合金元素對耐候鋼耐蝕性能的影響

楊海洋，黃桂橋，丁國清，楊朝暉

（鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所，青島 266071）

合金元素對耐候鋼耐蝕性能的影響

楊海洋，黃桂橋，丁國清，楊朝暉

（鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所，青島 266071）

主要討論了大氣腐蝕產(chǎn)生的原因和耐侯鋼耐蝕機(jī)理，并對合金元素對于提高耐候鋼耐大氣腐蝕性能的影響進(jìn)行了分析。

大氣腐蝕；合金元素；耐候鋼

前言

耐候鋼是介于普通碳鋼和不銹鋼之間的耐大氣腐蝕低合金鋼，它通過在普通碳鋼基礎(chǔ)上添加少量銅、鉻、磷、鎳、鉬、鈮、釩、鈦等耐腐蝕元素而成。在海洋大氣和工業(yè)大氣等環(huán)境中耐候鋼腐蝕率顯著低于碳鋼，其抗大氣腐蝕性能是普通碳素鋼的2～8倍，具有成本增加少、增加基礎(chǔ)設(shè)備壽命需求、無需涂裝、節(jié)約資源和勞力的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)出耐候鋼的優(yōu)越性[1-3]。目前，耐候鋼主要用于鋼軌橋梁、船舶、鍋爐、建筑等領(lǐng)域。

近年來，耐候鋼在大氣環(huán)境下的腐蝕機(jī)理和腐蝕規(guī)律的研究得到廣泛關(guān)注，并取得了一系列的成果[4-6]。本文主要討論了大氣腐蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和耐侯鋼耐蝕機(jī)理，并著重對合金元素對于提高耐候鋼耐大氣腐蝕性能的影響進(jìn)行分析。

1 大氣腐蝕原因和耐候鋼耐蝕機(jī)理

鋼在大氣中的腐蝕涉及到許多發(fā)生在氣相、液相和固相界面的化學(xué)、電化學(xué)和物理過程，其腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主。當(dāng)鋼在大氣環(huán)境中暴露時(shí)，其表面一層薄液膜凝結(jié)，其動力主要有三個(gè)[7]：H2O分子與鄰接金屬表面的范德華力結(jié)合；H2O分子和腐蝕金屬表面的鹽粒子或腐蝕產(chǎn)物相結(jié)合的化學(xué)凝聚；表面的縫隙或小孔等所造成的毛細(xì)管凝聚。之后，伴隨著薄液膜中溶解CO2、SO2、NOx、NH3、H2S等氣體以及某些固體鹽離子如Cl-或塵埃，從而形成電解質(zhì)溶液，并使得微陽極發(fā)生溶解，水膜中的溶解氧或氫離子在微陰極上被還原，推動了電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。

具體劃分，大氣腐蝕的過程主要分為三個(gè)階段[8]：初始階段、中間階段和最終階段。初始階段主要經(jīng)歷表面的羥基化和水的吸附吸收過程。中間階段主要涉及到氣體沉積、液體層的化學(xué)變化、質(zhì)子誘發(fā)和配位誘發(fā)型金屬的溶解、離子配對和腐蝕產(chǎn)物成核等過程。最終階段則主要是腐蝕產(chǎn)物的聚合和腐蝕產(chǎn)物的成長與增厚。

通過在鋼中調(diào)整微量合金元素，加入磷、銅、鉻、鎳等微量元素使其在大氣腐蝕過程中改變銹層的物理化學(xué)特性來抑制腐蝕進(jìn)程。內(nèi)銹層外銹層成分主要是γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4[9]。通常認(rèn)為，鋼

表面銹層中首先形成的是γ-FeOOH，由它再轉(zhuǎn)變成α-FeOOH和Fe3O4。其中，α-FeOOH對耐蝕性起關(guān)鍵作用，加入耐蝕元素后，在鋼的疏松外腐蝕產(chǎn)物層和基體之間會形成一層致密連續(xù)的非晶產(chǎn)物層，并最終轉(zhuǎn)化成富集合金元素的α-FeOOH層，此防護(hù)層可有效地隔離腐蝕介質(zhì)與鋼基體的接觸，并減緩腐蝕陽極區(qū)和陰極區(qū)的電子遷移，從而降低腐蝕速率[10]。

