一種耐酸性土壤腐蝕的接地網用低合金鋼的制作方法
【專利摘要】一種耐酸性土壤腐蝕的接地網用低合金鋼，屬于耐腐蝕合金鋼【技術領域】。化學成分的重量百分比為：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；顯微組織為：鐵素體組織含量不低于90%，珠光體組織含量不高于10%；電阻率不超過1.80×10-7Ω·m。優點在于，克服了傳統接地網用材在酸性土壤中腐蝕防護技術上的多種缺陷，通過化學成分、顯微組織及電阻率控制，使材料具有防腐性能優良、成本低廉、易于推廣的特點。
【專利說明】一種耐酸性土壤腐蝕的接地網用低合金鋼
【技術領域】
[0001]本發明屬于耐腐蝕合金鋼【技術領域】，特別涉及一種耐酸性土壤腐蝕的接地網用低合金鋼。
【背景技術】
[0002]接地網是保證發電、變電和輸電系統設備安全運行和人身安全的必須設施。多年來，我國由接地問題引起的電力系統事故時有發生，每次事故造成的直接經濟損失大約在數十萬元到幾百萬元之間，由電力系統事故造成的停電所帶來的間接經濟損失更大。在我國的接地工程中，鍍鋅鋼一直是主要的接地材料。由于土壤本身的復雜環境，埋在地下的電力接地網材料會產生腐蝕，尤其是在腐蝕性較強的土壤中，運行3-5年的鍍鋅鋼會出現嚴重腐蝕，甚至發生斷裂，造成多起設備損壞和停電事故。因此，接地網防腐一直是電力系統的重要研究課題。
[0003]目前，國內外接地網常用的防護措施有:⑴采用銅或銅包鋼材料；⑵實施電化學保護；(3)采用降阻劑；(4)材料上涂刷導電防腐涂層；(5)加大接地體截面面積。但是采用的這些防護措施仍然存在不少缺陷，如采用銅或銅包鋼材料，雖然這種材料在普通土壤中非常耐蝕，但價格昂貴，又容易污染土壤，且易與地下其他管線形成電偶腐蝕；電化學保護的施工雖然簡單，但維護費用大；又如采用降阻劑，其施工難度大且防腐性能發揮依賴特定環境；如果采用導電防腐涂料又存在老化快的問題，涂料一旦破裂其局部將受到腐蝕；傳統接地材料為增加使用壽命，會加大接地體截面面積以增加腐蝕裕量，而增大接地體截面會增加鋼材的消耗量以及接地體的焊接和彎、折等施工的困難，且對于一些腐蝕嚴重的地區無法從根本上解決問題，還會造成大量材料的不必要消耗；另外，一些新開發的合金鋼材料,雖然耐酸性土壤腐蝕性能良好,但其合金加入過多,材料電阻率過大,材料作為接地體在應用時為保證埋地后的泄流效果，需要加大接地體截面面積，也同樣存在上述問題。
·[0004]隨著經濟的高速發展，環境污染越來越嚴重，酸雨頻繁造成了大量土壤的酸化(pH< 7.0)，接地網材料的腐蝕環境更為苛刻，某些地區的鍍鋅鋼使用壽命甚至不到I年。針對以上接地網防護措施在實際應用時存在的不足，本發明專利提出一種耐酸性土壤腐蝕的接地網用耐蝕低合金鋼，其特征在于，僅通過合金成分設計以及組織控制，不僅大幅度提升了材料的耐酸性土壤腐蝕性能,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產成本，另一方面可以保證材料的導電性能，無需靠加大接地體截面面積來保證其泄流效果。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種耐酸性土壤腐蝕的接地網用低合金鋼，針對目前接地網用材的落后情況，采用耐蝕成分設計+顯微組織控制相結合的設計原理，在成分設計方面，通過添加一定量合金元素抑制土壤環境下的電化學腐蝕；在組織控制方面，通過碳含量及成型工藝控制，獲得大量單相鐵素體基體組織，減少鋼中珠光體組織含量，降低不同組織相間電位差以減少腐蝕微電池的形成；同時在該合金鋼設計過程中充分考慮其導電性能的變化，控制該合金鋼的電阻率不超過1.80X 10_7Q ? m。
