本發(fā)明屬于耐候鋼技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種耐高濕熱海洋大氣高強(qiáng)度耐候鋼，該耐候鋼具備700MPa級(jí)強(qiáng)度，屈強(qiáng)比≤0.80，延伸率≥15％，并有著優(yōu)異的耐高濕熱海洋大氣環(huán)境性能。

背景技術(shù)：

耐候鋼從其誕生到現(xiàn)在已有80多年的歷史，最初的耐候鋼只是在普碳鋼中添加Cu元素，美國(guó)學(xué)者Buck在1913年發(fā)表了有關(guān)大氣的暴曬試驗(yàn)結(jié)果，闡明了在大氣中含Cu鋼的耐蝕性。德國(guó)受美國(guó)初期報(bào)告的啟發(fā)，匹配了不同Cu、P含量的試驗(yàn)鋼進(jìn)行了田園大氣、工業(yè)大氣和北海海岸大氣暴曬試驗(yàn)，結(jié)果表明Cu與P共存在工業(yè)地區(qū)效果明顯。1928年英國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)腐蝕委員會(huì)與鋼鐵聯(lián)盟合作，把了解Cr、Cr+Cu、Ni、Si、Mn、P等的效果作為試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行大氣暴曬試驗(yàn)。此后，1933年美國(guó)鋼鐵公司開(kāi)發(fā)了Corten鋼，在具備高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的同時(shí)賦予了比含銅鋼更好的耐大氣腐蝕性，這可以稱之為真正意義上耐候鋼。與初期的Cu-Cr-P系不同，變成了Cu-Cr-Ni-P系耐候鋼，其中Ni能提高一定的強(qiáng)度，還能防止軋制時(shí)由Cu引起的缺陷，更主要的目的是在提高耐候性的同時(shí)，特別提高在一定程度的鹽分作用下的耐候性。日本在20世紀(jì)50年代引進(jìn)耐候鋼技術(shù)后，發(fā)展很快，1963年即開(kāi)始投入使用，廣泛用于車輛及橋梁。由于日本四面環(huán)海，氣候濕潤(rùn)，屬于海洋性大氣腐蝕環(huán)境，隨著材料向沿海地區(qū)的使用，實(shí)際環(huán)境中海洋粒子的濃度遠(yuǎn)大于0.05mg/dm²/day(耐候鋼橋適用海岸環(huán)境飛來(lái)鹽分的判斷標(biāo)準(zhǔn))，沿海環(huán)境的苛刻性對(duì)耐候鋼的性能也提出更高的要求，傳統(tǒng)的耐候鋼使用受到限制，需要設(shè)計(jì)新型的耐候鋼來(lái)抵御高濃度海鹽粒子的環(huán)境。1989年日本提出了合金設(shè)計(jì)的概念，旨在提高鋼鐵材料的抵御濱海地區(qū)海鹽粒子的性能，打破耐候鋼原來(lái)的地域禁忌。新日鐵公司最先研發(fā)出含3％Ni+0.4％Cu的耐候鋼，與傳統(tǒng)耐候鋼相比其耐蝕性顯著。國(guó)內(nèi)耐候鋼的研究起于20世紀(jì)60年代，并結(jié)合我國(guó)富有的礦產(chǎn)資源，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展形成了自己的特色。開(kāi)發(fā)研究的耐候鋼種特點(diǎn)是：鋼中不含Ni、Cr，以Cu或P或Cu+P為主，添加了V、Ti、Nb、RE等或者是仿Corten鋼(09CuPCrNi)。

