贝氏体钢模拟沿海大气腐蚀研究

邵长静

(辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161)



贝氏体钢模拟沿海大气腐蚀研究

邵长静

(辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161)

为了研制一种耐沿海大气腐蚀的钢种，通过添加Cu、P和Ni元素，设计出了一种低碳贝氏体耐候钢，采用干湿交替加速腐蚀实验对其耐沿海大气腐蚀性能进行模拟，并对腐蚀产物进行XRD和扫描电镜分析，确定其耐蚀性能。经过实验验证：该低碳贝氏体耐候钢的耐蚀性优于耐候钢09CuPCrNi和低合金钢Q345，主要是由于所添加合金元素的联合作用及贝氏体组织的形成。

贝氏体耐候钢；腐蚀；锈层

1 实验部分

1.1 实验目的

本实验的目的在于验证自行研制的新型低碳贝氏体耐候钢耐沿海大气腐蚀的能力。研究合金元素的添加以及实验钢的组织对其耐蚀性能的影响，为研制耐沿海大气腐蚀的新型低碳贝氏体耐候钢提供理论依据。

1.2 实验材料

本实验通过添加Cu、P和Ni元素，自行设计了低碳贝氏体耐候钢(以下简称C1钢)，采用低合金钢Q345和传统耐候钢09CuPCrNi作为对比钢，来比较其耐蚀性能的好坏，以下是3种钢的成分(见表1)。

表1 3种实验钢的成分 %

1.3 实验钢的金相组织

3种实验钢(热轧态)在金相显微镜下进行观察(如图1)，如图1所示，低合金钢Q345的组织为粗大的铁素体+珠光体，C1钢的组织为细小的粒状贝氏体，传统耐候钢09CuPCrNi的组织为细小的铁素体+珠光体[1]。

a Q345钢； b C1钢； c 09CuPCrNi钢

1.4 实验方法

取3种钢的试样(C1钢，Q345，09CuPCrNi)，在湿热试验箱内进行干湿交替腐蚀增重实验(其中湿热试验箱腐蚀12 h，温度50℃，相对湿度60%，湿热箱取出后室温干燥12 h称重，此24 h为1个周期)，用0.3% NaCl+0.052% NaHSO3溶液模拟沿海大气对实验钢进行腐蚀。根据实验钢在不同腐蚀周期单位面积的重量变化与腐蚀周期的关系，画出腐蚀增重曲线图；利用X射线衍射仪对腐蚀产物结构测定；利用扫描电镜对腐蚀不同周期的试样进行锈层表面形貌与锈层断面形貌的观察，来研究锈层的变化情况[1]。

2 实验结果及分析

2.1 模拟沿海大气腐蚀增重曲线

图2为模拟沿海大气腐蚀不同周期3种实验钢的增重曲线。

1 Q345钢; 2 09CuPCrNi钢; 3 C1钢

3种实验钢的曲线均分别保持各自的斜率不断上升，Q345钢的增重曲线位于最上方，斜率最大，09CuPCrNi钢的增重曲线位于中部，C1钢的增重曲线低于其他两种钢。在NaCl+NaHSO3溶液中同时存在氯离子和亚硫酸氢根离子，这时的腐蚀行为与只有单一腐蚀介质的情形不同，氯离子具有很强的侵蚀性，不仅能起到导电介质的作用，他还具有活化作用，导致细微的裂纹出现在实验钢表面的腐蚀产物膜上，同时还会加大腐蚀产物中Fe2+的浓度，增加钝化膜被破坏的机率，使腐蚀进一步加速。因此氯离子和亚硫酸氢根离子在溶液中产生了“协同作用”，大大的加速了腐蚀的进行[2]。这就导致腐蚀初期形成的较薄锈层虽然对基体具有一定的保护作用，但不能从根本上阻止腐蚀的继续进行，只有当腐蚀进行到一定周期后，锈层达到了一定的厚度，对氯离子和亚硫酸氢根离子向基体的渗入起到了阻碍作用，才会使增重曲线逐渐趋于平缓。如图2所示，在相同的腐蚀周期，C1钢的增重最少，Q345钢的增重最多，说明3种实验钢耐沿海大气腐蚀的性能好坏顺序依次为：C1钢>09CuPCrNi钢>Q345钢。

2.2 模拟沿海大气腐蚀产物XRD分析

图3为3种实验钢模拟沿海大气腐蚀5周期的XRD图谱，图4为C1钢模拟沿海大气腐蚀15周期的XRD图谱。

1 Fe+3O(OH); 2 FeO(OH); 3 Fe3O4

1 Fe+3O(OH); 2 FeO(OH); 3 Fe3O4

虽然钢种不同，腐蚀周期也不同，但3种实验钢的腐蚀产物均为Fe+3O(OH)、Fe3O4和FeO(OH)。表2是实验钢锈层相组成体积分数。

表2 模拟沿海大气腐蚀后锈层的相组成 %

由表2可知：在腐蚀初期，3种实验钢锈层相组成的百分含量相并差不大，全都以Fe+3O(OH)为主，约占腐蚀产物的65%左右，FeO(OH)和Fe3O4的百分含量基本相当，约为15%和20%。以C1钢为例，我们发现腐蚀15周期后相组成体积分数发生了很大的变化：Fe+3O(OH)的含量明显上升，FeO(OH)的含量变化不大，Fe3O4的含量明显减少仅为6%，说明从腐蚀5周期到腐蚀15周期发生了Fe3O4向Fe+3O(OH)的转化，转换过程为：3Fe3O4+3/4O2+9/2H2O→9γ-FeOOH[3]。腐蚀初期的锈层组成物为γ-FeOOH，γ-FeOOH是亚稳定产物，在长期的大气腐蚀过程中，会经过非晶态的FeO(OH)最终转化为稳定的锈层组成物α-FeOOH。从热力学角度来说，α-FeOOH是锈层组成物中最稳定的，他对基体具有保护作用，这种保护性锈层的形成可以使钢的腐蚀速率变慢，腐蚀曲线逐渐趋于平缓，甚至下降。

