耐腐蚀钢土壤地埋腐蚀试验研究

王海燕 孔德南 夏志升 王中岐

（安阳钢铁集团有限责任公司）

0 前言

耐腐蚀钢是指通过添加铜、磷、铬、镍等耐腐蚀合金元素，使其在大气中或者其他介质中具有良好的耐腐蚀性能的合金钢，其耐腐蚀性能为普通碳素钢的2～8倍，并且使用时间越长，耐蚀作用越明显。耐腐蚀钢除具有良好的耐腐蚀性外，还具有优良的力学、焊接等使用性能，在国内外广泛应用于集装箱、桥梁、铁路车辆、汽车、锅炉、烟草、电力、建筑和海洋工程等行业，随着“节约型社会”的发展，耐腐蚀钢的应用将愈加广泛，有着巨大的发展空间。

土壤是人类赖以生存和发展的最基本的自然环境。土壤腐蚀或称地下腐蚀，指土壤对地下设施和构筑物等因受土壤中的水分、溶盐、氧和微生物等的侵蚀而发生的腐蚀破坏现象[1]。土壤腐蚀是最重要的实际腐蚀问题之一，如地下管道、电缆及各种地下建筑的腐蚀破坏是导致材料失效的主要原因。土壤的理化性质包括含水量、含盐量、电阻率、pH值、总酸度等[1]，由于土壤环境条件的复杂性，其腐蚀机理和规律探索较为困难，实际上，没有一个土壤因素可单独的决定土壤的腐蚀性，必须考虑多重因素的交互作用。

随着市场变化，用户逐渐关注到耐腐蚀钢的实际耐腐蚀性能，因耐腐蚀钢在实际应用中存在直接埋入地下使用的情况，所以开展耐腐蚀钢在土壤中的腐蚀试验研究具有重要意义。

1 地埋腐蚀试验

1.1 试验方法

图1 三个钢种地埋腐蚀试验现场

采用室外地埋腐蚀试验方法，试样规格为2 mm×100 mm×600 mm，保留钢板原始轧制面，每种产品4个平行试样，选择09CrCuSb，SPA-H作为试验钢种，以Q235B作为对比钢种。试验环境为相对干燥的工业土壤环境（安钢技术中心北侧的绿化带内）。将试样埋入地面下300 mm，地面上露出150～170 mm，具体如图1所示（图中从右到左依次为Q235B、09CrCuSb、SPA-H）。

1.2 试验钢成分及组织

试验钢的化学成分见表1，其表层金相组织如图2所示。

表1 三种试验钢的化学成分

图2 三个钢种表层金相组织

从图2可以看出，三个钢种的组织均为铁素体+珠光体，但耐候钢的珠光体的比例要明显少于Q235B和Q345B，且耐候钢的晶粒要细。

1.3 分析方法

定期取出试样，用相机和电镜对试样进行腐蚀产物形貌观察；然后，对试样除锈、干燥，再对除锈后的钢板表面进行SEM形貌观察，定性对比分析各钢种的耐蚀性能。用500 mL盐酸+3.5 g六次甲基四胺+蒸馏水配置成1 000 mL溶液，清除试样的腐蚀产物，清理10 min左右，根据清理效果可适当延长时间。

2 试验结果与分析

2.1 6个月试验观察分析

6个月后，钢样的宏观腐蚀形貌如图3所示。

图3 6个月后整体宏观腐蚀形貌

从图3可以看出，暴露在空气中的钢样表面分布着黄褐色的铁锈，而埋入土壤中的钢样表面依然是原钢板表面颜色，未见明显腐蚀。

2.2 11个月试验观察记录

11个月后，钢样的宏观形貌如图4所示（图中从右到左依次为Q235B、09CrCuSb、SPA-H）。

图4 11个月后整体宏观腐蚀形貌

从图4可以看出，暴露在空气中的钢样表面分布着黄褐色的铁锈，且09CrCuSb、SPA-H钢板表面的氧化铁皮与Q235B表面的氧化铁皮相比颜色稍深、较致密。观察土壤中钢样的腐蚀情况以及土壤空气交接处钢样的腐蚀形貌，如图5所示。

从图5可以看出，三种钢埋入土壤中的部分均有不同程度的腐蚀，Q235B表面的氧化铁皮呈较疏松的黄色铁锈，将土壤扒开的时候发现，埋入土壤中的部分有大片的氧化铁皮剥落；而09CrCuSb表面腐蚀较轻，仍有大部分钢板原表面保留，但也有部分部位被腐蚀，少量氧化铁皮随着土壤剥落；SPA-H表面腐蚀较均匀，氧化铁皮呈棕褐色，部分氧化铁皮随土壤剥落。

2.3 13个月试验观察记录

图5 11个月后三种钢样腐蚀形貌

13个月后，从地埋腐蚀试验试样中选择最右边的一组取出，进行观察分析，宏观形貌如图6所示（图中从左到右分别为Q235B、09CrCuSb、SPA-H）。

从图6可以看出，Q235B试样表面有一层较厚但较疏松的氧化铁皮，而09CrCuSb、SPA-H试样表面有一层较薄但较致密结实的氧化铁皮。对钢材试样进行热镶嵌，观察其截面形貌，在空气中三个钢种的锈层形貌如图7所示。

