合金元素對耐候鋼在海洋大氣中耐蝕性影響的交互作用

王晶晶,黃 峰,周學俊,陳江風,劉麗楨

(1. 武漢科技大學 材料與冶金學院，武漢 430081; 2. 武漢鋼鐵股份有限公司，武漢 430083)

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合金元素對耐候鋼在海洋大氣中耐蝕性影響的交互作用

王晶晶1,黃 峰1,周學俊2,陳江風1,劉麗楨1

(1. 武漢科技大學 材料與冶金學院，武漢 430081; 2. 武漢鋼鐵股份有限公司，武漢 430083)

采用三因素三水平正交試驗設計合金成分，實驗室煉制軋制耐候鋼，采用室內加速周浸腐蝕試驗研究了在NaCl模擬海洋大氣環境中合金元素銅、硅、鎳對耐候鋼耐蝕性影響的交互作用。結果表明,銅、硅、鎳對耐蝕性影響的順序為：銅>硅>鎳，三因素對耐候鋼耐蝕性影響交互作用明顯；方差分析表明銅為高度顯著影響因素，硅和鎳為非顯著影響因素；三種元素的最優含量搭配為：Cu0.15-Si0.6-Ni0；銅、硅、鎳交互作用影響下，一定范圍內適當減少貴金屬銅、鎳的用量以降低生產成本是可行的。

合金元素；耐候鋼；海洋大氣環境；耐蝕性；正交試驗

耐候鋼是指在普通低碳鋼中加入適量銅、磷、鉻、鎳等合金元素，使鋼鐵表面形成一層致密且與基體結合緊密的腐蝕產物膜，從而大大提高鋼鐵材料的耐大氣腐蝕能力[1-3]。研究表明，耐候鋼成分和使用環境不同，其耐蝕性可比普通鋼提高2～8倍[4]。傳統耐候鋼因采用鎳、鈦等合金元素而使價格偏高，限制了其廣泛使用，所以開發低成本經濟耐候鋼已成為研究的熱點。

從目前國內外的文獻[5-11]來看，單一或兩種合金元素對耐候鋼耐蝕性影響的研究較多。封輝[5]研究了銅對低合金高強耐候鋼耐蝕性的影響，發現銅使銹層厚度減小，致密度增加，有效提高了鋼的耐腐蝕能力。劉國超[6]研究了銅和錳的協同作用對低合金鋼在模擬海洋大氣環境中腐蝕行為的影響，發現銅和錳的協同作用使得銹層更致密，耐大氣腐蝕性能優于16Mn鋼。但是三種及以上合金元素對耐候鋼耐蝕性影響的交互作用研究尚少，海洋大氣環境中三種及以上合金元素交互作用的研究更少。

本工作在SPA-H鋼元素成分的基礎上，設計三因素三水平正交試驗，軋制9種不同銅、硅、鎳含量的耐候試驗鋼，研究了其在模擬海洋大氣環境中的耐腐蝕性，討論了3種合金元素對耐候鋼耐蝕性影響的交互作用，為開發低成本耐候鋼提供理論支持。

1 試驗

1.1 夾雜物及金相組織的觀察

用線切割機在試驗鋼上切割金相試樣，用SiC水磨砂紙將試樣逐級打磨至2 000號，并拋光至鏡面，使用英國牛津公司的le350 PentaFET X-3 X射線能譜儀對試樣鋼中夾雜物的成分進行分析；用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在Axioplan型多功能金相顯微鏡下觀察鋼樣的微觀組織。

1.2 鋼成分正交試驗方案設計

為了得到最佳含量搭配，在SPA-H鋼種原有化學成分的基礎上，設計時使硅、鎳突破日標JIS G3125對其含量上、下限的規定，采用正交設計試驗方案中的三因素三水平正交表，試驗鋼板具體合金元素及含量如表1所示，其他主要合金元素含量(質量分數，%)為：C 0.09，Mn 0.4，P 0.09，Cr 0.35，Al 0.02，S 0.01。實驗室真空熔煉鋼坯，在φ500 mm×400 mm二輥軋機上進行控制軋制，主要工藝參數如下： FT7 850 ℃， CT 540 ℃，厚度 6 mm。

表1 三因素三水平正交試驗表

1.3 周期浸潤腐蝕試驗

周期浸潤腐蝕試驗采用北京科技大學腐蝕中心的EA-08型干濕交替周期浸潤腐蝕試驗箱進行，模擬海洋大氣環境采用3.5%的NaCl溶液，試驗進行72 h，試驗條件如下：pH=6.47，溶液溫度(45±2) ℃，空氣溫度(45±2) ℃，濕度(70±5)%，浸潤時間 12 min，干燥時間 48 min。

