酒鋼超純鐵素體不銹鋼J445毛化面的研制開發(fā)

高仁強(qiáng)，劉 燕，陳安忠，任娟紅

（酒鋼宏興鋼鐵股份有限公司鋼鐵研究院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

1 概述

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的推進(jìn)與大氣污染的加重，不銹鋼面板材料在建筑幕墻領(lǐng)域得到了更加廣泛地應(yīng)用。大型體育館、博物館、機(jī)場航站樓等標(biāo)志性公共建筑和旅游設(shè)施建筑面積大、屋面跨度大、使用年限長、建筑美學(xué)要求高，對建筑裝飾材料要求極高。超純鐵素體不銹鋼由于其綜合性能好、比強(qiáng)度高、比剛度大而成為建筑結(jié)構(gòu)采用的“輕型材料”；由于耐腐蝕、外觀精美、無毒、晝夜溫差變形小、安全可靠而成為環(huán)境友好型材料；還由于使用壽命長、不需或很少需要維護(hù)、回收率高、再利用率可達(dá)100%而成為成本效益高的材料。該材料可以讓建筑立面長期保持初始質(zhì)感，降低建筑立面維護(hù)成本，對建筑外立面的現(xiàn)代化氣息進(jìn)行強(qiáng)化，滿足裝飾性、耐蝕性、可循環(huán)性、成本優(yōu)越性、低熱膨脹性等特點(diǎn)，為不銹鋼在建筑工程的全面應(yīng)用提供了廣闊的前景和發(fā)展機(jī)遇。為滿足建筑裝飾用高耐蝕性鐵素體不銹鋼的市場需求，豐富產(chǎn)品品種，提升產(chǎn)品競爭力，酒鋼不銹鋼適時(shí)開發(fā)了J445，并利用集團(tuán)公司現(xiàn)有鋼板毛化設(shè)施，開發(fā)出了防眩光污染、漫反射效果較好的毛面板，該開發(fā)產(chǎn)品成功應(yīng)用于某大型機(jī)場屋面。該材料的成功開發(fā)，對不銹鋼產(chǎn)品在建筑幕墻中應(yīng)用、濱海環(huán)境中的建筑物屋面板和建筑物外裝修結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用進(jìn)行研究，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

2 J445合金成分設(shè)計(jì)及毛化工藝選擇

表1為酒鋼研制開發(fā)J445超純鐵素體不銹鋼成分。為滿足沿海地區(qū)苛刻腐蝕環(huán)境下的耐蝕性要求，需要成分具有高點(diǎn)蝕當(dāng)量PRE(鐵素體不銹鋼P(yáng)RE=%Cr+3.3%Mo，奧氏體不銹鋼P(yáng)RE=%Cr+3.3%Mo+16N)。有研究表明[1-3],單獨(dú)添加Cr至24%也無法完全避免銹蝕的發(fā)生，因此需要同時(shí)添加Cr和Mo才能得到高點(diǎn)蝕電位。高Cr含量有利于形成穩(wěn)定、致密的鈍化膜，添加Mo形成的MoO42-可以阻止氯離子的滲透，從而提高抗點(diǎn)蝕能力。為改善耐晶間腐蝕性能需要盡可能降低C、N間隙元素含量，同時(shí)添加Ti、Nb穩(wěn)定元素。由于J445產(chǎn)品在最終加工中會涉及焊接加工，而Nb元素的固溶拖拽以及析出第二相均會阻止熱影響區(qū)晶粒過分長大，因此為保證焊縫質(zhì)量需要多添加Nb。

表1 酒鋼開發(fā)研制開發(fā)J445超純鐵素體不銹鋼典型成分（單位 wt%）

為了防止眩光污染，需要對J445冷軋產(chǎn)品進(jìn)行毛化處理。帶鋼毛化表面是通過毛化軋輥在帶鋼軋制中反向復(fù)印形成的，帶鋼表面形貌是由軋輥表面形貌直接傳遞、“衰減性復(fù)制”過程，工作輥的表面形貌是冷軋帶鋼表面形貌的決定性因素之一。不同的毛化工藝，表現(xiàn)出不同的潤滑、磨損和復(fù)印等工作特性。目前軋輥的毛化加工方式主要有3種，噴丸毛化(SBT)、電火花毛化(EDT)和激光毛化(LT)。電火花毛化（EDT）是目前應(yīng)用最廣、效果相對較好的毛化技術(shù)，通過軋輥表面和電極通電后產(chǎn)生自激放電作用，在軋輥表面形成凹坑和針狀尖峰。酒鋼選用電火花毛化（EDT）對軋輥表面進(jìn)行毛化處理，軋輥毛化輥信息見表2。

