低合金耐蝕鋼在碳素鋼的基礎上為改善鋼的耐蝕性能，添加適量的一種或幾種合金元素的低合金鋼。
基本介紹
- 中文名：低合金耐蝕鋼
- 外文名：lowalloycorrosionresistingsteel
- 基礎：碳素鋼
- 添加：一種或幾種合金元素的低合金鋼
- 特點：強度提高的同時韌性和焊接性變壞
低合金耐蝕鋼(lowalloycorrosionresistingsteel)
該鋼種的主要特點是，在不同腐蝕環境中的耐蝕性能明顯優於碳素鋼和其他普通低合金鋼。但是為改善鋼的耐蝕性能添加的合金元素。往往使鋼的強度提高的同時韌性和焊接性變壞。這對低合金耐蝕鋼的研究增加了許多困難，其開發套用和發展受到了阻礙，因此低合金耐蝕鋼的研究雖然已有半個多世紀的歷史，但尚未形成完整的體系，仍處於發展之中。
該鋼種尚無統一分類標準，按其耐蝕性特點和使用領域可分為耐大氣腐蝕低合金鋼、耐海水腐蝕低合金鋼，耐鹽滷腐蝕低合金鋼、耐硫化物應力腐蝕低合金鋼、抗氫腐蝕低合金鋼和抗硫酸露點腐蝕低合金鋼。
耐大氣腐蝕低合金鋼耐大氣腐蝕鋼又稱耐候鋼。有關鋼材大氣腐蝕的試驗研究始於20世紀初，1916年，由美國材料試驗協會對260種試驗鋼，在不同大氣環境條件下，進行大氣腐蝕試驗。首先被證實的是鋼中銅元素的抗大氣腐蝕效果。爾後，進一步證實了鋼中的磷對耐蝕性的相應效果。1929年，美國鋼鐵公司對大約300種鋼進行大氣腐蝕試驗，開發了世界上第1個銅一磷一鉻一鎳系耐大氣腐蝕鋼，命名為科爾坦鋼(cor-Ten)。在該鋼中含有的主要合金元素銅、磷、鉻和鎳的含量均僅是百分之零點幾，但其耐蝕性卻為碳素鋼的好幾倍，因此在世界各國都獲得了廣泛的套用。隨後各國相繼進行了cor-Ten鋼的仿製和改良工作。發展了許多種耐大氣腐蝕的低合金鋼。
中國耐大氣腐蝕鋼的研製工作主要是結合國內資源條件，始於含銅鋼。1964年試製的16Mncu首先套用於油輪、橋樑和車輛上。至今已有許多牌號納標投產使用。除含銅鋼外，還研製出了含磷和錳銅系列鋼種。
牌號 耐大氣腐蝕低合金鋼的牌號很多，但大都含有銅和磷，如屬銅一磷一鉻一鎳系的美國cor-Ten鋼，在該系列鋼的基礎上去掉磷的鉻銅鎳系鋼(如英國的BS968(鉻銅鎳錳)、前蘇聯的NM(鉻鎳錳銅鈦)和15XCHπ(鉻矽鎳銅)等。在Cor-Ten鋼的基礎上去磷和鎳的鉻銅系鋼，如日本的SMA_41A、B、C(鉻銅)和美國的cor-TenB(鉻銅釩)等。結合國家資源開發的中國的錳銅系鋼和磷系鋼。前者有16錳銅、10錳銅矽、09錳銅鈦及15錳銅等鋼。後者有磷鈮、磷釩、磷稀土等鋼。
腐蝕特點 碳素鋼在大氣環境中容易發生腐蝕、其腐蝕速度與環境因素關係極大。在污染程度輕微的鄉村田野大氣環境中的腐蝕速度較緩慢，在工業大氣環境中，由於SOz、H2S、HN()3、C02、N0和HCl等污染成分的增多，在水分的促進下，其腐蝕速度比鄉村田野環境高1～2倍；在海洋大氣環境中，由於含有氯化物(如NaCl、MgCl2等)的微粒隨海霧飄落於鋼表面、形成一種電解質的濕膜，加劇腐蝕作用，使其腐蝕速度則比工業大氣環境更嚴重。