大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明耐侯鋼能大幅降低腐蝕速率。 Shastry[11]等在美國3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)對兩種耐候鋼Corten-A和Corten-B與碳鋼進(jìn)行了16年的對比暴露試驗(yàn)。數(shù)據(jù)表明，耐候鋼的腐蝕速率遠(yuǎn)低于碳鋼，而高磷、銅以及鉻元素和鎳元素對于提升耐候鋼的耐蝕性有重要作用；侯文泰、梁彩鳳等對于通過7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)17種鋼的4年和8年的大氣腐蝕試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)[4,7]，發(fā)現(xiàn)耐候鋼環(huán)境影響較小，而碳鋼環(huán)境影響極為顯著，同時(shí)，碳鋼和低合金鋼在大氣中產(chǎn)生的銹層，其交流阻抗值、銹層致密度及晶粒細(xì)度與鋼的耐候性成正比；作者對于4種耐候鋼（0.5Mn0.8Ni3Cu、0.5Mn0.5Ni2MoCu、Si1Cr2.0CuMo、Cr1.2Cu）與Q235B在青島海洋大氣環(huán)境中暴露6年的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析[12]，6年數(shù)據(jù)表明，Q345B的腐蝕速率為0.029mm/a，而4種耐候鋼的腐蝕速率范圍為0.012～0.023mm/a，表明耐候鋼腐蝕速率低于碳鋼；作者對于銅磷系和磷釩系耐候鋼10年腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)[13,14]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露10年后，碳鋼Q235B的腐蝕速率與四種銅磷系耐候鋼09MnCuPTi、10NiCuP、10CuPV、10AlCuP的腐蝕速率的比值范圍在1.80～2.18，而碳鋼與四種銅磷系耐候鋼08PV、10MoPV、10CuPV、10CrPV的腐蝕速率的比值在1.31～2.01。這一系列結(jié)果表明合金元素對于提高耐候鋼耐大氣腐蝕的重要作用，而且從趨勢上來看，隨著暴露時(shí)間的增長，普通鋼與耐候鋼的腐蝕速率比值逐漸增加。

2 合金元素對耐候鋼耐蝕性能的影響

耐蝕鋼中主要加入的有效的合金元素包括銅、磷、鉻、鎳、鉬、稀土元素等。這些元素通常滿足以下三個(gè)條件[15]：第一，合金元素在鐵中的溶解度要大于在銹層中的溶解度；第二，合金元素可與鐵形成固溶體；第三，合金元素的加入能提高鋼的電位。

大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)表明，合金元素在提升耐候鋼的抗大氣腐蝕能力起到?jīng)Q定性作用，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面[16]： 第一，降低銹層的導(dǎo)電性能，影響銹層中物相結(jié)構(gòu)和種類；第二，加速鋼均勻溶解和Fe2+向Fe3+的轉(zhuǎn)化，推遲銹的結(jié)晶；第三，阻塞裂紋，減少相關(guān)缺陷。

2.1 銅

銅是耐大氣腐蝕低合金鋼中最有效的合金元素，適用于各種腐蝕環(huán)境，對于銅的耐蝕機(jī)理，有兩種觀點(diǎn)[17]：一種觀點(diǎn)認(rèn)為Cu可以促使低合金鋼陽極鈍化，降低腐蝕速率；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，Cu在銹層表面富集，改善銹層的保護(hù)性。同時(shí)，由于合金元素Cu與S可以生成難溶的硫化物，因此銅可以抵消鋼中硫的有害作用。

2.2 磷

磷是提高鋼的耐大氣腐蝕性能最有效的合金之一，通常磷元素與銅元素配合，它們可以促使鋼的均勻溶解，加快加速Fe2+向Fe3+的轉(zhuǎn)化，使鋼形成致密的銹層。在耐候鋼中，磷的含量一般控制在0.06%～0.10%，當(dāng)磷含量過高時(shí)，易偏析導(dǎo)致成分不均勻，導(dǎo)致機(jī)械性能降低和焊接性能下降[18]。

