一种低合金耐蚀钢及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及海洋基础建设用钢技术领域，尤其是涉及一种低合金耐蚀钢及其制备方法与应用。


背景技术：

2.我国航海和海洋产业的发展也迈入了新的阶段，也为海洋用材料的开发带来了机遇和挑战，海洋基础建设用低合金钢长期遭受海水的侵蚀，承受自身重力的同时遭受海流、风浪及低温等恶劣海况的侵蚀和破坏，对强度、韧性、耐海水腐蚀性要求均较高。
3.目前，针对海水腐蚀环境中耐蚀合金钢的专利中，合金含量的总量较高，制备工艺较复杂。一种低碳cr-ni系高强度耐蚀钢(cn112795844 b)中cr和ni总含量大于10％，合金元素总量大于13％。一种热强耐蚀钢的热处理制备方法(cn111575466 a)中热处理工艺流程较长，热处理工艺复杂，为耐蚀钢的制备提高了难度。耐蚀钢的制备方法(cn107974634 b)耐蚀钢合金含量较高且生产工艺要求高，该发明应用领域为塑料模具钢，缺乏强硬度、塑韧性的指标要求。
4.综合可知，耐蚀合金钢中合金元素的含量及热处理工艺流程直接影响合金钢的耐蚀性、成本和生产可行性，因此，亟需一种降低合金总含量、简化热处理工艺的低合金耐蚀钢的制备方法，并且制备得到的低合金耐蚀钢能够用于海洋基础建设用钢技术领域。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低合金耐蚀钢及其制备方法与应用，通过合金钢的炼钢及合金元素的微合金化，致使合金钢晶界钉扎作用增强，阻碍退火过程中晶粒的增长；再通过优化热处理工艺，使合金钢的固溶体、碳化物、物相及晶粒状态处于优势的范围，实现低合金高耐蚀的海洋基础建设用钢的生产。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明的第一个目的是提供一种低合金耐蚀钢，所述低合金耐蚀钢包括以下组分及重量百分比含量：
8.cr:0.8-1.2％；ni:3.3-3.7％；mn:0.9-1.1％；si:0.15-0.3％；c:0.15-0.3％；ti:0.2-0.4％，其余为fe和杂质。
9.进一步地，所述杂质为s《0.003％；p《0.003％；n《0.002％；o《0.002％。
10.本发明的第二个目的是提供一种低合金耐蚀钢的制备方法，包括以下步骤：
11.s1、将各原材料按质量百分配比：cr:0.8-1.2％；ni:3.3-3.7％；mn:0.9-1.1％；si:0.15-0.3％；c:0.15-0.3％；ti:0.2-0.4％，其余为fe加入到高频真空感应加热炉中进行冶炼，并浇铸成合金钢锭；
12.s2、将步骤s1中得到的合金钢锭进行预热处理，保护气体为氮气，得到预热后的合金钢锭；
13.s3、将步骤s2中得到的预热后的合金钢锭进行第一次常化处理，得到第一次常化
后的合金钢锭；
14.s4、将步骤s3中得到的第一次常化后的合金钢锭进行奥氏体化处理，得到奥氏体化后的合金钢锭；
15.s5、将步骤s4中得到的奥氏体化后的合金钢锭进行油淬处理，得到油淬后的合金钢锭；
16.s6、将步骤s5中得到的油淬后的合金钢锭进行回火处理，得到回火后的合金钢锭；
17.s7、将步骤s6中得到的回火后的合金钢锭进行第二次常化处理，得到第二次常化后的合金钢锭。
18.进一步地，步骤s2中，所述预热处理的加热温度为900-1000℃，保温时间为1h。
19.进一步地，步骤s3中，所述第一次常化处理的常化温度为820～860℃，保温时间为30min，常化气氛为空气。
20.进一步地，步骤s4中，所述奥氏体化处理的奥氏体化温度为900℃～950℃，保温30min。
21.进一步地，步骤s6中，所述回火处理的回火温度为220～240℃，保温时间为2h。
22.进一步地，步骤s7中，所述第二次常化处理的常化温度为225～240℃，常化气氛为空气。
23.进一步地，步骤s2中所述预热处理、步骤s4中所述油淬处理、步骤s6中所述回火处理均在气氛炉内进行，气氛为氮气，升温速率10℃/min。