為減輕大氣腐蝕損失，在鋼中添加合金元素，改善鋼的耐蝕性能方面進行了大量試驗研究工作，開發了多種耐大氣腐蝕低合金鋼。
合金元素 的作用碳素鋼在大氣環境中最初腐蝕發展很快，但在鋼表面形成銹層後，該銹層起著保護作用，使腐蝕速度有所減慢，但由於其銹層疏鬆多孔，與鋼表面的粘結性很差。容易剝落使腐蝕速度進一步加速。
當鋼中含有銅、磷、鉻、鉬、鎳等耐蝕效果好的合金元素時，由於這些合金元素能夠富集於銹層，促使非晶態銹層的形成，改善銹層結構，提高緻密度和對鋼表面的粘結性，增強與大氣的隔離作用，從而減緩了腐蝕速率，提高了鋼的耐蝕性能。
在上述合金元素中，銅是改善鋼的耐大氣腐蝕性能最好的合金元素。含有0.2%～0.5%銅的鋼已在大氣環境中呈現顯著的耐蝕效果。對其機理的說法不一，前蘇聯托馬曉夫(ToMA山0B)等認為，鋼與表面二次析出的銅之間的陰極接觸，能促使鋼的陽極化，並形成保護性較好的銹層。也有人認為，銅在基體與銹層之間形成以Cu0為主要成分的、與基體結合牢固的阻擋層。也有人認為銅和磷等合金元素改變了銹層的吸濕性，從而提高了臨界濕度。因而有利於提高鋼的耐蝕性能。
磷在鋼中提高耐大氣腐蝕方面起著特殊作用，這可能是與磷促使非晶態組織銹層的形成方面具有獨特效應有關。當磷與銅同時加入鋼中時，其複合效應更顯著。如美國cor-Ten鋼就是在銅一磷基礎上再加鉻和鎳元素組成的。
鉻主要是在改善鋼的鈍化能力方面具有明顯效果。當鉻和銅共存於鋼中時，其效果更顯著。
鉬的耐蝕效果也顯著，在銅一磷系鋼中，加入鉬比鉻和鎳的效果更明顯。其作用主要是改善銹層性質，也能促使非晶態氧化物銹層的形成。
鎳主要是與其他合金元素同時加入時，對改善銹層結構方面起著有利的作用。
矽主要富集於鋼表面，提高銹層的穩定性，提高耐蝕性能。尤其在有應力作用的環境中，能阻礙鋼的應力腐蝕破裂的進程。
耐海水腐蝕低合金鋼 在海水和海洋環境中具有耐蝕性的低合金鋼。此鋼屬海洋用鋼中的一個重要鋼類。其特點是在海水和海洋環境中的耐蝕性能明顯優於碳素鋼、普通低合金鋼和普通海洋用鋼，主要適用於海港設施和淺海區海洋工程設施上。海洋工程設施除了遭受海水腐蝕外，還遭受巨大風浪的衝擊。因此對這種材料的要求除了耐蝕性外，還應具備較好的綜合力學性能，焊接性和製造工藝性能。但是，為提高材料的耐蝕性能而添加的合金元素，往往在提高強度的同時，也使鋼的韌性和焊接性變壞。
耐海水腐蝕低合金鋼的研究工作始於20世紀30年代，1933年首先由英國鋼鐵學會的赫德森(Htudson)對60種鋼進行了試驗研究。從1946年開始美國鋼鐵公司對各種低合金鋼進行海水腐蝕試驗，50年代初研製成功了世界上第一個銅一磷鎳系耐海水腐蝕低合金鋼、命名為馬麗娜鋼(Mariner)。該鋼種從60年代起開始在市場上出售，廣泛套用於世界各海域的海港和海洋工程設施上。
