Q345鋼與耐候鋼09CuPCrNi模擬工業(yè)大氣耐蝕性能比較

邵長靜

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（ 沈陽 110164 ）

作為一種高效鋼材，耐候鋼的耐大氣腐蝕性能是得到公認(rèn)的。耐候鋼相對于碳鋼來說具有良好的耐大氣腐蝕性能，本試驗(yàn)從耐工業(yè)大氣腐蝕方面對Q345鋼和耐候鋼09CuPCrNi進(jìn)行了干濕交替腐蝕增重實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了腐蝕性能的測定，對此進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)耐候鋼 09CuPCrNi和普通碳鋼Q345，其成分和顯微組織如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（mass%）

對兩種熱軋態(tài)實(shí)驗(yàn)鋼在GX71型OLYMPUS倒置式系統(tǒng)金相顯微鏡下進(jìn)行金相觀察，如圖1所示。可以看出，Q345鋼為粗大的鐵素體+珠光體組織，珠光體含量較多，09CuPCrNi鋼為細(xì)小的鐵素體+珠光體組織。

圖1 鋼的金相組織

1.2 干濕交替實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為SDJ450F濕熱試驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)所用的腐蝕液為模擬工業(yè)大氣腐蝕的 pH4的0.052%NaHSO3溶液。干濕交替循環(huán)腐蝕實(shí)驗(yàn)流程為：①用TG-328B光學(xué)讀數(shù)分析天平稱量樣品初始重量；②在樣品實(shí)驗(yàn)表面按40 μl/cm2滴加腐蝕溶液，鋪展均勻后放入濕熱試驗(yàn)箱腐蝕12 h，環(huán)境條件為50℃ 和60%相對濕度；③從濕熱箱中取出后放室溫下干燥12 h后再次稱重，然后用蒸餾水洗鹽以避免鹽粒在腐蝕表面沉聚；④重復(fù)第②和第③步直到設(shè)定的干濕交替次數(shù)。

1.3 腐蝕形貌觀察與產(chǎn)物分析

采用 SSX－550型掃描電鏡對經(jīng)過干濕交替腐蝕的試樣進(jìn)行銹層斷面形貌的觀察，以研究銹層的變化規(guī)律。

對經(jīng)過干濕交替腐蝕的試樣銹層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，所用設(shè)備為荷蘭panalytical B.V公司生產(chǎn)的TW3040/60型X，pert pro MPD衍射儀。采用Cu靶，最大管電壓為40 KV，最大管電流為40 mA，掃描角度從10 °到80 °，步進(jìn)掃描速度為 0.033 °/s。試樣尺寸為 10 mm×10 mm×3 mm，掃描面尺寸為10 mm×10 mm。結(jié)果分析采用X'Pert High Score Plus 軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 增重曲線分析

圖2為在0.052% NaHSO3溶液中模擬工業(yè)大氣腐蝕實(shí)驗(yàn)得到的兩種實(shí)驗(yàn)鋼在不同時(shí)間段的增重速率曲線。由圖可見，Q345鋼的增重速率曲線位于上方并與 09CuPCrNi鋼的腐蝕速率曲線之間存在較大的距離，說明Q345鋼的腐蝕速度明顯快于 09CuPCrNi鋼。在腐蝕的開始階段兩種鋼的腐蝕速率均較高，而隨著腐蝕時(shí)間的增長，當(dāng)試樣表面被銹層覆蓋后兩種鋼的腐蝕速率均呈下降趨勢，這是由于NaHSO3有還原性，鋼經(jīng) NaHSO3溶液腐蝕后銹層中 FeOH+的濃度較高，形成腐蝕產(chǎn)物γ-FeOOH和α-FeOOH的速度也快，據(jù)文獻(xiàn)介紹[2]溶解的鐵是經(jīng)Ferrihydrite(Fe5HO8·4H2O)轉(zhuǎn)化而成 γ-FeOOH 和 α-FeOOH的，其中，F(xiàn)eOH+可吸附在 Ferrihydrite表面促使其溶解并轉(zhuǎn)化為γ-FeOOH或α-FeOOH，隨著腐蝕產(chǎn)物γ-FeOOH的形成，溶液的pH值會下降，酸性介質(zhì)有利于形成 α-FeOOH，形成的α-FeOOH晶體顆粒小對基體有保護(hù)作用。雖然腐蝕過程中產(chǎn)生的銹層較薄，腐蝕液也不容易滲入基體，銹層對基體還是有一定的保護(hù)作用的。從增重曲線測得的腐蝕速率來看兩種鋼的耐蝕性能從高到低的順序?yàn)椋?9CuPCrNi鋼＞Q345鋼，這是由于09CuPCrNi鋼的晶粒較Q345鋼的細(xì)小，且內(nèi)部同時(shí)存在能夠提高耐蝕性能Cu、P、Cr和Ni元素提高了其耐蝕性，而Q345鋼內(nèi)部含有粗大的碳化物，晶界面積大，造成鋼的自腐蝕電位低，同時(shí)存在很多腐蝕微電池，內(nèi)部沒有耐蝕性合金元素來提高它的耐蝕性能，因此導(dǎo)致其耐蝕性較09CuPCrNi鋼差。

