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1、耐候钢综述,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,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。,另外，耐候钢在使用过程中可以省掉对环境造成污染的
2、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。,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。,三、耐候钢发展历程,表1 耐候钢的发展历程 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. S
3、teel 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(
4、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,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+NH（耐候）+质量等级。例如：Q355NHC,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
5、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。,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%,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.
6、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%,五、耐候钢的性能及组织等,耐候钢力学性能满足下表要求,冲击性能满足下表要求,耐候钢组织,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。,非金属夹杂物要求,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
7、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-Ni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。,耐候钢的应用领域具体有：,各种车辆,铁路设施、铁路公路钢桥,集装箱,（矿山）机械设备,换热器 煤、泥、灰等输送管线
8、,建筑,脱硫设备,通讯、电力铁塔,烟囱,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)
9、= 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果愈显著。这是因为铜与硫生成了难溶硫化物。,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
10、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,能显著提高海滨耐候钢的抗大气腐蚀性能。,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
11、,耐候钢中w (Mn) = 0.5 %2.0 %。,钼钢中w (Mo) = 0.4 %0.5 %时,在大气腐蚀环境下(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。,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：0.1
12、01.3%Si：0.100.64%P：0.010.12%,指数（I）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。,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
13、果，当碳含量很低时，磷便不再是有害元素；至于磷和碳如何作用，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,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,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：,-,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，这些元素在结晶过程中易使钢
14、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。,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，尽可能缩短加热时间。含铜钢研究表明10801100是含铜钢产生表面裂纹的危险温度区，含铜钢加热温度应低于1080或高于1100。,3.关注轧材冷却,由于耐候钢添加了提高奥氏体稳定性的Cu、Cr、Ni等合金元素，使钢的连续冷却曲线右移，在常规冷却速度下，增加贝氏体转变的风险。贝氏体组织尤其是上贝氏体组织的出现，会恶化钢材的塑韧性。 我公司2013年耐候钢角钢试轧，也反映了这个问题，金相如下图，伸长率、冲击功也较低。,2016.1.10,
