Q345鋼與耐候鋼09CuPCrNi模擬工業大氣耐蝕性能比較

邵長靜

遼寧裝備制造職業技術學院（ 沈陽 110164 ）

作為一種高效鋼材，耐候鋼的耐大氣腐蝕性能是得到公認的。耐候鋼相對于碳鋼來說具有良好的耐大氣腐蝕性能，本試驗從耐工業大氣腐蝕方面對Q345鋼和耐候鋼09CuPCrNi進行了干濕交替腐蝕增重實驗，并進行了腐蝕性能的測定，對此進行進一步的說明。

1 試驗

1.1 試驗材料

本實驗采用傳統耐候鋼 09CuPCrNi和普通碳鋼Q345，其成分和顯微組織如表1所示。

表1 實驗鋼的化學成分（mass%）

對兩種熱軋態實驗鋼在GX71型OLYMPUS倒置式系統金相顯微鏡下進行金相觀察，如圖1所示。可以看出，Q345鋼為粗大的鐵素體+珠光體組織，珠光體含量較多，09CuPCrNi鋼為細小的鐵素體+珠光體組織。

圖1 鋼的金相組織

1.2 干濕交替實驗

實驗設備為SDJ450F濕熱試驗箱。實驗所用的腐蝕液為模擬工業大氣腐蝕的 pH4的0.052%NaHSO3溶液。干濕交替循環腐蝕實驗流程為：①用TG-328B光學讀數分析天平稱量樣品初始重量；②在樣品實驗表面按40 μl/cm2滴加腐蝕溶液，鋪展均勻后放入濕熱試驗箱腐蝕12 h，環境條件為50℃ 和60%相對濕度；③從濕熱箱中取出后放室溫下干燥12 h后再次稱重，然后用蒸餾水洗鹽以避免鹽粒在腐蝕表面沉聚；④重復第②和第③步直到設定的干濕交替次數。

1.3 腐蝕形貌觀察與產物分析

采用 SSX－550型掃描電鏡對經過干濕交替腐蝕的試樣進行銹層斷面形貌的觀察，以研究銹層的變化規律。

對經過干濕交替腐蝕的試樣銹層進行了結構分析，所用設備為荷蘭panalytical B.V公司生產的TW3040/60型X，pert pro MPD衍射儀。采用Cu靶，最大管電壓為40 KV，最大管電流為40 mA，掃描角度從10 °到80 °，步進掃描速度為 0.033 °/s。試樣尺寸為 10 mm×10 mm×3 mm，掃描面尺寸為10 mm×10 mm。結果分析采用X'Pert High Score Plus 軟件進行。

2 結果與討論

2.1 增重曲線分析

圖2為在0.052% NaHSO3溶液中模擬工業大氣腐蝕實驗得到的兩種實驗鋼在不同時間段的增重速率曲線。由圖可見，Q345鋼的增重速率曲線位于上方并與 09CuPCrNi鋼的腐蝕速率曲線之間存在較大的距離，說明Q345鋼的腐蝕速度明顯快于 09CuPCrNi鋼。在腐蝕的開始階段兩種鋼的腐蝕速率均較高，而隨著腐蝕時間的增長，當試樣表面被銹層覆蓋后兩種鋼的腐蝕速率均呈下降趨勢，這是由于NaHSO3有還原性，鋼經 NaHSO3溶液腐蝕后銹層中 FeOH+的濃度較高，形成腐蝕產物γ-FeOOH和α-FeOOH的速度也快，據文獻介紹[2]溶解的鐵是經Ferrihydrite(Fe5HO8·4H2O)轉化而成 γ-FeOOH 和 α-FeOOH的，其中，FeOH+可吸附在 Ferrihydrite表面促使其溶解并轉化為γ-FeOOH或α-FeOOH，隨著腐蝕產物γ-FeOOH的形成，溶液的pH值會下降，酸性介質有利于形成 α-FeOOH，形成的α-FeOOH晶體顆粒小對基體有保護作用。雖然腐蝕過程中產生的銹層較薄，腐蝕液也不容易滲入基體，銹層對基體還是有一定的保護作用的。從增重曲線測得的腐蝕速率來看兩種鋼的耐蝕性能從高到低的順序為：09CuPCrNi鋼＞Q345鋼，這是由于09CuPCrNi鋼的晶粒較Q345鋼的細小，且內部同時存在能夠提高耐蝕性能Cu、P、Cr和Ni元素提高了其耐蝕性，而Q345鋼內部含有粗大的碳化物，晶界面積大，造成鋼的自腐蝕電位低，同時存在很多腐蝕微電池，內部沒有耐蝕性合金元素來提高它的耐蝕性能，因此導致其耐蝕性較09CuPCrNi鋼差。