表2 軋輥毛化輥信息

3 J445組織與性能

3.1 組織

酒鋼J445為超純鐵素體不銹鋼，室溫及高溫狀態(tài)下均為鐵素體組織、無相變發(fā)生。圖1為熱軋板退火后組織。從圖1中可以看出組織均為等軸晶，無軋制條帶，再結(jié)晶充分。

圖2為冷軋板退火組織。從圖2可以看出冷軋退火后組織均勻細(xì)小，完全再結(jié)晶，晶粒度7.5級，這有效避免了產(chǎn)品彎折過程中橘皮現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 酒鋼J445熱軋板退火組織

圖2 酒鋼J445冷軋板退火組織

3.2 力學(xué)性能

酒鋼J445產(chǎn)品研制開發(fā)的初衷是為了取代SUS316L含Ni奧氏體不銹鋼，酒鋼J445產(chǎn)品與SUS316L力學(xué)性能對比結(jié)果見表3。酒鋼J445產(chǎn)品屈服強(qiáng)度高于SUS316L，用作建筑幕墻時(shí)不容易發(fā)生屈服變形，能保持建筑外立面長期初始質(zhì)感。酒鋼J445產(chǎn)品塑性指標(biāo)低于SUS316L,由于J445主要用建筑外立面，沒有復(fù)雜的成型加工，只有彎折與焊接，目前的塑性指標(biāo)完全滿足使用要求。

表3 酒鋼J445與SUS316L力學(xué)性能對比

3.3 焊接性能

J445超純鐵素體用作建筑幕墻時(shí)需要進(jìn)行焊接加工，一般熱影響區(qū)是整個焊接接頭性能最薄弱部位。超純鐵素體由于高溫時(shí)無相變產(chǎn)生，在焊接熱循環(huán)的作用下熱影響區(qū)晶粒劇烈長大，過分長大的晶粒會造成焊接接頭性能極具惡化。因此對J445超純鐵素體不銹鋼進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)（MIG），重點(diǎn)對熱影響區(qū)組織進(jìn)行了觀察分析，具體如圖3所示。從圖3中可以看出熔合線附近的高溫?zé)嵊绊懡M織晶粒尺寸為50μm左右，為單純鐵素體組織，此種高溫?zé)嵊绊憛^(qū)組織具有良好的力學(xué)性能，說明J445產(chǎn)品只要采用合理的焊接方法和焊接參數(shù)能夠得到性能優(yōu)異的焊接接頭組織。

圖3 酒鋼J445焊接接頭熱影響組織（MIG焊）

3.4 耐腐蝕性能

3.4.1 72h連續(xù)鹽霧實(shí)驗(yàn)

純水與分析純NaCl配成5%NaCl溶液，0.025mol/L NaOH調(diào)整pH值。樣品封邊后，放入鹽霧箱。在鹽霧箱中35℃鹽霧環(huán)境下72h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后經(jīng)流水沖洗干凈試樣上的NaCl顆粒并吹干，宏觀觀察實(shí)驗(yàn)后試樣的表面狀態(tài)。試驗(yàn)方法執(zhí)行：GB/T 10125-2012；評級方法執(zhí)行GB/T 6461-2002。72h連續(xù)鹽霧實(shí)驗(yàn)后表面如圖4所示。經(jīng)過72h連續(xù)鹽霧實(shí)驗(yàn)后J445和SUS316L保護(hù)評價(jià)均為10級，均未發(fā)生腐蝕。

圖4 72h連續(xù)鹽霧實(shí)驗(yàn)后表面

3.4.2 30個循環(huán)干濕交替加速鹽霧實(shí)驗(yàn)

