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1宝钢耐海水腐蚀钢Q345C-NHY3的研究与应用李自刚钱余海屈朝霞（宝山钢铁股份有限公司技术中心上海201900）摘要：简要介绍了宝钢耐海水腐蚀钢Q345C-NHY3的研制过程及应用状况，通过系列力学性能测试实验、焊接性能测试实验、耐海水腐蚀性能测试实验，证明了宝钢开发的耐海水腐蚀钢Q345C-NHY3钢具有优良的力学性能、焊接性能和耐海水腐蚀性能，满足海洋钢结构的制造技术要求，简要探讨了该钢种的合金成分设计原则及添加合金元素对提高钢耐海水腐蚀性能的影响机制。关键词：海水腐蚀焊接性能力学性能钢铁海洋环境腐蚀属于典型自然环境腐蚀之一，由于海水是典型的电解质溶液，传统钢铁材料在海水中极易受到腐蚀，造成极大的经济损失，因此钢铁材料应用于海洋环境必须经涂装以提高其耐蚀性能。但钢材表面的涂层受海洋复杂条件的影响容易破坏，特别是在海洋飞溅区易受海浪冲击或漂浮物撞击而使涂层受损，一旦涂层破坏，钢材将以比大气中快得多的速度腐蚀，并且，海洋中结构涂层不易修复和维护。另外，在海洋环境中使用的钢铁材料必须过多依赖各种保护措施，这也就带来了环境污染、重复投资、人力资源浪费等一系列问题，例如涂料使用寿命有限，必须定期维护或重新施工等等，这说明耐海水腐蚀钢的研制及开发是极度其必要的。因此，耐海水腐钢应用于海洋结构显得尤为重要，开发耐海水腐蚀钢意义重大。国外对耐海洋性环境腐蚀用钢的研究始于20世纪30年代，其中最为活跃的代表国家是美国和日本。美国最早开始了耐海水腐蚀用钢的研究，于1951年诞生了Mariner钢，其在飞溅区比普通钢具有优秀的耐蚀性，钢中含0.5%Ni、0.5%Cu、0.1%P。该钢种的主要特点有：飞溅区的耐蚀性优秀；不需要涂装、被覆水泥等保护措施；对于涂漆使用的场合，由于钢表面生成的锈层是致密性的，所以可以延长漆膜的使用寿命。在此基础上，世界各国根据自己情况，相继开发了各种系列的耐海水腐蚀用钢。日本从经济性、焊接性及耐蚀性等方面对耐海水腐蚀钢进行了改进，形成了具有自身特色的Mariloy（Cu-Cr-P、Cu-Cr-Al-P、Cu-Cr-Mo）系列耐海水腐蚀钢。此外，法国也发展了Cr-Mo-Al系列的APS系列耐海水腐蚀钢。宝钢充分认识了耐海水腐蚀钢的市场应用需求变化趋势及发展前景，为提高耐海水腐蚀钢的各项综合性能进行了大量的实验研究。为进一步改进钢材在海洋环境飞溅带的耐腐蚀性能及可焊性，通过模拟海洋环境腐蚀条件下的加速腐蚀实验，在充分认识添加合金元素，特别是耐候性合金元素Cr、Mo、Cu、P等对低合金钢耐海水腐蚀性能影响的基础上，借鉴日本耐海水腐蚀钢成分特点，综合考虑中国近海海洋环境中海水腐蚀介质的环境作用因子，通过优化调整化学成分及采用合理轧制工艺技术，成功开发出综合性能优异的Cr-Cu-Mo系耐海水腐蚀钢种Q345C-NHY3。本文介绍了Q345C-NHY3的合金成分体系特点及其综合性能，包括力学性能、焊接性能及耐海水腐蚀性能。1.化学成分及显微组织Q345C－NHY3耐海水腐蚀钢为C-Mn钢基础上添加微量合金元素的Cu-Cr-Mo合金体2系，其名义化学成分见表1。其中Cu元素能够极大提高钢的耐蚀性能，但为保证钢的轧制性能并防止热脆，将其含量控制在低于0.40范围，Cr可以提高钢的钝化性能，在海水环境体系中可促进钢表面生成稳定的钝化膜，从而极大地提高钢的耐蚀性能，由于单纯添加Cr元素并不能极大提高钢的耐海水腐蚀性能，并且过量的Cr元素对钢的耐海水腐蚀性能反而具有“逆效应”，同时增加钢的点蚀倾向，利用各合金元素的综合协同作用，适当添加Mo合金元素，利用其与Cr的元素协同作用效应抑制腐蚀的逆效应及点蚀倾向，以取得良好的耐蚀性能，特别是抑制钢在海水环境中的点蚀倾向。表1Q345C-NHY3化学成分（质量分数%）FeCSiMnPSCuCrMoNbTiCabalance≤0.12≤1.00≤1.50≤0.030≤0.030≤0.40≤1.30≤0.30适量适量适量Q345C-NHY3耐海水腐蚀钢的金相显微组织见图1。