鎳含量對高強(qiáng)耐候鋼組織與性能的影響

王俊山，史培陽，劉承軍，姜茂發(fā)

(1.東北大學(xué) 多金屬共生礦生態(tài)化利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110004；2.鞍鋼集團(tuán)公司，遼寧 鞍山 114014)

耐候鋼作為一種低合金結(jié)構(gòu)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(yōu)良的力學(xué)、焊接等綜合性能而備受關(guān)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(shí)合金元素的加入，不僅可以使材料的組織發(fā)生改變，還可以使其性能得到提高[5～9].關(guān)于鎳在耐候鋼中合金化作用的研究文獻(xiàn)較少，系統(tǒng)研究鎳在高強(qiáng)耐候鋼中的作用對于高強(qiáng)耐候鋼的研發(fā)具有重要意義.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)鋼的制備

在國內(nèi)某鋼廠10 kg真空感應(yīng)爐上冶煉6 kg左右的實(shí)驗(yàn)鋼，其主要化學(xué)成分見表1.

表1 耐候鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 耐候鋼的軋制

實(shí)驗(yàn)鋼在東北大學(xué)的試驗(yàn)軋機(jī)上軋制，并且在現(xiàn)有設(shè)備能力條件下，所有實(shí)驗(yàn)鋼錠分五次進(jìn)行軋制試驗(yàn).加熱溫度為1 230～1 260 ℃，達(dá)到設(shè)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(jīng)線切割成10 mm×10 mm試樣,經(jīng)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(yàn)機(jī)測試

按照國標(biāo)GB/T228-2002要求，采用等比例試樣，標(biāo)距L0=50 mm，在CMT5105萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了拉伸試驗(yàn).

(3)干濕交替加速腐蝕試驗(yàn)測試

周期加速腐蝕實(shí)驗(yàn)方法按TB/T2375-1993執(zhí)行，加速腐蝕實(shí)驗(yàn)儀器為YWX/Q-150型周期浸蝕試驗(yàn)機(jī)，浸潤溶液為0.1 mol·L-1的NaHSO3溶液，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為96 h，溶液溫度為45 ℃，pH值4.4～4.8，儀器內(nèi)相對濕度為70%，干濕周期比例為48∶12，平行實(shí)驗(yàn)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(xué)分析

實(shí)驗(yàn)儀器采用瑞士萬通公司Autolab電化學(xué)分析儀，電化學(xué)測試過程在電解池中進(jìn)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(jìn)行極化曲線和阻抗圖譜測定，試驗(yàn)溶液為0.1 mol·L-1的Na2SO4溶液，測試前浸泡0.5 h.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和延伸率變化.從圖中可以看出，隨著Ni含量的增加，實(shí)驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均和延伸率呈逐漸升高的趨勢，當(dāng)w(Ni)大于0.43%時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和延伸率升高幅度相對較小.

圖2 不同鎳含量條件下實(shí)驗(yàn)鋼的性能Fig.2 Properties of the steel with different nickel content

圖3為環(huán)境介質(zhì)NaHSO3的濃度為0.1 mol·L-1、浸潤時(shí)間為96 h，干濕時(shí)間比例為48∶12，不同鎳含量條件下實(shí)驗(yàn)鋼在周期浸潤腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)的腐蝕速率變化規(guī)律.從圖3中可以看出，隨著Ni含量的升高，實(shí)驗(yàn)鋼的腐蝕速率逐漸降低，當(dāng)Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23%時(shí)，其平均腐蝕速率為2.2g·m-2·h-1，而鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.6%時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)鋼的電化學(xué)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(shí)驗(yàn)鋼在溶液中的極化阻力，反而使極化電阻減小，造成了本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)鋼的電化學(xué)特征曲線Fig.4 Electrochemical characteristic curves of the steel with different nickel content

3 結(jié) 論

(1)不同鎳含量的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率呈逐漸升高的趨勢，當(dāng)Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.43%時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)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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