一种经济型耐候钢
阅读：26发布：2020-05-16
专利汇可以提供一种经济型耐候钢专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及低 合金 钢 领域，特别是经济型耐大气 腐蚀 的低合金 碳 素结构钢，主要用于 铁 道、车辆、 桥梁 、 塔架 等长期暴露在大气中使用的钢结构。该 耐候钢 的合金成分及重量百分比含量为：C：0.12～0.21、Si：0.2～2.0、Mn：0.7～2.0、S≤0.036、P≤0.034、Cu：0.10～0.40、Al＜0.2，其余为Fe和微量杂质。通过Cu、Mn、Si、Al等合金化，并简单调整普通低 碳钢 (Q235钢)的部分元素含量，在不需改变Q235钢生产工艺条件下，就能生产出具有良好的耐大气腐蚀性能、综合机械性能的经济耐候钢。，下面是一种经济型耐候钢专利的具体信息内容。
技术领域
本发明涉及低合金钢领域，特别是经济型耐大气腐蚀的低合金碳素结构钢， 主要用于铁道、车辆、桥梁、塔架等长期暴露在大气中使用的钢结构。
背景技术
目前现已公开的文献技术中前苏联专利(SU1822446A3)、日本专利(特开 平9-277083、特开平1-92341)、欧洲专利(EP 0841 409 A1)等对耐大气腐蚀 钢进行了介绍，但普遍采用向钢中添加Cu、P、Cr、Ni、Al等合金元素，有的还 添加As、Ce、Co、Ti、V等元素。上述专利虽然提高了钢的性能，但成本太高， 而且工艺流程复杂，市场化存在较大的难度。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷和不足，提供一种新型经济耐候钢，通过Cu、 Mn、Si、Al等合金化，并简单调整普通低碳钢(Q235钢)的部分元素含量，在 不需改变Q235钢生产工艺条件下，就能生产出具有良好的耐大气腐蚀性能、综 合机械性能的经济耐候钢。
本发明提供了一种耐大气腐蚀低合金结构钢，主要合金成份包括C、Si、Mn、 Cu、Al等，其特征在于各成份的重量百分比含量为：C：0.12～0.21、Si：0.2～ 2.0、Mn：0.7～2.0、S≤0.036、P≤0.034、Cu：0.10～0.40、Al＜0.2，其余为Fe和 微量杂质。
本发明所述的经济型耐大气腐蚀低合金结构钢的合金化机理如下：
Cu是在低合金耐大气腐蚀钢中耐蚀作用最有效的合金元素之一。研究表明： Cu加入以后，有助于在钢的表面形成致密的、粘附性好的非晶态氧化物(羟基氧 化物)保护层，使腐蚀介质很难穿越，从而阻止了钢铁表面与非晶态保护层之间 的界面区域腐蚀的发生，时间越长保护层越致密，耐蚀作用也越明显。
另外，Cu还可以抵消钢中S的有害作用，Cu与S生成难溶的硫化物，从而 抵消了S对钢耐蚀性的有害作用。Cu有很强的固溶强化作用，使钢的强度显著提 高。
Mn也是提高抗大气腐蚀的有效元素。在Cu能发生效果的0.15～0.7wt％范 围内，Mn达到一定量后与Cu发生协同作用，耐大气腐蚀能力大大提高。Mn与 S形成熔点高的MnS，既可防止因FeS而导致的热脆现象，抵消S对钢耐蚀性的 有害作用，降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织来 改善其机械性能，又可提高Cu的有效性；同时Mn扩大γ相区，形成无限固溶 体，有较强的固溶强化作用，进一步提高钢的强度。
Si可以起到与P相似的作用，都能缩小γ相区，形成γ相区；在α铁及γ铁 中的溶解度均大于P的溶解度，其对铁素体的固溶强化作用仅次于P，还能提高 钢的电阻率，增强在自然条件下的耐蚀性。
C在钢中以碳化物形式存在，随着含量的增加，提高钢的硬度和强度，但降 低其塑性和韧性。
Al也能缩小γ相区，形成γ相区；能细化晶粒。
通过优选化学成份，并在冶炼时，进一步降低钢中[O]含量，净化钢质，以及 配合相应的轧制工艺，使钢质洁净，晶粒细化，耐大气腐蚀性能、综合机械性能 优良。
本发明的特点是通过Cu、Mn、Si合金化及控制Al含量，提供一种生产工艺 简单且具有良好耐大气腐蚀性能、综合机械性能的经济型耐大气腐蚀钢。
附图说明
图1(a)-(b)为实施例的实验室加速试验的腐蚀增重曲线；其中，图1(a) 为0.3％NaCl溶液；图1(b)为5×10-3M NaHSO3溶液。
图2(a)-(b)为实施例的实验室0.3％NaCl液加速试验的极化曲线；其中， 图2(a)为实验初期；图2(b)为20天后。图中纵坐标的电位为相对饱和甘汞 电极的电位。
