磷合金化貝氏體耐候鋼模擬工業(yè)大氣腐蝕研究

邵長(zhǎng)靜

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 (沈陽(yáng) 110161)

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本課題研究的目的在于開發(fā)一種耐工業(yè)大氣腐蝕的低合金、高強(qiáng)度、良好的耐蝕性能的新低碳貝氏體耐候鋼。為此，首先進(jìn)行優(yōu)化合金設(shè)計(jì)，通過(guò)添加提高耐蝕性元素P和Cu等，同時(shí)適當(dāng)減少貴重金屬的加入，設(shè)計(jì)出兩種不同成分的低碳貝氏體鋼，并系統(tǒng)總結(jié)各種元素的作用機(jī)制，以及通過(guò)有效的控軋、控冷工藝開發(fā)一種高耐蝕性的新鋼種。

2 實(shí)驗(yàn)鋼的成分及金相組織

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種不同成分的低碳貝氏體鋼1#與2#鋼，其成分如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的成分（mass%）

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取Q345鋼和09CuPCrNi鋼作為對(duì)比鋼種，四種實(shí)驗(yàn)鋼熱軋態(tài)的金相組織如圖1。可以看出，1#鋼和2#鋼的組織均為細(xì)小的粒狀貝氏體，09CuPCrNi為細(xì)小的鐵素體+珠光體組織，Q345組織為粗大的鐵素體+珠光體。

3 實(shí)驗(yàn)方法

在 SDJ450F濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)，用 0.052%NaHSO3溶液來(lái)模擬工業(yè)大氣對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的腐蝕，根據(jù)試樣在不同干濕周期后單位面積的重量變化m△與干濕交替腐蝕周期變化的關(guān)系，繪出材料的腐蝕增重曲線。同時(shí)用X射線對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)定，用掃描電鏡對(duì)經(jīng)過(guò)干濕交替腐蝕不同周期的試樣分別進(jìn)行銹層表面形貌和銹層斷面形貌的觀察。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼金相組織(a)-1#鋼；(b)-2#鋼；(c)-Q345鋼；(d)-09CuPCrNi鋼

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 腐蝕增重曲線

圖2為在0.052%NaHSO3溶液中模擬工業(yè)大氣腐蝕得到的實(shí)驗(yàn)鋼在不同階段的增重曲線。由圖可見(jiàn)，四種實(shí)驗(yàn)鋼的增重規(guī)律相近，在前兩周期時(shí)腐蝕速率變化均不大，隨后平穩(wěn)上升。其中，以Q345鋼的增重最快，1#鋼、2#鋼和09CuPCrNi鋼的增重比較接近，說(shuō)明這三種鋼的耐蝕性基本相近，其中2#鋼耐蝕性略好，1#鋼稍差，09CuPCrNi鋼的耐工業(yè)大氣腐蝕性能位于兩者之間。

由于NaHSO3有還原性，鋼在NaHSO3溶液進(jìn)行干濕交替腐蝕試驗(yàn)腐蝕銹層中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(huì)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(duì)基體有保護(hù)作用。雖然腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的銹層較薄，腐蝕液也不容易滲入基體，銹層對(duì)基體還是能起到一定保護(hù)作用的。從腐蝕速率來(lái)看，四種鋼在模擬工業(yè)大氣中的耐蝕性能從高到低的順序?yàn)椋?#鋼＞09CuPCrNi 鋼＞1#鋼＞Q345 鋼。2#鋼與09CuPCrNi鋼內(nèi)部同時(shí)存在能夠提高耐蝕性能Cu、P和Ni元素，但2#鋼的耐蝕性好于09CuPCrNi鋼，主要是由于 2#鋼中 M/A島均勻分布在貝氏體鐵素體基體上，不含有粗大的碳化物，晶界面積少，這種粒狀貝氏體組織的耐蝕性能優(yōu)于09CuPCrNi鋼的珠光體+鐵素體組織；而09CuPCrNi鋼的耐蝕性能與1#鋼相差不大的原因在于：09CuPCrNi鋼內(nèi)部含有的耐蝕性合金元素提高了其耐蝕性，從而彌補(bǔ)了其組織耐蝕性差的缺陷；1#鋼的貝氏體組織提高了其耐蝕性，從而彌補(bǔ)了其基體不含耐蝕性合金元素的缺陷。Q345鋼的耐蝕性能最差，因?yàn)槠鋬?nèi)部既沒(méi)有耐蝕性合金元素來(lái)提高它的耐蝕性能，也沒(méi)有良好的耐蝕性組織（Q345鋼的組織為粗大的鐵素體+珠光體），造成鋼的自腐蝕電位低，同時(shí)存在很多腐蝕微電池，因而其耐蝕性最差。