2.3 模拟沿海大气腐蚀表面SEM观察

图5为实验钢模拟沿海大气腐蚀5周期后表面腐蚀产物的SEM形貌。

a Q345钢；b C1钢；c 09CuPCrNi钢

由于模拟沿海大气腐蚀的腐蚀液中含有氯离子，导致3种实验钢表面腐蚀产物均出现了β-FeOOH[4](团针状)，腐蚀产物为α-FeOOH(团状)、β-FeOOH与γ-FeOOH(片状)的混合物[4]，图5(b)所反映的是C1钢的锈层表面形貌，在其他两种实验钢上腐蚀产物也相同，只因拍摄缘故而未能很好的显现。从模拟腐蚀5周期产物的形貌来看，Q345钢和C1钢的腐蚀产物大部分为团状的α-FeOOH，同时也含有团针状的β-FeOOH，这些腐蚀物底部为γ-FeOOH以片状形式交织成网，09CuPCrNi钢的腐蚀产物主要为片状的γ-FeOOH。从致密度看，C1钢腐蚀产物的致密度高于其他两种实验钢。

图6为模拟沿海大气腐蚀15周期后，3种实验钢表的面腐蚀产物的SEM形貌像。

a Q345钢；b C1钢；c 09CuPCrNi钢

该形貌明显与腐蚀5周期时的形貌不同，细小的团状组织几乎完全消失了，所有的腐蚀产物均为不规则形状，腐蚀产物层变厚并发生堆积，并且在腐蚀过程中，随着腐蚀周期的变长，腐蚀产物的形貌也发生了变化。如图6所示，此时3种实验钢的表面腐蚀产物形貌基本相同，无法从形貌判断他们所产生的腐蚀产物的类型。

2.4 模拟沿海大气腐蚀断面SEM观察结果

实验钢模拟沿海大气腐蚀15周期后锈层断面的低倍像如图7所示。

a Q345钢；b C1钢；c 09CuPCrNi钢

因为腐蚀时间较长，所以锈层比较厚，在不计处理过程中锈层部分脱落的情况下，每种实验钢锈层的厚度均超过了200 μm，Q345钢的锈层最厚处竟达了260 μm以上。每种钢的锈层都由外锈层和内锈层两部分构成(其中外锈层疏松易脱落，内锈层与基体结合好且致密)，从图7看到有较多的孔洞存在于Q345钢的锈层上，锈层上同时有裂纹存在，外锈层处还有比较细小的蜂窝状孔。由于蜂窝状孔的存在，导致锈层对基体的保护能力弱；09CuPCrNi钢的锈层上也存在着孔洞，但是其上的孔洞比Q345钢明显减少，锈层致密性好于Q345钢；C1钢的锈层上没有孔洞也没有裂纹，从外锈层处可以看出：C1钢的锈层以小颗粒状圆球形式紧密的排列在一起，锈层对基体的保护作用明显好于其他两种实验钢。

3 结 论

在模拟沿海大气腐蚀实验中，C1钢表现出最好的耐蚀性能，这与合金元素的加入和贝氏体组织的形成均有关系。合金元素Cu、P和Ni的加入能提高钢的自腐蚀电位，Cu可以降低腐蚀后期的腐蚀速率，Cu和P能够加速腐蚀产物中不稳定的β-FeOOH和γ-FeOOH向稳定的α-FeOOH的转化，使钢的耐腐蚀性能明显提高。粒状贝氏体组织不存在粗大的碳化物和晶界，因此比铁素体+珠光体组织更加耐蚀。

[1] 邵长静. 低碳贝氏体耐候钢在海岸大气和工业大气环境下的腐蚀行为研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2010.

[2] 崔雷, 杨善武, 王树涛. 低碳贝氏体钢在三种典型环境中的腐蚀行为和腐蚀产物[J]. 北京科技大学学报, 2009, 31(3): 306-311.

[3] 杨景红, 刘青友, 王向东, 等. 耐侯钢及其腐蚀产物的研究概况[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2007, 27(6): 367-371.

[4] 杨建春. 关于耐候钢开发的探讨[J]. 马钢职工大学学报, 2003, 13(4): 1-5.

Bainitic Steel Simulation Coastal Atmospheric Corrosion Research

SHAO Changjing

(DepartmentofAutomaticControl,InstituteofLiaoningEquipmentManufacturingProfessionalTechnology,Shenyang,Liaoning110161,China)

In order to develop a steel in coastal atmospheric corrosion, we add Cu, P and Ni element to design a kind of low carbon bainitic weathering steel, by using dry-wet alternate accelerated corrosion experiments simulate in its corrosion resistant ability to the coastal atmospheric. We also use XRD and SEM to analyze the corrosion products to determine the corrosion resistant performance. After experimental verification, the corrosion resistance of the low carbon bainitic weathering steel is better than that of weathering steel 09CuPCrNi with low alloy steel Q345, as is mainly due to the adding of alloy elements and the formation of bainitic organization.

Bainitic weathering steel; Corrosion; Rust

2016-10-18

邵长静(1982-)，女，辽宁朝阳人，讲师，研究方向：金属材料的腐蚀，手机：18040051781，E-mail：561319188@qq.com.

TG142.2;TG172.3

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.031