模擬海洋大氣環(huán)境下Cu和Cr對耐候鋼耐腐蝕性能的影響_郝獻超

1、 第42卷·第1期·2009年1月21模擬海洋大氣環(huán)境下C u 和C r 對耐候鋼耐腐蝕性能的影響郝獻超, 肖葵, 張漢青, 董超芳, 李曉剛(1. 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京2. 北京市腐蝕、磨蝕與表面技術(shù)重點實驗室, 北京11111, 2100083; 100083摘要過去, 合金元素對耐候鋼海洋環(huán)境中的耐蝕性影響缺乏詳細的論討。選取Q 235和5種不同C u 和C r 含量的耐候鋼, 在0. 5%的N a C l 溶液中模擬海洋大氣環(huán)境進行周期浸潤試驗。研究結(jié)果表明:在C l 存在的環(huán)境中, 在碳鋼的基礎(chǔ)上單獨添加C r (03. 0%或單獨添加C u (

2、0. 25%0. 50%都不能使鋼的耐蝕性有顯著的提高。單獨提高耐候鋼中C r 的含量, 有助于抑制其在腐蝕初期的腐蝕速度, 但對后期的腐蝕發(fā)展趨勢不利; 單獨提高C u 的含量, 有助于延緩腐蝕后期的發(fā)展趨勢。當同時提高耐候鋼中的C u 和C r 含量時, 可使耐候鋼得到較佳的耐大氣腐蝕性能。X R D 分析結(jié)果表明, 合金元素對外銹層的成分影響不大, 其主要大氣腐蝕產(chǎn)物為-F e O O H , F e -F e -F e O O H 。3O 4, 2O 3和少量關(guān)鍵詞大氣腐蝕;C u ;C r ; 耐候鋼; 銹層; 周期浸潤試驗中圖分類號T G 172. 3文獻標識碼A 文章編號1001

3、-1560(2009 01-0021-03-0前言耐候鋼由于成本低于不銹鋼, 而耐大氣腐蝕性能比普碳鋼有較大提高, 而得到了廣泛的應(yīng)用15表1試驗用材料的化學(xué)成分試樣w C S i0. 200. 300. 300. 300. 300. 30M n S P N C u N i %C r 。但Q 2350. 161號2號3號4號5號0. 060. 060. 060. 060. 060. 61<0. 023<0. 019<0. 0450. 400. 0040. 400. 0040. 400. 0040. 400. 0040. 400. 0040. 0800. 0800. 0800.

4、 0800. 0800. 0010. 0010. 0010. 0010. 0010. 250. 30. 250. 30. 500. 30. 250. 30. 500. 31. 01. 52. 03. 0在海洋大氣環(huán)境, 普通耐候鋼由于其表面難以生成致密的內(nèi)銹層, 起不到提高耐海洋大氣腐蝕的作用。普遍認為, 微量的C u , C r 和N i 等合金元素的加入能提高鋼的耐大氣腐蝕性能。目前, 針對沿海大氣環(huán)境下合金元素對耐蝕性的影響, 特別是合金元素量的多少對耐蝕性的具體影響, 尚缺少詳細的探討68。針對這種情況, 本工作在實驗室內(nèi)采用干濕交替周期浸潤試驗方法, 模擬耐候鋼在近海大氣中的腐蝕環(huán)境

5、, 考察了C u 和C r 等元素對耐候鋼耐腐蝕性能的影響。以上試驗材料經(jīng)過線切割和機加工打磨, 尺寸為10m m ×10m m×3m m 。在試驗前用水磨砂紙逐級打磨至2000號, 用去離子水沖洗, 然后用酒精擦拭, 吹干后保存在干燥皿中, 使用精度為0. 01m g 的電子天平稱重, 并使用游標卡尺精確測量試樣的尺寸, 操作完畢后放回干燥皿以備使用。1. 2條件及參數(shù)本試驗使用的儀器是北京科技大學(xué)獨立設(shè)計的周期腐蝕試驗箱, 采用0. 5%N a C l 溶液, 試驗參數(shù)設(shè)定:水浴溫度(45±2,干燥溫度(60±2,下浸時間15m i n , 干燥時間

6、45m i n , 試驗周期48, 96, 192, 384h 。1試驗1. 1材料試驗材料為Q 235和5種不同C u 和C r 含量的耐候鋼(1號5號 , 材料的化學(xué)成分見表1。收稿日期20081012基金項目國家自然科學(xué)基金重大項目(N o . 50499336和科技部國家科技基礎(chǔ)條件平臺建設(shè)項目(N o . 2005D K A 10400 資助通信作者郝獻超(1980- , 男, 博士生, E -m a i l :h a o x i a n -c h a o 163. c o m 2結(jié)果與分析2. 1失重分析圖1為耐候鋼在N a C l 溶液中模擬大氣腐蝕的失Vo l . 42N o

