关于碳钢与低合金钢耐大气腐蚀规律研究

闫武巍

（哈尔滨哈锅锅炉工程技术有限公司，黑龙江 哈尔滨 150060）

1 碳钢与低合金钢耐大气腐蚀规律实验的设计

1.1 实验材料与仪器的选用

在本次实验中，使用了七种含有不同合金元素的钢铁，具体为 06CuP、09CuP、CortenA、20#（1）、20#（2）、A3（1）、A3（2）。同时，实验仪器使用了 DW-UD-3 型浸渍干湿复合循环实验装置，设定湿温40℃、时间为4min；干温为50℃、时间为12min；沉浸温度为40℃、时间为4min。同时，设定钢铁试样的尺寸为50×50×1.5mm。在实验前，要利用砂纸打磨试样至800号，并用丙醇除油、用无水乙醇脱水。

在本次实验中，需要应用浸渍溶液，其主要成分及含量如下：硫酸氢钠0.01mol/L、氯化钠0.001mol/L。通过这样的方式，实现对大气污染条件的模拟。

1.2 实验方法的设计

本次实验持续时间为5d，每天（或是每间隔24h）完成一次取样。每次取样中，每种材料都要取一组（包含3块平行试样），完成试样质量的测量。

对锈蚀材料在电解质溶液中发生的电化学反应进行研究时，主要使用了电化法完成。此时，对于每种材料均制作出6个电极试样，暴露面积设定为10×10mm，与失重试样同时放入，在第1天、第3天、第5天时取出电极试样，并分别完成极化曲线以及交流阻抗的相关测试。其中，设定交流阻抗测试的频率在10-2～105Hz的范围内；电位步进速度设定为1mV/s。

在进行试样腐蚀形貌的观测时，主要在SEM/EDX上完成，并利用X光粉末衍射完成腐蚀成分的测定。

2 碳钢与低合金钢耐大气腐蚀规律实验的结果与讨论

2.1 碳钢与低合金钢耐大气腐蚀的规律与形貌

总体上来说，在模拟大气污染的条件下，所有钢样本的腐蚀规律呈现出一致的现象，但是不同钢样本的腐蚀速率存在一定的差别。笔者认为，这主要是由于不同钢样本产生的锈蚀产物存在差异导致的。在锈蚀产物形成的初期，其性质对钢材料的进一步腐蚀产生较大的影响。

在本次实验中发现，在实验的五天中，06CuP的腐蚀失重变化幅度最小。可以得出，06CuP在腐蚀初期，就产生了保护性良好的锈蚀产物层。而09CuP在实验的五天中，腐蚀失重率变化与06CuP较为相似，但是腐蚀速率更大。而对于CortenA来说，其在腐蚀初期表现出的腐蚀速率较高，然而在实验四天后，腐蚀速率就明显下降，这表明，CortenA的保护性锈蚀层逐渐形成。通过腐蚀表面的观察能够得出，06CuP、09CuP以及CortenA表面生成的锈蚀产物呈现出致密、均匀的现象，利用扫描电镜能够观察到，这些钢样本的锈蚀产物颗粒呈现出紧密排列的形貌；20#、A3表面生成的锈蚀产物呈现出疏松、粗糙的现象，利用扫描电镜能够观察到，这些钢样本的锈蚀产物颗粒存在裂纹以及局部的剥离。在X光粉末衍射分析中，得出所有钢样本的锈蚀产物均由ɑ-FeOOH以及γ-FeOOH构成，同时，还包含一定量其他铁的氧化物。

2.2 合金元素对电极过程的影响

对于钢材料来说，当其表面形成了锈蚀层后，由于其结构松散，所以会在溶液以及电极样之间形成两个双电层，其主要由锈蚀外层与表面电解液构成，另一个则主要由钢材料与渗入到材料表面的电解液构成。结合上述的实验结果分析能够了解到，锈蚀层具有一定的阻挡作用，所以在低频条件下会扩散阻抗。

为了进一步探究锈蚀金属材料在电解液中的腐蚀情况，笔者应用了等效电路实现了腐蚀的模拟。为了降低弥散效应对结果的影响，笔者设计的等效电路中所有的元件均使用了常相位角元件。在该等效电路中，材料溶解反应的电荷传递电阻与Warburg阻抗串联，且并联于材料与渗入电解液构成的双电层；这一结构与锈蚀层电阻串联，且并联于锈蚀外层与体相电解液构成的双电层；这一结构最终与溶液电阻串联。

利用等效电路进行分析可得出，当锈蚀时间增加，离子传输阻抗表现出上升趋势，这意味着锈蚀层的产生增加了离子的运输阻力。在实验的第五天，基于不同钢样本的离子传输阻抗顺序与干湿交替的结果呈现出一致的表现，这意味着锈蚀层的阻抗值越大，则钢材料的耐腐蚀性更强。造成这一现象的主要原因是锈蚀的初期阶段，锈蚀层的形成稳定性不高，而经过一段时间的锈蚀后，锈蚀物质的相变使得内锈蚀层的致密程度提升，此时，腐蚀现象会进入一个较为稳定的阶段。

通过分析离子通路的畅通程度，能够了解到锈蚀层（特别是内锈蚀层）的致密程度。对于钢材料中的合金元素来说，其主要的作用在于，能够促进锈蚀层更加稳定，提升物质的扩散难度。笔者在实验中发现，当时间不断变化时，A3钢的离子传输阻抗的变化程度较小，且数值也较小。相比较来说，06CuP、09CuP以及CortenA的锈蚀层阻抗随着时间的变化而产生较大的变化。这意味着，随着锈蚀层的不断积累与演变，锈蚀层对钢材料的保护作用更强。

通过回归分析能够得出，锈蚀层阻抗的大小与钢材料的腐蚀速率呈现出了较好的线性关系，当锈蚀层的阻抗值越大，则说明其具有保护性越高。但是A3（2）样本的相关数据并不符合这一规律，因此，在本次回归分析中，并没有应用A3（2）样本的相关数据。造成这一现象最可能的原因在于A3钢的锈蚀层过于疏松，在实验中出现不断剥落的现象，导致其阻抗值过于小。

3 结 语

在本次关于碳钢与低合金钢耐大气腐蚀规律探究实验中，得出的结果如下：总体上来说，在模拟大气污染的条件下，所有钢样本的腐蚀规律呈现出一致的现象，但是不同钢样本的腐蚀速率存在较大的差别；本次实验中使用的七种钢的腐蚀规律都可以用同一表达式表述，即Y=Y0+Ae-t/B，可以看出，腐蚀规律为负指数规律。在该表达式中，Y代表了腐蚀失重率；t代表了时间；A和B均为常数。根据这一表达式能够得出，在当前的实验环境下（大气污染环境下），所有钢样本的腐蚀速率都呈现出由快变慢的现象。随着时间的增加，含有A3钢的腐蚀速率最大，是06CuP的2.5倍；锈蚀层的产生增加了离子的运输阻力；锈蚀层的阻抗值越大，则钢材料的耐腐蚀性更强；随着锈蚀层的不断积累与演变，锈蚀层对钢材料的保护作用更强；锈蚀层阻抗的大小与钢材料的腐蚀速率呈现出了较好的线性关系，当锈蚀层的阻抗值越大，则说明其具有保护性越高。