稀土對汽車板用鋼在沿海大氣環(huán)境下耐腐蝕性能的影響

孫 帥，王錦波

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東日照 276826）

在汽車隨時間自然老化過程中，腐蝕損壞尤為普遍，由于汽車制造所用的材料主要是金屬，發(fā)生電化學腐蝕是必然的。汽車的腐蝕，與所在的環(huán)境因素有直接的關系，如近海附近的大氣環(huán)境，由于水汽中存在較高濃度氯離子，其對汽車板的腐蝕有直接影響。稀土在低碳鋼中耐蝕機理的研究表明［1］，稀土通過夾雜物改性，減小微區(qū)域腐蝕，促進提高碳鋼表面穩(wěn)定的保護性腐蝕產物α-FeOOH的形成，銹層變得更加致密，提高了碳鋼的耐大氣腐蝕性。本試驗研究汽車鋼加入稀土后其對汽車板鋼耐腐蝕性能變化，為開發(fā)新型汽車板用鋼的防腐工作提供理論依據。

1 試驗材料及方法

試驗材料為國內某鋼廠生產的熱軋700 MPa低合金高強度汽車板用鋼，試驗中的1#鋼為含稀土鋼，2#鋼為非稀土鋼。

利用周期性浸潤腐蝕試驗箱模擬了試驗鋼在內陸沿海工業(yè)大氣腐蝕行為及規(guī)律，試驗使用的溶液為質量分數0.5%Nacl溶液，水浴的加熱溫度設為45 ℃，干燥加熱溫度設為75 ℃；試樣在溶液中浸泡12 min，在干燥箱中烘烤48 min，每60 min 為一周期，試驗總時間為480 h。

試驗所用的失重樣尺寸是30 mm×20 mm×3 mm，丙酮除去油，水磨砂紙打磨至1 200號，用離子水沖洗，無水乙醇擦洗，冷風吹干，最后放置于干燥器中靜置24 h 后稱重。電化學試樣的尺寸為10 mm×10 mm，導線焊接后封樣，砂紙打磨至1 200號，拋光劑拋光，采用美國產的普林斯頓VersaSTAT 3F電化學工作站測試試樣的極化曲線，測試系統(tǒng)為三電極體系，電位的掃描范圍為-0.25～0.5 V，掃描速度為0.5 mV/s。

2 結果與討論

2.1 去除腐蝕產物后表面微觀形貌

兩種成分對比試驗鋼試樣周浸240 h 和480 h 后，去除腐蝕產物后的表面微觀形貌如圖1 所示。從圖中可以看出，兩種試樣都是均勻腐蝕；2#試樣表面的腐蝕均勻性最差，部分區(qū)域的腐蝕坑大而深；1#試樣表面的腐蝕坑變得相對均勻、平整、坑小。

圖1 除銹后的微觀形貌

研究指出［2］，稀土能有效改善鋼鐵材料中氧、硫夾雜物的形態(tài)，鋼中加入適量稀土時，在其中形成均勻分布的團球狀稀土硫氧化物或稀土硫化物，取消了原先沿鋼鐵軋制方向分布的長條MnS 等夾雜。通常鋼中的電化學腐蝕會發(fā)生在夾雜物的周圍［3］，加入鋼中的稀土對夾雜物起到了變性和彌散的作用，均勻分布的夾雜物作為陽極活性溶解點促進了稀土鋼表面整體發(fā)生均勻腐蝕，因此，稀土的添加促進了鋼發(fā)生更均勻的表面腐蝕。

2.2 斷面銹層形貌

兩種試樣周浸后的斷面銹層形貌如圖2所示。從圖2中可以看出，兩種試樣外層都形成了連續(xù)的銹層，并且有分層。非稀土鋼的腐蝕產物疏松且有較多的大的縱向裂紋；稀土鋼的腐蝕產物相對來說比較致密。非稀土鋼銹層較疏松，且有許多貫穿性微裂紋，這些裂紋在腐蝕過程中由于毛細管效應大量吸收腐蝕液直至鋼基體，使銹層長時間處于“濕潤”狀態(tài)，加劇鋼基體腐蝕，因而削弱了銹層的保護能力［4］。兩種鋼的微觀斷面形貌表明了稀土可以提高腐蝕產物的致密性及與鋼基體的附著性，致密連續(xù)的銹層可以更好地阻礙腐蝕性離子的進入，增加保護鋼基體的能力。

