P-RE復(fù)合超細(xì)組織耐候鋼的理論與技術(shù)

劉清友,曲 鵬,毛新平,王向東,汪 兵,陳小平,賈書(shū)君,翁宇慶

(1.鋼鐵研究總院,北京100081)

(2.本溪鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司,本溪117000)

(3.廣州鋼鐵企業(yè)集團(tuán)有限公司,廣州510380)

P-RE復(fù)合超細(xì)組織耐候鋼的理論與技術(shù)

劉清友1,曲 鵬2,毛新平3,王向東1,汪 兵1,陳小平1,賈書(shū)君1,翁宇慶1

(1.鋼鐵研究總院,北京100081)

(2.本溪鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司,本溪117000)

(3.廣州鋼鐵企業(yè)集團(tuán)有限公司,廣州510380)

深入研究了P、RE、晶粒細(xì)化和組織類(lèi)型等因素對(duì)鋼鐵材料耐大氣腐蝕性能的影響規(guī)律和作用原理。研究發(fā)現(xiàn),P改善耐大氣腐蝕性能顯著,也可有效提高鋼的強(qiáng)度,由較高的P含量所導(dǎo)致的鋼鐵材料的冷脆問(wèn)題可通過(guò)晶粒細(xì)化或超細(xì)化控制而顯著改善;RE可顯著改善鋼鐵材料的耐大氣腐蝕性能,其主要作用機(jī)理是:在鋼中形成的RE化合物、RE/Fe金屬間化合物和固溶稀土等在腐蝕薄液膜中水解,并在pH值較高的陰極沉淀,從而起到緩蝕作用;晶粒細(xì)化有益于提高鋼鐵材料的耐大氣腐蝕性能。通過(guò)集成上述3項(xiàng)技術(shù),開(kāi)發(fā)了新型的P-RE復(fù)合合金化超細(xì)組織經(jīng)濟(jì)型耐候鋼。所開(kāi)發(fā)的新材料成本優(yōu)勢(shì)明顯,強(qiáng)韌性高,耐大氣腐蝕性能可接近Cor-ten B鋼水平。

稀土;磷;細(xì)晶;高強(qiáng)度;耐候鋼

前 言

在1998～2003年間,科技部組織開(kāi)展了973“新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目”[1],項(xiàng)目完成后,成功地通過(guò)細(xì)化鋼鐵材料的組織將普通碳素鋼、低合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼3類(lèi)代表性鋼鐵材料的強(qiáng)度提高了1倍。2004年,科技部又啟動(dòng)了973二期“提高鋼鐵質(zhì)量和使用壽命的冶金學(xué)基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目,項(xiàng)目的目標(biāo)是:結(jié)合2003年結(jié)束的“新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究”(超細(xì)晶、高潔凈度、高均勻化)的成果,在實(shí)現(xiàn)了鋼鐵材料強(qiáng)度翻番的基礎(chǔ)上,使材料的服役壽命也大幅度提高,甚至翻番。

本課題承擔(dān)的“工業(yè)大氣環(huán)境下鐵素體/珠光體型耐候鋼合金化與組織控制理論研究”為該項(xiàng)目的子課題之一。該課題的任務(wù)目標(biāo)是在成本不增加,或略微增加(≤5%)的條件下,使普通碳素鋼的強(qiáng)度和耐大氣腐蝕性能翻番,實(shí)現(xiàn)普通鋼鐵材料的低成本、高性能化。經(jīng)過(guò)5年的研究工作,課題組已經(jīng)在稀土(Rare Earth,RE)提高耐蝕性機(jī)理、晶粒尺寸對(duì)耐蝕性影響規(guī)律、細(xì)晶化對(duì)P冷脆的改善、P-RE復(fù)合提高耐蝕性機(jī)理、相組成對(duì)耐腐蝕性能影響等相關(guān)冶金基礎(chǔ)理論研究方面取得了突破性進(jìn)展。在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了細(xì)晶、P-RE復(fù)合經(jīng)濟(jì)型耐候鋼。

