Q235、Q345和BC550鋼在不同酸堿度溶液中的腐蝕和磨蝕研究

張 歐 張明明 于 俊 趙連全 駱 毅 李 偉

(1．上海環境物流有限公司，上海 200063； 2.上海交通大學材料科學與工程學院，上海 200240)

垃圾的運輸和處理是社會文明和人民生活水平提高的關鍵之一[1]。上海環境物流有限公司是以城市生活固廢集裝運輸為主的現代服務型準公益性國企，承擔上海市70%的生活固廢水上清運任務。目前，制作垃圾運輸和處理設施的材料主要為Q235鋼，因腐蝕而損壞的情況嚴重[2- 4]。腐蝕會顯著降低材料的力學性能，縮短設備使用壽命[5]。城市垃圾多樣而復雜，易形成高濃度的滲瀝液，一般為酸性或堿性，導致垃圾運輸及處理設備腐蝕的因素非常復雜。圖1所示為遭受腐蝕的集裝箱和壓機等垃圾運輸、處理設備。因此迫切需要采用更合適的材料制作運輸和處理垃圾的設施。本文對比研究了Q235鋼、制造橋吊的Q345鋼和制造二代集裝箱的BC550鋼的力學性能、耐蝕性能及在不同介質中的摩擦磨損性能，目的是探索適用于制造垃圾運輸及處理設備的最佳材料。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用材料為5 mm厚的Q235、Q345和BC550鋼板，其化學成分如表1所示。

圖1 遭受腐蝕的運輸和處理垃圾的集裝箱(a)及壓機(b)Fig.1 Container (a) and press (b) corroded during transportation and disposal of garbage

表1 研究用鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the investigated steels (mass fraction) %

1.2 金相檢驗

制備尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的金相試樣，經打磨、拋光后用4%(體積分數，下同)硝酸酒精溶液腐蝕。采用掃描電鏡觀察。

1.3 拉伸試驗

按GB/T 228.1—2010制備標距段長25 mm、厚1.5 mm的拉伸試樣。拉伸試驗設備為NL50慢拉伸應力腐蝕試驗機，應變速率為1.0×10-6mm/min。

1.4 電化學腐蝕試驗

試樣尺寸為50 mm×20 mm×1.5 mm，采用三電極體系在電化學工作站(SP- 150, Biologic, France)上進行電化學腐蝕試驗。試驗時，試樣為工作電極，鉑電極(15 mm×15 mm)為對電極，飽和甘汞電極為參比電極。試驗溶液分別為3.5%NaCl溶液和按體積比3︰1的比例配制的3.5%NaCl+0.2 mol/L H2SO4混合液。Tafel曲線測試前，將電極體系靜置30 min，以穩定試樣表面的開路電位Eoc。Tafel極化測試掃描電位為-100～ +200 mV (vs.Eoc)，掃描速率為0.5 mV/s。

1.5 摩擦磨損試驗

試樣尺寸為φ40 mm×3 mm，根據摩擦副的位置在試樣一側鉆3個孔以便固定。采用MMW- 1A萬能摩擦磨損試驗機進行三針小幅摩擦，腐蝕液分別為0.2 mol/L的NaOH、3.5%的NaCl和0.2 mol/L的H2SO4溶液。機器轉速為200 r/min，磨損時間2 h。在磨損試驗前、后稱量試樣質量，計算磨損量。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

圖2為研究用鋼摩擦磨損試驗前的顯微組織。從圖2可以看出，Q235鋼的組織主要為鐵素體和珠光體，平均晶粒尺寸約為15 μm。Q345鋼的組織主要為鐵素體和珠光體，但珠光體量比Q235鋼多，平均晶粒尺寸約為10 μm。BC550鋼的組織主要為鐵素體和碳化物，沒有珠光體，平均晶粒尺寸約為5 μm。

采用圖像處理軟件Image Pro Plus 6.0統計鋼中析出相的體積分數，結果列于表2，Q235、Q345和BC550鋼中析出相的體積分數分別為2.0%、10.6%和0.7%。鋼中碳化物的析出與其合金成分密切相關，通常鋼中含碳量越高，析出的碳化物越多。硅和錳對碳化物的析出也有明顯影響[6]。吳海龍等[7]研究了碳、硅含量對重載車輪用鋼顯微組織的影響，發現適當降低含碳量、增加含硅量將減少珠光體量。阮士朋等[8]研究了含錳量對中碳冷鐓鋼組織和性能的影響，發現錳的質量分數從0.75%增加到1.54%，鋼中鐵素體比例從49%～53%降低到了9%～13%，珠光體量顯著增多。

