不同显微组织钢板耐蚀性研究

徐筱芗

(安阳钢铁集团有限责任公司)

0 前言

钢材在使用中的锈蚀损耗是一个严重的问题。据统计，全世界约有10%的金属是由于锈蚀而损耗。自20世纪30年代以来，不同学者对钢的耐蚀性能研究主要集中在合金成分对其的影响方面，并开发出了Corten A、09CuPCrNi以及 09CuPTiRE 等耐候钢［1］。一般认为这类钢具有较好的耐候性能，主要是由于钢中添加了Cu、P、Cr以及 Ni等元素，有利于在钢表面形成致密的保护性锈层［2-5］，而对于显微组织变化对其耐蚀性能的影响研究相对较少。

笔者采用周浸加速腐蚀试验的方法，研究了热轧态Q235B、Q345B低合金钢，以及采用TMCP工艺生产的X70管线钢不同的显微组织对其耐蚀性的影响规律，并探讨了其耐蚀机理。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

采用某钢铁企业生产的厚度为20 mm的Q235、Q345低合金中厚板以及X70管线钢，化学成分见表1。

表1 Q235、Q345 以及 X70 化学成分 wt.%

使用线切割的方法分别将Q235B、Q345B以及X70三种钢制成尺寸为50 mm×80 mm×4.0 mm的薄片状试样，将各个面用600#水砂纸打磨，用丙酮清洗干净，并烘干待用。由于这三种钢的交货状态为热轧状态。因此实验所用试样为保持其组织与实际使用情况相近，均未进行热处理，各钢种的的力学性能见表2。

表2 Q235B、Q345B以及X70钢的力学性能

1.2 周浸加速腐蚀试验

利用LF-65A周期轮浸腐蚀试验箱进行人工加速腐蚀试验，试验所使用的溶剂为3.5 wt.%的NaCl溶液，实验环境温度为35℃，湿度为65%，转速为1 rph，定期取样观察钢板腐蚀形貌并称重，以平均腐蚀深度表征腐蚀程度，定期取出三个平行试样，对试样干燥、采用型号为JA5003的电子天平称重，计算出腐蚀速率。

对于钢板的腐蚀速率，采取定期取出钢板，采用除锈剂(500 mL盐酸+500 mL去离子水+3.5 g六次甲基四胺)对钢板表面形成的锈层清除后，测量钢板的失重。通过下式计算腐蚀速率，同时做三个平行试样取平均值。

式中：R——腐蚀速率，mm/a;

T——试验时间，h;

M——试验前钢板的重量，g;

M1——试验后钢板的重量，g;

S——试样的表面积，cm2;

D——材料的密度，kg/m3。

Q235、Q345和X70经周浸加速腐蚀后，采用SONY-DSC-W170拍摄试样表面腐蚀形貌，并用FEI的QUANTA200型扫描电镜观察剖面腐蚀锈层及基体形貌。

2 结果及分析

2.1 腐蚀速率

Q235、Q345以及X70腐蚀失重速率如图1所示。在周浸腐蚀的开始阶段三种钢的腐蚀速率均较高，随着时间的延长，腐蚀速率逐渐降低。三种钢的耐蚀性能按照Q345-Q235-X70的顺序依次提高。

图1 Q235、Q345以及X70腐蚀失重速率

2.2 金相组织分析

实验中所使用的Q235及Q345在1180℃ ～1250℃加热、均热2.5 h～3 h，经两阶段轧制，一阶段轧制温度高于1000℃，道次压下量在20%左右，二阶段轧制温度低于900℃，累计压下量大于60%，终轧温度在800℃左右，然后空冷至室温，其金相组织均为铁素体+珠光体，但Q235和Q345中珠光体的含量存在较大差异，Q235中仅在三角区存在少量珠光体，含量在15%左右，而Q345中珠光体含量较高，呈条带状，含量在30%左右，如图2(a)、(b)所示。X70管线钢经奥氏体再结晶区以及未在结晶区轧制后，终轧温度在790℃，以10℃/s的冷却速度冷至500℃左右，然后空冷，其组织主要为针状铁素体+粒状贝氏体，如图2(c)所示。

