關(guān)于碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕規(guī)律研究

閆武巍

（哈爾濱哈鍋鍋爐工程技術(shù)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕規(guī)律實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器的選用

在本次實(shí)驗(yàn)中，使用了七種含有不同合金元素的鋼鐵，具體為 06CuP、09CuP、CortenA、20#（1）、20#（2）、A3（1）、A3（2）。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)儀器使用了 DW-UD-3 型浸漬干濕復(fù)合循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)定濕溫40℃、時(shí)間為4min；干溫為50℃、時(shí)間為12min；沉浸溫度為40℃、時(shí)間為4min。同時(shí)，設(shè)定鋼鐵試樣的尺寸為50×50×1.5mm。在實(shí)驗(yàn)前，要利用砂紙打磨試樣至800號(hào)，并用丙醇除油、用無水乙醇脫水。

在本次實(shí)驗(yàn)中，需要應(yīng)用浸漬溶液，其主要成分及含量如下：硫酸氫鈉0.01mol/L、氯化鈉0.001mol/L。通過這樣的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染條件的模擬。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為5d，每天（或是每間隔24h）完成一次取樣。每次取樣中，每種材料都要取一組（包含3塊平行試樣），完成試樣質(zhì)量的測量。

對(duì)銹蝕材料在電解質(zhì)溶液中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)，主要使用了電化法完成。此時(shí)，對(duì)于每種材料均制作出6個(gè)電極試樣，暴露面積設(shè)定為10×10mm，與失重試樣同時(shí)放入，在第1天、第3天、第5天時(shí)取出電極試樣，并分別完成極化曲線以及交流阻抗的相關(guān)測試。其中，設(shè)定交流阻抗測試的頻率在10-2～105Hz的范圍內(nèi)；電位步進(jìn)速度設(shè)定為1mV/s。

在進(jìn)行試樣腐蝕形貌的觀測時(shí)，主要在SEM/EDX上完成，并利用X光粉末衍射完成腐蝕成分的測定。

2 碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕規(guī)律實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與討論

2.1 碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕的規(guī)律與形貌

總體上來說，在模擬大氣污染的條件下，所有鋼樣本的腐蝕規(guī)律呈現(xiàn)出一致的現(xiàn)象，但是不同鋼樣本的腐蝕速率存在一定的差別。筆者認(rèn)為，這主要是由于不同鋼樣本產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物存在差異導(dǎo)致的。在銹蝕產(chǎn)物形成的初期，其性質(zhì)對(duì)鋼材料的進(jìn)一步腐蝕產(chǎn)生較大的影響。

在本次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)的五天中，06CuP的腐蝕失重變化幅度最小。可以得出，06CuP在腐蝕初期，就產(chǎn)生了保護(hù)性良好的銹蝕產(chǎn)物層。而09CuP在實(shí)驗(yàn)的五天中，腐蝕失重率變化與06CuP較為相似，但是腐蝕速率更大。而對(duì)于CortenA來說，其在腐蝕初期表現(xiàn)出的腐蝕速率較高，然而在實(shí)驗(yàn)四天后，腐蝕速率就明顯下降，這表明，CortenA的保護(hù)性銹蝕層逐漸形成。通過腐蝕表面的觀察能夠得出，06CuP、09CuP以及CortenA表面生成的銹蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)出致密、均勻的現(xiàn)象，利用掃描電鏡能夠觀察到，這些鋼樣本的銹蝕產(chǎn)物顆粒呈現(xiàn)出緊密排列的形貌；20#、A3表面生成的銹蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)出疏松、粗糙的現(xiàn)象，利用掃描電鏡能夠觀察到，這些鋼樣本的銹蝕產(chǎn)物顆粒存在裂紋以及局部的剝離。在X光粉末衍射分析中，得出所有鋼樣本的銹蝕產(chǎn)物均由ɑ-FeOOH以及γ-FeOOH構(gòu)成，同時(shí)，還包含一定量其他鐵的氧化物。

2.2 合金元素對(duì)電極過程的影響

對(duì)于鋼材料來說，當(dāng)其表面形成了銹蝕層后，由于其結(jié)構(gòu)松散，所以會(huì)在溶液以及電極樣之間形成兩個(gè)雙電層，其主要由銹蝕外層與表面電解液構(gòu)成，另一個(gè)則主要由鋼材料與滲入到材料表面的電解液構(gòu)成。結(jié)合上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析能夠了解到，銹蝕層具有一定的阻擋作用，所以在低頻條件下會(huì)擴(kuò)散阻抗。