純水與分析純NaCl配成5%NaCl溶液，0.025moL/L NaOH調(diào)整pH值，pH值范圍6.5～7.2樣品表面經(jīng)清理、封邊后，放入鹽霧箱。單循環(huán)時(shí)間和具體內(nèi)容：鹽霧 2h，溫度 35±1℃；“干燥”條件 4h，溫度 60±1℃,＜30%RH；“濕潤”條件 2h,溫度 50±1℃,＞95%RH。在鹽霧箱中240h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后經(jīng)流水沖洗干凈試樣上的NaCl顆粒并吹干，宏觀觀察實(shí)驗(yàn)后試樣的表面狀態(tài)。試驗(yàn)方法執(zhí)行：GB/T 20854-2007；評級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：GB/T 6461-2002。30個循環(huán)干濕交替加速鹽霧實(shí)驗(yàn)后表面如圖5所示。經(jīng)過30個循環(huán)干濕交替加速鹽霧實(shí)驗(yàn)后SUS316L保護(hù)評級3個均為9級，J445保護(hù)評級僅有1個9級、其余為10級，說明J445比SUS316L具有更好的耐蝕性。

圖5 30個循環(huán)干濕交替加速鹽霧實(shí)驗(yàn)后表面

3.4.3 三氯化鐵點(diǎn)腐蝕實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)用三氯化鐵溶液配制：按100g三氯化鐵（FeCl3·6H2O）溶于 900ml0.05moL/L 鹽酸溶液中，配制成約6%三氯化鐵溶液。pH值1.19。樣品4個側(cè)面均經(jīng)過800目砂紙打磨，直至光亮平整，上下表面保持原狀態(tài)。樣品經(jīng)超聲波清洗5min、烘干。置于干燥皿中冷卻至室溫后取出稱重。將樣品水平置于6%FeCl3溶液中35℃恒溫水浴24h（試樣置于溶液中部）。試驗(yàn)結(jié)束后流水沖洗、超聲波清洗數(shù)次至干凈，取出吹干，烘干箱95℃干燥1h，在干燥皿中冷卻至室溫后取出稱重。試驗(yàn)方法執(zhí)行：GB/T 17897-1999。J445和SUS316L三氯化鐵點(diǎn)腐蝕平均腐蝕速率對比圖如圖6所示。J445平均腐蝕速率為158.4mdd，而SUS316L平均腐蝕速率為165.6mdd，J455耐點(diǎn)腐蝕性能要好于SUS316L。

圖6 三氯化鐵點(diǎn)腐蝕實(shí)驗(yàn)

3.4.4 極化曲線測定點(diǎn)蝕電位

樣品經(jīng)超聲波清洗烘干后，點(diǎn)焊機(jī)焊接導(dǎo)線，環(huán)氧樹脂封裝，固化后用砂紙濕磨制1200目，用硅橡膠密封試樣與環(huán)氧樹脂連接處縫隙。用CS350電化學(xué)工作站（BM-001）試驗(yàn)。參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。試驗(yàn)溫度30℃。試驗(yàn)溶液及參數(shù)設(shè)定：3.5%NaCl，起始電位：-0.4v（相對開路電位），掃描速率0.2mv/s。測得的極化曲線如圖7所示，J445的點(diǎn)蝕電位為501.27mv，SUS316L點(diǎn)蝕電位為184.43mv，J445點(diǎn)蝕電位顯著高于SUS316L。

圖7 極化曲線

4 毛化面表面形貌

采用Mitutoyo SJ-210表面粗糙度儀對毛化后的表面進(jìn)行粗糙度測量，測量的表面粗糙度Ra為2.744μm，原始常規(guī)2B表面粗糙度Ra為0.102μm，毛化效果較理想。圖8是毛化前后表面圍觀形貌圖。常規(guī)2B表面較光滑，只能觀察到表面沿軋向的軋制痕跡；毛化后表面較粗糙，表面有大小不一的凹坑，這也增加了光線的漫反射，有效的避免了光污染。

圖8 J445常規(guī)表面與毛化表面微觀形貌對比圖

5 J445應(yīng)用實(shí)例

酒鋼J445毛化面產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用在某機(jī)場屋面，產(chǎn)品表面質(zhì)量、板形以及焊接性能均滿足客戶使用要求。圖9為某機(jī)場屋面照片。

圖9 某機(jī)場屋面照片

6 結(jié)論

1）酒鋼研制開發(fā)的J445超純鐵素體不銹鋼毛化面產(chǎn)品表面粗糙度Ra為2.7～3.0μm，漫反射效果良好，有較好的消光性，可以應(yīng)用于建筑裝飾領(lǐng)域。

2）酒鋼研制開發(fā)的J445超純鐵素體不銹鋼毛化面產(chǎn)品具有組織均勻細(xì)小、焊接性好、屈服強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在建筑裝飾領(lǐng)域完全可以替代生產(chǎn)成本較高的SUS316L。