耐低溫沖擊耐候鋼Q355NHE的設計與耐蝕性研究

高永春， 高小堯， 李秀景， 侯明山

（河鋼集團唐鋼公司， 河北 唐山 063016）

自美國于1916年進行含Cu鋼的開發(fā)以來[1]，耐候鋼的開發(fā)已經(jīng)有100多年的歷史。耐候鋼是指通過添加少量合金元素，使其在大氣中具有良好耐腐蝕性能的低合金高強度鋼[2]，腐蝕能力可比普通鋼提高2～8倍[3]。隨著耐候鋼研究的進展其使用范圍越來越廣，用途越來越寬。耐候鋼發(fā)展至今以其良好的耐蝕性能，相對于不銹鋼較低的價格被廣泛應用于鐵道車輛、橋梁、集裝箱等行業(yè)。結(jié)合中國地理的遼闊性以及環(huán)境的復雜性，有必要開發(fā)一種耐低溫沖擊的同時又兼?zhèn)鋬?yōu)異的耐蝕性能的新型耐候鋼。

1 成分設計

1.1 耐蝕性設計

鋼的成分影響了大氣中鋼腐蝕的銹層結(jié)構(gòu)和組成，尤其是γ-FeOOH和α-FeOOH的相對含量，部分合金元素如Cu、Cr、P等元素有助于α-FeOOH的形成，促使鋼的表面形成致密的、黏附性強的穩(wěn)定保護膜[4]，從而減緩鋼的腐蝕，這也是開發(fā)此類鋼種的基本出發(fā)點。

本鋼種耐蝕性設計以 Cu、Cr、Ni、Si為基本成分體系，機理如下：

1）Cu。Cu對改善鋼的耐大氣腐蝕性能作用機理主要有兩種機制：促進陽極鈍化論[5]和富集論[5]。

2）P。鋼中的P元素是良好的陽極去極化劑，它在鋼中能加速鋼的均勻溶解和提高氧化速率，有助于在鋼表面形成均勻FeOOH的銹層，促進生成非晶態(tài)羥基氧化鐵FeOX（OH）3-2X致密保護膜[6]。

3）Cr。能在鋼表面形成致密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力。Masato Yamashita等人研究指出Cr含量提高利于細化α-FeOOH[6]。

4）Ni。是一種比較穩(wěn)定的元素，加入能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，增加了鋼的穩(wěn)定性[6]。

5）Si。與Cu、Cr配合使用可改善鋼的耐候性。經(jīng)過大氣暴露試驗認為，較高的Si含量有利于細化α-FeOOH，從而降低鋼整體的腐蝕速率[6]。

基于以上機理研究同時綜合考慮鋼材的焊接性能因此設計成分為低 C 的 Cu、Cr、Ni、Si系。

1.2 耐低溫沖擊性設計

對于低溫沖擊韌性主要以Si、Ni、Cu三種元素進行控制。

1）Si。研究表明當 w（Si）＜0.6%時，鋼的沖擊韌性隨w（Si）的升高而升高，超過0.9%時，沖擊韌性急劇下降[7]，見圖 1。

圖1 w（Si）與沖擊韌性關系

2）Ni。當 w（Ni）由 0 增至 0.06%時，沖擊韌性顯著增大，進一步增加w（Ni），沖擊韌性增加的相對不明顯[7]，見圖 2。

3）Cu。當 w（Cu）＜0.25%時，鋼的沖擊韌性隨w（Cu）的升高而升高，超過0.25%時，沖擊韌性開始下降[7]，見圖 3。

圖2 w（Ni）與沖擊韌性關系

圖3 w(Cu)與沖擊韌性關系

4）P。P對材料的低溫沖擊有極大影響，研究表明每增加0.01%的w（P）使脆性轉(zhuǎn)變，溫度上升7℃[8]。

1.3 確定成分控制范圍

綜合鋼的強度、耐蝕性能、耐低溫沖擊性能同時考慮生產(chǎn)的穩(wěn)定性、質(zhì)量、成本及客戶要求，Q355NHE成分設計范圍如表1所示。

表1Q355NHE化學成分 %

2 耐沖擊韌性研究

對生產(chǎn)的6 mm厚的Q355NHE和SPA-H進行沖擊實驗，沿已經(jīng)軋制好的試驗鋼板橫向切取V形缺口沖擊試樣，沖擊試樣的尺寸為5 mm×10 mm×55 mm，在沖擊試驗機上參考GB 229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，采用過冷法，－40℃進行試驗，實驗結(jié)果如表2所示。實驗結(jié)果表明-40℃沖擊功Q355NHE較SPA-H高49 J，提高了121%。

