耐候鋼是指通過添加少量合金元素（如Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti、Re等）使鋼的耐大氣腐蝕性獲得明顯改善,耐候鋼屬于低合金高強(qiáng)度鋼。耐候鋼表面形成的保護(hù)性銹層可以有效阻止腐蝕性介質(zhì)的滲入和傳輸,其耐大氣腐蝕的能力為普通碳素鋼的2~8倍,涂裝性可提高1.5~10倍,廣泛用于制造車輛、橋梁、塔架、集裝箱等鋼結(jié)構(gòu)中。與不銹鋼相比,耐候鋼只含有微量的合金元素,價(jià)格比不銹鋼低。耐候鋼在國外發(fā)展較早,美國自1933年開始研發(fā)了一系列耐候鋼產(chǎn)品,主要用于橋梁的建造[1]。GB/T 4171—2008《耐候結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)Q355GNH鋼的力學(xué)性能要求如表1所示（表中b為彎心直徑）。 

1.   試驗(yàn)方案

1.1   試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

耐候鋼較普碳鋼具有良好的耐大氣腐蝕能力,其中合金元素起到了決定性作用,包括：降低銹層的導(dǎo)電性能,可以自身沉淀并覆蓋鋼表面；影響銹層中物相結(jié)構(gòu)和種類,阻礙銹層的生長；延緩銹的結(jié)晶過程；加速鋼的均勻溶解過程；加速Fe2+向Fe3+的轉(zhuǎn)化,并能阻礙腐蝕產(chǎn)物的快速生長[2]；合金元素及其化合物會(huì)阻塞裂紋和缺陷。在耐候鋼中加入不同合金元素對(duì)其耐大氣腐蝕性能的影響不完全相同。Cu元素具有優(yōu)越的耐腐蝕性能,Cu元素在鋼的表面及銹層中存在富集現(xiàn)象,可抵消鋼中S元素的有害作用。P元素是提高鋼耐大氣腐蝕性能最有效的合金元素之一,當(dāng)P元素與Cu元素復(fù)合加入鋼中時(shí),顯示出更好的復(fù)合效應(yīng)。Cr元素能在鋼表面形成致密的氧化膜,提高鋼的鈍化能力,當(dāng)Cr元素與Cu元素同時(shí)加入鋼中時(shí),效果尤為明顯。Ni元素是一種比較穩(wěn)定的元素,加入Ni元素能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化,增強(qiáng)鋼的穩(wěn)定性[3],耐候鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所示。 

1.2   熱軋工藝

耐候鋼中含有Cu、P、Cr、Ni等元素,這些元素在一定程度上起到固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用。在保證單相奧氏體區(qū)的情況下,終軋溫度越低,越易獲得細(xì)小的鐵素體[4],性能越強(qiáng)。試驗(yàn)鋼的厚度為3.68 mm,出爐溫度為1 226 ℃,終軋溫度為845 ℃,卷取溫度為552 ℃。 

1.3   精煉路徑

采用冷彎加工Q355GNH耐候鋼時(shí),需要提高其品質(zhì),減少夾雜缺陷,某鋼廠從3爐R精煉模式轉(zhuǎn)2爐R精煉模式,造成R精煉爐生產(chǎn)緊張,為了生產(chǎn)及物流平衡,對(duì)耐候鋼開展R精煉爐轉(zhuǎn)L精煉爐處理,不同精煉路徑下Q355GNH耐候鋼的化學(xué)成分如表3所示。 

R精煉模式的原理如圖1所示。早期R精煉模式的冶金功能以脫氫為主,目前R精煉模式的冶金功能已得到了充分發(fā)展,其主要冶金功能包括：① 脫氫,真空脫氣裝置的脫氣效率很高,對(duì)于完全脫氧的鋼水,其脫氫率可不小于60%,而未完全脫氧鋼水的脫氫率可不小于70%,在一定真空度下,脫氫效率取決于鋼水的循環(huán)次數(shù)；② 脫氮,由于鋼中氮的溶解度是氫的15倍,且硫和氧影響脫氮速率,因此R精煉模式真空脫氣的脫氮效果不明顯,通常效率為0~10%,但在強(qiáng)脫氧、大氬氣流量、確保真空度的條件下,也能使鋼水中的氮減少20%左右；③ 脫氧,在真空條件下,由于碳、氧反應(yīng)非常激烈,產(chǎn)生的CO氣體很快被抽走,故R精煉模式真空脫氣的脫氧效果比較好,一般經(jīng)過R精煉模式真空處理的鋼水,全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)可保持在（2~5）×10−5；④ 脫碳,R精煉模式最主要的功能是脫碳,金屬中的氧和渣中的FeO用于脫碳,經(jīng)過R精煉模式處理,可將鋼中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到2×10−5以下；⑤ 去除夾雜物,采用R精煉模式處理,可使氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.5×10−5,此外,合金收得率比較高,被氧化的合金元素少；⑥ 成分控制精確,合金加料系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確、均勻地將所需合金加入到真空室內(nèi),使鋼中成分控制在非常小的范圍；⑦ 加熱,采用化學(xué)加熱法（如鋁熱法）對(duì)鋼水加熱,能使鋼水的升溫速率超過3.5 ℃/min,滿足后續(xù)精煉處理的需要和連鑄溫度的需求。 