[0006]在成分設計方面，本發明的技術解決方案是，所提供的耐酸性土壤腐蝕的接地網用耐蝕低合金鋼，采用純合金元素碳、硅、錳、鉻、磷、硫按照比例冶煉而成。其化學成分的重量百分比為: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:碳是組織控制的最主要元素，碳可以與Y-Fe有限固溶，會在一定程度上擴大奧氏體相區；同時碳和鉻形成的碳化物也有利于耐蝕性的提高，但碳含量過高會使鋼中滲碳體(Fe3C)含量增加，從而導致珠光體含量的增加，使合金耐蝕性能下降；另一方面碳含量的增多不利于材料的焊接性，為了避免碳的不利影響，碳的含量應當控制不高于0.08% ；
[0008]硅:硅的作用是脫氧和保證強度，同時硅可以在表面膜中富集，提高鋼的鈍化性能，但硅含量過高會降低鋼的焊接性能，過低不能保證最低強度，故硅的含量應控制在
0.01-1.0% 之內；
[0009]錳:錳與硅一樣，主要作用為脫氧和保證強度，錳可以減弱合金因硫引起的脆性，改善鋼的加工性能；錳是奧氏體相區擴大元素，會推遲奧氏體向鐵素體的轉變；同時錳屬于弱碳化物形成元素，在組織轉變時需要形成含錳較高的合金滲碳體，可以減慢珠光體轉變時合金滲碳體的形核和長大，但錳的含量過高會使晶粒粗化，容易使鋼產生白點，故綜合考慮，錳的含量應控制在0.01-1.5%之內；
[0010]硫:硫是合金冶煉中不可或缺的元素，但硫不僅對鋼的強度、焊接性能不利，，且硫在酸性環境中易溶解，易形成夾雜，誘發點蝕，降低材料的耐蝕性，故硫含量越低越好，一般應控制在0.005%以下；
[0011]磷:磷是鐵素體相區形成元素，可以與a-Fe有限固溶，縮小奧氏體相區；同時磷有利于提高材料在酸性土壤環境中的耐腐蝕性能，磷作為陽極去極化劑，有助于在鋼表面形成均勻的銹層，從而抑制腐蝕，但磷的含量過高會惡化焊接性能，降低韌性，故磷的含量應控制在0.1%以下；
[0012]鋁:鋁的作用主要為脫氧，但是鋁含量過高容易增加鋼中的氧化鋁夾雜，成為腐蝕源，故鋁的含量應控制在0.02%以下；
[0013]鉻:鉻是耐蝕元素，主要作用是提高合金抗腐蝕性，一方面固溶在鐵素體中，其氧化物即氧化鉻(Cr2O3)富集于靠近基體的保護膜中，抑制陽極反應；另一方面與碳形成碳化物(Cr23C6),抑制陰極反應，但碳化鉻含量過剩，反而降低耐蝕性；另外，鉻會提高過冷奧氏體的穩定性，可以推遲珠光體轉變時碳化物的形核和長大，且由于鉻會增加固溶體原子間結合力，降低鐵的自由擴散系數而抑制奧氏體向鐵素體的轉變，故鉻含量應控制在
1.3-5.0% 之內。
[0014]在組織控制方面，本發明的主要解決方案是控制該合金鋼中鐵素體組織和珠光體組織的含量，即該合金鋼中鐵素體組織含量不低于90%，珠光體組織含量不超過10%。
[0015]鐵素體:鐵素體也稱為a固溶體，是碳在a -Fe中的間隙固溶體，具有體心立方晶格。在碳鋼和低合金鋼的熱軋和退火組織中，鐵素體是主要組成相；另外，鐵素體還是珠光體組織的基體。由于a-Fe中的晶格間隙很小，因而溶碳能力極差，在727°C時溶碳量最大，可達0.0218%,隨著溫度的下降溶碳量逐漸減小，在室溫時溶碳量約為0.0008%,因此其性能幾乎和純鐵相同。鐵素體由于組成成分單一，具有很高的電極電位，腐蝕熱力學傾向小，因此在酸性土壤環境中具有良好的耐蝕性能。鐵素體含量低于90%時，組織中其它組織如珠光體、貝氏體等組織數量則相對較多，鋼在酸性土壤環境中的耐蝕性能顯著降低。因此，鐵素體組織含量控制不低于90%。
[0016]珠光體:珠光體是奧氏體發生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體，其含碳量為0.77%，形態為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復相物，也稱為片狀珠光體。珠光體中間隔分布的鐵素體和滲碳體由于電極電位電位差異，容易形成微小的腐蝕電池，其中鐵素體的電極電位較負，成為陽極而被腐蝕；滲碳體的電極電位較正，成為陰極而不被腐蝕。在酸性土壤環境中，二者形成的腐蝕電池容易造成接地金屬的局部腐蝕。珠光體組織含量高于10%時，組織中極易形成微小腐蝕電池，鋼在酸性土壤腐蝕環境中的耐蝕性能顯著降低。因此，珠光體組織含量控制不高于10%。
