Q235、Q345和BC550鋼在不同酸堿度溶液中的腐蝕和磨蝕研究

張 歐 張明明 于 俊 趙連全 駱 毅 李 偉

(1．上海環(huán)境物流有限公司，上海 200063； 2.上海交通大學材料科學與工程學院，上海 200240)

垃圾的運輸和處理是社會文明和人民生活水平提高的關鍵之一[1]。上海環(huán)境物流有限公司是以城市生活固廢集裝運輸為主的現(xiàn)代服務型準公益性國企，承擔上海市70%的生活固廢水上清運任務。目前，制作垃圾運輸和處理設施的材料主要為Q235鋼，因腐蝕而損壞的情況嚴重[2- 4]。腐蝕會顯著降低材料的力學性能，縮短設備使用壽命[5]。城市垃圾多樣而復雜，易形成高濃度的滲瀝液，一般為酸性或堿性，導致垃圾運輸及處理設備腐蝕的因素非常復雜。圖1所示為遭受腐蝕的集裝箱和壓機等垃圾運輸、處理設備。因此迫切需要采用更合適的材料制作運輸和處理垃圾的設施。本文對比研究了Q235鋼、制造橋吊的Q345鋼和制造二代集裝箱的BC550鋼的力學性能、耐蝕性能及在不同介質(zhì)中的摩擦磨損性能，目的是探索適用于制造垃圾運輸及處理設備的最佳材料。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用材料為5 mm厚的Q235、Q345和BC550鋼板，其化學成分如表1所示。

圖1 遭受腐蝕的運輸和處理垃圾的集裝箱(a)及壓機(b)Fig.1 Container (a) and press (b) corroded during transportation and disposal of garbage

表1 研究用鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of the investigated steels (mass fraction) %

1.2 金相檢驗

制備尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后用4%(體積分數(shù)，下同)硝酸酒精溶液腐蝕。采用掃描電鏡觀察。

1.3 拉伸試驗

按GB/T 228.1—2010制備標距段長25 mm、厚1.5 mm的拉伸試樣。拉伸試驗設備為NL50慢拉伸應力腐蝕試驗機，應變速率為1.0×10-6mm/min。

1.4 電化學腐蝕試驗

試樣尺寸為50 mm×20 mm×1.5 mm，采用三電極體系在電化學工作站(SP- 150, Biologic, France)上進行電化學腐蝕試驗。試驗時，試樣為工作電極，鉑電極(15 mm×15 mm)為對電極，飽和甘汞電極為參比電極。試驗溶液分別為3.5%NaCl溶液和按體積比3︰1的比例配制的3.5%NaCl+0.2 mol/L H2SO4混合液。Tafel曲線測試前，將電極體系靜置30 min，以穩(wěn)定試樣表面的開路電位Eoc。Tafel極化測試掃描電位為-100～ +200 mV (vs.Eoc)，掃描速率為0.5 mV/s。

1.5 摩擦磨損試驗

試樣尺寸為φ40 mm×3 mm，根據(jù)摩擦副的位置在試樣一側鉆3個孔以便固定。采用MMW- 1A萬能摩擦磨損試驗機進行三針小幅摩擦，腐蝕液分別為0.2 mol/L的NaOH、3.5%的NaCl和0.2 mol/L的H2SO4溶液。機器轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨損時間2 h。在磨損試驗前、后稱量試樣質(zhì)量，計算磨損量。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

圖2為研究用鋼摩擦磨損試驗前的顯微組織。從圖2可以看出，Q235鋼的組織主要為鐵素體和珠光體，平均晶粒尺寸約為15 μm。Q345鋼的組織主要為鐵素體和珠光體，但珠光體量比Q235鋼多，平均晶粒尺寸約為10 μm。BC550鋼的組織主要為鐵素體和碳化物，沒有珠光體，平均晶粒尺寸約為5 μm。

采用圖像處理軟件Image Pro Plus 6.0統(tǒng)計鋼中析出相的體積分數(shù)，結果列于表2，Q235、Q345和BC550鋼中析出相的體積分數(shù)分別為2.0%、10.6%和0.7%。鋼中碳化物的析出與其合金成分密切相關，通常鋼中含碳量越高，析出的碳化物越多。硅和錳對碳化物的析出也有明顯影響[6]。吳海龍等[7]研究了碳、硅含量對重載車輪用鋼顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)適當降低含碳量、增加含硅量將減少珠光體量。阮士朋等[8]研究了含錳量對中碳冷鐓鋼組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)錳的質(zhì)量分數(shù)從0.75%增加到1.54%，鋼中鐵素體比例從49%～53%降低到了9%～13%，珠光體量顯著增多。

Q235鋼含有2.0%的滲碳體。Q345鋼的碳、硅和錳含量均高于Q235鋼，含有10.6%的滲碳體。BC550鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.07%，遠低于Q235和Q345鋼，因此其碳化物含量僅為0.7%。