圖  1  R精煉模式的原理示意

L精煉模式就是鋼包合金處理站,具有合金微調(diào)、鋼水升溫及純凈鋼液的功能,L精煉模式處理原理如圖2所示。L精煉模式的作用為：① 提高控制金屬元素的命中率和收得率；② 通過降低廢鋼和底吹氬氣均勻鋼水溫度,使連鑄溫度控制在一個(gè)穩(wěn)定的狹窄范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)溫度均勻化；③ 可節(jié)約合金,轉(zhuǎn)爐鋼水出鋼時(shí),可按中下限控制鋼包鋼水成分,再經(jīng)L精煉模式調(diào)整溫度和成分；④ 鋼水溫度調(diào)整控制；⑤ 鋼水化學(xué)成分調(diào)整控制；⑥ 均勻鋼水成分和溫度、凈化鋼液、去除夾雜物。 

圖  2  L精煉模式處理原理示意

R精煉模式和L精煉模式的差異如表4所示。R精煉模式具備脫氣（脫氫）和脫碳的功能,R精煉模式處理鋼種能滿足連鑄長時(shí)間多爐連澆的需求,精煉周期短。L精煉模式不具備脫氣（脫氫）和脫碳的功能,主要具有成分、溫度控制和凈化鋼水的功能。 

1.4   組織與性能分析

從熱軋后的鋼板上切取金相試樣,沿軋向研磨和拋光試樣,再用體積分?jǐn)?shù)為4％的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2010《金屬材料 拉伸實(shí)驗(yàn) 室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn),沿軋向切取標(biāo)距為50 mm的試樣,在室溫下用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 232—2024《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。夾雜物按GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》的A法進(jìn)行檢測。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1   氮?dú)?、氫氣的控?/span>

依據(jù)GB/T 4171—2008,采用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,R精煉模式和L精煉模式處理后鋼試樣的N元素和H元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表5所示。L精煉模式處理相對(duì)R精煉模式處理來說,氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)略有降低,氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升明顯。氫氣含量高是因?yàn)長精煉處理不能抽真空,不具備脫氫功能。鋼試樣的氫氣含量高對(duì)于其進(jìn)行力學(xué)性能測試結(jié)果沒有影響。 

2.2   力學(xué)性能測試

依據(jù)GB/T 4171—2008截取拉伸試樣,并對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試,結(jié)果如表6所示。由表6可知：R精煉模式轉(zhuǎn)L精煉模式處理后的力學(xué)性能無明顯差異。 

2.3   夾雜物控制

按GB/T 10561—2023的A法進(jìn)行夾雜物檢測,結(jié)果如表7所示。由表7可知：R精煉和L精煉處理純凈度控制得均較好,從整體控制看,R精煉處理比L精煉處理的純凈度控制得更好[5]。 

2.4   金相檢驗(yàn)

制備金相試樣,將試樣磨制拋光,并用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：不同精煉路徑鋼試樣的顯微組織均以鐵素體和珠光體為主。不同精煉路徑鋼試樣的晶粒度均為11級(jí)（見表8）[6]。 

圖  3  不同精煉路徑鋼試樣的顯微組織形貌

3.   結(jié)論

（1） L精煉處理后Q355GNH鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,說明該鋼的R精煉轉(zhuǎn)L精煉處理是可行的。 

（2） R精煉和L精煉處理后鋼試樣的純凈度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且控制水平均較好,從整體控制水平看,R精煉處理比L精煉處理純凈度控制得更好。 

（3） L精煉處理比R精煉處理的N元素含量升高,H元素含量降低,兩種精煉模式下該鋼試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果無明顯差異。 

（4） R精煉和L精煉后Q355GNH鋼的顯微組織均以鐵素體和珠光體為主,晶粒度評(píng)級(jí)均為11級(jí),無明顯差異。

文章來源——材料與測試網(wǎng)