新型含鈦建筑高強(qiáng)鋼的組織與性能研究

楊 明，劉 芳，陳久權(quán)，趙立夏

（1.河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,河北 秦皇島 066004；2.河北環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境工程系,河北 秦皇島 066102；3.華北理工大學(xué)材料與科學(xué)學(xué)院,河北 唐山 063210）

0 引言

高強(qiáng)鋼在建筑、汽車、航空航天、軌道交通等眾多領(lǐng)域的廣泛的應(yīng)用，引起越來(lái)越多科研人員的關(guān)注。陳守關(guān)等[1]研究了鈦強(qiáng)化對(duì)700 MPa 高強(qiáng)耐候鋼性能的影響及改進(jìn)。羅許等[2]研究了析出粒子對(duì)鈦微合金化高強(qiáng)鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響。楊躍標(biāo)等[3]研究了鈦微合金化高強(qiáng)鋼的組織性能及強(qiáng)化機(jī)制。李立銘等[4]進(jìn)行了鈦微合金化高強(qiáng)鋼含Ti 第二相的熱力學(xué)計(jì)算。霍向東等[5-6]介紹了鈦微合金化高強(qiáng)鋼的研究與發(fā)展，并研究了鈦微合金化高強(qiáng)鋼的再結(jié)晶規(guī)律。田星等[7]研究了CSP 流程鈦微合金化高強(qiáng)鋼的第二相粒子析出行為。鄭萬(wàn)等[8]研究了含鈦高強(qiáng)鋼中夾雜物析出行為研究。吳京戎[9]探討了連續(xù)冷卻過(guò)程中高強(qiáng)度建筑用微鈦合金鋼相變問(wèn)題探討。但是，目前關(guān)于含鈦建筑高強(qiáng)鋼的耐腐蝕性能、耐磨損性能研究還較少，鈦添加后對(duì)建筑高強(qiáng)鋼耐腐蝕性能和耐磨損性能的影響還需要進(jìn)一步的研究分析。為此，筆者進(jìn)行了Fe-Si-Mn-C-Ti 系新型含鈦建筑高強(qiáng)鋼顯微組織、耐腐蝕性能和耐磨損性能的測(cè)試與分析，并研究了合金元素鈦含量對(duì)建筑高強(qiáng)鋼顯微組織和耐腐蝕性能和耐磨損性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

以不添加合金元素鈦以及添加不同含量合金元素鈦的Fe-Si-Mn-C-Ti 系建筑高強(qiáng)鋼為試驗(yàn)對(duì)象，各試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。各試驗(yàn)鋼的主要制備工藝流程：第一步準(zhǔn)確稱量原料（碳?jí)K、錳鐵、硅鐵、鈦鐵、生鐵）；第二步，在高純氬氣保護(hù)下，于GP-35 A 型高頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，要密切注意爐料熔化情況，不斷加料并及時(shí)、不斷地松動(dòng)爐料，使其平穩(wěn)下降至熔池中，保持熔化順行；在爐料全部熔化前進(jìn)行造渣，以免鋼水嚴(yán)重氧化；第三步，爐料全部熔化后，測(cè)溫、取樣，根據(jù)爐前鋼樣分析結(jié)果，配入合金料，同時(shí)用硅鐵及復(fù)合脫氧劑進(jìn)行脫氧，待成分合格后進(jìn)入下一步操作；第四步，當(dāng)溫度升到1 500 ℃左右時(shí)，扒掉爐渣，取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，根據(jù)爐前鋼樣分析結(jié)果，對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到試驗(yàn)鋼所需化學(xué)成分；第五步，在自制模具中鑄成所需鋼錠，尺寸為200 mm×80 mm×80 mm；第六步，去除鋼錠表面氧化皮后將其置于馬弗爐中進(jìn)行1 300 ℃×4 h 均勻化處理，然后空冷；第七步，在?550 mm 二輥可逆熱軋?jiān)囼?yàn)軋機(jī)上將其熱軋成8 mm 厚的試驗(yàn)鋼板。

1.2 試驗(yàn)方法

顯微組織及物相分析：在試驗(yàn)鋼中部切取30 mm×30 mm×8 mm 方形金相試樣，先經(jīng)過(guò)金相磨制、拋光，然后用5%硝酸-乙醇溶液腐蝕15 s，再立即沖洗并吹干。顯微組織分析用JSM6510 型掃描電鏡，物相分析用X’Pert PRO 分析儀，掃描速度為4 °/min,掃描范圍10°～90°。

耐腐蝕性能測(cè)試：在試驗(yàn)鋼中部切取10 mm×10 mm×8 mm 方形腐蝕試樣，以三電極體系（試驗(yàn)鋼為工作電極、甘汞電極為參比電極、鉑電極為輔助電極），在CS360 型電化學(xué)工作站中進(jìn)行試驗(yàn)鋼的電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，腐蝕溶液為5%氯化鈉水溶液，掃描速度1 mV/s。試驗(yàn)前，先恒電位極化3 min 以有效去除試驗(yàn)鋼表面氧化物等雜質(zhì)。試驗(yàn)后置于JSM6510 型掃描電鏡下觀察試樣的表面腐蝕形貌。