圖2 實驗鋼模擬工業大氣腐蝕增重曲線

2.2 XRD定性分析

圖3為兩種實驗鋼在0.052% NaHSO3溶液中模擬工業大氣腐蝕15周期后的XRD衍射圖譜，從衍射圖可以看出不同實驗鋼試樣的銹層在成分上并無差別，組成相有Fe+3O(OH)、FeO(OH)和Fe3O4等。雖然銹層的相組成沒有太多差別，但是各相的體積分數有較大差異，見表2所示。從表2看出：銹層的相組成主要是兩種不同晶型的羥基鐵和Fe3O4，Q345鋼銹層中Fe3O4的含量較高，羥基鐵含量較低。大多數文獻認為Fe3O4不具有保護作用，所以含有過多的Fe3O4對保護性銹層的形成并沒有好處。

圖3 模擬工業大氣腐蝕15周期XRD圖譜

表2 銹層的相組成

2.3 銹層截面的電鏡觀察

圖4為實驗鋼模擬工業大氣腐蝕15周期后斷面形貌像，兩種鋼的銹層截面形貌不同，09CuPCrNi鋼的銹層較均勻，腐蝕深坑較少，腐蝕界面平直，基體腐蝕是均勻腐蝕，銹層均勻增厚；Q345鋼銹層生長方式以局部腐蝕為基礎，首先局部腐蝕出深坑，腐蝕坑再橫向發展，連成一片。從圖上可以看出Q345鋼銹層比較松散，內部有較大的孔洞，與基體的結合能力較差，極易脫落；09CuPCrNi鋼的銹層與基體結合能力較好，且銹層看起來比較細膩，晶體顆粒小，銹層相對比較致密，對基體的保護作用比Q345鋼銹層保護作用好。09CuPCrNi鋼無論在增重曲線測量，還是在銹層致密度方面均優于Q345鋼，主要是由于09CuPCrNi鋼中加入了Cu、P、Cr和Ni元素，從微觀結構看Ni能夠通過取代各種鐵銹化合物中Fe的位置，使得銹層具有陽離子選擇性，抑制了腐蝕性離子的侵入，從而提高了耐蝕性，Cu和P對保護性銹層的生成也起到了輔助作用，因為Cu能有助于銹層中γ- FeOOH 向α- FeOOH 轉化，有利于穩定銹層的形成，并能使腐蝕電位向正方向移動；偏聚在材料表面上的P原子在水和氧的作用下水解，生成一種致密性較高磷酸鹽，并且能均勻覆蓋在基體表面的空洞和裂紋處，阻礙了水和氧的通過，使基體免遭進一步的腐蝕，并且H2PO4－能夠加速銹層中Fe2+向Fe3+的轉化、使腐蝕初期反應快速進行、阻止鐵銹粒子長大，使腐蝕生成物顆粒細小、結構致密，促進了致密、穩定、均勻的保護膜形成。

圖4 模擬工業大氣腐蝕15周期后斷面形貌像

3 結論

(1)在 0.052%NaHSO3介質中干濕交替環境下，耐候鋼 09CuPCrNi的腐蝕速率明顯慢于Q345鋼。

(2)兩種鋼銹層均由Fe+30（0H0，Fe0（0H）和Fe3O4組成，但相組成百分含量不同。

(3)Cu、P、Cr和Ni元素在耐候鋼內協同作用，提高了鋼的抗大氣腐蝕性能。

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