防腐蚀钢材及其锻造工艺的制作方法

本发明涉及钢材料，特别涉及一种防腐蚀钢材及其锻造工艺。
背景技术：
：南海诸岛属于海洋性气候，雨量充沛，终年高温、高湿、高盐。世界各强国都想将南海诸岛据为己有，纷纷在南海诸岛建立自己的军事基地，但是部署在这类岛屿上的战机面临盐雾腐蚀、潮湿天气和台风考验，战舰机所用的合金材料在选择上要充分考虑上述因素，比如很少使用镁合金，不同金属接触点必须采取防电化腐蚀措施，铝合金等金属与碳纤维复合材料连接处也需要采取防护措施，为防湿气侵入机体蜂窝结构，通常使用无孔蜂窝芯等，因此，亟待需要研发制备防潮湿、防烟雾、防霉菌的三防措施的合金材料。目前，现有专利中申请公布号为cn103422031b的中国专利公开了一种耐腐蚀钢材料，包含了碳为3.8wt％～4.1wt％、铬为0.7wt％～0.8wt％、钒为0.25wt％～0.35wt％、钪为0.1wt％～0.2wt％、锶元素0.3wt％～0.5wt％、镍为11wt％～15wt％、余量为铁，该钢板具有优异的耐磨损、抗腐蚀和耐摩擦性能。类似上述具有优异的耐腐蚀与高强度的钢材屡见不鲜，但是能够应用于南海特殊环境的专用钢材目前还很少见，市面上现有的钢材在高温、高湿以及高盐环境下，表面很快出现大量的斑迹、霉菌等，产生斑迹、霉菌的钢材容易导致应力集中，减少钢材的使用寿命。技术实现要素：本发明的目的是提供一种能够适用于高温、高湿以及高盐环境，具有较长使用寿命的防腐蚀钢材。本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种防腐蚀钢材，包括如下重量百分比的组分：碳元素0.01～0.03％，硅元素0.2～0.4％，锰元素0.5～1.0％，磷元素≤0.012％，硫元素≤0.005％，铬元素14.0～16.0％，镍元素9.0～11.0％，钼元素0.1～0.2％，铌元素0.2～0.3％，锆元素0.4～0.6％，其余为铁元素。本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分：碳元素0.02～0.025％，硅元素0.2～0.28％，锰元素0.6～0.7％，磷元素≤0.010％，硫元素≤0.005％，铬元素15.0～15.3％，镍元素10.2～10.6％，钼元素0.13～0.15％，铌元素0.21～0.23％，锆元素0.46～0.49％，其余为铁元素。本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分：碳元素0.023％，硅元素0.26％，锰元素0.68％，磷元素0.008％，硫元素0.004％，铬元素15.3％，镍元素10.4％，钼元素0.14％，铌元素0.23％，锆元素0.47％，其余为铁元素。通过采用上述技术方案，上述技术方案是以超低碳合金为设计基础，通过增加cr、ni的含量，在氧化性介质作用下，钢材表面能生成厚度约为10nm的氧化膜，紧密附着在钢材表面上，铬元素、镍元素与钢材表面的碳元素结合形成碳化铬、碳化镍，大大提高了钢材的耐湿与耐蚀性，而且，铬能够提高钢材的电极电位，减少微电池数目，进一步提高钢材的耐蚀性，高铬镍含量的钢材不但耐腐蚀性好，而且硬度较高，耐热性与耐磨性均较好；向高铬镍钢材中加入重量百分比为0.2～0.3％的铌元素，铌与铬之间具有较大的原子错配度，使铌较难溶于固溶体中，铌的电正性有利于铌与钢材表面的碳元素形成碳化铌，从而在合金中形成初晶相和二次晶相，向铬铌钢材中加入重量百分比为0.4～0.6％的锆元素，锆元素和氧元素有很大的亲和力，在钢材表面能够生成一层致密的、附着力强的氧化膜，保护了钢材表面不容易被腐蚀，由于钛是具有优异钝化性的金属，且在315℃以下均能保持氧化膜具有钝化的特性，有些机械磨损也会很快自愈或重新再生，而且在提高钢材表面耐高温性、防腐蚀性能的同时，铌、锆元素产生了协同作用，显著提高了钢材表面的耐盐雾性能，使其适用于南海岛礁的室外结构和装饰物的使用。本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分：碳元素0.01～0.03％，硅元素0.2～0.4％，锰元素0.5～1.0％，磷元素≤0.012％，硫元素≤0.005％，铬元素14.0～16.0％，镍元素9.0～11.0％，钼元素0.1～0.2％，铌元素0.2～0.3％，锆元素0.8～1.0％，锌元素0.4～0.6％，钾元素0.05～0.08％，氮元素0.1～0.2％，硼元素0.03～0.05％，其余为铁元素。