CN107805762A - 一种具有耐海洋微生物腐蚀性能的低合金高强度钢 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有耐海洋微生物腐蚀性能的低合金高强度钢，以实现从材料自身角度显著降低海洋微生物腐蚀的可能性。按重量百分比计，该钢的化学成分如下：0％<C<0.08％；0％<Si<0.40％；0％<Mn<1.8％；0.6％<Cu<4.0％；其余为Fe和不可避免的杂质，化学成分还可包括：0.6<Ni<1.0％；Mo<0.6％；Cr<0.6％；Nb<0.05％中的一种或多种。本发明所述的低合金高强度钢能够明显降低海洋铜绿假单胞微生物腐蚀的风险，可应用于海洋平台、船舶制造等用钢的生产。

Description

一种具有耐海洋微生物腐蚀性能的低合金高强度钢

技术领域

本发明属于钢铁材料领域，具体涉及一种具有耐海洋微生物腐蚀性能的低合金高强度钢。本发明的低合金高强度钢能够明显降低海洋铜绿假单胞微生物腐蚀的风险，可应用于海洋平台、船舶制造等用钢的生产。

背景技术

在海洋资源开发与利用过程中，材料应用的最主要破坏形式就是腐蚀，其中因海洋微生物引起的腐蚀约占海洋材料腐蚀的70-80％，在海洋环境中，海洋工程材料的微生物腐蚀和生物污损问题每年给国家造成近万亿元的经济损失和30％以上的海中航行体的能源浪费，已成为严重制约重大海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一，其导致的材料失效问题更是严重影响海洋工程装备的可靠性和寿命。海水中微生物腐蚀已经是世界公认的难题。目前，控制生物污损和微生物附着腐蚀的措施是长期使用杀菌剂，由于环保要求和不完全有效等原因，杀菌剂的使用会越来越受到限制。发展新型和更有效的措施和新型耐微生物腐蚀的材料势在必行。

以往，人们只是在材料家族中为海洋用钢挑选已经普遍应用的材料，当该钢种适应不了工作的特殊环境时，人们再去研究如何防护和改进，总是处在一种被动的寻求状态。随着海洋科技开发的广度和深度的不断拓展，适时提出耐海洋微生物腐蚀钢铁材料的概念和战略，对于海洋应用和钢铁材料两大领域都具有重要意义。

微生物腐蚀与微生物在钢表面形成的生物膜有着密切关系。生物膜是微生物由自身产生的胞外多聚物所包围而形成的，它能附着在生物和几乎所有材料的表面。生物电化学领域的最新研究结果表明，附着在金属表面的生物膜内的细菌，可通过直接电子转移或间接电子转移从金属获得电子，从而导致微生物腐蚀的发生。因此，如果生物膜被抑制或破坏，微生物腐蚀发生的机率将大大减小。本发明利用铜离子具有强烈抗菌性这一特点，钢中添加0.6-4.0％的Cu元素，并通过时效处理使铜原子析出，微生物与钢表面接触过程中铜离子破坏生物膜的形成，从而达到耐微生物腐蚀的性能。这种新型低合金高强度钢有望成为兼具高强韧性及耐海洋微生物腐蚀性能于一体的理想的海洋用钢材料，具有重要的经济和社会意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐海洋微生物腐蚀用钢及其富铜相析出方法，以实现从钢铁材料自身角度显著降低钢铁材料遭受海洋微生物腐蚀的风险。

本发明的技术方案是：

一种具有耐海洋微生物腐蚀性能的低合金高强度钢，其特征在于：按重量百分比计，该钢的化学成分如下：0％<C<0.08％；0％<Si<0.40％；0％<Mn<1.8％；0.6％<Cu<4.0％；其余为Fe和不可避免的杂质。

按照上述化学成分的低合金高强度钢，还可包括：0.6<Ni<1.0％；Mo<0.6％；Cr<0.6％；Nb<0.05％中的一种或多种。

优选钢的化学成分如下：0.02<C<0.05％；0.10<Si<0.30％；1.0<Mn<1.60％；1.0％<Cu<2.0％；其余为Fe和不可避免的杂质。

优选成分钢具有最佳的综合力学性能及耐铜绿假单胞菌等海洋微生物腐蚀性能。

本发明中Cu元素是关键性合金化元素，是保证该钢具有耐海洋微生物腐蚀性能的必要条件，其含量为0.6～4.0％，优选含量为1.0～2.0％，以保证在热处理条件下，富铜相在基体中均匀弥散的析出，从而使铜离子持续溶出具有杀菌作用。当铜含量较低时，基体中析出的富铜相不足，因而耐蚀性能不佳。当铜含量相对过高时，会导致析出粗大的富铜相，对冲击韧性及热加工性能产生不利影响。

