0.   引言

耐候建筑钢是一类具有较大市场的建筑钢材。为了进一步增大耐候建筑钢的市场份额，提高耐候建筑钢的性能，人们对耐候建筑钢开展了一系列的研究。叶占春和关春龙^[1]研究和分析了含钒新型建筑耐候钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能。慕彩萍和李江^[2]分析和探讨了正火对含锶建筑耐候钢性能的影响规律。张莉芹和张开广^[3]研究和分析了含铌钛耐候建筑钢的热轧态组织与性能。吴建春和方园^[4]研究了薄带连铸B480GNQR耐候钢的腐蚀行为。陈健等^[5]测试分析了不同铬含量耐候钢在高湿热模拟环境中的耐腐蚀性能。付贵勤等^[6]研究分析了SO₂对海洋大气环境中含铬耐候钢腐蚀行为的影响规律。高立军等^[7]研究了耐火耐候钢在工业和海洋大气环境中的腐蚀行为。郭智辉^[8]研究和分析了大气环境下建筑用耐候钢的初期腐蚀行为。但是，随着耐候钢使用要求的不断提高，现有耐候钢在工业化应用中仍然存在较多不足，尤其是耐腐蚀性能和耐磨损性能不佳，严重阻碍了耐候钢的推广应用。众所周知，合金化是耐候钢提高耐腐蚀性能和耐磨损性能的有效途径。金属钛作为一种常用合金化元素，在提高金属材料耐腐蚀性能和耐磨损性能方面得到了成功应用。但是目前关于耐候建筑钢中添加合金元素钛的研究还较少，难以对工业化生产提供有效指导。为此，笔者尝试在Q235NH耐候建筑钢中添加不同含量的合金元素钛，研究含钛耐候建筑钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能，以期为含钛耐候建筑钢的研究和应用积累相关数据和经验。

1.   试验材料和方法

试验原料：纯金属钛，国内某钢厂生产的商用Q235NH耐候建筑钢。

试验方法：将Q235NH耐候建筑钢置于感应熔炼炉中进行重熔，然后加入金属钛，经过精炼、连铸成板坯后，再以粗轧终轧温度1 085 ℃、精轧入口温度1060 ℃、精轧终轧温度650 ℃、精轧穿带速度400 mm/min进行热连轧，制得所需的2 500 mm×800 mm×4 mm含钛耐候建筑钢板试样。所有试样均进行了相同工艺的退火处理：1 000 ℃×4 h。各试样的化学成分如表1所示。

表  1  试样化学成分

Table  1.  Chemical compositions of the alloy specimens %

编号	C	Si	Mn	Cr	Cu	Ti	S	P	Fe
试样1	0.12±0.02	0.25±0.05	0.45±0.05	0.60±0.05	0.30±0.05	0	＜0.035	＜0.035	Bal.
试样2	0.12±0.02	0.25±0.05	0.45±0.05	0.60±0.05	0.30±0.05	0.03	＜0.035	＜0.035	Bal.
试样3	0.12±0.02	0.25±0.05	0.45±0.05	0.60±0.05	0.30±0.05	0.06	＜0.035	＜0.035	Bal.
试样4	0.12±0.02	0.25±0.05	0.45±0.05	0.60±0.05	0.30±0.05	0.09	＜0.035	＜0.035	Bal.
试样5	0.12±0.02	0.25±0.05	0.45±0.05	0.60±0.05	0.30±0.05	0.12	＜0.035	＜0.035	Bal.
试样6	0.12±0.02	0.25±0.05	0.45±0.05	0.60±0.05	0.30±0.05	0.15	＜0.035	＜0.035	Bal.

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在含钛耐候建筑钢板试样上随机切取3个圆片状平行腐蚀试样，尺寸Φ20 mm×4 mm，在DH7001电化学工作站上进行室温腐蚀试验，腐蚀液为5%氯化钠水溶液，测试前恒电位极化180 s，测试时扫描速度0.001 V/s。为了提高试验结果的准确性，对3个平行腐蚀试样测试值进行算术平均处理，从而获得不同钛含量各试样的腐蚀电位测试值。测试后用PG18型显微镜观察试样的表面腐蚀形貌。

在含钛耐候建筑钢板试样上随机切取3个圆片状平行磨损试样，尺寸Φ40 mm×4 mm，在MMW-1A型摩擦磨损试验机上进行室温磨损试验，以试样本体为对磨材料，相对滑动速度90 mm/min、磨轮转速300 r/min、磨损时间10 min。通过对3个平行腐蚀试样测试值进行算术平均处理，以提高试验结果的准确性，获得不同钛含量各试样的磨损体积测试值。试验完成后在NeoScopeJCM-5000型扫描电子显微镜下进行试样表面磨损形貌的观察。

