貝氏體鋼的耐腐蝕性能研究

王志奮 吳立新 劉 敏 王俊霖

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院 湖北 武漢：430080）

0 前言

貝氏體鋼是一種具有較高強度和良好韌性的鋼種，一直是鋼鐵材料界的研究重點。近年來，一種具有良好強韌性能的高強度貝氏體鋼受到鋼鐵界的重視，即超低碳貝氏體鋼（ULCB）。超低碳輔以獨特的微合金化設(shè)計，并施之合理的TMCP 工藝，可獲得均勻的貝氏體組織，從而使這類鋼表現(xiàn)出高強度、高韌性和優(yōu)良的焊接性能，逐漸應(yīng)用到管線、石油平臺、艦船等工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域［1－3］。

本文對貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼進行了周期性浸潤腐蝕試驗，并對耐腐蝕性能進行了測定。運用掃描電鏡、X 射線衍射儀和透射電鏡等分析測試手段對試驗鋼的組織和銹層進行了觀察和分析，對貝氏體鋼耐蝕性的進行了研究。

1 試驗材料和方法

試驗用鋼為工業(yè)試制的貝氏鋼和09CuPCrNi對比鋼，其化學(xué)成分見表1。通過實驗室模擬加速腐蝕試驗來測定試驗鋼的耐腐蝕性能。周浸加速腐蝕的條件如下：試驗介質(zhì)為0.5mol／L 的NaCl溶液，溶液溫度為（42±2）℃。試驗時間為六周期，每一周期試驗117.5小時。每一周期中，每80分鐘為一次循環(huán)，一周期內(nèi)循環(huán)88次。每一次循環(huán)為試樣在鹽水中18分鐘，提起試樣在氣氛中保持62分鐘，再次浸入鹽水，再次提起，重新循環(huán)。

應(yīng)用Quanta400掃描電鏡，JEM－2100F 透射電鏡和RIGAKU D／MAX－2500型衍射儀對試驗鋼的組織和銹層進行了分析。在HOMMELWERE T8000型表面粗糙度測試儀上進行除銹樣的表面粗糙度測量。

表1 試驗鋼化學(xué)成分（wt.%）

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 耐腐蝕性能

采用周浸加速腐蝕試驗對貝氏體鋼（Bainitic steel）和09CuPCrNi鋼的耐腐蝕性能進行了對比分析。圖1是試驗鋼各個周期的失重和腐蝕速率。由圖可知，貝氏體鋼的失重和腐蝕速率均略高于09CuPCrNi鋼。隨著腐蝕周期的增加，貝氏體的腐蝕速率是先增加然后再下降，而09CuPCrNi鋼的變化則呈現(xiàn)波浪性，說明在嚴重的實驗室模擬環(huán)境下，保護性銹層難以形成，導(dǎo)致腐蝕速率未呈線性下降趨勢。

圖1 不同腐蝕周期的失重和腐蝕速率

2.2 微觀組織分析

圖2是貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼的微觀組織。由圖2（a）和（b）可知，貝氏體鋼組織主要是貝氏體，而09CuPCrNi鋼組織是鐵素體＋珠光體組織。貝氏體鋼的精細結(jié)構(gòu)需要透射電鏡來觀察。圖2（c）是透射電鏡觀察的貝氏體鋼的組織。由圖2可知，貝氏體鋼的組織主要是板條貝氏體。由于貝氏鋼的碳含量較低，因此貝氏體板條之間的碳化物較少，相對09CuPCrNi鋼的兩相組織，其組織更均勻。均勻的組織有利于提高鋼的耐腐蝕性能［4］。

圖2 貝氏體鋼（a和c）和09CuPCrNi鋼（b）的組織

2.3 銹層分析

圖3顯示了貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼不同周期后腐蝕表面宏觀形貌。由圖3可知，周浸腐蝕開始后，試樣整個表面出現(xiàn)銹層，初始1～2周期銹層較薄，只有極少表面沒有被銹層覆蓋。隨著加速循環(huán)腐蝕時間的延長，銹層增厚，且有凹坑和鼓包泡，在試驗鋼表面形成的銹層中存在空洞和裂紋。銹層的顏色前期為黃色或淺紅色，隨后出現(xiàn)橙色、褐色，時間較長后，試樣都出現(xiàn)黑褐色，此時的腐蝕坑既多又深。外層的鐵銹已變得的極為疏松，并有許多鐵銹脫離試樣。從宏觀形貌上觀察可知，貝氏體鋼腐蝕程度要略好于09CuPCrNi鋼。但兩種鋼在第6周期后，表面的銹層均與鋼基結(jié)合不緊密，容易脫落。

