大氣降水對金屬材料環境適應性能影響研究

杜天君，孫開爭，耿曄，林靜，徐國棟

（山東省濟南生態環境監測中心，濟南 250100）

引言

酸雨為酸性沉降中的濕沉降，包括所有氣狀污染物或粒狀污染物，隨著雨、雪、 霧或雹等降水形態而落到地面者，也包括從空中降下來的落塵所帶的酸性物質，主要又分硝酸型酸雨和硫酸型酸雨兩種。我國的西南地區、華中地區和華東沿海地區的酸雨大多為硫酸型酸雨，且華中酸雨是我國酸雨污染范圍最大、中心強度最高的酸雨污染區。在大氣降水變化過程中，金屬材料尤其是量大面廣的鋼絲材料對酸雨的環境適應性的影響較大[1]，長時間的酸雨不僅會對鋼絲的表面形貌造成較大影響，且還會影響鋼絲的綜合力學性能，降低使用壽命[2,3]。因此，有必要對酸雨環境下鋼絲的腐蝕行為進行研究，搞清楚腐蝕時間與鋼絲腐蝕深度以及剩余壽命之間的對應關系或者得到相應的預測模型，都可為降低鋼絲的腐蝕破壞和增強腐蝕防護提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗原料為直徑7 mm的鍍鋅鋼絲，鋼絲主要元素化學成分采用電感耦合等離子發射光譜法測得結果見表1。

鋼絲表面經過清洗除油和干燥后備用；在QJYS-70型鹽霧試驗機中進行模擬自然腐蝕環境的鹽霧腐蝕試驗，腐蝕介質為模擬華中地區酸雨配制的溶液，成分配比如表2[4]，使用的水為去離子水，室溫調節pH值至4。根據GB/T 24195-2009《金屬和合金的腐蝕 酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤”條件下的循環加速腐蝕試驗》和GB/T 10125-2012 《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》對原料鋼絲進行間歇式噴霧處理（噴12 h停12 h為一周期），試驗溫度為35 ℃，控制鹽霧沉降率為1.5 ml/80 cm2.h。

鹽霧腐蝕試驗結束后用清潔球去除表面銹蝕產物，再分別用清水沖洗、酒精超聲清洗后吹干，用JA2603B型電子天平稱量鋼絲腐蝕前后的質量；采用華為P30手機對鋼絲的宏觀形貌進行拍攝；采用JUD/HGF-32型粗糙度儀對鋼絲表面腐蝕深度進行測量。

表1 鋼絲的化學成分（wt,%）

表2 模擬華中地區酸雨腐蝕溶液配比

2 試驗結果與分析

圖1為去除腐蝕產物前鋼絲表面的宏觀形貌。當鹽霧腐蝕試驗為10天時，鍍鋅鋼絲表面出現了少量白亮，而隨著鹽霧腐蝕時間延長至20天時，鍍鋅層表面出現較多的銹蝕斑，并在鹽霧腐蝕時間為40天時銹蝕斑幾乎覆蓋整個表面；當鹽霧腐蝕時間延長至60天時，鋼絲表面顏色發生變化，表明鋼絲基體已經開始銹蝕[5，6]；在鹽霧時間為80天時，鋼筋表面銹蝕顏色有所加深，且在鹽霧腐蝕時間為100天時呈明顯紅棕色，鋼絲表面銹蝕較為嚴重。

圖2為去除腐蝕產物后鋼絲表面的宏觀形貌。對比分析可知，隨著鹽霧腐蝕時間從10天增加至100天，鍍鋅鋼絲的表面腐蝕凹坑數量逐漸增多、腐蝕坑深度不斷增加，在腐蝕時間為100天時可見鋼絲表面已經發生較為嚴重腐蝕，整個表面都凹凸不平。

圖1 去除腐蝕產物前鋼絲表面的宏觀形貌

圖2 去除腐蝕產物后鋼絲表面的宏觀形貌

對鹽霧腐蝕100天后鋼絲的表面腐蝕形貌進行觀察，結果如圖3?？梢?，鋼絲表面修飾較為嚴重，成紅棕色或黑褐色，局部可見沿鋼絲縱向分布的半橢球腐蝕坑以及半球形腐蝕坑，同時還黑斑區域出現沿鋼絲橫向分布的半橢球腐蝕坑。

