耐候钢综述【研究特选】

1、耐候钢综述,1,行业实操,主要内容,为什么研究耐候钢 什么是耐候钢 耐候钢的发展历程 耐候钢的种类及化学成分 耐候钢组织、性能、夹杂物 耐候钢的应用领域 合金元素对耐候钢性能的影响 耐候性能评估 耐候钢研究 耐候钢生产关注点,2,行业实操,一、为什么研究耐候钢 金属腐蚀现象遍及国民经济和国防建设各个领域，危害十分严重。椐统计，材料因大气腐蚀所造成的经济损失约占总腐蚀损失的50，给国民经济造成重大损失。 据工业发达国家统计，每年由于钢结构腐蚀造成的经济损失，占国民经济生产总值的2%4%；目前，全世界因钢结构腐蚀造成的经济损失达数万亿美元。 为了解决钢材在大气中的腐蚀问题，开展了耐候钢的研究。,3

2、,行业实操,另外，耐候钢在使用过程中可以省掉对环境造成污染的酸洗、镀锌工序，减少使用过程中对环境造成的危害,实现绿色生产。,4,行业实操,二、什么是耐候钢,GB/T4171-2008标准中对耐候钢的定义是： 通过添加少量的合金元素如：Cu、P、Cr、Ni等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高耐大气腐蚀性能的钢。 耐候钢耐大气腐蚀钢 因使用环境不同（通常分为乡村、工业及海洋性大气环境），耐蚀性有差异。耐候钢有三种使用方法：裸露使用、涂装使用、锈层稳定化处理后使用。 耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的28 倍,并且使用时间愈长,耐蚀作用愈突出。,5,行业实操,三、耐候钢发展历程,表1 耐候钢

3、的发展历程 年 记述 1900 美国开始了含铜钢早期耐候钢的研究和开发 1933 美国U. S. Steel 公司推出Coxten2A 型低合金耐候钢 1955 日本开发耐候钢 1959 美国开始使用裸耐候钢 1961 中国开始试制16 MnCu 钢 1965 中国试制出09CuPTi 薄钢板 日本建成第一座耐候钢大桥(涂漆) 1967 中国首次用于试验车辆 日本建成第一座裸耐候钢桥(知多2 号桥) 1968 日本制定J IS 63114“焊接构造用耐候性热轧钢材”,即SMA 钢材标准化 1969 德国开始使用裸耐候钢 1972 英国开始使用裸耐候钢 1980 日本建成第三大川桥(最初用于桥梁

4、的桁架) 1983 日本制定出将Smaoop 作为涂装用耐候钢 Smaoow 作为不涂装用耐候钢的it s 标准用于志染川桥(11 型钢架) 1984 中国制定高耐候性结构钢国家标准 1988 中国初步试制出NH235q 桥用耐候钢 1990 中国建成国内第一座裸耐候钢桥 1999 中国试制出J T 系列塔桅高耐候性结构钢,6,行业实操,四、耐候钢的种类及成分,国家标准GB/T4171-2008将耐候钢分为两类,即：高耐候钢和焊接耐候钢。 命名方法 高耐候钢：屈服强度拼音首字母Q+屈服强度级别+GNH（高耐候）+质量等级。 例如：Q295GNHB 焊接耐候钢：屈服强度拼音首字母Q+屈服强度级别

5、+NH（耐候）+质量等级。 例如：Q355NHC,7,行业实操,高耐候钢的成分特点,高耐候钢耐腐蚀元素以P、Cu、Cr、Ni配合，达到较高的耐蚀性能，尤其在海洋性大气环境下耐蚀性更有效，其耐蚀性能优于焊接耐候钢，但对于要求焊接性能较高的场合不太适用。,焊接耐候钢的成分特点,焊接耐候钢耐腐蚀元素以Cu、Cr、Ni配合，达到较高的耐蚀性能，适用于陆地大气环境，其耐蚀性能和焊接性能优良。,8,行业实操,高耐候钢的牌号和化学成分,a为改善钢的性能可添加一种或一种以上微量合金元素:Nb 0.0150.060%，V 0.020.12%，Ti0.020.10%,Al0.020%。若上述元素组合使用时，应至少