2.   试验结果及讨论

2.1   耐腐蚀性能

添加不同Ti含量的含钛耐候建筑钢板试样室温条件下的电化学腐蚀试验结果见表2。我们都知道，如果材料在电化学腐蚀试验中表现出向正向偏移的腐蚀电位，那么该材料具有更好的耐腐蚀性能；换言之，如果材料在电化学腐蚀试验中表现出向负向偏移的腐蚀电位，那么该材料的的耐腐蚀性能较差。从表2可以看出，与未添加Ti（Ti含量0，试样1）相比，添加合金元素Ti后试样的腐蚀电位明显正移，试样耐腐蚀性能提高。随Ti含量逐渐增加，试样的腐蚀电位呈现出先正移后负移的变化趋势，当Ti含量为0.09%时，试样的腐蚀电位最正（−0.655 V），试样耐腐蚀性能最佳。与未添加Ti相比，添加0.09%Ti时试样的腐蚀电位正移78 mV，试样耐腐蚀性能得到明显改善。

表  2  不同钛含量试样的实测腐蚀电位

Table  2.  Corrosion potential of samples with different titanium contents

编号	腐蚀电位/V
	平行试样1	平行试样1	平行试样1	平均值
试样1	−0.734	−0.729	−0.736	−0.733
试样2	−0.711	−0.714	−0.708	−0.711
试样3	−0.684	−0.699	−0.687	−0.690
试样4	−0.657	−0.653	−0.656	−0.655
试样5	−0.671	−0.668	−0.665	−0.668
试样6	−0.689	−0.692	−0.686	−0.689

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添加不同Ti含量的含钛耐候建筑钢板试样腐蚀试验后的表面形貌如图1所示。从图1可以看出，未添加Ti（Ti含量0，试样1）时试样表面较多腐蚀坑，腐蚀坑面积较大，试样腐蚀现象较为严重。耐候建筑钢中添加合金元素Ti后，试样表面腐蚀坑明显减少、腐蚀坑面积明显减小，试样腐蚀现象得到缓解，试样耐腐蚀性能得到提高。当Ti含量为0.09%时，试样表面腐蚀坑最少、腐蚀坑面积更小，试样的腐蚀情况更轻微。各试样的表面腐蚀情况对比结果与上述各试样腐蚀电位实测值对比情况吻合。

图  1  含钛耐候建筑钢表面腐蚀形貌

Ti含量: (a) 0; (b) 0.03%; (c) 0.06%; (d) 0.09%; (e) 0.12%; (f) 0.15%

Figure  1.  Morphology of titanium bearing weather-proof building steels after corrosion

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2.2   耐磨损性能

添加不同Ti含量的含钛耐候建筑钢板试样室温耐磨损性能测试结果如表3所示。众所周知，摩擦磨损试验测得的材料磨损体积数值越大，说明材料的耐磨损性能越差；换言之，如果测得的材料磨损体积越小，说明材料具有更好的耐磨损性能。从表3可以看出，与未添加Ti（Ti含量0，试样1）相比，在Q235NH耐候建筑钢中添加合金元素Ti可使其磨损体积得到显著减小，耐候建筑钢具有更好的耐磨损性能。随Ti含量逐渐增加，含钛耐候建筑钢在摩擦磨损试验中测得的磨损体积数值先变小后变大，含钛耐候建筑钢耐磨损性能表现为先增强后下降的趋势；当Q235NH耐候建筑钢中Ti含量达到0.09%时，含钛耐候建筑钢的磨损体积测得值最小，试样耐磨损性能最佳。与未添加Ti相比，添加0.09%Ti时试样的磨损体积减小7.2×10⁻³ mm³，试样耐磨损性能得到明显改善。

添加不同Ti含量的含钛耐候建筑钢板试样磨损试验后的表面形貌如图2所示。从图2可以看出，未添加Ti（Ti含量0，试样1）时试样腐蚀现象较为严重。耐候建筑钢中添加合金元素Ti后，试样表面磨损现象得到缓解，试样耐磨损性能得到提高。当Ti含量为0.09%时，含钛耐候建筑钢表面磨损现象最轻微。各试样的表面磨损情况对比结果与上述各试样磨损体积实测值对比情况吻合。

