熱帶大氣環(huán)境下鋼鐵材料腐蝕數(shù)據(jù)的分析

高澤海，林旭彬，陳秋岸，甘欽海

（中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司，瓊海 571400）

引言

目前我國(guó)在熱帶地區(qū)已建、在建或處于論證階段的重大工程有很多，例如海南文昌航天航空發(fā)射基地、海南環(huán)島高速鐵路、粵海海底隧道、中國(guó)至東南亞國(guó)家高速鐵路、東亞國(guó)家運(yùn)河及水利大壩等重大工程，這些工程需要使用大量的鋼鐵材料，所以在高溫高濕熱帶大氣環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)如鐵道、橋梁、塔架、車輛等的防腐和延壽問(wèn)題備受關(guān)注。鋼的大氣腐蝕是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年因大氣腐蝕而損耗的鋼鐵約500多萬(wàn)噸[4]。鋼鐵腐蝕速率和腐蝕趨勢(shì)的研究獲得廣泛的重視，對(duì)于獲得性能突出的鋼鐵并揭示不同鋼鐵的腐蝕規(guī)律有重要意義[5]。

本文選取了碳鋼、耐候鋼、車輛鋼和橋梁鋼四種鋼鐵進(jìn)行8年共4周期的大氣暴露試驗(yàn)，研究幾種鋼鐵的腐蝕規(guī)律，以及和哪種微量元素組合更抗老化。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

四種鋼材暴露在中國(guó)國(guó)家大氣環(huán)境腐蝕海南瓊海大氣腐蝕試驗(yàn)站，地理位置與環(huán)境氣象平均數(shù)據(jù)見(jiàn)表l所示。

1.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6464-1997《金屬及其覆蓋層大氣腐蝕試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的一般要求》。

1.3 試驗(yàn)樣品

四種鋼鐵樣品均取自冷軋板，表面已加工，且已按照樣品處理規(guī)程除油，尺寸為200 mm×100 mm×5 mm，每種鋼材在每一個(gè)試驗(yàn)周期均投試3件平行樣，成分如表2所示；暴露共分為4個(gè)周期，分別為1年、2年、5年和8年（即2006年至2014年）。

表l 試驗(yàn)站的地理位置及環(huán)境氣象平均數(shù)據(jù)

表2 四種鋼鐵的成分(%)

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 腐蝕速率（mm/a=毫米/年）

四種鋼鐵材料暴露8年4周期的試驗(yàn)腐蝕速率如圖1所示。在不同的試驗(yàn)周期，腐蝕速率的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。幾種鋼材的腐蝕速率曲線趨勢(shì)基本相似，說(shuō)明其腐蝕過(guò)程是相似的，而添加元素對(duì)腐蝕速率有延緩作用。

結(jié)果顯示四種鋼鐵中耐候鋼的耐大氣腐蝕屬性最好，次之為橋梁鋼。

試驗(yàn)1年時(shí)，耐候鋼的腐蝕速率為0.032 mm/a，而其他三種鋼材的腐蝕速率在0.033～0.039 mm/a之間；試驗(yàn)2年時(shí)，耐候鋼的腐蝕速率為0.022 mm/a，而其他三種鋼材的腐蝕速率在0.023～0.030 mm/a之間；試驗(yàn)5年時(shí)，耐候鋼的腐蝕速率為0.013 mm/a，而其他三種鋼材的腐蝕速率在0.014～0.020 mm/a之間；試驗(yàn)8年時(shí)，耐候鋼的腐蝕速率為0.010 mm/a，而其他三種鋼材的腐蝕速率在0.011～0.018 mm/a之間。

2.2 腐蝕速率比值

從表3來(lái)看，四種鋼材腐蝕速率比值隨著周期的增大而逐漸增大，表明周期越長(zhǎng)，耐侯鋼耐蝕效果越好。

從圖2可以看出，以耐候鋼為基數(shù)獲得速率比值，四種鋼材腐蝕速率比值隨時(shí)間增加而呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，這些趨勢(shì)表明在暴露4周期內(nèi)耐蝕效果為：耐候鋼＞橋梁鋼＞碳鋼＞車輛鋼。