表2 研究用鋼中析出相的體積分數(shù)Table 2 Volume fraction of precipitated phases in the investigated steels %

2.2 力學性能

圖3為研究用鋼摩擦磨損試驗前的拉伸曲線。鋼摩擦磨損試驗前的力學性能和顯微硬度列于表3。相比于Q235鋼，Q345鋼含有更多的珠光體，且晶粒更細小，因此強度和硬度更高，而斷后伸長率則較低。相比于Q235和Q345鋼，BC550鋼的含碳量較低，珠光體較少，但含有0.28%Cu(質(zhì)量分數(shù)，下同)、0.01%Ni和0.57%Cr，這些元素固溶于基體中，使鋼固溶強化。此外，BC550鋼的晶粒最小，因此強度和硬度最高，而斷后伸長率最低。

圖3 研究用鋼摩擦磨損試驗前的拉伸曲線Fig.3 Tensile curves of the investigated steels before fretting wear test

表3 研究用鋼的力學性能Table 3 Mechanical properties of the investigated steels

2.3 電化學腐蝕試驗

圖4和表4分別為3種鋼在不同溶液中的極化曲線和腐蝕電流密度。在中性環(huán)境和酸性環(huán)境中，Q235鋼的腐蝕速率最大，BC550鋼的腐蝕速率最小。

材料的耐蝕性與多種因素有關，而這3種鋼的成分、組織和晶粒度均有明顯差異。通常，鋼中添加鉻、鎳有利于提高其耐蝕性，鉻、鎳含量越高，鋼的耐蝕性能越好；銅的質(zhì)量分數(shù)小于0.6%的鋼，隨著銅含量的增加，鋼的耐蝕性提高；碳一般不利鋼的耐蝕性，含碳量越高鋼的耐蝕性能越差。顯微組織也明顯影響鋼的耐蝕性，在非氧化性及弱氧化性介質(zhì)中，隨著碳化物含量的增多，鋼的耐蝕性降低。這是因為組織中的碳化物越多，形成的微電池越多，鋼的腐蝕速率越大[9]。含有球狀碳化物的鋼一般比含有層片狀碳化物的鋼更耐蝕。這是因為在周圍鐵素體溶解的過程中球狀碳化物與基體分離，碳化物的有效陰極面積減小，從而降低了腐蝕速率[10]。晶粒度對鋼的耐蝕性的影響較為復雜，一般認為，在活性介質(zhì)中，晶粒越細小，晶界比例越高，鋼的耐腐蝕性越差；而在可鈍化的環(huán)境中，晶粒細化會加速鈍化膜的形成，從而可提高鋼的耐蝕性[11]。

圖4 試驗鋼在(a)3.5%NaCl和(b)120 mL 3.5%NaCl+40 mL 0.2 mol/L H2SO4溶液中的極化曲線Fig.4 Polarization curves of the investigated steels in (a) 3.5%NaCl solution and (b) 120 mL 3.5%NaCl

表4 研究用鋼的腐蝕電流密度(Icorr)Table 4 Corrosion current density (Icorr) of the investigated steels μA·cm-2

Q345鋼的含碳量較Q235鋼高，滲碳體的體積分數(shù)為10.6%，腐蝕速率應大于Q235鋼。然而Q345鋼的晶粒較細小，鈍化膜更易形成，因此其腐蝕電流密度更小。與Q235和Q345鋼相比，BC550鋼的含碳量更低，碳化物少且呈球形，還含有0.28%Cu、0.01%Ni和0.57%Cr，其晶粒也更細小，因此耐蝕性最佳。

與中性環(huán)境相比，酸性環(huán)境會顯著加速材料的腐蝕。如表4所示：Q235鋼在酸性環(huán)境中的腐蝕速率是中性環(huán)境中的3.6倍；相應地BC550鋼為17.2倍。Q235鋼在酸性溶液中的腐蝕產(chǎn)物及其能譜分析結果如圖5所示。圖5表明：腐蝕產(chǎn)物中Fe與O的原子比為3∶4，腐蝕產(chǎn)物可能是Fe3O4或FeO和Fe2O3的混合物。鐵的氧化物(Fe3O4、FeO和Fe2O3)一般不溶于堿和水而溶于酸。在中性介質(zhì)中，鋼的腐蝕產(chǎn)物附著在表面，減少了鋼與腐蝕介質(zhì)的接觸面積，阻礙鋼被進一步腐蝕，因此腐蝕速率較小；在酸性環(huán)境中，鋼的腐蝕產(chǎn)物不斷被腐蝕介質(zhì)溶解，不斷有新鮮表面與腐蝕介質(zhì)接觸，因此腐蝕速率較大。

2.4 摩擦磨損試驗

圖6是3種鋼在不同腐蝕介質(zhì)中的摩擦磨損量。從圖6可以看出：3種材料在酸性介質(zhì)中的摩擦磨損量最大，在堿性介質(zhì)中最?。辉?種腐蝕環(huán)境中，BC550鋼的摩擦磨損量最??；在堿性和中性介質(zhì)中，Q235鋼的摩擦磨損量最大；而在酸性介質(zhì)中，Q345鋼的摩擦磨損量最大。