稀土元素對(duì)鋼耐蝕性的影響規(guī)律及作用機(jī)理

我國(guó)稀土資源豐富,約占全球儲(chǔ)量的80%。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始,我國(guó)開(kāi)始研究稀土在鋼中的作用并開(kāi)發(fā)了系列稀土鋼,其中,利用稀土提高鋼的耐大氣腐蝕性能并將稀土廣泛應(yīng)用于耐候鋼生產(chǎn)是最主要的成果之一。雖然我國(guó)稀土耐候鋼的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的歷史較長(zhǎng),但對(duì)于稀土提高耐大氣腐蝕性能的相對(duì)作用以及相關(guān)機(jī)理等問(wèn)題尚缺乏明確的說(shuō)明。本課題首先研究了以普通碳素鋼為基礎(chǔ),通過(guò)添加不同含量的稀土,探索在稀土單一添加條件下對(duì)普通碳素鋼耐大氣腐蝕性能的改善作用,以及改善耐大氣腐蝕性能的作用機(jī)理。

在實(shí)驗(yàn)室利用100 kg真空感應(yīng)爐冶煉了不含稀土的碳素鋼,以及不同稀土含量的稀土處理鋼共4爐,實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)模鑄、鍛造后,在φ300 mm試驗(yàn)軋機(jī)上熱軋成4 mm厚鋼板。利用電解夾雜和化學(xué)相分析方法測(cè)試了稀土在鋼中的存在形式(表2)。利用周浸加速腐蝕試驗(yàn)分別測(cè)試了實(shí)驗(yàn)鋼在模擬工業(yè)大氣環(huán)境下的腐蝕速率(圖1)和模擬海洋大氣環(huán)境下的腐蝕速率(圖2)。從周浸加速腐蝕速率的結(jié)果來(lái)看,無(wú)論是工業(yè)大氣環(huán)境還是海洋大氣環(huán)境條件下,稀土均有改善鋼的耐腐蝕性能的作用。

表1 稀土實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chem ical compositons of the RE-tested steels(w/%)

表2 稀土在鋼中的存在形式及其含量(w/%)Table 2 Existed status and the ir content of RE in the stee ls(w/%)

圖1 模擬工業(yè)大氣環(huán)境(0.01 mol/L NaHSO3)的周浸腐蝕速率Fig.1 Cycle immersion corrosion rate in simulated industrical atmosphere environment(0.01 mol/L NaHSO3)

圖2 模擬海洋大氣環(huán)境(0.3 mol/L NaCl)的周浸腐蝕速率Fig.2 Cycle immersion corrosion rate in simulated oceanic atmosphere environment(0.3 mol/L NaCl)

另外,研究了0.12%RE鋼與工業(yè)上廣泛應(yīng)用的專(zhuān)用耐候鋼Cor-ten B(國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)鋼帶,成分:0.08C-0.42Mn-0.015P-0.008S-0.22Cu-0.6Cr-0.22Ni)在模擬海洋大氣腐蝕環(huán)境條件下的周浸腐蝕速率差異,見(jiàn)圖3。值得注意的是,在稀土含量足夠高的情況下,即使利用單一稀土處理,實(shí)驗(yàn)鋼可表現(xiàn)出優(yōu)于工業(yè)生產(chǎn)的專(zhuān)用耐候鋼的耐腐蝕性能。

圖3 0.12%稀土實(shí)驗(yàn)鋼與Cor-ten B耐候鋼在0.3 mol/L NaCl溶液中的周浸加速腐蝕實(shí)驗(yàn)比較Fig.3 Cycle immersion corrosion rate contrast between 0.12REsteel and weather-resisting steel Cor-ten B in 0.3 mol/L NaCl

