冷軋板銹蝕與環(huán)境因素相關(guān)性研究*

胡杰珍, 劉文娟, 鄧培昌, 周慶軍, 祁慶琚, 黃 歡

(1 廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江 524088；2 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201999)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)原料與燃料多依賴進(jìn)口，海運(yùn)因運(yùn)輸成本低、運(yùn)輸量大是大宗物品運(yùn)輸?shù)氖走x運(yùn)輸方式，臨海建設(shè)鋼廠可以降低原材料的運(yùn)輸成本。臨海區(qū)域是鋼鐵高消費(fèi)地帶，臨海建設(shè)鋼鐵廠為綜合性工業(yè)區(qū)以及系統(tǒng)化產(chǎn)業(yè)鏈的形成和發(fā)展提供了良好的環(huán)境，有利于獲取良好的經(jīng)濟(jì)效益，但臨海大氣環(huán)境常具有高氯、高濕的特點(diǎn)，在高鹽、高濕的海洋大氣環(huán)境中，鋼鐵產(chǎn)品在生產(chǎn)與儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中將面臨較大銹蝕風(fēng)險(xiǎn)，尤其是冷軋鋼板。

冷軋鋼板主要應(yīng)用在建筑、家電、汽車等行業(yè)，應(yīng)用前景廣闊。目前，關(guān)于冷軋板的研究較多集中于出廠后加工過(guò)程中的成形及連接性能，如冷軋板的沖壓、涂裝、焊接和成形后的耐蝕性，而在冷軋板生產(chǎn)與儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的耐蝕研究較少。研究表明[1]，當(dāng)環(huán)境中Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.003%時(shí)，鋼板就易發(fā)生表面銹蝕。Castano等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)環(huán)境中，碳鋼更易發(fā)生大氣腐蝕。碳鋼在Cl-含量較高的環(huán)境中生成的腐蝕產(chǎn)物 β-FeOOH 會(huì)加速碳鋼的腐蝕[3-5]。李巖等[6]研究發(fā)現(xiàn)鋼鐵銹層中滲入的Cl-可以加速銹層下金屬的腐蝕。Cl-對(duì)鋼材表面鈍化膜的影響較大，氯離子濃度較高的環(huán)境下，不銹鋼表面形成的致密的氧化膜在較低的活化電位下即發(fā)生點(diǎn)蝕[7]，在氯離子濃度高于250 mg/L的40～60 ℃的中溫水中，S304不銹鋼具有點(diǎn)蝕敏感性[8]。

大氣環(huán)境金屬的腐蝕多屬于電化學(xué)腐蝕，金屬表面薄液膜的形成是電化學(xué)腐蝕的必要條件，大氣相對(duì)濕度是影響大氣環(huán)境金屬腐蝕的重要因素[9-11]。 趙全成等[12]以7A85鋁合金為研究對(duì)象，比較了其在濕熱海洋環(huán)境和干熱沙漠環(huán)境下的腐蝕，發(fā)現(xiàn)濕熱海洋環(huán)境下鋁合金的最大腐蝕深度接近干熱沙漠環(huán)境下鋁合金的最大腐蝕深度的3倍。相對(duì)濕度對(duì)鋁合金表面的腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)也有影響，在相對(duì)濕度低于65%的環(huán)境中，鋁合金的腐蝕產(chǎn)物膜具有保護(hù)性，可以抑制鋁合金進(jìn)一步腐蝕，而處于相對(duì)濕度超過(guò)65%的濕熱海洋環(huán)境中，鋁合金表面的腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)性大大下降。大氣相對(duì)濕度除直接影響金屬腐蝕外，其還可以影響氯離子沉降速率，影響金屬表面氯離子濃度影響金屬腐蝕，在高濕度大氣環(huán)境中，氯離子沉降速率更大[13]，氯離子與相對(duì)濕度對(duì)金屬腐蝕的影響具有協(xié)同作用。