表  3  试样磨损体积测试结果

Table  3.  Wear volume test results of samples

编号	腐蚀体积×103/mm3
	平行试样1	平行试样1	平行试样1	平均值
试样1	18.4	19.6	18.7	18.9
试样2	16.1	15.4	15.7	15.7
试样3	13.5	13.9	14.1	13.8
试样4	11.5	11.8	11.9	11.7
试样5	12.2	12.8	12.4	12.5
试样6	13.8	14.3	13.7	13.9

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图  2  含钛耐候建筑钢表面磨损形貌

Ti含量: (a) 0; (b) 0.03%; (c) 0.06%; (d) 0.09%; (e) 0.12%; (f) 0.15%

Figure  2.  Morphology of titanium bearing weather-proof building steels after wear

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2.3   显微组织

添加不同Ti含量的含钛Q235NH耐候建筑钢板试样的显微组织金相照片如图3所示。从图3可以看出，与不添加合金元素Ti（图3a）相比，在Q235NH耐候建筑钢中添加Ti（图3b～f）后试样的组织得到明显细化。随钢中Ti含量从0逐渐增加到0.09%，试样内部组织明显细化；但当钢中Ti含量从0.09%逐渐增加到0.15%，试样内部组织细化程度无明显变化。图4是添加不同Ti含量的含钛耐候建筑钢板试样中碳氮化物的金相照片。从图4可以看出，随钢中Ti含量的增加，碳化物更为密集；当Ti含量超过0.09%时，碳化物发生较为明显的粗化现象。已有的研究表明，合金元素钛在钢中首先与氮元素结合形成氮化钛，再与碳元素结合生产碳化钛。随钛含量增大，细小的氮化钛和碳化钛颗粒不断增加，在析出强化作用下提高Q235NH钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能；但当钛含量过大时，氮化钛发生明显的粗化，钛对钢的组织细化能力弱化，导致内部组织不再进一步明显的细化，且由于粗大氮化钛的存在，易产生偏析等问题，使得钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能非但不能进一步以提高，反而有所下降。

图  3  试样显微组织金相照片

Ti含量: (a) 0; (b) 0.03%; (c) 0.06%; (d) 0.09%; (e) 0.12%; (f) 0.15%

Figure  3.  Metallography of specimens’ microstructure

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Q235NH钢是一种常用的耐候建筑钢，但是该钢材的耐腐蚀性能和耐磨损性能有待提高。综上所述，在Q235NH耐候建筑钢中添加合金元素Ti有利于提高耐候钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能。金属Ti是一种较为活泼的金属元素，它与氧、氮、碳等都有很强的亲和力，将金属Ti加入到Q235NH耐候建筑钢中，可以起到很好的脱氧作用，同时有效固定钢中的氮和碳。另一方面，在钢中添加金属钛可以使钛与硫反应形成硫化钛从而避免钢中产生过多的热脆性的硫化铁。此外，在Q235NH钢中添加金属元素Ti，钢中的钛与碳可以形成稳定的碳化钛化合物颗粒，这些碳化钛颗粒的存在，可以增加新相晶核形成的机会，从而促使奥氏体晶粒细化，改善耐候钢的综合性能。另外，在Q235NH耐候建筑钢中添加合金元素Ti还可以提高铁素体的电极电位，改善钢材的耐腐蚀性能。所以，与不添加Ti的Q235NH钢相比，在Q235NH钢中添加合金元素Ti后耐候建筑钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能得到明显提高。当Ti含量太少时，难以起到良好的改善作用；但是Ti含量过多，极易产生氮化钛粗化、偏析等不良影响，从而影响耐候建筑钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能。因此，为了提高含钛耐候建筑钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能，钛含量不宜过多也不宜过少。

图  4  试样碳氮化物的金相照片

Ti含量: (a) 0; (b) 0.03%; (c) 0.06%; (d) 0.09%; (e) 0.12%; (f) 0.15%

Figure  4.  Metallography of specimens’ nitrides

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3.   结论

1）在Q235NH耐候建筑钢中添加金属元素Ti，可以明显提高耐候钢的耐腐蚀性能和耐磨损性能。随钛含量逐渐增加，含钛耐候建筑钢的腐蚀电位先正移后负移、磨损体积表现为先变小再变大，含钛耐候建筑钢耐腐和耐磨性都先增强再降低。

2）与未添加Ti相比，含钛耐候建筑钢的腐蚀电位正向偏移值达78 mV、磨损体积减小值达7.2×10⁻³ mm³，含钛耐候建筑钢的耐腐和耐磨性优于不含钛的Q235NH耐候建筑钢。

3）为改善耐腐和耐磨性，Q235NH耐候建筑钢中合金元素Ti的含量优选为0.09%。