耐磨損性能測(cè)試：在試驗(yàn)鋼中部切取?30 mm×8 mm 圓柱形磨損試樣，在MMW-1 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫磨損試驗(yàn)，磨輪轉(zhuǎn)速350 r/min、相對(duì)滑動(dòng)速度90 mm/min、對(duì)磨材料為45#鋼、試驗(yàn)時(shí)間10 min。同時(shí)記錄試樣磨損體積，以此表征試樣的耐磨損性能。磨損體積越小，試樣耐磨損性能越好；反之，磨損體積越大，試樣耐磨損性能越差。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

不添加鈦以及添加不同含量鈦的試驗(yàn)鋼顯微組織如圖1 所示。從圖1 可知，合金元素鈦的添加有助于細(xì)化試驗(yàn)鋼的內(nèi)部晶粒，鋼中碳化物較為粗大。隨著鈦含量的增加，試驗(yàn)鋼內(nèi)部晶粒尺寸表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，鋼中碳化物呈現(xiàn)出較為明顯的差異。與不添加鈦（圖1a）相比，合金元素鈦含量較低（0.02%，圖1b）時(shí)，試驗(yàn)鋼的內(nèi)部組織有一定程度的細(xì)化，鋼中碳化物顆粒有所細(xì)化，但細(xì)化效果不明顯；當(dāng)鈦含量增至0.06%（圖1c）時(shí)，試驗(yàn)鋼的內(nèi)部組織得到明顯細(xì)化，鋼中碳化物顯著細(xì)化、以細(xì)小顆粒呈彌散分布；當(dāng)鈦含量進(jìn)一步增至0.15%（圖1d）時(shí)，試驗(yàn)鋼的內(nèi)部組織非但沒(méi)有進(jìn)一步細(xì)化，反而有所粗化，鋼中碳化物尺寸有所增大且出現(xiàn)了一些有著尖銳棱角的較大碳化物顆粒。由此可以看出，合金元素鈦含量過(guò)低或過(guò)高都不利于細(xì)化試驗(yàn)鋼的內(nèi)部組織。

不添加鈦以及添加不同含量鈦的試驗(yàn)鋼XRD譜如圖2 所示。從圖2 可知，不添加鈦（圖2 a）時(shí)，試驗(yàn)鋼中由基體Fe 和M3C 碳化物組成。當(dāng)在鋼中添加較低含量的鈦（0.02%，圖2 b）時(shí)，試驗(yàn)鋼由基體Fe、TiC 和M3C 碳化物組成。當(dāng)鈦含量增至0.06%（圖2 c）時(shí)，試驗(yàn)鋼仍由基體Fe、TiC 和M3C碳化物組成，但TiC 衍射峰強(qiáng)度比鈦含量0.02%時(shí)明顯增強(qiáng)。當(dāng)鈦含量進(jìn)一步增至0.15%（圖2 d）時(shí)，試驗(yàn)鋼由基體Fe、TiC、TiN 和M3C 碳化物組成。

圖2 試驗(yàn)鋼XRD 譜Fig.2 XRD patterns of the tested steel

2.2 耐腐蝕性能

不添加鈦以及添加不同含量鈦的試驗(yàn)鋼電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。從表2 可知，合金元素鈦的添加有助于促使鋼的腐蝕電位正移，提高鋼的耐腐蝕性能。并且隨著鈦含量的增加。試驗(yàn)鋼的腐蝕電位表現(xiàn)出先正移后負(fù)移的變化趨勢(shì)，鋼的耐腐蝕性能先提高后下降。與不添加鈦（1#試樣）相比，鈦含量較低（0.02%，2#試樣）時(shí)，試驗(yàn)鋼的腐蝕電位正移了17 mV，耐腐蝕性能稍有提高；當(dāng)合金元素鈦含量增至0.06%（3#試樣）時(shí)，試驗(yàn)鋼的腐蝕電位正移了91 mV，耐腐蝕性能顯著提高；當(dāng)合金元素鈦含量進(jìn)一步增至0.15%（4#試樣）時(shí)，試驗(yàn)鋼的腐蝕電位僅正移了34 mV，耐腐蝕性能非但沒(méi)有進(jìn)一步提高，反而有所下降。

表2 試驗(yàn)鋼電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Corrosion results of the tested steels

