關于碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕規律研究

閆武巍

（哈爾濱哈鍋鍋爐工程技術有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕規律實驗的設計

1.1 實驗材料與儀器的選用

在本次實驗中，使用了七種含有不同合金元素的鋼鐵，具體為 06CuP、09CuP、CortenA、20#（1）、20#（2）、A3（1）、A3（2）。同時，實驗儀器使用了 DW-UD-3 型浸漬干濕復合循環實驗裝置，設定濕溫40℃、時間為4min；干溫為50℃、時間為12min；沉浸溫度為40℃、時間為4min。同時，設定鋼鐵試樣的尺寸為50×50×1.5mm。在實驗前，要利用砂紙打磨試樣至800號，并用丙醇除油、用無水乙醇脫水。

在本次實驗中，需要應用浸漬溶液，其主要成分及含量如下：硫酸氫鈉0.01mol/L、氯化鈉0.001mol/L。通過這樣的方式，實現對大氣污染條件的模擬。

1.2 實驗方法的設計

本次實驗持續時間為5d，每天（或是每間隔24h）完成一次取樣。每次取樣中，每種材料都要取一組（包含3塊平行試樣），完成試樣質量的測量。

對銹蝕材料在電解質溶液中發生的電化學反應進行研究時，主要使用了電化法完成。此時，對于每種材料均制作出6個電極試樣，暴露面積設定為10×10mm，與失重試樣同時放入，在第1天、第3天、第5天時取出電極試樣，并分別完成極化曲線以及交流阻抗的相關測試。其中，設定交流阻抗測試的頻率在10-2～105Hz的范圍內；電位步進速度設定為1mV/s。

在進行試樣腐蝕形貌的觀測時，主要在SEM/EDX上完成，并利用X光粉末衍射完成腐蝕成分的測定。

2 碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕規律實驗的結果與討論

2.1 碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕的規律與形貌

總體上來說，在模擬大氣污染的條件下，所有鋼樣本的腐蝕規律呈現出一致的現象，但是不同鋼樣本的腐蝕速率存在一定的差別。筆者認為，這主要是由于不同鋼樣本產生的銹蝕產物存在差異導致的。在銹蝕產物形成的初期，其性質對鋼材料的進一步腐蝕產生較大的影響。

在本次實驗中發現，在實驗的五天中，06CuP的腐蝕失重變化幅度最小。可以得出，06CuP在腐蝕初期，就產生了保護性良好的銹蝕產物層。而09CuP在實驗的五天中，腐蝕失重率變化與06CuP較為相似，但是腐蝕速率更大。而對于CortenA來說，其在腐蝕初期表現出的腐蝕速率較高，然而在實驗四天后，腐蝕速率就明顯下降，這表明，CortenA的保護性銹蝕層逐漸形成。通過腐蝕表面的觀察能夠得出，06CuP、09CuP以及CortenA表面生成的銹蝕產物呈現出致密、均勻的現象，利用掃描電鏡能夠觀察到，這些鋼樣本的銹蝕產物顆粒呈現出緊密排列的形貌；20#、A3表面生成的銹蝕產物呈現出疏松、粗糙的現象，利用掃描電鏡能夠觀察到，這些鋼樣本的銹蝕產物顆粒存在裂紋以及局部的剝離。在X光粉末衍射分析中，得出所有鋼樣本的銹蝕產物均由ɑ-FeOOH以及γ-FeOOH構成，同時，還包含一定量其他鐵的氧化物。

2.2 合金元素對電極過程的影響

對于鋼材料來說，當其表面形成了銹蝕層后，由于其結構松散，所以會在溶液以及電極樣之間形成兩個雙電層，其主要由銹蝕外層與表面電解液構成，另一個則主要由鋼材料與滲入到材料表面的電解液構成。結合上述的實驗結果分析能夠了解到，銹蝕層具有一定的阻擋作用，所以在低頻條件下會擴散阻抗。

為了進一步探究銹蝕金屬材料在電解液中的腐蝕情況，筆者應用了等效電路實現了腐蝕的模擬。為了降低彌散效應對結果的影響，筆者設計的等效電路中所有的元件均使用了常相位角元件。在該等效電路中，材料溶解反應的電荷傳遞電阻與Warburg阻抗串聯，且并聯于材料與滲入電解液構成的雙電層；這一結構與銹蝕層電阻串聯，且并聯于銹蝕外層與體相電解液構成的雙電層；這一結構最終與溶液電阻串聯。

利用等效電路進行分析可得出，當銹蝕時間增加，離子傳輸阻抗表現出上升趨勢，這意味著銹蝕層的產生增加了離子的運輸阻力。在實驗的第五天，基于不同鋼樣本的離子傳輸阻抗順序與干濕交替的結果呈現出一致的表現，這意味著銹蝕層的阻抗值越大，則鋼材料的耐腐蝕性更強。造成這一現象的主要原因是銹蝕的初期階段，銹蝕層的形成穩定性不高，而經過一段時間的銹蝕后，銹蝕物質的相變使得內銹蝕層的致密程度提升，此時，腐蝕現象會進入一個較為穩定的階段。

通過分析離子通路的暢通程度，能夠了解到銹蝕層（特別是內銹蝕層）的致密程度。對于鋼材料中的合金元素來說，其主要的作用在于，能夠促進銹蝕層更加穩定，提升物質的擴散難度。筆者在實驗中發現，當時間不斷變化時，A3鋼的離子傳輸阻抗的變化程度較小，且數值也較小。相比較來說，06CuP、09CuP以及CortenA的銹蝕層阻抗隨著時間的變化而產生較大的變化。這意味著，隨著銹蝕層的不斷積累與演變，銹蝕層對鋼材料的保護作用更強。

通過回歸分析能夠得出，銹蝕層阻抗的大小與鋼材料的腐蝕速率呈現出了較好的線性關系，當銹蝕層的阻抗值越大，則說明其具有保護性越高。但是A3（2）樣本的相關數據并不符合這一規律，因此，在本次回歸分析中，并沒有應用A3（2）樣本的相關數據。造成這一現象最可能的原因在于A3鋼的銹蝕層過于疏松，在實驗中出現不斷剝落的現象，導致其阻抗值過于小。

3 結 語

在本次關于碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕規律探究實驗中，得出的結果如下：總體上來說，在模擬大氣污染的條件下，所有鋼樣本的腐蝕規律呈現出一致的現象，但是不同鋼樣本的腐蝕速率存在較大的差別；本次實驗中使用的七種鋼的腐蝕規律都可以用同一表達式表述，即Y=Y0+Ae-t/B，可以看出，腐蝕規律為負指數規律。在該表達式中，Y代表了腐蝕失重率；t代表了時間；A和B均為常數。根據這一表達式能夠得出，在當前的實驗環境下（大氣污染環境下），所有鋼樣本的腐蝕速率都呈現出由快變慢的現象。隨著時間的增加，含有A3鋼的腐蝕速率最大，是06CuP的2.5倍；銹蝕層的產生增加了離子的運輸阻力；銹蝕層的阻抗值越大，則鋼材料的耐腐蝕性更強；隨著銹蝕層的不斷積累與演變，銹蝕層對鋼材料的保護作用更強；銹蝕層阻抗的大小與鋼材料的腐蝕速率呈現出了較好的線性關系，當銹蝕層的阻抗值越大，則說明其具有保護性越高。