本发明还提供了上述具有耐海洋微生物腐蚀性能的钢的时效热处理方法，采用上述化学成分的钢，经冶炼、锻造和轧制，在热机械控轧控冷后，升温到500～600℃，保温30～90分钟，而后空冷。其优选的时效处理制度为：550℃保温45分钟，空冷。通过以上处理方式的钢中富铜相析出，在微生物接触钢表面时富铜相释放的铜离子具有破坏生物膜的能力，从而能够明显降低钢发生微生物腐蚀的风险。

本发明的有益效果是：

1、本发明所述低合金高强度钢中添加了Cu元素，经过时效处理后，在保证钢其它力学性能的基础上还使得该钢具有优异的耐海洋微生物腐蚀性能。

2、本发明所述的低合金高强度钢能够从材料自身角度显著降低海洋微生物腐蚀的可能性。

3、本发明所述的低合金高强度钢可应用于海洋平台、船舶制造等用钢的生产。

附图说明

图1为实施例1中铜绿假单胞菌腐蚀的点蚀形貌。

图2为实施例1中铜绿假单胞菌腐蚀的最大点蚀深度(激光共聚焦所测最大坑点蚀深度为0.7μm)。

图3为对比例1中铜绿假单胞菌腐蚀的点蚀形貌。

图4为对比例1中铜绿假单胞菌腐蚀的最大点蚀深度(激光共聚焦所测最大坑点蚀深度为6.5μm)。

具体实施方式

实施例钢的制备采用25kg真空感应炉冶炼、锻造，而后热机械控制轧制与控制冷却，对比例选用GB 712-2011船舶及海洋工程用结构钢钢种，其化学成分如表1。

表1实施例和对比例钢的化学成分，(重量百分含量，％)

所有实施例钢均采用最佳的铜析出热处理工艺：550℃保温45分钟，空冷。

对实施例和对比例钢与海洋中常见的铜绿假单胞细菌(Pseudomonasaeruginosa)在2216E培养基中共培养14天后的腐蚀性能进行了评估。微生物腐蚀导致的点蚀是公认的对材料的最大危害，而点蚀深度被认为是定量评价材料耐微生物腐蚀性能的重要指标，因此通过激光共聚焦显微镜检测了腐蚀后样品表面由铜绿假单胞菌腐蚀导致的最大点蚀深度，测试结果见表2。实施例和对比例的力学性能测试结果见表3。

表2实施例和对比例的最大点蚀深度测试结果

表3实施例和对比例力学性能测试结果

注：冲击功测试样品为半尺寸：5mm×10mm×55mm，温度为-20℃。

如表2所示，通过对比实施例和对比例的结果可知，与现有船舶及海洋工程用结构钢相比，本发明实施例的新型钢均表现出优异的耐铜绿假单胞菌腐蚀的性能，实施例的最深点蚀深度均低于对比例。因此添加适量铜元素是本发明提出的新型低合金高强度钢能发挥其优良的耐微生物腐蚀性能的关键所在。

铜是该钢发挥耐微生物腐蚀功能的主要元素，然而铜含量过低(对比例1、2和4)或不含铜(对比例3)不能保证该钢具有优异的耐微生物腐蚀性能。如果铜含量过高，从基体中析出的富铜相尺寸过大、体积分数过多，会影响钢的综合力学性能，特别是冲击韧性(表3)。

通过以上实验结果可知，铜是使新型低合金钢具有优异耐海洋微生物腐蚀的关键元素，并且只有当铜含量达到一个合理范围时，也即是本申请所保护的范围内时，才能发挥新型钢优异综合力学性能及耐海洋微生物腐蚀性能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有耐海洋微生物腐蚀性能的低合金高强度钢，其特征在于：按重量百分比计，该钢的化学成分如下：0％<C<0.08％；0％<Si<0.40％；0％<Mn<1.8％；0.6％<Cu<4.0％；其余为Fe和不可避免的杂质。

2.按照权利要求1所述具有耐海洋微生物腐蚀性能的低合金高强度钢，其特征在于，所述钢还包括：0.6<Ni<1.0％；Mo<0.6％；Cr<0.6％；Nb<0.05％中的一种或多种。

3.按照权利要求1所述具有耐海洋微生物腐蚀性能的低合金高强度钢，其特征在于，所述钢的化学成分如下：0.02<C<0.05％；0.10<Si<0.30％；1.0<Mn<1.60％；1.0％<Cu<2.0％；其余为Fe和不可避免的杂质。

4.一种权利要求1～3任一所述钢的铜析出方法，其特征在于：在热机械控轧控冷后，在500～600℃温度范围内时效保温30～90分钟，而后空冷。

5.按照权利要求4所述钢的铜析出方法，其特征在于：在热机械控轧控冷后，在550℃保温45分钟，空冷。