海洋大氣環(huán)境具有高濕高鹽的特點(diǎn)，臨海鋼廠大氣環(huán)境常含有較高的固體塵粒，固體塵粒溶于冷軋板表面的液膜中，會(huì)促進(jìn)冷軋板的腐蝕、形成銹點(diǎn)[14]。某臨海鋼廠庫(kù)存區(qū)因冷軋鋼卷發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致多起質(zhì)量異議，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究環(huán)境因素與冷軋鋼板銹蝕的相關(guān)性具有較大的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)指導(dǎo)冷軋鋼材庫(kù)存區(qū)的環(huán)境控制也具有一定的價(jià)值。本文以汽車常用高強(qiáng)鋼冷軋板為研究材料，研究相對(duì)濕度、氯離子含量、溫度等環(huán)境因素與冷軋板銹蝕的相關(guān)性，以期獲得冷軋板銹蝕臨界環(huán)境因子。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為高強(qiáng)鋼冷軋板，厚度0.7 mm，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：≤0.006% C，≤1% Mn，≤0.08% P，≤0.025% S，0.015% Ait，≤0.02% Ti，余量為 Fe。將實(shí)驗(yàn)材料加工成50 mm×50 mm×0.7 mm 的掛片試樣，在試樣正上方邊緣處打孔，試樣用防銹紙包裹。實(shí)驗(yàn)前，經(jīng)丙酮中超聲處理5 min，無(wú)水乙醇中超聲處理5 min，冷風(fēng)吹干后，立即放入模擬環(huán)境中。

1.2 模擬環(huán)境

利用甘油水溶液形成濕度恒定的大氣環(huán)境[15]，利用濕度計(jì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的相對(duì)濕度，利用恒溫水浴箱控制溫度。

圖1 環(huán)境模擬示意圖Fig.1 The diagram of environmental simulation device

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

溫度與濕度對(duì)冷軋鋼板銹蝕的影響：分別控制溫度為20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃，濕度為60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，把除油、除銹的冷軋鋼片掛入環(huán)境模擬裝置中，立即計(jì)時(shí)，記錄出現(xiàn)宏觀可見(jiàn)銹點(diǎn)的時(shí)間。

冷軋鋼板表面液滴對(duì)冷軋鋼板銹蝕的影響：分別控制溫度為20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃，濕度為60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，把除油、除銹的冷軋鋼片掛入環(huán)境模擬裝置中，立即噴灑純水、10-3mol/L的NaCl溶液、10-5mol/L NaCl溶液或10-7mol/L NaCl溶液，立即計(jì)時(shí)，記錄出現(xiàn)宏觀可見(jiàn)銹點(diǎn)的時(shí)間(起銹時(shí)間)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度與相對(duì)濕度對(duì)高強(qiáng)鋼冷軋板起銹時(shí)間的影響

表1 高強(qiáng)鋼冷軋板在不同溫度與濕度下的起銹時(shí)間Table 1 The rust time of high strength cold-rolled plate at at different temperatures and relative humidity (min)

圖2 溫度與相對(duì)濕度對(duì)高強(qiáng)鋼冷軋板起銹時(shí)間影響圖Fig.2 The influence of temperature and relative humidity to the high strength cold-rolled plate rust time

海洋大氣環(huán)境中冷軋板的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，其腐蝕速度受大氣相對(duì)濕度影響。高濕是臨海鋼廠環(huán)境的顯著特征，在不同季節(jié)溫度變化較大。由表1與圖2可知溫度與相對(duì)濕度對(duì)高強(qiáng)鋼冷軋板的起銹時(shí)間影響明顯。隨著溫度的升高，高強(qiáng)鋼冷軋板起銹所需的相對(duì)濕度(即臨界相對(duì)濕度)逐漸降低；同樣溫度下，3天內(nèi)高強(qiáng)鋼冷軋板起銹有一臨界相對(duì)濕度，環(huán)境相對(duì)濕度低于臨界相對(duì)濕度，高強(qiáng)鋼冷軋板起銹時(shí)間隨相對(duì)濕度升高而降低。如圖3所示，以3天內(nèi)高強(qiáng)鋼冷軋板是否起銹作為臨界相對(duì)濕度判斷依據(jù)，可以獲得高強(qiáng)鋼冷軋板起銹的臨界溫度與臨界相對(duì)濕度，臨界溫度與臨界相對(duì)濕度存在較好的線性相關(guān)：RH=-0.7429T+102.48，R2為0.8521。由此可知：臨海鋼廠冷軋板生產(chǎn)與存儲(chǔ)空間環(huán)境控制中應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度變化調(diào)整相對(duì)濕度控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 凝露對(duì)高強(qiáng)鋼冷軋板起銹的影響

表2 高強(qiáng)鋼冷軋板在模擬凝露環(huán)境下的起銹時(shí)間Table 2 The rust time of high strength cold-rolled plate in the simulated condensation environment (min)

