铜是耐大气腐蚀钢中对提高耐大气腐蚀性能最主要、最普遍使用的合金元素,在普通碳素钢中单独添加铜也是最早使用的耐大气腐蚀钢。在耐候钢中,铜含量大致为0.2%~0.5%,通常与磷配合使用,Cu、P均能浓缩在锈层中,使其致密稳定,并能抑制铁锈的扩展。
钢中铜对耐大气腐蚀作用随大气环境不同而不同。对于不同的大气环境条件,钢中的铜量也有所不同。我国北方干燥大气地区为0.15%~0.20%,南方潮湿大气及中部工业大气地区为0.30%~0.35%。
铜除了提高钢的耐大气腐蚀能力之外,还能略提高钢的强度(因为铜能以ε相在基底上弥散沉淀析出)。由于铜为面心立方结构,既能降低钢的冷脆转折温度,又能提高钢的室温和低温韧性。
但含铜钢存在一个主要质量问题,即热脆。铜对钢的力学性能的影响类似碳,对强度指标有利,但影响加工性能和焊接性能。
磷在耐候钢中的含量在0.04%~0.15%之间,因此也可以看作微合金化元素。磷也是合金元素中提高耐大气腐蚀性能最有效的元素,即使单独使用也有很好的效果,但是往往与其它合金元素,特别是与Cu、Cr等配合使用,用来提高钢的耐大气腐蚀性能。
磷和铜同时加入钢中,使内锈层分带明显,更有利于提高钢的耐蚀性。铜和磷的复合作用更易使锈层中形成非晶态的Fe3O4,因铜和PO43-离子共同阻止Fe3O4的结晶成长。
钢中的磷会恶化钢的韧性,特别是剧烈降低钢的低温冲击韧性。因此应控制
磷上限含量为0.12%。如果按ω(P)十ω(C)≤0.25%,仍可获得良好的可焊性,同时采用合理的生产工艺,能有效地控制Cu、P元素在晶界偏聚,消除铜脆造成的板卷边裂及磷元素对钢韧性的有害作用。
稀土在耐候钢中的作用可以归纳为以下几方面:
(1)在耐大气腐蚀钢中加入RE,使钢的内锈层致密,而且与基体的结合力变强,不易脱离,可以阻止大气中O2和H2O的扩散,从而降低了腐蚀速度,因此稀土主要是通过使锈层致密来增强与钢基体的附着力,达到提高钢的耐大气腐蚀性能。
(2)RE中的铈可降低铜的活度,提高铜的溶解度,从而提高了铜在钢中的利用率, RE加入含磷的钢中,可使磷的宏观偏析减少,在晶界和铁素体界面上的偏聚减少30%,在钢中的分布更合理。
(3)净化作用。稀土具有很强的脱氧、脱硫的能力以及很强的吸氢能力。与O、S 主要生成RE2O2S,与Cu、P、Ti不形成化合物。稀土与氢在250~300℃可生成REH2,钢中在300℃左右,析出的H2被RE吸收,减少游离氢。
(4)夹杂物球化变性作用。稀土能有效地使细条状的MnS变为球状或接近球状的稀土硫化物或硫氧化物,当ω([RE])>0.005%时,硫化物夹杂能得到一定控制;当ω([RE])>0.014%时,可得到近似球形的稀土夹杂。
(5)稀土能抑制树枝晶的发展,减少硫偏析,减轻硫对力学性能和耐大气腐蚀性能的影响。
(6)固溶强化和细化晶粒作用。由于稀土原子半径比铁大,所以微量固溶的稀土有固溶强化作用。除此之外,RE对细化晶粒也具有一定的作用。
(7)改善横向韧性和冷弯性能。稀土加入后,细条状MnS减少,高熔点、呈球状、与钢基体接触紧的RE202S及RES增多,因而阻止破裂能力大;稀土夹杂物不易形变,
在轧制过程中形状与分布改变少,降低各向异性,使钢的横向韧性提高,冷弯性能改善。
硅、锰、硫
硅以固溶形式存在于钢中。硅可以提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性和耐磨性,对于低强度级别(295MPa)的耐大气腐蚀钢,硅含量与普碳钢相同,以减少焊接时的飞溅。对于高强度级别(345MPa)的耐大气腐蚀钢,硅的含量应略高,但不应作为提高强度的主要元素。
锰以固溶态存在于钢中,起强化作用,可提高铁素体的强度。低碳钢中的锰对提高强度有明显作用,因此把锰作为09CuPTiRE-A钢达到预定强度级别的主要元素。但锰与硫易形成MnS塑性夹杂物,在热轧时沿轧制方向拉长,恶化钢的成形性能。另外,锰过高会使焊接性能显著变坏,所以在考虑09CuPTiRE.-A钢的内控成分时将锰含量控制在0.25%~0.45%之间,并利用微合金化和控轧控冷来满足不同强度级别要求,同时采用钙质处理,对MnS进行变质处理消除MnS的危害。
硫是耐候钢中的最主要有害元素,其危害在于影响钢的成形性、导致带钢力学性能的各向异性以及对耐候性的有害作用。
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