利用X-射線、掃描電鏡、偏光顯微鏡、電子探針微區(qū)分析等現(xiàn)代物理測試手段對金屬腐蝕產(chǎn)物的組成、結構及其形成過程進行了研究。對合金元素的作用及銹層的保護作用有了更深刻、更全面地了解，還開發(fā)了新型的耐候鋼及其銹層穩(wěn)定化處理技術。1.耐候鋼的發(fā)展耐候鋼的研制起源于歐美。早在1900年，歐美的科學家就發(fā)現(xiàn)Cu可以改善鋼在大氣中的耐蝕性能。1961年美國實驗和材料學會(ASTM)開始了大氣腐蝕的研究，30年代美國的U.S.Steel公司首先研制成功了耐腐蝕高抗拉強度的含Cu低合金鋼-Corten鋼，并在60年代不涂漆直接用于建筑和橋梁其中應用最普

3、遍的是高P、Cu加Cr、Ni的Corten A系列和以Cr、Mn、Cu合金化為主的(Corten B系列這種耐候鋼在歐洲、日本也得到廣泛應用。我國自60年代起大量研制耐候鋼，并發(fā)展了一些自己的鋼種，如鞍鋼集團的08CuPVRE系列、武鋼集團的09CuPTi系列、濟南鋼鐵公司的09MnNb、上海第三鋼鐵廠的10CrMoAl和10CrCuSiV等?，F(xiàn)在，國外已將耐候鋼逐漸當作普通鋼種來廣泛使用。在鋼種開發(fā)、使用及設計施工上也逐漸作了詳細規(guī)定。根據(jù)使用情況，耐候鋼又可分為結構用高耐候鋼和焊接結構用耐候鋼。前者主要用于車輛、塔架、建筑等其它結構件中，具有優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能，以CuP系為主，其中P含量

4、在0.070.15之間由于含P量高，所以這類鋼的屈服強度一般在 343 MPa以下，板厚一般不超過16 mm，美國的 ASTMA242系列和日本JAS中的SPA系列耐候鋼均屬此類。目前我國這種結構用高耐候鋼的發(fā)展十分迅速，除了仿制的幾個品種如09CuPcrNi(仿 Corten)和09CuPTi(叉稱09MnCuPTi)以外，還發(fā)展了具有中國特點的新品種，如09CuPTiRE、09CuPRE和08CuPvRE等。并且已經(jīng)制定出國家標準<高耐候性結構鋼)GB 417184。焊接結構 用耐候鋼主要用于橋梁、建筑等大型焊接結構中，以Cu-Cr-Ni系為主，含P量0.04以下，具有優(yōu)良的焊接性能

5、和低溫韌性，應用十分廣泛。如已有美國的ASTM A588和A514系列、日本的JIS SMA 系列耐候鋼等型號，而在我國尚在研制中。國內外耐候鋼發(fā)展的主要歷程如表1所示。表1 耐候鋼的發(fā)展歷程年份 記 述 1900 美國開始了含銅鋼-早期耐候鋼的研究和開發(fā)1933 美國U.S.Steel公司推出Corten-A型低臺金耐候鋼商品1955 日本開發(fā)耐候鋼1959 美國開始使用裸耐候鋼1961 中國開始試制16MnCu鋼1965 中國試制出09CuPTi薄鋼板日本建成第一座耐候鋼大橋(涂漆)1967 中國首次用于試驗車輛日本建成第一座棵鋼橋(知多2號橋)1968 日車制定JIS G3114“焊接構

6、造用耐候性熱軋鋼材”即 SMA鋼材標準化1969 德國開始使用裸耐候鋼1972 英國開始使用裸耐候鋼1980 日本建成第三大川橋(最初用乎隧梁) 1983 日本制定了將Smacop作為涂裝用耐候鋼。Smacow作為不涂裝用耐候鋼的JIS標準用于志染川橋(11型鋼架)1984 中國制定高耐候性結構鋼國家標準1988 中國初步試翩出NH-35q橋用耐候鋼1990 中國建成國內第一座裸耐候鋼橋1999 中國試制JT系列塔桅高耐候性結構鋼2.耐候鋼的應用一、高性能耐候鋼和耐火鋼可減小鋼結構的維護費用，為解決外露無防護鋼結構的防火防腐問題提供了新的解決方案。二、耐火耐候鋼的制作安裝工藝與常規(guī)鋼材基本相同