從上述背景來(lái)看，各國(guó)耐候鋼的發(fā)展及合金體系既有相同之處，又各自具有特色，都是依據(jù)本地區(qū)的氣候和本國(guó)礦產(chǎn)資源特點(diǎn)進(jìn)行耐候鋼研發(fā)和使用。目前，我國(guó)正在進(jìn)行的海洋戰(zhàn)略，尤其是在南海地區(qū)的開(kāi)發(fā)活動(dòng)頻繁，海洋工程裝備材料的腐蝕已成為嚴(yán)重制約重大海洋工程技術(shù)和裝備發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。然而，整個(gè)南海的氣候特征又與我國(guó)的渤海、黃海和東海等海域的不同，表現(xiàn)為終年高溫、雨量充沛、季風(fēng)明顯、易受臺(tái)風(fēng)影響，而西沙又是典型的高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)日照地區(qū)，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候(高濕熱海洋大氣環(huán)境)。表1是我國(guó)海南萬(wàn)寧和南海西沙大氣腐蝕試驗(yàn)站點(diǎn)的氣候特征參數(shù)。但是，作為用于近海岸南海地區(qū)的高濕熱海洋腐蝕環(huán)境用耐候鋼，國(guó)際上均無(wú)使用的歷史，國(guó)內(nèi)也無(wú)耐南海高濕熱海洋大氣腐蝕的成熟品種，在南海地區(qū)現(xiàn)有的耐候鋼均出現(xiàn)腐蝕速率先低后高，n值大于1的異?，F(xiàn)象。中國(guó)南海島礁地區(qū)是典型的高濕熱海洋性腐蝕環(huán)境，在中國(guó)的沿海地區(qū)中腐蝕條件最為惡劣，金屬材料曝露試驗(yàn)結(jié)果表明在西沙曝露1年，相當(dāng)于在海南萬(wàn)寧曝露4年，相當(dāng)于在廣州曝露5年；根據(jù)ISO9223，西沙群島地區(qū)的腐蝕性超過(guò)了最高級(jí)C5級(jí)。

表1我國(guó)萬(wàn)寧、西沙大氣腐蝕試驗(yàn)站點(diǎn)的氣候特征參數(shù)

從現(xiàn)有的公開(kāi)專利來(lái)看，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00410061112.4公開(kāi)了“針狀組織高強(qiáng)度耐候鋼及其生產(chǎn)方法”，中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN101376953A公開(kāi)了“一種高耐蝕高強(qiáng)度耐候鋼及其制造方法”，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01210262485.2公開(kāi)了“一種釩氮微合金化高強(qiáng)度耐候鋼的制備方法”，美國(guó)專利號(hào)為US6315946的專利公開(kāi)一種“Ultra-low Carbon BainiticWeathering Steel”，日本專利號(hào)為JP特開(kāi)2006-118011A專利公開(kāi)了一種海濱地區(qū)的耐候性結(jié)構(gòu)鋼。這些專利大多采用Cu-Cr-Ni系，再添加微量合金元素Nb、V、Ti等，獲得所需的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，但未見(jiàn)有在高濕熱海洋大氣使用的情況。在某些腐蝕嚴(yán)酷的環(huán)境條件下，如南海地區(qū)三高一強(qiáng)“高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)日照”氣候環(huán)境，由于Cl^-的強(qiáng)烈滲透造成腐蝕產(chǎn)物膜的破壞，上述以Corten鋼為基礎(chǔ)的改進(jìn)耐候鋼均會(huì)出現(xiàn)腐蝕加速，表面形成不了穩(wěn)定化銹層，出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物剝落，鋼表面減薄情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種耐高濕熱海洋大氣高強(qiáng)度耐候鋼，結(jié)合南海地區(qū)高濕熱海洋大氣這一特征環(huán)境因素，突破已有的耐候鋼成分體系，在提高耐候鋼的強(qiáng)度級(jí)別時(shí)保證其具有更加優(yōu)異的耐高濕熱海洋大氣腐蝕性能，以滿足目前我國(guó)正在進(jìn)行南海地區(qū)海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中對(duì)新型耐高濕熱海洋大氣腐蝕耐候鋼的迫切需要。

本發(fā)明的耐高濕熱海洋大氣高強(qiáng)度耐候鋼的化學(xué)成分(wt％)為：C：0.01～0.03、Si：0.30～0.50、P≤0.01、S≤0.007、Mn：0.30～0.50、Cu：0.80～1.00、Ni：2.90～3.10、Mo：0.10～0.30、Sn：0.20～0.30、Sb：0.05～0.10、Cr：0.40～0.60、Nb≤0.02、RE：0.01～0.03，其余為Fe和其他不可避免雜質(zhì)元素。

