貝氏體鋼模擬沿海大氣腐蝕研究

邵長(zhǎng)靜

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

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貝氏體鋼模擬沿海大氣腐蝕研究

邵長(zhǎng)靜

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

為了研制一種耐沿海大氣腐蝕的鋼種，通過(guò)添加Cu、P和Ni元素，設(shè)計(jì)出了一種低碳貝氏體耐候鋼，采用干濕交替加速腐蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)其耐沿海大氣腐蝕性能進(jìn)行模擬，并對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD和掃描電鏡分析，確定其耐蝕性能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：該低碳貝氏體耐候鋼的耐蝕性優(yōu)于耐候鋼09CuPCrNi和低合金鋼Q345，主要是由于所添加合金元素的聯(lián)合作用及貝氏體組織的形成。

貝氏體耐候鋼；腐蝕；銹層

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

本實(shí)驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證自行研制的新型低碳貝氏體耐候鋼耐沿海大氣腐蝕的能力。研究合金元素的添加以及實(shí)驗(yàn)鋼的組織對(duì)其耐蝕性能的影響，為研制耐沿海大氣腐蝕的新型低碳貝氏體耐候鋼提供理論依據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)添加Cu、P和Ni元素，自行設(shè)計(jì)了低碳貝氏體耐候鋼(以下簡(jiǎn)稱C1鋼)，采用低合金鋼Q345和傳統(tǒng)耐候鋼09CuPCrNi作為對(duì)比鋼，來(lái)比較其耐蝕性能的好壞，以下是3種鋼的成分(見表1)。

表1 3種實(shí)驗(yàn)鋼的成分 %

1.3 實(shí)驗(yàn)鋼的金相組織

3種實(shí)驗(yàn)鋼(熱軋態(tài))在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察(如圖1)，如圖1所示，低合金鋼Q345的組織為粗大的鐵素體+珠光體，C1鋼的組織為細(xì)小的粒狀貝氏體，傳統(tǒng)耐候鋼09CuPCrNi的組織為細(xì)小的鐵素體+珠光體[1]。

a Q345鋼； b C1鋼； c 09CuPCrNi鋼

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

取3種鋼的試樣(C1鋼，Q345，09CuPCrNi)，在濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行干濕交替腐蝕增重實(shí)驗(yàn)(其中濕熱試驗(yàn)箱腐蝕12 h，溫度50℃，相對(duì)濕度60%，濕熱箱取出后室溫干燥12 h稱重，此24 h為1個(gè)周期)，用0.3% NaCl+0.052% NaHSO3溶液模擬沿海大氣對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行腐蝕。根據(jù)實(shí)驗(yàn)鋼在不同腐蝕周期單位面積的重量變化與腐蝕周期的關(guān)系，畫出腐蝕增重曲線圖；利用X射線衍射儀對(duì)腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)測(cè)定；利用掃描電鏡對(duì)腐蝕不同周期的試樣進(jìn)行銹層表面形貌與銹層斷面形貌的觀察，來(lái)研究銹層的變化情況[1]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 模擬沿海大氣腐蝕增重曲線

圖2為模擬沿海大氣腐蝕不同周期3種實(shí)驗(yàn)鋼的增重曲線。

1 Q345鋼; 2 09CuPCrNi鋼; 3 C1鋼

3種實(shí)驗(yàn)鋼的曲線均分別保持各自的斜率不斷上升，Q345鋼的增重曲線位于最上方，斜率最大，09CuPCrNi鋼的增重曲線位于中部，C1鋼的增重曲線低于其他兩種鋼。在NaCl+NaHSO3溶液中同時(shí)存在氯離子和亞硫酸氫根離子，這時(shí)的腐蝕行為與只有單一腐蝕介質(zhì)的情形不同，氯離子具有很強(qiáng)的侵蝕性，不僅能起到導(dǎo)電介質(zhì)的作用，他還具有活化作用，導(dǎo)致細(xì)微的裂紋出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)鋼表面的腐蝕產(chǎn)物膜上，同時(shí)還會(huì)加大腐蝕產(chǎn)物中Fe2+的濃度，增加鈍化膜被破壞的機(jī)率，使腐蝕進(jìn)一步加速。因此氯離子和亞硫酸氫根離子在溶液中產(chǎn)生了“協(xié)同作用”，大大的加速了腐蝕的進(jìn)行[2]。這就導(dǎo)致腐蝕初期形成的較薄銹層雖然對(duì)基體具有一定的保護(hù)作用，但不能從根本上阻止腐蝕的繼續(xù)進(jìn)行，只有當(dāng)腐蝕進(jìn)行到一定周期后，銹層達(dá)到了一定的厚度，對(duì)氯離子和亞硫酸氫根離子向基體的滲入起到了阻礙作用，才會(huì)使增重曲線逐漸趨于平緩。如圖2所示，在相同的腐蝕周期，C1鋼的增重最少，Q345鋼的增重最多，說(shuō)明3種實(shí)驗(yàn)鋼耐沿海大氣腐蝕的性能好壞順序依次為：C1鋼>09CuPCrNi鋼>Q345鋼。

