耐火耐候鋼在工業和海洋大氣環境中的腐蝕行為研究

高立軍 楊建煒 張俠洲 趙英建 曹建平 王鳳會

(首鋼技術研究院，北京 100043)

鋼結構建筑具有施工便捷、抗震性能好、綠色環保等諸多優點，國內外已廣泛應用[1- 3]。日本新日鐵開發出了一系列建筑結構用耐火耐候鋼，通過添加鉬、鈮等元素合金化，使其能在600 ℃左右高溫下保持1～3 h后屈服強度不低于室溫的2/3，在此基礎上再添加Cu、Ni、Mo等元素優化其耐候性。

國內也開展了高強度耐火耐候鋼的研究開發，如武鋼開發出了WGJ510C2建筑物用耐火耐候鋼[4]，其銹層致密，具有優異的耐工業大氣腐蝕性能。萊鋼的董杰等[5]研究了耐火耐候鋼在工業大氣環境中的腐蝕行為，發現，Cu、Mn和Mo元素的共同作用可使耐火耐候鋼具有良好的耐工業大氣腐蝕性能。我國地域遼闊，大氣環境復雜多樣，耐候鋼在不同大氣環境中的腐蝕機制有差異，耐火耐候鋼的推廣應用需考慮環境因素的影響。

本文從鋼結構建筑物所處的環境出發，研究了耐火耐候鋼在工業大氣和海洋大氣兩種典型環境中的腐蝕行為。

1 試驗材料及方法

試驗用耐火耐候鋼的化學成分(質量分數，%)為0.05～0.1 C，0.02～0.05 Si，1～1.7 Mn，≤0.02 P，≤0.006 S，0.5～1.0 Ni，0.1～0.5 Cu，0.1～0.5 Mo，余為Fe。試樣尺寸為40 mm×60 mm×4 mm。將試樣表面磨平、丙酮除油、去離子水清洗，冷風吹干。

干濕交替腐蝕試驗采用0.01 mol/L(質量濃度)的NaHSO3溶液和3.5%(體積分數)NaCl溶液，分別模擬工業大氣環境和海洋大氣環境。試驗前對所有試樣稱重，試驗溫度(45±2)℃，濕度(70±5)%，每個循環周期為60 min，其中浸潤時間12 min，干燥時間48 min。整個試驗持續時間為264 h，分別在72、120、264 h時取樣。

利用JSM- 7001F型環境掃描電鏡觀察氧化鐵皮的微觀形貌，利用Bruker D8 advance型X射線衍射儀檢測不同腐蝕階段試樣的銹層組分。

2 結果與討論

2.1 腐蝕速率

圖1為試驗鋼在模擬的工業大氣和海洋大氣環境中的腐蝕速率。圖1表明，耐火耐候鋼在海洋大氣環境中的腐蝕速率明顯高于在工業大氣環境中的腐蝕速率。在工業大氣環境中，耐火耐候鋼的腐蝕速率隨腐蝕時間的延長先增大后減小；而在海洋大氣環境中， 耐火耐候鋼的腐蝕速率隨腐蝕時間的延長而減小，說明工業大氣環境會加速耐火耐候鋼的初期腐蝕。在這兩種典型大氣環境中，耐火耐候鋼會生成具有保護作用的銹層從而降低了后期的腐蝕速率。

圖1 試驗鋼在不同大氣環境中的腐蝕速率隨腐蝕試驗時間的變化Fig.1 Corrosion rate of the tested steel in the different atmosphere environments as a function of corrosion time

2.2 銹層的微觀形貌

圖2為在工業大氣和海洋大氣環境中腐蝕不同時間的試驗鋼銹層的表面形貌。可以看到，試驗鋼在兩種氣候環境中腐蝕的初期均出現了裂紋，隨著腐蝕時間的延長，銹層致密度增大，裂紋減少。腐蝕264 h的銹層放大2 000倍后發現，試驗鋼在工業大氣環境中產生的銹層呈花簇狀，在海洋大氣環境中產生的銹層呈網格狀或顆粒狀。可見，耐火耐候鋼在這兩種環境中形成的銹層形貌有差異。

圖2 試驗鋼在工業大氣和海洋大氣環境中腐蝕不同時間形成的銹層的表面形貌Fig.2 Surface patterns of dross on the tested steel corroded for different times in industrial and marine atmosphere environments

耐火耐候鋼在工業大氣和海洋大氣環境中腐蝕不同時間形成的銹層的截面形貌如圖3所示。可以看到，隨著腐蝕時間的延長，試驗鋼在兩種環境中形成的銹層厚度增加，腐蝕后期銹層中裂紋較少，致密度較高，可有效保護鋼基體、降低腐蝕速率。

圖3 試驗鋼在工業大氣和海洋大氣環境中腐蝕不同時間形成的銹層截面形貌Fig.3 Cross- sections of dross on the tested steel corroded for different times in industrial and marine atmosphere environments

圖4為試驗用耐火耐候鋼在工業大氣和海洋大氣環境中腐蝕264 h形成的銹層的XRD圖譜。圖4表明，試驗鋼在兩種環境中的腐蝕產物主要為α- FeOOH、γ- FeOOH和Fe3O4，鋼在海洋大氣環境中形成的銹層存在β- FeOOH。對比發現，耐火耐候鋼在工業大氣環境中形成的銹層中α- FeOOH含量比在海洋大氣環境中形成的銹層高，而γ- FeOOH的含量則較低。可見，工業大氣環境會促進銹層中α- FeOOH的生成，而海洋大氣環境中由于Cl-的存在，銹層中會生成β- FeOOH。

圖4 在工業大氣和海洋大氣環境中腐蝕264 h的試驗鋼銹層的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of dross on the tested steel corroded for 264 h in industrial and marine atmosphere environments

2.3 腐蝕機制

圖5 試驗鋼在工業大氣和海洋大氣中形成的銹層中的合金元素分布Fig.5 Distribution of alloy elements in dross on the tested steel developed in industrial and marine atmosphere environments

3 結論

(1)耐火耐候鋼在工業大氣環境中的腐蝕速率比在海洋大氣環境中的低，在這兩種典型環境中形成的銹層的形貌有差異。

(2)工業大氣環境會促進耐火耐候鋼的銹層中生成α- FeOOH，海洋大氣環境中形成的銹層中會生成β- FeOOH。耐火耐候鋼在不同大氣環境中發生腐蝕的機制不同。