為了進(jìn)一步探究銹蝕金屬材料在電解液中的腐蝕情況，筆者應(yīng)用了等效電路實(shí)現(xiàn)了腐蝕的模擬。為了降低彌散效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響，筆者設(shè)計(jì)的等效電路中所有的元件均使用了常相位角元件。在該等效電路中，材料溶解反應(yīng)的電荷傳遞電阻與Warburg阻抗串聯(lián)，且并聯(lián)于材料與滲入電解液構(gòu)成的雙電層；這一結(jié)構(gòu)與銹蝕層電阻串聯(lián)，且并聯(lián)于銹蝕外層與體相電解液構(gòu)成的雙電層；這一結(jié)構(gòu)最終與溶液電阻串聯(lián)。

利用等效電路進(jìn)行分析可得出，當(dāng)銹蝕時(shí)間增加，離子傳輸阻抗表現(xiàn)出上升趨勢，這意味著銹蝕層的產(chǎn)生增加了離子的運(yùn)輸阻力。在實(shí)驗(yàn)的第五天，基于不同鋼樣本的離子傳輸阻抗順序與干濕交替的結(jié)果呈現(xiàn)出一致的表現(xiàn)，這意味著銹蝕層的阻抗值越大，則鋼材料的耐腐蝕性更強(qiáng)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是銹蝕的初期階段，銹蝕層的形成穩(wěn)定性不高，而經(jīng)過一段時(shí)間的銹蝕后，銹蝕物質(zhì)的相變使得內(nèi)銹蝕層的致密程度提升，此時(shí)，腐蝕現(xiàn)象會(huì)進(jìn)入一個(gè)較為穩(wěn)定的階段。

通過分析離子通路的暢通程度，能夠了解到銹蝕層（特別是內(nèi)銹蝕層）的致密程度。對(duì)于鋼材料中的合金元素來說，其主要的作用在于，能夠促進(jìn)銹蝕層更加穩(wěn)定，提升物質(zhì)的擴(kuò)散難度。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)間不斷變化時(shí)，A3鋼的離子傳輸阻抗的變化程度較小，且數(shù)值也較小。相比較來說，06CuP、09CuP以及CortenA的銹蝕層阻抗隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生較大的變化。這意味著，隨著銹蝕層的不斷積累與演變，銹蝕層對(duì)鋼材料的保護(hù)作用更強(qiáng)。

通過回歸分析能夠得出，銹蝕層阻抗的大小與鋼材料的腐蝕速率呈現(xiàn)出了較好的線性關(guān)系，當(dāng)銹蝕層的阻抗值越大，則說明其具有保護(hù)性越高。但是A3（2）樣本的相關(guān)數(shù)據(jù)并不符合這一規(guī)律，因此，在本次回歸分析中，并沒有應(yīng)用A3（2）樣本的相關(guān)數(shù)據(jù)。造成這一現(xiàn)象最可能的原因在于A3鋼的銹蝕層過于疏松，在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)不斷剝落的現(xiàn)象，導(dǎo)致其阻抗值過于小。

3 結(jié) 語

在本次關(guān)于碳鋼與低合金鋼耐大氣腐蝕規(guī)律探究實(shí)驗(yàn)中，得出的結(jié)果如下：總體上來說，在模擬大氣污染的條件下，所有鋼樣本的腐蝕規(guī)律呈現(xiàn)出一致的現(xiàn)象，但是不同鋼樣本的腐蝕速率存在較大的差別；本次實(shí)驗(yàn)中使用的七種鋼的腐蝕規(guī)律都可以用同一表達(dá)式表述，即Y=Y0+Ae-t/B，可以看出，腐蝕規(guī)律為負(fù)指數(shù)規(guī)律。在該表達(dá)式中，Y代表了腐蝕失重率；t代表了時(shí)間；A和B均為常數(shù)。根據(jù)這一表達(dá)式能夠得出，在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下（大氣污染環(huán)境下），所有鋼樣本的腐蝕速率都呈現(xiàn)出由快變慢的現(xiàn)象。隨著時(shí)間的增加，含有A3鋼的腐蝕速率最大，是06CuP的2.5倍；銹蝕層的產(chǎn)生增加了離子的運(yùn)輸阻力；銹蝕層的阻抗值越大，則鋼材料的耐腐蝕性更強(qiáng)；隨著銹蝕層的不斷積累與演變，銹蝕層對(duì)鋼材料的保護(hù)作用更強(qiáng)；銹蝕層阻抗的大小與鋼材料的腐蝕速率呈現(xiàn)出了較好的線性關(guān)系，當(dāng)銹蝕層的阻抗值越大，則說明其具有保護(hù)性越高。