CN110747410A - 一种在酸性条件使用的耐蚀棒材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在酸性条件使用的耐蚀棒材及其制造方法，其化学成分按重量百分比为：C：0.15％～0.25％，Si：0.3％～0.80％，Mn：0.8％～1.60％，P：≤0.045％，S：≤0.045％，Cr：0.30％～0.45％，V：0.02％‑0.05％，Cu：0.30％～0.50％，Mo：0.10％～0.30％，Sb：0.01％～0.30％，Bi：0.01％～0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的优点是：通过对酸性条件耐腐蚀钢筋性能的要求以及现有钢筋生产状况以及产品问题的分析，结合各元素强化作用，添加合金元素Sb和Mo，生产出适合弱酸性环境下应用的耐蚀棒材。

Description

一种在酸性条件使用的耐蚀棒材及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种耐蚀棒材，尤其涉及一种在酸性条件使用的耐蚀棒材及其制造方法。

背景技术

棒材作为一种结构用钢，广泛应用于工程建筑、机械零件等领域，碳素钢棒材因成本低、成材率高、强度硬度好等优良特性备受青睐，在建筑领域占主要应用地位，然而碳素钢棒材的腐蚀性能不足严重影响其使用寿命，尤其在特殊应用领域，如在海洋工程建设、矿山、石油、化工、电力等环境下所用机械的轴类，普通碳素钢的使用寿命仅不到20年，可见，腐蚀已成为影响钢筋使用耐久性的首要原因。

很多研究者已经从改变合金成分、改善加工工艺、添加保护膜等不同角度出发做了很多工作，如增加混凝土的密实度或混凝土表面喷涂涂料提高钢筋混凝土的耐蚀性能；采用化学防护保证钢筋的钝化不腐；制备不锈钢钢筋；制备表面镀锌钢筋；钢筋表面喷涂环氧树脂等涂料隔绝空气、海水等。经过改进，钢筋的耐蚀性有了明显提高，但仍旧存在一些弊病，或成本高昂，或性能受限，或治标不治本，真正具备较低生产成本、适合大批量生产、同时可有效提高材料耐腐蚀性能的新产品及工艺尚鲜有推广应用，且研究条件多为弱碱性环境下耐腐蚀性能的研究，针对于抗工业大气类酸性条件下棒材的耐蚀性能鲜有研究。

随着空气中SO₂排放的增多，重工业城市及工业区的建筑、公路及桥梁受到的弱酸性腐蚀较为严重，少数地区的酸雨更是给当地人民和建筑设施带来安全的隐患和严重的财产损失。因此，研发一种酸性条件下的耐腐蚀棒材作为一全新问题具有很大的研究意义及发展的空间。

目前国内研究耐酸性腐蚀的棒材仅有几例，其中，中国专利CN 102534381 A，一种酸性条件的耐腐蚀棒材及其制造方法，公开了通过Cu、Mn、P合金化调整Q235钢的元素含量，生产具有良好的耐海岸工业大气腐蚀的低成本耐候钢；工艺简单、成本合理，生产出的耐候棒材具有较好的耐海岸大气腐蚀能力，但在耐酸性工业大气方面的性能提高并不明显。中国专利CN103233167A，一种耐工业大气腐蚀钢筋及其制备方法，利用现有钢种生产装备和适量的成分调整，生产出一种无Ni耐工业大气腐蚀的钢筋，此发明工艺简单、可操作性强、取代Ni合金元素降低少许成本，通过调节工艺可得到较好表面质量的无Ni耐蚀钢轧材，其耐蚀性能也有所提高，但其S含量的控制对冶炼难度和成本提出较高要求，并且生产过程中的强水冷却和穿水过程会影响材料质量，缩短棒材的使用寿命。中国专利CN108286026A，一种耐工业大气腐蚀钢筋及其制备方法，添加80-140ppm的N元素的低合金耐腐蚀棒材成分，通过设定生产工艺，生产高强度耐酸性腐蚀钢筋，具有较好的耐腐蚀性能，但由于添加的Cr含量较高，易产生偏析，影响材料的性能。中国专利CN109023212A，一种非晶防护耐蚀钢筋及其制备方法，采用拉丝拉拔和超音速电弧喷涂技术制备，制备出的钢筋孔隙率低、耐蚀性强，但其覆层原料成本较高，且复合工艺较为繁琐，大批量生产尚有较大问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种在酸性条件使用的耐蚀棒材及其制造方法，经过合理设计成分，进行微合金元素的合理配合，添加添加合金元素Sb和Mo，实现批量生产在PH 4.4～4.8之间的弱酸性环境下应用的耐蚀棒材。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种在酸性条件使用的耐蚀棒材，其化学成分按重量百分比为：C：0.15％～0.25％，Si：0.3％～0.80％，Mn：0.8％～1.60％，P：≤0.045％，S：≤0.045％，Cr：0.30％～0.45％，V：0.02％-0.05％，Cu：0.30％～0.50％，Mo：0.10％～0.30％，Sb：0.01％～0.30％，Bi：0.01％～0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质。