使用SEM觀察0.12%RE實(shí)驗(yàn)鋼銹層的分布狀態(tài),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,銹層最外層中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)稀土元素,稀土存在于內(nèi)銹層中,且在內(nèi)銹層中的分布不均勻。圖4和圖5的SEM照片和EDS譜分析結(jié)果表明,稀土以氧化物或硫氧化合物的形式存在于內(nèi)銹層中。

圖4 0.12%RE鋼在模擬工業(yè)大氣環(huán)境周浸腐蝕后稀土在銹層中的SEM照片(a)和EDS譜(b)Fig.4 SEMmicrograph(a)and EDS spectrum(b)ofREparticles in rust layer after cycle immersion corrosion in simulated industrical atmosphere envirnment(0.01 mol/L NaHSO3)

圖5 0.12%RE鋼在模擬海洋大氣環(huán)境周浸腐蝕后稀土在銹層中的SEM照片(a)和EDS譜(b)Fig.5 SEMmicrograph(a)and EDS spectrum(b)ofREparticlesin rust layer after cycle immersion corrosion rate in simulated oceanic atmosphere(0.3 mol/L NaCl)for 0.12%REsteel

圖6、圖7的極化曲線試驗(yàn)結(jié)果表明,稀土離子在酸性NaHSO3溶液中是一種混和型緩蝕劑,在中性的NaCl溶液中是一種陰極沉淀型緩蝕劑,稀土離子對(duì)鋼鐵材料在腐蝕介質(zhì)中具有非常好的緩蝕效果。

圖6 在含有不同CeCl3·7H2O濃度的0.01 mol/L NaHSO3溶液中碳素鋼的極化曲線Fig.6 Polarization curves of sample in 0.01 mol/L NaHSO3solution containing differentmass concentration of CeCl3·7H2O

針對(duì)稀土提高鋼鐵材料耐蝕性的機(jī)理問(wèn)題研究較多,但爭(zhēng)論較大[2-5],目前尚無(wú)明確的結(jié)論。通過(guò)本課

圖7 在含有不同CeCl3·7H2O濃度的0.1 mol/L NaCl溶液中碳素鋼的極化曲線Fig.7 Polarization curves of sample in 0.1 mol/L NaCl solutioncontaining differentmass concentration of CeCl3·7H2O

題的研究發(fā)現(xiàn),稀土在鋼中首先和O,S結(jié)合,剩余的稀土將以固溶稀土、稀土/鐵金屬間化合物等形式存在于鋼中,而稀土硫化物、固溶稀土、稀土/鐵金屬間化合物的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,易溶解于腐蝕介質(zhì)中[6]。在大氣腐蝕特定的薄液膜情況下,腐蝕微電池的陰極部分pH值較高,溶解于腐蝕介質(zhì)中的稀土離子將會(huì)在陰極部分發(fā)生如下沉淀反應(yīng),從而減緩腐蝕的進(jìn)行:

稀土的XRD相分析結(jié)果表明,各實(shí)驗(yàn)鋼中幾乎沒(méi)有稀土氧化物(<0.005),但SEM觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn),在內(nèi)銹層中存在稀土氧化物,因此,這部分稀土氧化物是由鋼中的稀土硫化物、稀土/鐵金屬間化合物或固溶稀土在腐蝕介質(zhì)中溶解然后又在pH值較高的陰極區(qū)沉積而形成的。

磷對(duì)耐候性的影響以及細(xì)晶化對(duì)冷脆的改善

眾所周知,P元素儲(chǔ)量豐富、經(jīng)濟(jì)廉價(jià),且P作為鋼鐵材料生產(chǎn)的合金化元素具有顯著的固溶強(qiáng)化作用和改善耐大氣腐蝕作用等。然而,P元素在鋼鐵材料中的晶界偏聚現(xiàn)象嚴(yán)重,易導(dǎo)致冷脆,從而制約了P在鋼鐵材料中的廣泛應(yīng)用。本研究充分利用973一期項(xiàng)目中已經(jīng)取得的晶粒細(xì)化和超細(xì)化控制成果,通過(guò)鋼鐵材料的細(xì)晶化控制,改善P的偏聚問(wèn)題,利用組織細(xì)化控制同時(shí)改善鋼的強(qiáng)度、韌性和耐大氣腐蝕性能。