試樣尺寸為60 mm×40 mm×6 mm，試驗前用砂紙逐級打磨至1 000號，用去離子水沖洗，丙酮去脂，無水乙醇脫水后吹干，在干燥器中干燥24 h后稱其初始質量m1(精確到0.1 mg)；周浸腐蝕后將試樣浸泡在配置好的除銹液(500 mL鹽酸+500 mL蒸餾水+15 g六次甲基四胺)中清洗以去除腐蝕產物。除銹后的試樣用無水乙醇清洗，冷風吹干后干燥24 h稱其質量m2，并記錄試樣表面狀況，按文獻[12]方法計算腐蝕失重率。

2 結果與討論

2.1 試驗鋼顯微組織

實驗室軋制的9種耐候試驗鋼中碳含量在0.09%左右，均屬于亞共析鋼，控制軋制，室溫組織表現為鐵素體和珠光體，如圖1所示。經X射線能譜分析，鋼中存在的非金屬夾雜物主要為Al2O3和MnS，還有少量的Al2O3、MnS復合夾雜，各種鋼之間夾雜物種類無明顯差別。

2.2 正交試驗結果

2.2.1 極差分析

9種試驗鋼試樣進行為期72 h的室內加速周浸腐蝕試驗后，其腐蝕失重率及相關的正交試驗計算結果如表2所示。可以看出，9種鋼中，含量搭配為Cu0.15-Si0.6-Ni0鋼的腐蝕失重率最小，含量搭配為Cu0.35-Si0.9-Ni0鋼的腐蝕失重率最大，最大值和最小值相差1.4 g/(m2·h)，變化比較明顯，說明合金元素銅、硅、鎳含量對耐候鋼在NaCl模擬海洋大氣環境中的耐蝕性影響較大。

為了確定三因素對失重率影響的主次順序，利用極差分析法[13-15]來分析試驗結果，極差越大，因素水平對試驗結果影響越大。由表2可知，在試驗所取參數范圍內，三種因素的極差順序為RCu>RSi>RNi，所以各因素對鋼樣在NaCl模擬海洋大氣環境中耐蝕性影響的主次順序為：銅>硅>鎳。空白列的極差比硅、鎳因素的極差大的多，這是因為表面上沒有安排因素的空白列實際上存在著一些影響較為顯著的“因素”[13]，即銅、鎳、硅三種因素的交互作用。

在周浸腐蝕試驗中，分析指標是腐蝕失重率，其值越小越好。所以在表2中應挑選每個因素的k1,k2,k3中最小值對應的水平。銅因素列：k3>k2>k1；硅因素列：k2>k3>k1；鎳因素列：k3>k1>k2，所以優化方案為Cu1Si1Ni2，即Cu0.15-Si0.6-Ni0.06。由于鎳因素水平改變對指標影響最小，可將2水平換為1水平，于是優方案變為Cu1Si1Ni1，即正交表中的1號試驗鋼，它也是9組試驗中失重率最小的試驗方案，即最優方案。

(a) 1號 (b) 2號 (c) 3號

(d) 4號 (e) 5號 (f) 6號

(g) 7號 (h) 8號 (i) 9號圖1 9種試驗鋼的顯微組織Fig. 1 Microstructure of nine weathering steels

2.2.2 直觀分析

根據表2對每個因素不同水平腐蝕失重率的平均值作直觀分析圖，結果如圖2所示。可以看出，銅含量由0.15%增加至0.35%時，腐蝕失重率持續增大，由4.5 g/(m2·h)增加到5.2 g/(m2·h)，增加了15.6%，銅含量為0.15%時，試驗鋼的耐蝕性最優；隨著硅含量增加，失重率先增大后減小，硅含量從0.6%增加到1.2%時，失重率最大波動4.3%，硅含量為0.6%時鋼失重率最小；鎳對鋼的耐蝕性影響則剛好相反，鎳含量增加時，失重率先減小后增大，當鎳含量增加到0.12%時，失重率最大波動僅2.1%，鎳含量為0.06%時鋼的耐蝕性能最佳。可見，三因素中銅在不同水平下失重率值波動最大，對指標的影響最顯著，是試驗鋼耐蝕性能的最主要影響因素。

