CuNi对钢水质量和钢材性能的影响

Cu、Ni对钢水质量和钢材性能的影响钟远标何小芳李金象摘要：介绍Cu、Ni作为合金元素对钢的耐大气腐蚀性能、力学性能的影响以及Cu、Ni在薄板坯连铸连轧中的危害和防止.由于钢中Cu易与S生成CuS，在热轧时易形成长条状，造成热轧后钢材性能具有明显的方向性，恶化横向性能，从而在钢材表面上产生长条状裂纹；此外，含Ni、Cu合金元素板坯在均热炉内加热时会产生很粘的氧化铁皮，影响钢材表面质量.通过成分调整、控制钢锭、钢坯的加热轧制工艺，可以防止其危害.关键词：Cu；Ni；力学性能；耐腐蚀性中图分类号：TG142.1+4文献标识码：B文章编号：1007-5437(1999)05-0009-05EffectofCu,NionqualityofliquidsteelandmechanicalpropertiesofsteelproductsZHONGYuan－biao，HEXiao－fang，LIJin－xiang(GuangzhaoZhujiangSteelPlantCo.，Guangzhou510730,China)Abstract：ThisarticleelucidatestheeffectofalloyingelementsCu,NionresistancetoatmosphericcorrosionandmechanicalpropertyofsteelaswellastheharmofCu,Nibroughtinsheetbilletcontinuouscastingandrolling,whilethepreventionmeasureisproposedheretoo.OwingtothereactionofCuwithSformingCu5whichiseasytobecomelongnarrowintheshapeduringhotrolling,soimportantisthereasonthatcausesthehotrollingsheethavingobviousdirectionalityandtransversepropertydeteriorated；thuslongnarrowseamsareappearedonthesurfaceofthesteel.Moreover,sheetbilletcontainingCu,Niwillbringaboutalayerofviscousironoxidescalewhenheatedinsoakingfurnacethatresultedininfluenceonthesurfacequalityofsteelproduct.Bymeansofadjustingthesteelcompositionandcontrollingtheoperationparametersofheatingandrollingprocessforingotsandbillets,theabovementionedharmanddefectswillbeprevented.KeyWords：copper；nickle；mechanicalproperty；corrosionresistivity1Cu、Ni在低合金钢中的应用概况1.1用于低合金钢中的发展历史从本世纪开始，人们就已知道在钢中添加少量Cu即可提高钢的耐腐蚀性能.1910～1911年，美国有两家公司开始出售含Cu的钢.1916年，由美国材料试验协会对260种试验用钢在工业地带、半田园地带和海洋地带进行了最早的钢铁材料的大气暴露试验，试验结果表明了Cu和Ni对耐大气腐蚀的显著效果.1920年，美国钢铁公司开始大规模地研究钢的耐大气腐蚀规律，用3万片试样在不同环境条件下的4个地区进行了大气暴露试验，发现钢中Cu、P、Ni、Cr元素适量的组合，可获得优良的耐大气腐蚀性能，并在1933年作为专利和商用钢在市场上出售.