6、保证一种元素的含量达到上述化学成分的下限规定。 b可以添加系列合金元素：Mo0.30%，Zr0.15%,9,行业实操,焊接耐候钢牌号及成分,a 为改善钢的性能可添加一种或一种以上微量合金元素:Nb 0.0150.060%，V 0.020.12%，Ti0.020.10%,Al0.020%。若上述元素组合使用时，应至少保证一种元素的含量达到上述化学成分的下限规定。 b 可以添加系列合金元素：Mo0.30%，Zr0.15% c Nb、V、Ti等三种合金元素的添加总量不应超过0.22%,10,行业实操,五、耐候钢的性能及组织等,耐候钢力学性能满足下表要求,11,行业实操,冲击性能满足下表要求,耐候钢组

7、织,钢材的金相组织应为铁素体+ 珠光体。晶粒度不小于7 级，晶粒度的不均匀性在三个相邻级别范围内。,12,行业实操,非金属夹杂物要求,13,行业实操,六、耐候钢应用领域,耐候钢可以轧成热或冷板卷、型材、线材甚至管材，根据使用情况，耐候钢可分为结构用耐候钢和焊接结构用耐候钢。前者主要用于非焊接或焊接要求不高的结构件中，具有优良的耐大气腐蚀性能，以CuP系为主，其中P含量在007-015之间，由于含P量高， 所以这类钢的屈服强度一般在345MPa以下，板厚一般不超过16mm，美国的ASTMA242系列和日本JIS中的SPA系列耐候钢均属此类。焊接结构用耐候钢，主要用于大型焊接结构中，以CuCr-N

8、i系为主，含P量在004以下，具有优良的焊接性能和低温韧性，应用十 分广泛，如已有美国的ASTMA588和A514系列、日本的JIS SMA系列耐侯钢等型号。,14,行业实操,耐候钢的应用领域具体有：,各种车辆,15,行业实操,铁路设施、铁路公路钢桥,16,行业实操,集装箱,17,行业实操,（矿山）机械设备,18,行业实操,换热器 煤、泥、灰等输送管线,建筑,19,行业实操,脱硫设备,通讯、电力铁塔,烟囱,20,行业实操,七、合金元素对耐候性能的影响,与普通碳素钢相比,耐候钢具有良好的抗大气腐蚀能力。这是因为合金元素起到了降低锈层的导电性能、阻碍腐蚀产物快速生长等作用。耐蚀特点表现为经长期使用

9、后才呈现出显著的耐蚀效果。可提高钢的耐大气腐蚀性能的合金元素应满足以下条件: 在铁中的溶解度大于在锈层中的溶解度; 可以与铁形成固溶体; 可提高钢的电位。研究结果表明,耐候钢中加入的合金元素对其耐大气腐蚀性能的影响不尽相同。,碳 碳元素对钢的耐大气腐蚀不利,同时碳对钢的 焊接性能、冷脆性能和冲压性能有影响。通常,耐候 钢中碳的质量分数被控制在0.12 %以下。,铜和硫 当钢中加入w(Cu) = 0.2 %0.4 %时,无论在乡,村大气、工业大气或海洋大气中,都比普通碳素钢的 耐蚀性能优越。值得注意的是,铜抵消钢中硫的有 害作用的效果很明显,其作用特点是,钢中硫含量愈 高,铜降低腐蚀速率的相对效

10、果愈显著。这是因为 铜与硫生成了难溶硫化物。,21,行业实操,磷 磷是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的合金元素 之一。磷在钢中能均匀溶解,有助于在钢表面形成 致密的保护膜,使其内部不被大气腐蚀。通常钢中 w ( P) = 0.08 %0.15 %时,其耐蚀性最佳。,铬能在钢表面形成致密的氧化膜,提高钢的 钝化能力,使锈层生长速度减慢。通常,耐候钢中 w (Cr) = 0.4 %1.0 %(最高1.3 %) 。当铬和铜同时加入时,效果尤为明显。,铬,镍 镍是一种比较稳定的元素,加入镍能使钢的自 腐蚀电位向正方向变化,增加了钢的稳定性。大气 暴露试验结果表明, w (Ni) 4 %时,能显著提高海 滨

