冷軋板銹蝕與環境因素相關性研究*

胡杰珍, 劉文娟, 鄧培昌, 周慶軍, 祁慶琚, 黃 歡

(1 廣東海洋大學，廣東 湛江 524088；2 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201999)

鋼鐵產業原料與燃料多依賴進口，海運因運輸成本低、運輸量大是大宗物品運輸的首選運輸方式，臨海建設鋼廠可以降低原材料的運輸成本。臨海區域是鋼鐵高消費地帶，臨海建設鋼鐵廠為綜合性工業區以及系統化產業鏈的形成和發展提供了良好的環境，有利于獲取良好的經濟效益，但臨海大氣環境常具有高氯、高濕的特點，在高鹽、高濕的海洋大氣環境中，鋼鐵產品在生產與儲運過程中將面臨較大銹蝕風險，尤其是冷軋鋼板。

冷軋鋼板主要應用在建筑、家電、汽車等行業，應用前景廣闊。目前，關于冷軋板的研究較多集中于出廠后加工過程中的成形及連接性能，如冷軋板的沖壓、涂裝、焊接和成形后的耐蝕性，而在冷軋板生產與儲運過程中的耐蝕研究較少。研究表明[1]，當環境中Cl-質量分數達到0.003%時，鋼板就易發生表面銹蝕。Castano等[2]研究發現，在工業環境中，碳鋼更易發生大氣腐蝕。碳鋼在Cl-含量較高的環境中生成的腐蝕產物 β-FeOOH 會加速碳鋼的腐蝕[3-5]。李巖等[6]研究發現鋼鐵銹層中滲入的Cl-可以加速銹層下金屬的腐蝕。Cl-對鋼材表面鈍化膜的影響較大，氯離子濃度較高的環境下，不銹鋼表面形成的致密的氧化膜在較低的活化電位下即發生點蝕[7]，在氯離子濃度高于250 mg/L的40～60 ℃的中溫水中，S304不銹鋼具有點蝕敏感性[8]。

大氣環境金屬的腐蝕多屬于電化學腐蝕，金屬表面薄液膜的形成是電化學腐蝕的必要條件，大氣相對濕度是影響大氣環境金屬腐蝕的重要因素[9-11]。 趙全成等[12]以7A85鋁合金為研究對象，比較了其在濕熱海洋環境和干熱沙漠環境下的腐蝕，發現濕熱海洋環境下鋁合金的最大腐蝕深度接近干熱沙漠環境下鋁合金的最大腐蝕深度的3倍。相對濕度對鋁合金表面的腐蝕產物膜的結構也有影響，在相對濕度低于65%的環境中，鋁合金的腐蝕產物膜具有保護性，可以抑制鋁合金進一步腐蝕，而處于相對濕度超過65%的濕熱海洋環境中，鋁合金表面的腐蝕產物膜的保護性大大下降。大氣相對濕度除直接影響金屬腐蝕外，其還可以影響氯離子沉降速率，影響金屬表面氯離子濃度影響金屬腐蝕，在高濕度大氣環境中，氯離子沉降速率更大[13]，氯離子與相對濕度對金屬腐蝕的影響具有協同作用。

海洋大氣環境具有高濕高鹽的特點，臨海鋼廠大氣環境常含有較高的固體塵粒，固體塵粒溶于冷軋板表面的液膜中，會促進冷軋板的腐蝕、形成銹點[14]。某臨海鋼廠庫存區因冷軋鋼卷發生銹蝕，導致多起質量異議，造成較大經濟損失。因此，研究環境因素與冷軋鋼板銹蝕的相關性具有較大的現實意義，對指導冷軋鋼材庫存區的環境控制也具有一定的價值。本文以汽車常用高強鋼冷軋板為研究材料，研究相對濕度、氯離子含量、溫度等環境因素與冷軋板銹蝕的相關性，以期獲得冷軋板銹蝕臨界環境因子。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

試驗材料為高強鋼冷軋板，厚度0.7 mm，其化學成分(質量分數)為：≤0.006% C，≤1% Mn，≤0.08% P，≤0.025% S，0.015% Ait，≤0.02% Ti，余量為 Fe。將實驗材料加工成50 mm×50 mm×0.7 mm 的掛片試樣，在試樣正上方邊緣處打孔，試樣用防銹紙包裹。實驗前，經丙酮中超聲處理5 min，無水乙醇中超聲處理5 min，冷風吹干后，立即放入模擬環境中。

1.2 模擬環境

利用甘油水溶液形成濕度恒定的大氣環境[15]，利用濕度計監測環境的相對濕度，利用恒溫水浴箱控制溫度。

圖1 環境模擬示意圖Fig.1 The diagram of environmental simulation device

1.3 實驗過程

溫度與濕度對冷軋鋼板銹蝕的影響：分別控制溫度為20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃，濕度為60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，把除油、除銹的冷軋鋼片掛入環境模擬裝置中，立即計時，記錄出現宏觀可見銹點的時間。

冷軋鋼板表面液滴對冷軋鋼板銹蝕的影響：分別控制溫度為20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃，濕度為60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，把除油、除銹的冷軋鋼片掛入環境模擬裝置中，立即噴灑純水、10-3mol/L的NaCl溶液、10-5mol/L NaCl溶液或10-7mol/L NaCl溶液，立即計時，記錄出現宏觀可見銹點的時間(起銹時間)。

