含稀土耐候鋼電化學腐蝕性能的研究

郭康潔， 張金玲， 曹永杰， 王社斌

（1.太原理工大學材料科學與工程學院， 山西　太原　030024； 2.山西省介休市綿山鎮(zhèn)人民政府，山西　介休　032000）

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含稀土耐候鋼電化學腐蝕性能的研究

郭康潔1，2， 張金玲1， 曹永杰1， 王社斌1

（1.太原理工大學材料科學與工程學院， 山西太原030024； 2.山西省介休市綿山鎮(zhèn)人民政府，山西介休032000）

以SPA-H型耐候鋼為研究對象，添加不同含量的稀土元素Ce，進行電化學腐蝕實驗，研究Ce含量對SPA-H型耐候鋼的耐腐蝕性能的影響。結(jié)果表明：通過增加Ce元素的含量可以提高SPA-H型耐候鋼的耐腐蝕性能，腐蝕產(chǎn)物主要為α-FeOOH、γ-FeOOH、γ-Fe3O4、Fe3O4；當Ce元素的含量（質(zhì)量分數(shù)）為0.043%時，耐候鋼的平衡電位最高，腐蝕電流最低，耐腐蝕性能最好。

稀土元素耐候鋼電化學耐腐蝕性

耐候鋼是一種可有效抵御大氣環(huán)境腐蝕的低合金鋼，是在低碳鋼中加入Ni、P、Cu、Cr等耐腐元素形成的[1]。SPA-H型耐候鋼是在耐候鋼中添加適量稀土元素冶煉得到的[2]。大氣腐蝕[3]是發(fā)生在材料與腐蝕介質(zhì)間的界面反應(yīng)，是最常見的一種腐蝕形式。鋼的耐腐蝕性能受大氣腐蝕產(chǎn)生的腐蝕銹層的性質(zhì)影響很大。

目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)針對SPA-H耐候鋼耐蝕性能尤其是稀土元素在腐蝕過程中的作用[4-6]進行了許多研究，但是由于對加稀土元素的添加量沒有一個確切的數(shù)據(jù)，對稀土耐候鋼腐蝕產(chǎn)物的成分以及耐蝕機理的研究[7-11]尚不完整，對于耐候鋼耐蝕性的提高與稀土關(guān)系的研究[12]也只停留在表面。隨著冶煉精練技術(shù)的不斷進步[13]，開發(fā)新型耐候鋼和擴大稀土耐候鋼成為必然，因此有必要對SPA-H型耐候鋼中稀土元素的最佳含量進行專門研究。

本研究是在實驗室模擬海洋大氣環(huán)境，對腐蝕SPA-H型耐候鋼獲得的銹層性能進行研究，分析稀土元素Ce所起的作用，確定耐候鋼中Ce的最佳含量以及銹層的組成，為稀土元素Ce在耐候鋼中的開發(fā)與應(yīng)用提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

1　實驗材料制備和實驗方法

利用ZG0.025-100-2.5真空感應(yīng)熔煉爐，制備四種成分的SPA-H型耐候鋼，其成分見表1。試樣編號依次為1、2、3、4。將耐候鋼加工成大約10 mm×10 mm×4 mm的的長方體試樣，之后用AB膠對試樣進行包裹，只留出工作面，進行電化學測試，測試樣如圖1所示。

表1　試驗鋼的化學成分　%

圖1　密封完成后試樣

采用在3.5%NaCl（w（NaCl）=3.5%）溶液中的耐候鋼試樣為工作電極、飽和甘汞電極為參比電極、鉑電極為輔助電極的三電極測試系統(tǒng)，實驗裝置如下頁圖2所示。采用動電位極化曲線來測量不同Ce含量SPA-H型耐候鋼的耐蝕性能。利用計算機軟件對測試數(shù)據(jù)進行處理并繪制出極化曲線。

圖2　電化學實驗裝置

采用XRX-10型的X-射線衍射儀分析腐蝕面的相組成以及相對含量；采用JSU-6700F型的場發(fā)射掃描電鏡觀察分析電化學腐蝕后耐候鋼的表面形貌。

2　實驗結(jié)果和分析

不同Ce含量的SPA-H型耐候鋼的極化曲線如圖3所示。由圖3可知：以四種成分的耐候鋼為工作電極的試樣的極化曲線陰極分支都符合塔菲爾（Tafel）直線規(guī)律[14]。同時，陰極極化曲線的Tafel斜率差別不明顯，說明不同Ce含量的SPA-H型耐候鋼對陰極反應(yīng)的影響差別不大；但陽極極化曲線的Tafel斜率差別較大，說明不同Ce含量的SPA-H型耐候鋼對陽極反應(yīng)的影響差別較大。

表2所示數(shù)據(jù)是對圖3中的極化曲線進行Tafel擬合得到的結(jié)果。由表2中數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：隨著耐候鋼中Ce元素含量的增加，其平衡電位隨之升高，腐蝕電流則降低；Ce元素的添加可明顯提高耐候鋼的耐蝕性。