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼模擬工業(yè)大氣腐蝕增重曲線

2.2 XRD定性分析

圖3為兩種實(shí)驗(yàn)鋼在0.052% NaHSO3溶液中模擬工業(yè)大氣腐蝕15周期后的XRD衍射圖譜，從衍射圖可以看出不同實(shí)驗(yàn)鋼試樣的銹層在成分上并無差別，組成相有Fe+3O(OH)、FeO(OH)和Fe3O4等。雖然銹層的相組成沒有太多差別，但是各相的體積分?jǐn)?shù)有較大差異，見表2所示。從表2看出：銹層的相組成主要是兩種不同晶型的羥基鐵和Fe3O4，Q345鋼銹層中Fe3O4的含量較高，羥基鐵含量較低。大多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為Fe3O4不具有保護(hù)作用，所以含有過多的Fe3O4對保護(hù)性銹層的形成并沒有好處。

圖3 模擬工業(yè)大氣腐蝕15周期XRD圖譜

表2 銹層的相組成

2.3 銹層截面的電鏡觀察

圖4為實(shí)驗(yàn)鋼模擬工業(yè)大氣腐蝕15周期后斷面形貌像，兩種鋼的銹層截面形貌不同，09CuPCrNi鋼的銹層較均勻，腐蝕深坑較少，腐蝕界面平直，基體腐蝕是均勻腐蝕，銹層均勻增厚；Q345鋼銹層生長方式以局部腐蝕為基礎(chǔ)，首先局部腐蝕出深坑，腐蝕坑再橫向發(fā)展，連成一片。從圖上可以看出Q345鋼銹層比較松散，內(nèi)部有較大的孔洞，與基體的結(jié)合能力較差，極易脫落；09CuPCrNi鋼的銹層與基體結(jié)合能力較好，且銹層看起來比較細(xì)膩，晶體顆粒小，銹層相對比較致密，對基體的保護(hù)作用比Q345鋼銹層保護(hù)作用好。09CuPCrNi鋼無論在增重曲線測量，還是在銹層致密度方面均優(yōu)于Q345鋼，主要是由于09CuPCrNi鋼中加入了Cu、P、Cr和Ni元素，從微觀結(jié)構(gòu)看Ni能夠通過取代各種鐵銹化合物中Fe的位置，使得銹層具有陽離子選擇性，抑制了腐蝕性離子的侵入，從而提高了耐蝕性，Cu和P對保護(hù)性銹層的生成也起到了輔助作用，因?yàn)镃u能有助于銹層中γ- FeOOH 向α- FeOOH 轉(zhuǎn)化，有利于穩(wěn)定銹層的形成，并能使腐蝕電位向正方向移動；偏聚在材料表面上的P原子在水和氧的作用下水解，生成一種致密性較高磷酸鹽，并且能均勻覆蓋在基體表面的空洞和裂紋處，阻礙了水和氧的通過，使基體免遭進(jìn)一步的腐蝕，并且H2PO4－能夠加速銹層中Fe2+向Fe3+的轉(zhuǎn)化、使腐蝕初期反應(yīng)快速進(jìn)行、阻止鐵銹粒子長大，使腐蝕生成物顆粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密，促進(jìn)了致密、穩(wěn)定、均勻的保護(hù)膜形成。

圖4 模擬工業(yè)大氣腐蝕15周期后斷面形貌像

3 結(jié)論

(1)在 0.052%NaHSO3介質(zhì)中干濕交替環(huán)境下，耐候鋼 09CuPCrNi的腐蝕速率明顯慢于Q345鋼。

(2)兩種鋼銹層均由Fe+30（0H0，F(xiàn)e0（0H）和Fe3O4組成，但相組成百分含量不同。

(3)Cu、P、Cr和Ni元素在耐候鋼內(nèi)協(xié)同作用，提高了鋼的抗大氣腐蝕性能。

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