耐火耐候鋼在工業(yè)和海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為研究

高立軍 楊建煒 張俠洲 趙英建 曹建平 王鳳會(huì)

(首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

鋼結(jié)構(gòu)建筑具有施工便捷、抗震性能好、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用[1- 3]。日本新日鐵開發(fā)出了一系列建筑結(jié)構(gòu)用耐火耐候鋼，通過添加鉬、鈮等元素合金化，使其能在600 ℃左右高溫下保持1～3 h后屈服強(qiáng)度不低于室溫的2/3，在此基礎(chǔ)上再添加Cu、Ni、Mo等元素優(yōu)化其耐候性。

國(guó)內(nèi)也開展了高強(qiáng)度耐火耐候鋼的研究開發(fā)，如武鋼開發(fā)出了WGJ510C2建筑物用耐火耐候鋼[4]，其銹層致密，具有優(yōu)異的耐工業(yè)大氣腐蝕性能。萊鋼的董杰等[5]研究了耐火耐候鋼在工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)，Cu、Mn和Mo元素的共同作用可使耐火耐候鋼具有良好的耐工業(yè)大氣腐蝕性能。我國(guó)地域遼闊，大氣環(huán)境復(fù)雜多樣，耐候鋼在不同大氣環(huán)境中的腐蝕機(jī)制有差異，耐火耐候鋼的推廣應(yīng)用需考慮環(huán)境因素的影響。

本文從鋼結(jié)構(gòu)建筑物所處的環(huán)境出發(fā)，研究了耐火耐候鋼在工業(yè)大氣和海洋大氣兩種典型環(huán)境中的腐蝕行為。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用耐火耐候鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.05～0.1 C，0.02～0.05 Si，1～1.7 Mn，≤0.02 P，≤0.006 S，0.5～1.0 Ni，0.1～0.5 Cu，0.1～0.5 Mo，余為Fe。試樣尺寸為40 mm×60 mm×4 mm。將試樣表面磨平、丙酮除油、去離子水清洗，冷風(fēng)吹干。

干濕交替腐蝕試驗(yàn)采用0.01 mol/L(質(zhì)量濃度)的NaHSO3溶液和3.5%(體積分?jǐn)?shù))NaCl溶液，分別模擬工業(yè)大氣環(huán)境和海洋大氣環(huán)境。試驗(yàn)前對(duì)所有試樣稱重，試驗(yàn)溫度(45±2)℃，濕度(70±5)%，每個(gè)循環(huán)周期為60 min，其中浸潤(rùn)時(shí)間12 min，干燥時(shí)間48 min。整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為264 h，分別在72、120、264 h時(shí)取樣。

利用JSM- 7001F型環(huán)境掃描電鏡觀察氧化鐵皮的微觀形貌，利用Bruker D8 advance型X射線衍射儀檢測(cè)不同腐蝕階段試樣的銹層組分。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕速率

圖1為試驗(yàn)鋼在模擬的工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境中的腐蝕速率。圖1表明，耐火耐候鋼在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕速率明顯高于在工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕速率。在工業(yè)大氣環(huán)境中，耐火耐候鋼的腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減??；而在海洋大氣環(huán)境中， 耐火耐候鋼的腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，說明工業(yè)大氣環(huán)境會(huì)加速耐火耐候鋼的初期腐蝕。在這兩種典型大氣環(huán)境中，耐火耐候鋼會(huì)生成具有保護(hù)作用的銹層從而降低了后期的腐蝕速率。

圖1 試驗(yàn)鋼在不同大氣環(huán)境中的腐蝕速率隨腐蝕試驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.1 Corrosion rate of the tested steel in the different atmosphere environments as a function of corrosion time

2.2 銹層的微觀形貌

圖2為在工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間的試驗(yàn)鋼銹層的表面形貌?？梢钥吹?，試驗(yàn)鋼在兩種氣候環(huán)境中腐蝕的初期均出現(xiàn)了裂紋，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，銹層致密度增大，裂紋減少。腐蝕264 h的銹層放大2 000倍后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼在工業(yè)大氣環(huán)境中產(chǎn)生的銹層呈花簇狀，在海洋大氣環(huán)境中產(chǎn)生的銹層呈網(wǎng)格狀或顆粒狀。可見，耐火耐候鋼在這兩種環(huán)境中形成的銹層形貌有差異。

圖2 試驗(yàn)鋼在工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間形成的銹層的表面形貌Fig.2 Surface patterns of dross on the tested steel corroded for different times in industrial and marine atmosphere environments

耐火耐候鋼在工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間形成的銹層的截面形貌如圖3所示。可以看到，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)鋼在兩種環(huán)境中形成的銹層厚度增加，腐蝕后期銹層中裂紋較少，致密度較高，可有效保護(hù)鋼基體、降低腐蝕速率。

圖3 試驗(yàn)鋼在工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間形成的銹層截面形貌Fig.3 Cross- sections of dross on the tested steel corroded for different times in industrial and marine atmosphere environments

圖4為試驗(yàn)用耐火耐候鋼在工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境中腐蝕264 h形成的銹層的XRD圖譜。圖4表明，試驗(yàn)鋼在兩種環(huán)境中的腐蝕產(chǎn)物主要為α- FeOOH、γ- FeOOH和Fe3O4，鋼在海洋大氣環(huán)境中形成的銹層存在β- FeOOH。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，耐火耐候鋼在工業(yè)大氣環(huán)境中形成的銹層中α- FeOOH含量比在海洋大氣環(huán)境中形成的銹層高，而γ- FeOOH的含量則較低。可見，工業(yè)大氣環(huán)境會(huì)促進(jìn)銹層中α- FeOOH的生成，而海洋大氣環(huán)境中由于Cl-的存在，銹層中會(huì)生成β- FeOOH。

圖4 在工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境中腐蝕264 h的試驗(yàn)鋼銹層的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of dross on the tested steel corroded for 264 h in industrial and marine atmosphere environments

2.3 腐蝕機(jī)制

圖5 試驗(yàn)鋼在工業(yè)大氣和海洋大氣中形成的銹層中的合金元素分布Fig.5 Distribution of alloy elements in dross on the tested steel developed in industrial and marine atmosphere environments

3 結(jié)論

(1)耐火耐候鋼在工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕速率比在海洋大氣環(huán)境中的低，在這兩種典型環(huán)境中形成的銹層的形貌有差異。

(2)工業(yè)大氣環(huán)境會(huì)促進(jìn)耐火耐候鋼的銹層中生成α- FeOOH，海洋大氣環(huán)境中形成的銹層中會(huì)生成β- FeOOH。耐火耐候鋼在不同大氣環(huán)境中發(fā)生腐蝕的機(jī)制不同。