臨海鋼廠大氣環(huán)境相對(duì)濕度較大，在大氣溫度迅速升高的季節(jié)，冷軋板生產(chǎn)與存儲(chǔ)車間易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。本研究在冷軋板表面噴灑去離子水模擬凝露，研究凝露對(duì)冷軋板起銹的影響。由表2與圖4可知，從溫度20～45 ℃，從相對(duì)濕度60%～95%，出現(xiàn)凝露，冷軋板的起銹時(shí)間皆低于20 min。溫度與相對(duì)濕度相同的前提下，凝露出現(xiàn)可以大幅降低冷軋板的起銹時(shí)間。凝露破壞了冷軋板表面的電化學(xué)均勻性，同時(shí)凝露也為局部電化學(xué)腐蝕提供必要條件，造成冷軋板的快速起銹。在冷軋板表面出現(xiàn)凝露的前提下，溫度和濕度也會(huì)影響冷軋板的起銹時(shí)間：高溫低濕起銹相對(duì)較慢，低溫高濕起銹相對(duì)較快。由此可知：臨海鋼廠冷軋板生產(chǎn)與存儲(chǔ)空間要防止凝露出現(xiàn)，出現(xiàn)凝露，高強(qiáng)鋼冷軋板起銹風(fēng)險(xiǎn)極大。

圖4 凝露對(duì)高強(qiáng)鋼冷軋板起銹時(shí)間影響圖Fig.4 The influence of condensation to the high strength cold-rolled plate rust time

2.3 凝露含鹽量對(duì)高強(qiáng)鋼冷軋板起銹的影響

高鹽是臨海鋼廠大氣環(huán)境的一大特點(diǎn)。通過(guò)噴灑10-3mol/L的NaCl溶液、10-5mol/L NaCl溶液和10-7mol/L NaCl溶液的方法模擬含鹽凝露，研究凝露含鹽量對(duì)高強(qiáng)鋼冷軋板起銹時(shí)間的影響。由圖5可知，含鹽凝露下高強(qiáng)鋼冷軋板的起銹時(shí)間并沒(méi)有明顯下降，起銹時(shí)間與無(wú)鹽凝露下的起銹時(shí)間相當(dāng)，氯離子對(duì)金屬腐蝕的促進(jìn)作用淹沒(méi)在凝露的影響中，即以冷軋板起銹時(shí)間作為腐蝕程度的度量，凝露對(duì)冷軋板腐蝕的影響大于氯離子的影響。含鹽凝露中的含鹽量對(duì)高強(qiáng)鋼冷軋板的起銹時(shí)間影響也不明顯。凝露含鹽量低于10-5mol/L條件下，溫度越高，濕度越低，起銹時(shí)間越長(zhǎng)；凝露含鹽量為10-3mol/L時(shí)，溫度的影響明顯，在30～35 ℃范圍內(nèi)起銹時(shí)間較長(zhǎng)，高于或低于該溫度，起銹時(shí)間明顯縮短。

圖5 凝露含鹽量對(duì)高強(qiáng)鋼冷軋板起銹時(shí)間影響對(duì)比圖Fig.5 The influence of salt content of condensation to the high strength cold-rolled plate rust time

3 結(jié) 論

臨海鋼廠大氣環(huán)境具有高濕、高鹽特點(diǎn)，冷軋板銹蝕風(fēng)險(xiǎn)較大，嚴(yán)格控制冷軋板生產(chǎn)與存儲(chǔ)車間環(huán)境可以避免冷軋板起銹，保障冷軋板交貨質(zhì)量，減少經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)研究獲得以下結(jié)論：

(1)溫度與相對(duì)濕度是影響冷軋板起銹時(shí)間的重要環(huán)境因子。冷軋板起銹臨界溫度與臨界相對(duì)濕度存在較好的線性相關(guān)：RH=-0.7429T+102.48。

(2)凝露對(duì)冷軋板銹蝕影響明顯。冷軋板表面出現(xiàn)凝露，冷軋板起銹時(shí)間低于20 min。

(3)臨海鋼廠冷軋板生產(chǎn)與存儲(chǔ)車間出現(xiàn)凝露時(shí)，凝露含鹽量對(duì)冷軋板的起銹時(shí)間影響不明顯。

(4)臨海鋼廠冷軋板生產(chǎn)與存儲(chǔ)空間環(huán)境控制中應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度變化調(diào)整相對(duì)濕度控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)嚴(yán)格控制防止凝露出現(xiàn)。