Q345鋼與貝氏體耐候鋼鹽霧腐蝕產(chǎn)物研究

邵長(zhǎng)靜

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 （沈陽(yáng) 110164）

Q345鋼與貝氏體耐候鋼鹽霧腐蝕產(chǎn)物研究

邵長(zhǎng)靜

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 （沈陽(yáng) 110164）

對(duì)Q345鋼和兩種不同成分的低碳貝氏體耐候鋼在5%的NaCl溶液中模擬海洋大氣環(huán)境進(jìn)行了鹽霧干濕交替腐蝕試驗(yàn)。采用掃描電鏡和X射線衍射儀對(duì)鋼的腐蝕形貌、銹層截面和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了觀察和分析。結(jié)果表明：主要腐蝕產(chǎn)物相同,均為Fe+3O（OH）、FeO（OH）及Fe3O4，但腐蝕產(chǎn)物的致密程度和銹層厚度明顯不同，這主要是由于合金元素含量不同導(dǎo)致的。

鹽霧干濕交替腐蝕試驗(yàn) Q345鋼 貝氏體耐候鋼 銹層

金屬腐蝕現(xiàn)象遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域，危害十分嚴(yán)重，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，材料因大氣腐蝕所造成的經(jīng)濟(jì)損失約占總腐蝕損失的50%。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提高材料的抗大氣腐蝕性能方面進(jìn)行了廣泛深入的研究，并且開(kāi)發(fā)出了一系列具有良好的抗大氣腐蝕性能耐候鋼。美國(guó)及日本已開(kāi)發(fā)出諸如Croten A、Croten B等一系列耐候鋼。近年來(lái)，對(duì)于耐候鋼的研究主要涉及在發(fā)展銹層穩(wěn)定化技術(shù)、開(kāi)發(fā)新型經(jīng)濟(jì)耐候鋼種、研究合金元素對(duì)耐候性能影響的協(xié)同作用、腐蝕產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化及其保護(hù)機(jī)理等諸方面。對(duì)Q345鋼和貝氏體耐候鋼的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了分析,結(jié)果表明貝氏體耐候鋼相對(duì)于碳鋼來(lái)說(shuō)具有良好的耐大氣腐蝕性能,主要原因是在大氣中貝氏體耐候鋼表面形成了穩(wěn)定致密的保護(hù)性銹層,阻礙了腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為Q345鋼和兩種不同成分的貝氏體鋼（為便于區(qū)分兩種貝氏體鋼分別用1#鋼和2#鋼表示），其成分如表1所示：

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為DCTC1200P鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，試驗(yàn)參數(shù)參照GB10125-1997標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。試驗(yàn)過(guò)程采用循環(huán)噴霧，每周期24 h，其中，鹽霧噴霧8 h，在60 ℃ 下干燥16 h；實(shí)驗(yàn)24周期。試驗(yàn)結(jié)束后，利用荷蘭panalytical B.V公司生產(chǎn)的TW3040/60型X，pert pro MPD衍射儀分析試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，采用日本島津公司的 SSX－550型掃描電鏡對(duì)經(jīng)過(guò)鹽霧加速循環(huán)腐蝕不同時(shí)間的試樣分別進(jìn)行銹層表面形貌和銹層斷面形貌的觀察，以研究銹層的變化規(guī)律。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（mass%）

2 結(jié)果與分析

2.1 腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)分析

對(duì)腐蝕8天后試樣的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析。如圖1所示,三種鋼在NaCl溶液中腐蝕后的主要腐蝕產(chǎn)物相同，均為Fe+3O（OH）（α－FeO（OH）），F(xiàn)eO（OH）（γ－FeO（OH）和β－FeO（OH））和Fe3O4，由于溶液中鹽含量較高，試樣表面附著了大量的NaCl。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼腐蝕8周期外銹層X(jué)RD圖譜

2.2 腐蝕產(chǎn)物的表面形貌

利用掃描電鏡觀察了三種鋼腐蝕8周期、16周期和24周期后的表面產(chǎn)物，見(jiàn)圖2?？梢悦黠@地看出，腐蝕初期（8周期）的三種鋼的晶體形貌不同，Q345鋼和1#鋼腐蝕產(chǎn)物形貌為針狀枝晶的β－FeO（OH），它們交叉排列表面空隙不僅數(shù)量多，而且尺寸大，非常疏松，在這種情況下，表面銹層對(duì)基體的保護(hù)作用就很小，因?yàn)楦g性離子和氧氣很容易穿透銹層而到達(dá)基體與其反應(yīng)，生成的反應(yīng)物也能快速到達(dá)溶液而溶解，促進(jìn)腐蝕反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行；2#鋼晶體形貌呈蜂窩狀和片狀，依形貌判斷應(yīng)為細(xì)小的γ－FeO（OH），各個(gè)晶體團(tuán)本體之間結(jié)合緊密，鋼的銹層相對(duì)較致密，雖然其上也有空洞，但較稀少，相應(yīng)地，它的保護(hù)作用就較強(qiáng)。而且2#鋼的腐蝕產(chǎn)物晶體尺寸明顯小于Q345鋼和1#鋼的腐蝕產(chǎn)物晶體尺寸。