7、，設計方法亦與普通鋼結構相同，但需要更多試驗驗證。三、高強度耐候鋼已在橋梁工程中推廣應用，需要研究設計理論和方法。四、耐火耐候鋼也可運用于樓承板。（1）上海中福高層鋼結構住宅約5000噸 （2）北京國家大劇院約300噸 （3）武鋼技術中心大廈約3000多噸 （4）北京財富中心，摩根中心7000多噸 （5）中國殘疾人體育藝術培訓基地200多噸世博會中的應用 上海2010年世博會中的澳大利亞館，就是用紅赭石色的耐候鋼材料制成。耐候鋼鋼板組成連綿不絕的波浪外墻,它代表了澳大利亞的海岸線，也體現(xiàn)了他們在鐵礦石方面的資源優(yōu)勢。耐候鋼的原料采自澳大利亞西部的礦山，由當?shù)氐墓S生產(chǎn)。館方特意將天然的礦石繞著

8、展館擺放了一圈。澳大利亞館周圍的地磚，都是紅色的，這些地磚原料也產(chǎn)自紅土地帶，由十多個集裝箱漂洋過海運來上海。里里外外，紅色不僅代表了自然，還將“工業(yè) ”和“城市”的概念體現(xiàn)出來了。我國的耐候鋼產(chǎn)品主要用于鐵路車輛、集裝箱、橋梁等領域, 建筑、工程機械、煤礦機械等大量暴露于大氣或特殊工況條件下器械, 由于腐蝕引起使用壽命縮短而造成的經(jīng)濟損失, 或因腐蝕失效造成重大事故, 因此, 這一領域對耐候結構鋼的需求將會日益增多, 但由于在具有良好機械性能、成型性、焊接性和低溫韌性的基礎上, 同時具有良好的耐腐蝕性能造成耐候結構鋼的成本偏高, 因此開發(fā)具有低成本的經(jīng)濟耐候結構鋼具有良好的市場前景和市場競爭

9、力。耐候鋼的制備一.生產(chǎn)工藝1.冶煉與連鑄造耐候鋼一般經(jīng)過冶煉(轉爐、電爐、平爐) 吹氬 連鑄(喂入稀土絲)等。在冶煉時，鋼板隨爐料一起加入爐內，按常規(guī)工藝冶煉，出鋼后加入脫氧劑及合金，鋼水經(jīng)吹氬處理后，隨即進行澆鑄，吹氬調溫后的鋼水經(jīng)連鑄機鑄成板坯。由于鋼中加入稀土元素，耐候鋼得到凈化，夾雜物含量大為減少。含銅耐候鋼在連鑄生產(chǎn)時易發(fā)生漏鋼事故，鋼坯表面容易出現(xiàn)表面縱裂紋。鑄坯表面縱裂主要是由于以下兩個原因造成的。一是該鋼種的碳含量正好處在包晶反應區(qū)，在結晶器中，-Fe100%轉化為-Fe，相變體積收縮大，即坯殼線收縮量大，這樣結晶器壁與坯殼問空隙也大，因而極易引起熱流不均；二是該鋼種的磷、銅

10、等元素含量高，在結晶過程中偏析傾向大，使鋼的晶界脆化。連鑄過程中易發(fā)生漏鋼事故主要是由于該類鋼種中含有鉻、銅、鎳等元素，坯殼易與結品器銅板發(fā)生粘連，從而發(fā)生粘結漏鋼。目前避免發(fā)生漏鋼事故，出現(xiàn)表面縱裂紋的主要方法是選用合適的保護渣及合理的一冷、二冷工藝。2.軋制工藝由于耐候鋼是含銅鋼，Cu的熔點比較低，因此整個軋制工藝是耐候鋼生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)。含銅鋼在加熱及軋制過程中容易出現(xiàn)銅脆造成的裂紋，出現(xiàn)銅脆主要是由于在高溫加熱時，鋼材表面發(fā)生選擇性氧化，銅元素將逐漸地富集于金屬基體與氧化皮層的界面，鋼材加熱時間越長，氧化皮層亦越厚，相應在表面富集的殘余銅元素也將越多。如果鋼的熱加工溫度在銅的熔點(108