图2 Q235、Q345以及X70显微组织

2.3 腐蚀表面及剖面形貌分析

Q235、Q345以及X70经840 h周浸加速腐蚀后的表面锈层形貌如图3所示。Q235表面为红褐色+少量黄褐色锈层，Q345表面主要为黄褐色锈层，Q235和Q345钢表面均存在片层状剥落现象;X70管线钢锈层为红褐色，表面有鼓包，片状剥落形貌较少。

图3 Q235、Q345以及X70表面锈层形貌

Q235、Q345以及X70经840 h腐蚀后的剖面形貌如图4所示。Q235和Q345表面锈层存在较多孔洞，且内部以及和钢表面的结合部存在裂纹，但Q235锈层厚度明显小于Q345;X70钢锈层可分为两个部分，外锈层和内锈层，外锈层存在一定量的孔洞，不致密，而内锈层与基体结合紧密，未发现明显裂纹。

图4 Q235、Q345以及X70剖面锈层形貌

研究认为钢的显微组织对其耐蚀性有着显著的影响，Q235和Q345低合金钢的组织为铁素体+珠光体，在电化学腐蚀过程中，钢中的珠光体属于耐蚀性能较差的组织，珠光体中的渗碳体和铁素体之间的电位差较大，从而加速了珠光体的局部腐蚀。另外珠光体中的渗碳体电位较高，是微电池的阴极相，而铁素体基体则是微电池的阳极相，随着珠光体含量的增加，阴极相数量增加，从而会加速腐蚀速率。

Q235低合金钢由于钢中的Mn含量仅为0.34 wt.%，而 Q345 中的 Mn 含量为 1.34 wt.%。Mn是强烈稳定奥氏体的合金元素之一，可有效的降低奥氏体的分解速度，推迟铁素体和珠光体的相变。由于铁原子在铁素体区比在奥氏体区中的自扩散系数大一个数量级，所以在温度相同的条件下，铁素体晶粒比奥氏体晶粒容易长大。因此Q235中铁素体的含量较高，较少的珠光体减少了微电池的阴极相面积从而提高了钢基体的耐蚀性能。

X70管线钢采用控轧控冷工艺，显微组织主要为针状铁素体，组织单一均匀，并且由于其碳含量仅为0.05 wt.%，富碳相较少。一般来说，材料结构越相似，性质越相近，组织间的腐蚀电位也越相近，提高了钢的组织均匀性，就相当于减小了腐蚀电池阴阳极的电位差，因而会导致腐蚀速率的降低，提高其耐蚀性能。

3 结论

1)Q235、Q345以及X70随着时间的延长，腐蚀速率均逐渐降低，三种钢的耐蚀性能按照Q345-Q235-X70的顺序依次提高。

2)Q235和Q345中珠光体的含量存在较大差异，Q235中铁素体的含量较高，较少的珠光体减少了微电池的阴极相面积，从而提高了钢基体的耐蚀性能。

3)X70钢显微组织为针状铁素体，组织单一均匀，并且由于其碳含量仅为0.05 wt.%，富碳相较少减小了腐蚀电池阴阳极的电位差，从而提高了其耐蚀性能。

［1］ 杨德钧，沈卓身.金属腐蚀学［M］.第二版.北京：冶金工业出版社，1999：216.

［2］ Masto Yamashita，Hiroo Nagano，Toshihei Misawa，et al.Structure of protective rust layers formed on weathering steels by long-term exposure in the industrial atmospheres of japan and north america［J］.ISIJ International，1998，38(3)：285-290.

［3］ Yasumisu Kondo.Effect of atmospheric conditions on copper behaviour during high temperature oxidation of a steel containing copper［J］ISIJ International，2007，47(9)：1309-1314.

［4］ 翁宇庆.超细晶钢［M］.北京：冶金工业出版社，2003：279.

［5］ Townsend H E.Effects of alloying elements on the corrosion of steel in industrial atmospheres［J］.Corrosion，2001，57(6)：497-501.