CN113684417A - 一种经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低合金钢领域，具体涉及一种经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢。该耐火钢包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.1％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.6～1.7％；P：≤0.03％；S：≤0.002％；Nb：0.01～0.06％；V：0.01～0.08％；Ti：≤0.02％；Mo：≤0.5％；Cr：0.1～0.5％；Ni：0.2～0.5％；Cu：0.2～0.5％；B：0～0.003％；Als＜0.02％，余量为Fe。本发明的690MPa级低合金耐蚀耐火钢相比于普通Q690钢，其腐蚀速率降低了5％～10％，性能优良，可广泛应用于建筑、桥梁施工或者交通运输领域，具有良好的应用价值。

Description

一种经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢
技术领域
本发明涉及低合金钢领域，具体涉及一种经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢。
背景技术
钢铁材料广泛地应用在航空航天、桥梁、汽车、轮船等领域，暴露在户外的钢结构件在大气环境中普遍会发生大气腐蚀。腐蚀不仅是安全问题，生态文明问题，还是经济问题。据统计，我国腐蚀总成本约占当年GDP的3％～4％。大气腐蚀是在金属腐蚀中数量最多、覆盖面最广、破坏性最大的一种腐蚀。因此，对耐候钢的研发意义重大。腐蚀是材料和环境共同作用的结果，在环境因素无法改变的前提下，只能通过改变材料的成分、组织和结构，提高材料的耐蚀性。耐候钢，即低合金耐大气腐蚀钢，是在低碳钢的基础上通过添加少量合金元素Cu,Cr,Ni,P,Mn,Sn等来提高其耐大气腐蚀性能。目前，由于耐候钢的应用领域不断扩大，需要开发出更多种类的耐候钢，以满足长期使用的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢，通过成分设计与优化，获得具有优良耐大气腐蚀性能的低合金钢。
本发明的技术方案是：
一种经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢，包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.1％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.6～1.7％；P：≤0.03％；S：≤0.002％；Nb：0.01～0.06％；V：0.01～0.08％；Ti：≤0.02％；Mo：≤0.5％；Cr：0.1～0.5％；Ni：0.2～0.5％；Cu：0.2～0.5％；B：0～0.003％；Als＜0.02％，余量为Fe。
所述的经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢，包括以下质量百分比的化学成分：C：0.05～0.08％；Si：0.15～0.30％；Mn：1.0～1.6％；P：0.015～0.025％；S：≤0.002％；Nb：0.02～0.055％；V：0.04～0.06％；Ti：0.01～0.02％；Mo：0.15～0.45％；Cr：0.25～0.45％；Ni：0.3～0.4％；Cu：0.2～0.4％；B：0.001～0.003％；Als＜0.01％，余量为Fe。
所述的经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢的用途，690MPa级低合金耐蚀耐火钢应用于建筑、桥梁施工或者车辆制作领域，在炎热潮湿地区裸露使用或者涂装使用。
所述的经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢的用途，690MPa级低合金耐蚀耐火钢相比于普通Q690钢，其腐蚀速率降低5％～10％。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提供了一种全新成分的690MPa级低合金耐蚀耐火钢，相比于普通Q690钢，其腐蚀速率降低了5％～10％，实现了优良的耐大气腐蚀性能。
2、本发明的耐候钢可在炎热潮湿环境地区裸露或者轻涂装使用，后期维护成本少，产品寿命长，全周期使用成本会降低。
3、本发明可广泛地应用与建筑、桥梁施工或者车辆制作领域，具有良好的应用价值。
附图说明
图1实施例(Q690-1和Q690-2)和对比例(Q690)的平均腐蚀速率曲线。其中，横坐标time代表腐蚀试验时长(h)，纵坐标Corrosion rate代表腐蚀速率(mm/a)。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明一种690MPa级低合金耐蚀耐火钢，包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.1％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.6～1.7％；P：≤0.03％；S：≤0.002％；Nb：0.01～0.06％；V：0.01～0.08％；Ti：≤0.02％；Mo：≤0.5％；Cr：0.1～0.5％；Ni：0.2～0.5％；Cu：0.2～0.5％；B：0～0.003％；Als＜0.02％，余量为Fe。
