低碳鈮微合金鋼在海水中的腐蝕規(guī)律

1、第19卷第1期2007年1月鋼鐵研究學(xué)報Journal of Iron and Steel ResearchVol.19,No.1January 2007作者簡介:王淑蘭(19592,女,博士,教授;E 2m ail :shulanw hot ;修訂日期:2006206219低碳鈮微合金鋼在海水中的腐蝕規(guī)律王淑蘭,楊慧,莊立軍(東北大學(xué)理學(xué)院,遼寧沈陽110004摘要:鈮鋼主要用于大型船舶和海上工程建設(shè),所以鈮鋼的耐海水腐蝕性能非常重要。研究了鈮鋼和不含鈮鋼在海水中不同腐蝕階段的交流阻抗譜和腐蝕電位,獲得了腐蝕過程的電荷傳遞電阻。研究結(jié)果表明:鈮鋼在海水腐蝕過程中的電荷傳遞電阻隨腐蝕時間的延長

2、而增大,其耐海水腐蝕性能優(yōu)于不含鈮鋼。關(guān)鍵詞:鈮鋼;海水腐蝕;交流阻抗譜;電荷傳遞電阻中圖分類號:T G 17215文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:100120963(20070120053204Corrosion of Low 2C arbon Nb Microalloyed Steel in Sea w aterWAN G Shu 2lan ,YAN G Hui ,ZHUAN G Li 2jun(School of Science ,Northeastern University ,Shenyang 110004,Liaoning ,China Abstract :Niobium is one

3、of the most effective microalloying elements of steel and has been used in niobium bearing steel for the construction of large ships and sea engineering.The corrosion behavior of niobium bearing steel in sea water is therefore very important.In this work ,A 1C 1impedance spectra and corrosion potent

4、ial of low 2carbon Nb microalloyed steels at different corrosion stages were measured systematically ,the charge transfer resistances of corrosion process were obtained and the charge transfer resistances increased with increasing the corrosion period.The results show that the corrosion resistance o

5、f the low 2carbon Nb microalloyed steel is better than that of the ni 2obium 2f ree steel.K ey w ords :Nb microalloyed steel ;corrosion ;impedance ;charge transfer resistance鈮是鋼中最有效的微合金化元素之一,平均10000個鐵原子中有一個鈮原子(相當(dāng)于0101mol %,就能改善鋼的性能。所以,鈮具有鋼鐵維生素之稱1。鈮主要用于鋼鐵工業(yè),在工業(yè)發(fā)達(dá)國家,平均每噸鋼消費鈮50100g 1,這反應(yīng)了一個國家鋼鐵工業(yè)的現(xiàn)代化程度

6、。世界上許多國家,如德國、日本、韓國和波蘭等造船大國普遍將鈮鋼用于建設(shè)海上石油鉆井平臺和海港。與國外相比,我國對鈮的應(yīng)用研究進(jìn)展相對比較緩慢2,50年代才著手研究耐海水腐蝕合金鋼,耐腐蝕合金包括Cr 2Ni 系、Cu 2P 系、Cr 2Ni 2W 系、V 2P 系、Ni 2Cu 系及CrMoAl 系等1,3。在此,筆者采用交流阻抗譜技術(shù)系統(tǒng)地表征了鈮鋼和不含鈮鋼的腐蝕過程,旨在為開發(fā)耐海水腐蝕鈮鋼提供理論依據(jù)。1實驗方法111試樣制備鋼樣由鞍山鋼鐵公司和武漢鋼鐵公司(以下簡稱鞍鋼和武鋼提供,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。將鋼樣切割成10mm ×3mm ×50mm ,表面用不同

7、型號的砂紙逐級打磨,再用丙酮除油、無水乙醇清洗,然后用環(huán)氧樹脂封裝非工作表面。電解質(zhì)為大連附近海域的天然海水,室溫電導(dǎo)率為3142×10-2S/cm 。112電化學(xué)測試將預(yù)處理好的工作電極插入電解質(zhì)溶液中,待體系的開路電位穩(wěn)定(電位值變化小于1mV/min 后,用美國EG&G 公司的M273A 恒電位儀和M5210表1鋼樣的化學(xué)成分T able 1Composition of steel %鋼號C Si Mn P S Nb Al Ti Fe來源9510111201117011260101201007010200101501005余量鞍鋼53401107011231108001

