Q345钢与耐候钢09CuPCrNi模拟工业大气耐蚀性能比较

邵长静

辽宁装备制造职业技术学院（ 沈阳 110164 ）

作为一种高效钢材，耐候钢的耐大气腐蚀性能是得到公认的。耐候钢相对于碳钢来说具有良好的耐大气腐蚀性能，本试验从耐工业大气腐蚀方面对Q345钢和耐候钢09CuPCrNi进行了干湿交替腐蚀增重实验，并进行了腐蚀性能的测定，对此进行进一步的说明。

1 试验

1.1 试验材料

本实验采用传统耐候钢 09CuPCrNi和普通碳钢Q345，其成分和显微组织如表1所示。

表1 实验钢的化学成分（mass%）

对两种热轧态实验钢在GX71型OLYMPUS倒置式系统金相显微镜下进行金相观察，如图1所示。可以看出，Q345钢为粗大的铁素体+珠光体组织，珠光体含量较多，09CuPCrNi钢为细小的铁素体+珠光体组织。

图1 钢的金相组织

1.2 干湿交替实验

实验设备为SDJ450F湿热试验箱。实验所用的腐蚀液为模拟工业大气腐蚀的 pH4的0.052%NaHSO3溶液。干湿交替循环腐蚀实验流程为：①用TG-328B光学读数分析天平称量样品初始重量；②在样品实验表面按40 μl/cm2滴加腐蚀溶液，铺展均匀后放入湿热试验箱腐蚀12 h，环境条件为50℃ 和60%相对湿度；③从湿热箱中取出后放室温下干燥12 h后再次称重，然后用蒸馏水洗盐以避免盐粒在腐蚀表面沉聚；④重复第②和第③步直到设定的干湿交替次数。

1.3 腐蚀形貌观察与产物分析

采用 SSX－550型扫描电镜对经过干湿交替腐蚀的试样进行锈层断面形貌的观察，以研究锈层的变化规律。

对经过干湿交替腐蚀的试样锈层进行了结构分析，所用设备为荷兰panalytical B.V公司生产的TW3040/60型X，pert pro MPD衍射仪。采用Cu靶，最大管电压为40 KV，最大管电流为40 mA，扫描角度从10 °到80 °，步进扫描速度为 0.033 °/s。试样尺寸为 10 mm×10 mm×3 mm，扫描面尺寸为10 mm×10 mm。结果分析采用X'Pert High Score Plus 软件进行。

2 结果与讨论

2.1 增重曲线分析

图2为在0.052% NaHSO3溶液中模拟工业大气腐蚀实验得到的两种实验钢在不同时间段的增重速率曲线。由图可见，Q345钢的增重速率曲线位于上方并与 09CuPCrNi钢的腐蚀速率曲线之间存在较大的距离，说明Q345钢的腐蚀速度明显快于 09CuPCrNi钢。在腐蚀的开始阶段两种钢的腐蚀速率均较高，而随着腐蚀时间的增长，当试样表面被锈层覆盖后两种钢的腐蚀速率均呈下降趋势，这是由于NaHSO3有还原性，钢经 NaHSO3溶液腐蚀后锈层中 FeOH+的浓度较高，形成腐蚀产物γ-FeOOH和α-FeOOH的速度也快，据文献介绍[2]溶解的铁是经Ferrihydrite(Fe5HO8·4H2O)转化而成 γ-FeOOH 和 α-FeOOH的，其中，FeOH+可吸附在 Ferrihydrite表面促使其溶解并转化为γ-FeOOH或α-FeOOH，随着腐蚀产物γ-FeOOH的形成，溶液的pH值会下降，酸性介质有利于形成 α-FeOOH，形成的α-FeOOH晶体颗粒小对基体有保护作用。虽然腐蚀过程中产生的锈层较薄，腐蚀液也不容易渗入基体，锈层对基体还是有一定的保护作用的。从增重曲线测得的腐蚀速率来看两种钢的耐蚀性能从高到低的顺序为：09CuPCrNi钢＞Q345钢，这是由于09CuPCrNi钢的晶粒较Q345钢的细小，且内部同时存在能够提高耐蚀性能Cu、P、Cr和Ni元素提高了其耐蚀性，而Q345钢内部含有粗大的碳化物，晶界面积大，造成钢的自腐蚀电位低，同时存在很多腐蚀微电池，内部没有耐蚀性合金元素来提高它的耐蚀性能，因此导致其耐蚀性较09CuPCrNi钢差。

