橋梁用耐候結構鋼Q355NH的研制

董中波，鄒德輝，程吉浩

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北武漢 430080）

生產技術

橋梁用耐候結構鋼Q355NH的研制

董中波，鄒德輝，程吉浩

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北武漢 430080）

以低C-Mn為基，輔以Cu、Cr、Ni等元素微合金化，配合合理的控軋控冷工藝生產，開發了橋梁用耐候結構鋼Q355NH。對試制鋼板進行了各項力學性能、焊接性能及耐大氣腐蝕性能檢驗。結果表明：Q355NH鋼強度高，韌塑性優異，焊接接頭性能優良，具有較好的耐大氣腐蝕性能，滿足橋梁用耐候結構鋼的需求。

耐候結構鋼；Q355NH鋼；耐大氣腐蝕性能

1 前言

耐候鋼，亦稱耐大氣腐蝕鋼，其特點是在鋼中加入少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素，使其在大氣中或者其他介質中具有良好的耐腐蝕性能的結構鋼，耐大氣腐蝕鋼的耐腐蝕性能為普通碳素鋼的2～8倍，并且使用時間越長，耐蝕作用越明顯［1-2］。研究表明，依耐候鋼成分不同，鋼構件使用環境不同，耐候鋼的抗大氣腐蝕能力可比普通鋼提高2～8倍，涂裝性可提高1.5～10倍［3］。

橋梁采用耐候鋼可以減少加工制造周期，節約后期涂層的維護成本，甚至可以免涂裝使用。近幾年來，隨著資源環境友好型的社會建設需求，國內橋梁建設應用耐候橋梁鋼越來越多。根據市場需求，某廠開發了橋梁用耐候結構鋼Q355NH，按照TMCP工藝生產，成本低，鋼板各項性能指標符合技術要求。

2 Q355NH鋼的試制

根據GB/T 4171—2008標準中Q355NH鋼技術條件的要求（見表1），結合橋梁工程的具體應用特點，充分考慮耐腐蝕性能需求，以低C-Mn為基礎，輔以Cu、Cr、Ni等元素微合金化，設計了Q355NH鋼的化學成分（見表2）。本次Q355NH鋼板生產厚度規格為20 mm、40 mm。

表1 Q355NH鋼技術要求

表2 Q355NH鋼設計的化學成分（質量分數）%

Q355NH鋼的成分設計主要是以C、Mn保證鋼的強度，Cu、Cr、Ni等合金元素保證鋼板的耐腐蝕性能，充分降低鋼中S含量和其他氣體夾雜，提高鋼水純凈度，使鋼板具有優良的低溫韌性。生產工藝流程：鐵水→鐵水脫硫→轉爐冶煉→RH處理→連鑄→控制軋制及冷卻→探傷→檢驗→入庫→發貨。試驗鋼采用頂底復合轉爐冶煉，真空處理充分脫氣，全程保護澆鑄，連鑄過程中控制過熱度在15～25℃，末端輕壓下處理，充分降低鑄坯偏析，提高鋼板內在質量。鑄坯加熱溫度（1 250±30）℃，采用二階段控制軋制，軋后根據鋼板厚度分檔適當加速冷卻，使鋼板獲得良好的綜合性能。

3 試制結果及分析

3.1 拉伸性能

按GB/T 228.1—2010標準要求對20 mm、40 mm厚鋼板進行了常溫拉伸試驗，試驗結果見表3。

表3 Q355NH鋼拉伸試驗結果

從表3中可以看出，Q355NH鋼具有較高的強度和塑性水平，滿足技術要求，富余量較大，鋼板板厚效應較小。

3.2 沖擊性能

對20 mm、40 mm厚度的Q355NH鋼板進行了縱向系列低溫夏比（V型缺口）沖擊試驗。測定了試驗溫度下的沖擊吸收功KV2、晶狀斷面率、側膨值，試驗分別按照GB/T 229和GB/T 12778標準規定執行。試驗結果見圖1。