8、01701009010210102001010余量鞍鋼0098010980120011100010200101001028武鋼0080108001100111000102001010武鋼鎖相放大器定時測量試樣在自腐蝕電勢下的交流阻抗譜及腐蝕電位。測試采用三電極系統(tǒng),參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為鉑絲,鉬絲為工作電極的引線。測試頻率范圍為1×1050101Hz ,交流激勵信號幅值5mV 。2結(jié)果及討論211含鈮鋼的交流阻抗譜圖1為不同型號的鈮鋼在海水腐蝕中的交流阻抗譜。從圖1(a 看出,在所研究的腐蝕時間(t 內(nèi),951號鋼的交流阻抗譜均為單一半圓形。由于測量交流阻抗譜時,腐蝕反應(yīng)

9、仍在進(jìn)行,所以測得的阻抗響應(yīng)半圓是由腐蝕反應(yīng)的電荷傳遞電阻和電極-溶液界面雙電層引起的。阻抗響應(yīng)呈半圓形,表明腐蝕反應(yīng)由電荷傳遞過程控制4,5。隨著腐蝕時間的延長,交流阻抗譜響應(yīng)半圓半徑增加,說明腐蝕反應(yīng)的電荷傳遞電阻增大,腐蝕前4d 的電荷傳遞電阻明顯低于腐蝕16d 和32d 的電荷傳遞電阻,說明腐蝕過程中鈮鋼表面的腐蝕產(chǎn)物對進(jìn)一步腐蝕反應(yīng)起阻礙作用。采用圖1(a 右上角的等效電路擬和951號鋼的交流阻抗譜。對于表面不光滑的電極,常相位角元件(CPE 比純電容更能反映電流分布不均勻的電極的電容性質(zhì)。圖1(b 和圖1(c 是534號鈮鋼的交流阻抗譜。從圖1(b 可看出,腐蝕時間在8d 之內(nèi)時,

10、534號鈮鋼交流阻抗譜為單一半圓,并且隨著腐蝕時間的延長,電荷傳遞電阻增加。腐蝕時間超過8d 后,在交流阻抗譜的高頻端出現(xiàn)了第二個響應(yīng)半圓見圖1(c 。第二個響應(yīng)半圓是在鈮鋼長時間腐蝕后出現(xiàn)的,說明534號鈮鋼的腐蝕產(chǎn)物致密,在鈮鋼表面形成了可檢測到的產(chǎn)物膜,不易從鈮鋼表面脫落。因此,采用圖1(c 中的等效電路擬和534號鈮鋼腐蝕16d 和32d 的交流阻抗譜。圖1(d 和(e 示出了0098號鈮鋼在不同腐蝕時間的交流阻抗譜?？梢?098號鈮鋼交流阻抗譜的變化規(guī)律與534號鈮鋼相同,即在腐蝕初期( 腐蝕時Z 阻抗實部;Z 阻抗虛部;R s 溶液電阻;R 與腐蝕產(chǎn)物有關(guān)的電阻;R ct 電荷傳遞

11、電阻;C P E 1電極產(chǎn)物的電容性質(zhì);C P E 2電極與溶液界面的電容性質(zhì)圖1鈮鋼在海水腐蝕過程中的交流阻抗譜Fig 11AC imped ance spectra of niobium bearing steel corrosion in sea w ater45鋼鐵研究學(xué)報第19卷間不超過8d ,阻抗譜為單一半圓形,且電荷傳遞電阻隨著腐蝕時間的延長而增大;腐蝕后期(腐蝕時間超過8d ,在交流阻抗譜高頻端也出現(xiàn)了第二個響應(yīng)半圓?？梢?0098號鈮鋼的交流阻抗譜測量結(jié)果進(jìn)一步說明鈮鋼在海水中的腐蝕產(chǎn)物致密性好,能夠阻礙鈮鋼發(fā)生進(jìn)一步腐蝕。表2列出了各爐號鋼樣的腐蝕交流阻抗譜等效電路的擬和結(jié)