24.本发明的第三个目的是提供一种低合金耐蚀钢的应用，将所述低合金耐蚀钢用于海洋基础建设用钢领域。
25.进一步地，将所述低合金耐蚀钢用于海水浸泡区基础建设构件的制造。
26.本发明成分设计理由如下：
27.cr是提高钢热处理的淬透性和海水氯离子环境耐蚀性的重要元素之一。cr元素既能溶于铁素体中形成固溶体起到固溶强化的作用，又能与碳形成含cr碳化物阻碍晶粒长大达到细晶强化的作用。除此之外，cr对提高钢中铁素体的电极电位有重要作用，海水氯离子环境下钢中cr能与fe、o等元素反应在其表面生成致密的腐蚀产物层进而提高其耐蚀性。但钢中cr含量高低影响钢的成本，在本发明中控制cr含量为0.8-1.2％。
28.ni对提高钢材料的强度、低温韧性，改善钢材料的焊接性和加工性及提高耐海洋大气腐蚀性能有重要作用。ni为非碳化物形成元素，但ni能促进钢中合金元素和碳的扩散进而影响碳化物的析出引起沉淀强化，同时ni能通过降低钢材料的脆性转变温度而提高钢的低温韧性。在海水腐蚀环境下，钢中ni能在其表面的腐蚀产物层中富集使锈层组织细化，进而提高锈层的致密性使钢基体与氯离子隔绝，达到提高耐蚀性的目的。由于钢中ni含量对钢的成本影响较大，在本发明中控制ni含量为3.3-3.7％。
29.mn能提高钢的强度、改善钢的韧性。钢中的mn能溶于铁素体中形成固溶体而使铁的晶格造成畸变，提高塑变抗力而产生固溶强化。除此之外，mn能使钢中奥氏体相区扩大并提高奥氏体组织的稳定性，降低奥氏体分解的速度，进而改善钢的韧性。在本发明中控制mn含量为0.9-1.1％。
30.si对提高钢中铁素体的硬度和强度有重要作用，同时能提高钢耐蚀性。钢中的si能抑制回火时渗碳体的析出而影响其强度。钢中的si能以复杂氧化物的形式参与其表面内
锈层的生成而增加电荷转移电阻，使其耐蚀性提高。在本发明中控制si含量为0.15-0.3％。
31.c对钢性能有重要影响。钢中碳含量由低到高时，钢的强度、硬度显著增加，但塑韧性及加工工艺性大大降低。本发明中控制c含量为0.15-0.3％。
32.ti微合金化对提高钢强度有重要作用。钢中ti能形成碳化物阻碍钢中奥氏体晶粒的长大，起到细晶强化的作用。本发明中控制ti含量为ti:0.2-0.4％。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
34.1)本发明提供的低合金耐蚀钢，合金总量低、抵抗cl-侵蚀性强且耐蚀性能稳定。
35.2)本发明提供的低合金耐蚀钢，与现行的合金钢类似成分相比点蚀程度更低，腐蚀损失则对应更低。
36.3)本发明提供的低合金耐蚀钢的制备方法，合理控制了热处理工艺，有效控制了耐蚀合金钢的组织状态和综合耐蚀性能，制备的低合金耐蚀钢能广泛用于海水浸泡区基础建设构件的制造。
附图说明
37.图1是各实施例和空白钢的的奈奎斯特图。
38.图2是各实施例和空白钢的tafel曲线。
39.图3是实施例1的金相组织图。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
41.本技术方案中如未明确说明的制备手段、材料、结构或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
42.抗拉强度测试采用gb/t228.1-2010《金属材料拉伸实验第1部分：室温实验方法》。
43.屈服强度测试采用gb/t228.1-2010《金属材料拉伸实验第1部分：室温实验方法》。
44.延伸率测试采用gb/t228.1-2010《金属材料拉伸实验第1部分：室温实验方法》。
45.实施例1
46.本实施例中提供一种低合金耐蚀钢的制备方法，具体步骤如下：
