一种耐酸性土壤腐蚀的接地网用低合金钢的制作方法
【专利摘要】一种耐酸性土壤腐蚀的接地网用低合金钢，属于耐腐蚀合金钢【技术领域】。化学成分的重量百分比为：C≤0.08%，Si：0.01-1.0%，Mn：0.01-1.5%，S≤0.005%，P≤0.01%，Als≤0.02%，Cr：1.3-5.0%，余量：Fe；显微组织为：铁素体组织含量不低于90%，珠光体组织含量不高于10%；电阻率不超过1.80×10-7Ω·m。优点在于，克服了传统接地网用材在酸性土壤中腐蚀防护技术上的多种缺陷，通过化学成分、显微组织及电阻率控制，使材料具有防腐性能优良、成本低廉、易于推广的特点。
【专利说明】一种耐酸性土壤腐蚀的接地网用低合金钢
【技术领域】
[0001]本发明属于耐腐蚀合金钢【技术领域】，特别涉及一种耐酸性土壤腐蚀的接地网用低合金钢。
【背景技术】
[0002]接地网是保证发电、变电和输电系统设备安全运行和人身安全的必须设施。多年来，我国由接地问题引起的电力系统事故时有发生，每次事故造成的直接经济损失大约在数十万元到几百万元之间，由电力系统事故造成的停电所带来的间接经济损失更大。在我国的接地工程中，镀锌钢一直是主要的接地材料。由于土壤本身的复杂环境，埋在地下的电力接地网材料会产生腐蚀，尤其是在腐蚀性较强的土壤中，运行3-5年的镀锌钢会出现严重腐蚀，甚至发生断裂，造成多起设备损坏和停电事故。因此，接地网防腐一直是电力系统的重要研究课题。
[0003]目前，国内外接地网常用的防护措施有:⑴采用铜或铜包钢材料；⑵实施电化学保护；(3)采用降阻剂；(4)材料上涂刷导电防腐涂层；(5)加大接地体截面面积。但是采用的这些防护措施仍然存在不少缺陷，如采用铜或铜包钢材料，虽然这种材料在普通土壤中非常耐蚀，但价格昂贵，又容易污染土壤，且易与地下其他管线形成电偶腐蚀；电化学保护的施工虽然简单，但维护费用大；又如采用降阻剂，其施工难度大且防腐性能发挥依赖特定环境；如果采用导电防腐涂料又存在老化快的问题，涂料一旦破裂其局部将受到腐蚀；传统接地材料为增加使用寿命，会加大接地体截面面积以增加腐蚀裕量，而增大接地体截面会增加钢材的消耗量以及接地体的焊接和弯、折等施工的困难，且对于一些腐蚀严重的地区无法从根本上解决问题，还会造成大量材料的不必要消耗；另外，一些新开发的合金钢材料,虽然耐酸性土壤腐蚀性能良好,但其合金加入过多,材料电阻率过大,材料作为接地体在应用时为保证埋地后的泄流效果，需要加大接地体截面面积，也同样存在上述问题。
·[0004]随着经济的高速发展，环境污染越来越严重，酸雨频繁造成了大量土壤的酸化(pH< 7.0)，接地网材料的腐蚀环境更为苛刻，某些地区的镀锌钢使用寿命甚至不到I年。针对以上接地网防护措施在实际应用时存在的不足，本发明专利提出一种耐酸性土壤腐蚀的接地网用耐蚀低合金钢，其特征在于，仅通过合金成分设计以及组织控制，不仅大幅度提升了材料的耐酸性土壤腐蚀性能,而且由于材料中合金添加量有限,一方面能有效降低材料的生产成本，另一方面可以保证材料的导电性能，无需靠加大接地体截面面积来保证其泄流效果。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种耐酸性土壤腐蚀的接地网用低合金钢，针对目前接地网用材的落后情况，采用耐蚀成分设计+显微组织控制相结合的设计原理，在成分设计方面，通过添加一定量合金元素抑制土壤环境下的电化学腐蚀；在组织控制方面，通过碳含量及成型工艺控制，获得大量单相铁素体基体组织，减少钢中珠光体组织含量，降低不同组织相间电位差以减少腐蚀微电池的形成；同时在该合金钢设计过程中充分考虑其导电性能的变化，控制该合金钢的电阻率不超过1.80X 10_7Q ? m。
[0006]在成分设计方面，本发明的技术解决方案是，所提供的耐酸性土壤腐蚀的接地网用耐蚀低合金钢，采用纯合金元素碳、硅、锰、铬、磷、硫按照比例冶炼而成。其化学成分的重量百分比为:C ( 0.08%, Si:0.01-1.0%, Mn:0.01-1.5%, S ≤ 0.005%, P ≤ 0.01%,Als ( 0.02%, Cr:1.3-5.0%，余量=Fe0其中各元素的作用如下:
