防腐蚀钢材及其锻造工艺 |
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申请号 | CN201710126759.8 | 申请日 | 2017-03-04 | 公开(公告)号 | CN107043896A | 公开(公告)日 | 2017-08-15 |
申请人 | 蒋培丽; | 发明人 | 蒋培丽; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种防 腐蚀 钢 材及其 锻造 工艺,其技术方案要点是包括如下重量百分比的组分: 碳 元素0.01~0.03%, 硅 元素0.2~0.4%,锰元素0.5~1.0%,磷元素≤0.012%,硫元素≤0.005%,铬元素14.0~16.0%,镍元素9.0~11.0%,钼元素0.1~0.2%,铌元素0.2~0.3%,锆元素0.4~0.6%,其余为 铁 元素,本 发明人 研发了该NH00Cr‑3型钢材,在研究过程中发现铌、锆元素产生了协同作用,显著提高了钢材表面的耐盐雾性能,同时,提供碳元素的载体采用 石墨 烯提供,使其耐盐雾性能更优,NH00Cr‑3型钢材适用于南海岛礁的室外结构和装饰物的使用。 | ||||||
权利要求 | 1.一种防腐蚀钢材,其特征在于包括如下重量百分比的组分:碳元素0.01~0.03%,硅元素0.2~0.4%,锰元素0.5~1.0%,磷元素≤0.012%,硫元素≤0.005%,铬元素14.0~ |
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说明书全文 | 防腐蚀钢材及其锻造工艺技术领域[0001] 本发明涉及钢材料,特别涉及一种防腐蚀钢材及其锻造工艺。 背景技术[0002] 南海诸岛属于海洋性气候,雨量充沛,终年高温、高湿、高盐。世界各强国都想将南海诸岛据为己有,纷纷在南海诸岛建立自己的军事基地,但是部署在这类岛屿上的战机面临盐雾腐蚀、潮湿天气和台风考验,战舰机所用的合金材料在选择上要充分考虑上述因素,比如很少使用镁合金,不同金属接触点必须采取防电化腐蚀措施,铝合金等金属与碳纤维复合材料连接处也需要采取防护措施,为防湿气侵入机体蜂窝结构,通常使用无孔蜂窝芯等,因此,亟待需要研发制备防潮湿、防烟雾、防霉菌的三防措施的合金材料。 [0003] 目前,现有专利中申请公布号为CN103422031B的中国专利公开了一种耐腐蚀钢材料,包含了碳为3.8wt%~4.1wt%、铬为0.7wt%~0.8wt%、钒为0.25wt%~0.35wt%、钪为0.1wt%~0.2wt%、锶元素0.3wt%~0.5wt%、镍为11wt%~15wt%、余量为铁,该钢板具有优异的耐磨损、抗腐蚀和耐摩擦性能。 [0004] 类似上述具有优异的耐腐蚀与高强度的钢材屡见不鲜,但是能够应用于南海特殊环境的专用钢材目前还很少见,市面上现有的钢材在高温、高湿以及高盐环境下,表面很快出现大量的斑迹、霉菌等,产生斑迹、霉菌的钢材容易导致应力集中,减少钢材的使用寿命。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种能够适用于高温、高湿以及高盐环境,具有较长使用寿命的防腐蚀钢材。 [0006] 本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:一种防腐蚀钢材,包括如下重量百分比的组分:碳元素0.01~0.03%,硅元素0.2~ 0.4%,锰元素0.5~1.0%,磷元素≤0.012%,硫元素≤0.005%,铬元素14.0~16.0%,镍元素9.0~11.0%,钼元素0.1~0.2%,铌元素0.2~0.3%,锆元素0.4~0.6%,其余为铁元素。 [0007] 本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分:碳元素0.02~0.025%,硅元素0.2~0.28%,锰元素0.6~0.7%,磷元素≤0.010%,硫元素≤0.005%,铬元素15.0~ 15.3%,镍元素10.2~10.6%,钼元素0.13~0.15%,铌元素0.21~0.23%,锆元素0.46~ 0.49%,其余为铁元素。 [0008] 本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分:碳元素0.023%,硅元素0.26%,锰元素0.68%,磷元素0.008%,硫元素0.004%,铬元素15.3%,镍元素10.4%,钼元素0.14%,铌元素0.23%,锆元素0.47%,其余为铁元素。 [0009] 通过采用上述技术方案,上述技术方案是以超低碳合金为设计基础,通过增加Cr、Ni的含量,在氧化性介质作用下,钢材表面能生成厚度约为10nm的氧化膜,紧密附着在钢材表面上,铬元素、镍元素与钢材表面的碳元素结合形成碳化铬、碳化镍,大大提高了钢材的耐湿与耐蚀性,而且,铬能够提高钢材的电极电位,减少微电池数目,进一步提高钢材的耐蚀性,高铬镍含量的钢材不但耐腐蚀性好,而且硬度较高,耐热性与耐磨性均较好;向高铬镍钢材中加入重量百分比为0.2~0.3%的铌元素,铌与铬之间具有较大的原子错配度,使铌较难溶于固溶体中,铌的电正性有利于铌与钢材表面的碳元素形成碳化铌,从而在合金中形成初晶相和二次晶相,向铬铌钢材中加入重量百分比为0.4~0.6%的锆元素,锆元素和氧元素有很大的亲和力,在钢材表面能够生成一层致密的、附着力强的氧化膜,保护了钢材表面不容易被腐蚀,由于钛是具有优异钝化性的金属,且在315℃以下均能保持氧化膜具有钝化的特性,有些机械磨损也会很快自愈或重新再生,而且在提高钢材表面耐高温性、防腐蚀性能的同时,铌、锆元素产生了协同作用,显著提高了钢材表面的耐盐雾性能,使其适用于南海岛礁的室外结构和装饰物的使用。 [0010] 本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分:碳元素0.01~0.03%,硅元素0.2~0.4%,锰元素0.5~1.0%,磷元素≤0.012%,硫元素≤0.005%,铬元素14.0~ 16.0%,镍元素9.0~11.0%,钼元素0.1~0.2%,铌元素0.2~0.3%,锆元素0.8~1.0%,锌元素0.4~0.6%,钾元素0.05~0.08%,氮元素0.1~0.2%,硼元素0.03~0.05%,其余为铁元素。 [0011] 本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分:碳元素0.015~0.021%,硅元素0.29~0.37%,锰元素0.6~0.7%,磷元素≤0.009%,硫元素≤0.004%,铬元素14.2~14.5%,镍元素9.2~9.4%,钼元素0.14~0.15%,铌元素0.23~0.25%,锆元素0.82~ 0.85%,锌元素0.46~0.48%,钾元素0.06~0.063%,氮元素0.13~0.15%,硼元素0.036~0.038%,其余为铁元素。 [0012] 本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分:碳元素0.018%,硅元素0.32%,锰元素0.65%,磷元素0.009%,硫元素0.004%,铬元素15.0%,镍元素9.4%,钼元素0.14%,铌元素0.25%,锆元素0.85%,锌元素0.48%,钾元素0.062%,氮元素0.15%,硼元素0.038%,其余为铁元素。 [0014] 通过采用上述技术方案,在南海高温、高湿、高盐的环境下,加入氮元素有助于锆元素与碳元素、氮元素形成碳化物、氮化物,合金元素之间或合金元素与铁元素之间形成各种金属间化合物,促进了碳化物的生成,显著提高了钢材的耐蚀性以及力学性能;加入硼元素,微量硼元素能显著提高该钢材的淬透性,提高耐高温性、高强度和蠕变性能,硼元素能够对结构钢镍、铬、锰、钼的加工起到辅助的作用,有助于改善钢材的热加工,提高该钢材的使用寿命,同时,微量硼可以细化共晶的碳化铌、碳化锆,改善它们的形态和分布,提高钢材的力学性能和耐磨性,使基体淬透性增加,硬度和韧性得以提高,形成的锆/铌体系对的钢材中镍铬锰钼的防腐起到协同防腐的作用;同时,金属形成的硼化物相互叠加共同作用,使该钢材具有优异的耐磨、防腐的性能,可适用于南海高温、高湿、高盐的复杂环境中;加入锌元素后,锌的表面覆盖了一层氧化锌、碳化锌和氢氧化锌组成的氧化膜,这一层氧化膜非常致密,粘附性能较好,能将外界氧气与内部的组织隔离开来,防止内部的锌基体继续被氧化掉,使该钢材体系的耐腐蚀与耐温、耐盐雾性能更优异。 [0015] 碳元素的载体是纳米石墨烯,纳米石墨烯又称单层石墨,是一种由碳原子以Sp2杂化轨道组成的六角形蜂窝状的二维晶体,它可以包裹起来形成碳纳米管或堆叠成三维石墨,而且石墨烯具有优异的耐高温性能,在冶炼过程中,钢材则插进石墨烯的蜂窝内,使熔体形成直径很小的等规排布体,结晶度较高,具有优异的耐高温、耐蚀以及耐盐性。 [0016] 本发明的另一目的在于公开了一种防腐蚀钢材的锻造工艺,具体工艺如下:(1)在电弧炉冶炼过程中,先将炉温升至740~750℃,将碳元素0.01~0.03%,硅元素 0.2~0.4%,锰元素0.5~1.0%,磷元素≤0.012%,硫元素≤0.005%,铬元素14.0~ 16.0%,镍元素9.0~11.0%,钼元素0.1~0.2%,铌元素0.2~0.3%,锆元素0.8~1.0%,锌元素0.4~0.6%,钾元素0.05~0.08%,氮元素0.1~0.2%,硼元素0.03~0.05%以及余量的铁元素,均投入至电弧炉内,然后将温度升至1070~1080℃,保温1~2h; (2)经过LF炉精炼,精炼温度为1440~1450℃,成份微调,保温2~4h,全程吹氦气搅拌,使化学成份达到组分要求,然后将温度降至890~895℃; (3)用真空脱气炉进行脱气,脱气温度为1370~1380℃,真空度59~60帕,抽气时间在2~4h; (4)在1280~1290℃下进行氦气保护模铸,凝固后将温度保持在730~735℃,保温时间为58~60h,最后空冷至室温; (5)将锻造好的钢板进行热处理:将钢板放入加热炉中加热至680~690℃,保温30~ 45min,然后用风冷以9~10℃/s的速度冷却至室温。 [0017] 通过采用上述技术方案,采用上述步骤按照本申请提及的组分与配比制备钢材,将纳米石墨烯以及各种金属元素、非金属元素均加入至电弧炉中,其中,铌元素、锆元素产生协同作用,使制备的钢材具有优异的耐温、耐湿以及耐盐雾性能。 [0018] 综上所述,本发明具有以下有益效果:1、向钢材体系内添加铌元素与锆元素,本发明人发现铌元素与锆元素产生了协同作用,使制备的钢材具有优异的耐盐雾性,提高了该钢材的综合性能,既保证了耐温、耐湿性,又增强了耐盐雾性,使其适应南海环境; 2、向钢材内除碳、硫、磷外还添加了氮、硼非金属,在钢材表面生成了更多的碳化物、氮化物、硼化物以及混合物,形成了耐蚀膜,辅助配合铌、锆协同作用增强钢材的耐盐雾性能; 3、提供碳元素的载体是纳米石墨烯,纳米石墨烯具有蜂窝结构,在冶炼过程中,钢水浇筑进蜂窝结构内,有助于提高钢材的结构规整度,辅助提高该钢材的耐温、耐湿以及耐盐雾性能。 附图说明 图1是实施例三中碳元素由纳米石墨烯载体提供的试样钢的热轧组织图; 图2是对比例四中碳元素由碳粉载体提供的试样钢的热轧组织图。 具体实施方式[0019] 以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。 [0020] 纳米石墨烯选用济南墨希新材料科技有限公司生产的石墨烯。 [0021] 实施例一:(1)在电弧炉冶炼过程中,先将炉温升至750℃,将碳元素0.01%,硅元素0.2%,锰元素 0.5%,磷元素0.008%,硫元素0.004%,铬元素14.0%,镍元素9.0%,钼元素0.1%,铌元素 0.2%,锆元素0.8%以及75.178%的铁元素,均投入至电弧炉内,然后将温度升至1070℃,保温2h; (2)经过LF炉精炼,精炼温度为1440℃,成份微调,保温2h,全程吹氦气搅拌,氦气的通入速度为0.1mL/s,使化学成份达到组分要求,然后将温度降至890℃; (3)用真空脱气炉进行脱气,脱气温度为1370℃,真空度59帕,抽气时间在3h; (4)在1280℃下进行氦气保护模铸,氦气的通入速度为0.5mL/s,凝固后将温度保持在 730℃,保温时间为58h,最后空冷至室温; (5)将锻造好的钢板进行热处理:将钢板放入加热炉中加热至680℃,保温30min,然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。 [0022] 实施例二:(1)在电弧炉冶炼过程中,先将炉温升至750℃,将碳元素0.01%,硅元素0.2%,锰元素 0.5%,磷元素0.008%,硫元素0.004%,铬元素14.0%,镍元素9.0%,钼元素0.1%,铌元素 0.2%,锆元素0.8%,锌元素0.4%,钾元素0.05%,氮元素0.1%,硼元素0.03%以及 74.598%的铁元素,均投入至电弧炉内,然后将温度升至1070℃,保温2h; (2)经过LF炉精炼,精炼温度为1442℃,成份微调,保温2h,全程吹氦气搅拌,氦气的通入速度为0.1mL/s,使化学成份达到组分要求,然后将温度降至892℃; (3)用真空脱气炉进行脱气,脱气温度为1373℃,真空度60帕,抽气时间在3h; (4)在1281℃下进行氦气保护模铸,氦气的通入速度为0.5mL/s,凝固后将温度保持在 732℃,保温时间为59h,最后空冷至室温; (5)将锻造好的钢板进行热处理:将钢板放入加热炉中加热至683℃,保温30min,然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。 [0023] 实施例三:(1)在电弧炉冶炼过程中,先将炉温升至750℃,将碳元素0.021%,硅元素0.28%,锰元素0.64%,磷元素0.009%,硫元素0.004%,铬元素14.6%,镍元素9.8%,钼元素0.2%,铌元素0.26%,锆元素0.88%,锌元素0.46%,钾元素0.06%,氮元素0.15%,硼元素0.04%以及72.596%的铁元素,均投入至电弧炉内,然后将温度升至1070℃,保温2h; (2)经过LF炉精炼,精炼温度为1442℃,成份微调,保温2h,全程吹氦气搅拌,氦气的通入速度为0.1mL/s,使化学成份达到组分要求,然后将温度降至892℃; (3)用真空脱气炉进行脱气,脱气温度为1373℃,真空度60帕,抽气时间在3h; (4)在1281℃下进行氦气保护模铸,氦气的通入速度为0.5mL/s,凝固后将温度保持在 732℃,保温时间为59h,最后空冷至室温; (5)将锻造好的钢板进行热处理:将钢板放入加热炉中加热至683℃,保温30min,然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。 [0024] 实施例四:(1)在电弧炉冶炼过程中,先将炉温升至750℃,将碳元素0.018%,硅元素0.32%,锰元素0.65%,磷元素0.009%,硫元素0.004%,铬元素15.0%,镍元素9.4%,钼元素0.14%,铌元素0.25%,锆元素0.85%,锌元素0.48%,钾元素0.062%,氮元素0.15%,硼元素0.038%以及72.629%的铁元素,均投入至电弧炉内,然后将温度升至1070℃,保温2h; (2)经过LF炉精炼,精炼温度为1442℃,成份微调,保温2h,全程吹氦气搅拌,氦气的通入速度为0.1mL/s,使化学成份达到组分要求,然后将温度降至892℃; (3)用真空脱气炉进行脱气,脱气温度为1373℃,真空度60帕,抽气时间在3h; (4)在1281℃下进行氦气保护模铸,氦气的通入速度为0.5mL/s,凝固后将温度保持在 732℃,保温时间为59h,最后空冷至室温; (5)将锻造好的钢板进行热处理:将钢板放入加热炉中加热至683℃,保温30min,然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。 [0025] 实施例五:(1)在电弧炉冶炼过程中,先将炉温升至750℃,将碳元素0.03%,硅元素0.4%,锰元素 0.9%,磷元素0.011%,硫元素0.004%,铬元素15.8%,镍元素10.4%,钼元素0.18%,铌元素0.28%,锆元素0.95%,锌元素0.58%,钾元素0.076%,氮元素0.18%,硼元素0.048%以及70.161%的铁元素,均投入至电弧炉内,然后将温度升至1070℃,保温2h; (2)经过LF炉精炼,精炼温度为1442℃,成份微调,保温2h,全程吹氦气搅拌,氦气的通入速度为0.1mL/s,使化学成份达到组分要求,然后将温度降至892℃; (3)用真空脱气炉进行脱气,脱气温度为1373℃,真空度60帕,抽气时间在3h; (4)在1281℃下进行氦气保护模铸,氦气的通入速度为0.5mL/s,凝固后将温度保持在 732℃,保温时间为59h,最后空冷至室温; (5)将锻造好的钢板进行热处理:将钢板放入加热炉中加热至683℃,保温30min,然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。 [0026] 对比例一:与实施例三相比,缺少铌元素。 [0027] 对比例二:与实施例三相比,缺少锆元素。 [0028] 对比例三:与实施例三相比,缺少铌元素、锆元素。 [0029] 对比例四:与实施例三相比,碳元素的载体为碳粉。 [0030] 检测方法:(1)按照GB/T2423开展盐雾腐蚀实验,对试验钢的初期腐蚀进行观察,并对120小时的耐腐蚀性能进行评定; (2)采用高压釜进行抗腐蚀试验,调节高压釜的压力为20MPa,温度为300℃,持续时间为24h,采用高倍显微镜观察材料表面腐蚀情况; (3)按照GB/T17998-2009《不锈钢点蚀点位》标准进行了电化学腐蚀实验研究。 [0031] 试验钢的平均腐蚀速率如下表所示:通过上表可知,本实施例的试验钢的平均腐蚀速率极低,具有优异的耐盐雾腐蚀性能,能够适应恶劣的南海环境;从对比例四可知,以纳米石墨烯为载体的钢材具有最优异的平均腐蚀速率。 [0032] 高压釜抗腐蚀的试验结果如下表所示:样品 表面形貌 实施例一 表面颗粒均匀 实施例二 表面颗粒均匀 实施例三 表面颗粒均匀 实施例四 表面颗粒均匀 实施例五 表面颗粒均匀 对比例一 表面颗粒均匀 对比例二 表面颗粒均匀 对比例三 表面颗粒差异较大 对比例四 表面颗粒均匀 通过上表可知,本实施例的钢材经过高压釜抗腐蚀的检测后,表面颗粒均匀,规格、尺寸都很均一,具有优异的耐温、耐压腐蚀性,而对比例三的钢材相比于实施例而言,耐温、耐压腐蚀性能则较差。 [0033] 电化学腐蚀实验研究结果如下:通过上表可知,本实施例的钢材的点蚀电位大于1,保证了钢材基本不被腐蚀的优异性能,相比于缺少铌元素和锆元素的对比例而言,所制备的钢材能够在南海的耐湿、耐蚀的环境使用。 [0034] 对比实施例三与对比例四的热轧组织照片如图1和图2所示。 |