酒钢超纯铁素体不锈钢J445毛化面的研制开发

2020-07-15高仁强陈安忠任娟红

甘肃科技 2020年3期

高仁强，刘燕，陈安忠，任娟红

（酒钢宏兴钢铁股份有限公司钢铁研究院，甘肃嘉峪关 735100）

1 概述

随着国内城市化进程的推进与大气污染的加重，不锈钢面板材料在建筑幕墙领域得到了更加广泛地应用。大型体育馆、博物馆、机场航站楼等标志性公共建筑和旅游设施建筑面积大、屋面跨度大、使用年限长、建筑美学要求高，对建筑装饰材料要求极高。超纯铁素体不锈钢由于其综合性能好、比强度高、比刚度大而成为建筑结构采用的“轻型材料”；由于耐腐蚀、外观精美、无毒、昼夜温差变形小、安全可靠而成为环境友好型材料；还由于使用寿命长、不需或很少需要维护、回收率高、再利用率可达100%而成为成本效益高的材料。该材料可以让建筑立面长期保持初始质感，降低建筑立面维护成本，对建筑外立面的现代化气息进行强化，满足装饰性、耐蚀性、可循环性、成本优越性、低热膨胀性等特点，为不锈钢在建筑工程的全面应用提供了广阔的前景和发展机遇。为满足建筑装饰用高耐蚀性铁素体不锈钢的市场需求，丰富产品品种，提升产品竞争力，酒钢不锈钢适时开发了J445，并利用集团公司现有钢板毛化设施，开发出了防眩光污染、漫反射效果较好的毛面板，该开发产品成功应用于某大型机场屋面。该材料的成功开发，对不锈钢产品在建筑幕墙中应用、滨海环境中的建筑物屋面板和建筑物外装修结构材料应用进行研究，具有较强的指导意义和现实价值。

2 J445合金成分设计及毛化工艺选择

表1为酒钢研制开发J445超纯铁素体不锈钢成分。为满足沿海地区苛刻腐蚀环境下的耐蚀性要求，需要成分具有高点蚀当量PRE(铁素体不锈钢PRE=%Cr+3.3%Mo，奥氏体不锈钢PRE=%Cr+3.3%Mo+16N)。有研究表明[1-3],单独添加Cr至24%也无法完全避免锈蚀的发生，因此需要同时添加Cr和Mo才能得到高点蚀电位。高Cr含量有利于形成稳定、致密的钝化膜，添加Mo形成的MoO42-可以阻止氯离子的渗透，从而提高抗点蚀能力。为改善耐晶间腐蚀性能需要尽可能降低C、N间隙元素含量，同时添加Ti、Nb稳定元素。由于J445产品在最终加工中会涉及焊接加工，而Nb元素的固溶拖拽以及析出第二相均会阻止热影响区晶粒过分长大，因此为保证焊缝质量需要多添加Nb。

表1 酒钢开发研制开发J445超纯铁素体不锈钢典型成分（单位 wt%）

为了防止眩光污染，需要对J445冷轧产品进行毛化处理。带钢毛化表面是通过毛化轧辊在带钢轧制中反向复印形成的，带钢表面形貌是由轧辊表面形貌直接传递、“衰减性复制”过程，工作辊的表面形貌是冷轧带钢表面形貌的决定性因素之一。不同的毛化工艺，表现出不同的润滑、磨损和复印等工作特性。目前轧辊的毛化加工方式主要有3种，喷丸毛化(SBT)、电火花毛化(EDT)和激光毛化(LT)。电火花毛化（EDT）是目前应用最广、效果相对较好的毛化技术，通过轧辊表面和电极通电后产生自激放电作用，在轧辊表面形成凹坑和针状尖峰。酒钢选用电火花毛化（EDT）对轧辊表面进行毛化处理，轧辊毛化辊信息见表2。

表2 轧辊毛化辊信息

3 J445组织与性能

3.1 组织

酒钢J445为超纯铁素体不锈钢，室温及高温状态下均为铁素体组织、无相变发生。图1为热轧板退火后组织。从图1中可以看出组织均为等轴晶，无轧制条带，再结晶充分。

图2为冷轧板退火组织。从图2可以看出冷轧退火后组织均匀细小，完全再结晶，晶粒度7.5级，这有效避免了产品弯折过程中橘皮现象的发生。

图1 酒钢J445热轧板退火组织

图2 酒钢J445冷轧板退火组织

3.2 力学性能

酒钢J445产品研制开发的初衷是为了取代SUS316L含Ni奥氏体不锈钢，酒钢J445产品与SUS316L力学性能对比结果见表3。酒钢J445产品屈服强度高于SUS316L，用作建筑幕墙时不容易发生屈服变形，能保持建筑外立面长期初始质感。酒钢J445产品塑性指标低于SUS316L,由于J445主要用建筑外立面，没有复杂的成型加工，只有弯折与焊接，目前的塑性指标完全满足使用要求。