在實(shí)驗(yàn)室利用非真空感應(yīng)爐冶煉了基本成分為0.15C-0.5Mn-0.01S-0.025Als,但P含量不同(0.008 7%,0.03%,0.073%和0.122%)的實(shí)驗(yàn)鋼4爐。實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)鍛造后,采用不同控軋工藝和熱處理方法手段,制備成晶粒尺寸不同的6 mm厚鋼板,然后進(jìn)行組織分析、力學(xué)性能分析和周浸加速腐蝕實(shí)驗(yàn)研究。

圖8為不同P含量實(shí)驗(yàn)鋼(晶粒尺寸4μm)的周浸腐蝕速率圖。從圖中可以看出,隨著P含量的增加實(shí)驗(yàn)鋼的耐蝕性增加。

圖8 不同P含量實(shí)驗(yàn)鋼在0.01 mol/L NaHSO3溶液中的周浸腐蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.8 Cycle immersion corrosion rate in 0.01 mol/L NaHSO3for tested steelswith different P content

圖9為利用俄歇電子譜儀所測(cè)試的P在晶界上的偏聚濃度隨晶粒尺寸的變化關(guān)系,由圖可見(jiàn),隨晶粒尺寸減小,P在晶界上的偏聚濃度也大幅度降低。

圖9 晶粒尺寸對(duì)P在晶界偏聚濃度的影響Fig.9 Effects of grain size on P concentration in grain boundary

圖10為晶粒尺寸對(duì)0.122%P實(shí)驗(yàn)鋼CVN(Charpy V Notch)沖擊曲線的影響。圖11為P含量和晶粒尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度(Ductile-to-Brittle Transition Temperature,DBTT)的影響。從圖10可以看出,對(duì)高P鋼(0.122%P)來(lái)說(shuō),晶粒尺寸對(duì)夏比沖擊韌性的上平臺(tái)值影響不大。從圖11看出,隨晶粒細(xì)化,鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度顯著降低,也就是說(shuō),即使在高P含量情況下,如果將鋼的組織細(xì)化至4μm水平,材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可下降到-80℃。另外,隨鋼中P含量增加,材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。然而,即使在P含量較低的情況下,如果鋼的組織過(guò)粗,材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度依然很高。由此可見(jiàn),P對(duì)韌性的有害作用可以通過(guò)晶粒細(xì)化得到有效改善。

圖10 晶粒尺寸對(duì)0.122%P鋼CVN沖擊曲線的影響Fig.10 CVN impect curve of0.122%P steelwith different ferrite grain size

圖11 P含量和晶粒尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響Fig.11 Effects of P content and ferrite grain size on DBTT

細(xì)晶化對(duì)耐蝕性的影響

晶粒細(xì)化可以顯著改善鋼的強(qiáng)度和低溫韌性,但晶粒細(xì)化也可導(dǎo)致晶界面積增加、晶界P含量降低。這些復(fù)雜因素如何影響鋼的耐腐蝕性能也是本研究中所關(guān)注的主要問(wèn)題。

圖12為不同晶粒尺寸碳素鋼試樣的周浸加速腐蝕試驗(yàn)平均腐蝕速率曲線,可見(jiàn)晶粒尺寸從50μm減小到4μm,在模擬工業(yè)大氣環(huán)境條件下,鋼的耐腐蝕性能逐漸提高。

圖12 不同晶粒尺寸的碳素鋼的周浸腐蝕曲線Fig.12 Cyclic immersion corrosion rate of plain carbon steelswith different grain size

圖13為碳素鋼周浸加速腐蝕實(shí)驗(yàn)3 d后試樣銹層橫截面的SEM照片,可見(jiàn)晶粒尺寸為50μm的試樣銹層較為疏松,有較多的裂紋和孔洞,而晶粒較細(xì)的試樣其銹層較為致密,裂紋和孔洞明顯少于晶粒較粗的試樣。