图3(a)-(b)为实施例在0.3％NaCl液中加速试验的EIS；其中，图3(a) 为实验初期；图3(b)为20天后。
图4(a)-(b)为EIS的等效电路示意图；其中，图4(a)为腐蚀初期；图 4(b)为腐蚀20天后。
本发明提供了一种耐大气腐蚀低合金结构钢，主要合金成份包括C、Si、Mn、 Cu、Al等，其特征在于各成份的重量百分比含量为：C：0.12～0.21、Si：0.2～ 2.0、Mn：0.7～2.0、S≤0.036、P≤0.034、Cu：0.10～0.40、Al＜0.2，其余为Fe和 微量杂质。
本发明所述的经济型耐大气腐蚀低合金结构钢的合金化机理如下：
Cu是在低合金耐大气腐蚀钢中耐蚀作用最有效的合金元素之一。研究表明： Cu加入以后，有助于在钢的表面形成致密的、粘附性好的非晶态氧化物(羟基氧 化物)保护层，使腐蚀介质很难穿越，从而阻止了钢铁表面与非晶态保护层之间 的界面区域腐蚀的发生，时间越长保护层越致密，耐蚀作用也越明显。
另外，Cu还可以抵消钢中S的有害作用，Cu与S生成难溶的硫化物，从而 抵消了S对钢耐蚀性的有害作用。Cu有很强的固溶强化作用，使钢的强度显著提 高。
Mn也是提高抗大气腐蚀的有效元素。在Cu能发生效果的0.15～0.7wt％范 围内，Mn达到一定量后与Cu发生协同作用，耐大气腐蚀能力大大提高。Mn与 S形成熔点高的MnS，既可防止因FeS而导致的热脆现象，抵消S对钢耐蚀性的 有害作用，降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织来 改善其机械性能，又可提高Cu的有效性；同时Mn扩大γ相区，形成无限固溶 体，有较强的固溶强化作用，进一步提高钢的强度。
Si可以起到与P相似的作用，都能缩小γ相区，形成γ相区；在α铁及γ铁 中的溶解度均大于P的溶解度，其对铁素体的固溶强化作用仅次于P，还能提高 钢的电阻率，增强在自然条件下的耐蚀性。
C在钢中以碳化物形式存在，随着含量的增加，提高钢的硬度和强度，但降 低其塑性和韧性。
Al也能缩小γ相区，形成γ相区；能细化晶粒。
通过优选化学成份，并在冶炼时，进一步降低钢中[O]含量，净化钢质，以及 配合相应的轧制工艺，使钢质洁净，晶粒细化，耐大气腐蚀性能、综合机械性能 优良。
本发明的特点是通过Cu、Mn、Si合金化及控制Al含量，提供一种生产工艺 简单且具有良好耐大气腐蚀性能、综合机械性能的经济型耐大气腐蚀钢。
附图说明
图1(a)-(b)为实施例的实验室加速试验的腐蚀增重曲线；其中，图1(a) 为0.3％NaCl溶液；图1(b)为5×10-3M NaHSO3溶液。
图2(a)-(b)为实施例的实验室0.3％NaCl液加速试验的极化曲线；其中， 图2(a)为实验初期；图2(b)为20天后。图中纵坐标的电位为相对饱和甘汞 电极的电位。
图3(a)-(b)为实施例在0.3％NaCl液中加速试验的EIS；其中，图3(a) 为实验初期；图3(b)为20天后。
图4(a)-(b)为EIS的等效电路示意图；其中，图4(a)为腐蚀初期；图 4(b)为腐蚀20天后。
具体实施方式
本发明的化学成分如表1所示：
表1、本发明的化学成份：(wt％) C Si Mn S P Cu Cr Ni Al 0.12～0.21 0.2～2.0 0.7～2.0 ≤0.036 ≤0.034 0.1～0.4 ≤0.006 ≤0.013 ＜0.2
表2所示为本发明实施例的各合金成份。该钢种的力学性能见表3，实验室 0.3％NaCl溶液加速腐蚀试验的增重、极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)结果分别 见图1(a)-(b)、图2(a)-(b)和图3(a)-(b)。图4(a)-(b)为EIS的 等效电路示意图。
表2、实施例的化学成份：(wt％) 实施例 C Si Mn S P Cu Al Fe 1 0.18 1.76 1.43 0.017 0.015 0.28 ＜0.1 平衡量 2 0.12 0.40 1.53 0.020 0.018 0.30 ＜0.1 平衡量 3 0.14 0.70 1.51 0.025 0.022 0.20 ＜0.1 平衡量 4 0.2 0.5 0.9 0.015 0.012 0.11 ＜0.1 平衡量
所述经济型耐候钢的制备方法采用电炉或转炉常规冶炼，控制关键合金元素 的含量。
表3、实施例的力学性能 规格 mm σs MPa σb MPa δ5 ％ 冷弯 180° AKV，J 20℃，纵向 AKV，J 0℃，纵向 AKV，J -20℃，纵向 ≤φ16 ≥345 470～630 ≥21 d＝2a ≥27 ≥27 ≥27
