合金元素对耐候钢耐蚀性能的影响

杨海洋，黄桂桥，丁国清，杨朝晖

（钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所，青岛 266071）

合金元素对耐候钢耐蚀性能的影响

杨海洋，黄桂桥，丁国清，杨朝晖

（钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所，青岛 266071）

主要讨论了大气腐蚀产生的原因和耐侯钢耐蚀机理，并对合金元素对于提高耐候钢耐大气腐蚀性能的影响进行了分析。

大气腐蚀；合金元素；耐候钢

前言

耐候钢是介于普通碳钢和不锈钢之间的耐大气腐蚀低合金钢，它通过在普通碳钢基础上添加少量铜、铬、磷、镍、钼、铌、钒、钛等耐腐蚀元素而成。在海洋大气和工业大气等环境中耐候钢腐蚀率显著低于碳钢，其抗大气腐蚀性能是普通碳素钢的2～8倍，具有成本增加少、增加基础设备寿命需求、无需涂装、节约资源和劳力的特点，充分体现出耐候钢的优越性[1-3]。目前，耐候钢主要用于钢轨桥梁、船舶、锅炉、建筑等领域。

近年来，耐候钢在大气环境下的腐蚀机理和腐蚀规律的研究得到广泛关注，并取得了一系列的成果[4-6]。本文主要讨论了大气腐蚀现象产生的原因和耐侯钢耐蚀机理，并着重对合金元素对于提高耐候钢耐大气腐蚀性能的影响进行分析。

1 大气腐蚀原因和耐候钢耐蚀机理

钢在大气中的腐蚀涉及到许多发生在气相、液相和固相界面的化学、电化学和物理过程，其腐蚀以电化学腐蚀为主。当钢在大气环境中暴露时，其表面一层薄液膜凝结，其动力主要有三个[7]：H2O分子与邻接金属表面的范德华力结合；H2O分子和腐蚀金属表面的盐粒子或腐蚀产物相结合的化学凝聚；表面的缝隙或小孔等所造成的毛细管凝聚。之后，伴随着薄液膜中溶解CO2、SO2、NOx、NH3、H2S等气体以及某些固体盐离子如Cl-或尘埃，从而形成电解质溶液，并使得微阳极发生溶解，水膜中的溶解氧或氢离子在微阴极上被还原，推动了电化学腐蚀的发生。

具体划分，大气腐蚀的过程主要分为三个阶段[8]：初始阶段、中间阶段和最终阶段。初始阶段主要经历表面的羟基化和水的吸附吸收过程。中间阶段主要涉及到气体沉积、液体层的化学变化、质子诱发和配位诱发型金属的溶解、离子配对和腐蚀产物成核等过程。最终阶段则主要是腐蚀产物的聚合和腐蚀产物的成长与增厚。

通过在钢中调整微量合金元素，加入磷、铜、铬、镍等微量元素使其在大气腐蚀过程中改变锈层的物理化学特性来抑制腐蚀进程。内锈层外锈层成分主要是γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4[9]。通常认为，钢

表面锈层中首先形成的是γ-FeOOH，由它再转变成α-FeOOH和Fe3O4。其中，α-FeOOH对耐蚀性起关键作用，加入耐蚀元素后，在钢的疏松外腐蚀产物层和基体之间会形成一层致密连续的非晶产物层，并最终转化成富集合金元素的α-FeOOH层，此防护层可有效地隔离腐蚀介质与钢基体的接触，并减缓腐蚀阳极区和阴极区的电子迁移，从而降低腐蚀速率[10]。

大量的试验数据均表明耐侯钢能大幅降低腐蚀速率。 Shastry[11]等在美国3个试验点对两种耐候钢Corten-A和Corten-B与碳钢进行了16年的对比暴露试验。数据表明，耐候钢的腐蚀速率远低于碳钢，而高磷、铜以及铬元素和镍元素对于提升耐候钢的耐蚀性有重要作用；侯文泰、梁彩凤等对于通过7个试验点17种钢的4年和8年的大气腐蚀试验结果进行总结[4,7]，发现耐候钢环境影响较小，而碳钢环境影响极为显著，同时，碳钢和低合金钢在大气中产生的锈层，其交流阻抗值、锈层致密度及晶粒细度与钢的耐候性成正比；作者对于4种耐候钢（0.5Mn0.8Ni3Cu、0.5Mn0.5Ni2MoCu、Si1Cr2.0CuMo、Cr1.2Cu）与Q235B在青岛海洋大气环境中暴露6年的腐蚀数据进行了分析[12]，6年数据表明，Q345B的腐蚀速率为0.029mm/a，而4种耐候钢的腐蚀速率范围为0.012～0.023mm/a，表明耐候钢腐蚀速率低于碳钢；作者对于铜磷系和磷钒系耐候钢10年腐蚀数据进行了总结[13,14]，结果发现，暴露10年后，碳钢Q235B的腐蚀速率与四种铜磷系耐候钢09MnCuPTi、10NiCuP、10CuPV、10AlCuP的腐蚀速率的比值范围在1.80～2.18，而碳钢与四种铜磷系耐候钢08PV、10MoPV、10CuPV、10CrPV的腐蚀速率的比值在1.31～2.01。这一系列结果表明合金元素对于提高耐候钢耐大气腐蚀的重要作用，而且从趋势上来看，随着暴露时间的增长，普通钢与耐候钢的腐蚀速率比值逐渐增加。