本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分：碳元素0.015～0.021％，硅元素0.29～0.37％，锰元素0.6～0.7％，磷元素≤0.009％，硫元素≤0.004％，铬元素14.2～14.5％，镍元素9.2～9.4％，钼元素0.14～0.15％，铌元素0.23～0.25％，锆元素0.82～0.85％，锌元素0.46～0.48％，钾元素0.06～0.063％，氮元素0.13～0.15％，硼元素0.036～0.038％，其余为铁元素。本发明进一步设置为包括如下重量百分比的组分：碳元素0.018％，硅元素0.32％，锰元素0.65％，磷元素0.009％，硫元素0.004％，铬元素15.0％，镍元素9.4％，钼元素0.14％，铌元素0.25％，锆元素0.85％，锌元素0.48％，钾元素0.062％，氮元素0.15％，硼元素0.038％，其余为铁元素。本发明进一步设置为：所述碳元素的载体包括纳米石墨烯，且纳米石墨烯在碳元素的载体中的重量百分比为70～80％。通过采用上述技术方案，在南海高温、高湿、高盐的环境下，加入氮元素有助于锆元素与碳元素、氮元素形成碳化物、氮化物，合金元素之间或合金元素与铁元素之间形成各种金属间化合物，促进了碳化物的生成，显著提高了钢材的耐蚀性以及力学性能；加入硼元素，微量硼元素能显著提高该钢材的淬透性，提高耐高温性、高强度和蠕变性能，硼元素能够对结构钢镍、铬、锰、钼的加工起到辅助的作用，有助于改善钢材的热加工，提高该钢材的使用寿命，同时，微量硼可以细化共晶的碳化铌、碳化锆，改善它们的形态和分布，提高钢材的力学性能和耐磨性，使基体淬透性增加，硬度和韧性得以提高，形成的锆/铌体系对的钢材中镍铬锰钼的防腐起到协同防腐的作用；同时，金属形成的硼化物相互叠加共同作用，使该钢材具有优异的耐磨、防腐的性能，可适用于南海高温、高湿、高盐的复杂环境中；加入锌元素后，锌的表面覆盖了一层氧化锌、碳化锌和氢氧化锌组成的氧化膜，这一层氧化膜非常致密，粘附性能较好，能将外界氧气与内部的组织隔离开来，防止内部的锌基体继续被氧化掉，使该钢材体系的耐腐蚀与耐温、耐盐雾性能更优异。碳元素的载体是纳米石墨烯，纳米石墨烯又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形蜂窝状的二维晶体，它可以包裹起来形成碳纳米管或堆叠成三维石墨，而且石墨烯具有优异的耐高温性能，在冶炼过程中，钢材则插进石墨烯的蜂窝内，使熔体形成直径很小的等规排布体，结晶度较高，具有优异的耐高温、耐蚀以及耐盐性。本发明的另一目的在于公开了一种防腐蚀钢材的锻造工艺，具体工艺如下：(1)在电弧炉冶炼过程中，先将炉温升至740～750℃，将碳元素0.01～0.03％，硅元素0.2～0.4％，锰元素0.5～1.0％，磷元素≤0.012％，硫元素≤0.005％，铬元素14.0～16.0％，镍元素9.0～11.0％，钼元素0.1～0.2％，铌元素0.2～0.3％，锆元素0.8～1.0％，锌元素0.4～0.6％，钾元素0.05～0.08％，氮元素0.1～0.2％，硼元素0.03～0.05％以及余量的铁元素，均投入至电弧炉内，然后将温度升至1070～1080℃，保温1～2h；(2)经过lf炉精炼，精炼温度为1440～1450℃，成份微调，保温2～4h，全程吹氦气搅拌，使化学成份达到组分要求，然后将温度降至890～895℃；(3)用真空脱气炉进行脱气，脱气温度为1370～1380℃，真空度59～60帕，抽气时间在2～4h；(4)在1280～1290℃下进行氦气保护模铸，凝固后将温度保持在730～735℃，保温时间为58～60h，最后空冷至室温；(5)将锻造好的钢板进行热处理：将钢板放入加热炉中加热至680～690℃，保温30～45min，然后用风冷以9～10℃/s的速度冷却至室温。