C：碳是钢中非常重要的强化元素，可通过增加钢中的含碳量，提高钢的强度和硬度，但同时钢的塑性和韧性会相应下降，在含铬的耐蚀钢中，碳含量不宜过高，因为碳与铬的亲和力较强，形成的铬碳化物会降低钢中铬的作用，因此钢中碳含量控制在0.15％～0.25％。

Si是在铁素体相起到固溶强化作用，使珠光体组织的硬度(强度)上升，提高耐磨性能，同时在冶炼过程中元素起到脱氧作用，Si含量过高易使材料韧性降低，影响焊接性能，Si添加量限定在0.3％～0.80％。

Mn：溶于铁素体，起到强化作用，提高材料的淬透性，钢中冶炼必需的元素，含量较高容易引起偏析，而当含量低于0.15％时，冶炼成本会增高，因此将Mn的含量控制在0.8％～1.6％。

P：易于引起偏析，产生“冷脆”，对焊接性能和成型性能不利，控制在0.045％以下。

S：在材料中易产生低熔点的硫化物，与基体形成多聚集在晶界处的低熔点共晶体，使材料的高温性能和热处理工艺性能降低，产生“热脆”现象，而过低成本增加，宜控制在0.045％以下。

Cu：提高材料的耐蚀性，Cu的必需量为0.30％，饱和量在0.60％，控制在0.30％～0.50％。

Cr：增加材料的淬透性，与Cu配合可显著提高耐蚀性能，Cr的必需量为0.30％，结合Cu的含量将Cr的含量控制在0.30％～0.45％。

V：可细化铁素体晶粒尺寸，提高珠光体组织的强度及硬度耐磨性。在热轧过程中如存在于奥氏体晶界或其它区域，以细化颗粒状的钒碳氮化物形式析出，抑制奥氏体晶粒的生长，从而达到细化晶粒提高性能的目的。当V含量过高，一方面增加生产成本，另一个方面易形成粗大的碳氮化物，降低钢筋的韧塑性，V的添加量设定为为0.02％-0.05％。

Mo：增加材料的淬透性，提高强度，有效推迟铁素体和珠光体转变，促进贝氏体的形成，降低针状组织转变开始温度，提高钢的强度，与Cr配合可全面提高材料耐蚀性能，含量控制在0.10％～0.30％。

Sb、Bi：使材料表面形成一层致密的氧化膜，提高材料的耐酸性腐蚀性能，低于0.01％效果甚微，大于0.30％易引起热加工劣化倾向，控制在0.01％～0.30％为宜。

一种在酸性条件使用的耐蚀棒材的制造方法，工艺流程为：转炉冶炼-LF炉精炼-连铸-高温开轧-中低温精轧-控制冷却；

1)转炉冶炼、LF炉精炼：采用常规冶炼工艺，出钢温度控制在1620℃～1650℃；进入LF精炼工位，吹氩搅拌，脱氧；

2)连铸工艺：采用全程氩封保护浇注，浇注过程中控制拉速在1.6～2.0m/min；

3)轧钢工艺：开轧温度在1040±30℃，终轧温度控制在≥920℃，轧制成棒材。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过对酸性条件耐腐蚀钢筋性能的要求以及现有钢筋生产状况以及产品问题的分析，结合各元素强化作用，添加合金元素Sb和Mo，生产出适合弱酸性环境下(如工业大气SO₂：100～300μg/m²SO₃：1～3μg/m²H₂S：1.5～9.0μg/m²)应用的耐蚀棒材。提高酸性条件下钢筋耐蚀性差及使用寿命，可应用于工业大气下的设施建设，市场前景广阔。耐蚀棒材的成分优点：

1)本发明注重微合金的相互作用，区别于一些耐酸性腐蚀的棒材，本耐蚀棒材因Sb和Ti同时作用效果小于单独使用，且Ti的耐腐蚀作用低于Sb，选择添加Sb元素，有效降低钢中腐蚀循环的电流，与Bi元素形成一层致密的氧化膜，提高材料的耐酸性腐蚀性能；

2)利用向低合金钢中加入少量Mo，不仅增加材料的淬透性，提高强度，还能与Cr共同作用增加材料的耐蚀性。

3)通过添加Mo元素提高棒材在弱酸性条件下钝化能力，同时，通过添加Sb元素，改善Mo元素对整体韧性的影响，抑制金属阳极溶解反应，增大金属的电荷转移电阻，进而提升棒材酸性条件下的耐蚀能力等手段，增强材料在酸性条件下的耐蚀性能。

4)力学性能平均可达到：ReL≥530MPa，Rm≥650MPa，A≥14％。实验表明“酸性条件的耐腐蚀棒材”具有良好的强韧性。

附图说明

图1是对比钢在0.01％NaHSO₃溶液内侵蚀96h后的形貌图。

图2是实施例1在0.01％NaHSO₃溶液内侵蚀96h后的形貌图。

图3是实施例2在0.01％NaHSO₃溶液内侵蚀96h后的形貌图。

图4是实施例3在0.01％NaHSO₃溶液内侵蚀96h后的形貌图。

图5是实施例4在0.01％NaHSO₃溶液内侵蚀96h后的形貌图。

图6是实施例5在0.01％NaHSO₃溶液内侵蚀96h后的形貌图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

