不同顯微組織鋼板耐蝕性研究

徐筱薌

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 前言

鋼材在使用中的銹蝕損耗是一個(gè)嚴(yán)重的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有10%的金屬是由于銹蝕而損耗。自20世紀(jì)30年代以來，不同學(xué)者對(duì)鋼的耐蝕性能研究主要集中在合金成分對(duì)其的影響方面，并開發(fā)出了Corten A、09CuPCrNi以及 09CuPTiRE 等耐候鋼［1］。一般認(rèn)為這類鋼具有較好的耐候性能，主要是由于鋼中添加了Cu、P、Cr以及 Ni等元素，有利于在鋼表面形成致密的保護(hù)性銹層［2-5］，而對(duì)于顯微組織變化對(duì)其耐蝕性能的影響研究相對(duì)較少。

筆者采用周浸加速腐蝕試驗(yàn)的方法，研究了熱軋態(tài)Q235B、Q345B低合金鋼，以及采用TMCP工藝生產(chǎn)的X70管線鋼不同的顯微組織對(duì)其耐蝕性的影響規(guī)律，并探討了其耐蝕機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用某鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的厚度為20 mm的Q235、Q345低合金中厚板以及X70管線鋼，化學(xué)成分見表1。

表1 Q235、Q345 以及 X70 化學(xué)成分 wt.%

使用線切割的方法分別將Q235B、Q345B以及X70三種鋼制成尺寸為50 mm×80 mm×4.0 mm的薄片狀試樣，將各個(gè)面用600#水砂紙打磨，用丙酮清洗干凈，并烘干待用。由于這三種鋼的交貨狀態(tài)為熱軋狀態(tài)。因此實(shí)驗(yàn)所用試樣為保持其組織與實(shí)際使用情況相近，均未進(jìn)行熱處理，各鋼種的的力學(xué)性能見表2。

表2 Q235B、Q345B以及X70鋼的力學(xué)性能

1.2 周浸加速腐蝕試驗(yàn)

利用LF-65A周期輪浸腐蝕試驗(yàn)箱進(jìn)行人工加速腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)所使用的溶劑為3.5 wt.%的NaCl溶液，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為35℃，濕度為65%，轉(zhuǎn)速為1 rph，定期取樣觀察鋼板腐蝕形貌并稱重，以平均腐蝕深度表征腐蝕程度，定期取出三個(gè)平行試樣，對(duì)試樣干燥、采用型號(hào)為JA5003的電子天平稱重，計(jì)算出腐蝕速率。

對(duì)于鋼板的腐蝕速率，采取定期取出鋼板，采用除銹劑(500 mL鹽酸+500 mL去離子水+3.5 g六次甲基四胺)對(duì)鋼板表面形成的銹層清除后，測(cè)量鋼板的失重。通過下式計(jì)算腐蝕速率，同時(shí)做三個(gè)平行試樣取平均值。

式中：R——腐蝕速率，mm/a;

T——試驗(yàn)時(shí)間，h;

M——試驗(yàn)前鋼板的重量，g;

M1——試驗(yàn)后鋼板的重量，g;

S——試樣的表面積，cm2;

D——材料的密度，kg/m3。

Q235、Q345和X70經(jīng)周浸加速腐蝕后，采用SONY-DSC-W170拍攝試樣表面腐蝕形貌，并用FEI的QUANTA200型掃描電鏡觀察剖面腐蝕銹層及基體形貌。

2 結(jié)果及分析

2.1 腐蝕速率

Q235、Q345以及X70腐蝕失重速率如圖1所示。在周浸腐蝕的開始階段三種鋼的腐蝕速率均較高，隨著時(shí)間的延長，腐蝕速率逐漸降低。三種鋼的耐蝕性能按照Q345-Q235-X70的順序依次提高。

圖1 Q235、Q345以及X70腐蝕失重速率

2.2 金相組織分析

實(shí)驗(yàn)中所使用的Q235及Q345在1180℃ ～1250℃加熱、均熱2.5 h～3 h，經(jīng)兩階段軋制，一階段軋制溫度高于1000℃，道次壓下量在20%左右，二階段軋制溫度低于900℃，累計(jì)壓下量大于60%，終軋溫度在800℃左右，然后空冷至室溫，其金相組織均為鐵素體+珠光體，但Q235和Q345中珠光體的含量存在較大差異，Q235中僅在三角區(qū)存在少量珠光體，含量在15%左右，而Q345中珠光體含量較高，呈條帶狀，含量在30%左右，如圖2(a)、(b)所示。X70管線鋼經(jīng)奧氏體再結(jié)晶區(qū)以及未在結(jié)晶區(qū)軋制后，終軋溫度在790℃，以10℃/s的冷卻速度冷至500℃左右，然后空冷，其組織主要為針狀鐵素體+粒狀貝氏體，如圖2(c)所示。