Q235鋼含有2.0%的滲碳體。Q345鋼的碳、硅和錳含量均高于Q235鋼，含有10.6%的滲碳體。BC550鋼中碳的質量分數為0.07%，遠低于Q235和Q345鋼，因此其碳化物含量僅為0.7%。

表2 研究用鋼中析出相的體積分數Table 2 Volume fraction of precipitated phases in the investigated steels %

2.2 力學性能

圖3為研究用鋼摩擦磨損試驗前的拉伸曲線。鋼摩擦磨損試驗前的力學性能和顯微硬度列于表3。相比于Q235鋼，Q345鋼含有更多的珠光體，且晶粒更細小，因此強度和硬度更高，而斷后伸長率則較低。相比于Q235和Q345鋼，BC550鋼的含碳量較低，珠光體較少，但含有0.28%Cu(質量分數，下同)、0.01%Ni和0.57%Cr，這些元素固溶于基體中，使鋼固溶強化。此外，BC550鋼的晶粒最小，因此強度和硬度最高，而斷后伸長率最低。

圖3 研究用鋼摩擦磨損試驗前的拉伸曲線Fig.3 Tensile curves of the investigated steels before fretting wear test

表3 研究用鋼的力學性能Table 3 Mechanical properties of the investigated steels

2.3 電化學腐蝕試驗

圖4和表4分別為3種鋼在不同溶液中的極化曲線和腐蝕電流密度。在中性環境和酸性環境中，Q235鋼的腐蝕速率最大，BC550鋼的腐蝕速率最小。

材料的耐蝕性與多種因素有關，而這3種鋼的成分、組織和晶粒度均有明顯差異。通常，鋼中添加鉻、鎳有利于提高其耐蝕性，鉻、鎳含量越高，鋼的耐蝕性能越好；銅的質量分數小于0.6%的鋼，隨著銅含量的增加，鋼的耐蝕性提高；碳一般不利鋼的耐蝕性，含碳量越高鋼的耐蝕性能越差。顯微組織也明顯影響鋼的耐蝕性，在非氧化性及弱氧化性介質中，隨著碳化物含量的增多，鋼的耐蝕性降低。這是因為組織中的碳化物越多，形成的微電池越多，鋼的腐蝕速率越大[9]。含有球狀碳化物的鋼一般比含有層片狀碳化物的鋼更耐蝕。這是因為在周圍鐵素體溶解的過程中球狀碳化物與基體分離，碳化物的有效陰極面積減小，從而降低了腐蝕速率[10]。晶粒度對鋼的耐蝕性的影響較為復雜，一般認為，在活性介質中，晶粒越細小，晶界比例越高，鋼的耐腐蝕性越差；而在可鈍化的環境中，晶粒細化會加速鈍化膜的形成，從而可提高鋼的耐蝕性[11]。

圖4 試驗鋼在(a)3.5%NaCl和(b)120 mL 3.5%NaCl+40 mL 0.2 mol/L H2SO4溶液中的極化曲線Fig.4 Polarization curves of the investigated steels in (a) 3.5%NaCl solution and (b) 120 mL 3.5%NaCl

表4 研究用鋼的腐蝕電流密度(Icorr)Table 4 Corrosion current density (Icorr) of the investigated steels μA·cm-2

Q345鋼的含碳量較Q235鋼高，滲碳體的體積分數為10.6%，腐蝕速率應大于Q235鋼。然而Q345鋼的晶粒較細小，鈍化膜更易形成，因此其腐蝕電流密度更小。與Q235和Q345鋼相比，BC550鋼的含碳量更低，碳化物少且呈球形，還含有0.28%Cu、0.01%Ni和0.57%Cr，其晶粒也更細小，因此耐蝕性最佳。

與中性環境相比，酸性環境會顯著加速材料的腐蝕。如表4所示：Q235鋼在酸性環境中的腐蝕速率是中性環境中的3.6倍；相應地BC550鋼為17.2倍。Q235鋼在酸性溶液中的腐蝕產物及其能譜分析結果如圖5所示。圖5表明：腐蝕產物中Fe與O的原子比為3∶4，腐蝕產物可能是Fe3O4或FeO和Fe2O3的混合物。鐵的氧化物(Fe3O4、FeO和Fe2O3)一般不溶于堿和水而溶于酸。在中性介質中，鋼的腐蝕產物附著在表面，減少了鋼與腐蝕介質的接觸面積，阻礙鋼被進一步腐蝕，因此腐蝕速率較小；在酸性環境中，鋼的腐蝕產物不斷被腐蝕介質溶解，不斷有新鮮表面與腐蝕介質接觸，因此腐蝕速率較大。

