滲鋁鋼在鹵水中的腐蝕行為研究

張 超

(天津工業職業學院天鐵校區，河北056404)

0 引言

鋼鐵腐蝕的危害嚴重，每年都會給世界各國造成數以百億的經濟損失。 從日常生活到交通運輸、建筑、機械、電力、石油化工、冶金、國防等眾多領域都存在各種各樣的腐蝕問題。 找到切實有效的防腐方法已經成為當務之急。 滲鋁屬于金屬表面涂鍍層技術，是經常用到的金屬表面防腐的有效方法。 滲鋁的方法有很多，包括固體粉末法、固體氣相法、低壓滲鋁法等等，其中固體包埋滲鋁技術是使用最為廣泛的是方法[1-2]。

本次研究通過固體包埋的方法對Q235 鋼進行滲鋁， 并對滲鋁鋼的滲層金相組織和成分進行研究， 并對Q235 鋼和滲鋁鋼分別在40℃，NaCl 濃度為0.7 mol/L 的水溶液中進行電化學試驗。

1 試驗材料及方法

1.1 試樣準備

本次試驗采用Q235 鋼， 采用機械線切割將Q235 鋼切割成10 mm×10 mm×5 mm 的長方體試樣，試樣經過砂紙打磨、拋光、酒精清洗后平均分作兩份，一份用作原樣鋼，一份采用固體包埋滲鋁的方法制作滲鋁鋼。

1.2 試驗工藝及方法

(1)除油。 除油劑采用丙酮有機溶液，在丙酮有機溶液中將試樣浸泡20 分鐘至30 分鐘。 如果油污在試樣表面范圍比較大時，可以先利用汽油對試樣表面進行粗洗。 采用丙酮溶液浸泡后用清水將試樣表面的油污和丙酮沖洗干凈[3-5]。

(2)除銹。 采用質量分數為12%的鹽酸溶液對試樣表面進行除銹， 試樣在鹽酸溶液中浸泡30 分鐘即可，若試樣表面銹蝕嚴重，可延長浸泡時間。 至試樣表面漏出金屬光澤，即可用無水乙醇溶液將試樣表面的鹽酸溶液沖洗干凈。

(3)助滲液浸泡。 為了保持試樣表面的活性，將除油除銹后的試樣浸泡于助滲液中，浸泡時間為15分鐘。 助鍍液的組成為：0.5%NaNO3+0.5%Cr2O3+0.02%K2MnO4+H2O。 采用去離子水對浸泡后的試樣進行沖洗，沖洗后進行烘干。 試樣必須在烘干后12小時內進行滲鋁。 否則試樣表面活性將失效。

(4)配制滲劑。 滲劑配方如表1，滲劑按照表1中的組成比例進行配制，并進行攪拌，直到均勻。

表1 滲劑配方

(5)裝箱。 試樣經過以上處理后與按照表(4)中比例配制好的滲劑裝于一起，并在滲鋁箱中進行封裝。

(6)固態滲鋁。 在電阻爐中對滲鋁箱進行加熱，溫度至970 ℃，然后在爐中保溫6 小時后斷電冷卻。對滲鋁鋼表面進行觀察。

對滲鋁鋼滲層采用高精度顯微鏡進行拍照，并對滲鋁層進行XRD 衍射分析以及能譜分析。 采用英國Solartron 公司的SI1280B 電化學工作站對滲鋁鋼和Q235 鋼進行電化學測試。 介質溶液采用溫度為40 ℃的0.7 mol/L 的NaCl 水溶液。并對腐蝕后的滲鋁鋼和Q235 鋼表面進行拍照，觀察腐蝕產物[6]。

2 結果及分析

2.1 滲層組織分析

從圖1 可以觀察到，Q235 鋼基體是與滲層相互機械結合在一起。 金相圖片表明有針狀組織存在于滲鋁層中。根據文獻可知Al 原子的加入導致了組織中奧氏體向鐵素體重結晶，新相形核表現為針狀組織[7]。 從圖片中看到滲層組織連續完整，沒有氣泡、雜質出現在滲鋁層組織中，這樣就能夠有效的阻擋外界的腐蝕介質與基體進行接觸，從而導致氧化和腐蝕。 當腐蝕介質開始侵害滲鋁鋼滲層表面的三氧化二鋁膜時，滲層表面的氧化膜能夠得到滲層組織中的鋁原子的有效補充，繼續形成致密完整的三氧化二鋁膜， 直到滲鋁層中的鋁原子無法提供為止。這樣的保護機制能夠有效的阻止外界腐蝕介質對鋼基體的破壞[8]。

圖1 固體包埋滲鋁層金相組織

2.2 XRD 衍射分析和能譜分析

對包埋滲鋁的Q235 鋼的滲層進行XRD 衍射分析和EDS 能譜分析，如圖2。 通過能譜分析，我們知道Fe 原子和Al 原子是碳鋼滲鋁后滲層的主要元素。 通過XRD 衍射分析我們可以看出，碳鋼滲鋁的滲鋁層主要由Fe2Al5、AlCl3和Al2O3組成。 滲層表面形成致密完整的三氧化二鋁氧化膜，外界腐蝕介質經過氧化膜的有效阻擋能夠使鋼基體免受腐蝕。 當外界腐蝕介質對氧化膜進行破壞時，滲層表面會得到源源不斷的來自滲層內部Al 原子的補充， 使得氧化膜得到修復， 從而繼續保護碳鋼基體免受腐蝕。 滲層內鋁原子是一個由高鋁相到低鋁相的過程，直到滲層內的鋁原子全部消耗完為止[9-10]。

