熱處理對(duì)Q235 鋼的腐蝕行為的影響

吳家福，朱韻汀，劉 祥，龍 威，朱永生，陳 凱

（貴陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550005）

Q235 鋼是常見低碳結(jié)構(gòu)鋼［1］，大量應(yīng)用于石油運(yùn)輸、交通保護(hù)、汽車車身、貨物運(yùn)輸裝載等場(chǎng)景，從沙漠、雨帶到海洋等環(huán)境均可見Q235 鋼服役身影。由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，低碳鋼的腐蝕性能研究一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)，研究Q235鋼的腐蝕性能，特別是如何提高Q235 的抗腐蝕性能，挖掘Q235 鋼材料的使用潛力，具有實(shí)際意義。

由于Q235 鋼的廣泛的應(yīng)用，很多學(xué)者對(duì)Q235 鋼腐蝕性能開展了研究。聶向暉等［2］研究溫度對(duì)Q235 鋼在大港模擬溶液中腐蝕行為的影響，隨著溫度增加Q235 的腐蝕速率增大。田永武等［3］研究認(rèn)為預(yù)變形加速Q(mào)235 鋼在硫酸溶液中的陽(yáng)極溶解和陰極析氫反應(yīng)，加速效應(yīng)與極化電位有關(guān)。王孝建等［4］基于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，探究了 Q235 管道在循環(huán)水中的腐蝕機(jī)理。結(jié)果表明:當(dāng)控制 Cl-濃度小于100 mg/L，pH 值不低于8.5，以及添加緩蝕劑（2 mg/L）可以有效控制 Q235的腐蝕速率。汪敏慧等［5］研究了NaCl 含量和浸泡時(shí)間對(duì)Q235 鋼腐蝕行為的影響。蘇璐璐［6］對(duì)比研究了Q235 鋼和不銹鋼海水腐蝕機(jī)理研究。張歐等［7］對(duì)Q235、Q345 和BC550 鋼在 3.5%NaCl溶液和 3.5%NaCl＋0.2 mol／L H2SO4混合液中進(jìn)行了電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明：3 種鋼中耐蝕性能最佳的是 BC550 鋼。熱處理工藝是改變微觀組織和材料性能的重要手段，賴?yán)虻龋?］熱處理對(duì)SLM 18Ni300 馬氏體時(shí)效鋼組織及腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱處理工藝影響對(duì)腐蝕性能影響明顯。楊冉等［9］研究了固溶和時(shí)效處理對(duì)Cu-6.9Ni-2.97Al-0.99Fe-1.06Mn 合金組織和腐蝕性能的影響。雖然學(xué)者們開展了熱處理對(duì)其他金屬的腐蝕性能的影響［10］，但時(shí)效處理對(duì)Q235 腐蝕性能影響的研究鮮有報(bào)道。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

采用接收態(tài)Q235 鋼為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其化學(xué)成分如表1 所示。將實(shí)驗(yàn)用Q235 鋼切割成10 mm×10 mm×1 mm 方塊，置于熱處理爐中加熱850℃再分別冷卻至500℃、600℃、700℃、800℃，保溫30 分鐘后取出立即放入水中備用，坯料及上述各溫度處理后的小樣將用來制成電化學(xué)實(shí)驗(yàn)電極和腐蝕浸泡試樣。

表1 Q235 碳鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

腐蝕浸泡試樣使用金相砂紙（320#-600#-1000#）打磨后用氧化鋁懸浮液拋光，用無(wú)水乙醇和丙酮清洗試樣并吹干，用精度為0.1mg 天平稱重記錄待用。參照GB10124-88《金屬材料均勻腐蝕全浸實(shí)驗(yàn)方法》，將鋼片平行懸掛浸沒于質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl 溶液中24 h 和12 d，用恒溫水浴鍋控制試驗(yàn)溶液溫度為20℃和40℃，浸泡試樣24 h 后取出吹干備用，用掃描電鏡觀察表面腐蝕形貌，浸泡試樣12 d 后取出清洗表面腐蝕產(chǎn)物，吹干稱重。試樣平均腐蝕速率計(jì)算公式如下：

式中，vcorr為腐蝕速率（g.dm-2.a-1），m0和m1分別為腐蝕實(shí)驗(yàn)前后試樣質(zhì)量（g），S為試樣表面積（dm-2），t為腐蝕時(shí)間（a）。