7、. 1J a n . 2009重曲線 。的腐蝕趨勢加快。鋼種Q 2351號2號3號4號A 1. 590740. 918202. 481500. 432580. 240750. 21431M a t e r i a l s P r o t e c t i o n 表2試驗數(shù)據(jù)擬合的A , n 值n 0. 886210. 996370. 799561. 089511. 213051. 20900圖1試樣在周浸試驗中的失重曲線5號從失重曲線可以看出, 3號和5號表現(xiàn)出較好的耐蝕性, 說明同時添加較多的C u , C r 合金元素對提高鋼的耐蝕性是有利的。1號、2號和Q 235相比并沒有明顯優(yōu)勢, 甚

8、至?xí)垢g速度更快。因此在耐候鋼中添加少量的C r (<1%, 并不能使耐候鋼的耐腐蝕性得到提高。4號和1號, 2號比較, 在<192h 時, 隨著C r 含量的繼續(xù)提高, 腐蝕失重減小; 在>192h 時, 1號和4號的腐蝕失重顯著增加, 可見提高C r 元素含量(>1%對前期腐蝕有效, 但對后期不利。對比3號和4號耐候鋼, 高C u 低C r 的3號在腐蝕后期表現(xiàn)出更平緩的腐蝕發(fā)展趨勢。因此, 提高C u 的含量可以在腐蝕后期起到減緩發(fā)展趨勢的作用。由圖1可以看出, 高C u 高C r 的5號耐候鋼無論是在前期還是后期都表現(xiàn)出了較好的耐蝕性, 所以同時提高耐候鋼中的

9、C u 和C r 的含量, 可以使耐候鋼的耐蝕性得到顯著的提高。2. 2腐蝕動力學(xué)曲線擬合對6組試驗數(shù)據(jù)按照公式D=A t 進行冪函數(shù)擬合9n 注:A , n 均為常數(shù), A 值為腐蝕初始的腐蝕量, n 為腐蝕的發(fā)展趨勢。另外, 2號耐候鋼前期腐蝕較快, 后期腐蝕趨勢平緩, 而4號耐候鋼的前期腐蝕相對并不嚴重, 但后期腐蝕明顯加速。對比3號和4號發(fā)現(xiàn), 高C u 低C r 的3號后期腐蝕發(fā)展趨勢較緩, C u 有助于后期腐蝕發(fā)展趨勢; 2號和4號相比, C r 含量較高的4號后期發(fā)展趨勢反而較差, 但前期的耐腐蝕性能大大提高。由此可以得出:C u 作用于腐蝕的后期, 可減緩腐蝕發(fā)展趨勢; C

10、r 作用于腐蝕的前期, 大大地提高了材料的耐蝕性。對比4號和5號耐候鋼, 就其成分來看, 5號耐候鋼含有更高的C u 和C r , C u 含量顯著高于4號; 就其耐腐蝕性能來看, 在前期5號的腐蝕量更小, 后期腐蝕發(fā)展趨勢更平緩, 所以同時提高耐候鋼中的C u 和C r 含量是提高其耐腐蝕性的最佳途徑。因此, 高C r 低C u 的耐候鋼前期腐蝕較輕, 但對減緩后期的腐蝕發(fā)展趨勢不利, 即單純提高C r 的含量不能根本性地提高耐候鋼的耐大氣腐蝕性能; 高C u 低C r 的耐候鋼雖然在后期表現(xiàn)出良好的腐蝕發(fā)展趨勢, 但考慮到前期腐蝕比較嚴重, 在自然界復(fù)雜的環(huán)境中使用時, 如外加應(yīng)力等的影響

11、, 也許會提前出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞, 故單純提高C u 含量也不能提高耐候鋼的耐腐性能; 而高C u 高C r 的耐候鋼由于其前期良好的耐蝕性, 和后期較好的發(fā)展趨勢, 具有較好的耐大氣腐蝕性能。在本試驗參數(shù)條件下, 干濕交替周期浸潤試驗?zāi)軌蜉^好地反映C l 存在的海洋大氣條件下耐候鋼的腐-, 其腐蝕動力學(xué)曲線見圖2, 所得A , n 值見表2 。圖2試樣的腐蝕動力學(xué)擬合曲線蝕趨勢。2. 3銹層截面的電鏡觀察圖3為Q 235和5種耐候鋼周期浸潤加速腐蝕384h 后的銹層截面形貌。由圖3可以看出銹層由多種物質(zhì)組成。這些腐蝕產(chǎn)物密度不同, 比基體小, 隨著腐蝕產(chǎn)物的堆積, 會在銹層和基體的界面之間、各銹層