从图1(a)可以看出，经过40周期(20天)加速试验后，实施例样品抗[ Cl-]腐蚀能力比对比样品Q235和16Mn钢提高了一倍以上。图1(b)表明抗[HSO3-] 腐蚀性能同样效果显著。
如图2(a)-(b)所示极化曲线，对极化曲线进行分析计算的结果见表4。 可以看到，无论是在腐蚀初期还是20天之后，实施例的极化电阻Rp均比对比钢 种大，而其自腐蚀电流Icorr比对比钢种都小。
表4、极化曲线计算结果
电化学阻抗谱EIS的模拟结果列于表5(a)-(b)。从表5(a)可以看出， 实施例腐蚀初期的极化电阻大于相应的对比钢，这也与极化曲线结果相吻合，说 明合金化阻止了腐蚀的进行；同时无论在腐蚀初期与腐蚀稳定以后(20天)，如 表5(b)所示，溶液电阻均大于对比钢，可以看出合金化以后，钢在腐蚀溶液中 腐蚀产物的溶解、电离和水合化程度小，而在腐蚀表面形成连续致密的腐蚀产物 层；这就使传质阻力增大，使腐蚀介质到达腐蚀界面的过程受到部分甚至绝大部 分的阻止，从而达到降低腐蚀速率、提高抗腐蚀能力的目的。
表5(a)、腐蚀初期的EIS模拟结果
注：CPE-T代表图3(a)中出现的第一个弧，CPE-P代表图3(a)中出现的第二 个弧。
表5(b)、腐蚀20天后的EIS模拟结果
注：CPE-T代表图3(b)中出现的第一个弧，CPE-P代表图3(b)中出现的第 二个弧。
表1、本发明的化学成份：(wt％) C Si Mn S P Cu Cr Ni Al 0.12～0.21 0.2～2.0 0.7～2.0 ≤0.036 ≤0.034 0.1～0.4 ≤0.006 ≤0.013 ＜0.2
表2所示为本发明实施例的各合金成份。该钢种的力学性能见表3，实验室 0.3％NaCl溶液加速腐蚀试验的增重、极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)结果分别 见图1(a)-(b)、图2(a)-(b)和图3(a)-(b)。图4(a)-(b)为EIS的 等效电路示意图。
表2、实施例的化学成份：(wt％) 实施例 C Si Mn S P Cu Al Fe 1 0.18 1.76 1.43 0.017 0.015 0.28 ＜0.1 平衡量 2 0.12 0.40 1.53 0.020 0.018 0.30 ＜0.1 平衡量 3 0.14 0.70 1.51 0.025 0.022 0.20 ＜0.1 平衡量 4 0.2 0.5 0.9 0.015 0.012 0.11 ＜0.1 平衡量
所述经济型耐候钢的制备方法采用电炉或转炉常规冶炼，控制关键合金元素 的含量。
表3、实施例的力学性能 规格 mm σs MPa σb MPa δ5 ％ 冷弯 180° AKV，J 20℃，纵向 AKV，J 0℃，纵向 AKV，J -20℃，纵向 ≤φ16 ≥345 470～630 ≥21 d＝2a ≥27 ≥27 ≥27
从图1(a)可以看出，经过40周期(20天)加速试验后，实施例样品抗[ Cl-]腐蚀能力比对比样品Q235和16Mn钢提高了一倍以上。图1(b)表明抗[HSO3-] 腐蚀性能同样效果显著。
如图2(a)-(b)所示极化曲线，对极化曲线进行分析计算的结果见表4。 可以看到，无论是在腐蚀初期还是20天之后，实施例的极化电阻Rp均比对比钢 种大，而其自腐蚀电流Icorr比对比钢种都小。
表4、极化曲线计算结果
电化学阻抗谱EIS的模拟结果列于表5(a)-(b)。从表5(a)可以看出， 实施例腐蚀初期的极化电阻大于相应的对比钢，这也与极化曲线结果相吻合，说 明合金化阻止了腐蚀的进行；同时无论在腐蚀初期与腐蚀稳定以后(20天)，如 表5(b)所示，溶液电阻均大于对比钢，可以看出合金化以后，钢在腐蚀溶液中 腐蚀产物的溶解、电离和水合化程度小，而在腐蚀表面形成连续致密的腐蚀产物 层；这就使传质阻力增大，使腐蚀介质到达腐蚀界面的过程受到部分甚至绝大部 分的阻止，从而达到降低腐蚀速率、提高抗腐蚀能力的目的。
表5(a)、腐蚀初期的EIS模拟结果
注：CPE-T代表图3(a)中出现的第一个弧，CPE-P代表图3(a)中出现的第二 个弧。
表5(b)、腐蚀20天后的EIS模拟结果
注：CPE-T代表图3(b)中出现的第一个弧，CPE-P代表图3(b)中出现的第 二个弧。
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