圖4是直接對電化學實驗后的四個試樣進行的X射線衍射的結(jié)果。分析圖4數(shù)據(jù)可以看到：1號試樣銹層中的導(dǎo)電相Fe3O4[15]數(shù)量最多，而且?guī)缀鯖]有出現(xiàn)α-FeOOH[16]，說明在腐蝕過程中發(fā)生電化學反應(yīng)的電子傳遞更容易進行，銹層的腐蝕速度快；2號試樣銹層中的Fe3O4含量比1號試樣中的少，說明Ce促進其發(fā)生了Fe3O4的相轉(zhuǎn)變。根據(jù)岳麗杰[17]的理論可知，有大量的Fe3O4轉(zhuǎn)變?yōu)棣?FeOOH，由于稀土含量較少所以沒有穩(wěn)定的α-FeOOH出現(xiàn)，2號試樣中Fe3O4相對較少，其耐腐蝕性能比1號試樣有所增強。對比2號試樣和3號、4號的XRD譜圖發(fā)現(xiàn)，后兩個試樣銹層中的γ-FeOOH的含量逐漸減少，而α-FeOOH逐漸增多，表明腐蝕過程中γ-FeOOH向α-FeOOH轉(zhuǎn)變，并逐漸穩(wěn)定。特別是4號試樣銹層中穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物α-FeOOH的含量（質(zhì)量分數(shù)）已達到20%以上，在試樣表面形成了致密穩(wěn)定的腐蝕銹層，降低了鋼的腐蝕率，這也就表明4號試樣耐腐蝕性能最好。

圖3　SPA-H型耐候鋼極化曲線

表2　SPA-H型耐候鋼的極化曲線擬合結(jié)果

圖4　電化學腐蝕后四種耐候鋼的XRD譜圖

用掃描電子顯微鏡分析電化學腐蝕后的四個試樣，其微觀腐蝕形貌如下頁圖5所示。比較四個耐候鋼試樣的表面宏觀和SEM形貌圖，可以看出：稀土含量為零的1號試樣腐蝕最為嚴重，其銹層疏松表面有裂縫。說明表層腐蝕產(chǎn)物對基體沒有保護作用，腐蝕離子滲入基體進一步腐蝕。添加微量稀土的2號試樣表面銹層比較疏松、孔洞很多、頂部呈碎片狀腐蝕，但相比1號試樣已有很大改善。增加少量稀土含量的3號試樣銹層出現(xiàn)了大小不等的縫隙和孔洞，銹層比較致密。4號試樣銹層呈現(xiàn)緊密的層狀分布，縫隙、孔洞少，銹層致密，在四個試樣中銹層最薄、腐蝕程度最輕、與基體表面結(jié)合最為緊密。說明添加適量稀土可使銹層致密，并增強銹層與基體的附著力，從而提高耐候鋼的耐腐蝕性能。

顯然，添加稀土元素的耐候鋼具有更高的抗蝕能力，稀土含量（質(zhì)量分數(shù)）為0.043%的4號試樣表面沒有發(fā)生激烈的腐蝕分層，除了表面銹層外，試樣銹層和基體之間還形成了一層內(nèi)銹層，連續(xù)分布的內(nèi)銹層均勻致密，內(nèi)外兩層銹層能有效保護鋼基體免受腐蝕。在其他實驗條件一致的情況下，適量添加稀土的4號耐候鋼試樣的銹層比未加稀土的1號耐候鋼試樣和少量添加稀土的2號、3號耐候鋼試樣要均勻致密得多，銹層的保護能力也更強。這說明適量稀土元素的存在提高了鋼的耐腐蝕性，這得益于稀土元素可促進保護性銹層更快生成。

圖5　電化學實驗后四種耐候鋼的表面SEM形貌圖

3　結(jié)論

通過測試含Ce元素的耐候鋼電化學性能，分析耐候鋼表面腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物，得出以下結(jié)論：

1）向耐候鋼中添加稀土Ce元素提高了耐候鋼的電化學平衡電位，使耐候鋼的腐蝕電流降低，能提高SPA-H型耐候鋼的耐腐蝕性能。

2）在一定范圍內(nèi)，隨著耐候鋼中Ce含量的增加，試樣的電化學平衡電位隨之升高，腐蝕電流呈現(xiàn)隨之降低的趨勢，其中4號試樣的腐蝕電流最低，為0.385 5 mA，腐蝕速率最低，所以當w(Ce)=0.043%時試樣耐腐蝕性能最好。

3）四種Ce元素含量不同的耐候鋼在電化學腐蝕后，其腐蝕產(chǎn)物主要由α-FeOOH、γ-FeOOH、γ-Fe2O3、FeOOH、Fe3O4組成。1號試樣腐蝕產(chǎn)物中Fe3O4較多，幾乎沒有α-FeOOH，并出現(xiàn)均勻溶解的現(xiàn)象，腐蝕最為嚴重。3號、4號試樣中有穩(wěn)定的α-FeOOH生成，并形成了致密的內(nèi)銹層，有效保護了耐候鋼基體。

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（編輯：胡玉香）

Research on Electrochemical Corrosion Performance of Weathering Steel with Different Rare Earth Content

GUO Kangjie1，2，ZHANG Jinling1，CAO Yongjie1，WANG Shebin1
（1.School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024；2.Mianshan Government of Jiexiu，Jiexiu Shanxi 032000）

Taking SPA-H weathering steel as the research subject,by adding different contents of rare earth Ce, through erosive electrochem istry experiment,the influence of Ce content on the corrosion resistance of weathering steel is studied.The research results show that the Ce elements can improve the corrosion resistance of SPA-H weathering steel,and the corrosion products of weathering steel is mainly composed of the α-FeOOH、γ-FeOOH、γ-Fe3O4、Fe3O4after electrochemical corrosion.When Ce elements content is 0.043%,the weathering steel has the higher equilibrium potential and the lower corrosion current with best corrosion resistance.

rare earth element,weathering steel,electrochem istry,corrosion resistance

TG174.2+1

A

1672-1152（2016）02-0005-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.02

2016-02-17

郭康潔（1983—），男，在職碩士研究生在讀，主要研究方向：耐候鋼的腐蝕性能。

張金玲（1982—），女，太原理工大學材料學院副教授。