11、3)以上，則表面富集的這層液膜狀的銅將潤濕鋼的表面并沿晶界向基體內部浸潤。同時富銅的奧氏體晶界氧化也變得相當嚴重，沿晶界進入基體的氧量增加，不僅沿晶界擴散形成氧化物層，而且從氧化物層沿整個基體向內擴散，形成若干彌散的鐵錳硅酸鹽細顆粒，這就使得富集層的晶界強度更為降低，造成基體與表面之間的結合更為松脆，最后導致嚴重的銅裂。耐候鋼的C含量和合金含量一般較低，所以可以參照普通低合金鋼的加工規(guī)范進行加工。加工是主要考慮Cu的影響。如果Cu含量過高、加熱時間過長，在加工過程中低熔點的Cu就會富集而侵蝕晶界，從而導致開裂。為了防止銅鋼坯熱裂，加熱時宜采用還原性氣體，同時還要注意合理的加熱溫度和加熱時間，及

12、時軋制，避免待軋。加熱后鋼板溫差不能高于50。終軋溫差要小于30。同時要對軋機軋制前后的各種軋制工藝參數(shù)進行控制和顯示，并注意保持正確的終軋溫度和軋后冷卻方式。各含Cu鋼進行軋制時，應根據(jù)當?shù)刭Y源條件，對其剪切頭尾的回收進行堆放和管理，以防在冶煉其他鋼種時使用的返回廢鋼造成Cu的污染。3.熱處理通常，耐候鋼在熱軋或冷軋退火狀態(tài)交貨，不經(jīng)熱處理。但根據(jù)用戶需要以及研究熱處理時對鋼板強度、韌性的影響，可以做提高強韌性的熱處理。含Cu量的高低對鋼的晶粒度的大小影響不大，但若其含量超過0.6%時，將會出現(xiàn)過熱敏感性傾向；當Cu含量超過0.8%時，經(jīng)過熱處理會導致沉淀硬化。成分、結構和組織是改變材料性能

13、的內因。當前大部分耐候鋼以熱軋、正火或退火狀態(tài)下使用,顯微組織均屬平衡態(tài)組織,由鐵素體+少量珠光體組成,鋼的強度較低,因此這種組織未必是耐候鋼的最佳組織和最佳相組成及相分布,至少不是唯一對耐候鋼可取的顯微組織及結構。除成分外,結構和組織的最佳選擇乃是挖掘材料潛力的根本途徑。為了進一步提高耐候鋼的綜合性能,擴大其應用范圍,應開展結構及組織方面的研究。耐候鋼原理：鋼中加入磷、銅、鉻、鎳等微量元素后，使鋼材表面形成致密和附著性很強的保護膜，阻礙銹蝕往里擴散和發(fā)展，保護銹層下面的基體，以減緩其腐蝕速度。在銹層和基體之間形成的約50m100m厚的非晶態(tài)尖晶石型氧化物致密層且與基體金屬黏附性好，由于這層致

14、密氧化物膜的存在，阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發(fā)展，大大提高了鋼鐵材料的耐大氣腐蝕能力。耐候鋼是可減薄使用、裸露使用或簡化涂裝，而使制品抗蝕延壽、省工降耗、升級換代的鋼系，也是一個可融入現(xiàn)代冶金新機制、新技術、新工藝而使其持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新的鋼系。耐候鋼較普碳鋼有良好的抗大氣腐蝕能力，其中合金元素起到了決定性作用，包括：1)降低銹層的導電性能，自身沉淀并覆蓋鋼表面；2)影響銹層中物相結構和種類，阻礙銹層的生長；3)推遲銹的結晶；4)加速鋼均勻溶解；5)加速Fe2+向Fe3+的轉化，并能阻礙腐蝕產(chǎn)物的快速生長；6)合金元素及其化合物阻塞裂紋和缺陷。進一步研究結果表明，耐

15、候鋼中加入的合金元素對其耐大氣腐蝕性能的影響不盡相同。 C： 對鋼的耐大氣腐蝕不利，同時C影響鋼的焊接性能、冷脆性能和沖壓性能等，耐候鋼中C含量被控制在0.12%以下。 Cu：在鋼中加入0.2%-0.4%的Cu時，無論在鄉(xiāng)村大氣、工業(yè)大氣或海洋大氣中，都具有較普碳鋼優(yōu)越的耐蝕性能。關于Cu對改善鋼的耐大氣腐蝕性能作用機理說法不一，主要有兩種機制：一為Tomashov提出的促進陽極鈍化論，認為鋼與表面二次析出的Cu之間的陰極接觸，能促使鋼陽極鈍化，并形成保護性較好的銹層；另一是Cu富集說，認為Cu在基體與銹層之間形成以Cu、P為主要成分的阻擋層，它與基體結合牢固，因而具有較好的保護作用