圖1 Q355NH鋼板縱向系列低溫夏比（V型缺口）沖擊試驗

由結果可見，按照KV2為50%平臺能所對應的溫度（vTE）、晶狀斷面率為50%時所對應的溫度（vTS）、側膨脹值為0.38 mm時所對應的溫度（vT0.38）3個判據，確定的韌脆轉變溫度均低于-60℃，說明Q355NH鋼低溫沖擊韌性優良。這對橋梁的使用提供了一定的安全保證。

3.3 金相組織檢驗

在20 mm、40 mm厚鋼板沖擊樣上切取試樣，經過鑲嵌、研磨、拋光機侵蝕后，在奧林巴斯GX71金相顯微鏡下觀察組織，結果見圖2。同時，制作薄膜試樣，在日本電子JEM-2100FX II型透射電鏡下觀察其精細組織，結果見圖3。

圖2 不同厚度規格Q355NH鋼金相組織

圖3 Q355NH鋼精細組織（40 mm規格）

從圖2、圖3可以看出，試樣主控組織為鐵素體+珠光體，鐵素體的比例在60%左右，軟質項鐵素體和硬質相珠光體的合理匹配，使鋼板獲得較高的強度和韌性，并具有較低的屈強比。珠光體呈片層狀，間距較小，使組織得到細化，對鋼板強韌性均有益處。試樣位錯密度較大，表明鋼板強度較高。有極少量含有Fe、Mn和少量Cr的滲碳體顆粒析出，尺寸為100 nm左右，該尺寸的滲碳體可認為是鋼中的強化相，對強度起到一定的強化作用，如果尺寸進一步擴大，將對鋼的韌性和塑性產生較壞的影響。

3.4 焊接性能

選取40 mm厚Q355NH鋼板進行了埋弧、氣體保護及手工3種方式的焊接試驗，焊接材料、工藝參數及焊接接頭的力學性能見表4。

表4 40mm規格（縱）Q355NH鋼焊接工藝參數及接頭力學性能

由表4中數據可以看出，Q355NH鋼板具有優良的焊接性能，3種焊接方法及不同線能量焊接接頭均具有優良的接頭綜合性能，3種焊接方法對焊接工藝規范具有較好的適應性，能滿足橋梁用鋼的焊接技術條件要求。

3.5 耐腐蝕性能

目前一般采用室內周浸試驗模擬金屬材料在大氣中的真實條件，可以模擬不同的工業環境，在較短的周期內獲取試驗鋼的耐腐蝕性能數據，為設計和生產帶來便利。此次試驗模擬的環境為工業性大氣，對比鋼為Q345B和ASTM A588 Gr.A，按TB/ T 2375標準規定執行。試驗溶液為1.0×10-2mol/L NaHSO3；補給溶液為2.0×10-2mol/L NaHSO3；試驗溫度（45±2）℃；相對濕度70%±5%；周浸輪轉速1圈/60 min。該試驗標準溶液是模擬地面酸雨環境，鋼板使用環境為地面上。

采用3塊試樣平行試驗。腐蝕前，試樣用電子天平稱重，測量尺寸；腐蝕后，肉眼觀察腐蝕產物。按GB/T 5776，用機械方法去除腐蝕產物（不損傷基體），再浸入酸中清洗腐蝕產物（酸液配比：比重為1.1的HCl 500 mL，六次甲基四胺20 g，加水至1 L），在50℃下除凈后，取出用自來水沖洗干凈，放入無水酒精中浸泡脫水，取出及時吹干，放在干燥器中24 h后在電子天平上稱重。試驗結果見圖4、圖5。

圖4 腐蝕率與試驗時間的關系

圖5 相對耐蝕性與試驗時間的關系

1）隨著腐蝕時間的增加，Q355NH鋼和對比鋼的腐蝕率減小，長期腐蝕行為有相同的趨勢。這與工業性大氣環境下的電化學反應過程有關。在工業性大氣環境下，腐蝕初期的電化學反應為：HSO3-+ H2O—SO32-+H+，pH值減小，故腐蝕嚴重；腐蝕后期，SO32-+O2+2H+—SO42-+H2O，pH值增大，故腐蝕減緩。

