高永春， 高小堯， 李秀景， 侯明山

（河鋼集團(tuán)唐鋼公司， 河北 唐山 063016）

自美國(guó)于1916年進(jìn)行含Cu鋼的開(kāi)發(fā)以來(lái)[1]，耐候鋼的開(kāi)發(fā)已經(jīng)有100多年的歷史。耐候鋼是指通過(guò)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高強(qiáng)度鋼[2]，腐蝕能力可比普通鋼提高2～8倍[3]。隨著耐候鋼研究的進(jìn)展其使用范圍越來(lái)越廣，用途越來(lái)越寬。耐候鋼發(fā)展至今以其良好的耐蝕性能，相對(duì)于不銹鋼較低的價(jià)格被廣泛應(yīng)用于鐵道車輛、橋梁、集裝箱等行業(yè)。結(jié)合中國(guó)地理的遼闊性以及環(huán)境的復(fù)雜性，有必要開(kāi)發(fā)一種耐低溫沖擊的同時(shí)又兼?zhèn)鋬?yōu)異的耐蝕性能的新型耐候鋼。

1 成分設(shè)計(jì)

1.1 耐蝕性設(shè)計(jì)

鋼的成分影響了大氣中鋼腐蝕的銹層結(jié)構(gòu)和組成，尤其是γ-FeOOH和α-FeOOH的相對(duì)含量，部分合金元素如Cu、Cr、P等元素有助于α-FeOOH的形成，促使鋼的表面形成致密的、黏附性強(qiáng)的穩(wěn)定保護(hù)膜[4]，從而減緩鋼的腐蝕，這也是開(kāi)發(fā)此類鋼種的基本出發(fā)點(diǎn)。

本鋼種耐蝕性設(shè)計(jì)以 Cu、Cr、Ni、Si為基本成分體系，機(jī)理如下：

1）Cu。Cu對(duì)改善鋼的耐大氣腐蝕性能作用機(jī)理主要有兩種機(jī)制：促進(jìn)陽(yáng)極鈍化論[5]和富集論[5]。

2）P。鋼中的P元素是良好的陽(yáng)極去極化劑，它在鋼中能加速鋼的均勻溶解和提高氧化速率，有助于在鋼表面形成均勻FeOOH的銹層，促進(jìn)生成非晶態(tài)羥基氧化鐵FeOX（OH）3-2X致密保護(hù)膜[6]。

3）Cr。能在鋼表面形成致密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力。Masato Yamashita等人研究指出Cr含量提高利于細(xì)化α-FeOOH[6]。

4）Ni。是一種比較穩(wěn)定的元素，加入能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，增加了鋼的穩(wěn)定性[6]。

5）Si。與Cu、Cr配合使用可改善鋼的耐候性。經(jīng)過(guò)大氣暴露試驗(yàn)認(rèn)為，較高的Si含量有利于細(xì)化α-FeOOH，從而降低鋼整體的腐蝕速率[6]。

基于以上機(jī)理研究同時(shí)綜合考慮鋼材的焊接性能因此設(shè)計(jì)成分為低 C 的 Cu、Cr、Ni、Si系。

1.2 耐低溫沖擊性設(shè)計(jì)

對(duì)于低溫沖擊韌性主要以Si、Ni、Cu三種元素進(jìn)行控制。

1）Si。研究表明當(dāng) w（Si）＜0.6%時(shí)，鋼的沖擊韌性隨w（Si）的升高而升高，超過(guò)0.9%時(shí)，沖擊韌性急劇下降[7]，見(jiàn)圖 1。

圖1 w（Si）與沖擊韌性關(guān)系

2）Ni。當(dāng) w（Ni）由 0 增至 0.06%時(shí)，沖擊韌性顯著增大，進(jìn)一步增加w（Ni），沖擊韌性增加的相對(duì)不明顯[7]，見(jiàn)圖 2。

3）Cu。當(dāng) w（Cu）＜0.25%時(shí)，鋼的沖擊韌性隨w（Cu）的升高而升高，超過(guò)0.25%時(shí)，沖擊韌性開(kāi)始下降[7]，見(jiàn)圖 3。

圖2 w（Ni）與沖擊韌性關(guān)系

圖3 w(Cu)與沖擊韌性關(guān)系

4）P。P對(duì)材料的低溫沖擊有極大影響，研究表明每增加0.01%的w（P）使脆性轉(zhuǎn)變，溫度上升7℃[8]。

1.3 確定成分控制范圍

綜合鋼的強(qiáng)度、耐蝕性能、耐低溫沖擊性能同時(shí)考慮生產(chǎn)的穩(wěn)定性、質(zhì)量、成本及客戶要求，Q355NHE成分設(shè)計(jì)范圍如表1所示。