本發(fā)明采用超低C、提高Ni和Cu，添加Mo，輔以緩蝕元素Sn、Sb、RE等，并通過(guò)微合金化元素Nb，經(jīng)軋制后鋼的組織主要為細(xì)小的針狀鐵素體，具有耐高濕熱海洋大氣兼?zhèn)涓邚?qiáng)度的耐候鋼。

下面對(duì)以上各成分元素作用機(jī)理簡(jiǎn)述。

C：本設(shè)計(jì)成分采用的是超低碳，有助于得到針狀鐵素體組織，改善鋼基體的韌性以及有助于材料的焊接性和減小不同相之間的電位差以獲得良好的耐蝕性，因而將其含量控制在0.01％～0.03％。

Si：是常用煉鋼中的脫氧劑，Si可以細(xì)化腐蝕銹層中的α-FeOOH，并且Si可以在內(nèi)銹層富集，形成硅酸鹽腐蝕產(chǎn)物膜，能有效抑制腐蝕的發(fā)展，降低鋼基體的腐蝕速率，但是過(guò)高含量的Si對(duì)于材料的焊接性是有害的，故將其含量控制在0.30％～0.50％。

P：能有效提高鋼的耐大氣腐蝕性能，尤其是Cu-P復(fù)合效果更佳，但是P含量過(guò)高有損鋼的韌性和焊接性，因而盡量控制P含量在≤0.01％。

S：易形成硫化物夾雜，損害鋼的韌性，還嚴(yán)重惡化鋼的耐蝕性能，其含量控制在≤0.007％。

Mn：在鋼中起到固溶強(qiáng)化作用，能擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，是重要的強(qiáng)韌化元素，作為廉價(jià)的提高強(qiáng)度元素，可用來(lái)彌補(bǔ)耐候鋼中降低C、P后強(qiáng)度的不足，還能提高鋼對(duì)海洋大氣的耐蝕性，但是Mn含量過(guò)高會(huì)增加鋼的淬透性，影響焊接性和韌性，鋼中本身有較高的Ni和Cr可提高強(qiáng)度，因而選擇含量在0.30％～0.50％。

Cu：是耐候鋼中最常用有效耐蝕元素之一，與Cr具有協(xié)同作用；但是含Cu鋼由于Cu在鋼表面富集與表面奧氏體晶界氧化易造成熱脆，針對(duì)這一缺陷可采用添加Ni來(lái)防止，因而其含量可適當(dāng)提高些，控制在0.80％～1.00％。

Ni：是耐候鋼中最常用有效的耐蝕元素之一，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1％～3％的耐候鋼在含鹽大氣中具有良好的耐蝕性，Ni含量的提高對(duì)于改善材料在海洋大氣環(huán)境耐蝕性更為有效；一定比例的Ni/Cu，能防止軋制過(guò)程中Cu引起的缺陷，還能改善鋼的低溫韌性。因而適當(dāng)提高Ni含量，對(duì)于耐高濕熱海洋大氣環(huán)境效果明顯，綜合考慮成本因素，可控制其含量在2.90％～3.10％。

Mo：是有效的提高耐蝕性元素，尤其是提高鋼的耐點(diǎn)腐蝕能力，在腐蝕過(guò)程中生成的MoO₄^2-具有緩蝕作用，還能促進(jìn)鋼表面形成非晶態(tài)氧化膜，Mo還是耐海水腐蝕鋼常用元素。但是Mo含量過(guò)高會(huì)增加鋼的淬透性，對(duì)焊接性和韌性不利，因而控制其含量0.10％～0.30％。

Sn：Sn對(duì)于提高鋼在海洋環(huán)境下的耐蝕性已得到驗(yàn)證，少量Sn的加入甚至比Cu、Ni的改善在Cl^-環(huán)境下耐蝕性作用還大；Sn²⁺影響腐蝕過(guò)程的陽(yáng)極溶解，是典型的陽(yáng)極緩蝕劑。由于Sn含量過(guò)高會(huì)損害鋼的韌性，因而控制其含量0.20％～0.30％。