我国耐大气腐蚀钢的发展较晚.1960年前后，武钢利用其铁矿中含Cu，首先在国内进行了耐大气腐蚀的含Cu钢和含Cu低合金钢的研究和开发工作.以后，在1965年，由于全国推广应用低合金钢，根据用户的要求，各钢铁企业相继重视提高钢的耐腐蚀性能，并大规模地研究和开发耐大气腐蚀钢.当时，研究和开发该种的主要特点是：钢中含Ni、Cr，以Cu或P或Cu加P为主.1978年始，根据用户要求，仿制了国外耐大气腐蚀钢号，采用了Ni、Cr等合金元素.1.2我国含Cu、Ni耐大气腐蚀的主要钢种我国含Cu、Ni耐大气腐蚀的主要钢种见表1［1］.表1含Cu、Ni耐大气腐蚀钢种公司名称钢号标准与实际适用厚度mm轧材状态化学成分，%CSiMnPSCuTiNiCrRE*武钢06CuPRE标准1.0～2.5冷轧板≤0.080.10～0.400.15～0.450.06～0.12≤0.0350.20～0.35———≤0.12实际1.0～2.00.03～0.080.12～0.380.17～0.430.063～0.1180.018～0.0240.21～0.35———0.009～0.023武钢09CuTiRE标准2.3～12热轧板≤0.120.20～0.400.25～0.550.07～0.12≤0.0400.25～0.35≤0.03——≤0.15实际2.3～120.04～0.090.22～0.330.32～0.520.07～0.1180.015～0.0300.26～0.340.01～0.021——0.020～0.030鞍钢08CuP标准2.5～6.0热轧板≤0.120.20～0.400.20～0.500.07～0.12≤0.0400.25～0.45————实际6.00.110.310.460.0950.0130.30————鞍钢09CuPCrNiB标准≤2.5冷轧板≤0.120.10～0.400.20～0.500.07～0.12≤0.0400.25～0.45—0.25～0.500.30～0.65—实际1.2～2.50.100.210.420.0910.0160.32—0.340.44—武钢09CuPCrNiB标准≤2.5冷轧板≤0.120.10～0.400.20～0.500.07～0.12≤0.0400.25～0.45—0.25～0.500.30～0.65—实际2.0～2.50.04～0.060.24～0.380.31～0.420.076～0.092[JP〗0.013～0.0230.31～0.36—0.24～0.260.39～0.42—武钢09CuPCrNiB标准2.0～12热轧≤0.120.25～0.750.20～0.500.07～0.12≤0.0400.25～0.45—0.25～0.500.30～0.65实际2.0～12板0.04～0.100.20～0.370.23～0.420.07～0.100.020～0.0300.29～0.35—0.29～0.400.35～0.45—2Cu、Ni作为合金元素对耐大气腐蚀性能的影响［1］2.1CuCu是耐大气腐蚀钢中对提高耐大气腐蚀性能最主要的、最普遍使用的合金元素，在普通碳素钢中单独添加Cu的Cu钢也是最早使用的耐大气腐蚀钢.Cu之所以能在钢中有良好的耐腐蚀性能，一般是认为在钢的大气腐蚀过程中，Cu起着活性阴极的作用，在一定条件下可以促进钢产生阳极钝化.从而降低钢的腐蚀速度.另一种则认为Cu在锈层中的富集能够改善锈层的保护性能，从而提高钢的耐腐蚀性能.Cu对抵消钢中S的有害作用有着明显的效果，Cu对改善其高S和低S钢的耐大气腐蚀作用见图1.图1Cu对高S和低S钢的大气腐蚀性能的影响可见，含0.051%～0.056%S钢的腐蚀量比含0.026%～0.035%Cu钢中增加1倍，当钢加入0.2%～0.3%Cu后，两种含S量钢的腐蚀量都下降到同一水平，说明钢中含S愈高，Cu对降低腐蚀率的相对效果就愈明显.Cu对其它元素(如P、Ni等)复合使用时，提高耐大气腐蚀性能的效果更好.Cu和P对钢的耐大气腐蚀性能的影响见图2.