耐候钢锈层稳定化的表面处理技术

刘建容 张万灵 何 锐

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

大气腐蚀是造成产品、设备、装置、结构件等早期失效与破坏的重要原因。每年因大气腐蚀造成的经济损失约占国民经济年总值的1%～2%[1]，其损失极为惊人。

在大气自然环境下，耐候钢相对于普碳钢来说具有良好的耐大气腐蚀性能，主要原因是经过长期大气曝晒，在其表面上形成了稳定致密的保护性锈层[2-3]。耐候钢的最佳使用方式应该是裸露使用，但耐候钢在自然环境中要完成锈层的稳定化需要相当长的时间[4-6]，在形成稳定化锈层之前，常常出现早期锈液流挂与飞散污染周围环境的现象，导致在城市近郊和城区使用时用户难以接受。特别是在含有Cl-的海洋性大气中，由于Cl-的作用，耐候钢表面的保护性稳定锈层生成会更加困难，所需时间将会更长。对耐候钢表面进行锈层的稳定化处理，可以缩短耐候钢早期使用阶段形成稳定化锈层的时间。本文为了获得一种表面锈层稳定化处理剂，进行了锈层稳定化表面复合处理剂的研究。

1 实验方法

研制的表面锈层稳定化处理剂及各组分的作用如表1。采用周浸腐蚀试验方法 ，对表面锈层稳定化处理剂的效果进行检验，试验基板采用09CuPCrNi钢，化学成分为C 0.07%、Si 0.40%、Mn 0.35%、P 0.085%、S 0.001%、Cu 0.32%、Cr 0.49%、Ni 0.25%，试样加工成50mm×100mm×4mm，表面磨光，Ra为3.2μm。采用刷涂的方式制样，以裸样作对比，进行4个周期的周浸腐蚀试验，每周期每种试样平行样3片。制样前首先进行除油、称重、量尺寸等常规处理。

表1 表面复合处理剂配方及各组分的作用

周浸腐蚀试验条件：

试验溶液：3%NaCl溶液，使用分析纯氯化钠与去离子水配制而成。补给液与试验溶液相同。

温度：45±2℃。

湿度：70±5%RH。

每一循环周期：60±3min，其中浸润时间：12±1.5min。

烘烤后试样表面最高温度：70±10℃。

试验结束后，腐蚀产物的清除采用1∶1的盐酸(HCl含量为37%)+3%六次甲基四胺。温度50℃左右。

2 试验结果与分析

2.1 周浸试验结果

周浸腐蚀试验后试样的表面状况见图1至图4。表面观察表明，经过处理试样的锈鼓包小于裸样，锈鼓包随着试验时间的延长而长大。所有试样的颜色正面均比反面深，反面的锈鼓包数量少于正面。

图1 周浸试验369小时后的表面状况

图2 周浸试验720小时后的表面状况

图3 周浸试验1080小时后的表面状况

图4 周浸试验1486小时后的表面状况

图5 周浸试验腐蚀率与时间的变化

周浸腐蚀试验结果(图5)表明，处理过的试样腐蚀率小于裸样，经过表面复合处理剂处理的试样，在第二个周期即720小时的时候，腐蚀率基本达到了稳定，而裸样的腐蚀率仍在逐步减小。从图5中可以看到，直到试验结束(1486小时)，裸样的腐蚀率仍没稳定，这说明，在本试验条件下，裸样不能形成稳定的锈层。表面复合处理剂的主要作用是：在有一定量氯离子存在的情况下，也能促进耐候钢表面生成均匀、致密的稳定化锈层。由于表面复合处理剂不是绝缘层，可有适量的氧气和水分透过，在氧、水、处理剂的共同作用下，耐候钢正反面会快速形成一种致密的锈层，在致密锈层保护下，钢材腐蚀率大幅降低。周浸腐蚀试验结果说明锈层稳定化表面处理效果明显。

试样除锈后的表面(图6)呈不均匀的蚀坑，反面的蚀坑比正面浅。这与大气曝晒试验后的试样较为相似，说明周浸腐蚀试验可较好地模拟海洋大气环境腐蚀晒试验。

图6 周浸试验1486小时除锈后表面

2.2 周浸试验锈层分析

周浸试验锈样X-射线衍射仪分析结果见图7，所有试样中的主要相组成为：γ-FeOOH(纤铁矿)、 Fe3O4，同时试样中还有非晶相。处理样和未处理样没有明显差异。

图7 周浸试验带锈样的X-射线衍射图

周浸试验带锈样的极化曲线测试结果见图8，电位测试结果见图9。

图8和图9表明，处理过的试样腐蚀电位比裸样高，这说明，利用表面复合处理剂对耐候钢进行锈层稳定化处理，不仅能促使耐候钢快速生成致密的锈层，而且还可以提高耐候钢试样表面的热力学稳定性，从而提高了试样表面抗坑蚀、点蚀等局部腐蚀的能力，这与除锈后的试样表面状态完全一致，这应该是锈层稳定化处理剂中的P、Cr等元素在表面富集的结果。

图8 周浸试验720小时带锈样的极化曲线图

图9 周浸试验1486小时带锈样电位与时间的变化

3 结论

(1)在3%氯化钠溶液的周浸试验中，经过锈层稳定化处理的耐候钢腐蚀率小于未处理样，经过表面复合处理剂处理的试样，在第二个周期即720小时，腐蚀率基本达到了稳定，而裸样到1486小时尚未稳定，说明锈层稳定化表面处理效果明显。

(2)处理过的试样腐蚀电位比裸样高，说明其稳定性相对较好，抗坑蚀、点蚀等局部腐蚀能力强。

[1] 李兴濂. 我国大气腐蚀网站试验研究回顾及发展建议[J].材料保护,2000,33(1),20-22.

[2] 刘建容，张万灵，蔡捷等. W450QN钢大气腐蚀性能研究 [J].腐蚀与防护，2011，32(4):305-307.

[3] 刘建容，张万灵，蔡捷，等.耐火耐候钢WGJ510C2的大气腐蚀性能研究[J].腐蚀科学与防护技术，2011，23(6):510-513.

[4] 梁彩风，候文泰.合金元素对碳钢和低合金钢在大气腐蚀中的影响[J].中国腐蚀与防护学报，1997，17(2)：87-92.

[5] 侯文泰，于敬敦，梁彩凤.碳钢及低合金钢的大气腐蚀[J].中国腐蚀与防护学报，1993，13(4)：291-301.

[6] 张全成,王建军,吴建生，等.锈层粒子选择性对耐候钢抗海洋大气腐蚀性能的影响[J].金属学报，2001,37(2)：193-196.