【新刊速覽】劉吉猛：海工用高氮鋼螺栓的制備及其組織性能分析
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海工用高氮鋼螺栓的制備及其組織性能分析
劉吉猛
1,2
，王書桓
1,2
，趙定國(guó)
1,2
，李皓
1
，曹凱琪
1
(1. 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院， 河北 唐山 063210；
2. 唐山市特種冶金及材料制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 唐山 063210)
海工用螺栓長(zhǎng)時(shí)間浸泡在海水中，要求其強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比低、耐蝕性好。設(shè)計(jì)制備了一種低成本節(jié)鎳型的高氮鋼螺栓，通過(guò)組織觀察、XRD檢測(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)、化學(xué)浸泡腐蝕試驗(yàn)和動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，并與海工常用的316不銹鋼螺栓進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，本試驗(yàn)螺栓微觀組織為奧氏體組織，且組織中含有大量孿晶并伴有少量第二相氮化物析出；試驗(yàn)螺栓抗拉強(qiáng)度為877 MPa、屈服強(qiáng)度為690 MPa、斷后伸長(zhǎng)量為7.3 mm、屈強(qiáng)比為0.79，該螺栓在抗拉強(qiáng)度不低于316螺栓的條件下，屈強(qiáng)比為其的84%，斷后伸長(zhǎng)量是其的2.16倍，力學(xué)性能明顯優(yōu)于316不銹鋼螺栓，滿足奧氏體不銹鋼螺栓80等級(jí)要求。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的FeCl
3
溶液中浸泡15 d的腐蝕試驗(yàn)表明，試驗(yàn)螺栓腐蝕失重率為0.051%，是316不銹鋼螺栓腐蝕失重率0.132%的38.6%；動(dòng)電位極化曲線結(jié)果顯示，試驗(yàn)螺栓相較于316不銹鋼螺栓自腐蝕電位更正，腐蝕電流密度更小，耐局部腐蝕性能更優(yōu)異。綜上，試驗(yàn)高氮鋼螺栓成本低，力學(xué)性能和耐點(diǎn)蝕、耐局部腐蝕性能均優(yōu)于316不銹鋼螺栓，研究結(jié)果為海洋工程用高強(qiáng)螺栓新材料提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
高氮鋼螺栓； 力學(xué)性能； 耐腐蝕； 失重率； 極化曲線
螺栓連接廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)中，這是因?yàn)槁菟ㄟB接在現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)操作簡(jiǎn)單、可更換、效率高、不易松動(dòng)，質(zhì)量比現(xiàn)場(chǎng)焊接連接更可靠。然而，由于服役環(huán)境嚴(yán)酷，其應(yīng)用也存在安全隱患。研究表明，螺栓是節(jié)點(diǎn)內(nèi)最脆弱的部件，通常會(huì)由螺栓斷裂引發(fā)螺栓梁柱連接的破壞。鋼制緊固件材料主要分為碳鋼和不銹鋼，一般碳鋼強(qiáng)度性能較好，但耐腐蝕性能較差，在使用過(guò)程中其表面通常會(huì)生長(zhǎng)出一定厚度的銹層，導(dǎo)致腐蝕失效問(wèn)題。在海洋工程裝備方面，由于環(huán)境潮濕，腐蝕性強(qiáng)，且維護(hù)成本高，一般選擇具有良好耐蝕性的不銹鋼螺栓。不銹鋼屬于鈍性金屬，其表面會(huì)自動(dòng)生成一種防腐蝕的鈍化膜，然而Cl
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會(huì)改變鈍化膜的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和保護(hù)性，從而影響不銹鋼的腐蝕熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。馬紅杰等對(duì)316L不銹鋼螺栓腐蝕斷裂行為進(jìn)行分析并給出防護(hù)建議，指出螺栓裂紋擴(kuò)展方式為沿晶與穿晶混合型，充足的溶解氧加速了腐蝕進(jìn)程。YANG X K等對(duì)暴露于海洋環(huán)境中的1Cr17Ni2高強(qiáng)螺栓的腐蝕行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明γ-FeOOH和α-FeOOH是螺栓表面銹層的主要成分。
隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的發(fā)展，制備高強(qiáng)耐蝕螺栓是緊固件發(fā)展的必然趨勢(shì)。以往對(duì)螺栓緊固件的研究通常集中于改善冶煉工藝或熱處理工藝以提高螺栓強(qiáng)度以及耐蝕性等問(wèn)題，而一般海工不銹鋼中含有大量鉻、鎳等戰(zhàn)略資源，價(jià)格居高不下，如何在減少使用戰(zhàn)略資源的情況下生產(chǎn)出符合要求的低成本高強(qiáng)耐蝕海工用螺栓成為迫切需求。
本課題組通過(guò)合金成分優(yōu)化，并經(jīng)冶煉、電渣重熔、鍛造、軋制后，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種低成本節(jié)鎳型高強(qiáng)耐蝕高氮鋼，經(jīng)機(jī)加工后制備成海工用螺栓；以此為研究對(duì)象，對(duì)螺栓進(jìn)行了微觀組織觀察、XRD檢測(cè)、力學(xué)性能分析、化學(xué)浸泡腐蝕和動(dòng)電位極化曲線掃描等試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)海工用316不銹鋼螺栓進(jìn)行力學(xué)性能和耐腐蝕性能對(duì)比，說(shuō)明其應(yīng)用在海洋工程的可行性。本研究為海洋工程用高強(qiáng)螺栓新材料提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
通過(guò)合金成分優(yōu)化，并經(jīng)冶煉、電渣重熔、鍛造、軋制后，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種節(jié)鎳型海工用高氮鋼，經(jīng)機(jī)加工后制備成海工用螺栓。對(duì)螺栓進(jìn)行了微觀組織觀察、XRD檢測(cè)、力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)浸泡腐蝕和電化學(xué)極化曲線掃描等試驗(yàn)研究。將高氮鋼螺栓的力學(xué)性能及耐蝕性能等與海工常用的316不銹鋼螺栓進(jìn)行對(duì)比，指出本試驗(yàn)鋼螺栓符合應(yīng)用在海洋工程裝備的要求，具有應(yīng)用在海洋工程裝備的潛力，并得到以下結(jié)論：
1)設(shè)計(jì)制備的高氮奧氏體不銹鋼螺栓性能符合海工應(yīng)用要求，螺栓微觀組織為奧氏體組織，奧氏體中含有孿晶并伴有少量氮化物第二相析出，孿晶和細(xì)小的氮化物析出可以在不降低材料耐蝕性能的前提下提高其強(qiáng)塑積；
2)高氮不銹鋼螺栓的抗拉強(qiáng)度為877 MPa、屈服強(qiáng)度為690 MPa、斷后伸長(zhǎng)量為7.3 mm，判定螺栓符合國(guó)標(biāo)奧氏體不銹鋼螺栓80性能等級(jí)。與316不銹鋼螺栓相比，試驗(yàn)螺栓強(qiáng)度較高，屈強(qiáng)比明顯優(yōu)于316不銹鋼，且斷后伸長(zhǎng)量為316不銹鋼螺栓的2.16倍；
3)試驗(yàn)螺栓腐蝕失重率為316不銹鋼螺栓的38.6%，且極化曲線更靠右、下，說(shuō)明試驗(yàn)螺栓耐蝕性能優(yōu)于316不銹鋼螺栓，且試驗(yàn)螺栓通過(guò)N來(lái)提高耐蝕性能，而N來(lái)源廣泛，相比Ni具有成本優(yōu)勢(shì)。
來(lái)源：
《中國(guó)冶金》2024年第3期
1.
《連鑄》首次、《鋼鐵》《中國(guó)冶金》再次入編北大中文核心！
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2023年度《中國(guó)冶金》優(yōu)秀編委、優(yōu)秀審稿專家及優(yōu)秀論文名單
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2023年度《中國(guó)冶金》優(yōu)秀青年編委名單
4.
《中國(guó)冶金》第二屆青年編委招募啟事
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