圖7是Q235、Q345和BC550鋼在不同腐蝕介質(zhì)中摩擦磨損試驗后的SEM形貌。圖7表明：在堿性腐蝕介質(zhì)中，3種鋼的磨痕由腐蝕坑和犁溝組成；在中性腐蝕介質(zhì)中，磨痕由腐蝕產(chǎn)物和犁溝組成；而在酸性腐蝕介質(zhì)中，Q235和Q345鋼的磨痕由腐蝕坑和犁溝組成，BC550鋼的磨痕由腐蝕產(chǎn)物和犁溝組成。

圖5 在120 mL 3.5%NaCl+40 mL 0.2 mol/L H2SO4溶液中Q235鋼腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌和能譜分析Fig.5 Microstructures and EDS analysis of corrosion products on the Q235 steel in 120 mL 3.5%NaCl plus 40 mL 0.2 mol/L H2SO4 solution

圖6 Q235、Q345和BC550鋼在不同腐蝕介質(zhì)中的摩擦磨損量Fig.6 Loss in mass resulting from fretting wear in the different corrosive media for the Q235, Q345 and BC550 steels

在堿性和中性腐蝕介質(zhì)中，質(zhì)量損失主要是磨損所致。因為在堿性和中性腐蝕介質(zhì)中，腐蝕產(chǎn)物不溶解，附著于鋼的表面，減小了腐蝕反應的有效面積，從而降低了腐蝕速率，產(chǎn)生的腐蝕坑較小。在與對磨鍵接觸的過程中，硬質(zhì)點與基體脫落，被壓在鋼表面與對磨鍵之間，隨著對磨鍵的高速運動，在鋼的表面形成一道道犁溝，如圖7(a～f)所示。材料越硬，摩擦磨損量越小。由于Q235、Q345和BC550鋼的硬度分別為137.1、171.4和191.6 HV0.3，因此在堿性和中性腐蝕介質(zhì)中Q235鋼的摩擦磨損量最大，BC550鋼的最小。

在酸性腐蝕介質(zhì)中，Q235和Q345鋼的摩擦磨損質(zhì)量損失主要是由腐蝕引起的，而BC550鋼的摩擦磨損質(zhì)量損失主要是由磨損與腐蝕共同引起的。在酸性腐蝕介質(zhì)中，Q235和Q345鋼的腐蝕產(chǎn)物溶解于腐蝕介質(zhì)中，新鮮表面不斷與腐蝕介質(zhì)接觸，腐蝕很快。由于Q345鋼中滲碳體更多，形成的微原電池更多，腐蝕速率更大；同時鋼表面與對磨鍵接觸會加速鈍化膜的去除，即使晶粒細小，也不易形成鈍化膜，反而會因晶界增多而加速腐蝕，因此Q345鋼的摩擦磨損量遠大于Q235鋼，如圖7(g～h)所示。酸性介質(zhì)使BC550鋼的腐蝕電流密度從0.759 μA·cm-2增加至13.098 μA·cm-2，然而由于其耐蝕性好，難以形成大面積的腐蝕坑，如圖7(i)所示。相對于堿性及中性介質(zhì)，酸性介質(zhì)中的腐蝕產(chǎn)物明顯增多，表明BC550鋼的摩擦磨損質(zhì)量損失主要是由磨損與腐蝕共同引起的，但由于其具有更高的硬度和更好的耐蝕性能，因此磨蝕量最小。堿性和中性環(huán)境中Q235、Q345和BC550鋼的摩擦磨損質(zhì)量損失都較小，酸性環(huán)境中BC550鋼的摩擦磨損質(zhì)量損失最小。Q235、Q345和BC550鋼都可以用于堿性和中性環(huán)境，而在酸性環(huán)境中只能使用BC550鋼。

3 結論

(1)Q235、Q345和BC550鋼的腐蝕電流密度，在3.5%NaCl溶液中分別為8.650、1.628和0.759 μA·cm-2，在120 mL 3.5%NaCl+40 mL 0.2 mol/L H2SO4混合液中分別為31.738、18.675和13.098 μA·cm-2。

圖7 Q235、Q345和BC550鋼在不同腐蝕介質(zhì)中摩擦磨損試驗后的SEM形貌Fig.7 SEM patterns of the Q235, Q345 and BC550 steels after fretting wear test in different corrosive media

(2)在堿性和中性腐蝕介質(zhì)中，Q235、Q345和BC550鋼的摩擦磨損質(zhì)量損失主要是由磨損引起的；在酸性腐蝕介質(zhì)中的摩擦磨損質(zhì)量損失，Q235和Q345鋼主要是由腐蝕引起的，而BC550鋼主要是由磨損與腐蝕共同引起的。