圖13 不同晶粒尺寸碳素鋼周浸加速腐蝕3 d銹層橫截面的SEM照片:(a)50μm,(b)8μm,(c)4μmFig.13 Cross sectional SEMmicrographs of rust layer after cycle immersion corroding for 3 d for plain carbon steels with different grain size:(a)50μm,(b)8μm,and(c)4μm

圖14為不同晶粒尺寸的超低碳IF鋼試樣的周浸加速腐蝕試驗(yàn)平均腐蝕速率曲線,由圖可見(jiàn),晶粒尺寸從98μm減小到15μm,實(shí)驗(yàn)鋼的耐大氣腐蝕性能逐漸提高,但晶粒尺寸達(dá)到220μm時(shí),耐腐蝕性能反而改善。

圖15為苦味酸腐蝕60 min后試樣的原子力顯微鏡(AFM)三維照片。晶粒尺寸為15μm的試驗(yàn)鋼其Rmax(粗糙表面的最高峰與最低谷之間的高度差)為150 nm,晶界最深處約為70 nm,晶粒尺寸為220μm的實(shí)驗(yàn)鋼其Rmax為497 nm,晶界最深處約為340 nm,可見(jiàn)粗晶實(shí)驗(yàn)鋼晶界的局部腐蝕更為嚴(yán)重。

圖14 晶粒尺寸對(duì)IF鋼周浸腐蝕速率的影響Fig.14 Effect of grain size on cyclic immersion corrosion rate for IF steelswith different grain size

圖15 苦味酸腐蝕60 min后不同晶粒尺寸IF鋼試樣的AFM照片:(a)15μm,(b)220μmFig.15 AF M Imagesof IF steelof15 and 220μm in grain size corrodedby picric acid for 60 min:(a)15μm and(b)220μm

晶界的冶金特性與晶粒有著顯著的不同,部分文獻(xiàn)[7-12]也報(bào)道了晶粒尺寸對(duì)金屬材料耐腐蝕性能的影響規(guī)律。無(wú)論是氫去極化腐蝕還是氧去極化腐蝕,陰極/陽(yáng)極面積比值k的增加均會(huì)加劇作為陽(yáng)極體的金屬的腐蝕速度。晶粒尺寸的增加將導(dǎo)致k有所增加,而k值較大的陽(yáng)極將遭受更為嚴(yán)重的局部腐蝕。在腐蝕環(huán)境相同以及晶界-晶粒間存在電位差的情況下,相對(duì)于晶粒尺寸較大的試樣而言,晶粒尺寸較小的試樣其k值較小,在遭受腐蝕時(shí)其晶界所承受的局部陽(yáng)極腐蝕電流密度要小,因此腐蝕均勻性要好,形成較深裂紋和孔洞的幾率較小,這將大大提高銹層的致密性,從而提高其耐大氣腐蝕性能。但是晶粒尺寸增大到220μm時(shí),因?yàn)榫Ы绲目偯娣e大為減少,雖然晶界的局部腐蝕更為嚴(yán)重,但是局部腐蝕區(qū)域的減少使得銹層的整體保護(hù)性提高,因此其耐候性反而得到了提高。

5 細(xì)晶P-RE復(fù)合經(jīng)濟(jì)型耐候鋼的開(kāi)發(fā)

5.1 P-RE復(fù)合鋼耐腐蝕性能

結(jié)合P,RE和組織細(xì)化等諸因素對(duì)改善鋼鐵材料的強(qiáng)度、韌性和耐大氣腐蝕性能的優(yōu)異效果,作者集成上述各項(xiàng)理論與技術(shù),開(kāi)發(fā)P-RE復(fù)合細(xì)晶粒經(jīng)濟(jì)型耐候鋼的技術(shù)思路。