馬麗娜鋼的主要特點是在海洋環境的飛濺帶(位於海洋潮差帶以上，有海水飛濺的地區)中的耐蝕效果特別顯著。但在全浸帶(海水中)的耐蝕效果不太明顯，同時因鋼中含有較高的磷含量(0.08%～0.15%)，焊接性差。其使用受到限制，只能用在鋼樁等不施焊的海洋工程設施上。接著法國的逢皮爾(Pompey)鋼廠研製出與馬麗娜鋼完全不同的鉻一鋁系的APS系列的耐海水腐蝕低合金鋼。以後各國研製的耐海水腐蝕低合金鋼陸續問世。現在已有多種鋼套用於世界各個海域。其中日本發展最快。主要是在仿製上述鋼的同時，針對馬麗娜鋼因磷含量高、韌性和焊接性能差等問題，採取了降磷等措施，開發出耐蝕性和焊接性能均好的一系列改良型鋼種。前蘇聯主要是結合船舶腐蝕問題開發了鉻一銅、鎳一矽系鋼，中國主要是結合國內資源條件研製出了銅系和磷一釩、磷一鈮系鋼。
牌號目前耐海水腐蝕低合金鋼有很多牌號。按化學成分分類可分為銅一磷，鉻一銅和鉻一鋁3大系列。屬銅磷系的典型鋼種有美國的銅磷鎳(馬麗娜)、日本的銅磷鉻(KK マリン C)、中國的錳銅磷、鋁銅磷和鎳銅磷等；屬鉻一銅系的典型鋼種有日本的鉻銅鋁(KKマリン C50)、前蘇聯的鉻銅鎳矽(CK一4)、中國的鉻銅鉬砷等；屬鉻一鋁系的典型牌號有法國的APS鋼系列的Cr4Al，(APS20)、Cr4A1Mo(APS20M)，Cr4AlMoNi(APS25)和中國的cr4A1MoNiCu等鋼。此外還有中國的磷鈮，磷釩、鎳銅砷及英國的crMoNi3(QIN)等牌號。
合金元素作用鋼材的耐蝕性能主要取決於鋼的化學成分，但是由於各合金元素在不同海洋環境條件(海洋大氣、飛濺帶、潮差帶、全浸帶和泥漿帶)下的耐蝕效果不同，各牌號在不同海洋環境條件下的耐蝕性能有很大的差異。加上由試驗方法不同而造成的誤差等影響，其腐蝕試驗結果必然是不同的。因此對合金元素的耐蝕效果有不同見解。但大多數人認為鉻、鋁、鉬、磷、矽和銅等元素是提高耐蝕性的最基本的合金元素。其中，鉻和鋁在全浸帶中的耐蝕效果最佳。磷和銅在飛濺帶和海洋大氣中的耐蝕效果最顯著。鉬主要是提高耐點蝕性能。矽改善耐蝕性能，尤其抗應力腐蝕破裂的效果很顯著，上述元素的適當的組合可進一步發揮綜合效果。另外，加入適量的鈦、鈮、鋯、砷、錫和釔等元素均可進一步改善鋼的耐蝕性。
發展趨勢耐海水腐蝕低合金鋼的發展主要是朝著以鉻和銅元素為中心，與鋁、鉬、磷和鎳等主要元素]60相結合，改善不同海洋環境條件下的耐蝕性的同時，再將鈦、鈮、釩、鋯、砷、錫和釔等元素作為微量輔助元素，添加其中的一種或幾種元素，進一步改善耐蝕性或其他某些性能的方向發展。另一傾向是向去磷或降磷和提高鉻的方向發展。如Cr2和Cr4系鋼的發展是典型例子。
這些耐海水腐蝕低合金鋼，雖然具有較好的耐蝕性和較高的屈服強度，但尚不能在各種高溫海水和受很高壓力的深海容器等設備上安全使用。
耐鹽滷腐蝕低合金鋼在鹽滷滷水介質中，具有較好的耐蝕性的低合金鋼。該類鋼主要特點是在製鹽生產工藝介質一滷水介質中的耐蝕性能明顯優於碳素鋼和普通低合金鋼，適合於用作真空製鹽裝置、海鹽和湖鹽鹽田設施，生產設備以及采鹵、輸鹵管道等各種製鹽工業設施上。
這些鹽滷介質與海水相比，只是其濃度高、主成分複雜，但都是含氯離子(C1)的中性鹽介質。從對材料的腐蝕特性角度看它們都屬同一類的腐蝕介質。因此耐鹽滷腐蝕低合金鋼是在耐海水腐蝕低合金鋼的基礎上發展起來的，如法國和中國的鉻一鋁一鉬系鋼。