可见显微组织为细晶粒的铁素体+珠光体，晶体细化是同时提高钢的强度和韧性的唯一手段，这种细晶铁素体组织使得该钢种具有优异的力学性能，特别是保证了钢的低温冲击韧性性能。由于碳含量较低，因此珠光体的量较少，有利提高钢的冲击韧性。图1Q345C-NHY3耐海水腐蚀钢的金相显微组织2.综合力学性能2.1拉伸性能实验用样板厚度为19.79mm，室温屈服强度、抗拉强度、屈强比、延伸率等性能见表2。该钢屈服强度可达405-445MPa，抗拉强度达547-580MPa，屈强比低于0.8，延伸率在23%以上。显示了优良的室温拉伸性能，低的屈强比有利于吸收动荷载能力。表2宝钢Q345C-NHY3的力学拉伸性能热轧板卷号板厚(mm)σs(MPa)σb(MPa)σs/σbδ5(%)239470590019.794055800.69824243630020019.794455690.78223244280280019.794205470.768282.2冲击性能冲击试样采用标准规格尺寸（试样尺寸：10×10×55mm），0℃条件下Sharpy（V型缺口试样）冲击实验表明Q345C-NHY3钢在0℃冲击功不低于300J。图2为Q345C-NHY3钢系列温度冲击实验结果及韧脆转变曲线，由图2可知，即使在﹣60℃的低温条件下，Q345C-NHY3的冲击功仍保持在150J以上。另外，50%FATT韧脆转变温度为﹣58℃，因此具有高的低温韧性，满足较低温度的工作环境。3-60-40-20020100150200250300CVN,JTemperature,℃5060708090100SA,%forrightaxis图2不同温度条件下的系列冲击功及韧脆转变曲线3.宝钢耐海水腐蚀钢Q345C-NHY3的焊接性能3.1热影响区最高硬度试验具体试验按GB4675.5-84进行。焊条采用φ4的J507，焊接电流为170A，焊接电压为24V，焊接速度为150mm/min。焊后12h沿堆焊焊缝的中心切开，制成金相试样沿焊缝切点进行硬度分布测试。测试结果表明，板厚20mm的钢板在常温下，焊接热影响区的最高硬度为250，远远低于焊接冷裂纹倾向的临界维氏硬度350，即焊接冷裂倾向极小。3.2斜Y坡口裂纹试验具体试验方法按GB4675.1-84进行，间隙为1.9,2.0,2.1mm。电流170A，电压24V，焊接速度150mm/min。焊后48h进行裂纹检测和解剖分析，结果表明表面裂纹率、根部裂纹率%、断面裂纹率均为零，即板厚20mm的钢板在常温下进行焊接，即使在不预热的情况下焊接施工，钢材也不会产生焊接冷裂纹。3.3焊接接头的性能对焊接接头各种性能的评价，采用手弧焊和埋弧焊两种方法。手弧焊试验用J507和J506NiCu焊条；埋弧焊试验采用的焊丝+焊剂分别为：φ3.2的H10Mn2+SJ101和欧洲OERLIKONφ4的OE-SD3+OP121TT。Q345NHY-C板厚20mm，手弧焊采用对称X型坡口，坡口角度为60°，间隙为0～1mm；埋弧焊采用直Y型坡口，坡口角度为60°，间隙为1～2mm，反面碳弧气刨清根。3.3.1拉伸及弯曲试验在万能试验机上进行常温焊接接头拉伸，试验结果表明（表3），不同焊接方式下焊接接头的抗拉强度均满足对钢材的设计要求。表3不同焊接接头的拉伸试验数据接头种类第一次σb(Mpa)断裂部位第二次σb(Mpa)断裂部位面弯d=3a,α=120°手弧焊J507575母材575母材合格J506NiCu580焊缝570焊缝合格埋弧焊H10Mn2+SJ101550焊缝540焊缝合格OE-SD3+OP121TT545焊缝620母材合格3.3.2冲击试验（示波冲击）4本试验采用普通V型缺口冲击试样，在示波冲击试验机上进行。示波冲击功Ak包括裂纹形成功Ei和裂纹扩展功Ep，试验结果见表4。