實(shí)驗(yàn)室冶煉了0.13%P+不同RE含量的實(shí)驗(yàn)鋼3爐。圖16為普通碳素鋼、高P鋼和高P+不同RE含量鋼的周浸腐蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果。由圖可見(jiàn),在高磷鋼中添加RE可以大幅度提高其耐蝕性。值得注意的是,在P-RE復(fù)合處理鋼中,RE含量增加可進(jìn)一步提高鋼的耐腐蝕性能,但改善作用很小,0.128%P+0.026%RE便可以獲得足夠優(yōu)異的耐腐蝕性能,這為實(shí)驗(yàn)鋼的工業(yè)化推廣提供了有益的信息。表3為實(shí)驗(yàn)鋼銹層X(jué)RD分析的相組成的相對(duì)含量,可見(jiàn)采用P-RE復(fù)合合金化后,銹層中穩(wěn)定的α-FeOOH相含量增加。

圖16 不同合金化設(shè)計(jì)鋼的周浸腐蝕性能對(duì)比Fig.16 Corrosion rate of different steels after cyclic immersion test in 0.01 mol/L NaHSO3

表3 實(shí)驗(yàn)鋼銹層X(jué)RD分析的相組成的相對(duì)含量(體積百分?jǐn)?shù))Table 3 Phase constitutions analysed by XRD in rust layerof testing steels corroded for 72 h in 0.01 mol/L NaHSO3

5.2 P-RE復(fù)合鋼耐腐蝕性能機(jī)理探討

圖17是0.128P+0.026RE鋼在去離子水薄液膜下腐蝕16 min后的夾雜物的SEM照片(a)和EDS譜(b)。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)去離子水薄液膜腐蝕后,夾雜物處有P,RE的富集。

有關(guān)RE改善耐腐蝕性的作用機(jī)理前述中進(jìn)行了分析,P-RE復(fù)合協(xié)同改善耐腐蝕性的機(jī)理還有待探討。

圖17 P-RE復(fù)合鋼中夾雜物的SEM照片(a)和EDS譜(b)Fig.17 SEMmicrograph(a)and EDS spectrum(b)of inclusion in P-REcomposite steel

作者研究了碳鋼在含不同濃度PO43-的NaHSO3溶液中的極化曲線(圖18),可見(jiàn)PO43-離子對(duì)碳鋼的陰極及陽(yáng)極均有阻礙作用,為混合型緩蝕劑。

圖18 碳素鋼在含不同濃度PO43-的0.01 mol/L NaHSO3溶液中的極化曲線Fig.18 Polarization curvesof carbon steel in 0.01 mol/L NaHSO3solution containing differentmass concentration of PO43-

RE硫化物、固溶稀土、RE/Fe金屬間化合物在腐蝕介質(zhì)中均不穩(wěn)定,它們腐蝕分解后將釋放出Ce3+和La3+離子。釋放出的RE離子以氧化物或氫氧化物形式沉淀在pH值相對(duì)較高的陰極區(qū)域,對(duì)陰極及陽(yáng)極的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)均產(chǎn)生阻礙作用,減緩了腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行。P在干濕交替的環(huán)境中,與H2O,O2發(fā)生以下反應(yīng),在基體附近的液膜中生成H3PO4,H3PO4能與基體表面的Fe原子按下式發(fā)生反應(yīng):

生成的Fe(H2PO4)2并不穩(wěn)定,易發(fā)生分解或被氧化生成不溶性的F鹽Fe3(PO4)2、FeHPO4和FePO4:

腐蝕過(guò)程中,Fe3(PO4)2,FeHPO4和FePO4在陽(yáng)極溶解處的富集,阻礙陽(yáng)極區(qū)的進(jìn)一步腐蝕。P-RE復(fù)合對(duì)腐蝕反應(yīng)的陽(yáng)極以及陰極反應(yīng)均有很好的抑制作用,促進(jìn)均勻腐蝕,使得基體表面微區(qū)pH值保持在弱酸性,促進(jìn)穩(wěn)定銹層組織α-FeOOH銹層的生成。

