耐候鋼銹層穩(wěn)定化的表面處理技術

劉建容 張萬靈 何 銳

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430080)

大氣腐蝕是造成產(chǎn)品、設備、裝置、結構件等早期失效與破壞的重要原因。每年因大氣腐蝕造成的經(jīng)濟損失約占國民經(jīng)濟年總值的1%～2%[1]，其損失極為驚人。

在大氣自然環(huán)境下，耐候鋼相對于普碳鋼來說具有良好的耐大氣腐蝕性能，主要原因是經(jīng)過長期大氣曝曬，在其表面上形成了穩(wěn)定致密的保護性銹層[2-3]。耐候鋼的最佳使用方式應該是裸露使用，但耐候鋼在自然環(huán)境中要完成銹層的穩(wěn)定化需要相當長的時間[4-6]，在形成穩(wěn)定化銹層之前，常常出現(xiàn)早期銹液流掛與飛散污染周圍環(huán)境的現(xiàn)象，導致在城市近郊和城區(qū)使用時用戶難以接受。特別是在含有Cl-的海洋性大氣中，由于Cl-的作用，耐候鋼表面的保護性穩(wěn)定銹層生成會更加困難，所需時間將會更長。對耐候鋼表面進行銹層的穩(wěn)定化處理，可以縮短耐候鋼早期使用階段形成穩(wěn)定化銹層的時間。本文為了獲得一種表面銹層穩(wěn)定化處理劑，進行了銹層穩(wěn)定化表面復合處理劑的研究。

1 實驗方法

研制的表面銹層穩(wěn)定化處理劑及各組分的作用如表1。采用周浸腐蝕試驗方法 ，對表面銹層穩(wěn)定化處理劑的效果進行檢驗，試驗基板采用09CuPCrNi鋼，化學成分為C 0.07%、Si 0.40%、Mn 0.35%、P 0.085%、S 0.001%、Cu 0.32%、Cr 0.49%、Ni 0.25%，試樣加工成50mm×100mm×4mm，表面磨光，Ra為3.2μm。采用刷涂的方式制樣，以裸樣作對比，進行4個周期的周浸腐蝕試驗，每周期每種試樣平行樣3片。制樣前首先進行除油、稱重、量尺寸等常規(guī)處理。

表1 表面復合處理劑配方及各組分的作用

周浸腐蝕試驗條件：

試驗溶液：3%NaCl溶液，使用分析純氯化鈉與去離子水配制而成。補給液與試驗溶液相同。

溫度：45±2℃。

濕度：70±5%RH。

每一循環(huán)周期：60±3min，其中浸潤時間：12±1.5min。

烘烤后試樣表面最高溫度：70±10℃。

試驗結束后，腐蝕產(chǎn)物的清除采用1∶1的鹽酸(HCl含量為37%)+3%六次甲基四胺。溫度50℃左右。

2 試驗結果與分析

2.1 周浸試驗結果

周浸腐蝕試驗后試樣的表面狀況見圖1至圖4。表面觀察表明，經(jīng)過處理試樣的銹鼓包小于裸樣，銹鼓包隨著試驗時間的延長而長大。所有試樣的顏色正面均比反面深，反面的銹鼓包數(shù)量少于正面。

圖1 周浸試驗369小時后的表面狀況

圖2 周浸試驗720小時后的表面狀況

圖3 周浸試驗1080小時后的表面狀況

圖4 周浸試驗1486小時后的表面狀況

圖5 周浸試驗腐蝕率與時間的變化

周浸腐蝕試驗結果(圖5)表明，處理過的試樣腐蝕率小于裸樣，經(jīng)過表面復合處理劑處理的試樣，在第二個周期即720小時的時候，腐蝕率基本達到了穩(wěn)定，而裸樣的腐蝕率仍在逐步減小。從圖5中可以看到，直到試驗結束(1486小時)，裸樣的腐蝕率仍沒穩(wěn)定，這說明，在本試驗條件下，裸樣不能形成穩(wěn)定的銹層。表面復合處理劑的主要作用是：在有一定量氯離子存在的情況下，也能促進耐候鋼表面生成均勻、致密的穩(wěn)定化銹層。由于表面復合處理劑不是絕緣層，可有適量的氧氣和水分透過，在氧、水、處理劑的共同作用下，耐候鋼正反面會快速形成一種致密的銹層，在致密銹層保護下，鋼材腐蝕率大幅降低。周浸腐蝕試驗結果說明銹層穩(wěn)定化表面處理效果明顯。

試樣除銹后的表面(圖6)呈不均勻的蝕坑，反面的蝕坑比正面淺。這與大氣曝曬試驗后的試樣較為相似，說明周浸腐蝕試驗可較好地模擬海洋大氣環(huán)境腐蝕曬試驗。

圖6 周浸試驗1486小時除銹后表面

2.2 周浸試驗銹層分析

周浸試驗銹樣X-射線衍射儀分析結果見圖7，所有試樣中的主要相組成為：γ-FeOOH(纖鐵礦)、 Fe3O4，同時試樣中還有非晶相。處理樣和未處理樣沒有明顯差異。

圖7 周浸試驗帶銹樣的X-射線衍射圖

周浸試驗帶銹樣的極化曲線測試結果見圖8，電位測試結果見圖9。

圖8和圖9表明，處理過的試樣腐蝕電位比裸樣高，這說明，利用表面復合處理劑對耐候鋼進行銹層穩(wěn)定化處理，不僅能促使耐候鋼快速生成致密的銹層，而且還可以提高耐候鋼試樣表面的熱力學穩(wěn)定性，從而提高了試樣表面抗坑蝕、點蝕等局部腐蝕的能力，這與除銹后的試樣表面狀態(tài)完全一致，這應該是銹層穩(wěn)定化處理劑中的P、Cr等元素在表面富集的結果。

圖8 周浸試驗720小時帶銹樣的極化曲線圖

圖9 周浸試驗1486小時帶銹樣電位與時間的變化

3 結論

(1)在3%氯化鈉溶液的周浸試驗中，經(jīng)過銹層穩(wěn)定化處理的耐候鋼腐蝕率小于未處理樣，經(jīng)過表面復合處理劑處理的試樣，在第二個周期即720小時，腐蝕率基本達到了穩(wěn)定，而裸樣到1486小時尚未穩(wěn)定，說明銹層穩(wěn)定化表面處理效果明顯。

(2)處理過的試樣腐蝕電位比裸樣高，說明其穩(wěn)定性相對較好，抗坑蝕、點蝕等局部腐蝕能力強。

[1] 李興濂. 我國大氣腐蝕網(wǎng)站試驗研究回顧及發(fā)展建議[J].材料保護,2000,33(1),20-22.

[2] 劉建容，張萬靈，蔡捷等. W450QN鋼大氣腐蝕性能研究 [J].腐蝕與防護，2011，32(4):305-307.

[3] 劉建容，張萬靈，蔡捷，等.耐火耐候鋼WGJ510C2的大氣腐蝕性能研究[J].腐蝕科學與防護技術，2011，23(6):510-513.

[4] 梁彩風，候文泰.合金元素對碳鋼和低合金鋼在大氣腐蝕中的影響[J].中國腐蝕與防護學報，1997，17(2)：87-92.

[5] 侯文泰，于敬敦，梁彩鳳.碳鋼及低合金鋼的大氣腐蝕[J].中國腐蝕與防護學報，1993，13(4)：291-301.

[6] 張全成,王建軍,吳建生，等.銹層粒子選擇性對耐候鋼抗海洋大氣腐蝕性能的影響[J].金屬學報，2001,37(2)：193-196.