圖4為不同鹽霧腐蝕時間下鋼絲的均勻腐蝕深度-概率密度曲線，表5為鋼絲表面的均勻腐蝕深度與腐蝕時間的變化關系?？梢?，當腐蝕時間為10天時，鋼絲表面均勻腐蝕深度約為6.36 μm；腐蝕時間延長至120天，鋼絲表面均勻腐蝕深度逐漸增加至53.60 μm；隨著鹽霧腐蝕時間的延長，鋼絲表面腐蝕深度逐漸增加，這表明在鹽霧腐蝕試驗過程中，鹽霧腐蝕時間的延長會使得腐蝕更加嚴重[7]；此外，隨著腐蝕時間的延長，均勻腐蝕深度離散性呈現逐漸增大的趨勢，而均勻腐蝕深度離散性變小。圖5中的擬合曲線將均勻腐蝕深度與腐蝕時間曲線分為兩段，其中，鹽霧腐蝕時間為40天前表示表面鍍鋅層發生腐蝕的階段，而鹽霧腐蝕時間超過40天時則為鋼絲基體的腐蝕；由兩段直線的斜率可知，鍍鋅層的腐蝕速率要高于鋼絲基體，這主要是由于表面鍍鋅層的耐鹽霧腐蝕能力較鋼絲基體更弱的緣故[8]。

圖3 鹽霧腐蝕100天后鋼絲的表面腐蝕形貌

圖4 不同鹽霧腐蝕時間下鋼絲的均勻腐蝕深度-概率密度曲線

圖5 鋼絲表面的均勻腐蝕深度與腐蝕時間的變化關系

鍍鋅鋼絲在使用過程中的使用壽命主要與鋼絲表面最大點蝕深度有關，而最大點蝕深度的分布應遵循下述公式[9]：

式中：

F(x)—最大點蝕深度不超過x的概率；

λ—最大點蝕深度；

α—點蝕深度的平均值[10]。

圖6為不同鹽霧腐蝕時間下鋼絲的點蝕深度-概率密度曲線，表3為鋼絲表面點蝕最大深度統計結果。可見，腐蝕后鋼絲表面點蝕坑深度都大于腐蝕前，且隨著腐蝕時間從10天延長至120天，鋼絲表面腐蝕坑深度呈現逐漸增加的趨勢。

根據公式（1）得到了不同腐蝕時間下的λ和α估計值，由此得到圖7所示的鋼絲的參數估計值與腐蝕時間的變化關系曲線?？梢姡冧\鋼絲的λ和α與腐蝕時間都大體呈線性關系。通過線性擬合后得到本文的鍍鋅鋼絲的點蝕與腐蝕時間存在如下關系式：

3 結論

1）當腐蝕時間為10天時，鋼絲表面均勻腐蝕深度約為6.36 μm；腐蝕時間延長至120天，鋼絲表面均勻腐蝕深度逐漸增加至53.60 μm；隨著鹽霧腐蝕時間的延長，鋼絲表面腐蝕深度逐漸增加，這表明在鹽霧腐蝕試驗過程中，鹽霧腐蝕時間的延長會使得腐蝕更加嚴重。

2）鹽霧腐蝕時間為40天前表示表面鍍鋅層發生腐蝕的階段，而鹽霧腐蝕時間超過40天時則為鋼絲基體的腐蝕；鍍鋅層的腐蝕速率要高于鋼絲基體。

3）腐蝕后鋼絲表面點蝕坑深度都大于腐蝕前，且隨著腐蝕時間從10天延長至120天，鋼絲表面腐蝕坑深度呈現逐漸增加的趨勢；的鍍鋅鋼絲的點蝕與腐蝕時間存在如下關系式：

圖6 不同鹽霧腐蝕時間下鋼絲的點蝕深度-概率密度曲線

表3 最大點蝕深度統計結果

圖7 鋼絲的參數估計值與腐蝕時間的變化關系