图6 13个月后地埋腐蚀试验钢样整体宏观形貌

图7 13个月后三个钢种锈层形貌

从图7可以看出，Q235B的腐蚀坑大而深，而耐候钢09CrCuSb、SPA-H的腐蚀坑小而浅。对酸洗后的试样表面进行了微观形貌观察，空气中三个钢种的表面微观形貌如图8所示。

图8 空气中腐蚀试样的扫描电镜微观形貌

从图8可以看出，腐蚀酸洗后Q235B表面存在较多大而深的腐蚀坑，而09CrCuSb、SPA-H的表面较平滑，腐蚀坑小而浅，这是因为耐候钢09CrCuSb、SPA-H含有Cr、Cu等耐蚀性能合金元素，合金元素在锈层中富集，促使钢板表面形成了一层稳定、致密的氧化铁皮，阻碍了基体被进一步腐蚀，达到了“以锈止锈”的效果，相比Q235B具有明显的优势。

土壤和空气交界处试样表面的微观腐蚀形貌如图9所示。

图9 土壤和空气交界处腐蚀试样扫描电镜微观形貌（15倍）

从图9可以看出，在土壤和空气交界处，三个钢种的腐蚀形貌没有明显的区别，原因可能是短期内复杂的空气—土壤两相交界处不具备使耐候钢形成稳定致密的氧化层条件。

在土壤下100 mm处，三个钢种的腐蚀表面微观形貌如图10所示。

图10 土壤下100 mm处腐蚀试样扫描电镜微观形貌（15倍）

从图10可以看出，在土壤下100 mm处，可能复杂的土壤理化性质不具备使耐候钢形成稳定致密的氧化层条件，短期内耐候钢也没有表现出优越于Q235B的耐腐蚀性能。

在土壤下200 mm处，三个钢种的表面微观腐蚀形貌如图11所示。

图11 土壤下200 mm处腐蚀试样扫描电镜微观形貌（15倍）

从图11可以看出，在土壤下200 mm处，局部视场下Q235的腐蚀较耐候钢要严重，但观察时并非全部视场都如此，可见耐候钢在土壤中略有优势，但优势并没有特别明显。

三个钢种在土壤下200 mm处的腐蚀比100 mm处的严重，分析认为应该和雨季时不同深度土壤中的含水量不同造成的，土壤含水量是决定金属土壤腐蚀行为的重要因素之一，而且对金属土壤腐蚀行为的影响是十分复杂的，水分使土壤成为电解质，为腐蚀电池的形成提供条件；另一方面，含水量的变化显著影响土壤的理化性质，进而影响金属的土壤腐蚀行为。因为距离地表近的土壤中虽然含水多，但是也易蒸发，土壤干得快，腐蚀时间较短，所以腐蚀较轻，而距离地表稍远的土壤中水分存在时间长，促进钢样腐蚀，故腐蚀较重，而更深的土壤中水分不易到达，含水量少，故腐蚀较轻。

3 结论

钢铁材料的地埋腐蚀，与当地的气候环境和土壤环境存在较大的关系，河南安阳工矿厂区为典型的北方偏干燥性温带气候条件，腐蚀环境为一般工业性气氛条件，通过一年的地埋腐蚀试验分析，基本可得到如下结论：

（1）一年的时间内，在土壤和空气交界处以及土壤中，耐候钢09CrCuSb、SPA-H、Q235B均未发生严重的腐蚀，耐候钢也没有表现出来明显的耐腐蚀能力，这在一定意义上也说明在一年时间内，耐候钢的自保护氧化膜未能完全形成。

（2）通过对比分析三个钢种的土壤腐蚀形貌发现，在空气中暴露的试样部分，耐候钢09CrCuSb、SPA-H表面形成了一层致密的、红褐色的锈层，而Q235B锈层则较为疏松，呈现黄褐色。因此，在空气中耐候钢比普碳钢Q235B表现出明显的耐腐蚀能力。

（3）除锈后的表面形貌观察表明，耐候钢的表面腐蚀坑小而少，而对比钢种Q235B的表面腐蚀坑多而大。耐候钢较Q235B具有较好的耐蚀性，主要原因为在耐候钢成分中含有Cr、Cu等耐蚀性能合金元素，合金元素在锈层中富集，促使钢板表面形成了一层致密的锈层，阻碍了基体被进一步腐蚀。

（4）在地面以下随着地埋深度的增加表面程度逐渐减弱，在地面以下200mm以下位置，三种钢样腐蚀不明显。这说明200mm以下位置，空气基本被隔绝，雨水渗透偏少，腐蚀的条件基本被阻断。

4 结语

由于耐腐蚀钢的耐腐蚀特性在短期内无法全部显现出来，为便于规律性验证需要进一步延长地埋腐蚀试验的时间周期，继续跟踪材料腐蚀数据，以期得到耐腐蚀钢完整的土壤地埋耐腐蚀规律，为客户使用提供实际指导。