圖2 滲層的XRD 衍射分析和能譜分析

2.3 腐蝕表面形貌

采用溫度為40 ℃的0.7 mol/L 的NaCl 水溶液浸泡固態滲鋁鋼和Q235 鋼，時間為21 天。 采用照相機拍攝浸泡后兩種鋼表面的腐蝕產物，如圖3。

由圖我們可以看出，未經滲鋁碳鋼的腐蝕產物脫落嚴重，顏色為紅棕色。 包埋滲鋁鋼表面腐蝕產物呈橘紅色，且致密完整的覆蓋于滲層表面，且與滲鋁表面貼合緊密，不容易脫落。 致密連續的腐蝕產物也起到了隔離腐蝕介質與滲鋁鋼表面的作用，且不容易脫落，避免了腐蝕介質持續對滲鋁層進行接觸與破壞。

圖3 滲鋁鋼和Q235 鋼浸泡后腐蝕形貌

2.4 電化學測試分析

2.4.1 極化曲線的測定

如圖4 所示為固體包埋滲鋁鋼和未經滲鋁鋼在溫度為40 ℃，0.7 mol/L 的NaCl 水溶液中侵泡0天、7 天、14 天、21 天的極化曲線，采用Tefel 對極化曲線進行擬合。 對兩種鋼的極化曲線進行分析可知，兩種鋼的腐蝕電流密度都經歷了開始變小后來變大的歷程。 這主要是因為在腐蝕初期，隨著侵泡時間的增加， 滲鋁鋼和Q235 鋼遭到鹽溶液中氯離子的攻擊，表面鈍化膜被破壞，腐蝕嚴重。 隨著浸泡時間的推移， 腐蝕產物開始在兩種鋼表面出現產生，隨著腐蝕產物的增加相當于隔絕了氯離子與滲鋁鋼或者Q235 鋼表面的接觸， 起到了保護鋼基體的作用，腐蝕減輕。 但是一段時間過后，隨著表面腐蝕產物部分脫落， 氯離子對滲鋁鋼或者Q235 鋼表面腐蝕增加。

圖4 兩種鋼浸泡周期內的極化曲線

鋼的耐蝕性與腐蝕電位存在著正比例關系。 我們通過對兩種鋼極化曲線的比較發現， 在NaCl 水溶液浸泡周期內，未經滲鋁鋼的腐蝕電位都較固態滲鋁鋼低， 滲鋁鋼表現出了更好的抵抗腐蝕的能力。 滲鋁鋼具有較高抵抗腐蝕的能力主要是因為滲層表面的氧化膜能夠將腐蝕介質與基體隔離，同時能夠不斷的得到補充修復，持續發揮保護作用。

2.4.2 交流阻抗譜

圖5 為兩種鋼在溫度是40 ℃，0.7 mol/L 的Na-Cl 水溶液中侵泡0 天、7 天、14 天、21 天的交流阻抗譜。 滲鋁鋼和Q235 鋼在圖5 中均是單容抗弧，容抗弧的半徑越大，則表示電極反應的阻力越大，腐蝕速率越小，所以滲鋁鋼和未經滲鋁鋼抵抗腐蝕的能力可以用所測容抗弧進行表示。包埋滲鋁鋼和Q235鋼在整個浸泡周期內， 容抗弧半徑的變化規律相似，這主要是由于在NaCl 水溶液浸泡的過程中，腐蝕產物的覆蓋與脫落所導致。

圖5 Q235 鋼和滲鋁鋼浸泡不同時間的交流阻抗譜

根據曹楚南理論，我們對兩種鋼的交流阻抗譜進行等效電路的擬合，得出電荷轉移電阻Rp。 圖6是未滲鋁鋼和滲鋁鋼在溫度是40℃，0.7 mol/L 的NaCl 水溶液中Rp 隨著浸泡時間的延長而變化的曲線。 由圖可以看出滲鋁鋼的電荷轉移電阻Rp 在試驗周期內均大于Q235 鋼。 這表明滲鋁鋼的抵抗腐蝕的能力較好，碳鋼基體能夠受到碳鋼表面滲層較好的保護，滲層能夠有效阻止腐蝕環境對鋼基體的侵害。

3 結論

(1)Q235 鋼經過高溫固體包埋滲鋁后形成的滲層致密完整， 滲層組織主要為針狀組織，Fe 元素和Al 元素是碳鋼滲鋁后滲層的主要元素，滲層主要由Fe2Al5、AlCl3和Al2O3組成。

(2)Q235 鋼經過腐蝕后，表面的腐蝕產物疏松且容易脫落；碳鋼表面滲鋁后，在腐蝕環境中，表面生成的腐蝕產物不容易脫落且致密完整，鋼基體能夠受到表面腐蝕產物較好的保護。

(3)電化學試驗表明，碳鋼滲鋁后在鹽溶液中抵抗腐蝕的能力明顯好于未滲鋁鋼。

圖6 電荷轉移電阻Rp 隨浸泡時間變化曲線