耐鹽滷腐蝕低合金鋼是正處於發展中的新鋼類，尚未形成完整的鋼類系列。當前已推廣使用的主要牌號有法國的APS鋼系列(如Cr2A1Mo、Cr4A1Mo、Cr4AlMoNi等)以及中國的鉻一鋁一鉬系列鋼(如cr-MoAl、Cr2MoAlRE、Cr3Al、MoNiCu和Cr4A1MoNiCu等)。
上述鋼已分別使用於真空製鹽裝置、海鹽鹽田設施和鹽湖資源開發工程設施上。其耐蝕性可達碳素鋼的1～10倍，這些鋼都屬於鉻一鋁一鉬系的鋼種。這說明鉻、鋁和鉬等元素是提高耐鹽滷腐蝕低合金鋼耐蝕性的最基本的合金元素。
耐硫化物應力腐蝕低合金鋼 在含有硫化物介質環境中具有耐蝕性的低合金鋼。鋼材在硫化物介質中，在拉應力作用下的腐蝕破壞主要是應力腐蝕破裂。碳素鋼在含有硫化氫(H2s)的介質中容易發生應力腐蝕破裂(SCC)，這是因為在該介質中由分子態的硫化氫(H2s)生成大量的原子氫(比生成分子氫更容易)首先被吸附於鋼表面，然後向鋼內部滲入，聚集在拉應力部位或顯微缺陷部位(析出物、夾雜物、空洞、晶界等)，促進金屬脆化開裂。這種開裂現象稱為氫脆性的硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)。
硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)一般在常溫下容易發生，最敏感溫度為30℃左右，在含有H。S溶液的pH值為3～4時發生開裂的敏感性最大。隨著材料屈服強度σs 或屈強比σs /σb仉值的增高，材料變形速率的減小和材料陰極極化的增加，使發生開裂的敏感性越大。從材料本身的組織特性分析，粗大的馬氏體組織對SS-CC的敏感性最大。但是經高溫處理後，可使硫化物球狀化，分布均勻，抗SSCC性能顯著提高。
消除SSCC敏感性、改善抗硫化物應力腐蝕性能的主要措施有：採用高溫回火或長時間低溫回火，降低碳含量、添加合金元素、提高鋼的純淨度和組織均勻性等。
合金元素作用關於合金元素的作用，多數人認為，鋼中的鉬、鈮、釩和稀土類等元素均有明顯地提高抗SSCC性能。鎳與硫、磷一樣有強烈促進SSCC的傾向。其他元素的作用不大明顯。
牌號及其套用本鋼類主要使用於油、氣井開採及其他含有H2S介質環境中使用的各種石油化工設備上。
當前世界上通用的鋼主要是錳鋼和鉻鉬鋼兩大系列。在錳鋼系列中包括中國的30Mn2、35MnSi、40MnMoNb、40MnMoCrv和前蘇聯、美國等國的類似的牌號，在鉻鉬鋼系列中包括中國的12CrMoV、25Cr2MoV、12CrMoAIV和前蘇聯、法國等國的類似的牌號。此外還有中國含鋁的15A13MoWTi等特殊系列鋼。
抗氫腐蝕低合金鋼在含氫的高溫、高壓氣氛介質中具有較好的耐蝕性的低合金鋼。在含有氫、氮和氨的高溫、高壓氣氛中運行的石油和化工設備上，往往出現由氫引起的氫脆開裂現象，其原因主要是因原子氫擴散到鋼材裡面與滲碳體中的碳作用生成甲烷(Fe3C+2H⇔3Fe+CH4)。由於氫和碳的作用不僅使鋼脫碳引起鋼的組織發生變化，而且因所產生的甲烷在鋼中的溶解度小、擴散能力差、不易從鋼中排出，而以高壓狀態聚集在晶粒的邊緣。使鋼產生沿晶界的顯微裂紋，並降低了鋼的強度、韌性和塑性，直至發生開裂。
