冷軋鋼板表面粗糙度對耐蝕性的影響

陳紅星 李建中 劉常升

(1.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110819；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧沈陽 110819；3.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

以熱軋板卷為原料，通過冷軋、退火工藝生產(chǎn)的冷軋鋼板具有高性能、高附加值等特點，目前已被廣泛應(yīng)用于汽車、家電、建筑等行業(yè)[1- 2]。隨著材料科學(xué)和生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，冷軋鋼板的厚度精度、平整度、軋制速度及深沖性和強(qiáng)度均得到了較大的提高。從應(yīng)用角度來說，除要求冷軋鋼板具有優(yōu)良的成形性外，還要求其具有良好的耐蝕性[3- 5]。這主要是由于冷軋鋼板從生產(chǎn)到用戶使用，往往經(jīng)歷較長時間的庫存和周轉(zhuǎn)運(yùn)輸，不同地區(qū)溫濕度差異大，導(dǎo)致冷軋鋼板表面很容易結(jié)露，進(jìn)而發(fā)生銹蝕。

為防止冷軋鋼板表面銹蝕，一方面在其裸露表面涂敷防銹油，進(jìn)行臨時性保護(hù)；另一方面，通過退火處理，使鋼板表面形成一層氧化膜，提高其耐蝕性。尤其是在進(jìn)行下一步加工前，需要存貯和運(yùn)輸，氧化膜的防護(hù)性作用更為明顯。影響冷軋鋼板表面氧化膜特性的因素很多，不僅取決于材料的組織和性能，而且軋制、退火等生產(chǎn)工藝對其也有重要的影響[6- 9]。就軋制工藝而言，軋制過程中軋輥與冷軋鋼板相互接觸，在一定軋制力作用下軋輥表面會出現(xiàn)輕微磨損，其粗糙度不斷降低，同時冷軋鋼板表面粗糙度也將隨之改變。然而，粗糙度是冷軋鋼板表面一個重要的物理特性指標(biāo)，影響冷軋鋼板表面的耐蝕性、沖壓成形性和涂鍍后的外觀質(zhì)量[10- 12]。基于此，本文以現(xiàn)場生產(chǎn)為平臺，結(jié)合軋制公里數(shù)的改變，以不同表面粗糙度的連續(xù)退火冷軋鋼板為研究對象，分析冷軋鋼板表面粗糙度對氧化膜特性的影響，探討其影響冷軋鋼板耐蝕性的機(jī)制。

1 試驗材料與方法

研究用材料為寶鋼自供連續(xù)退火的冷軋鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 冷軋鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the cold- rolled plate (mass fraction) %

研究用冷軋鋼板的軋制工藝相同，但表面粗糙度不同。采用德國馬爾精密量儀公司PS1- M300型手持式粗糙度測量儀測定不同條件下冷軋鋼板的表面粗糙度Ra和每厘米表面峰個數(shù)Rpc等參數(shù)的變化。測量方向與軋制方向垂直，取樣長度為0.8 mm，評定長度為4 mm，Ra和Rpc為5次測量結(jié)果的平均值。采用德國卡爾蔡司公司EVO18型掃描電鏡分析不同粗糙度冷軋鋼板的表面形貌。

采用化學(xué)法清洗冷軋鋼板表面的防銹油，清洗液NaOH濃度為10 g/L，溫度35 ℃，清洗時間15 min。采用電化學(xué)方法消除冷軋鋼板表面的氧化膜，分析其耐蝕性隨粗糙度的變化規(guī)律。消除氧化膜用電解液為H2SO420 g/L，溫度25 ℃，電流密度0.5 A/dm2，電解時間分別為0、3、6、9 s。

利用美國Princeton公司PARSTAT 2273型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測試，分析不同氧化膜狀態(tài)的冷軋鋼板表面的電化學(xué)行為。測試方法為標(biāo)準(zhǔn)三電極法，即參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，工作電極為樣品。留出1 cm×1 cm的工作面，其他表面以聚四氟乙烯和石蠟封固，掃描速度為0.2 mV/s，腐蝕介質(zhì)為3.5%NaCl溶液[13]。采用上海中晨數(shù)字技術(shù)公司JC200DM設(shè)備測量冷軋鋼板表面的接觸角，根據(jù)液滴體積相同時冷軋鋼板表面接觸角值的大小，表征其潤濕性差異。測量液滴體積為2 μL，每個試樣測量5次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粗糙度冷軋鋼板的表面特性