圖3 貝氏體鋼（a，b，c）和09CuPCrNi鋼（d，e，f）的不同腐蝕周期的宏觀形貌

圖4 是運用掃描電鏡觀察的貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼銹層的橫截面。經(jīng)過干濕交替加速腐蝕試驗后，兩種鋼的銹層均未出現(xiàn)明顯的分層，以前文獻中，一般耐候鋼的銹層中會存在兩部分：內(nèi)銹層和外銹層［4－5］。內(nèi)銹層緊貼鋼基較致密且顏色較深，而外銹層則比較疏松，這一現(xiàn)象在本文中未發(fā)現(xiàn)。由圖4可知，兩種試驗鋼的銹層均存在較多的裂紋和縫隙，尤其是09CuPCrNi鋼的銹層比較容易剝落。但是在兩種鋼中靠近鋼基也存在一部分較致密且與鋼基結(jié)合較緊密的銹層。這部分銹層組織致密，可以阻礙腐蝕介質(zhì)的侵入，保護基體免受進一步腐蝕，因此這部分銹層（如以前研究中的內(nèi)銹層）在防腐蝕過程中起到重要的作用。從銹層形貌觀察，說明加速腐蝕環(huán)境比較苛刻，致密銹層組織難以形成，需要更長的腐蝕時間觀察銹層的發(fā)展趨勢。

圖4 貝氏體鋼（a）和09CuPCrNi鋼（b）銹層的SEM 觀察

圖5顯示了貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼銹層的X－ray衍射相結(jié)構(gòu)。兩種鋼相結(jié)構(gòu)基本相同，主要成分均是Fe3O4和少量的α－FeOOH，和γ－FeOOH。一般腐蝕產(chǎn)物膜的主要晶體成分是α－FeOOH（針鐵礦），β－FeOOH（單斜四方纖鐵礦），γ－FeOOH（纖鐵礦）和Fe3O4（磁鐵礦）等［5］。這些晶體組成物由Fe2＋轉(zhuǎn)變而來，其中，γ－FeOOH 是最先形成的亞穩(wěn)定產(chǎn)物，它會轉(zhuǎn)變成α－FeOOH 和Fe3O4。由于本文中實驗室主要模擬海洋環(huán)境下的腐蝕，因此兩種鋼的內(nèi)銹層主要的成分是Fe3O4。

圖5 貝氏體鋼（a）和09CuPCrNi鋼（b）銹層的X－ray衍射相結(jié)構(gòu)，M：Fe3O4，α：α－FeOOH，γ：γ－FeOOH，

2.4 表面粗糙度分析

以質(zhì)量變化表示的腐蝕速率只是從平均意義上來講，得到了所測試樣的整體腐蝕趨勢，其缺點是沒有把腐蝕深度表示出來。工程上，腐蝕深度或構(gòu)件腐蝕變薄的程度直接影響該部件的壽命，更具有實際意義。這一點可以用表面粗糙度的評判方法來定量描述，以判定材料被腐蝕時，最嚴重的地方及程度。表面粗糙度是指材料表面上具有的較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性。

貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼不同腐蝕周期后除銹樣的表面粗糙度數(shù)據(jù)見表2和表3。從物理意義上來講，Ra、Rmax反映了銹層在基體上留下的腐蝕坑的深度，Ra是它們的平均深度，Rmax是腐蝕坑深度的最大值，而Pc反映了單位長度內(nèi)腐蝕坑的個數(shù)，也即反映了腐蝕坑在相對基準面上的大小。Ra、Rmax越大，腐蝕坑越深，對鋼基的破壞越嚴重；Pc越大，腐蝕坑越小。從表2和表3中貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼的實驗數(shù)據(jù)可知，隨著腐蝕周期的增加，Ra、Rmax逐漸變大，Pc逐漸變小，這說明腐蝕深度增加，腐蝕坑數(shù)量變少面積變大。兩種鋼的表面粗糙度的數(shù)據(jù)差別不是很大，可能需要更長的周期來鑒別兩類試樣之間的差別。