2.2 模擬沿海大氣腐蝕產(chǎn)物XRD分析

圖3為3種實(shí)驗(yàn)鋼模擬沿海大氣腐蝕5周期的XRD圖譜，圖4為C1鋼模擬沿海大氣腐蝕15周期的XRD圖譜。

1 Fe+3O(OH); 2 FeO(OH); 3 Fe3O4

1 Fe+3O(OH); 2 FeO(OH); 3 Fe3O4

雖然鋼種不同，腐蝕周期也不同，但3種實(shí)驗(yàn)鋼的腐蝕產(chǎn)物均為Fe+3O(OH)、Fe3O4和FeO(OH)。表2是實(shí)驗(yàn)鋼銹層相組成體積分?jǐn)?shù)。

表2 模擬沿海大氣腐蝕后銹層的相組成 %

由表2可知：在腐蝕初期，3種實(shí)驗(yàn)鋼銹層相組成的百分含量相并差不大，全都以Fe+3O(OH)為主，約占腐蝕產(chǎn)物的65%左右，F(xiàn)eO(OH)和Fe3O4的百分含量基本相當(dāng)，約為15%和20%。以C1鋼為例，我們發(fā)現(xiàn)腐蝕15周期后相組成體積分?jǐn)?shù)發(fā)生了很大的變化：Fe+3O(OH)的含量明顯上升，F(xiàn)eO(OH)的含量變化不大，F(xiàn)e3O4的含量明顯減少僅為6%，說(shuō)明從腐蝕5周期到腐蝕15周期發(fā)生了Fe3O4向Fe+3O(OH)的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換過(guò)程為：3Fe3O4+3/4O2+9/2H2O→9γ-FeOOH[3]。腐蝕初期的銹層組成物為γ-FeOOH，γ-FeOOH是亞穩(wěn)定產(chǎn)物，在長(zhǎng)期的大氣腐蝕過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)非晶態(tài)的FeO(OH)最終轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的銹層組成物α-FeOOH。從熱力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，α-FeOOH是銹層組成物中最穩(wěn)定的，他對(duì)基體具有保護(hù)作用，這種保護(hù)性銹層的形成可以使鋼的腐蝕速率變慢，腐蝕曲線逐漸趨于平緩，甚至下降。

2.3 模擬沿海大氣腐蝕表面SEM觀察

圖5為實(shí)驗(yàn)鋼模擬沿海大氣腐蝕5周期后表面腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌。

a Q345鋼；b C1鋼；c 09CuPCrNi鋼

由于模擬沿海大氣腐蝕的腐蝕液中含有氯離子，導(dǎo)致3種實(shí)驗(yàn)鋼表面腐蝕產(chǎn)物均出現(xiàn)了β-FeOOH[4](團(tuán)針狀)，腐蝕產(chǎn)物為α-FeOOH(團(tuán)狀)、β-FeOOH與γ-FeOOH(片狀)的混合物[4]，圖5(b)所反映的是C1鋼的銹層表面形貌，在其他兩種實(shí)驗(yàn)鋼上腐蝕產(chǎn)物也相同，只因拍攝緣故而未能很好的顯現(xiàn)。從模擬腐蝕5周期產(chǎn)物的形貌來(lái)看，Q345鋼和C1鋼的腐蝕產(chǎn)物大部分為團(tuán)狀的α-FeOOH，同時(shí)也含有團(tuán)針狀的β-FeOOH，這些腐蝕物底部為γ-FeOOH以片狀形式交織成網(wǎng)，09CuPCrNi鋼的腐蝕產(chǎn)物主要為片狀的γ-FeOOH。從致密度看，C1鋼腐蝕產(chǎn)物的致密度高于其他兩種實(shí)驗(yàn)鋼。