一种在酸性条件使用的耐蚀棒材及其制造方法，该耐蚀棒材的具体化学成分及对应的力学性能、耐腐蚀结果具体见表1-表3：

表1具体化学成分

表2力学性能

表3周期浸润腐蚀试验结果

本发明通过合理设计合金的成分，调节工艺参数，使材料在不影响性能的基础上大大提高了材料的耐蚀性能。在酸性条件使用的耐蚀棒材的力学性能平均可达到：ReL≥530MPa，Rm≥650MPa，A≥14％。实验表明，在酸性条件使用的耐蚀棒材具有良好的强韧性。

根据权利要求1所述的一种在酸性条件使用的耐蚀棒材的制造方法，其特征在于，工艺流程为：转炉冶炼-LF炉精炼-方坯连铸-高温开轧-中低温精轧-控制冷却；

1)转炉冶炼、LF炉精炼：采用常规冶炼工艺，高炉添加合金、脱氧剂、石灰；转炉采用少渣冶炼，不加白灰，吹炼控制造渣，脱磷、去除钢中的有害杂质，出钢温度控制在1620℃～1650℃，出钢成分按重量百分比控制在C：0.14％～0.23％，Si：0.2％～0.70％，Mn：0.7％～1.50％，P：≤0.03％，S：≤0.03％，Cr：0.30％～0.45％，V：0.02％-0.05％，Cu：0.30％～0.50％，Mo：0.10％～0.30％，Sb：0.01％～0.30％；进入LF精炼工位，吹氩搅拌，脱氧，进一步去除钢中的气体和夹杂物，提高钢的洁净度；

2)连铸工艺：采用全程氩封保护浇注，尺寸180mm*180mm坯子，采用比水量0.72/kg，浇注过程中稳定控制好拉速在1.6～2.0m/min，保证钢水衔接；

3)轧钢工艺：开轧温度在1040±30℃，通过调整风机的风压和台数，来调整控制中间冷却机制，终轧温度控制在≥920℃，轧制成棒材。

通过添加Mo元素提高棒材在弱酸性条件下钝化能力，同时，通过添加Sb元素，改善Mo元素对整体韧性的影响，抑制金属阳极溶解反应，增大金属的电荷转移电阻，进而提升棒材酸性条件下的耐蚀能力等手段，增强材料在酸性条件下的耐蚀性能。

为探究“酸性条件的耐腐蚀棒材”的耐蚀能力，采用周浸实验，同时以普通碳素钢作为对比钢种，进行如下实验：

实验条件：初始浓度为(1.0±0.05)*10^-2mol/L的NaHSO₃溶液，PH在4.4～4.8；采用2.0*10²mol/L的NaHSO₃溶液作为补给液；试验温度为70±2℃，试验湿度为70±5％RH；循环周期设定为60min，其中浸润时间12min；烘烤后试样表面最高温度为70±10℃，试验时间为96h，进行干湿交替浸湿试验，通过失重法计算腐蚀速率。

试验中金属腐蚀速率运用公式V＝(W₀－W_t)/St计算，式中：V—腐蚀速率，g/(m²·h)；W₀—金属的初始质量，g；W_t—金属表面除去腐蚀产物后的质量，g；S—金属的表面积，m²；t—腐蚀时间，h。

经过周期浸润腐蚀试验，在酸性条件使用的耐蚀棒材的平均腐蚀速率为3.0054g/(m²·h)，相当于对比钢1的耐腐蚀率的197％。

据周期浸润腐蚀试验的结果显示，本在酸性条件使用的耐蚀棒材的耐蚀性能良好，且性能可观。

Claims (2)

1.一种在酸性条件使用的耐蚀棒材，其特征在于，其化学成分按重量百分比为：C：0.15％～0.25％，Si：0.3％～0.80％，Mn：0.8％～1.60％，P：≤0.045％，S：≤0.045％，Cr：0.30％～0.45％，V：0.02％-0.05％，Cu：0.30％～0.50％，Mo：0.10％～0.30％，Sb：0.01％～0.30％，Bi：0.01％～0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种在酸性条件使用的耐蚀棒材的制造方法，其特征在于，工艺流程为：转炉冶炼-LF炉精炼-连铸-高温开轧-中低温精轧-控制冷却；

1)转炉冶炼、LF炉精炼：采用常规冶炼工艺，出钢温度控制在1620℃～1650℃；进入LF精炼工位，吹氩搅拌，脱氧；

2)连铸工艺：采用全程氩封保护浇注，浇注过程中控制拉速在1.6～2.0m/min；

3)轧钢工艺：开轧温度在1040±30℃，终轧温度控制在≥920℃，轧制成棒材。

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