Cu、Ni在低合金钢中的应用概况

1、Cu、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. 19101911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.

2、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.标化学成分，%公准适轧司用材钢号与厚名度状CSiMnPSCu T

3、iNiCrRE*称实mm态际标1.0W0.0050.06W0.030W0.准冷20.3122.585武 06CuPR轧055钢E实1.0板0.0630.010.20.00327819际0.020.30.022.08830.11845标2.3W050.07W5W5准热 八、0.120.040.30.01512203武 09CuTi轧055钢RE0.010.20.00.02实2.3板4220.075610际0.0180.030.30.00.0312932

4、042标2.5热 八、W000.07W5准0.10.04鞍08CuP6.0轧20.400.500.1200.45钢实板0.010.36.00.095际116300.20.3标WWW冷0.1000.070.04550准2.5鞍 09CuPC轧00505钢rNiB实1.2板0.0910.0际01262442.5W0.10.2W标W0.1000.070.04550准2.5冷武 09CuPC轧00505钢r

5、NiB0.0760.0实2.0板4413149际0.0920.02.5682JP3662热 八、0.20.3标2.0WW武 09CuPC轧500.07550钢准0.10.04rNiB12板505050.02.0实4030.07 0995际0.10 0.0120720505Cu、Ni作为合金元素对耐大气腐蚀性能的影响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

6、 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1 Cu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

7、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.3 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2 Cu和添加P对钢的耐大气腐蚀性能的影响NiNi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.Cu、Ni对钢机械性能的影响3.1 Cu低合金钢中添加较多的Cu主要是用来提高钢的强度和耐

8、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8 -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：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150200MPa，抗拉强度提高160170MPa；（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

9、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.NiCu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.Cu、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

10、钢卷板厚度为1.2mm12.7mm），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全球状，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

11、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（如在结品器中加稀土），及控

12、 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有明显的效果.Cu对HSLA

13、钢的强韧性有明显的影响，Cu含量增加，钢的强度提高，韧 性有所降低.而时效温度是影响低碳HSLA钢力学性能的关键因素，时效温度越 高，合金元素对力学性能的影响越小.Cu会产生热加工敏感性(网裂)，对薄板坯连铸连轧有所制约，但通过调 整钢水成分，降低钢中S、P、0、N的含量，添加1/2Cu含量的Ni，及在结品器 中加稀土等措施可防止网裂.Cu、Ni是难氧化元素，在冶炼过程中不能去除，所以应通过严格控制入 炉原料和合理的配料来控制这些元素.合金模具钢的合金元素主要起什么作用？合金元素所起的作用有以下几个方面。1对临界点的影响 Mn、Co、Ni、C、Cu、N等元素合A3温度下降，A4温度升高；V、C

14、r、Ti、Mo、W、 Al、P、Sn、Sb、As、B、Zr、Nb、Ta、S、Ce等元素使A3温度升高，A4温度下降。对铁-碳合金临界点的影响 Mn、Ni、C、Cu、N等元素使铁碳相图中的S点和E点向下并向左移，A3 线(GS 线)也向下移(Co 除外)；V、Cr、Ti、Mo、W、Al、P、Sn、Sb、As、B、Zr、Nb、Ta、S、Ce 等元素使S点和E点上升并向左移。与模具钢中晶体缺陷的相互作用一些合金元素与晶界结合，形成晶界偏聚；与位错结合形成柯垂耳气 团。对钢的组织及性能产生影响，如产生晶界强化、出现晶界脆性、出现晶间腐蚀等。对C、N形成碳化物、氮化物Ti、Zr、Nb、V为强碳化物形成元

15、素，W、Mo、Cr为中强碳化物形成元 素，Mn为弱碳化物形成元素；Ti、Zr、Nb、V为强氮化物形成元素，W、Mo为中强氮化物形成元素，Cr、 Mn、Fe为弱氮化物形成元素。碳化物与氮化物作为钢组织中的强化相，起到提高强度、硬度与耐磨性以及 细化晶粒的作用。 固溶于基体组织中起固溶强化作用 碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等与非碳化物 形成元素Ni、Si、Al、Co、Cu、P、S、N等，在高温时能固溶于奥氏体中，相变后遗留固溶于室温组织中， 对基体组织起固溶强化作用。 对C曲线影响 非碳化物形成元素Ni、Si、Al、Cu以及弱碳化物形成元素Mn等使C曲线右移而不改 变曲

16、线形状。Co使C曲线左移。碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等不仅使C曲线右移而且使其形状改变 为具有上、下两面三刀个“C”形曲线。提高临界点的元素如Si、Al、Co、Cr、Mo、W、V等使C曲线的“鼻 子”向上移动，降低临界点的元素如Mn、Ni、Cu等则使C曲线的“鼻子”向下移动。 对奥氏体化的影响 合金元素的加入提高了钢奥氏体化温度和延长了奥氏体化的时间。Al、Ti、Nb、V 元素强烈阻止了奥氏体晶粒长大，W、Mo中等阻止奥氏体晶粒长大，C、P、Mn (高碳时)促进奥氏体晶 粒长大。合金元素对过冷奥氏体转变影响Ti、Nb、V、W、Mo等强和中强碳化物形成元素强烈推迟珠光体转变， 推迟贝氏体转

17、变较少；升高珠光体转变温度范围，降低贝氏体转变温度范围，明显出现珠光体和贝氏体两 条C曲线。铭和锰等中、弱碳化物形成元素强烈推迟珠光体转变，推迟后者更显著，因而出现了另一种两 条C曲线形式。非碳化物形成元素铝和硅都增加过冷奥氏体的稳定性，而推迟贝氏体转变更强烈。镍强烈推迟珠光体转变， 钻降低过冷奥氏体的稳定性。但镍和钻不改变碳钢C曲线的形状。钢中晶界偏聚强烈的元素如硼、磷、稀土等元素使先共析铁素体转变显著推迟，对珠光体和贝氏体转变推 迟较弱，但不改变碳钢C曲线的形状。 对马氏体转变的影响 多数合金元素使马氏体点MS降低，其中Cr、Mn、Ni元素的作用最强。只有Al、 Co元素是提高马氏体点MS的，Si元素则影响不大。对回火组织转变的影响多数合金元素推迟马氏体在第二阶段的分解，阻止碳化物的分解和聚集，升高 残余奥氏体的分解温度，改善钢的回火稳定性。同时合金元素也催了二次硬化、二次淬火现象。对工艺性的影响加入大量的合金