优选的，上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢包括以下质量百分比的化学成分：C：0.05～0.08％；Si：0.15～0.30％；Mn：1.0～1.6％；P：0.015～0.025％；S：≤0.002％；Nb：0.02～0.055％；V：0.04～0.06％；Ti：0.01～0.02％；Mo：0.15～0.45％；Cr：0.25～0.45％；Ni：0.3～0.4％；Cu：0.2～0.4％；B：0.001～0.003％；Als＜0.01％，余量为Fe。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，C是钢中有效的强化元素，提高C含量有利于提高强度，但是过高的碳含量会析出碳化物颗粒，降低塑性和韧性。同时过高的碳含量还影响钢的焊接和冲压等性能。因此，本发明设计C≤0.1％，优选的C：0.05～0.08％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，在钢铁冶金上，Si可以起到和P相似的作用，都能缩小γ相区，形成γ相圈，对铁素体的固溶强化作用仅次于P。Si还能提高钢的电阻率，增强钢在自然条件下的耐蚀性。与其他合金元素(如：Cu，Cr，P，Ni等)协同改善钢的耐蚀性，但是过高的Si的含量过高会使轧制时除磷困难，还会导致焊接性能下降。因此，本发明设计Si：0.1～0.3％，优选的Si：0.15～0.30％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，Mn具有较强的固溶强化作用，能显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素，同时较多的学者认为Mn能提高钢在海洋大气的耐蚀性，在锈层中以MnFe2O4的形式存在。但是过多的Mn使铸造过程中容易产生铸坯裂纹，同时还会降低钢的焊接性能。因此，本发明涉及Mn：0.6～1.7％，优选的Mn：1.0～1.6％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，适当的P含量可显著提高钢的耐大气腐蚀性能，当P和Cu联合加入钢时，呈现出更好的协同耐候效应。但P含量过高会显著降低钢的塑性及低温韧性。因此，本发明设计P：≤0.03％，优选的P：0.015～0.025％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，S是不良耐候性元素，作为残余元素其含量被控制在0.04％以下。因此，本发明设计S：≤0.002％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，Nb既是一种强铁素体形成元素，又是强碳氮化物，在长时间受热时又易于形成金属化合物，起到强化力学性能，细化晶粒的作用。在耐高温的用途中，Nb可代替部分Mo，降低成本。因此，本发明设计Nb：0.01～0.06％，优选的Nb：0.02～0.055％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，V在钢中的主要作用是细化晶粒，提高晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。高温下，钒的添加对抗氢腐蚀(脱碳和催化)是有益的，但是含量过高时，将有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。因此，本发明设计V：0.01～0.08％，优选的V：0.04～0.06％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，Ti也既是强碳化物形成元素，也是强铁素体形成元素之一。可以明显提高低合金钢的塑性和韧性。含钛的合金结构钢，有良好的力学性能和工艺性能，主要缺点是淬透性稍差。因此，本发明设计Ti：≤0.02％，优选的Ti：0.01～0.02％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，Mo在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的耐蚀性。由于Mo使形变强化后的软化和恢复温度以及再结晶温度提高，并强烈提高铁素体的蠕变抗力，有效抑制渗碳体在450～600℃的聚集，促进特殊碳化物的析出，因而成为提高钢的热强性的最有效的合金元素。但是Mo的价格昂贵，使用成分较高。因此，本发明设计Mo：≤0.5％，优选的Mo：0.15～0.45％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，Cr能够增加钢的淬透性并有二次硬化作用，可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆；含量较高时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用，还增加钢的热强性，Cr为不锈耐蚀钢及耐热钢的主要合金元素。因此，本发明设计Cr：0.1～0.5％，优选的Cr：0.25～0.45％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，Ni在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对塑性的影响不显著。随着Ni含量的增加，钢的屈服强度比抗拉强度提高得快，因此含Ni钢的屈服比较普通碳素钢高。镍在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺性能的损害较其他合金元素的影响小。当Ni含量较高时，可以显著提高钢耐海洋大气腐蚀的性能。因此，本发明设计Ni：0.2～0.5％，优选的Ni：0.3～0.4％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，Cu在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的耐大气腐蚀性能，特别是和P的配合使用。加入Cu还能提高钢的强度和屈服比，而对焊接性能没有不利的影响。Cu含量超过0.75％时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用，但含量高时，对热变形不利，在热加工时导致铜脆现象。因此，本发明设计Cu：0.2～0.5％，优选的Cu：0.2～0.4％。