將Q235 鋼切片背面焊接銅線，置于PVC管中并使用環(huán)氧樹脂固定封裝，使用金相砂紙（320#-600#-1000#-1500#-2000#）打磨，然后用氧化鋁懸浮液拋光，用無(wú)水乙醇和丙酮清洗試樣并吹干。使用辰華CHI660e 型電化學(xué)工作站在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl 溶液中進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，采用傳統(tǒng)三電極體系，飽和甘汞電極和鉑輔助電極，Q235 鋼試樣為工作電極，測(cè)量?jī)煞N溫度下（20℃和40℃）的開路電位、極化曲線和電化學(xué)阻抗。極化曲線測(cè)試掃描區(qū)間為-1.2～1.2 V，掃描速率為0.5 mVs-1；電化學(xué)阻抗譜測(cè)試頻率范圍為105～10-2Hz，正弦波幅值為10 mV。

2 結(jié)果與討論

2.1 失重實(shí)驗(yàn)

表2 是Q235 鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl 溶液中浸泡12 天后試樣的腐蝕速率，可看出各試樣在40℃鹽水中的腐蝕速率均比在20℃鹽水中的腐蝕速率大，溫度升高加速了腐蝕。浸泡在20℃鹽水中試樣的腐蝕速率由大到小依次為：500 ℃＞700 ℃＞800 ℃＞600 ℃＞blank，浸泡在40℃鹽水中試樣的腐蝕速率由大到小依次為：800℃＞600℃＞500℃＞700℃＞blank。

表2 Q235 鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%鹽水中浸泡12d 的腐蝕情況

2.2 開路電位

圖2 中，經(jīng)過3000 s 所有工況Q235 鋼均獲得穩(wěn)定開路電位，40℃鹽水相比20℃鹽水中測(cè)得的開路電位-時(shí)間曲線負(fù)移，表明溫度升高促進(jìn)了腐蝕的發(fā)生。開路電位隨時(shí)間趨于穩(wěn)定，表明試驗(yàn)用各工況Q235 鋼表面鈍化膜生成與破壞達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，測(cè)試系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。表2 中列出了各工況Q235 鋼在40℃鹽水相比20℃鹽水中穩(wěn)態(tài)開路電位。從圖1 和表2 可以看出，經(jīng)過熱處理后的Q235 鋼比接收態(tài)更不容易發(fā)生腐蝕。

圖1 不同溫度下各工況試驗(yàn)Q235 鋼開路電位隨時(shí)間變化情況

表3 Q235 鋼在試驗(yàn)溫度下穩(wěn)態(tài)開路電位

2.3 極化曲線

不同時(shí)效溫度下Q235 鋼在40 ℃和20 ℃3.5%NaCl 溶液中的動(dòng)電位極化曲線和擬合結(jié)果如圖2 和表2 所示，40℃下的測(cè)試得到的Ecorr更負(fù)，表明溫度的升高使得材料的腐蝕趨勢(shì)更強(qiáng)，40℃下測(cè)得所有極化曲線具有很好一致性，表明腐蝕機(jī)理高度一致。在20℃與40℃溶液下測(cè)試，未時(shí)效處理的坯料的Ecorr均更負(fù)，說明未時(shí)效處理的Q235 鋼坯料腐蝕趨勢(shì)更強(qiáng)，這與開路電位測(cè)試到的結(jié)果相一致。40℃溶液下腐蝕電流密度均高于20℃溶液下對(duì)應(yīng)時(shí)效處理試件，坯料試件的腐蝕電流密度均小于同溫度下的經(jīng)時(shí)效處理的試件，說明時(shí)效處理后材料的腐蝕速度加快，這與失重實(shí)驗(yàn)和結(jié)果較好保持一致。

圖2 不同時(shí)效溫度下Q235 鋼在40℃和20℃3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線

2.4 電化學(xué)阻抗譜

圖3 為不同時(shí)效溫度下Q235 鋼在40 ℃和20℃ 3.5% NaCl 溶液中的電化學(xué)阻抗譜圖，由圖3（a）（b）（c）對(duì)應(yīng)的Nyquist 曲線和Bode 圖可知，不同時(shí)效溫度下Q235 鋼在40℃和20℃ 3.5% NaCl 溶液中的腐蝕機(jī)理是一致，只有一個(gè)時(shí)間常數(shù)。從圖3（a）的容抗弧半徑越大，也就是極化電阻越大，耐腐蝕越好，容易判斷出腐蝕液溫度升高，Q235 鋼耐腐蝕性變差，而半圓形的容抗弧說明在腐蝕過程中主要是在電極和溶液界面上的電荷轉(zhuǎn)移過程。由圖3 可見，無(wú)論在40℃溶液下和20℃溶液下，坯料試樣的容抗弧半徑較時(shí)效處理后的試樣大，說明熱處理后材料腐蝕加快，這與失重實(shí)驗(yàn)和動(dòng)電位極化曲線表現(xiàn)的結(jié)果一致。