Sb：是耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼中主要的耐蝕元素，Sb含量在0.10％時(shí)即可在鋼表面形成Sb₂O₅氧化膜而降低鋼的腐蝕速率，Sb³⁺還是腐蝕過(guò)程中的陰極緩蝕劑。本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)Sb+Sn協(xié)同作用可以顯著提高海洋環(huán)境下鋼的耐蝕性能，但含量過(guò)高會(huì)不利于鋼的韌性，因而Sb含量控制在0.05％～0.10％。

Cr：耐候鋼中一般都添加有Cr元素，Cu-Cr具有協(xié)同作用，含銅低鉻鋼具有優(yōu)秀的強(qiáng)韌性和耐蝕性，因此需添加一定量的Cr來(lái)改善耐蝕性，因而Cr含量控制在0.40％～0.60％。

Nb：少量Nb的加入有助于細(xì)化鋼的晶粒組織，這種組織能改善鋼的耐蝕性；另外Nb易于形成碳氮化物，固溶的Nb能強(qiáng)烈阻止奧氏體再結(jié)晶，有助于提高強(qiáng)韌性。從微合金化成本角度，因而Nb含量控制在≤0.02％。

RE：RE元素的加入可細(xì)化晶粒，改變鋼中夾雜物的存在狀態(tài)，減少有害大夾雜物的數(shù)量，降低腐蝕源點(diǎn)，從而提高鋼的抗大氣腐蝕性能；RE離子在腐蝕過(guò)程起緩蝕劑作用，能抑制腐蝕過(guò)程的陰極反應(yīng)。故控制其含量在0.01％～0.03％。

有益效果

1.根據(jù)本發(fā)明的合金設(shè)計(jì)成分得到的鋼種，在模擬高濕熱海洋大氣環(huán)境和實(shí)際大氣暴曬2年的數(shù)據(jù)表明，該實(shí)驗(yàn)鋼種耐蝕性比普碳鋼Q345提高約2.5倍，比傳統(tǒng)耐候鋼Q450NQR1提高約1倍以上(見(jiàn)實(shí)施例1和2)；在實(shí)驗(yàn)室模擬的高濕熱海洋大氣環(huán)境下，添加微量合金元素Mo、Sn、Sb后改進(jìn)的耐候鋼其耐蝕性比普碳鋼Q345提高約3倍，比傳統(tǒng)耐候鋼Q450NQR1提高約2倍以上(見(jiàn)實(shí)施例3)。

2.根據(jù)本發(fā)明提供的鋼種，其屈服強(qiáng)度達(dá)到700MPa級(jí)別，曲強(qiáng)比≤0.80，延伸率≥15％，屬于高強(qiáng)度耐候鋼，能夠適用于橋梁、建筑上。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明鋼的金相組織圖。

圖2為實(shí)施例2中1#鋼實(shí)際暴曬宏觀腐蝕照片。

圖3為實(shí)施例2中2#鋼實(shí)際暴曬宏觀腐蝕照片。

圖4為實(shí)施例2中3#鋼實(shí)際暴曬宏觀腐蝕照片。

圖5為實(shí)施例2中4#鋼實(shí)際暴曬宏觀腐蝕照片。

圖6為實(shí)施例2中5#鋼實(shí)際暴曬宏觀腐蝕照片。

圖7為實(shí)施例2中Q345鋼實(shí)際暴曬宏觀腐蝕照片。

圖8為實(shí)施例2中Q450NQR1鋼實(shí)際暴曬宏觀腐蝕照片。

具體實(shí)施方式

下面用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但這些實(shí)施例絕非對(duì)本發(fā)明有任何限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員在本說(shuō)明書(shū)的啟示下對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中所做的任何變動(dòng)都將落在權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。

