碳钢和耐候钢在盐雾环境下的腐蚀行为研究

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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