碳鋼和耐候鋼在鹽霧環境下的腐蝕行為研究

張琳，王振堯，趙春英，曹公望，劉艷潔

（1.中國科學院金屬研究所 金屬腐蝕與防護國家重點實驗室，沈陽 110016；2.沈陽理工大學 環境與化學工程學院，沈陽 110159）

如今無論在基礎設施建設，還是在高科技產業中，鋼鐵都發揮著極其重要的作用，如高樓大廈、汽車橋梁、航天飛船、航空母艦等的研制都離不開鋼鐵，鋼鐵在人們的生活工作中占有越來越重要的地位。鋼鐵的腐蝕問題非常嚴重［1］，出現在各個部門以及行業中，對經濟的穩定發展、人們的日常生活和環境產生了巨大的危害。研究碳鋼及耐候鋼在海洋大氣環境中的應用，有助于開發海洋資源［2］。開展鋼在鹽霧條件下的腐蝕行為研究，對于了解和控制鋼在海洋大氣環境下的腐蝕有重要的意義［3］。

1 實驗方法

實驗所用的Q235鋼以及耐候鋼為某鋼廠提供，其化學成分（以質量分數計）見表1。實驗試樣分為失重分析樣和電化學分析樣。Q235鋼失重分析樣的尺寸為50 mm×50 mm×0.75 mm，耐候鋼失重分析樣的尺寸為48 mm×28 mm×5 mm，依次用150，240，400，800號砂紙打磨。將試樣浸于丙酮溶液中，超聲清洗除油，再用乙醇溶液脫水，放置于干燥器中，24 h后用精確度為0.001 g的分析天平進行稱量并作記錄。兩種鋼電化學分析樣的尺寸均為10 mm×10 mm，同樣用150至800號砂紙打磨，乙醇溶液脫水，吹風機吹干。鹽霧試驗介質為3.5%（質量分數）的 NaCl溶液［4－5］，試驗箱溫度為（35±2）℃，噴霧時的相對濕度在80%以上，以4 h為1周期，噴霧2 h，干燥2 h，失重分析樣垂直懸掛。取樣時間分別為24，48，108，156，204，252 h，每次取失重分析樣4個，其中3個進行失重分析，1個進行銹層形貌等方面的分析，同時取出3個電化學分析樣進行電化學分析。

對取出的失重分析樣進行除銹，除銹液為500mL鹽酸+500 mL蒸餾水+20 g六次甲基四胺。將試樣按編號浸入除銹液中，待銹層松動后，用毛刷將銹層刷去，同時用沒有腐蝕的鋼校正除銹液對鋼基體的腐蝕。除凈鋼表面的銹層后，用乙醇清洗，用吹風機吹干，在干燥器中放置24 h后，用天平稱量并作記錄。每次取3個試樣，取平均值為其實際質量。

表1 Q235鋼及耐候鋼的主要化學成分Table 1 Chemical composition of Q235 steel and weathering steel

2 結果與討論

2.1 失重分析

Q235鋼和耐候鋼的腐蝕失重曲線如圖1所示，觀察Q235鋼的腐蝕失重曲線，發現失重趨勢為先增大，后減小，再增大，但趨勢不明顯，分析其原因可能是因為前期銹層薄且疏松，沒有起到保護作用。隨著銹層的增厚，失重趨勢減小，后期銹層掉落導致銹層減薄，保護作用減弱，所以失重趨勢又增大。耐候鋼的腐蝕失重曲線的趨勢是先增大后減小，后期由于銹層的保護作用，所以腐蝕趨勢減小。Q235鋼和耐候鋼的銹層在3.5%（質量分數）NaCl鹽霧環境中對鋼都沒有明顯的保護作用，耐候鋼的腐蝕失重略小于Q235鋼。這說明在3.5%NaCl鹽霧加速腐蝕試驗中，耐候鋼的銹層在腐蝕過程后期有一定抑制腐蝕的作用［6］，耐候鋼的耐腐蝕性比Q235鋼略優。

圖1 Q235鋼和耐候鋼的腐蝕失重曲線Fig.1 Mass loss vs test time for Q235 steel and weathering steel

2.2 銹層成分分析

Q235鋼和耐候鋼銹層的XRD譜如圖2所示，分析表明，Q235鋼銹層的主要成分為α-FeOOH，β-FeOOH，γ-FeOOH和Fe3O4。在試驗初始周期中，銹層成分主要為還原性γ-FeOOH［7］，對基體沒有明顯的保護作用。后期銹層轉化生成了較穩定的α-FeOOH，結構致密，對基體有一定的保護作用［8-9］。耐候鋼銹層主要成分為α-FeOOH，γ-FeOOH和Fe3O4，沒有發現β-FeOOH，可能是由于耐候鋼中的元素抑制了β-FeOOH的生成。耐候鋼銹層成分在實驗期間變化不明顯，合金元素及銹層對鋼基體的進一步腐蝕有一定的抑制作用［10］。Nishimura等［11］認為，Ni元素在銹層中可能是以 NiFe2O4的形式存在，具有更高的電化學穩定性，使得銹層具有更好的保護性［12］。