47.(1)按将原材料按重量百分比计cr:1.0％；ni:3.3％；mn:1.0％；si:0.26％；c:0.21％；ti:0.26％，其余为fe加入到高频真空感应加热炉中进行冶炼，期间需将钢锭加热到熔融状态3～5次，后浇铸成合金钢锭；(2)将上述步骤(1)中合金钢锭预热处理，加热温度为950℃，保温时间为1h，得到预热后的合金钢锭；(3)将上述步骤(2)中预热后的合金钢锭常化处理，合金钢锭常化温度为850℃，保温时间为30min，常化气氛为空气，得到常化后的合金钢锭；(4)将上述步骤(3)中常化后的合金钢锭进行奥氏体化处理，奥氏体化温度为920℃，保温30min，得到奥氏体化后的合金钢锭；(5)将上述步骤(4)中奥氏体化后的合金钢锭迅速放入足量的一定粘度的机械油中进行油淬处理，得到油淬后的合金钢锭；(6)将上述步骤(5)中油淬后的合金钢锭回火处理，回火温度为230℃，保温时间为2h，得到回火后的合金
钢锭；(7)将上述步骤(6)中回火后的合金钢锭常化处理，常化温度为230℃，常化气氛为空气，得到低合金耐蚀钢。
48.所得低合金耐蚀钢样品按重量百分比为cr:1.0％；ni:3.3％；mn:1.0％；si:0.26％；c:0.21％；ti:0.26％，其余为fe和杂质，所述杂质为s《0.003％；p《0.003％；n《0.002％；o《0.002％。
49.上述低合金耐蚀钢的抗拉强度为536mpa，屈服强度为440mpa，延伸率为17％，耐蚀性较高。
50.实施例2
51.本实施例中提供一种低合金耐蚀钢的制备方法，具体步骤如下：
52.(1)按将原材料按重量百分比计cr:1.1％；ni:3.4％；mn:1.01％；si:0.23％；c:0.24％；ti:0.24％，其余为fe加入到高频真空感应加热炉中进行冶炼，期间需将钢锭加热到熔融状态3～5次，后浇铸成合金钢锭；(2)将上述步骤(1)中合金钢锭预热处理，加热温度为960℃，保温时间为1h，得到预热后的合金钢锭；(3)将上述步骤(2)中预热后的合金钢锭常化处理，合金钢锭常化温度为830℃，保温时间为30min，常化气氛为空气，得到常化后的合金钢锭；(4)将上述步骤(3)中常化后的合金钢锭进行奥氏体化处理，奥氏体化温度为930℃，保温30min，得到奥氏体化后的合金钢锭；(5)将上述步骤(4)中奥氏体化后的合金钢锭进行油淬处理，得到油淬后的合金钢锭；(6)将上述步骤(5)中油淬后的合金钢锭回火处理，回火温度为240℃，保温时间为2h，得到回火后的合金钢锭；(7)将上述步骤(6)中回火后的合金钢锭常化处理，常化温度为240℃，常化气氛为空气，得到低合金耐蚀钢。
53.所得低合金耐蚀钢样品按重量百分比为cr:1.1％；ni:3.4％；mn:1.01％；si:0.23％；c:0.24％；ti:0.24％，其余为fe和杂质，所述杂质为s《0.003％；p《0.003％；n《0.002％；o《0.002％。
54.上述低合金耐蚀钢的抗拉强度为542mpa，屈服强度为448mpa，延伸率为20％，耐蚀性较高。
55.实施例3
56.本实施例中提供一种低合金耐蚀钢的制备方法，具体步骤如下：
57.(1)按将原材料按重量百分比计cr:0.95％；ni:3.6％；mn:0.98％；si:0.25％；c:0.26％；ti:0.22％，其余为fe加入到高频真空感应加热炉中进行冶炼，期间需将钢锭加热到熔融状态3～5次，后浇铸成合金钢锭；；(2)将上述步骤(1)中合金钢锭预热处理，加热温度为955℃，保温时间为1h，得到预热后的合金钢锭；(3)将上述步骤(2)中预热后的合金钢锭常化处理，合金钢锭常化温度为845℃，保温时间为30min，常化气氛为空气，得到常化后的合金钢锭；(4)将上述步骤(3)中常化后的合金钢锭进行奥氏体化处理，奥氏体化温度为935℃，保温30min，得到奥氏体化后的合金钢锭；(5)将上述步骤(4)中奥氏体化后的合金钢锭进行油淬处理，得到油淬后的合金钢锭；(6)将上述步骤(5)中油淬后的合金钢锭回火处理，回火温度为235℃，保温时间为2h，得到回火后的合金钢锭；(7)将上述步骤(6)中回火后的合金钢锭常化处理，常化温度为235℃，常化气氛为空气，得到低合金耐蚀钢。
58.所得低合金耐蚀钢样品按重量百分比为cr:0.95％；ni:3.6％；mn:0.98％；si:0.25％；c:0.26％；ti:0.22％，其余为fe和杂质，所述杂质为s《0.003％；p《0.003％；n《0.002％；o《0.002％。