表4母材及不同焊接接头的示波冲击试验结果母材及接头20℃0℃-20℃-40℃母材横向Ak(Ep)302(194)311(206)268(179)215(133)纵向Ak(Ep)320(207)317(222)272(179)243(154)手弧焊J507焊缝Ak(Ei)164(72)141(74)90(67)27(23)熔合线Ak(Ei)239(81)211(76)216(80)121(62)热影响区Ak(Ei)285(101)291(92)217(85)218(81)J506NiCu焊缝Ak(Ei)173(70)154(70)85(49)85(63)熔合线Ak(Ei)195(68)191(72)145(62)68(62)热影响区Ak(Ei)264(88)192(75)171(80)152(61)埋弧焊H10Mn2+SJ101焊缝Ak(Ei)126(65)74(45)33(17)19(12)熔合线Ak(Ei)182(77)111(61)61(48)19(7)热影响区Ak(Ei)158(63)190(76)41(40)29(25)OE-SD3+OP121TT焊缝Ak(Ei)170(67)159(69)108(65)56(42)熔合线Ak(Ei)147(70)117(67)81(48)33(19)热影响区Ak(Ei)222(78)139(71)43(32)29(24)4、宝钢Q345C-NHY3低合金钢耐海水腐蚀性能4.1海水全浸及间浸实验全浸、间浸试样尺寸为100×30×3mm，对比钢种选用Q345B。海水全浸试验试样在腐蚀介质中的运动速度为1m/秒，海水间浸试验试样固定在旋转轮上，旋转轮每小时旋转1周，试样暴露在介质和空气中的时间分别为10和50分钟。试验介质为3.5%NaCl溶液，试验温度为30℃，时间为30天。0.00.20.40.60.8Q345BCorrosionrate,mm/aQ345C-NHY3fullimmersiontestperiodicalimmersiontest图3全浸及间浸条件下样品腐蚀速率对比图3为不同钢种在全浸及间浸实验条件下的腐蚀速率对比，该实验条件可以近似模拟实海环境的全浸区和飞溅区。可见，全浸条件及间浸实验条件下Q345C-NHY3腐蚀速率均低于Q345B钢。另外，Q345C-NHY3钢的显著特点是在全浸及间浸实验条件下腐蚀速率基本相当，即相对于Mariner钢，其全浸区的耐蚀性能得到进一步的改进。全浸试验与间浸试验分别模拟了钢在海水全浸带与潮差带的腐蚀情况，因此试验结果证明了宝钢生产的Q345C-NHY3无论在潮差带还是在全浸带都具有良好的耐腐蚀性能。必须5487296120100150200250300350400450500thehollowonecorrespondstotherightaxiscorrosiorate,g/m2·hQ345qDQ345C-NHY3Massgaing/m2Cyclictimes012345说明的是，加速试验结果只是在相对较短的时间内定性反映出钢材在海水中的耐腐蚀性能的好坏。在清除钢表面的腐蚀产物时，发现Q345C-NHY3钢表面的腐蚀产物与试样基体结合牢固。而普通Q345B碳钢的腐蚀产物与基体结合较为疏松。说明Q345C-NHY3表面倾向于形成与基体结合牢固的锈层，正是锈层保护作用才减慢钢材的腐蚀率。普碳钢表面不能形成这种锈层，钢的腐蚀率较高。4.2周浸循环腐蚀实验实验标准：TB/T2375，对比钢种为普碳钢Q345qD。图4周浸循环腐蚀实验结果周浸循环腐蚀实验为评价工业污染环境条件下钢耐大气腐蚀性能最基本的实验方法。由图4可知，随着循环次数的增加，普通碳钢SS400的失重量加大，呈现为近似线性关系，表明表面生成的锈层保护性能较差。而Q345C-NHY3钢随着循环次数的增加钢的失重量变化不明显。图4表明，经72次循环腐蚀后四种钢的腐蚀速率趋于稳定，表明锈层达稳定化。Q345C-NHY3钢经120次循环腐蚀后腐蚀速率继续下降，表明生成的表面锈层具有较好的保护性能。4.3盐雾实验按JISZ2371标准进