16、。這些解釋都是基于Cu在鋼的表面及銹層中的富集現(xiàn)象，因此這兩種機制可能同時起作用。另外，Cu有抵消鋼中S的有害作用的明顯效果，鋼中S含量愈高，合金元素Cu減低腐蝕速率的相對效果愈顯著，一般認為這是由于Cu和S生成難溶的硫化物所致。 P： 是提高鋼耐大氣腐蝕性能最有效的合金元素之一，一般P含量在0.08%-0.15%時耐蝕性最佳。當P與Cu聯(lián)合加入鋼中時，顯示出更好的復合效應。在大氣腐蝕條件下，鋼中的P是陽極去極化劑，它在鋼中能加速鋼的均勻溶解和Fe2+的氧化速率，有助于在鋼表面形成均勻的-FeOOH銹層，促進生成非晶態(tài)經(jīng)基氧化鐵FeOx(OH)3-2x致密保護膜，從而增大了電阻，成為

17、腐蝕介質進入鋼基的保護屏障，使鋼內部免遭大氣腐蝕。當磷形成PO43-時還起到緩蝕作用。 Cr：能在鋼表面形成致密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力。耐候鋼中Cr含量一般為0.4-1%(最高1.3%)。當Cr與Cu同時加入鋼中時，效果尤為明顯。最近有研究指出Cr含量提高利于細化-FeOOH，當銹層/金屬界面的- FeOOH中Cr含量超過5%時，能有效抑制腐蝕性陰離子，特別是Cl離子的侵入；同時添加Cr元素還可以阻止干濕交替過程中，干燥時Fe3+向Fe2+的轉化，從而提高鋼的耐候性。但在Cl離子含量較高的地區(qū)，添加Cr元素被認為是有害的。 Ni：是一種比較穩(wěn)定的元素，加入Ni

18、能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，增加了鋼的穩(wěn)定性。大氣暴露試驗表明，當Ni含量在4%左右時，能顯著提高海濱耐候鋼的抗大氣腐蝕性能。 Si：與其它元素如Cu、Cr、P、Ca配合使用可改善鋼的耐候性，較高的Si含量有利于細化-FeOOH，從而降低鋼整體的腐蝕速率。 Ca：微量Ca加入耐候鋼中不僅可以顯著改善鋼的整體耐大氣腐蝕性能，而且可以有效避免耐候鋼使用時出現(xiàn)的銹液流掛現(xiàn)象。在耐候鋼中加入微量Ca，可以形成CaO和CaS溶解于鋼表面薄電解液膜中，使腐蝕界面的堿性增大，降低其侵蝕性，促進銹層轉化為致密、保護性好的-FeOOH。 Mn：對耐蝕性的影響還沒有一致認識，較多

19、學者認為Mn能提高鋼對海洋大氣的耐蝕性，但對在工業(yè)大氣中的耐蝕性沒有什么影響。耐候鋼中Mn含量一般為0.5%-2%。 Mo：當鋼中含0.4%-0.5%Mo時，在大氣腐蝕環(huán)境下(尤其是工業(yè)大氣)鋼的腐蝕速率可能降低二分之一以上。 Co：穩(wěn)定銹層中富集Co能有效抑制Cl離子侵入，提高鋼在海洋大氣下的耐蝕性。 S： 對耐候性起不良作用，作為殘余元素其含量被控制在小于0.04%以下。 稀土元素(RE)：RE元素是不含Cr，Ni耐候鋼的添加元素之一。通常RE的加入量小于或等于0.2%。RE元素是極其活潑的元素，是很強的脫氧劑和脫硫劑，主要對鋼起凈化作用。RE元素的