據文獻報道[5,16-17]，在規定含量范圍內，提高銅、硅、鎳等合金元素的含量有助于提高鋼的耐蝕性能。而在本試驗中，銅含量增加，試驗鋼的耐蝕性反而變差，且隨著硅、鎳含量的增加，鋼的失重率呈現折線型變化趨勢。這說明銅、硅、鎳同時加入使彼此之間存在交互作用，通過適當的合金元素含量搭配，可以得到耐蝕性能較好的耐候鋼。如圖2，根據元素之間的交互作用，確定耐蝕性能最好的鋼的含量搭配為Cu1Si1Ni1(Cu0.15-Si0.6-Ni0)，這與極差分 析得到的結果是一致的。可見，在合金元素之間交互作用下，即使鋼中銅、鎳含量比較低也不影響其耐蝕性，即在一定范圍內，適當減少貴金屬銅、鎳的用量以降低生產成本是可行的，具體的交互作用機理有待后期進一步研究。

表2 正交試驗計算結果

圖2 合金元素對試驗鋼耐蝕性影響的直觀圖Fig. 2 Illustrative diagram of effects of alloy elements on corrosion resistance of steels

2.2.3 方差分析

為了進一步檢驗各因素的影響程度，進行了方差分析，結果見表3。

F值與對應臨界值之間的大小關系，反映了該因素對試驗結果影響的顯著性水平。如果某因素顯著性的檢驗值大于經查表得到的Fα(fj,fe)，則表明此因素對指標的影響是顯著的，否則不顯著。由表3可以看出，FCu遠大于FSi、FNi，則各因素影響失重率的主次順序為：銅、硅、鎳。只有銅因素水平的改變對指標影響特別顯著**，是高度顯著因素；而硅、鎳因素水平的改變對指標無顯著影響，是非顯著性因素，可忽略，不進行優選。結合極差分析和直觀分析結果，最終確定最優含量搭配為Cu1Si1Ni1 (Cu0.15-Si0.6-Ni0)，即1號試樣。

表3 方差分析結果

3 結論

(1) 在SPA-H原有合金元素基礎上，采用三因素三水平正交表設計合金成分硅、鎳，實驗室內軋制9種耐候試驗鋼，其微觀組織均表現為鐵素體和珠光體，鋼中存在的非金屬夾雜物主要為Al2O3和MnS，還有少量Al2O3、MnS復合夾雜。

(2) 在本試驗所取參數范圍內，硅、鎳三因素對耐候鋼耐蝕性影響的交互作用明顯，影響主次順序為：Cu>Si>Ni；其中，銅為高度顯著影響因素，硅和鎳為非顯著影響因素；三種元素的最優含量搭配為：Cu0.15-Si0.6-Ni0。

(3) 由于試驗鋼中硅、鎳彼此之間存在交互作用，在不影響其耐蝕性的前提下，一定范圍內適當減少貴金屬銅、鎳的用量以降低生產成本是可行的。

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Relative Function of Effects of Alloy Elements on Corrosion Resistance of Weathering Steels in Marine Atmosphere

WANG Jing-jing1, HUANG Feng1, ZHOU Xue-jun2, CHEN Jiang-feng1, LIU Li-zhen1

(1. School of Materials and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Wuhan Iron and Steel Company Limited, Wuhan 430083, China)

The relative function of effects of Cu, Si and Ni on the corrosion resistance of weathering steels in a simulated marine atmospheric environment was conducted by means of immersion corrosion experiment after designing alloy composition based on the three factors-three levels orthogonal test and preparing weathering steels in laboratory. The results showed that the relative function of effects of Cu, Si and Ni on corrosion resistance of weathering steels was great, and the influence of the three factors exhibited the following order: Cu>Si>Ni. The analysis of variance showed that Cu was a significant influencing factor, Si and Ni were nonsignificant influencing factors. The optimal composition ratio of weathering steels had been determined to be Cu0.15-Si0.6-Ni0. It′s properly feasible to reduce the dosage of precious metals Cu and Ni within a certain range in order to cut down the cost of production under the interaction between Cu, Si and Ni.

alloy elements; weathering steel; marine atmosphere environment; corrosion resistance; orthogonal test

2014-03-10

國家自然科學基金(51201119)； 湖北省教育廳中青年人才資助項目(Q20121101)

黃峰(1972-)，教授，博士，從事金屬材料腐蝕與防護及材料電化學相關研究，18607170385,huangfeng@wust.edu.cn

TG172.3

A

1005-748X(2015)01-0058-05