2）Q355NH鋼的耐腐蝕性能明顯優于Q345B鋼，與ASTM A588 Gr.A鋼相當。3種鋼腐蝕初期的腐蝕率相差較大，后期腐蝕速率減緩，且腐蝕后期腐蝕率差別減小。Q355NH鋼和ASTM A588 Gr.A鋼中均含有Cu、Cr、Ni等合金元素。其耐腐蝕性能較好與這些合金元素及銹層結構是分不開的。根據表面富集學說的理論，在銹層中，Cu等合金元素富集在銹層的表面，即富集與靠近基體金屬的銹層中，從而改善了銹層的保護作用，提高了鋼的耐大氣腐蝕性能；Cr是熱力學不穩定元素，其腐蝕電位比Fe低，但很容易鈍化，在能實現合金鈍化的條件下，合金中Cr含量愈高，鈍化越容易發生，腐蝕率愈小。此外，Cr在Fe中可以無限固溶，形成無限固溶體。因此，在腐蝕過程中，Cr可以在銹層中形成Fe-Cr的多元合金氧化物，也可以在銹層的微裂紋處、晶界處富集。合金元素的富集，堵塞了外部介質通往基體的道路。同時，促使銹層生長致密，大大延緩了基體的腐蝕速率［4］。Ni在鐵基合金中常用來增加合金的熱力學穩定性，從而提高耐腐蝕性能。

4 結束語

以低C-Mn為基，輔以Cu、Cr、Ni等元素微合金化，通過轉爐冶煉+爐外精煉，控軋控冷工藝生產，開發了橋梁用耐候結構鋼Q355NH；Q355NH鋼各項力學性能指標滿足技術要求。鋼板強度高，板厚效應較小，低溫沖擊性能優異，焊接接頭性能優良。其主控組織為“鐵素體+珠光體”，組織結構中元素的析出不明顯；周浸試驗顯示，與對比鋼Q345B和ASTM A588 Gr.A相比，Q355NH鋼耐大氣腐蝕性能明顯優于普通低合金鋼Q345B，與耐大氣腐蝕用鋼ASTM A588 Gr.A相當。

Q355NH鋼試制成功以后，批量生產5 000余t，先后應用于港珠澳大橋、蘭州西固橋及部分城市路橋工程，產品質量優良，完全滿足用戶的技術要求。

［1］于千.耐候鋼發展現狀及展望［J］.鋼鐵研究學報，2007，19（11）：1-4．

［2］夏志升，王新志，張振申，等.低成本厚規格耐候鋼Q355NHD的生產實踐［J］.河南冶金，2015，23（6）：15-17.

［3］陳小波，陳建華，朱永寬，等.SPA-H耐候鋼軋制工藝研究［J］.河南冶金，2011，19（5）：28-29.

［4］張全成，吳建生，鄭文龍，等.合金元素的二次分配對耐候鋼抗大氣腐蝕性能的影響［J］.材料保護，2001，34（4）：4-7.

Research and Development of Atmospheric Corrosion Resisting Structural Steel
Q355NH for Bridge

DONG Zhongbo,ZOU Dehui,CHENG Jihao
（Research and Development Center of WISCO,Wuhan 430080,China）

Atmospheric corrosion resisting structural steel Q355NH for bridge was developed by using low C-Mn as the base,and Cu, Cr,Ni elements were used to controlled rolling and cooling process.The mechanical properties,welding performance and atmospheric corrosion resistance of the steel plate were tested.The results show that the Q355NH steel had high strength,excellent toughness, excellent welding joint performance and better resistance to atmospheric corrosion performance,which could meet the requirements of atmospheric corrosion resisting structural steel Q355NH for bridge.

atmospheric corrosion resisting structural steel;Q355NH steel;atmospheric corrosion resistance

TG142.1

A

1004-4620（2017）01-0009-03

2016-09-09

董中波，男，1980年生，2003年畢業于武漢科技大學冶金工程專業，碩士。現為武鋼研究院高級工程師，從事橋梁用結構鋼的研發工作。