为了提高耐大气腐蚀性能，在低合金钢中的Cu含量一般规定在0.2%～0.5%.图2Cu和添加P对钢的耐大气腐蚀性能的影响2.2NiNi与Cu对钢质量性能的作用是相互影响的，一般情况下Ni与Cu同时在钢中存在，Ni也是对耐大气腐蚀性能有效的元素.Ni对耐大气腐蚀性能的作用随其含量增加而增大.耐大气腐蚀钢中的Ni含量一般都在1.00%以下.3Cu、Ni对钢机械性能的影响3.1Cu低合金钢中添加较多的Cu主要是用来提高钢的强度和耐腐蚀性能.当钢中的Cu含量高于0.6%时，Cu在钢中将达到过饱和状态，通过一定的温度下时效，析出ε－Cu相，产生沉淀强化，可显著提高钢的强度.杨才福等［2］通过对低碳HSLA钢力学性的研究得出如下结论：(1)Cu含量对低碳HSLA钢的强韧性有明显影响，Cu含量增加，钢的强度提高，韧性有所降低；(2)Cu在时效后可大幅度提高钢的强度，1%以上的Cu在时效后可以使屈服强度比时效前提高150～200MPa，抗拉强度提高160～170MPa；(3)时效温度是影响低碳HSLA钢力学性能的关键因素，在时效过程中，一方面发生不稳定组织分解导致的软化，另一方面发生Cu析出产生的硬化，两种因素共同作用决定了时效后钢的力学性能，时效温度越高，合金元素对力学性能的影响越小.3.2NiCu钢在加热和轧制过程中易产生铜脆现象，使钢材表面形成龟裂.铜脆现象长期困扰着含Cu低合金钢的进一步发展，而通过添加高于二分之一Cu含量的Ni，可防止铜脆的产生.4Cu、Ni在薄板坯连铸连轧中的危害及防止4.1网裂在耐大气腐蚀钢中添加Cu会产生热加工敏感性.主要原因之一是硫化物的分布和形态，特别是钢中硫化物夹杂在热轧时易形成长条状，造成热轧后板材性能有明显的方向性，恶化横向性能［3］.从而在钢坯钢材表面上产生长条状裂纹(也称网裂).特别是在薄板坯连铸连轧生产中，由于其生产节奏快，铸坯厚度小(即压缩比小)，成品板材薄(珠钢卷板厚度为1.2mm～12.7mm)，表面质量要求高.网裂直接制约了其快节奏生产，严重影响了产品质量，所以网裂在薄板坯连铸连轧中的危害不容忽视，必须加以防止.其防止措施：1)成分调整.如降低钢中S、P、O、N的含量，添加一定量的Ni及稀土，加入适量稀土后，可有效改善钢中硫化物夹杂的形态，使长条状MnS夹杂变质为纺锤状和短条状以至球状，从而使横向性能提高；2)控制钢锭、钢坯的加热、轧制工艺.如控制加热炉的炉内气氛，采用还原或弱氧化气氛加热，对钢锭、钢坯采用高温、快烧、快轧的工艺制度等.4.2表面氧化铁皮含Ni、Cu合金元素的耐大气腐蚀钢的板坯或钢坯在均热炉内加热时，会产生粘的氧化铁皮，如不采取适当的措施，在轧制过程中，就会残留在钢板或钢材表面上，造成的氧化铁皮的缺陷，轻则需要打磨干净，重则报废.为此，一般采取以下措施以减轻或消除其在钢板表面上残留的氧化铁皮.1)在板坯外表面包覆薄铁皮；2)在板坯表面上涂敷耐火材料；3)在加热轧制工艺制度上采取高温、快烧、大压下以及高压水冲洗氧化铁皮.在薄板坯连铸连轧中，由于其生产的连续性，从连铸到连轧仅经过均热炉一段很短的时间均热，不能通过传统的扒除表面氧化铁皮，或在板坯表面包薄铁皮和涂耐火材料等方法进行处理表面氧化铁皮问题.所以，在薄板坯连铸连轧中，只能通过控制钢中Cu、Ni的含量，调整钢中成分(如在结晶器中加稀土)，及控制均热炉的炉内气氛和控制轧制工艺，来防止表面氧化铁皮对其的危害.5钢水中Cu、Ni元素的控制Cu、Ni元素由于是难氧化元素，在冶炼过程中不能去除，基本100%回收.钢中Cu、Ni的主要来源是原材料，所以对于Cu、Ni要求较严格的钢种，必须通过控制原料的Cu、Ni带入量来控制钢中的Cu、Ni含量；如出现钢水中Cu出格则只能改变钢种或分钢水.而对于Cu、Ni含量较高的钢种，则可在原料中Cu、Ni不足的情况下，在冶炼或精炼过程中直接加入Cu、Ni合金，回收率按100%计算.6结论(1)Cu、Ni是耐大气腐蚀钢中对耐大气腐蚀性能的有效元素，Cu对抵消钢中的有害元素S有