2 合金元素对耐候钢耐蚀性能的影响

耐蚀钢中主要加入的有效的合金元素包括铜、磷、铬、镍、钼、稀土元素等。这些元素通常满足以下三个条件[15]：第一，合金元素在铁中的溶解度要大于在锈层中的溶解度；第二，合金元素可与铁形成固溶体；第三，合金元素的加入能提高钢的电位。

大量试验和数据表明，合金元素在提升耐候钢的抗大气腐蚀能力起到决定性作用，主要体现在三个方面[16]： 第一，降低锈层的导电性能，影响锈层中物相结构和种类；第二，加速钢均匀溶解和Fe2+向Fe3+的转化，推迟锈的结晶；第三，阻塞裂纹，减少相关缺陷。

2.1 铜

铜是耐大气腐蚀低合金钢中最有效的合金元素，适用于各种腐蚀环境，对于铜的耐蚀机理，有两种观点[17]：一种观点认为Cu可以促使低合金钢阳极钝化，降低腐蚀速率；另一种观点认为，Cu在锈层表面富集，改善锈层的保护性。同时，由于合金元素Cu与S可以生成难溶的硫化物，因此铜可以抵消钢中硫的有害作用。

2.2 磷

磷是提高钢的耐大气腐蚀性能最有效的合金之一，通常磷元素与铜元素配合，它们可以促使钢的均匀溶解，加快加速Fe2+向Fe3+的转化，使钢形成致密的锈层。在耐候钢中，磷的含量一般控制在0.06%～0.10%，当磷含量过高时，易偏析导致成分不均匀，导致机械性能降低和焊接性能下降[18]。

2.3 铬

铬是提高耐大气耐蚀性的重要元素，与不锈钢不同，耐候钢中Cr的加入量多控制在1%～2%。Cr起到的作用主要有两点[17]：第一，可使γ-FeOOH、α-FeOOH向非晶态转化，形成稳定化锈层；第二，Cr与Cu、P、Si等元素有良好的匹配作用，比单加入Cr的钢耐蚀性有明显提高。

2.4 镍

镍是提高钢耐大气腐蚀的有效元素，加入镍能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，主要以NiFe2O4存在于尖晶石型氧化物中, 促进了尖晶石向较细、 致密结构的转变，增加了钢的稳定性[19]。

顾家林等研究了不同含镍量的低合金钢在青岛和江津的大气腐蚀[20]，结果表明，含镍量2.68%的合金钢在含SO2和Cl-的环境下都有较好的抗腐蚀性能，在海洋大气环境中更易形成致密锈层，效果更显著。

2.5 钼

钼的作用主要体现在提高钢抗点蚀性能，同时钼元素生成不溶性盐在稳定锈层中富集，钢中Mo的添加量在 0.4 %～0.5 %时，在大气腐蚀环境下尤其是在工业大气中 ,其腐蚀速率可降低50 %以上[15,17]。

2.6 稀土元素

有关稀土元素在钢中的作用机理表明[18,21]，在钢中加入稀土元素，有利于净化钢液，细化枝晶，增大枝晶生长阻力，抑制柱状晶的生长，改变夹杂物的性质、形态和分布，降低腐蚀源点，从而提高钢的各项性能。通常稀土元素的加入量不大于0.2%，当在钢中加入0.060%～0.120 %的 稀土元素，可以有效提高 P、S、Cu、Si、Mn元素溶质非平衡分配系数。

张蕙文等通过测定稀土对A3钢、08CuPV和09CuPTi的耐大气腐蚀性能[22]，得出结论，当08CuPV和09CuPTi中稀土含量在0.012%～0.13%时，其耐大气腐蚀性明显改善，并随稀土含量增高而增强钢的耐大气腐蚀性，而稀土对碳钢的耐大气腐蚀性改善不明显。

3 结论

钢在大气环境中以电化学腐蚀为主，并结合环境和污染物的影响，最终推动电化学腐蚀的产生。加入Cu、P、Cr、Ni、Mo、稀土元素等合金元素可以提高钢的耐蚀性能，达到良好的使用效果。伴随着对耐候钢研究的深入，针对苛刻的腐蚀环境研发的耐候钢产品，必将得到广泛的应用。

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Effect of Alloying Elements on the Corrosion Resistance of Weathering Steel

YANG Hai-yang, HUANG Gui-qiao, DING Guo-qing, YANG Zhao-hui
(Qingdao Marine Corrosion Research Institute, Qingdao 266071)

In this paper, the cause of atmospheric corrosion and corrosion resistance principle of weathering steel were discussed. And the influence of alloy element on improving the performance of corrosion resistance of weathering steel was analyzed.

atmospheric corrosion; alloy element; weathering steel

TG172.3

A

1004-7204（2015）02-0025-03

杨海洋（1982-），男，汉族，山东潍坊人，硕士学位，工程师，主要从事海洋环境腐蚀的研究。