表3 酒钢J445与SUS316L力学性能对比

3.3 焊接性能

J445超纯铁素体用作建筑幕墙时需要进行焊接加工，一般热影响区是整个焊接接头性能最薄弱部位。超纯铁素体由于高温时无相变产生，在焊接热循环的作用下热影响区晶粒剧烈长大，过分长大的晶粒会造成焊接接头性能极具恶化。因此对J445超纯铁素体不锈钢进行了焊接实验（MIG），重点对热影响区组织进行了观察分析，具体如图3所示。从图3中可以看出熔合线附近的高温热影响组织晶粒尺寸为50μm左右，为单纯铁素体组织，此种高温热影响区组织具有良好的力学性能，说明J445产品只要采用合理的焊接方法和焊接参数能够得到性能优异的焊接接头组织。

图3 酒钢J445焊接接头热影响组织（MIG焊）

3.4 耐腐蚀性能

3.4.1 72h连续盐雾实验

纯水与分析纯NaCl配成5%NaCl溶液，0.025mol/L NaOH调整pH值。样品封边后，放入盐雾箱。在盐雾箱中35℃盐雾环境下72h。实验结束后经流水冲洗干净试样上的NaCl颗粒并吹干，宏观观察实验后试样的表面状态。试验方法执行：GB/T 10125-2012；评级方法执行GB/T 6461-2002。72h连续盐雾实验后表面如图4所示。经过72h连续盐雾实验后J445和SUS316L保护评价均为10级，均未发生腐蚀。

图4 72h连续盐雾实验后表面

3.4.2 30个循环干湿交替加速盐雾实验

纯水与分析纯NaCl配成5%NaCl溶液，0.025moL/L NaOH调整pH值，pH值范围6.5～7.2样品表面经清理、封边后，放入盐雾箱。单循环时间和具体内容：盐雾 2h，温度 35±1℃；“干燥”条件 4h，温度 60±1℃,＜30%RH；“湿润”条件 2h,温度 50±1℃,＞95%RH。在盐雾箱中240h。实验结束后经流水冲洗干净试样上的NaCl颗粒并吹干，宏观观察实验后试样的表面状态。试验方法执行：GB/T 20854-2007；评级标准执行：GB/T 6461-2002。30个循环干湿交替加速盐雾实验后表面如图5所示。经过30个循环干湿交替加速盐雾实验后SUS316L保护评级3个均为9级，J445保护评级仅有1个9级、其余为10级，说明J445比SUS316L具有更好的耐蚀性。

图5 30个循环干湿交替加速盐雾实验后表面

3.4.3 三氯化铁点腐蚀实验

试验用三氯化铁溶液配制：按100g三氯化铁（FeCl3·6H2O）溶于 900ml0.05moL/L 盐酸溶液中，配制成约6%三氯化铁溶液。pH值1.19。样品4个侧面均经过800目砂纸打磨，直至光亮平整，上下表面保持原状态。样品经超声波清洗5min、烘干。置于干燥皿中冷却至室温后取出称重。将样品水平置于6%FeCl3溶液中35℃恒温水浴24h（试样置于溶液中部）。试验结束后流水冲洗、超声波清洗数次至干净，取出吹干，烘干箱95℃干燥1h，在干燥皿中冷却至室温后取出称重。试验方法执行：GB/T 17897-1999。J445和SUS316L三氯化铁点腐蚀平均腐蚀速率对比图如图6所示。J445平均腐蚀速率为158.4mdd，而SUS316L平均腐蚀速率为165.6mdd，J455耐点腐蚀性能要好于SUS316L。

图6 三氯化铁点腐蚀实验

3.4.4 极化曲线测定点蚀电位

样品经超声波清洗烘干后，点焊机焊接导线，环氧树脂封装，固化后用砂纸湿磨制1200目，用硅橡胶密封试样与环氧树脂连接处缝隙。用CS350电化学工作站（BM-001）试验。参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。试验温度30℃。试验溶液及参数设定：3.5%NaCl，起始电位：-0.4v（相对开路电位），扫描速率0.2mv/s。测得的极化曲线如图7所示，J445的点蚀电位为501.27mv，SUS316L点蚀电位为184.43mv，J445点蚀电位显著高于SUS316L。

图7 极化曲线

4 毛化面表面形貌

采用Mitutoyo SJ-210表面粗糙度仪对毛化后的表面进行粗糙度测量，测量的表面粗糙度Ra为2.744μm，原始常规2B表面粗糙度Ra为0.102μm，毛化效果较理想。图8是毛化前后表面围观形貌图。常规2B表面较光滑，只能观察到表面沿轧向的轧制痕迹；毛化后表面较粗糙，表面有大小不一的凹坑，这也增加了光线的漫反射，有效的避免了光污染。