镍含量对高强耐候钢组织与性能的影响

王俊山，史培阳，刘承军，姜茂发

(1.东北大学 多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室，沈阳 110004；2.鞍钢集团公司，辽宁 鞍山 114014)

耐候钢作为一种低合金结构用钢，因其成本低廉，不仅具有良好的耐大气腐蚀性能，还具有优良的力学、焊接等综合性能而备受关注[1～4].在钢中加入少量的Cu、Cr、Ni等合金元素，可以使其在锈层和基体之间形成一层致密的氧化物膜，阻止大气中氧和水向金属基体渗入，减缓了金属材料的腐蚀倾向，提高了金属材料的耐大气腐蚀能力；同时合金元素的加入，不仅可以使材料的组织发生改变，还可以使其性能得到提高[5～9].关于镍在耐候钢中合金化作用的研究文献较少，系统研究镍在高强耐候钢中的作用对于高强耐候钢的研发具有重要意义.

1 实 验

1.1 实验钢的制备

在国内某钢厂10 kg真空感应炉上冶炼6 kg左右的实验钢，其主要化学成分见表1.

表1 耐候钢的主要化学成分(质量分数)

1.2 耐候钢的轧制

实验钢在东北大学的试验轧机上轧制，并且在现有设备能力条件下，所有实验钢锭分五次进行轧制试验.加热温度为1 230～1 260 ℃，达到设定温度后保温40 min，终轧厚度为6 mm，终轧温度控制在750～800 ℃，终冷温度控制在600～660 ℃.

1.3 分析方法

(1)高分辨率显微镜分析

将轧制后的样品经线切割成10 mm×10 mm试样,经磨制和抛光后，用4%的硝酸酒精溶液浸蚀，在奥林巴斯金相显微镜下观察其组织.

(2)万能试验机测试

按照国标GB/T228-2002要求，采用等比例试样，标距L0=50 mm，在CMT5105万能试验机上进行了拉伸试验.

(3)干湿交替加速腐蚀试验测试

周期加速腐蚀实验方法按TB/T2375-1993执行，加速腐蚀实验仪器为YWX/Q-150型周期浸蚀试验机，浸润溶液为0.1 mol·L-1的NaHSO3溶液，实验时间为96 h，溶液温度为45 ℃，pH值4.4～4.8，仪器内相对湿度为70%，干湿周期比例为48∶12，平行实验三次，试样尺寸为60 mm×40 mm×6 mm，除锈溶液为500 mlHCl+500 ml蒸馏水+10 g六次甲基四胺+4 g苯并三氮唑.

(4)电化学分析

实验仪器采用瑞士万通公司Autolab电化学分析仪，电化学测试过程在电解池中进行，采用三电极体系，即饱和甘汞电极作为参比电极，辅助电极为铂电极，工作电极为430铁素体不锈钢基体试样，工作电极和参比电极之间用盐桥相连.对裸钢试样(10 mm×10 mm)进行极化曲线和阻抗图谱测定，试验溶液为0.1 mol·L-1的Na2SO4溶液，测试前浸泡0.5 h.

2 实验结果分析与讨论

图1为镍含量对耐候钢金相组织的影响.从图中可以看出，不同w(Ni)条件下实验钢的组织均为铁素体+贝氏体+珠光体组织，并且随着Ni含量的增加，珠光体组织含量略有增加，晶粒尺寸较为均匀，晶粒尺寸平均为11 μm.

图1 实验钢金相组织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%

图2为不同Ni含量条件下实验钢的强度和延伸率变化.从图中可以看出，随着Ni含量的增加，实验钢屈服强度、抗拉强度均和延伸率呈逐渐升高的趋势，当w(Ni)大于0.43%时，实验钢的强度和延伸率升高幅度相对较小.

图2 不同镍含量条件下实验钢的性能Fig.2 Properties of the steel with different nickel content

图3为环境介质NaHSO3的浓度为0.1 mol·L-1、浸润时间为96 h，干湿时间比例为48∶12，不同镍含量条件下实验钢在周期浸润腐蚀实验时的腐蚀速率变化规律.从图3中可以看出，随着Ni含量的升高，实验钢的腐蚀速率逐渐降低，当Ni质量分数为0.23%时，其平均腐蚀速率为2.2g·m-2·h-1，而镍的质量分数提高到0.6%时，其平均腐蚀速率降低到2.06 g·m-2·h-1，降低的幅度并不明显.

图3 不同镍含量条件下实验钢的腐蚀率Fig.3 Corrosion rates of the steel with different nickel content

图4为不同镍含量条件下实验钢的电化学特性曲线.从图4中可以看出，钢中Ni含量的提高并没有使自腐蚀电位变正，高Ni含量的试样与低Ni含量的试样自腐蚀电位均为-0.70 V左右，但高Ni含量的试样极化阻力为394(Ω·cm-2)，而低Ni元素含量的试样极化阻力为602(Ω·cm-2).说明钢中增加Ni含量，并没有增大实验钢在溶液中的极化阻力，反而使极化电阻减小，造成了本实验条件下钢中镍含量的增加，腐蚀速率有所降低.

图4 不同镍含量条件下实验钢的电化学特征曲线Fig.4 Electrochemical characteristic curves of the steel with different nickel content

3 结 论

(1)不同镍含量的实验钢组织均为铁素体+贝氏体+珠光体，晶粒尺寸平均为11 μm；并且随着Ni含量的增加，珠光体组织含量略有增加.

(2)随着Ni含量的增加，实验钢屈服强度、抗拉强度和延伸率呈逐渐升高的趋势，当Ni的质量分数大于0.43%时，实验钢的强度和延伸率升高幅度相对较小.

(3)增加镍含量，耐候钢年腐蚀速率降低，高Ni含量试样的极化阻力为394(Ω·cm-2)，而低Ni含量试样的极化阻力为602(Ω·cm-2).

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