2.4 摩擦磨損試驗

圖6是3種鋼在不同腐蝕介質中的摩擦磨損量。從圖6可以看出：3種材料在酸性介質中的摩擦磨損量最大，在堿性介質中最小；在3種腐蝕環境中，BC550鋼的摩擦磨損量最小；在堿性和中性介質中，Q235鋼的摩擦磨損量最大；而在酸性介質中，Q345鋼的摩擦磨損量最大。

圖7是Q235、Q345和BC550鋼在不同腐蝕介質中摩擦磨損試驗后的SEM形貌。圖7表明：在堿性腐蝕介質中，3種鋼的磨痕由腐蝕坑和犁溝組成；在中性腐蝕介質中，磨痕由腐蝕產物和犁溝組成；而在酸性腐蝕介質中，Q235和Q345鋼的磨痕由腐蝕坑和犁溝組成，BC550鋼的磨痕由腐蝕產物和犁溝組成。

圖5 在120 mL 3.5%NaCl+40 mL 0.2 mol/L H2SO4溶液中Q235鋼腐蝕產物的微觀形貌和能譜分析Fig.5 Microstructures and EDS analysis of corrosion products on the Q235 steel in 120 mL 3.5%NaCl plus 40 mL 0.2 mol/L H2SO4 solution

圖6 Q235、Q345和BC550鋼在不同腐蝕介質中的摩擦磨損量Fig.6 Loss in mass resulting from fretting wear in the different corrosive media for the Q235, Q345 and BC550 steels

在堿性和中性腐蝕介質中，質量損失主要是磨損所致。因為在堿性和中性腐蝕介質中，腐蝕產物不溶解，附著于鋼的表面，減小了腐蝕反應的有效面積，從而降低了腐蝕速率，產生的腐蝕坑較小。在與對磨鍵接觸的過程中，硬質點與基體脫落，被壓在鋼表面與對磨鍵之間，隨著對磨鍵的高速運動，在鋼的表面形成一道道犁溝，如圖7(a～f)所示。材料越硬，摩擦磨損量越小。由于Q235、Q345和BC550鋼的硬度分別為137.1、171.4和191.6 HV0.3，因此在堿性和中性腐蝕介質中Q235鋼的摩擦磨損量最大，BC550鋼的最小。

在酸性腐蝕介質中，Q235和Q345鋼的摩擦磨損質量損失主要是由腐蝕引起的，而BC550鋼的摩擦磨損質量損失主要是由磨損與腐蝕共同引起的。在酸性腐蝕介質中，Q235和Q345鋼的腐蝕產物溶解于腐蝕介質中，新鮮表面不斷與腐蝕介質接觸，腐蝕很快。由于Q345鋼中滲碳體更多，形成的微原電池更多，腐蝕速率更大；同時鋼表面與對磨鍵接觸會加速鈍化膜的去除，即使晶粒細小，也不易形成鈍化膜，反而會因晶界增多而加速腐蝕，因此Q345鋼的摩擦磨損量遠大于Q235鋼，如圖7(g～h)所示。酸性介質使BC550鋼的腐蝕電流密度從0.759 μA·cm-2增加至13.098 μA·cm-2，然而由于其耐蝕性好，難以形成大面積的腐蝕坑，如圖7(i)所示。相對于堿性及中性介質，酸性介質中的腐蝕產物明顯增多，表明BC550鋼的摩擦磨損質量損失主要是由磨損與腐蝕共同引起的，但由于其具有更高的硬度和更好的耐蝕性能，因此磨蝕量最小。堿性和中性環境中Q235、Q345和BC550鋼的摩擦磨損質量損失都較小，酸性環境中BC550鋼的摩擦磨損質量損失最小。Q235、Q345和BC550鋼都可以用于堿性和中性環境，而在酸性環境中只能使用BC550鋼。

3 結論

(1)Q235、Q345和BC550鋼的腐蝕電流密度，在3.5%NaCl溶液中分別為8.650、1.628和0.759 μA·cm-2，在120 mL 3.5%NaCl+40 mL 0.2 mol/L H2SO4混合液中分別為31.738、18.675和13.098 μA·cm-2。

圖7 Q235、Q345和BC550鋼在不同腐蝕介質中摩擦磨損試驗后的SEM形貌Fig.7 SEM patterns of the Q235, Q345 and BC550 steels after fretting wear test in different corrosive media

(2)在堿性和中性腐蝕介質中，Q235、Q345和BC550鋼的摩擦磨損質量損失主要是由磨損引起的；在酸性腐蝕介質中的摩擦磨損質量損失，Q235和Q345鋼主要是由腐蝕引起的，而BC550鋼主要是由磨損與腐蝕共同引起的。