海工用高氮钢螺栓的制备及其组织性能分析
刘吉猛
1,2
，王书桓
1,2
，赵定国
1,2
，李皓
1
，曹凯琪
1
(1. 华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063210；
2. 唐山市特种冶金及材料制备重点实验室， 河北 唐山 063210)
海工用螺栓长时间浸泡在海水中，要求其强度高、屈强比低、耐蚀性好。设计制备了一种低成本节镍型的高氮钢螺栓，通过组织观察、XRD检测、力学性能试验、化学浸泡腐蚀试验和动电位极化曲线测试，并与海工常用的316不锈钢螺栓进行对比分析。研究结果表明，本试验螺栓微观组织为奥氏体组织，且组织中含有大量孪晶并伴有少量第二相氮化物析出；试验螺栓抗拉强度为877 MPa、屈服强度为690 MPa、断后伸长量为7.3 mm、屈强比为0.79，该螺栓在抗拉强度不低于316螺栓的条件下，屈强比为其的84%，断后伸长量是其的2.16倍，力学性能明显优于316不锈钢螺栓，满足奥氏体不锈钢螺栓80等级要求。在质量分数为6%的FeCl
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溶液中浸泡15 d的腐蚀试验表明，试验螺栓腐蚀失重率为0.051%，是316不锈钢螺栓腐蚀失重率0.132%的38.6%；动电位极化曲线结果显示，试验螺栓相较于316不锈钢螺栓自腐蚀电位更正，腐蚀电流密度更小，耐局部腐蚀性能更优异。综上，试验高氮钢螺栓成本低，力学性能和耐点蚀、耐局部腐蚀性能均优于316不锈钢螺栓，研究结果为海洋工程用高强螺栓新材料提供了理论依据和数据支撑。
高氮钢螺栓； 力学性能； 耐腐蚀； 失重率； 极化曲线
螺栓连接广泛应用于钢结构中，这是因为螺栓连接在现场装配时操作简单、可更换、效率高、不易松动，质量比现场焊接连接更可靠。然而，由于服役环境严酷，其应用也存在安全隐患。研究表明，螺栓是节点内最脆弱的部件，通常会由螺栓断裂引发螺栓梁柱连接的破坏。钢制紧固件材料主要分为碳钢和不锈钢，一般碳钢强度性能较好，但耐腐蚀性能较差，在使用过程中其表面通常会生长出一定厚度的锈层，导致腐蚀失效问题。在海洋工程装备方面，由于环境潮湿，腐蚀性强，且维护成本高，一般选择具有良好耐蚀性的不锈钢螺栓。不锈钢属于钝性金属，其表面会自动生成一种防腐蚀的钝化膜，然而Cl
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会改变钝化膜的结构、形态和保护性，从而影响不锈钢的腐蚀热力学和动力学。马红杰等对316L不锈钢螺栓腐蚀断裂行为进行分析并给出防护建议，指出螺栓裂纹扩展方式为沿晶与穿晶混合型，充足的溶解氧加速了腐蚀进程。YANG X K等对暴露于海洋环境中的1Cr17Ni2高强螺栓的腐蚀行为进行了研究，结果表明γ-FeOOH和α-FeOOH是螺栓表面锈层的主要成分。
随着海洋强国战略的发展，制备高强耐蚀螺栓是紧固件发展的必然趋势。以往对螺栓紧固件的研究通常集中于改善冶炼工艺或热处理工艺以提高螺栓强度以及耐蚀性等问题，而一般海工不锈钢中含有大量铬、镍等战略资源，价格居高不下，如何在减少使用战略资源的情况下生产出符合要求的低成本高强耐蚀海工用螺栓成为迫切需求。
本课题组通过合金成分优化，并经冶炼、电渣重熔、锻造、轧制后，设计开发了一种低成本节镍型高强耐蚀高氮钢，经机加工后制备成海工用螺栓；以此为研究对象，对螺栓进行了微观组织观察、XRD检测、力学性能分析、化学浸泡腐蚀和动电位极化曲线扫描等试验，并与传统海工用316不锈钢螺栓进行力学性能和耐腐蚀性能对比，说明其应用在海洋工程的可行性。本研究为海洋工程用高强螺栓新材料提供了理论依据和数据支撑。
通过合金成分优化，并经冶炼、电渣重熔、锻造、轧制后，设计开发了一种节镍型海工用高氮钢，经机加工后制备成海工用螺栓。对螺栓进行了微观组织观察、XRD检测、力学性能测试、化学浸泡腐蚀和电化学极化曲线扫描等试验研究。将高氮钢螺栓的力学性能及耐蚀性能等与海工常用的316不锈钢螺栓进行对比，指出本试验钢螺栓符合应用在海洋工程装备的要求，具有应用在海洋工程装备的潜力，并得到以下结论：
1)设计制备的高氮奥氏体不锈钢螺栓性能符合海工应用要求，螺栓微观组织为奥氏体组织，奥氏体中含有孪晶并伴有少量氮化物第二相析出，孪晶和细小的氮化物析出可以在不降低材料耐蚀性能的前提下提高其强塑积；
2)高氮不锈钢螺栓的抗拉强度为877 MPa、屈服强度为690 MPa、断后伸长量为7.3 mm，判定螺栓符合国标奥氏体不锈钢螺栓80性能等级。与316不锈钢螺栓相比，试验螺栓强度较高，屈强比明显优于316不锈钢，且断后伸长量为316不锈钢螺栓的2.16倍；
3)试验螺栓腐蚀失重率为316不锈钢螺栓的38.6%，且极化曲线更靠右、下，说明试验螺栓耐蚀性能优于316不锈钢螺栓，且试验螺栓通过N来提高耐蚀性能，而N来源广泛，相比Ni具有成本优势。
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