2.3 各種合金元素在耐候鋼中的作用分析

圖l 四種鋼材試驗(yàn)4 個(gè)周期平均腐蝕速率

表3 其他三種鋼材與耐候鋼腐蝕速率比值

圖2 腐蝕速率比值與時(shí)間的關(guān)系

耐候鋼有良好的抗大氣腐蝕能力，其中合金元素起到了決定性作用，包括：降低銹層的導(dǎo)電性能，自身沉淀并覆蓋在鋼表面；影響銹層中物相結(jié)構(gòu)和種類，阻礙銹層的生長(zhǎng)；推遲銹的結(jié)晶；加速鋼均勻溶解；加速Fe2+向Fe3+的轉(zhuǎn)化，并能阻礙腐蝕產(chǎn)物的快速生長(zhǎng)；合金元素及其化合物阻塞裂紋和缺陷[6]。

C：碳影響鋼的力學(xué)性能和鑄造性能，碳量高會(huì)降低鋼的耐腐蝕能力，耐候鋼中碳含量比普通鋼少。

S：硫主要以硫化亞鐵存在于鋼中，它使鋼在壓力加工時(shí)容易開(kāi)裂，降低了塑性，而且不利于鋼的耐大氣腐蝕。

P：磷元素也是耐候鋼中提高耐候性能的一種非常有效的元素，P和Cu元素的復(fù)合添加還有一定的協(xié)同效應(yīng)。它能夠促進(jìn)鋼的均勻溶解和腐蝕，加大鋼表面銹層的極化電阻，起到保護(hù)作用。

Mo：鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，能提高機(jī)械性能。當(dāng)鋼中含有0.4 %～0.5 %時(shí)，在大氣腐蝕環(huán)境下，鋼的腐蝕速率可能降低50 %以上[6]。

Si: 硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有利于提升鋼的耐候性。

Cr: 鉻能形成致密的氧化膜Cr2O3，提高鋼的耐腐蝕能力，能夠有效抑制腐蝕性陰離子，特別是氯離子的入侵。另外鉻的電位比鐵的低，在大氣腐蝕環(huán)境中，能形成一種電化學(xué)保護(hù)作用，提高鋼的耐候性。

Ni: 鎳在酸堿的環(huán)境下都有較強(qiáng)的耐腐蝕性，合金中添加鎳可增強(qiáng)其抗腐蝕性能。

Cu：是耐候鋼中最有效的元素，銅在鋼的表面及銹層中富集，形成阻擋層，具有較好的保護(hù)作用。另外銅和鋼中硫元素發(fā)生反應(yīng)生成CuS，降低硫元素的不利作用，提升鋼的耐腐蝕性能。

Al: 鋁元素在大氣中能快速生成致密氧化層Al2O3，能抵抗Cl-的入侵；另外鋁元素本身的電位比鐵元素低，可保護(hù)基體不被腐蝕。

總結(jié)以上各元素對(duì)鋼耐候性影響作用的大小：Cu、P、Cr對(duì)提高鋼的耐候性有顯著的作用；Ni、Mo、Al、Si對(duì)提高鋼的耐候性稍有效果；C、S對(duì)鋼耐候性的提高沒(méi)有影響。

3 結(jié)論

本文研究的四種鋼材腐蝕速率的關(guān)系為：耐候鋼<橋梁鋼<碳鋼<車輛鋼，結(jié)果顯示四種鋼鐵中耐候鋼的耐腐蝕性最好，并得出各種鋼材耐蝕性的強(qiáng)弱與添加元素類別和元素量相關(guān)。

本文只從現(xiàn)成的鋼材入手研究，比較不同鋼材種類的腐蝕規(guī)律。筆者將繼續(xù)深入，研究鋼材中微量元素配方對(duì)鋼材耐候性的影響。

[1]丁國(guó)清，張波．鋼在自然環(huán)境中的大氣腐蝕研究進(jìn)展[J]．裝備環(huán)境工程, 2010,07(03)：42-47.

[2]梁彩鳳,侯文泰．碳鋼、低合金鋼16年大氣暴露腐蝕研究[J]．中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué), 2005,25(01):1-6．

[3]黃海軍,李嬋,王俊.典型大氣腐蝕介質(zhì)的灰色預(yù)測(cè)模型分析[J]．裝備環(huán)境工程, 2012,09(01):13-16．

[4]郝新峰.鋼的大氣腐蝕防護(hù)的研究進(jìn)展[J].天津冶金, 2001 (s1): 89-90.

[5]楊海洋,高志賢,黃桂橋. 海洋大氣環(huán)境下磷釩系耐候鋼腐蝕數(shù)據(jù)分析[J]．環(huán)境技術(shù), (2014) 04:0035-03.

[6]劉麗宏 等.耐大氣腐蝕鋼的研究概況[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2003,15(02):86-89.