2.3 鉻

鉻是提高耐大氣耐蝕性的重要元素，與不銹鋼不同，耐候鋼中Cr的加入量多控制在1%～2%。Cr起到的作用主要有兩點(diǎn)[17]：第一，可使γ-FeOOH、α-FeOOH向非晶態(tài)轉(zhuǎn)化，形成穩(wěn)定化銹層；第二，Cr與Cu、P、Si等元素有良好的匹配作用，比單加入Cr的鋼耐蝕性有明顯提高。

2.4 鎳

鎳是提高鋼耐大氣腐蝕的有效元素，加入鎳能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，主要以NiFe2O4存在于尖晶石型氧化物中, 促進(jìn)了尖晶石向較細(xì)、 致密結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，增加了鋼的穩(wěn)定性[19]。

顧家林等研究了不同含鎳量的低合金鋼在青島和江津的大氣腐蝕[20]，結(jié)果表明，含鎳量2.68%的合金鋼在含SO2和Cl-的環(huán)境下都有較好的抗腐蝕性能，在海洋大氣環(huán)境中更易形成致密銹層，效果更顯著。

2.5 鉬

鉬的作用主要體現(xiàn)在提高鋼抗點(diǎn)蝕性能，同時(shí)鉬元素生成不溶性鹽在穩(wěn)定銹層中富集，鋼中Mo的添加量在 0.4 %～0.5 %時(shí)，在大氣腐蝕環(huán)境下尤其是在工業(yè)大氣中 ,其腐蝕速率可降低50 %以上[15,17]。

2.6 稀土元素

有關(guān)稀土元素在鋼中的作用機(jī)理表明[18,21]，在鋼中加入稀土元素，有利于凈化鋼液，細(xì)化枝晶，增大枝晶生長阻力，抑制柱狀晶的生長，改變夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)和分布，降低腐蝕源點(diǎn)，從而提高鋼的各項(xiàng)性能。通常稀土元素的加入量不大于0.2%，當(dāng)在鋼中加入0.060%～0.120 %的 稀土元素，可以有效提高 P、S、Cu、Si、Mn元素溶質(zhì)非平衡分配系數(shù)。

張蕙文等通過測定稀土對A3鋼、08CuPV和09CuPTi的耐大氣腐蝕性能[22]，得出結(jié)論，當(dāng)08CuPV和09CuPTi中稀土含量在0.012%～0.13%時(shí)，其耐大氣腐蝕性明顯改善，并隨稀土含量增高而增強(qiáng)鋼的耐大氣腐蝕性，而稀土對碳鋼的耐大氣腐蝕性改善不明顯。

3 結(jié)論

鋼在大氣環(huán)境中以電化學(xué)腐蝕為主，并結(jié)合環(huán)境和污染物的影響，最終推動電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)生。加入Cu、P、Cr、Ni、Mo、稀土元素等合金元素可以提高鋼的耐蝕性能，達(dá)到良好的使用效果。伴隨著對耐候鋼研究的深入，針對苛刻的腐蝕環(huán)境研發(fā)的耐候鋼產(chǎn)品，必將得到廣泛的應(yīng)用。

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Effect of Alloying Elements on the Corrosion Resistance of Weathering Steel

YANG Hai-yang, HUANG Gui-qiao, DING Guo-qing, YANG Zhao-hui
(Qingdao Marine Corrosion Research Institute, Qingdao 266071)

In this paper, the cause of atmospheric corrosion and corrosion resistance principle of weathering steel were discussed. And the influence of alloy element on improving the performance of corrosion resistance of weathering steel was analyzed.

atmospheric corrosion; alloy element; weathering steel

TG172.3

A

1004-7204（2015）02-0025-03

楊海洋（1982-），男，漢族，山東濰坊人，碩士學(xué)位，工程師，主要從事海洋環(huán)境腐蝕的研究。