通过采用上述技术方案，采用上述步骤按照本申请提及的组分与配比制备钢材，将纳米石墨烯以及各种金属元素、非金属元素均加入至电弧炉中，其中，铌元素、锆元素产生协同作用，使制备的钢材具有优异的耐温、耐湿以及耐盐雾性能。综上所述，本发明具有以下有益效果：1、向钢材体系内添加铌元素与锆元素，本发明人发现铌元素与锆元素产生了协同作用，使制备的钢材具有优异的耐盐雾性，提高了该钢材的综合性能，既保证了耐温、耐湿性，又增强了耐盐雾性，使其适应南海环境；2、向钢材内除碳、硫、磷外还添加了氮、硼非金属，在钢材表面生成了更多的碳化物、氮化物、硼化物以及混合物，形成了耐蚀膜，辅助配合铌、锆协同作用增强钢材的耐盐雾性能；3、提供碳元素的载体是纳米石墨烯，纳米石墨烯具有蜂窝结构，在冶炼过程中，钢水浇筑进蜂窝结构内，有助于提高钢材的结构规整度，辅助提高该钢材的耐温、耐湿以及耐盐雾性能。附图说明图1是实施例三中碳元素由纳米石墨烯载体提供的试样钢的热轧组织图；图2是对比例四中碳元素由碳粉载体提供的试样钢的热轧组织图。具体实施方式以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。纳米石墨烯选用济南墨希新材料科技有限公司生产的石墨烯。实施例一：(1)在电弧炉冶炼过程中，先将炉温升至750℃，将碳元素0.01％，硅元素0.2％，锰元素0.5％，磷元素0.008％，硫元素0.004％，铬元素14.0％，镍元素9.0％，钼元素0.1％，铌元素0.2％，锆元素0.8％以及75.178％的铁元素，均投入至电弧炉内，然后将温度升至1070℃，保温2h；(2)经过lf炉精炼，精炼温度为1440℃，成份微调，保温2h，全程吹氦气搅拌，氦气的通入速度为0.1ml/s，使化学成份达到组分要求，然后将温度降至890℃；(3)用真空脱气炉进行脱气，脱气温度为1370℃，真空度59帕，抽气时间在3h；(4)在1280℃下进行氦气保护模铸，氦气的通入速度为0.5ml/s，凝固后将温度保持在730℃，保温时间为58h，最后空冷至室温；(5)将锻造好的钢板进行热处理：将钢板放入加热炉中加热至680℃，保温30min，然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。实施例二：(1)在电弧炉冶炼过程中，先将炉温升至750℃，将碳元素0.01％，硅元素0.2％，锰元素0.5％，磷元素0.008％，硫元素0.004％，铬元素14.0％，镍元素9.0％，钼元素0.1％，铌元素0.2％，锆元素0.8％，锌元素0.4％，钾元素0.05％，氮元素0.1％，硼元素0.03％以及74.598％的铁元素，均投入至电弧炉内，然后将温度升至1070℃，保温2h；(2)经过lf炉精炼，精炼温度为1442℃，成份微调，保温2h，全程吹氦气搅拌，氦气的通入速度为0.1ml/s，使化学成份达到组分要求，然后将温度降至892℃；(3)用真空脱气炉进行脱气，脱气温度为1373℃，真空度60帕，抽气时间在3h；(4)在1281℃下进行氦气保护模铸，氦气的通入速度为0.5ml/s，凝固后将温度保持在732℃，保温时间为59h，最后空冷至室温；(5)将锻造好的钢板进行热处理：将钢板放入加热炉中加热至683℃，保温30min，然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。实施例三：(1)在电弧炉冶炼过程中，先将炉温升至750℃，将碳元素0.021％，硅元素0.28％，锰元素0.64％，磷元素0.009％，硫元素0.004％，铬元素14.6％，镍元素9.8％，钼元素0.2％，铌元素0.26％，锆元素0.88％，锌元素0.46％，钾元素0.06％，氮元素0.15％，硼元素0.04％以及72.596％的铁元素，均投入至电弧炉内，然后将温度升至1070℃，保温2h；(2)经过lf炉精炼，精炼温度为1442℃，成份微调，保温2h，全程吹氦气搅拌，氦气的通入速度为0.1ml/s，使化学成份达到组分要求，然后将温度降至892℃；(3)用真空脱气炉进行脱气，脱气温度为1373℃，真空度60帕，抽气时间在3h；(4)在1281℃下进行氦气保护模铸，氦气的通入速度为0.5ml/s，凝固后将温度保持在732℃，保温时间为59h，最后空冷至室温；(5)将锻造好的钢板进行热处理：将钢板放入加热炉中加热至683℃，保温30min，然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。