表1Q355NHE化學(xué)成分 %

2 耐沖擊韌性研究

對(duì)生產(chǎn)的6 mm厚的Q355NHE和SPA-H進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，沿已經(jīng)軋制好的試驗(yàn)鋼板橫向切取V形缺口沖擊試樣，沖擊試樣的尺寸為5 mm×10 mm×55 mm，在沖擊試驗(yàn)機(jī)上參考GB 229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，采用過(guò)冷法，－40℃進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明-40℃沖擊功Q355NHE較SPA-H高49 J，提高了121%。

表2 -40℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果

Q355NHE與SPA-H的金相組織分別如圖4、圖5所示。從金相組織看，SPA-H的碳化物明顯多于Q355NHE，也導(dǎo)致了其沖擊功較低。

圖4 Q355NHE金相（200×）

圖5 SPA-H金相（200×）

3 耐蝕性研究

Q355NHE采用了低P的設(shè)計(jì)，需要對(duì)其他成分進(jìn)行合理的配合才能使其保證良好的耐蝕性，為驗(yàn)證Q355NHE的耐蝕性能在東北大學(xué)制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了周期浸潤(rùn)實(shí)驗(yàn)用于表征其耐蝕性。

腐蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用ZQFS-1200OZ型的周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)所用鋼板通過(guò)機(jī)械加工分別制成大、中、小三種尺寸的試樣，大樣尺寸為60 mm×40mm，中樣尺寸為22mm×20mm，小樣尺寸為20mm×10 mm，實(shí)驗(yàn)所采用的溶液的濃度為1 0.05×10-2mol/L的NaHSO3溶液，pH值在4.4～4.8，補(bǔ)給液的濃度為2×10-2mol/L的NaHSO3溶液，每天加補(bǔ)給液3L。

實(shí)驗(yàn)條件是矯正后的pH為4.6、參數(shù)為溫度45℃、相對(duì)濕度為70%。周期浸潤(rùn)試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)周期 72 h（對(duì)比 Q235B）和 144 h（對(duì)比 Q345B）。

3.1 腐蝕速率探究

腐蝕速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 腐蝕速率（72 h）

表4 腐蝕速率（144 h）

圖6 72 h腐蝕宏觀形貌

圖7 144 h腐蝕宏觀形貌

Q355NHE對(duì)比Q235B鋼種72 h侵蝕后，相對(duì)腐蝕失重率為55.93%，對(duì)比Q345B鋼種144 h侵蝕后，相對(duì)腐蝕失重率為47.86%。從周期浸潤(rùn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，Q355NHE隨然采用了低P的設(shè)計(jì)但其依然有較好的耐蝕性，同時(shí)相較于高P的SPA-H并沒(méi)有明顯的降低。

3.2 腐蝕后宏觀樣貌分析

經(jīng)周期浸潤(rùn)實(shí)驗(yàn)后，腐蝕形貌如圖6、圖7所示。

從圖6看出72 h侵蝕后Q235B與SPA-H銹層表面出現(xiàn)大量的鼓點(diǎn)，這是由于腐蝕相在這些區(qū)域優(yōu)先生長(zhǎng)所致，色澤與原來(lái)相比也較暗，銹層也以更加容易脫落，Q235B已經(jīng)露出了基體。

從圖7看出144 h侵蝕后Q345B鋼表面的銹層開(kāi)始遭到破壞，銹層結(jié)合處的鼓包繼續(xù)膨脹，并遭到破壞。SPA-H鋼的銹層表面產(chǎn)生的鼓包開(kāi)始遭到破壞，開(kāi)始脫落，并且銹層先發(fā)生脫落的試樣表面逐漸轉(zhuǎn)化為紅褐色。Q355NHE鋼原來(lái)出現(xiàn)的小鼓包發(fā)生合并，形成比原來(lái)稍大的鼓包，并且鼓包開(kāi)始形成裂縫。

從72 h和144 h腐蝕后宏觀樣貌看SPA-H、Q355NHE的耐腐蝕性均優(yōu)于Q235B和Q345B。

4 結(jié)論

1）根據(jù)各元素對(duì)鋼的耐蝕性和沖擊韌性的影響原理以 Cu、Ni、Cr、Si體系設(shè)計(jì)了低 C、低 P 的耐低溫沖擊耐候鋼Q355NHE。

2）新設(shè)計(jì)的Q355NHE低溫沖擊韌性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的集裝箱板用耐候鋼SPA-H。

3）采用低P設(shè)計(jì)的Q355NHE經(jīng)周期浸潤(rùn)試驗(yàn)后表明其耐蝕性能相較于SPA-H無(wú)明顯下降趨勢(shì)。Q355NHE對(duì)比Q235B鋼種72 h侵蝕后，相對(duì)腐蝕失重率為55.93%，對(duì)比Q345B鋼種144 h侵蝕后，相對(duì)腐蝕失重率為47.86%。