12、相之間產(chǎn)生應(yīng)力, 而腐蝕產(chǎn)物本身變形能力較差會出現(xiàn)裂紋。C u , C r 元素改如表2所示:對比1號、2號和4號耐候鋼中的A 值, 2號最大, 4號則較小, 可以認為在C r 含量較低的情況下, 單純添加C r 在C l 環(huán)境中對提高耐候鋼的初期耐蝕性是不利的; 對比2號和4號耐候鋼發(fā)現(xiàn), 在C r 超過一定的含量后, 提高耐候鋼中C r 的含量可以大大地減緩耐候鋼的初期腐蝕速度, 再考慮后期的腐蝕, 對比兩者的n 值發(fā)現(xiàn), 一味地提高C r 含量, 會導(dǎo)致后期- 第42卷·第1期·2009年1月23F e 235圖譜中明顯較強。32O 3峰值在1號、2號和Q號, 4號和

13、5號鋼中, 5號鋼則峰值較小?？梢? 在海洋環(huán)境下, 少量C r 的加入甚至對耐蝕性不利, 隨著C u 和C r 含量的同時增加, 銹層中F e 3O 4的峰強有減小的趨勢, F e 3O 4在銹層中是導(dǎo)電體, 能夠促進腐蝕電子轉(zhuǎn)移12, 13。這表明同時提高耐候鋼中的C u 和C r 含量有-助于提高耐候鋼在C l 環(huán)境中的耐大氣腐蝕性能。3結(jié)論(1 5種耐候鋼在N a C l 溶液中進行周期浸潤加速試驗, 腐蝕規(guī)律符合冪函數(shù)規(guī)律, 其擬合得出A 值大小順序為:A A A A A n 值大小順序2號>1號>3號>4號>5號;為:n n n n n 4號>5號&g

14、t;3號>1號>2號。(2 在含C l 的海洋環(huán)境下, 提高C r 含量有助于減緩耐候鋼前期的腐蝕速度。提高C u 的含量有助于減緩耐候鋼后期腐蝕發(fā)展的趨勢。但是, 單純提高耐候鋼中的C u 或C r 的含量, 并不能明顯改善耐候鋼的耐蝕性, 當同時提高耐候鋼中C u 和C r 合金元素的含量圖3試樣周浸384h 后銹層截面的電鏡形貌-時, 結(jié)果表明耐候鋼的耐蝕性得到了明顯改善。(3 通過對5種耐候鋼的腐蝕產(chǎn)物X R D 分析發(fā)現(xiàn), 耐候鋼在本試驗中的主要腐蝕產(chǎn)物為-F e O O H , F e -F e -F e O O H 。加速試驗和海洋環(huán)3O 4, 2O 3和少量境下現(xiàn)場

15、掛片試驗中得到的結(jié)果相比較, 主要腐蝕產(chǎn)物基本一致。參考文獻變銹層的微觀形態(tài), 加入合金元素后銹層表面腐蝕產(chǎn)物顆粒尺寸變大。從圖3可以看出, Q 235的銹層疏松, 和基體結(jié)合不夠緊密, 無明顯的內(nèi)外銹層之分。C u 含量一致, C r 含量依次增高的1號、2號和4號耐候鋼的銹層既有縱向裂紋也有橫向的, 而C u , C r 含量較高的3號和5號耐候鋼的銹層與基體結(jié)合緊密。2. 4銹層的X R D 分析周浸試驗384h 后的Q 235及5種耐候鋼的銹層X R D 結(jié)果見圖4。對比發(fā)現(xiàn):Q 235和5種耐候鋼的腐蝕產(chǎn)物主要為-F e O O H , F e e 3O 4, -F2O 3和少量-F

16、 e O O H , 室內(nèi)加速試驗和海洋環(huán)境現(xiàn)場掛片試驗中結(jié)果相比較101C h e nYY , T z e n g H J , We i LI , e t a l .C o r r o s i o nr e s i s t a n c e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f l o w -a l l o y s t e e l s u n d e r a t m o s -p h e r i cc o n d i t i o n s J . C o r r o s i o n S c i e n c e , 2005, 47(9

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20、3, 15(2 :8689. 圖中F e 的峰值沒有出現(xiàn), 說明外銹層足夠厚, 使得X 射線無法穿過11。對比5種耐候鋼發(fā)現(xiàn), F e 3O 4及(下轉(zhuǎn)第43頁 第42卷·第1期·2009年1月(3 充分發(fā)揮活性元素在高溫材料及涂層中的作用, 制備多活性元素的復(fù)雜涂層;(4 開發(fā)新的高溫防護涂層體系。參考文獻J . 材料工程, 1996(6 :4045. 4310李健, 王穎. 智能涂層及其研究現(xiàn)狀J . 表面工程資訊, 2006, 6(1 :56. 11L i HJ . C a r b o n /ca r b o n c o m p o s i t e s J . N e

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