實(shí)施例1不同Ni含量對(duì)耐候鋼的耐高濕熱海洋大氣腐蝕性能的影響

Ni是最有效的耐蝕元素之一，但由于Ni的成本較高，因而選擇一個(gè)合適的Ni含量，獲得綜合性能好及成本適宜的耐候鋼具有重要意義。在傳統(tǒng)耐候鋼Q450NQR1(0#)成分基礎(chǔ)上，只改變Ni含量，以獲得不同Ni含量的耐候鋼。然后采用25kg真空感應(yīng)爐冶煉了Ni含量在1％～5％范圍的5種含Ni耐候鋼(分別編號(hào)1#～5#)，化學(xué)成分見(jiàn)表2。按照鐵路用耐候鋼周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)方法(TB/T2375-93)和鋼筋在氯離子環(huán)境中腐蝕試驗(yàn)方法(YB/T4367-2014)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：浸潤(rùn)溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)2％wtNaCl溶液，試驗(yàn)箱內(nèi)溶液溫度為45℃±2℃，相對(duì)濕度為75％RH±5％RH，一個(gè)循環(huán)周期為60min，其中浸潤(rùn)時(shí)間為12min±1.5min，試驗(yàn)周期96h。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(wt％)

實(shí)施例2不同Ni含量耐候鋼在南海西沙實(shí)際暴曬試驗(yàn)

試驗(yàn)鋼同實(shí)施例1中的，在南海西沙進(jìn)行2年實(shí)際暴曬試驗(yàn)，暴曬時(shí)間段2014.10～2016.10。圖2是試驗(yàn)鋼實(shí)際暴曬宏觀腐蝕照片。

表3實(shí)施例1和2腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

表3是實(shí)施例1和2腐蝕速率和相對(duì)腐蝕速率數(shù)據(jù)。從兩種試驗(yàn)條件可知Ni的增加有助于提高試驗(yàn)鋼的耐高濕熱海洋大氣腐蝕性，當(dāng)Ni含量超過(guò)3％后，其腐蝕速率有明顯下降趨勢(shì)，比傳統(tǒng)的Q450NQR1耐候鋼下降了40％，比Q345碳鋼下降50％以上，而3％、4％、5％Ni含量的試驗(yàn)鋼之間耐蝕性相差很小，不超過(guò)10％。因此，從耐候鋼經(jīng)濟(jì)成本及耐蝕性來(lái)看，3％左右含量Ni是合適的。

實(shí)施例3

在實(shí)施例1和2的基礎(chǔ)上，選擇3#試驗(yàn)鋼再?gòu)?fù)合添加微合金元素Mo、Sn、Sb及RE元素，得到本發(fā)明鋼。本發(fā)明鋼與對(duì)比鋼Q345碳鋼和Q450NQR1傳統(tǒng)耐候鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)條件參數(shù)同實(shí)施例1，試驗(yàn)周期節(jié)點(diǎn)設(shè)置為24h、48h、72h、96h。表4是本實(shí)施例發(fā)明鋼的化學(xué)成分，表5是腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。表6是本發(fā)明鋼的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

表4本發(fā)明鋼的化學(xué)成分(wt％)

表5本發(fā)明鋼和對(duì)比鋼的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6本發(fā)明鋼的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

綜上所述，根據(jù)本發(fā)明要求內(nèi)容制備的耐高濕熱海洋大氣高強(qiáng)度耐候鋼，所得實(shí)施例中滿足700MPa級(jí)強(qiáng)度，屈強(qiáng)比≤0.80，延伸率≥15％，在較高溫度30℃的沖擊功(半尺寸)達(dá)到55J。在模擬高濕熱海洋大氣周期浸潤(rùn)試驗(yàn)NaCl溶液中的耐蝕性比同等試驗(yàn)條件下Q450NQR1耐候鋼提高約2倍，比Q345碳鋼提高約3倍，本發(fā)明鋼達(dá)到了高強(qiáng)度并兼?zhèn)鋬?yōu)異的耐高濕熱海洋大氣環(huán)境性能，能夠滿足高濕熱海洋大氣環(huán)境下使用。