鎳含量對高強耐候鋼組織與性能的影響

王俊山，史培陽，劉承軍，姜茂發

(1.東北大學 多金屬共生礦生態化利用教育部重點實驗室，沈陽 110004；2.鞍鋼集團公司，遼寧 鞍山 114014)

耐候鋼作為一種低合金結構用鋼，因其成本低廉，不僅具有良好的耐大氣腐蝕性能，還具有優良的力學、焊接等綜合性能而備受關注[1～4].在鋼中加入少量的Cu、Cr、Ni等合金元素，可以使其在銹層和基體之間形成一層致密的氧化物膜，阻止大氣中氧和水向金屬基體滲入，減緩了金屬材料的腐蝕傾向，提高了金屬材料的耐大氣腐蝕能力；同時合金元素的加入，不僅可以使材料的組織發生改變，還可以使其性能得到提高[5～9].關于鎳在耐候鋼中合金化作用的研究文獻較少，系統研究鎳在高強耐候鋼中的作用對于高強耐候鋼的研發具有重要意義.

1 實 驗

1.1 實驗鋼的制備

在國內某鋼廠10 kg真空感應爐上冶煉6 kg左右的實驗鋼，其主要化學成分見表1.

表1 耐候鋼的主要化學成分(質量分數)

1.2 耐候鋼的軋制

實驗鋼在東北大學的試驗軋機上軋制，并且在現有設備能力條件下，所有實驗鋼錠分五次進行軋制試驗.加熱溫度為1 230～1 260 ℃，達到設定溫度后保溫40 min，終軋厚度為6 mm，終軋溫度控制在750～800 ℃，終冷溫度控制在600～660 ℃.

1.3 分析方法

(1)高分辨率顯微鏡分析

將軋制后的樣品經線切割成10 mm×10 mm試樣,經磨制和拋光后，用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，在奧林巴斯金相顯微鏡下觀察其組織.

(2)萬能試驗機測試

按照國標GB/T228-2002要求，采用等比例試樣，標距L0=50 mm，在CMT5105萬能試驗機上進行了拉伸試驗.

(3)干濕交替加速腐蝕試驗測試

周期加速腐蝕實驗方法按TB/T2375-1993執行，加速腐蝕實驗儀器為YWX/Q-150型周期浸蝕試驗機，浸潤溶液為0.1 mol·L-1的NaHSO3溶液，實驗時間為96 h，溶液溫度為45 ℃，pH值4.4～4.8，儀器內相對濕度為70%，干濕周期比例為48∶12，平行實驗三次，試樣尺寸為60 mm×40 mm×6 mm，除銹溶液為500 mlHCl+500 ml蒸餾水+10 g六次甲基四胺+4 g苯并三氮唑.

(4)電化學分析

實驗儀器采用瑞士萬通公司Autolab電化學分析儀，電化學測試過程在電解池中進行，采用三電極體系，即飽和甘汞電極作為參比電極，輔助電極為鉑電極，工作電極為430鐵素體不銹鋼基體試樣，工作電極和參比電極之間用鹽橋相連.對裸鋼試樣(10 mm×10 mm)進行極化曲線和阻抗圖譜測定，試驗溶液為0.1 mol·L-1的Na2SO4溶液，測試前浸泡0.5 h.

2 實驗結果分析與討論

圖1為鎳含量對耐候鋼金相組織的影響.從圖中可以看出，不同w(Ni)條件下實驗鋼的組織均為鐵素體+貝氏體+珠光體組織，并且隨著Ni含量的增加，珠光體組織含量略有增加，晶粒尺寸較為均勻，晶粒尺寸平均為11 μm.

圖1 實驗鋼金相組織Fig.1 Micro structures of tested steels (a)—w(Ni)=0.23%; (b)—w(Ni)=0.43%; (c)—w(Ni)=0.60%; (d)—w(Ni)=0.78%

圖2為不同Ni含量條件下實驗鋼的強度和延伸率變化.從圖中可以看出，隨著Ni含量的增加，實驗鋼屈服強度、抗拉強度均和延伸率呈逐漸升高的趨勢，當w(Ni)大于0.43%時，實驗鋼的強度和延伸率升高幅度相對較小.

圖2 不同鎳含量條件下實驗鋼的性能Fig.2 Properties of the steel with different nickel content

圖3為環境介質NaHSO3的濃度為0.1 mol·L-1、浸潤時間為96 h，干濕時間比例為48∶12，不同鎳含量條件下實驗鋼在周期浸潤腐蝕實驗時的腐蝕速率變化規律.從圖3中可以看出，隨著Ni含量的升高，實驗鋼的腐蝕速率逐漸降低，當Ni質量分數為0.23%時，其平均腐蝕速率為2.2g·m-2·h-1，而鎳的質量分數提高到0.6%時，其平均腐蝕速率降低到2.06 g·m-2·h-1，降低的幅度并不明顯.

圖3 不同鎳含量條件下實驗鋼的腐蝕率Fig.3 Corrosion rates of the steel with different nickel content

圖4為不同鎳含量條件下實驗鋼的電化學特性曲線.從圖4中可以看出，鋼中Ni含量的提高并沒有使自腐蝕電位變正，高Ni含量的試樣與低Ni含量的試樣自腐蝕電位均為-0.70 V左右，但高Ni含量的試樣極化阻力為394(Ω·cm-2)，而低Ni元素含量的試樣極化阻力為602(Ω·cm-2).說明鋼中增加Ni含量，并沒有增大實驗鋼在溶液中的極化阻力，反而使極化電阻減小，造成了本實驗條件下鋼中鎳含量的增加，腐蝕速率有所降低.

圖4 不同鎳含量條件下實驗鋼的電化學特征曲線Fig.4 Electrochemical characteristic curves of the steel with different nickel content

3 結 論

(1)不同鎳含量的實驗鋼組織均為鐵素體+貝氏體+珠光體，晶粒尺寸平均為11 μm；并且隨著Ni含量的增加，珠光體組織含量略有增加.

(2)隨著Ni含量的增加，實驗鋼屈服強度、抗拉強度和延伸率呈逐漸升高的趨勢，當Ni的質量分數大于0.43%時，實驗鋼的強度和延伸率升高幅度相對較小.

(3)增加鎳含量，耐候鋼年腐蝕速率降低，高Ni含量試樣的極化阻力為394(Ω·cm-2)，而低Ni含量試樣的極化阻力為602(Ω·cm-2).

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