热带大气环境下钢铁材料腐蚀数据的分析

高泽海，林旭彬，陈秋岸，甘钦海

（中国电器科学研究院有限公司，琼海 571400）

引言

目前我国在热带地区已建、在建或处于论证阶段的重大工程有很多，例如海南文昌航天航空发射基地、海南环岛高速铁路、粤海海底隧道、中国至东南亚国家高速铁路、东亚国家运河及水利大坝等重大工程，这些工程需要使用大量的钢铁材料，所以在高温高湿热带大气环境中钢结构如铁道、桥梁、塔架、车辆等的防腐和延寿问题备受关注。钢的大气腐蚀是一个严重的问题，据统计，全国每年因大气腐蚀而损耗的钢铁约500多万吨[4]。钢铁腐蚀速率和腐蚀趋势的研究获得广泛的重视，对于获得性能突出的钢铁并揭示不同钢铁的腐蚀规律有重要意义[5]。

本文选取了碳钢、耐候钢、车辆钢和桥梁钢四种钢铁进行8年共4周期的大气暴露试验，研究几种钢铁的腐蚀规律，以及和哪种微量元素组合更抗老化。

1 试验方法

1.1 试验地点

四种钢材暴露在中国国家大气环境腐蚀海南琼海大气腐蚀试验站，地理位置与环境气象平均数据见表l所示。

1.2 试验标准

试验执行标准GB/T 6464-1997《金属及其覆盖层大气腐蚀试验现场试验的一般要求》。

1.3 试验样品

四种钢铁样品均取自冷轧板，表面已加工，且已按照样品处理规程除油，尺寸为200 mm×100 mm×5 mm，每种钢材在每一个试验周期均投试3件平行样，成分如表2所示；暴露共分为4个周期，分别为1年、2年、5年和8年（即2006年至2014年）。

表l 试验站的地理位置及环境气象平均数据

表2 四种钢铁的成分(%)

2 试验结果和分析

2.1 腐蚀速率（mm/a=毫米/年）

四种钢铁材料暴露8年4周期的试验腐蚀速率如图1所示。在不同的试验周期，腐蚀速率的变化呈现出一定的规律。几种钢材的腐蚀速率曲线趋势基本相似，说明其腐蚀过程是相似的，而添加元素对腐蚀速率有延缓作用。

结果显示四种钢铁中耐候钢的耐大气腐蚀属性最好，次之为桥梁钢。

试验1年时，耐候钢的腐蚀速率为0.032 mm/a，而其他三种钢材的腐蚀速率在0.033～0.039 mm/a之间；试验2年时，耐候钢的腐蚀速率为0.022 mm/a，而其他三种钢材的腐蚀速率在0.023～0.030 mm/a之间；试验5年时，耐候钢的腐蚀速率为0.013 mm/a，而其他三种钢材的腐蚀速率在0.014～0.020 mm/a之间；试验8年时，耐候钢的腐蚀速率为0.010 mm/a，而其他三种钢材的腐蚀速率在0.011～0.018 mm/a之间。

2.2 腐蚀速率比值

从表3来看，四种钢材腐蚀速率比值随着周期的增大而逐渐增大，表明周期越长，耐侯钢耐蚀效果越好。

从图2可以看出，以耐候钢为基数获得速率比值，四种钢材腐蚀速率比值随时间增加而呈现出增大的趋势，这些趋势表明在暴露4周期内耐蚀效果为：耐候钢＞桥梁钢＞碳钢＞车辆钢。

2.3 各种合金元素在耐候钢中的作用分析

图l 四种钢材试验4 个周期平均腐蚀速率

表3 其他三种钢材与耐候钢腐蚀速率比值

图2 腐蚀速率比值与时间的关系

耐候钢有良好的抗大气腐蚀能力，其中合金元素起到了决定性作用，包括：降低锈层的导电性能，自身沉淀并覆盖在钢表面；影响锈层中物相结构和种类，阻碍锈层的生长；推迟锈的结晶；加速钢均匀溶解；加速Fe2+向Fe3+的转化，并能阻碍腐蚀产物的快速生长；合金元素及其化合物阻塞裂纹和缺陷[6]。

C：碳影响钢的力学性能和铸造性能，碳量高会降低钢的耐腐蚀能力，耐候钢中碳含量比普通钢少。

S：硫主要以硫化亚铁存在于钢中，它使钢在压力加工时容易开裂，降低了塑性，而且不利于钢的耐大气腐蚀。

P：磷元素也是耐候钢中提高耐候性能的一种非常有效的元素，P和Cu元素的复合添加还有一定的协同效应。它能够促进钢的均匀溶解和腐蚀，加大钢表面锈层的极化电阻，起到保护作用。

Mo：钼能使钢的晶粒细化，能提高机械性能。当钢中含有0.4 %～0.5 %时，在大气腐蚀环境下，钢的腐蚀速率可能降低50 %以上[6]。

Si: 硅和钼、钨、铬等结合，有利于提升钢的耐候性。

Cr: 铬能形成致密的氧化膜Cr2O3，提高钢的耐腐蚀能力，能够有效抑制腐蚀性阴离子，特别是氯离子的入侵。另外铬的电位比铁的低，在大气腐蚀环境中，能形成一种电化学保护作用，提高钢的耐候性。

Ni: 镍在酸碱的环境下都有较强的耐腐蚀性，合金中添加镍可增强其抗腐蚀性能。

Cu：是耐候钢中最有效的元素，铜在钢的表面及锈层中富集，形成阻挡层，具有较好的保护作用。另外铜和钢中硫元素发生反应生成CuS，降低硫元素的不利作用，提升钢的耐腐蚀性能。

Al: 铝元素在大气中能快速生成致密氧化层Al2O3，能抵抗Cl-的入侵；另外铝元素本身的电位比铁元素低，可保护基体不被腐蚀。

总结以上各元素对钢耐候性影响作用的大小：Cu、P、Cr对提高钢的耐候性有显著的作用；Ni、Mo、Al、Si对提高钢的耐候性稍有效果；C、S对钢耐候性的提高没有影响。

3 结论

本文研究的四种钢材腐蚀速率的关系为：耐候钢<桥梁钢<碳钢<车辆钢，结果显示四种钢铁中耐候钢的耐腐蚀性最好，并得出各种钢材耐蚀性的强弱与添加元素类别和元素量相关。

本文只从现成的钢材入手研究，比较不同钢材种类的腐蚀规律。笔者将继续深入，研究钢材中微量元素配方对钢材耐候性的影响。

[1]丁国清，张波．钢在自然环境中的大气腐蚀研究进展[J]．装备环境工程, 2010,07(03)：42-47.

[2]梁彩凤,侯文泰．碳钢、低合金钢16年大气暴露腐蚀研究[J]．中国腐蚀与防护学, 2005,25(01):1-6．

[3]黄海军,李婵,王俊.典型大气腐蚀介质的灰色预测模型分析[J]．装备环境工程, 2012,09(01):13-16．

[4]郝新峰.钢的大气腐蚀防护的研究进展[J].天津冶金, 2001 (s1): 89-90.

[5]杨海洋,高志贤,黄桂桥. 海洋大气环境下磷钒系耐候钢腐蚀数据分析[J]．环境技术, (2014) 04:0035-03.

[6]刘丽宏 等.耐大气腐蚀钢的研究概况[J].腐蚀科学与防护技术,2003,15(02):86-89.