11、耐候钢的抗大气腐蚀性能。,22,行业实操,钙 研究结果表明, 耐候钢中加入微量钙不仅可以 显著改善钢的整体耐大气腐蚀性能,而且可以有效 避免耐候钢使用时出现的锈液流挂现象。钢中加入 微量钙可形成CaO 和CaS 溶解于钢表面的电解液 薄膜中,使腐蚀界面碱性增加,降低其侵蚀性,促进 锈层转化呈致密、保护性好的2FeOO H (羟基氧化铁）相。,锰 目前,锰对耐蚀性的影响认识不统一,大多数 学者认为,锰能提高钢对海洋大气的耐蚀性,但对 在工业大气中的耐蚀性几乎无影响。通常,耐候钢 中w (Mn) = 0.5 %2.0 %。,23,行业实操,钼 钢中w (Mo) = 0.4 %0.5 %时,在大气腐

12、蚀环 境下(尤其是在工业大气中) , 其腐蚀速率可降低 50 %以上。,稀土元素 稀土元素(RE ) 是不含铬、镍耐候钢的添加元素 之一。通常稀土元素的加入量小于或等于0.2 %(质 量分数) 。稀土元素是极其活泼的元素,是很强的脱 氧剂和脱硫剂,主要对钢起净化作用。稀土元素可细 化晶粒,改变钢中夹杂物的状态,减少有害夹杂物的 数量,降低腐蚀源点,从而提高钢的抗大气腐蚀性能。,24,行业实操,八、低合金钢耐候性评估,耐大气腐蚀指数（I）计算公式：,适用范围：,Cu：0.0120.51% Ni：0.051.1% Cr：0.101.3% Si：0.100.64% P：0.010.12%,指数（I）

13、越大耐候性越好；ASTM相关标准中要求按该公式计算的耐候指数为6.0或6.0以上。,25,行业实操,九、耐候钢研究,1.对钢中磷的再在认识,通常对钢中的磷认为是有害的：提高钢的脆性转化温度、降低冲击韧性、恶化焊接性能等。 随着含磷高强钢板在汽车上的应用，开始对钢中磷的作用进行重新认识；磷在钢中通常以置换固溶形式存在，其固溶强化效果七倍于硅，十倍于锰，在低碳钢中每增加0.01%的磷，屈服强度提高4.15.5MPa。 在碳含量较低钢（0.0030.02%）中，磷含量增加还会使塑性、韧性增加，脆性转变温度降低。或者说磷的有害作用是磷与碳相互作用的结果，当碳含量很低时，磷便不再是有害元素；至于磷和碳如

14、何作用，有待进一步研究。 造成含磷钢脆性增加的另一方面原因是磷的偏析，采取冶金措施，降低磷的偏析，也会使钢的脆性降低。,对磷在钢中作用的再认识,26,行业实操,2.耐候性对比,注：“树林”为乡村大气环境；“中山”为海洋性或工业大气环境 Weight Loss-重量损失（失重）单位：毫克/平方厘米；Test period-试验阶段，单位：年,27,行业实操,一般钢材长期暴露在大气中，腐蚀失重C与暴露时间t满足下列关系式:,A、B为常数 上式可写作：,28,行业实操,-,29,行业实操,十、耐候钢生产关注点,1.避免连铸漏钢及铸坯表面裂纹 由于耐候钢中含有较高的Cu, P, Ni等元素，这些元素在

15、结晶过程中易使钢的晶界脆化，使得钢的高温塑性非常低，容易引起漏钢事故，因此连铸拉速不能太快。 耐候钢的碳处于亚包晶范围内，容易引起裂纹产生。同时耐候钢中还含有较高的Cu, P, Ni等元素，这些元素在结晶过程中易使钢的晶界脆化，如果在连铸过程中采用强冷，导致该钢种在冷却过程中的热应力和组织应力较大，容易使裂纹发生扩展，而冷却太弱，由容易引起P偏析，导致铸坯产生内裂。因此该钢种在连铸时应注意冷却强度。,30,行业实操,2.关注铸坯加热,由于Cu在热加工时容易产生热脆，在铸坯表面形成网裂，从而形成钢材的表面缺陷；同时耐候钢的板坯在加热炉内加热时，会产生很粘的氧化铁皮，如果在轧制时不能去除，就会残留在钢材表面，造成氧化铁皮压入缺陷。 含Cu钢加热应采取高温、快烧加热制度，在保证钢坯加热质量的前提下，尽可能缩