2 結果與討論

2.1 溫度與相對濕度對高強鋼冷軋板起銹時間的影響

表1 高強鋼冷軋板在不同溫度與濕度下的起銹時間Table 1 The rust time of high strength cold-rolled plate at at different temperatures and relative humidity (min)

圖2 溫度與相對濕度對高強鋼冷軋板起銹時間影響圖Fig.2 The influence of temperature and relative humidity to the high strength cold-rolled plate rust time

海洋大氣環境中冷軋板的腐蝕屬于電化學腐蝕，其腐蝕速度受大氣相對濕度影響。高濕是臨海鋼廠環境的顯著特征，在不同季節溫度變化較大。由表1與圖2可知溫度與相對濕度對高強鋼冷軋板的起銹時間影響明顯。隨著溫度的升高，高強鋼冷軋板起銹所需的相對濕度(即臨界相對濕度)逐漸降低；同樣溫度下，3天內高強鋼冷軋板起銹有一臨界相對濕度，環境相對濕度低于臨界相對濕度，高強鋼冷軋板起銹時間隨相對濕度升高而降低。如圖3所示，以3天內高強鋼冷軋板是否起銹作為臨界相對濕度判斷依據，可以獲得高強鋼冷軋板起銹的臨界溫度與臨界相對濕度，臨界溫度與臨界相對濕度存在較好的線性相關：RH=-0.7429T+102.48，R2為0.8521。由此可知：臨海鋼廠冷軋板生產與存儲空間環境控制中應根據環境溫度變化調整相對濕度控制標準。

2.2 凝露對高強鋼冷軋板起銹的影響

表2 高強鋼冷軋板在模擬凝露環境下的起銹時間Table 2 The rust time of high strength cold-rolled plate in the simulated condensation environment (min)

臨海鋼廠大氣環境相對濕度較大，在大氣溫度迅速升高的季節，冷軋板生產與存儲車間易出現凝露現象。本研究在冷軋板表面噴灑去離子水模擬凝露，研究凝露對冷軋板起銹的影響。由表2與圖4可知，從溫度20～45 ℃，從相對濕度60%～95%，出現凝露，冷軋板的起銹時間皆低于20 min。溫度與相對濕度相同的前提下，凝露出現可以大幅降低冷軋板的起銹時間。凝露破壞了冷軋板表面的電化學均勻性，同時凝露也為局部電化學腐蝕提供必要條件，造成冷軋板的快速起銹。在冷軋板表面出現凝露的前提下，溫度和濕度也會影響冷軋板的起銹時間：高溫低濕起銹相對較慢，低溫高濕起銹相對較快。由此可知：臨海鋼廠冷軋板生產與存儲空間要防止凝露出現，出現凝露，高強鋼冷軋板起銹風險極大。

圖4 凝露對高強鋼冷軋板起銹時間影響圖Fig.4 The influence of condensation to the high strength cold-rolled plate rust time

2.3 凝露含鹽量對高強鋼冷軋板起銹的影響

高鹽是臨海鋼廠大氣環境的一大特點。通過噴灑10-3mol/L的NaCl溶液、10-5mol/L NaCl溶液和10-7mol/L NaCl溶液的方法模擬含鹽凝露，研究凝露含鹽量對高強鋼冷軋板起銹時間的影響。由圖5可知，含鹽凝露下高強鋼冷軋板的起銹時間并沒有明顯下降，起銹時間與無鹽凝露下的起銹時間相當，氯離子對金屬腐蝕的促進作用淹沒在凝露的影響中，即以冷軋板起銹時間作為腐蝕程度的度量，凝露對冷軋板腐蝕的影響大于氯離子的影響。含鹽凝露中的含鹽量對高強鋼冷軋板的起銹時間影響也不明顯。凝露含鹽量低于10-5mol/L條件下，溫度越高，濕度越低，起銹時間越長；凝露含鹽量為10-3mol/L時，溫度的影響明顯，在30～35 ℃范圍內起銹時間較長，高于或低于該溫度，起銹時間明顯縮短。

圖5 凝露含鹽量對高強鋼冷軋板起銹時間影響對比圖Fig.5 The influence of salt content of condensation to the high strength cold-rolled plate rust time

3 結 論

臨海鋼廠大氣環境具有高濕、高鹽特點，冷軋板銹蝕風險較大，嚴格控制冷軋板生產與存儲車間環境可以避免冷軋板起銹，保障冷軋板交貨質量，減少經濟損失。通過研究獲得以下結論：

(1)溫度與相對濕度是影響冷軋板起銹時間的重要環境因子。冷軋板起銹臨界溫度與臨界相對濕度存在較好的線性相關：RH=-0.7429T+102.48。

(2)凝露對冷軋板銹蝕影響明顯。冷軋板表面出現凝露，冷軋板起銹時間低于20 min。

(3)臨海鋼廠冷軋板生產與存儲車間出現凝露時，凝露含鹽量對冷軋板的起銹時間影響不明顯。

(4)臨海鋼廠冷軋板生產與存儲空間環境控制中應根據環境溫度變化調整相對濕度控制標準，應嚴格控制防止凝露出現。