圖2 腐蝕產物的XRD譜線Fig.2 X-ray patterns of rusts formed at different test time

2.3 銹層形貌分析

從Q235鋼的表面形貌圖（如圖3所示）可以看出，前108 h形成的銹層表面形貌多為片狀或棒狀［13］，較疏松，應為γ-FeOOH，108 h以后形成的多為棉球狀的腐蝕產物，結構致密，應為α-FeOOH［14］。銹層中的α-FeOOH對基體有一定的保護作用。通過觀察耐候鋼的表面形貌圖（如圖4所示）可以看出，實驗初期，耐候鋼的銹層表面多為針狀或片狀，后期為球狀α-FeOOH，對鋼基體具有保護作用。

圖3 Q235鋼腐蝕不同時間后的銹層表面形貌Fig.3 Surface morphology of rust layer of Q235 steel at different corrosion time

通過觀察Q235鋼的截面形貌圖（如圖5所示），發現實驗前期銹層較薄，且比較疏松，有許多裂紋，對鋼基體的保護作用較小。隨著實驗的進行，銹層逐漸增厚，銹層的保護作用有一定增強，但后期銹層又開始變薄，可能是由于銹層的掉落導致的。通過觀察耐候鋼的截面形貌圖（如圖6所示），發現實驗前期腐蝕銹層薄且不連續，銹層中有較大的孔洞。從108 h后，銹層開始分為內外兩層；內層致密［15］，能有效抑制腐蝕介質和氧的進入；外層疏松，基本無保護作用［16］。

圖4 耐候鋼腐蝕不同時間后的銹層表面形貌Fig.4 Surface morphology of rust layer of weathering steel at different corrosion time

圖5 Q235鋼腐蝕不同時間后的銹層截面形貌Fig.5 Cross section morphology of rust layer of Q235 steel at different corrosion time

2.4 電化學分析

采用3.5%（質量分數）NaCl溶液為電解液，測定腐蝕試樣的電化學極化曲線，如圖7所示。Q235鋼的腐蝕電位基本不變，后期有所上升，說明銹層對鋼基體的保護作用非常有限。耐候鋼的腐蝕電位隨著實驗時間的延長逐漸上升，說明銹層能夠抑制鋼的腐蝕，對鋼基體有一定的保護作用。在相同的腐蝕時間內，耐候鋼的腐蝕電位均高于Q235鋼的腐蝕電位，說明耐候鋼的耐蝕性優于Q235鋼。觀察Q235鋼和耐候鋼的陰極極化曲線，發現未腐蝕試樣的陰極極化曲線出現氧擴散控制的特征現象［17］，腐蝕試樣由于銹層中含有還原性物質，陰極極化曲線開始傾斜［18－19］。觀察Q235鋼和耐候鋼的陽極極化曲線，發現隨著試驗時間的延長，曲線向著腐蝕電流減小的方向偏移，說明銹層抑制了陽極反應，保護了鋼基體［20－21］。

圖6 耐候鋼腐蝕不同時間后的銹層截面形貌Fig.6 Cross section morphology of rust layer of weathering steel at different corrosion time

圖7 Q235鋼和耐候鋼不同腐蝕時間試樣的極化曲線Fig.7 Polarization curves for rusted samples of Q235 steel and weathering steel for various corrosion time

3 結論

在3.5%（質量分數）NaCl溶液加速腐蝕實驗中，耐候鋼的腐蝕失重小于Q235鋼。Q235鋼銹層的主要成分為α-FeOOH，β-FeOOH,γ-FeOOH和Fe3O4，耐候鋼銹層的主要成分為α-FeOOH，γ-FeOOH和Fe3O4。α-FeOOH電化學性質穩定，對鋼基體具有保護作用。耐候鋼的內銹層致密，能夠阻礙腐蝕介質和氧接觸鋼基體，從而減慢鋼的腐蝕速度。相對于Q235鋼，耐候鋼所含的Cr等合金元素在腐蝕過程中發生了轉移和化學反應，抑制了基體的腐蝕。在3.5%NaCl溶液中，耐候鋼的優勢并不明顯，不適合用于海洋大氣環境中。

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