表2 貝氏體鋼不同腐蝕周期的除銹樣表面粗糙度數(shù)據(jù)

表3 09CuPCrNi鋼不同腐蝕周期的除銹樣表面粗糙度數(shù)據(jù)

2.5 討論

通過掃描電鏡、X－ray衍射以及透射電鏡等對貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼的組織和銹層進行觀察和分析，研究了貝氏體鋼的耐蝕機理。耐候鋼相對于碳鋼來說具有良好的耐大氣腐蝕性能，主要原因是經(jīng)過長期大氣曝曬，在其表面上形成了穩(wěn)定致密的保護性銹層，阻礙了腐蝕介質(zhì)的進入；而在碳鋼表面形成的銹層疏松，且有微裂紋存在，故對基體不能起到保護作用。作為傳統(tǒng)的耐候鋼09CuPCrNi具有較好的耐腐蝕性能，而通過實驗室加速腐蝕試驗的耐腐蝕性能測定，貝氏鋼的耐蝕性和09CuPCrNi鋼基本相同。

影響鋼的耐腐蝕性能主要因素有環(huán)境因素、鋼本身的化學(xué)成分和微觀組織等。通過分析銹層研究環(huán)境因素影響，表明兩種鋼的相結(jié)構(gòu)基本相同，均為海洋環(huán)境下的Fe3O4。銹層形貌上觀察，由于苛刻的腐蝕條件，并未在兩種鋼上形成致密的銹層，而且銹層較易脫落，這可能與試驗條件有關(guān)，在干濕交替的情況下，“干”的環(huán)境下時間較少，因此不易形成致密的銹層。耐候鋼中加入少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素的鋼所形成的銹層比普通碳鋼的銹層具有更好的保護作用，它的耐蝕性能可比碳鋼提高2～4倍。合金元素能在銹層富集造成致密銹層，而顯著提高耐蝕性。由表1 可知，09CuPCrNi鋼的Cu、P、Cr、Ni等四種影響耐蝕性的合金元素的總量略多于貝氏體鋼，這可能是前者耐腐蝕性能略好的原因。從組織結(jié)構(gòu)看，貝氏體鋼的貝氏體組織比鐵素體和珠光體組織的耐腐蝕性能更好。從兩種鋼的失重和腐蝕速率的結(jié)果看，影響兩種鋼的主要因素是環(huán)境因素和化學(xué)成分，而組織結(jié)構(gòu)只有在前兩者基本相同的情況下，才起主要作用。

3 結(jié)論

本文對貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼進行了周期性浸潤腐蝕試驗，對貝氏體鋼的耐蝕機理進行了研究，主要結(jié)果如下：

（1）通過實驗室加速腐蝕試驗的耐腐蝕性能測定，貝氏鋼的耐蝕性和09CuPCrNi鋼基本相同。

（2）貝氏體鋼的組織主要是板條貝氏體，板條貝氏體組織比傳統(tǒng)的耐候鋼組織鐵素體＋珠光體組織更均勻，更耐腐蝕。

（3）銹層研究表明，貝氏體鋼和09CuPCrNi鋼的銹層主要的成分是Fe3O4；兩種鋼的銹層均存在較多裂紋和縫隙，較易脫落，但還是存在一層致密且與鋼基結(jié)合緊密的銹層；兩種鋼的表面粗糙程度基本相同。

（4）影響兩種鋼耐蝕性的主要因素是環(huán)境因素和化學(xué)成分，而組織結(jié)構(gòu)只有在前兩者基本相同的情況下，才起主要作用。

［1］賀信萊，尚成嘉，楊善武，等.高性能低碳貝氏體鋼［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［2］徐 光，操 龍，飛補叢，等.超級貝氏體鋼的現(xiàn)狀和進展［J］.特殊鋼，2012，32（1）：18.

［3］Garcia C I，Lis A K，Pytel S M，et a1.Ultra－low carbon bainitic plate steel：processing，microstructure and properties［C］.I＆SM－97，1997：21.

［4］Z F Wang，P H Li，Y Guan，et al.The corrosion resistance of ultra－low carbon bainitic steel［J］.Corrosion Science 2009，（51）：954.

［5］Y Y Chen，H J Tzeng，L I Wei，et al.Corrosion resistance and mechanical properties of low－alloy steels under atmospheric conditions［J］.Corrosion Science，2005，（47）：1001.