防止開裂的主要措施是降低碳含量、減少鋼中與氫作用產生甲烷的碳含量，但過低的碳含量使材料的強度過低，其使用範圍受到限制。另一措施是添加鉻、鎢、釩、鈮和鈦等強碳化物形成元素，與鋼中碳形成碳化物、減少與氫作用的碳含量，保證材料強度。
抗氫腐蝕低合金鋼的研究工作早在1922年由德國首先研製出N鋼系列(N1～N10)低合金鋼，其主要成分以鉻為主，配入鉬、鎢、釩或鈦等元素，含碳量一般控制在0.2%以下，為提高耐熱性能還加1.0%～1.5%矽，這些鋼至今仍廣泛使用。
現用抗氫腐蝕低合金牌號主要是10CrMoNb、10CrMoTi、10crMoV、12Cr3MoA、20Cr3MoWV等鉻一鉬系鋼和10MoWVNb、10MoVNbTi、08SiwMoTiNb等不含鉻的鉬系鋼種。
抗硫酸露點腐蝕低合金鋼 在硫酸露點腐蝕發生的環境中具有耐蝕性的低合金鋼。硫酸露點腐蝕指的是，在採用高硫燃料(重油、煤等)的鍋爐煙氣中含有的SO3，在低於硫酸露點溫度的鍋爐低溫部位(空氣預熱器、煙道及煙囪等)，與水汽結合成為H2SO4、凝集於鋼材表面發生硫酸腐蝕的現象。
腐蝕機理關於硫酸腐蝕機理，日本人小若等認為，隨著鍋爐的運行可分為3個階段。第1階段(指運行初期和停運時)為在較低溫度(≤80℃)和低濃度(≤60%H2SO4)硫酸介質中的硫酸腐蝕，是處於活化態的電化學腐蝕。第2階段(指正常運行期)為高溫(～160℃)、高濃度(約85%)硫酸腐蝕，也是處於活化態的電化學腐蝕。第3階段的溫度和濃度與第2階段相同，但是含有大量未燃燒的碳微粒，在碳微粒的催化氧化作用下，使Fe托氧化為Fe粕離子。產生大量的Fe離子，使耐蝕鋼(含有鉻或硼的銅鋼)出現第1次鈍化、腐蝕速率降低，但非耐蝕鋼卻不鈍化。腐蝕速率仍很高。
合金元素作用合金元素在上述3個階段中，對材料耐蝕性的影響不同。在第1階段有效的元素有硫、錫、砷、銻和矽等。當含硫量為0.01%～0.035%時效果最佳。有害元素為磷、釔、鋯、鎢、鈦和鉻(>5%)。在第3階段中的有效元素為鉻和硼。在銅一鉻系鋼中si≥0．8%，在銅一硼系鋼中V≥0.40%，在銅鋼中的銻和砷超過0.1%時，都起著有害作用。
雖然合金元素在上述腐蝕過程各階段中的作用不同，但是由於第1階段的時間短、對整個腐蝕過程影響不大，因此鋼材的硫酸露點腐蝕速率主要取決於第2和第3階段，尤其是第3階段。所以對第2階段，尤其是第3階段起著耐蝕作用的合金元素更為重要。
牌號各國採用的耐硫酸露點腐蝕鋼主要是含銅鋼。主要牌號有：中國的09Cu、09CuWSn，日本的10CrCu(CRIA)、12CrCuAl(TAICC)R-S)、12CuSb(S-Ter-1)、12CrCuNiSbSn(NAC一1)、12CrCuNiNb(RIV-ER-TEN41s)和美國的碳含量在0.05%以下的CuMo鋼(A83-61T)等。
