碳钢和耐候钢在盐雾环境下的腐蚀行为研究

2014-04-19 00:33张琳王振尧赵春英曹公望刘艳洁
装备环境工程 2014年1期
关键词:耐候盐雾电化学

张琳,王振尧,赵春英,曹公望,刘艳洁

(1.中国科学院金属研究所 金属腐蚀与防护国家重点实验室,沈阳 110016;2.沈阳理工大学 环境与化学工程学院,沈阳 110159)

如今无论在基础设施建设,还是在高科技产业中,钢铁都发挥着极其重要的作用,如高楼大厦、汽车桥梁、航天飞船、航空母舰等的研制都离不开钢铁,钢铁在人们的生活工作中占有越来越重要的地位。钢铁的腐蚀问题非常严重[1],出现在各个部门以及行业中,对经济的稳定发展、人们的日常生活和环境产生了巨大的危害。研究碳钢及耐候钢在海洋大气环境中的应用,有助于开发海洋资源[2]。开展钢在盐雾条件下的腐蚀行为研究,对于了解和控制钢在海洋大气环境下的腐蚀有重要的意义[3]。

1 实验方法

实验所用的Q235钢以及耐候钢为某钢厂提供,其化学成分(以质量分数计)见表1。实验试样分为失重分析样和电化学分析样。Q235钢失重分析样的尺寸为50 mm×50 mm×0.75 mm,耐候钢失重分析样的尺寸为48 mm×28 mm×5 mm,依次用150,240,400,800号砂纸打磨。将试样浸于丙酮溶液中,超声清洗除油,再用乙醇溶液脱水,放置于干燥器中,24 h后用精确度为0.001 g的分析天平进行称量并作记录。两种钢电化学分析样的尺寸均为10 mm×10 mm,同样用150至800号砂纸打磨,乙醇溶液脱水,吹风机吹干。盐雾试验介质为3.5%(质量分数)的 NaCl溶液[4-5],试验箱温度为(35±2)℃,喷雾时的相对湿度在80%以上,以4 h为1周期,喷雾2 h,干燥2 h,失重分析样垂直悬挂。取样时间分别为24,48,108,156,204,252 h,每次取失重分析样4个,其中3个进行失重分析,1个进行锈层形貌等方面的分析,同时取出3个电化学分析样进行电化学分析。

对取出的失重分析样进行除锈,除锈液为500mL盐酸+500 mL蒸馏水+20 g六次甲基四胺。将试样按编号浸入除锈液中,待锈层松动后,用毛刷将锈层刷去,同时用没有腐蚀的钢校正除锈液对钢基体的腐蚀。除净钢表面的锈层后,用乙醇清洗,用吹风机吹干,在干燥器中放置24 h后,用天平称量并作记录。每次取3个试样,取平均值为其实际质量。

表1 Q235钢及耐候钢的主要化学成分Table 1 Chemical composition of Q235 steel and weathering steel

2 结果与讨论

2.1 失重分析

Q235钢和耐候钢的腐蚀失重曲线如图1所示,观察Q235钢的腐蚀失重曲线,发现失重趋势为先增大,后减小,再增大,但趋势不明显,分析其原因可能是因为前期锈层薄且疏松,没有起到保护作用。随着锈层的增厚,失重趋势减小,后期锈层掉落导致锈层减薄,保护作用减弱,所以失重趋势又增大。耐候钢的腐蚀失重曲线的趋势是先增大后减小,后期由于锈层的保护作用,所以腐蚀趋势减小。Q235钢和耐候钢的锈层在3.5%(质量分数)NaCl盐雾环境中对钢都没有明显的保护作用,耐候钢的腐蚀失重略小于Q235钢。这说明在3.5%NaCl盐雾加速腐蚀试验中,耐候钢的锈层在腐蚀过程后期有一定抑制腐蚀的作用[6],耐候钢的耐腐蚀性比Q235钢略优。

图1 Q235钢和耐候钢的腐蚀失重曲线Fig.1 Mass loss vs test time for Q235 steel and weathering steel