20、加入可細化晶粒，改變鋼中夾雜物存在的狀態(tài)，減少有害的大夾雜數(shù)量，降低腐蝕源點，從而提高鋼的抗大氣腐蝕性能。不同耐候性元素對不同環(huán)境下的腐蝕作用不一樣,例如鉬對降低工業(yè)大氣腐蝕速率有效,但對海洋性大氣的抗腐蝕作用不明顯,因此根據(jù)腐蝕環(huán)境的不同,耐候鋼向專用性、特殊用途化發(fā)展,其成分體系也相應發(fā)生變化,以提高耐候性元素加入的有效 性和應用效率。耐海水腐蝕鋼、耐海洋性氣候腐蝕 鋼、耐酸性氣候腐蝕鋼和耐熱帶氣候腐蝕鋼等專用鋼種是這一類鋼種的代表。因此耐候鋼也應該向多樣化方向發(fā)展。 表面處理技術也可以提高耐候鋼的性能。開發(fā) 與耐候鋼基體相匹配的涂層材料,其耐腐蝕效果將成倍提高。例如,日本開發(fā)的將含有百分

21、之幾碳酸鉻的聚乙烯醇縮丁醛樹脂涂于耐候鋼表面,人工加快穩(wěn)定銹層產(chǎn)生,防止或減少了初期流動鐵銹的生成,減少了環(huán)境污染,提高了耐腐蝕性能。耐大氣腐蝕鋼中耐蝕合金元素的作用特點是，經(jīng)長期使用后才顯示出明顯的耐蝕效果研究還表明，可以提高鋼的抗大氣腐蝕性能的合金元素應滿足以下條件：1)在鐵中的溶解度大于銹層中的溶解度；2)可以和鐵形成固溶體；3)可以提高鋼的電位耐候鋼產(chǎn)品發(fā)展展望 美國等一些發(fā)達國家耐候鋼的強度水平己達到500Mpa 級 , 俄羅斯正在研制生產(chǎn)600Mpa 級高強度鋼,2008年, 武鋼開發(fā)出了450Mpa級高耐腐蝕性能耐候鋼WQ450GN。隨著我國鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展, 與國際化接軌,

22、具有更高強度、更高耐候性的耐候鋼將成為我國鐵路車輛發(fā)展的趨勢,開發(fā)550650Mpa級高耐候系列鋼將具有很好的發(fā)展前途。 目前, 武鋼的鐵路車輛及集裝箱用耐候鋼主要以12mm厚以下為主,厚規(guī)格高強度耐候鋼不僅生產(chǎn)難度較大, 而且在國內外均屬于空白。為滿足車輛制造廠對厚規(guī)格耐候鋼的需求及拓展耐候鋼的應用范圍, 應加大450600Mpa級厚規(guī)格耐候鋼的研發(fā)力度, 尤其是武鋼4300mm軋機投產(chǎn)在即,這是一個良好的契機。 我國的耐候鋼產(chǎn)品主要用于鐵路車輛、集裝箱、橋梁等領域, 建筑、工程機械、煤礦機械等大量暴露于大氣或特殊工況條件下器械, 由于腐蝕引起使用壽命縮短而造成的經(jīng)濟損失, 或因腐蝕失效造成

23、重大事故, 因此, 這一領域對耐候結構鋼的需求將會日益增多, 但由于在具有良好機械性能、成型性、焊接性和低溫韌性的基礎上, 同時具有良好的耐腐蝕性能造成耐候結構鋼的成本偏高, 因此開發(fā)具有低成本的經(jīng)濟耐候結構鋼具有良好的市場前景和市場競爭力。 國外正在研究非Cu-P和Cu-P-Cr-Ni系耐候鋼, 尤其是日本己取得了突破, 正在研制成本低廉的Si-Al系耐候鋼, 國內北京科技大學也在進行這方面的研究, 新型耐候鋼的研究動向值得關注。耐候鋼在國外已趨于成熟和完善,從鋼種開發(fā)到應用及設計施工等方面都有較詳細的規(guī)定。與國外相比,我國耐候鋼的研制起步較晚,但隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展,耐候鋼已引起國內有關部門的關注。根據(jù)鐵道部預計,今后新造車輛將一律使用耐候鋼。每年新造貨車將達2萬輛,新造客車約1500輛。因此迫切需要開發(fā)新型高壽命、低成本、高耐候性結構鋼。耐候鋼的耐腐蝕性能和經(jīng)濟性決定了耐候鋼是有生命力的鋼鐵材料。在今后耐候鋼的研究中,一方面應注意借鑒國外先進經(jīng)驗,另一方面應立足于我國的特有資源優(yōu)勢和已有的技術優(yōu)勢,著重開發(fā)適合我國環(huán)境、地區(qū)特點的高效、高品質耐候鋼及其表面銹層快速穩(wěn)定化處理技術。參考文獻1于