圖3 不同時(shí)效溫度下Q235 鋼在40℃和20℃ 3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜

用圖4 所示等效電路描述Q235 鋼在擬合數(shù)據(jù)3.5% NaCl 溶液中的狀態(tài)，CPE 為常相位元件，RS 為溶液電阻元件，Rct 為電荷轉(zhuǎn)移電阻。擬合參數(shù)得到不同時(shí)效溫度下Q235 鋼在40℃和20℃ 3.5% NaCl 溶液中的電化學(xué)阻抗譜參數(shù)如表4 所示，由Rct 值的大小反映出與圖3 一致的結(jié)果。

表4 不同時(shí)效溫度下Q235 鋼在3.5%NaCl 溶液中的極化曲線擬合結(jié)果

圖4 等效電路圖

表5 不同時(shí)效溫度下Q235 鋼在40℃和20℃ 3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜參數(shù)

2.5 腐蝕形貌

圖5 展示了在兩種溫度下12 天浸泡實(shí)驗(yàn)后的掛件形貌。明顯地，在40℃溶液中浸泡后的Q235 掛件的表面幾乎全部發(fā)生了腐蝕，腐蝕層的厚度更厚，而20℃溶液中浸泡后的Q235 掛件則有較大部分裸露出腐蝕的表面。

圖5 Q235 鋼在20℃和40℃的3.5%NaCl 溶液中腐蝕形貌圖

3 微觀組織分析

金屬微觀組織形態(tài)與構(gòu)成不同，其耐腐蝕性能不同。接收態(tài)Q235 鋼板為冷軋鋼板，先加熱到850 ℃，再以10 ℃/s 降至800 ℃、700℃、600℃、500℃下保溫30 分鐘立即水冷的情況，利用軟件分析得到平衡相圖及熱處理相圖如圖6 所示。圖6（a）顯示Q235 鋼從1000℃到室溫的平衡相有8 種之多，說明Q235 在熱處理不同溫區(qū)具有豐富的析出相變化；圖6（b）為800℃下淬火的組織為55.83%奧氏體+44.12%鐵素體+0.0461% MnFeS 相；圖6（c）為700℃下淬火得到97.39%鐵素體+2.57%珠光體+0.0461%MnFeS相，在720℃左右發(fā)生了顯著的相變，鐵素體占比大幅躍升，同時(shí)產(chǎn)生了新相珠光體；圖6（d）600℃和500 ℃下淬火后得到的組織質(zhì)量百分比幾乎相同，分別為97.28%鐵素體+2.68%珠光體+0.0461% MnFeS 相和97.25%鐵素體+2.71%珠光體+0.0461% MnFeS 相。由于組成金屬的相占比分?jǐn)?shù)不同，各種相的化學(xué)成分及形態(tài)結(jié)構(gòu)的不同，因此具有不同的腐蝕性能，這是同種金屬在不同時(shí)效處理下產(chǎn)生了不同的耐腐蝕性能的根本原因。

圖6 Q235 鋼平衡相圖和熱處理相圖

4 結(jié)論

（1）開路電位測(cè)試及動(dòng)電位極化曲線的腐蝕電位均表明，經(jīng)過時(shí)效處理后的Q235 試樣，其腐蝕趨勢(shì)較坯料試樣更強(qiáng)；腐蝕失重結(jié)果與動(dòng)電位極化曲線的腐蝕電流密度及EIS 的結(jié)果具有較高一致性，表明經(jīng)過時(shí)效處理后的Q235 試樣較坯料試樣具有更快的腐蝕速度。

（2）不同時(shí)效處理工況決定試樣具有不同的微觀組織形態(tài)，即析出相類型不同或析出相類型相同但占比不同，一些具有耐腐蝕的相雖然占比很少，卻可能對(duì)腐蝕行為產(chǎn)生巨大影響。因此，經(jīng)過時(shí)效處理后的內(nèi)部微觀組織的形態(tài)與成分的不同決定了Q235 的腐蝕行為。