图2 实验钢模拟工业大气腐蚀增重曲线

2.2 XRD定性分析

图3为两种实验钢在0.052% NaHSO3溶液中模拟工业大气腐蚀15周期后的XRD衍射图谱，从衍射图可以看出不同实验钢试样的锈层在成分上并无差别，组成相有Fe+3O(OH)、FeO(OH)和Fe3O4等。虽然锈层的相组成没有太多差别，但是各相的体积分数有较大差异，见表2所示。从表2看出：锈层的相组成主要是两种不同晶型的羟基铁和Fe3O4，Q345钢锈层中Fe3O4的含量较高，羟基铁含量较低。大多数文献认为Fe3O4不具有保护作用，所以含有过多的Fe3O4对保护性锈层的形成并没有好处。

图3 模拟工业大气腐蚀15周期XRD图谱

表2 锈层的相组成

2.3 锈层截面的电镜观察

图4为实验钢模拟工业大气腐蚀15周期后断面形貌像，两种钢的锈层截面形貌不同，09CuPCrNi钢的锈层较均匀，腐蚀深坑较少，腐蚀界面平直，基体腐蚀是均匀腐蚀，锈层均匀增厚；Q345钢锈层生长方式以局部腐蚀为基础，首先局部腐蚀出深坑，腐蚀坑再横向发展，连成一片。从图上可以看出Q345钢锈层比较松散，内部有较大的孔洞，与基体的结合能力较差，极易脱落；09CuPCrNi钢的锈层与基体结合能力较好，且锈层看起来比较细腻，晶体颗粒小，锈层相对比较致密，对基体的保护作用比Q345钢锈层保护作用好。09CuPCrNi钢无论在增重曲线测量，还是在锈层致密度方面均优于Q345钢，主要是由于09CuPCrNi钢中加入了Cu、P、Cr和Ni元素，从微观结构看Ni能够通过取代各种铁锈化合物中Fe的位置，使得锈层具有阳离子选择性，抑制了腐蚀性离子的侵入，从而提高了耐蚀性，Cu和P对保护性锈层的生成也起到了辅助作用，因为Cu能有助于锈层中γ- FeOOH 向α- FeOOH 转化，有利于稳定锈层的形成，并能使腐蚀电位向正方向移动；偏聚在材料表面上的P原子在水和氧的作用下水解，生成一种致密性较高磷酸盐，并且能均匀覆盖在基体表面的空洞和裂纹处，阻碍了水和氧的通过，使基体免遭进一步的腐蚀，并且H2PO4－能够加速锈层中Fe2+向Fe3+的转化、使腐蚀初期反应快速进行、阻止铁锈粒子长大，使腐蚀生成物颗粒细小、结构致密，促进了致密、稳定、均匀的保护膜形成。

图4 模拟工业大气腐蚀15周期后断面形貌像

3 结论

(1)在 0.052%NaHSO3介质中干湿交替环境下，耐候钢 09CuPCrNi的腐蚀速率明显慢于Q345钢。

(2)两种钢锈层均由Fe+30（0H0，Fe0（0H）和Fe3O4组成，但相组成百分含量不同。

(3)Cu、P、Cr和Ni元素在耐候钢内协同作用，提高了钢的抗大气腐蚀性能。

[1]董洁.耐火耐候耐海水腐蚀H型钢性能研究.沈阳：东北大学,2008.

[2]屈庆,严川伟等.NaCl和SO2在A3钢初期大气腐蚀中的协同效应.金属学报,2010.46(3).

[3]陈惠玲,陈淑会等.碳钢在NaHSO3和Na2SO4溶液中加速腐蚀锈层比较.腐蚀与防护,2006,27(1).

[4]郝献超,肖葵等.模拟海洋大气环境下Cu和Cr对耐候钢耐腐蚀性能的影响.材料保护,2009,42(1).

[5]马丽微,王向东等.Cu对碳钢耐大气腐蚀性能的影响.天津冶金,2007,143(5).

[6]贾书君,刘清友等.磷对低碳钢耐大气腐蚀性能的影响.中国腐蚀与防护学报,2007,27(3)