圖1為不同粗糙度冷軋鋼板的表面形貌，其中圖1(a)為不同試樣的粗糙度值。由圖1可知，不同粗糙度的冷軋鋼板表面“凹凸”不平的程度也不同。當(dāng)粗糙度較大時，冷軋鋼板表面“凹坑”較多；而粗糙度較小時，鋼板表面比較細(xì)膩，“凹坑”較淺。這表明冷軋鋼板表面形貌與軋輥的表面物理特征有關(guān)。

圖2為不同粗糙度冷軋鋼板表面的極化曲線及其自腐蝕電位。由圖2可知，不同粗糙度冷軋鋼板表面自腐蝕電位有明顯的差異。隨著冷軋鋼板表面粗糙度Ra的增大，冷軋鋼板表面自腐蝕電位先增大后減小。當(dāng)冷軋鋼板表面粗糙度Ra為1.25 μm時， 其自腐蝕電位達(dá)-0.35 V， 且陽極曲線在電位-0.25～0.1 V之間出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)。這說明粗糙度Ra為1.25 μm的冷軋鋼板表面具有較好的耐蝕性。由文獻(xiàn)報道[11- 12]可知，冷軋鋼板表面耐蝕性的優(yōu)劣取決于氧化膜的完整性和致密性。由此可知，粗糙度與冷軋鋼板表面氧化膜的完整性、致密性有著直接的關(guān)系。

圖1 冷軋鋼板的表面粗糙度(a)和相應(yīng)的表面形貌(b)No.1、 (c)No.2、(d)No.3、(e)No.4和(f)No.5Fig.1 (a) Surface roughness and corresponding micrographs for the cold- rolled plate(b) No.1, (c) No.2, (d) No.3, (e) No.4 and (f) No.5

圖2 不同粗糙度冷軋鋼板表面的(a)極化曲線及其(b)自腐蝕電位隨粗糙度的變化Fig.2 (a) Polarization curves of the cold- rolled plate surfaces with different roughnesses and (b) their self- corrosion potential as a function of roughness

2.2 冷軋鋼板表面氧化膜耐蝕性與粗糙度的關(guān)系

表面形貌主要包括粗糙度、波紋度、紋理及形狀誤差等。其中粗糙度Ra為取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值，而波紋度和紋理可以用單位長度內(nèi)高于評定值的峰與一個相鄰的低于評定值的谷組成峰個數(shù)(Rpc)來評定。為了掌握冷軋鋼板表面氧化膜生長與粗糙度Ra、峰個數(shù)Rpc之間的關(guān)系，試驗選取粗糙度Ra為1.25 μm的冷軋鋼板為研究試樣。首先采用化學(xué)堿洗法去除其表面的防銹油，然后用電化學(xué)酸洗法逐漸消除其表面氧化膜，分析不同條件下冷軋鋼板表面粗糙度Ra、峰個數(shù)Rpc與耐蝕性之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，隨著堿洗時間的延長，冷軋鋼板表面的粗糙度和峰個數(shù)均逐漸減小。由微觀“毛細(xì)管”作用原理[14]可知，與冷軋鋼板表面微觀峰谷對應(yīng)的表面凸起部位(峰值)聚集較多的防銹油，且其容易與堿液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致冷軋鋼板表面峰值處油污優(yōu)先被清洗去除，因此表面粗糙度和峰值個數(shù)均降低。冷軋鋼板堿洗后，電化學(xué)酸洗對冷軋鋼板表面粗糙度和峰值數(shù)也有重要的影響，即隨著電化學(xué)酸洗時間的延長，冷軋鋼板表面粗糙度和峰個數(shù)也明顯降低。當(dāng)酸洗時間超過6 s時，冷軋鋼板表面粗糙度和波峰數(shù)變化平穩(wěn)。這可能是由于電化學(xué)作用下存在析氫反應(yīng)，導(dǎo)致冷軋鋼板表面峰值突起的部位更容易放電，其表面氧化膜更容易被腐蝕、溶解，進(jìn)而降低了冷軋鋼板表面的粗糙度和峰個數(shù)。當(dāng)酸洗時間延長到6 s時，峰值與峰谷之間的差值減小，冷軋鋼板表面電化學(xué)反應(yīng)處在均勻放電，這也說明了冷軋鋼板表面氧化膜逐漸被完全清洗掉?；谧钚∽杂赡茉韀14]，冷軋鋼板表面氧化膜被消除的部位，也容易生長氧化膜，即化學(xué)反應(yīng)多發(fā)生在化學(xué)活性較高的冷軋鋼板表面峰值部位。圖3(b、 c)為酸洗時間所對應(yīng)的冷軋鋼板表面的電化學(xué)極化曲線和阻抗譜，由圖可知，隨著冷軋鋼板表面粗糙度和波峰數(shù)的降低，其極化曲線的自腐蝕電位由-0.47 V下降到了-0.75 V，且陽極極化鈍化區(qū)-0.4～-0.2 V的腐蝕電流也隨之增大；所對應(yīng)的冷軋鋼板表面阻抗譜均為一個容抗弧組成，且容抗弧半徑也逐漸減小，說明冷軋鋼板表面耐蝕性逐漸降低。由此可知，無氧化膜防護(hù)或者氧化膜致密性較差的冷軋鋼板表面，隨著其表面粗糙度和波峰數(shù)的降低，其氧化膜耐蝕性也降低。