2.2 锈层成分分析

Q235钢和耐候钢锈层的XRD谱如图2所示,分析表明,Q235钢锈层的主要成分为α-FeOOH,β-FeOOH,γ-FeOOH和Fe3O4。在试验初始周期中,锈层成分主要为还原性γ-FeOOH[7],对基体没有明显的保护作用。后期锈层转化生成了较稳定的α-FeOOH,结构致密,对基体有一定的保护作用[8-9]。耐候钢锈层主要成分为α-FeOOH,γ-FeOOH和Fe3O4,没有发现β-FeOOH,可能是由于耐候钢中的元素抑制了β-FeOOH的生成。耐候钢锈层成分在实验期间变化不明显,合金元素及锈层对钢基体的进一步腐蚀有一定的抑制作用[10]。Nishimura等[11]认为,Ni元素在锈层中可能是以 NiFe2O4的形式存在,具有更高的电化学稳定性,使得锈层具有更好的保护性[12]。

图2 腐蚀产物的XRD谱线Fig.2 X-ray patterns of rusts formed at different test time

2.3 锈层形貌分析

从Q235钢的表面形貌图(如图3所示)可以看出,前108 h形成的锈层表面形貌多为片状或棒状[13],较疏松,应为γ-FeOOH,108 h以后形成的多为棉球状的腐蚀产物,结构致密,应为α-FeOOH[14]。锈层中的α-FeOOH对基体有一定的保护作用。通过观察耐候钢的表面形貌图(如图4所示)可以看出,实验初期,耐候钢的锈层表面多为针状或片状,后期为球状α-FeOOH,对钢基体具有保护作用。

图3 Q235钢腐蚀不同时间后的锈层表面形貌Fig.3 Surface morphology of rust layer of Q235 steel at different corrosion time

通过观察Q235钢的截面形貌图(如图5所示),发现实验前期锈层较薄,且比较疏松,有许多裂纹,对钢基体的保护作用较小。随着实验的进行,锈层逐渐增厚,锈层的保护作用有一定增强,但后期锈层又开始变薄,可能是由于锈层的掉落导致的。通过观察耐候钢的截面形貌图(如图6所示),发现实验前期腐蚀锈层薄且不连续,锈层中有较大的孔洞。从108 h后,锈层开始分为内外两层;内层致密[15],能有效抑制腐蚀介质和氧的进入;外层疏松,基本无保护作用[16]。

图4 耐候钢腐蚀不同时间后的锈层表面形貌Fig.4 Surface morphology of rust layer of weathering steel at different corrosion time

图5 Q235钢腐蚀不同时间后的锈层截面形貌Fig.5 Cross section morphology of rust layer of Q235 steel at different corrosion time

2.4 电化学分析

采用3.5%(质量分数)NaCl溶液为电解液,测定腐蚀试样的电化学极化曲线,如图7所示。Q235钢的腐蚀电位基本不变,后期有所上升,说明锈层对钢基体的保护作用非常有限。耐候钢的腐蚀电位随着实验时间的延长逐渐上升,说明锈层能够抑制钢的腐蚀,对钢基体有一定的保护作用。在相同的腐蚀时间内,耐候钢的腐蚀电位均高于Q235钢的腐蚀电位,说明耐候钢的耐蚀性优于Q235钢。观察Q235钢和耐候钢的阴极极化曲线,发现未腐蚀试样的阴极极化曲线出现氧扩散控制的特征现象[17],腐蚀试样由于锈层中含有还原性物质,阴极极化曲线开始倾斜[18-19]。观察Q235钢和耐候钢的阳极极化曲线,发现随着试验时间的延长,曲线向着腐蚀电流减小的方向偏移,说明锈层抑制了阳极反应,保护了钢基体[20-21]。

图6 耐候钢腐蚀不同时间后的锈层截面形貌Fig.6 Cross section morphology of rust layer of weathering steel at different corrosion time

图7 Q235钢和耐候钢不同腐蚀时间试样的极化曲线Fig.7 Polarization curves for rusted samples of Q235 steel and weathering steel for various corrosion time

3 结论

在3.5%(质量分数)NaCl溶液加速腐蚀实验中,耐候钢的腐蚀失重小于Q235钢。Q235钢锈层的主要成分为α-FeOOH,β-FeOOH,γ-FeOOH和Fe3O4,耐候钢锈层的主要成分为α-FeOOH,γ-FeOOH和Fe3O4。α-FeOOH电化学性质稳定,对钢基体具有保护作用。耐候钢的内锈层致密,能够阻碍腐蚀介质和氧接触钢基体,从而减慢钢的腐蚀速度。相对于Q235钢,耐候钢所含的Cr等合金元素在腐蚀过程中发生了转移和化学反应,抑制了基体的腐蚀。在3.5%NaCl溶液中,耐候钢的优势并不明显,不适合用于海洋大气环境中。

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