. -復(fù)合超細(xì)晶粒鋼的力學(xué)性能

以P-RE復(fù)合超細(xì)晶粒鋼為研發(fā)目標(biāo),在實(shí)驗(yàn)室冶煉試驗(yàn)鋼1爐,成分為C0.07,Si0.19,Mn0.54,P0.128,S0.007,Nb0.04,RE0.026(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。通過(guò)采用變形誘導(dǎo)鐵素體相變理論和技術(shù),在實(shí)驗(yàn)室控軋獲得了晶粒尺寸為3.0～4.0μm的超細(xì)晶粒鋼板。圖19為實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的超細(xì)晶P-RE復(fù)合經(jīng)濟(jì)型耐候鋼的沖擊值與溫度的關(guān)系曲線,可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)鋼雖然含有較高的P,但晶粒細(xì)化后該鋼仍具有較好的韌性。另外,實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度為520 MPa,抗拉強(qiáng)度為620 MPa,延伸率27%,可見(jiàn)該鋼具有良好的綜合機(jī)械性能。

圖19 P-RE復(fù)合超細(xì)晶耐候鋼的CVN沖擊曲線Fig.19 CVN impact curve forREweather-resisting steel

結(jié) 論

(1)在普通碳鋼中添加稀土有提高鋼的耐大氣腐蝕性能的作用。添加0.12%Ce的稀土實(shí)驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能顯著優(yōu)于Cor-ten B耐候鋼。

(2)稀土在鋼中以稀土硫化物,稀土氧化物和RE/Fe金屬化合物的形式存在,剩余稀土固溶于鋼中。

(3)通過(guò)稀土鋼的組織細(xì)化控制,可以改善由于P在晶界偏聚導(dǎo)致的冷脆而顯著提高普通碳鋼的沖擊韌性和其他力學(xué)性能。

(4)開(kāi)發(fā)了添加0.13%P+0.15%RE的超細(xì)晶PRE復(fù)合鋼,其耐大氣腐蝕的性能比普通碳鋼大幅提高,且具有良好的綜合機(jī)械性能,其Rp0.2=520 MPa,Rm=620 MPa,A=27%。

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Theory and Technology of Ultra fine Grained Weathering Steel with Pand RE Combined Addition

LIU Qingyou1,QU Peng2,MAO Xinping3,WANG Xiangdong1,WANG Bing1,CHEN Xiaoping1,J IA Shujun1,WENG Yuqing1

(1.Central Iron and Steel Reserch Institute,Beijing 100081,China)
(2.Benxi Iron and Steel Corporation,Benxi 117000,China)
(3.Guangzhou Iron and Steel Enterprises Group,Guangzhou 510380,China)

In this paper,the progress and conclusions of this program will be introduced.P and Rare-Earth elements are known to be low cost and be able to improve weathering properties of steel materials obviously.However,the cold brittleness due to high P made P bearing steel difficult to be commercialized.It was found that the bottleneck of high P steel could be broken through by grain refinement,especially ultra refinement.Meanwhile,the research results showed that the grain refinement and ultra refinement is beneficial to weathering properties,which suggested that ultra-fine grained steel with high P has a potential in developing low cost weathering steel.On the other hand,the mechanism of that RE improves weathering properties has been revealed.It was found that RE enhances weathering properties by RE compound hydrolyzing,and then deposition in high PH value cathode,as a result,retards corrosion going on.Based on these research results,a new ultra fine grained and P-RE combining added weathering steel with high strength and toughness,especially excellent anti-corrosion properties similar to Cor-ten Bsteel has been developed in lab.

rare-earth;fine grain;high strength;weathering steel

TG142.31

A

1674-3962(2010)09-0046-08

2009-09-27

973國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(2004cb619101)通信作者:劉清友,男,1965年生,教授,博士生導(dǎo)師