59.上述低合金耐蚀钢的抗拉强度为551mpa，屈服强度为443mpa，延伸率为21％，耐蚀性较高。
60.实施例4
61.本实施例中提供一种低合金耐蚀钢的制备方法，具体步骤如下：
62.(1)按将原材料按重量百分比计cr:1.07％；ni:3.45％；mn:1.04％；si:0.20％；c:0.25％；ti:0.24％，其余为fe加入到高频真空感应加热炉中进行冶炼，期间需将钢锭加热到熔融状态3～5次，后浇铸成合金钢锭；(2)将上述步骤(1)中合金钢锭预热处理，加热温度为948℃，保温时间为1h，得到预热后的合金钢锭；(3)将上述步骤(2)中预热后的合金钢锭常化处理，合金钢锭常化温度为853℃，保温时间为30min，常化气氛为空气，得到常化后的合金钢锭；(4)将上述步骤(3)中常化后的合金钢锭进行奥氏体化处理，奥氏体化温度为938℃，保温30min，得到奥氏体化后的合金钢锭；(5)将上述步骤(4)中奥氏体化后的合金钢锭进行油淬处理，得到油淬后的合金钢锭；(6)将上述步骤(5)中油淬后的合金钢锭回火处理，回火温度为227℃，保温时间为2h，得到回火后的合金钢锭；(7)将上述步骤(6)中回火后的合金钢锭常化处理，常化温度为227℃，常化气氛为空气，得到低合金耐蚀钢。
63.所得低合金耐蚀钢样品按重量百分比为cr:1.07％；ni:3.45％；mn:1.04％；si:0.20％；c:0.25％；ti:0.24％，其余为fe和杂质，所述杂质为s《0.003％；p《0.003％；n《0.002％；o《0.002％。
64.上述低合金耐蚀钢的抗拉强度为541mpa，屈服强度为435mpa，延伸率为20％，耐蚀性较高。
65.对比例
66.本对比例中提供一种空白钢的制备方法，具体步骤如下：
67.(1)按将原材料按重量百分比计cr:0％；ni:0％；mn:0.99％；si:0.24％；c:0.23％；ti:0.28％，其余为fe加入到高频真空感应加热炉中进行冶炼，期间需将钢锭加热到熔融状态3～5次，后浇铸成合金钢锭；(2)将上述步骤(1)中合金钢锭预热处理，加热温度为960℃，保温时间为1h，得到预热后的合金钢锭；(3)将上述步骤(2)中预热后的合金钢锭常化处理，合金钢锭常化温度为840℃，保温时间为30min，常化气氛为空气，得到常化后的合金钢锭；(4)将上述步骤(3)中常化后的合金钢锭进行奥氏体化处理，奥氏体化温度为950℃，保温30min，得到奥氏体化后的合金钢锭；(5)将上述步骤(4)中奥氏体化后的合金钢锭进行油淬处理，得到油淬后的合金钢锭；(6)将上述步骤(5)中油淬后的合金钢锭回火处理，回火温度为240℃，保温时间为2h，得到回火后的合金钢锭；(7)将上述步骤(6)中回火后的合金钢锭常化处理，常化温度为240℃，常化气氛为空气，得到空白合金钢。
68.所得空白合金钢样品按重量百分比为cr:0％；ni:0％；mn:0.99％；si:0.24％；c:0.23％；ti:0.28％，其余为fe和杂质，所述杂质为s《0.003％；p《0.003％；n《0.002％；o《0.002％。
69.上述空白合金钢的抗拉强度为381mpa，屈服强度为293mpa，延伸率为13％，耐蚀性较低。
70.如图1～2所示，对比耐蚀性。
71.以质量分数为3.5％的nacl溶液为腐蚀介质，检测对比例的空白钢和实施例1～4的低合金耐蚀钢的耐蚀性，开路电位稳定后的奈奎斯特曲线如图1所示，实施例1～4的阻抗
弧半径均大于对比例，说明实施例1～4中的低合金耐蚀钢在fe/液界面上的金属溶解的电荷转移电阻均高于对比例，反映出更强的耐蚀性。
72.开路电位稳定后的tafel极化曲线如图2所示，实施例1～4的tafel曲线均在对比例的右下方，说明实施例1～4中的低合金耐蚀钢的自腐蚀电流均低于对比例，低合金耐蚀钢的自腐蚀电位均高于对比例，即实施例1～4的腐蚀热力学稳定性和腐蚀动力学稳定性均更高。
73.如图3所示，实例1的金相组织图显示其细小均匀的晶粒尺寸，为较高的耐蚀性和力学性能提供了良好的组织基础。