圖6為模擬沿海大氣腐蝕15周期后，3種實(shí)驗(yàn)鋼表的面腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌像。

a Q345鋼；b C1鋼；c 09CuPCrNi鋼

該形貌明顯與腐蝕5周期時(shí)的形貌不同，細(xì)小的團(tuán)狀組織幾乎完全消失了，所有的腐蝕產(chǎn)物均為不規(guī)則形狀，腐蝕產(chǎn)物層變厚并發(fā)生堆積，并且在腐蝕過(guò)程中，隨著腐蝕周期的變長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物的形貌也發(fā)生了變化。如圖6所示，此時(shí)3種實(shí)驗(yàn)鋼的表面腐蝕產(chǎn)物形貌基本相同，無(wú)法從形貌判斷他們所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物的類型。

2.4 模擬沿海大氣腐蝕斷面SEM觀察結(jié)果

實(shí)驗(yàn)鋼模擬沿海大氣腐蝕15周期后銹層斷面的低倍像如圖7所示。

a Q345鋼；b C1鋼；c 09CuPCrNi鋼

因?yàn)楦g時(shí)間較長(zhǎng)，所以銹層比較厚，在不計(jì)處理過(guò)程中銹層部分脫落的情況下，每種實(shí)驗(yàn)鋼銹層的厚度均超過(guò)了200 μm，Q345鋼的銹層最厚處竟達(dá)了260 μm以上。每種鋼的銹層都由外銹層和內(nèi)銹層兩部分構(gòu)成(其中外銹層疏松易脫落，內(nèi)銹層與基體結(jié)合好且致密)，從圖7看到有較多的孔洞存在于Q345鋼的銹層上，銹層上同時(shí)有裂紋存在，外銹層處還有比較細(xì)小的蜂窩狀孔。由于蜂窩狀孔的存在，導(dǎo)致銹層對(duì)基體的保護(hù)能力弱；09CuPCrNi鋼的銹層上也存在著孔洞，但是其上的孔洞比Q345鋼明顯減少，銹層致密性好于Q345鋼；C1鋼的銹層上沒(méi)有孔洞也沒(méi)有裂紋，從外銹層處可以看出：C1鋼的銹層以小顆粒狀圓球形式緊密的排列在一起，銹層對(duì)基體的保護(hù)作用明顯好于其他兩種實(shí)驗(yàn)鋼。

3 結(jié) 論

在模擬沿海大氣腐蝕實(shí)驗(yàn)中，C1鋼表現(xiàn)出最好的耐蝕性能，這與合金元素的加入和貝氏體組織的形成均有關(guān)系。合金元素Cu、P和Ni的加入能提高鋼的自腐蝕電位，Cu可以降低腐蝕后期的腐蝕速率，Cu和P能夠加速腐蝕產(chǎn)物中不穩(wěn)定的β-FeOOH和γ-FeOOH向穩(wěn)定的α-FeOOH的轉(zhuǎn)化，使鋼的耐腐蝕性能明顯提高。粒狀貝氏體組織不存在粗大的碳化物和晶界，因此比鐵素體+珠光體組織更加耐蝕。

[1] 邵長(zhǎng)靜. 低碳貝氏體耐候鋼在海岸大氣和工業(yè)大氣環(huán)境下的腐蝕行為研究[D]. 沈陽(yáng): 東北大學(xué), 2010.

[2] 崔雷, 楊善武, 王樹濤. 低碳貝氏體鋼在三種典型環(huán)境中的腐蝕行為和腐蝕產(chǎn)物[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 31(3): 306-311.

[3] 楊景紅, 劉青友, 王向東, 等. 耐侯鋼及其腐蝕產(chǎn)物的研究概況[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2007, 27(6): 367-371.

[4] 楊建春. 關(guān)于耐候鋼開發(fā)的探討[J]. 馬鋼職工大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 13(4): 1-5.

Bainitic Steel Simulation Coastal Atmospheric Corrosion Research

SHAO Changjing

(DepartmentofAutomaticControl,InstituteofLiaoningEquipmentManufacturingProfessionalTechnology,Shenyang,Liaoning110161,China)

In order to develop a steel in coastal atmospheric corrosion, we add Cu, P and Ni element to design a kind of low carbon bainitic weathering steel, by using dry-wet alternate accelerated corrosion experiments simulate in its corrosion resistant ability to the coastal atmospheric. We also use XRD and SEM to analyze the corrosion products to determine the corrosion resistant performance. After experimental verification, the corrosion resistance of the low carbon bainitic weathering steel is better than that of weathering steel 09CuPCrNi with low alloy steel Q345, as is mainly due to the adding of alloy elements and the formation of bainitic organization.

Bainitic weathering steel; Corrosion; Rust

2016-10-18

邵長(zhǎng)靜(1982-)，女，遼寧朝陽(yáng)人，講師，研究方向：金屬材料的腐蝕，手機(jī)：18040051781，E-mail：561319188@qq.com.

TG142.2;TG172.3

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.031