上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢中，B在钢中主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其他较稀贵的金属，如镍、铬、钼等，为了这一目的，其含量一般规定在0.001％～0.005％。因此，本发明设计B：0～0.003％，优选的B：0.001～0.003％。
基于优选成分，本发明690MPa级低合金耐蚀耐火钢相比于普通Q690钢，其腐蚀速率降低了5％～10％。
基于上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢优异的耐腐蚀性能，本发明还提供了一种上述690MPa级低合金耐蚀耐火钢的用途，在建筑、桥梁施工或者车辆制作领域，炎热潮湿地区裸露使用或者涂装使用。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。
实施例和对比例
本发明的耐蚀耐火钢和对比例1(普通耐候钢Q690)的具体成分如表1所示。采用常规冶炼和控扎控冷工艺进行690MPa级低合金耐蚀耐火钢制备，根据ISO16539-2013对实施例和对比例进行室内干湿交替加速模拟实验，对比其相对于普通耐候钢Q690的耐腐蚀性能，具体实验步骤如下：
(I)称量样品的初始质量，所用分析天平为德国赛多利斯天平Sartorius BS224S，其精度为：d＝0.1mg；
(II)将试验样品放入日本电计株式会社生产的PR-2KP恒温恒湿试验箱30分钟预湿，试验箱内温度为35℃，相对湿度为90％；
(III)将试验样品取出恒温恒湿试验箱，并往其表面按40μL/cm2滴加腐蚀模拟液，使其铺展均匀，其中本试验所用腐蚀模拟液为模拟海洋环境浓度3wt％的NaCl水溶液，所需时间约10分钟；
(IV)再次将试验样品放回试验箱344分钟，即保证第一阶段总时间为6.4小时，此过程模拟高温高湿环境；
(V)通过程序设定，将恒温恒湿试验箱温度控制在40℃，相对湿度为40％，持续时间为1.6小时，此过程模拟干燥环境。以上总时间为8个小时代表一个试验周期，湿干模拟时间比为4:1，模拟相对湿度为80％的南海海洋大气腐蚀环境。
(VI)每3个试验周期，即24小时后，将样品取出用蒸馏水洗盐以避免盐粒在样品表面聚集，待样品表面干燥后重复第(III)、(IV)和第(V)步，直到设定的干湿交替周期。试验周期为30天，共720小时，腐蚀失重测量的时间为：120小时、240小时、360小时、480小时、600小时和720小时，共6次测量。
通过三样品单位面积腐蚀失重求得平均腐蚀速率，进而求得实施例相对比对比例的腐蚀速率减少量。
表1三种高强钢化学成分(wt.％，Fe余量)
Figure BDA0003168470230000051
如图1所示，从实施例(Q690-1和Q690-2)和对比例(Q690)的平均腐蚀速率曲线可以看出，三种钢的腐蚀速率均呈现出先增大后减小的趋势：前240h，Q690-1钢腐蚀最快，Q690-2次之，Q690钢腐蚀最慢；但是360h之后，Q690-2钢的腐蚀速率迅速减小，腐蚀速率明显小于其他两种钢，耐大气腐蚀性能最佳。
综上所述，本发明的690MPa级低合金耐蚀耐火钢相比于普通Q690钢，其腐蚀速率降低了5％～10％，可以实现优良的耐大气腐蚀性能，产品可在炎热潮湿地区裸露使用，减少涂装成本，减少环境污染，可用于建筑、桥梁施工或者车辆制作领域，具有良好的应用前景。

Claims (4)

1.一种经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢，其特征在于，包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.1％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.6～1.7％；P：≤0.03％；S：≤0.002％；Nb：0.01～0.06％；V：0.01～0.08％；Ti：≤0.02％；Mo：≤0.5％；Cr：0.1～0.5％；Ni：0.2～0.5％；Cu：0.2～0.5％；B：0～0.003％；Als＜0.02％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢，其特征在于，包括以下质量百分比的化学成分：C：0.05～0.08％；Si：0.15～0.30％；Mn：1.0～1.6％；P：0.015～0.025％；S：≤0.002％；Nb：0.02～0.055％；V：0.04～0.06％；Ti：0.01～0.02％；Mo：0.15～0.45％；Cr：0.25～0.45％；Ni：0.3～0.4％；Cu：0.2～0.4％；B：0.001～0.003％；Als＜0.01％，余量为Fe。
3.一种权利要求1至2之一所述的经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢的用途，其特征在于，690MPa级低合金耐蚀耐火钢应用于建筑、桥梁施工或者车辆制作领域，在炎热潮湿地区裸露使用或者涂装使用。
4.根据权利要求1所述的经济型690MPa级低合金耐蚀耐火钢的用途，其特征在于，690MPa级低合金耐蚀耐火钢相比于普通Q690钢，其腐蚀速率降低5％～10％。
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