实施例四：(1)在电弧炉冶炼过程中，先将炉温升至750℃，将碳元素0.018％，硅元素0.32％，锰元素0.65％，磷元素0.009％，硫元素0.004％，铬元素15.0％，镍元素9.4％，钼元素0.14％，铌元素0.25％，锆元素0.85％，锌元素0.48％，钾元素0.062％，氮元素0.15％，硼元素0.038％以及72.629％的铁元素，均投入至电弧炉内，然后将温度升至1070℃，保温2h；(2)经过lf炉精炼，精炼温度为1442℃，成份微调，保温2h，全程吹氦气搅拌，氦气的通入速度为0.1ml/s，使化学成份达到组分要求，然后将温度降至892℃；(3)用真空脱气炉进行脱气，脱气温度为1373℃，真空度60帕，抽气时间在3h；(4)在1281℃下进行氦气保护模铸，氦气的通入速度为0.5ml/s，凝固后将温度保持在732℃，保温时间为59h，最后空冷至室温；(5)将锻造好的钢板进行热处理：将钢板放入加热炉中加热至683℃，保温30min，然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。实施例五：(1)在电弧炉冶炼过程中，先将炉温升至750℃，将碳元素0.03％，硅元素0.4％，锰元素0.9％，磷元素0.011％，硫元素0.004％，铬元素15.8％，镍元素10.4％，钼元素0.18％，铌元素0.28％，锆元素0.95％，锌元素0.58％，钾元素0.076％，氮元素0.18％，硼元素0.048％以及70.161％的铁元素，均投入至电弧炉内，然后将温度升至1070℃，保温2h；(2)经过lf炉精炼，精炼温度为1442℃，成份微调，保温2h，全程吹氦气搅拌，氦气的通入速度为0.1ml/s，使化学成份达到组分要求，然后将温度降至892℃；(3)用真空脱气炉进行脱气，脱气温度为1373℃，真空度60帕，抽气时间在3h；(4)在1281℃下进行氦气保护模铸，氦气的通入速度为0.5ml/s，凝固后将温度保持在732℃，保温时间为59h，最后空冷至室温；(5)将锻造好的钢板进行热处理：将钢板放入加热炉中加热至683℃，保温30min，然后用风冷以10℃/s的速度冷却至室温。对比例一：与实施例三相比，缺少铌元素。对比例二：与实施例三相比，缺少锆元素。对比例三：与实施例三相比，缺少铌元素、锆元素。对比例四：与实施例三相比，碳元素的载体为碳粉。检测方法：(1)按照gb/t2423开展盐雾腐蚀实验，对试验钢的初期腐蚀进行观察，并对120小时的耐腐蚀性能进行评定；(2)采用高压釜进行抗腐蚀试验，调节高压釜的压力为20mpa，温度为300℃，持续时间为24h，采用高倍显微镜观察材料表面腐蚀情况；(3)按照gb/t17998-2009《不锈钢点蚀点位》标准进行了电化学腐蚀实验研究。试验钢的平均腐蚀速率如下表所示：通过上表可知，本实施例的试验钢的平均腐蚀速率极低，具有优异的耐盐雾腐蚀性能，能够适应恶劣的南海环境；从对比例四可知，以纳米石墨烯为载体的钢材具有最优异的平均腐蚀速率。高压釜抗腐蚀的试验结果如下表所示：样品表面形貌实施例一表面颗粒均匀实施例二表面颗粒均匀实施例三表面颗粒均匀实施例四表面颗粒均匀实施例五表面颗粒均匀对比例一表面颗粒均匀对比例二表面颗粒均匀对比例三表面颗粒差异较大对比例四表面颗粒均匀通过上表可知，本实施例的钢材经过高压釜抗腐蚀的检测后，表面颗粒均匀，规格、尺寸都很均一，具有优异的耐温、耐压腐蚀性，而对比例三的钢材相比于实施例而言，耐温、耐压腐蚀性能则较差。电化学腐蚀实验研究结果如下：通过上表可知，本实施例的钢材的点蚀电位大于1，保证了钢材基本不被腐蚀的优异性能，相比于缺少铌元素和锆元素的对比例而言，所制备的钢材能够在南海的耐湿、耐蚀的环境使用。对比实施例三与对比例四的热轧组织照片如图1和图2所示。由图1和图2可知，碳元素由纳米石墨烯载体提供的试样钢的热轧组织中颗粒排布规整度高，对耐盐雾、耐温与耐压性能均有显著提高，使其性能达到最优。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。当前第1页12