12、果。212不含鈮鋼的交流阻抗譜圖2為008號不含鈮鋼在不同腐蝕時間的交流阻抗譜。可見在所研究的腐蝕時間范圍內(nèi),交流阻抗表2鈮鋼腐蝕交流阻抗譜等效電路參數(shù)T able 2Equivalent circuit parameters of AC imped ance spectra for niobium bearing steel corrosion 鋼號9515340098t /dR ct /(cm 2C /(F cm 2R ct /(cm 2C /(F cm 2R ct /(cm 2C /(F cm 21825123001575710385132840185241882017530108431

13、894315484012438148821365119895157211288051790319677138801612041016903108401695910830119561086810329341021491099010150010104410157210譜均為單一半圓形,即在不同的腐蝕時間內(nèi),不含鈮鋼的腐蝕反應(yīng)全部由電荷傳遞過程控制。隨著腐蝕時間的延長,電荷傳遞電阻出現(xiàn)了先增加后減小的變化規(guī)律?？赡苁且驗楦g產(chǎn)物不致密,在腐蝕初期,腐蝕產(chǎn)物附著在電極表面上,增加了電荷傳遞阻力,到腐蝕后期,腐蝕產(chǎn)物層從電極上脫落,致使電荷傳遞電阻下降。因此,不含鈮鋼在海水中的腐蝕反應(yīng)比鈮鋼更容易進(jìn)行。

14、圖3是鈮鋼和不含鈮鋼在海水腐蝕過程中的電荷傳遞電阻隨時間的變化規(guī)律?？梢?在腐蝕過程中,鈮鋼的電荷傳遞電阻隨著腐蝕時間的延長而增大,不含鈮鋼的電荷傳遞電阻在腐蝕8d 后達(dá)到極值,之后隨著腐蝕時間的延長而減小。213腐蝕電位腐蝕電位(E 是指流經(jīng)電極上的電流為零時的電圖2008號不含鈮鋼在海水腐蝕過程中的交流阻抗譜Fig 12AC imped ance spectra of steel No 1008without niobium in sea w ater極電勢5。腐蝕電位的大小反應(yīng)了金屬腐蝕的難易程度,腐蝕電位與金屬及溶液性質(zhì)、溫度等因素有關(guān)6。對鋼樣腐蝕電位的研究結(jié)果表明,不含鈮鋼(008

15、號的腐蝕電位在整個腐蝕過程中基本保持不變,而鈮鋼的腐蝕電位隨著腐蝕時間的延長而逐漸增加(圖4,表明鈮鋼耐腐蝕能力逐漸提高。鈮鋼在海水中腐蝕后,腐蝕產(chǎn)物致密,可阻礙海水中的離子進(jìn)一步接近電極,提高了鈮鋼的抗腐蝕能力。因此,腐蝕電位研究結(jié)果還證明,鈮鋼的耐海水腐蝕能力優(yōu)于不含鈮鋼。3結(jié)論(1 鈮鋼在海水中的腐蝕反應(yīng)由電荷傳遞過程控圖3腐蝕過程中電荷傳遞電阻隨時間的變化Fig 13Change of ch arge transfer resistance withtime in corrosion process55第1期王淑蘭等:低碳鈮微合金鋼在海水中的腐蝕規(guī)律圖4腐蝕電位隨腐蝕時間的變化Fig1

16、4V ariation of corrosion potential with time制。電荷傳遞電阻隨著腐蝕時間的延長而增大。鈮鋼在海水中的腐蝕產(chǎn)物致密性好,有阻礙進(jìn)一步發(fā)生腐蝕的作用。腐蝕16d后,腐蝕產(chǎn)物膜可通過交流阻抗譜檢測出來。(2腐蝕初期,不含鈮鋼腐蝕反應(yīng)的電荷傳遞電阻隨著腐蝕時間的延長而增大;腐蝕后期,腐蝕產(chǎn)物從電極表面脫落,電荷傳遞電阻下降。(3致密的腐蝕產(chǎn)物使鈮鋼腐蝕電位隨著腐蝕時間的延長而增加,不含鈮鋼的腐蝕電位基本不變。(4鈮鋼耐海水腐蝕能力優(yōu)于不含鈮鋼。中信金屬公司對本工作給予支持和幫助,在此表示感謝。參考文獻(xiàn):1郭青蔚.鈮在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用J.稀有金屬快報,2005

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