圖2 Q235、Q345以及X70顯微組織

2.3 腐蝕表面及剖面形貌分析

Q235、Q345以及X70經(jīng)840 h周浸加速腐蝕后的表面銹層形貌如圖3所示。Q235表面為紅褐色+少量黃褐色銹層，Q345表面主要為黃褐色銹層，Q235和Q345鋼表面均存在片層狀剝落現(xiàn)象;X70管線鋼銹層為紅褐色，表面有鼓包，片狀剝落形貌較少。

圖3 Q235、Q345以及X70表面銹層形貌

Q235、Q345以及X70經(jīng)840 h腐蝕后的剖面形貌如圖4所示。Q235和Q345表面銹層存在較多孔洞，且內(nèi)部以及和鋼表面的結(jié)合部存在裂紋，但Q235銹層厚度明顯小于Q345;X70鋼銹層可分為兩個(gè)部分，外銹層和內(nèi)銹層，外銹層存在一定量的孔洞，不致密，而內(nèi)銹層與基體結(jié)合緊密，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。

圖4 Q235、Q345以及X70剖面銹層形貌

研究認(rèn)為鋼的顯微組織對(duì)其耐蝕性有著顯著的影響，Q235和Q345低合金鋼的組織為鐵素體+珠光體，在電化學(xué)腐蝕過程中，鋼中的珠光體屬于耐蝕性能較差的組織，珠光體中的滲碳體和鐵素體之間的電位差較大，從而加速了珠光體的局部腐蝕。另外珠光體中的滲碳體電位較高，是微電池的陰極相，而鐵素體基體則是微電池的陽極相，隨著珠光體含量的增加，陰極相數(shù)量增加，從而會(huì)加速腐蝕速率。

Q235低合金鋼由于鋼中的Mn含量僅為0.34 wt.%，而 Q345 中的 Mn 含量為 1.34 wt.%。Mn是強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體的合金元素之一，可有效的降低奧氏體的分解速度，推遲鐵素體和珠光體的相變。由于鐵原子在鐵素體區(qū)比在奧氏體區(qū)中的自擴(kuò)散系數(shù)大一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在溫度相同的條件下，鐵素體晶粒比奧氏體晶粒容易長大。因此Q235中鐵素體的含量較高，較少的珠光體減少了微電池的陰極相面積從而提高了鋼基體的耐蝕性能。

X70管線鋼采用控軋控冷工藝，顯微組織主要為針狀鐵素體，組織單一均勻，并且由于其碳含量僅為0.05 wt.%，富碳相較少。一般來說，材料結(jié)構(gòu)越相似，性質(zhì)越相近，組織間的腐蝕電位也越相近，提高了鋼的組織均勻性，就相當(dāng)于減小了腐蝕電池陰陽極的電位差，因而會(huì)導(dǎo)致腐蝕速率的降低，提高其耐蝕性能。

3 結(jié)論

1)Q235、Q345以及X70隨著時(shí)間的延長，腐蝕速率均逐漸降低，三種鋼的耐蝕性能按照Q345-Q235-X70的順序依次提高。

2)Q235和Q345中珠光體的含量存在較大差異，Q235中鐵素體的含量較高，較少的珠光體減少了微電池的陰極相面積，從而提高了鋼基體的耐蝕性能。

3)X70鋼顯微組織為針狀鐵素體，組織單一均勻，并且由于其碳含量僅為0.05 wt.%，富碳相較少減小了腐蝕電池陰陽極的電位差，從而提高了其耐蝕性能。

［1］ 楊德鈞，沈卓身.金屬腐蝕學(xué)［M］.第二版.北京：冶金工業(yè)出版社，1999：216.

［2］ Masto Yamashita，Hiroo Nagano，Toshihei Misawa，et al.Structure of protective rust layers formed on weathering steels by long-term exposure in the industrial atmospheres of japan and north america［J］.ISIJ International，1998，38(3)：285-290.

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［4］ 翁宇慶.超細(xì)晶鋼［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：279.

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