2.3 粗糙度影響冷軋鋼板耐蝕性的機(jī)制

冷軋鋼板表面發(fā)生銹蝕的必要條件之一是表面結(jié)露。原因是局部存在氧勢差， 從而形成腐蝕微電池。圖4為不同粗糙度冷軋鋼板表面的接觸角。由圖4可知， 隨著冷軋鋼板表面粗糙度的增大，其接觸角先減小后增大。結(jié)合圖2(b)可知，耐蝕性較好的冷軋鋼板表面粗糙度Ra為1.25 μm；而當(dāng)Ra為1.20 μm時，其所對應(yīng)的接觸角最小，即θ=88.6o。這可能與冷軋鋼板表面的物理特性與其氧化膜致密性之間的匹配有關(guān)。當(dāng)冷軋鋼板表面為理想平整面時，如圖5(a)所示，其表面可形成致密的氧化膜和均勻的防銹油膜，可以肯定，其耐蝕性優(yōu)良。但由于軋制工藝的限制和產(chǎn)品應(yīng)用的需要，冷軋鋼板表面必須具有一定的粗糙度。而不同粗糙度的表面，必將導(dǎo)致其氧化膜和防銹油膜的不均勻和不完整，如圖5(b)所示。當(dāng)冷軋鋼板表面粗糙度較小時，由于軋制峰谷處氧勢較低，導(dǎo)致氧化膜較薄或者無氧化膜形成，只有峰值處形成氧化膜，進(jìn)而易構(gòu)成腐蝕微電池，發(fā)生銹蝕。而當(dāng)粗糙度較大時，盡管軋制峰谷處可形成氧化膜，但峰值處的氧化膜由于尖端效應(yīng)，很容易破裂，同樣也構(gòu)成腐蝕微電池[15]。因此，合理控制冷軋板表面的粗糙度，可以改善其耐蝕性。總之，耐蝕性較差的冷軋鋼板表面接觸角明顯較大，而耐蝕性較好的冷軋鋼板表面接觸角較小，即冷軋鋼板表面與腐蝕介質(zhì)接觸面積的大小，直接影響冷軋鋼板表面銹蝕的發(fā)生率。當(dāng)粗糙度Ra控制在1.20～1.25 μm時，冷軋鋼板表面具有較好的耐蝕性。

圖3 清洗時間對冷軋鋼板表面粗糙度、峰個數(shù)(a)及電化學(xué)性能(b～c)的影響Fig.3 Effect of cleaning time on roughness, peak number (a) and electrochemical properties (b to c) of the cold- rolled plate surface

圖4 (a)粗糙度對冷軋鋼板表面接觸角的影響和(b～f)不同粗糙度冷軋鋼板表面的接觸角Fig.4 (a) Effect of roughness on contact angle size of the cold- rolled plate surface and (b to f) contact angle sizes of the cold- rolled plate surface with different roughnesses

圖5 (a)平整和(b)粗糙的冷軋鋼板表面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagrams of structure of (a) flat and (b) rough cold rolled plate surfaces

3 結(jié)論

(1)表面粗糙度對冷軋鋼板耐蝕性有明顯的影響。隨著冷軋鋼板表面粗糙度Ra的增大，冷軋鋼板表面自腐蝕電位先增大后減小。當(dāng)粗糙度Ra為1.25 μm時，冷軋鋼板表面的自腐蝕電位為-0.35 V。

(2)冷軋鋼板表面氧化膜的致密性對其耐蝕性有重要影響。電化學(xué)酸洗過程中，冷軋鋼板表面峰值部位氧化膜更容易被腐蝕、溶解。無氧化膜防護(hù)或者氧化膜致密性較差的冷軋鋼板，隨著其表面粗糙度Ra和峰個數(shù)Rpc的減小，冷軋鋼板表面的耐蝕性也降低。

(3)腐蝕介質(zhì)的體積相同時，冷軋鋼板表面與腐蝕介質(zhì)接觸面積的大小直接影響冷軋鋼板表面銹蝕的發(fā)生率。當(dāng)粗糙度Ra控制在1.20～1.25 μm時，冷軋鋼板具有較好的耐蝕性。

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