[0017]珠光體+鐵素體組織的試驗鋼由于富碳組織珠光體的存在，在酸性土壤環境中，具有較低的自腐蝕電位，腐蝕熱力學傾向較大，腐蝕產物粗大分布不均勻，并且在腐蝕過程中珠光體組織發生選擇性腐蝕，導致該處的銹層存在內應力，最終會破壞銹層的完整性，降低銹層的保護效果。根據實驗室模擬及現場埋設試驗，控制鋼中的鐵素體組織含量高于90%，珠光體組織含量低于10%，能大幅度提高實驗鋼在酸性土壤環境中的耐蝕性能。
[0018]在電阻控制方面，本發明的主要解決方案是控制材料的電阻率不超過1.80Χ10_7Ω.m。
[0019]電阻率是影響接地材料使用性能的主要影響因素。接地網用耐土壤腐蝕低合金鋼材料主要是通過低的電阻率保證接地導體在使用過程中的泄流功能。電阻率超過
1.80 X IO-7 Ω.m時，即使材料的耐土壤腐蝕性能滿足使用要求，但是無法滿足泄流功能要求，同樣無法獲得工程化應用。材料的低電阻率主要是通過綜合控制材料的合金含量及其顯微組織來獲得的。由于金屬中加入合金元素后，形成的固溶體中由于溶質原子的溶入將引起溶劑點陣的畸變，破壞了晶格勢場的周期性，從而增加了電子的散射概率，會增加材料導體的電阻率。`
[0020]另外，固溶體的有序化或無序固溶體的均勻化可以有效降低材料導體的電阻率，可以采用軋后控冷工藝，能在一定程度上實現固溶體的均勻化，從而降低材料導體的電阻率。
[0021]本發明的有益效果是，所提供的一種耐酸性土壤腐蝕的接地網用耐蝕低合金鋼材料，克服了傳統接地網用材在酸性土壤中腐蝕防護技術上的多種缺陷，通過化學成分、顯微組織及電阻率控制，使材料具有防腐性能優良、成本低廉、易于推廣的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1-4為部分典型組織示例圖，其中:
[0023]圖1為傳統接地扁鋼放大100倍的金相組織，主要組織為鐵素體+珠光體，其中，鐵素體含量為76%，珠光體含量為24% ；
[0024]圖2為實施例1成分材料放大100倍的金相組織，主要組織為鐵素體+珠光體，其中，鐵素體含量為91%，珠光體含量為9% ；
[0025]圖3為實施例6成分材料放大100倍的金相組織，主要組織為鐵素體+珠光體，其中，鐵素體含量為92%，珠光體含量為8% ；
[0026]圖4為實施例10成分材料放大100倍的金相組織，主要組織均為鐵素體，鐵素體
含量為100% ；
【具體實施方式】
[0027]以下通過具體的實施例對發明做進一步的說明。這些實施例僅用于解釋的目的，
本發明保護范圍不限于這些實施例中。對比例及各實施例的具體化學成分、組織組成及電
阻率見表1。
[0028]表1對比例及各實施例化學成分、組織組成與電阻率
[0029]
【權利要求】
1.一種耐酸性土壤腐蝕的接地網用低合金鋼，其特征在于，化學成分的重量百分比為: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 ； 顯微組織為:鐵素體組織含量不低于90%，珠光體組織含量不高于10% ； 電阻率不超過1.80Χ1(ΤΩ.m。
【文檔編號】C22C38/18GK103710624SQ201310714570
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】蘇航, 閆愛軍, 陳小平, 柴鋒, 楊才福, 薛東妹, 李麗, 李健 申請人:鋼鐵研究總院