[0007]碳:碳是组织控制的最主要元素，碳可以与Y-Fe有限固溶，会在一定程度上扩大奥氏体相区；同时碳和铬形成的碳化物也有利于耐蚀性的提高，但碳含量过高会使钢中渗碳体(Fe3C)含量增加，从而导致珠光体含量的增加，使合金耐蚀性能下降；另一方面碳含量的增多不利于材料的焊接性，为了避免碳的不利影响，碳的含量应当控制不高于0.08% ；
[0008]硅:硅的作用是脱氧和保证强度，同时硅可以在表面膜中富集，提高钢的钝化性能，但硅含量过高会降低钢的焊接性能，过低不能保证最低强度，故硅的含量应控制在
0.01-1.0% 之内；
[0009]锰:锰与硅一样，主要作用为脱氧和保证强度，锰可以减弱合金因硫引起的脆性，改善钢的加工性能；锰是奥氏体相区扩大元素，会推迟奥氏体向铁素体的转变；同时锰属于弱碳化物形成元素，在组织转变时需要形成含锰较高的合金渗碳体，可以减慢珠光体转变时合金渗碳体的形核和长大，但锰的含量过高会使晶粒粗化，容易使钢产生白点，故综合考虑，锰的含量应控制在0.01-1.5%之内；
[0010]硫:硫是合金冶炼中不可或缺的元素，但硫不仅对钢的强度、焊接性能不利，，且硫在酸性环境中易溶解，易形成夹杂，诱发点蚀，降低材料的耐蚀性，故硫含量越低越好，一般应控制在0.005%以下；
[0011]磷:磷是铁素体相区形成元素，可以与a-Fe有限固溶，缩小奥氏体相区；同时磷有利于提高材料在酸性土壤环境中的耐腐蚀性能，磷作为阳极去极化剂，有助于在钢表面形成均匀的锈层，从而抑制腐蚀，但磷的含量过高会恶化焊接性能，降低韧性，故磷的含量应控制在0.1%以下；
[0012]铝:铝的作用主要为脱氧，但是铝含量过高容易增加钢中的氧化铝夹杂，成为腐蚀源，故铝的含量应控制在0.02%以下；
[0013]铬:铬是耐蚀元素，主要作用是提高合金抗腐蚀性，一方面固溶在铁素体中，其氧化物即氧化铬(Cr2O3)富集于靠近基体的保护膜中，抑制阳极反应；另一方面与碳形成碳化物(Cr23C6),抑制阴极反应，但碳化铬含量过剩，反而降低耐蚀性；另外，铬会提高过冷奥氏体的稳定性，可以推迟珠光体转变时碳化物的形核和长大，且由于铬会增加固溶体原子间结合力，降低铁的自由扩散系数而抑制奥氏体向铁素体的转变，故铬含量应控制在
1.3-5.0% 之内。
[0014]在组织控制方面，本发明的主要解决方案是控制该合金钢中铁素体组织和珠光体组织的含量，即该合金钢中铁素体组织含量不低于90%，珠光体组织含量不超过10%。
[0015]铁素体:铁素体也称为a固溶体，是碳在a -Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格。在碳钢和低合金钢的热轧和退火组织中，铁素体是主要组成相；另外，铁素体还是珠光体组织的基体。由于a-Fe中的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727°C时溶碳量最大，可达0.0218%,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在室温时溶碳量约为0.0008%,因此其性能几乎和纯铁相同。铁素体由于组成成分单一，具有很高的电极电位，腐蚀热力学倾向小，因此在酸性土壤环境中具有良好的耐蚀性能。铁素体含量低于90%时，组织中其它组织如珠光体、贝氏体等组织数量则相对较多，钢在酸性土壤环境中的耐蚀性能显著降低。因此，铁素体组织含量控制不低于90%。