在腐蝕中期（16周期），Q345鋼和1#鋼的針狀腐蝕產(chǎn)物逐漸長(zhǎng)大，在一次針上長(zhǎng)出許多二次支針，二次支針慢慢長(zhǎng)大，其側(cè)面又會(huì)長(zhǎng)出三次支針（圖2b、2e） ，如此越來(lái)越多的支針逐漸長(zhǎng)大，相互接觸、堆積，漸漸把表面覆蓋起來(lái)（圖2b、2e） ，像一個(gè)個(gè)直立的、緊排列的柱狀層。但從圖2可以看出，腐蝕16周期時(shí)1#鋼表面銹層的致密度明顯高于Q345鋼。從腐蝕產(chǎn)物的形貌看，Q345鋼的腐蝕產(chǎn)物為細(xì)長(zhǎng)針狀，應(yīng)為β－FeO（OH），而1#鋼的腐蝕產(chǎn)物比Q345鋼的腐蝕產(chǎn)物短小且稍粗，應(yīng)該正處于β－FeO（OH）向γ－FeO（OH）轉(zhuǎn)化過(guò)程中。2#鋼腐蝕產(chǎn)物一部分為表面上帶晶須的棉花球樣結(jié)構(gòu)，這種類(lèi)型的相被鑒定為α－FeO（OH），大部分為γ－FeO（OH），同時(shí)存在少量的β－FeO（OH）。

在腐蝕后期（24周期），腐蝕產(chǎn)物的表面形貌與腐蝕中期相比變化較大，Q345鋼的腐蝕產(chǎn)物為蜂窩狀小塊多孔的γ－FeO（OH）和細(xì)長(zhǎng)針狀的β－FeO（OH），γ－FeO（OH）的數(shù)量多于β－FeO（OH）說(shuō)明由腐蝕中期到腐蝕后期發(fā)生了β－FeO（OH）向γ- FeO（OH）的轉(zhuǎn)變；1#鋼的腐蝕產(chǎn)物以γ－FeO（OH）居多，同時(shí)有少量的β－FeO（OH）和α－FeO（OH）；2#鋼腐蝕產(chǎn)物全部為細(xì)小的α－FeO（OH），且每個(gè)晶體之間結(jié)合緊密，像一張致密的薄膜覆蓋在鋼的基體表面，這層致密的銹層能對(duì)鋼的基體起到有效的保護(hù)作用。

圖2 鹽霧腐蝕不同時(shí)間后實(shí)驗(yàn)鋼腐蝕產(chǎn)物表面形貌

2.3 腐蝕產(chǎn)物的斷面形貌

圖3是實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)過(guò)5周期鹽霧腐蝕后的銹層斷面SEM像。Q345鋼的銹層厚度大約為190μm左右，銹層不分層，基體與銹層界面出現(xiàn)局部的腐蝕坑，銹層與基體結(jié)合力小，黏附力差，產(chǎn)生了很大的裂紋，在磨樣過(guò)程中易剝落；1#鋼的銹層厚度大約為120μm左右，銹層厚度比Q345薄，但銹層較疏松，有明顯的孔洞。1#鋼與Q345鋼銹層的不同點(diǎn)是，1#鋼外銹層部位有一層堅(jiān)硬的保護(hù)殼，可以阻礙腐蝕介質(zhì)的侵入，保護(hù)基體免受進(jìn)一步腐蝕，鋼基體與銹層界面最為平整不出現(xiàn)局部腐蝕坑；2#鋼的銹層最薄僅為85μm左右，基體與銹層界面有局部腐蝕的特征。在2#鋼基體銹層結(jié)合處與外銹層位置均出現(xiàn)一層連續(xù)的白亮堅(jiān)硬的保護(hù)殼，分析認(rèn)為這種白亮層為磷酸鹽保護(hù)層，由于基體與銹層結(jié)合處的保護(hù)殼厚度可達(dá)到10μm左右，且組織致密，它與外銹層處的保護(hù)殼聯(lián)合作用對(duì)基體有很好的保護(hù)作用，有效地阻止了腐蝕介質(zhì)（O2和氯離子等）向基體的滲透，起到良好的物理阻擋效果，降低了鋼的腐蝕速率，使2#鋼在鹽霧腐蝕過(guò)程中表現(xiàn)出良好的抗大氣腐蝕性。2#鋼的銹層斷面進(jìn)行面掃描后未發(fā)現(xiàn)Cu、P和Ni等合金元素富集現(xiàn)象，這說(shuō)明，合金元素的擴(kuò)散需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程（一般室外大氣暴露試驗(yàn)至少為3年）。

圖3 實(shí)驗(yàn)鋼5周期鹽霧腐蝕后的斷面形貌像 （a）-Q345鋼, （b）-1#鋼, （c） -2#鋼.

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)鋼鐵銹均由Fe+3O（OH），F(xiàn)eO（OH）和Fe3O4組成。

（2）表面形貌觀察表明三種鋼腐蝕產(chǎn)物中均存在α－FeO（OH），β－FeO（OH）和γ－FeO（OH），但是銹層致密程度不同。

（3）三種鋼銹層截面觀察發(fā)現(xiàn)銹層厚度明顯不同，貝氏體耐候鋼內(nèi)合金元素的存在有利于穩(wěn)定銹層的形成，提高鋼的耐蝕性能。

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齊婷婷）