不添加鈦以及添加不同含量鈦的試驗(yàn)鋼電化學(xué)腐蝕后的表面形貌如圖3 所示。從圖3 可知，不添加鈦（圖3 a）時(shí)，試驗(yàn)鋼電化學(xué)腐蝕后表面出現(xiàn)較多的團(tuán)狀腐蝕坑，腐蝕現(xiàn)象較為明顯、腐蝕較為嚴(yán)重。當(dāng)在鋼中添加較低含量的鈦（0.02%，圖3 b）時(shí)，試驗(yàn)鋼電化學(xué)腐蝕后表面團(tuán)狀腐蝕坑稍有減小，但腐蝕現(xiàn)象仍較為明顯。當(dāng)鈦含量增至0.06%（圖3 c）時(shí)，試驗(yàn)鋼電化學(xué)腐蝕后表面沒(méi)有明顯的團(tuán)狀腐蝕坑，僅有細(xì)小的點(diǎn)狀腐蝕，腐蝕現(xiàn)象明顯減弱，鋼的耐腐蝕性能明顯改善。當(dāng)鈦含量進(jìn)一步增至0.15%（圖3 d）時(shí)，試驗(yàn)鋼電化學(xué)腐蝕后表面除細(xì)小的點(diǎn)狀腐蝕外，還有少量的團(tuán)狀腐蝕坑出現(xiàn)，鋼的耐腐蝕性能較鈦含量0.06%時(shí)有所下降。

圖3 試驗(yàn)鋼電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)后的表面形貌Fig.3 Surface morphology of the tested steels after electrochemical corrosion test

2.3 耐磨損性能

不添加合金元素鈦以及添加不同含量合金元素鈦的試驗(yàn)鋼磨損試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。從表3 可知，與不添加合金元素鈦相比，合金元素鈦的添加有助于減小試驗(yàn)鋼的磨損體積，提高試驗(yàn)鋼的耐磨損性能。此外，從表3 可以看出，隨著鈦含量的增加。試驗(yàn)鋼的磨損體積表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，鋼的耐磨損性能先提高后下降。與不添加合金元素鈦（1#試樣）相比，合金元素鈦含量較低（0.02%，2#試樣）時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損體積減小了3×10-3mm3，耐磨損性能稍有提高；當(dāng)合金元素鈦含量增至0.06%（3#試樣）時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損體積減小了9×10-3mm3，耐磨損性能顯著提高；當(dāng)合金元素鈦含量進(jìn)一步增至0.15%（4#試樣）時(shí)，試驗(yàn)鋼的磨損體積減小了6×10-3mm3，耐磨損性能非但沒(méi)有進(jìn)一步提高，反而有所下降。

表3 試驗(yàn)鋼磨損試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of the tested steels’ wear resistance

由此可以看出，建筑高強(qiáng)鋼中添加合金元素鈦，有助于細(xì)化組織，提高試驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能和耐磨損性能。但鋼中鈦含量過(guò)低或過(guò)高，都不利于改善試驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能和耐磨損性能。這主要是因?yàn)殇撝刑砑拥暮辖鹪剽佒饕鸬匠恋韽?qiáng)化作用[4,7-9]。當(dāng)鋼中鈦含量過(guò)低（0.02%）時(shí)，鋼中形成的TiC（碳化鈦）較少，不足以起到較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果，難以有效改善試驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能和耐磨損性能。當(dāng)鋼中鈦含量增至0.06%時(shí)，鋼中形成了細(xì)小、彌散分布的TiC，充分發(fā)揮了沉淀強(qiáng)化作用，從而顯著改善試驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能和耐磨損性能。但是當(dāng)鋼中鈦含量進(jìn)一步增大到0.15%時(shí)，鋼中除了形成細(xì)小的TiC 以外，還形成了較為粗大的、帶尖銳棱角的TiN（氮化鈦）。由于這些有尖銳棱角的粗大TiN 存在，0.15%鈦含量的試驗(yàn)鋼在電化學(xué)腐蝕中更易被腐蝕液侵蝕，在室溫磨損過(guò)程中很容易被磨損，從而使得0.15%鈦含量試驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能和耐磨損性能非但沒(méi)有隨著鈦含量增加而進(jìn)一步提高，反而有所下降。由此可以看出，為了獲得理想的建筑高強(qiáng)鋼耐腐蝕性能和耐磨損性能，鋼中鈦含量不宜過(guò)多也不易過(guò)低。

3 結(jié)論

1）Fe-Si-Mn-C 建筑高強(qiáng)鋼中添加合金元素鈦，有助于細(xì)化內(nèi)部組織，提高試驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能。與不添加合金元素鈦相比，添加0.06%合金元素鈦含量時(shí)，試驗(yàn)鋼的腐蝕電位正移91 mV，磨損體積減小9×10-3mm3，耐腐蝕性能和耐磨損性能顯著提高。

2）隨鋼中鈦含量從0 逐步增至0.15%，F(xiàn)e-Si-Mn-C-Ti 系建筑高強(qiáng)鋼的內(nèi)部組織先細(xì)化后粗化，腐蝕電位先正移后負(fù)移，耐腐蝕性能先提高后下降；磨損體積先減小后增大，耐磨損性能先提高后下降。

3）不添加合金元素鈦時(shí)，F(xiàn)e-Si-Mn-C 試驗(yàn)鋼中由基體Fe 和M3C 碳化物組成。當(dāng)合金元素鈦含量0.02%～0.06%時(shí)，試驗(yàn)鋼由基體Fe、TiC 和M3C碳化物組成。當(dāng)合金元素鈦含量0.15%時(shí)，試驗(yàn)鋼由基體Fe、TiC、TiN 和M3C 碳化物組成。