圖2 稀土和非稀土鋼周浸480 h后銹層的微觀形貌

對周浸后試樣的斷面銹層進行厚度測量，1#鋼的銹層厚度為700 μm，2#鋼的厚度分別為721 μm。由去除腐蝕產物后表面微觀形貌和腐蝕產物的微觀結構可知，稀土提高了銹層的致密性和連續(xù)性，減少了銹層的微裂紋和孔洞，抑制了腐蝕性離子的擴散，因此減弱了基體表面的電化學反應，使銹層厚度降低，更好地保護了鋼基體［5］。

2.3 腐蝕動力學分析

用失重法測量兩種試樣的耐腐蝕性能，如圖3所示。在腐蝕剛開始階段，腐蝕速率逐漸增大，在360 h 腐蝕速率降低，這是因為前期形成的銹層抵御腐蝕的加重［6］，而到了480 h 兩種鋼的腐蝕速率又上升，這是因為在高溫、濕熱，以及Cl-離子的作用下銹層的作用發(fā)生了反轉，促進了鋼的腐蝕速率的提高［7］。在240 h時，添加了稀土的1#鋼與未添加稀土的2#鋼的腐蝕速率相比下降了6%，480 h 相比下降了8%。

圖3 試驗鋼的腐蝕速率隨時間的變化

2.4 腐蝕產物物相分析

圖4是兩種試驗鋼周浸后生成銹層的XRD 圖譜。從圖4中可以看出，兩種試驗鋼生成的腐蝕產物種類基本相同，全部是由α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4、γ-Fe2O3和少量β-FeOOH構成。對銹層中各物相進行半定量分析，結果如表1 所示。研究指出［8］，銹層的保護性可以用參數α/γ*表征，數值越大，銹層的保護性能越強，α 是指α-FeOOH 的含量，γ*是除α-FeOOH 以外的其余各相的總含量。α-FeOOH 是絕緣性很好的羥基鐵氧化物，化學性質穩(wěn)定，對鋼基體具有很好的保護作用，其含量的增加有利于提高銹層的保護作用［9］。從表1中可以看出，1#鋼銹層的參數值為0.180，2#鋼銹層的參數值為0.175。表明稀土的加入增加了銹層中α-FeOOH的含量，提高了耐腐蝕性能。

表1 腐蝕產物中不同物相的相對含量（質量分數） %

圖4 腐蝕產物的XRD物相分析

2.5 動電位極化曲線分析

圖5是兩種試驗鋼周浸腐蝕不同周期后測試的動電位極化曲線。對比極化曲線的自腐蝕電位和相同電位下不同曲線的極化電流密度就能夠了解兩種材料的耐蝕性［10］。

圖5 試驗鋼的動電位極化曲線

由圖5 可知，稀土提高了基體鋼的自腐蝕電位，且時間越長，自腐蝕電位相應地越高，自腐蝕電位越正表明銹層的保護作用越強［11］。陽極電流越小表明材料具有越好的耐腐蝕性能，從圖5可以看到稀土鋼的陽極極化曲線與非稀土鋼相比更靠近左邊，即稀土鋼的陽極電流比非稀土鋼要小，可以得知稀土鋼表現出更好的保護鋼基體能力。

對極化曲線采用Tafel 自腐蝕電流密度擬合得到了這兩種試驗鋼的腐蝕電流密度，如圖6所示。

圖6 試驗鋼的電流密度Tafel擬合結果

從圖6 中可以看出在相同的周期，1#稀土鋼的腐蝕電流密度均相對于2#非稀土鋼的自腐蝕電流密度小；240 h 和480 h 時，添加稀土的1#鋼比未加入稀土的2#鋼的自腐蝕電流密度分別降低了12%或13%。因為稀土的添加促進了銹層變得致密性與連續(xù)，抑制了腐蝕性離子向基體的擴散，因此削弱了鋼基體的表面的電化學反應［12］。從動力學的角度說明了稀土可以降低鋼的腐蝕速率，增加了保護鋼基體的能力。

3 結 語

（1）稀土的添加促進了汽車板用鋼發(fā)生均勻、全面的腐蝕，促進鋼板形成致密、連續(xù)、附著性好的銹層，有效抑制了溶液中的Cl-離子與鋼基體的接觸，增強其對鋼基體的保護性能。

（2）含稀土的汽車板用鋼的腐蝕速率明顯低于不含稀土的汽車板用鋼，其自腐蝕電位提高，腐蝕電流密度降低。

（3）本試驗條件下，稀土的添加促進了汽車板用鋼腐蝕產物中穩(wěn)定銹蝕相α-FeOOH的生成與含量的增加，銹層對鋼基體的保護性增強，是汽車板用鋼耐蝕性能提高的主要原因。