74.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种低合金耐蚀钢，其特征在于，所述低合金耐蚀钢包括以下组分及重量百分比含量：cr:0.8-1.2％；ni:3.3-3.7％；mn:0.9-1.1％；si:0.15-0.3％；c:0.15-0.3％；ti:0.2-0.4％，其余为fe和杂质。2.根据权利要求1所述的一种低合金耐蚀钢的制备方法，其特征在于，所述杂质为s<0.003％；p<0.003％；n<0.002％；o<0.002％。3.一种如权利要求1-2中任一项所述的低合金耐蚀钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：s1、将各原材料按质量百分配比：cr:0.8-1.2％；ni:3.3-3.7％；mn:0.9-1.1％；si:0.15-0.3％；c:0.15-0.3％；ti:0.2-0.4％，其余为fe加入到高频真空感应加热炉中进行冶炼，并浇铸成合金钢锭；s2、将步骤s1中得到的合金钢锭进行预热处理，保护气体为氮气，得到预热后的合金钢锭；s3、将步骤s2中得到的预热后的合金钢锭进行第一次常化处理，得到第一次常化后的合金钢锭；s4、将步骤s3中得到的第一次常化后的合金钢锭进行奥氏体化处理，得到奥氏体化后的合金钢锭；s5、将步骤s4中得到的奥氏体化后的合金钢锭进行油淬处理，得到油淬后的合金钢锭；s6、将步骤s5中得到的油淬后的合金钢锭进行回火处理，得到回火后的合金钢锭；s7、将步骤s6中得到的回火后的合金钢锭进行第二次常化处理，得到第二次常化后的合金钢锭。4.根据权利要求3所述的一种低合金耐蚀钢的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述预热处理的加热温度为900-1000℃，保温时间为1h。5.根据权利要求3所述的一种低合金耐蚀钢的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述第一次常化处理的常化温度为820～860℃，保温时间为30min，常化气氛为空气。6.根据权利要求3所述的一种低合金耐蚀钢的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述奥氏体化处理的奥氏体化温度为900℃～950℃，保温30min。7.根据权利要求3所述的一种低合金耐蚀钢的制备方法，其特征在于，步骤s6中，所述回火处理的回火温度为220～240℃，保温时间为2h。8.根据权利要求3所述的一种低合金耐蚀钢的制备方法，其特征在于，步骤s7中，所述第二次常化处理的常化温度为225～240℃，常化气氛为空气。9.根据权利要求3所述的一种低合金耐蚀钢的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述预热处理、步骤s4中所述油淬处理、步骤s6中所述回火处理均在气氛炉内进行，气氛为氮气，升温速率10℃/min。10.一种如权利要求1-2中任一项所述的低合金耐蚀钢或采用权利要求3-9中任一项所述的制备方法得到的低合金耐蚀钢的应用，其特征在于，将所述低合金耐蚀钢用于海洋基础建设用钢领域。

技术总结
本发明涉及一种低合金耐蚀钢及其制备方法与应用，依次取Cr、Ni、Mn、Si、C和Fe进行冶炼、预热处理、常化、奥氏体化、油淬、回火和常化而成，所述耐蚀合金钢的化学成分按重量百分比计为Cr:0.8-1.2％；Ni:3.3-3.7％；Mn:0.9-1.1％；Si:0.15-0.3％；C:0.15-0.3％；Ti:0.2-0.4％，其余为Fe和杂质，能够用于海洋基础建设用钢领域。与现有技术相比，本发明的低合金耐蚀钢合金总量低、抵抗Cl-侵蚀性强且耐蚀性能稳定，点蚀程度更低，腐蚀损失则对应更低，制备方法有效控制了耐蚀合金钢的组织状态和综合耐蚀性能。能。能。


技术研发人员：王丹
受保护的技术使用者：上海市高级技工学校
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/9