圖2 腐蝕增重曲線

4.2 腐蝕產(chǎn)物XRD分析

圖3為四種實(shí)驗(yàn)鋼在0.052%NaHSO3溶液中模擬工業(yè)大氣腐蝕5周期后的XRD衍射圖譜，從該圖可以看出四種實(shí)驗(yàn)鋼的銹層在成分上并無(wú)差別，組成相有Fe+3O(OH)、FeO(OH)和Fe3O4等。雖然銹層的相組成沒(méi)有太多差別，但是各相的體積分?jǐn)?shù)有較大差異，見(jiàn)表2。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，其中Q345鋼銹層中Fe3O4的含量最高，羥基鐵含量最低，09CuPCrNi鋼和1#鋼中所含的Fe3O4量差別不大，2#鋼中Fe3O4量最少，羥基鐵的含量最高。大多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為Fe3O4不具有保護(hù)作用，所以含有過(guò)多的Fe3O4不利于保護(hù)性銹層的形成。本實(shí)驗(yàn)所用的XRD技術(shù)不能區(qū)分羥基鐵的具體晶型，所以暫時(shí)不能確定實(shí)驗(yàn)鋼中保護(hù)性銹層 α-FeOOH的含量，即不能根據(jù) XRD結(jié)果來(lái)判斷哪種鋼所形成的銹層對(duì)基體的保護(hù)作用最強(qiáng)。

圖3 腐蝕5周期XRD圖譜

表2 腐蝕5周期后銹層的相組成

圖4 腐蝕5周期表面產(chǎn)物SEM組織 (a)-Q345鋼，(b)-1#鋼，(c)-2#鋼，(d)-09CuPCrNi鋼

4.3 腐蝕后SEM觀察結(jié)果及分析

4.3.1 表面SEM觀察結(jié)果

圖4為模擬工業(yè)大氣腐蝕5周期后表面腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌，由圖可見(jiàn)腐蝕5周期時(shí)Q345鋼的銹層主要為較粗大的團(tuán)狀、帶毛刺的腐蝕產(chǎn)物，直徑約為2μm；1#鋼的腐蝕產(chǎn)物從形貌看為γ-FeOOH和一定數(shù)量的α-FeOOH；2#鋼的腐蝕產(chǎn)物為細(xì)小、團(tuán)絮狀，表面較為光滑無(wú)明顯毛刺，認(rèn)定為α-FeOOH；09CuPCrNi鋼的腐蝕產(chǎn)物形貌與Q345鋼十分相似，但是晶粒尺寸明顯小于Q345鋼，致密度也高于Q345鋼。模擬工業(yè)大氣腐蝕15周期后（見(jiàn)圖5），四種鋼的銹層均變得更加密實(shí)，Q345鋼的銹層呈大塊、豆腐渣狀堆積排列，1#鋼、2#鋼和09CuPCrNi鋼的腐蝕產(chǎn)物無(wú)論從形貌還是晶粒尺寸看都十分相似，存在大量α-FeOOH和少量的γ-FeOOH。

圖5 腐蝕15周期腐蝕產(chǎn)物的SEM組織(a)-Q345鋼，(b)-1#鋼，(c)-2#鋼，(d)-09CuPCrNi鋼

4.3.2 斷面SEM觀察結(jié)果

圖6 腐蝕15周期后斷面形貌像(a)-Q345鋼，(b)-1#鋼，(c)-2#鋼，(d)-09CuPCrNi鋼

圖6為實(shí)驗(yàn)鋼模擬工業(yè)大氣腐蝕15周期后斷面形貌像，四種鋼的銹層截面形貌不同，1#鋼、2#鋼和09CuPCrNi鋼的銹層薄厚較均勻，基體上的腐蝕深坑較少，腐蝕界面相對(duì)較平直，可認(rèn)為三者基體呈均勻腐蝕，銹層均勻增厚；Q345鋼銹層生長(zhǎng)方式以局部腐蝕為基礎(chǔ)，先在局部腐蝕出深坑，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；1#鋼、2#鋼和09CuPCrNi鋼的銹層與基體結(jié)合能力較好，且銹層看起來(lái)比較細(xì)膩，晶體顆粒小，銹層相對(duì)比較致密。由此可以看出：在0.052%NaHSO3溶液模擬工業(yè)大氣腐蝕過(guò)程中，由于腐蝕液的濃度較低，腐蝕環(huán)境不苛刻，1#鋼、2#鋼和09CuPCrNi鋼的銹層起到了同樣的保護(hù)作用，導(dǎo)致這三種鋼耐工業(yè)大氣腐蝕的性能相差不大。

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