表2 -40℃沖擊試驗結(jié)果

Q355NHE與SPA-H的金相組織分別如圖4、圖5所示。從金相組織看，SPA-H的碳化物明顯多于Q355NHE，也導致了其沖擊功較低。

圖4 Q355NHE金相（200×）

圖5 SPA-H金相（200×）

3 耐蝕性研究

Q355NHE采用了低P的設計，需要對其他成分進行合理的配合才能使其保證良好的耐蝕性，為驗證Q355NHE的耐蝕性能在東北大學制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室進行了周期浸潤實驗用于表征其耐蝕性。

腐蝕實驗設備采用ZQFS-1200OZ型的周期浸潤腐蝕試驗箱，實驗所用鋼板通過機械加工分別制成大、中、小三種尺寸的試樣，大樣尺寸為60 mm×40mm，中樣尺寸為22mm×20mm，小樣尺寸為20mm×10 mm，實驗所采用的溶液的濃度為1 0.05×10-2mol/L的NaHSO3溶液，pH值在4.4～4.8，補給液的濃度為2×10-2mol/L的NaHSO3溶液，每天加補給液3L。

實驗條件是矯正后的pH為4.6、參數(shù)為溫度45℃、相對濕度為70%。周期浸潤試驗共設2個周期 72 h（對比 Q235B）和 144 h（對比 Q345B）。

3.1 腐蝕速率探究

腐蝕速率實驗結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 腐蝕速率（72 h）

表4 腐蝕速率（144 h）

圖6 72 h腐蝕宏觀形貌

圖7 144 h腐蝕宏觀形貌

Q355NHE對比Q235B鋼種72 h侵蝕后，相對腐蝕失重率為55.93%，對比Q345B鋼種144 h侵蝕后，相對腐蝕失重率為47.86%。從周期浸潤實驗的結(jié)果來看，Q355NHE隨然采用了低P的設計但其依然有較好的耐蝕性，同時相較于高P的SPA-H并沒有明顯的降低。

3.2 腐蝕后宏觀樣貌分析

經(jīng)周期浸潤實驗后，腐蝕形貌如圖6、圖7所示。

從圖6看出72 h侵蝕后Q235B與SPA-H銹層表面出現(xiàn)大量的鼓點，這是由于腐蝕相在這些區(qū)域優(yōu)先生長所致，色澤與原來相比也較暗，銹層也以更加容易脫落，Q235B已經(jīng)露出了基體。

從圖7看出144 h侵蝕后Q345B鋼表面的銹層開始遭到破壞，銹層結(jié)合處的鼓包繼續(xù)膨脹，并遭到破壞。SPA-H鋼的銹層表面產(chǎn)生的鼓包開始遭到破壞，開始脫落，并且銹層先發(fā)生脫落的試樣表面逐漸轉(zhuǎn)化為紅褐色。Q355NHE鋼原來出現(xiàn)的小鼓包發(fā)生合并，形成比原來稍大的鼓包，并且鼓包開始形成裂縫。

從72 h和144 h腐蝕后宏觀樣貌看SPA-H、Q355NHE的耐腐蝕性均優(yōu)于Q235B和Q345B。

4 結(jié)論

1）根據(jù)各元素對鋼的耐蝕性和沖擊韌性的影響原理以 Cu、Ni、Cr、Si體系設計了低 C、低 P 的耐低溫沖擊耐候鋼Q355NHE。

2）新設計的Q355NHE低溫沖擊韌性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的集裝箱板用耐候鋼SPA-H。

3）采用低P設計的Q355NHE經(jīng)周期浸潤試驗后表明其耐蝕性能相較于SPA-H無明顯下降趨勢。Q355NHE對比Q235B鋼種72 h侵蝕后，相對腐蝕失重率為55.93%，對比Q345B鋼種144 h侵蝕后，相對腐蝕失重率為47.86%。