[0016]珠光体:珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体，其含碳量为0.77%，形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称为片状珠光体。珠光体中间隔分布的铁素体和渗碳体由于电极电位电位差异，容易形成微小的腐蚀电池，其中铁素体的电极电位较负，成为阳极而被腐蚀；渗碳体的电极电位较正，成为阴极而不被腐蚀。在酸性土壤环境中，二者形成的腐蚀电池容易造成接地金属的局部腐蚀。珠光体组织含量高于10%时，组织中极易形成微小腐蚀电池，钢在酸性土壤腐蚀环境中的耐蚀性能显著降低。因此，珠光体组织含量控制不高于10%。
[0017]珠光体+铁素体组织的试验钢由于富碳组织珠光体的存在，在酸性土壤环境中，具有较低的自腐蚀电位，腐蚀热力学倾向较大，腐蚀产物粗大分布不均匀，并且在腐蚀过程中珠光体组织发生选择性腐蚀，导致该处的锈层存在内应力，最终会破坏锈层的完整性，降低锈层的保护效果。根据实验室模拟及现场埋设试验，控制钢中的铁素体组织含量高于90%，珠光体组织含量低于10%，能大幅度提高实验钢在酸性土壤环境中的耐蚀性能。
[0018]在电阻控制方面，本发明的主要解决方案是控制材料的电阻率不超过1.80Χ10_7Ω.m。
[0019]电阻率是影响接地材料使用性能的主要影响因素。接地网用耐土壤腐蚀低合金钢材料主要是通过低的电阻率保证接地导体在使用过程中的泄流功能。电阻率超过
1.80 X IO-7 Ω.m时，即使材料的耐土壤腐蚀性能满足使用要求，但是无法满足泄流功能要求，同样无法获得工程化应用。材料的低电阻率主要是通过综合控制材料的合金含量及其显微组织来获得的。由于金属中加入合金元素后，形成的固溶体中由于溶质原子的溶入将引起溶剂点阵的畸变，破坏了晶格势场的周期性，从而增加了电子的散射概率，会增加材料导体的电阻率。`
[0020]另外，固溶体的有序化或无序固溶体的均匀化可以有效降低材料导体的电阻率，可以采用轧后控冷工艺，能在一定程度上实现固溶体的均匀化，从而降低材料导体的电阻率。
[0021]本发明的有益效果是，所提供的一种耐酸性土壤腐蚀的接地网用耐蚀低合金钢材料，克服了传统接地网用材在酸性土壤中腐蚀防护技术上的多种缺陷，通过化学成分、显微组织及电阻率控制，使材料具有防腐性能优良、成本低廉、易于推广的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1-4为部分典型组织示例图，其中:
[0023]图1为传统接地扁钢放大100倍的金相组织，主要组织为铁素体+珠光体，其中，铁素体含量为76%，珠光体含量为24% ；
[0024]图2为实施例1成分材料放大100倍的金相组织，主要组织为铁素体+珠光体，其中，铁素体含量为91%，珠光体含量为9% ；
[0025]图3为实施例6成分材料放大100倍的金相组织，主要组织为铁素体+珠光体，其中，铁素体含量为92%，珠光体含量为8% ；
[0026]图4为实施例10成分材料放大100倍的金相组织，主要组织均为铁素体，铁素体
含量为100% ；
【具体实施方式】
[0027]以下通过具体的实施例对发明做进一步的说明。这些实施例仅用于解释的目的，
本发明保护范围不限于这些实施例中。对比例及各实施例的具体化学成分、组织组成及电
阻率见表1。
[0028]表1对比例及各实施例化学成分、组织组成与电阻率
[0029]
【权利要求】
1.一种耐酸性土壤腐蚀的接地网用低合金钢，其特征在于，化学成分的重量百分比为:C ≤ 0.08%, Si:0.01-1.0%, Mn:0.01-1.5%, S ≤ 0.005%, P ≤ 0.01%, Als ( 0.02%, Cr:1.3-5.0%，余量:Fe ； 显微组织为:铁素体组织含量不低于90%，珠光体组织含量不高于10% ； 电阻率不超过1.80Χ1(ΤΩ.m。
【文档编号】C22C38/18GK103710624SQ201310714570
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】苏航, 闫爱军, 陈小平, 柴锋, 杨才福, 薛东妹, 李丽, 李健 申请人:钢铁研究总院