耐火耐候钢在工业和海洋大气环境中的腐蚀行为研究

高立军 杨建炜 张侠洲 赵英建 曹建平 王凤会

(首钢技术研究院，北京 100043)

钢结构建筑具有施工便捷、抗震性能好、绿色环保等诸多优点，国内外已广泛应用[1- 3]。日本新日铁开发出了一系列建筑结构用耐火耐候钢，通过添加钼、铌等元素合金化，使其能在600 ℃左右高温下保持1～3 h后屈服强度不低于室温的2/3，在此基础上再添加Cu、Ni、Mo等元素优化其耐候性。

国内也开展了高强度耐火耐候钢的研究开发，如武钢开发出了WGJ510C2建筑物用耐火耐候钢[4]，其锈层致密，具有优异的耐工业大气腐蚀性能。莱钢的董杰等[5]研究了耐火耐候钢在工业大气环境中的腐蚀行为，发现，Cu、Mn和Mo元素的共同作用可使耐火耐候钢具有良好的耐工业大气腐蚀性能。我国地域辽阔，大气环境复杂多样，耐候钢在不同大气环境中的腐蚀机制有差异，耐火耐候钢的推广应用需考虑环境因素的影响。

本文从钢结构建筑物所处的环境出发，研究了耐火耐候钢在工业大气和海洋大气两种典型环境中的腐蚀行为。

1 试验材料及方法

试验用耐火耐候钢的化学成分(质量分数，%)为0.05～0.1 C，0.02～0.05 Si，1～1.7 Mn，≤0.02 P，≤0.006 S，0.5～1.0 Ni，0.1～0.5 Cu，0.1～0.5 Mo，余为Fe。试样尺寸为40 mm×60 mm×4 mm。将试样表面磨平、丙酮除油、去离子水清洗，冷风吹干。

干湿交替腐蚀试验采用0.01 mol/L(质量浓度)的NaHSO3溶液和3.5%(体积分数)NaCl溶液，分别模拟工业大气环境和海洋大气环境。试验前对所有试样称重，试验温度(45±2)℃，湿度(70±5)%，每个循环周期为60 min，其中浸润时间12 min，干燥时间48 min。整个试验持续时间为264 h，分别在72、120、264 h时取样。

利用JSM- 7001F型环境扫描电镜观察氧化铁皮的微观形貌，利用Bruker D8 advance型X射线衍射仪检测不同腐蚀阶段试样的锈层组分。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀速率

图1为试验钢在模拟的工业大气和海洋大气环境中的腐蚀速率。图1表明，耐火耐候钢在海洋大气环境中的腐蚀速率明显高于在工业大气环境中的腐蚀速率。在工业大气环境中，耐火耐候钢的腐蚀速率随腐蚀时间的延长先增大后减小；而在海洋大气环境中， 耐火耐候钢的腐蚀速率随腐蚀时间的延长而减小，说明工业大气环境会加速耐火耐候钢的初期腐蚀。在这两种典型大气环境中，耐火耐候钢会生成具有保护作用的锈层从而降低了后期的腐蚀速率。

图1 试验钢在不同大气环境中的腐蚀速率随腐蚀试验时间的变化Fig.1 Corrosion rate of the tested steel in the different atmosphere environments as a function of corrosion time

2.2 锈层的微观形貌

图2为在工业大气和海洋大气环境中腐蚀不同时间的试验钢锈层的表面形貌。可以看到，试验钢在两种气候环境中腐蚀的初期均出现了裂纹，随着腐蚀时间的延长，锈层致密度增大，裂纹减少。腐蚀264 h的锈层放大2 000倍后发现，试验钢在工业大气环境中产生的锈层呈花簇状，在海洋大气环境中产生的锈层呈网格状或颗粒状。可见，耐火耐候钢在这两种环境中形成的锈层形貌有差异。

图2 试验钢在工业大气和海洋大气环境中腐蚀不同时间形成的锈层的表面形貌Fig.2 Surface patterns of dross on the tested steel corroded for different times in industrial and marine atmosphere environments

耐火耐候钢在工业大气和海洋大气环境中腐蚀不同时间形成的锈层的截面形貌如图3所示。可以看到，随着腐蚀时间的延长，试验钢在两种环境中形成的锈层厚度增加，腐蚀后期锈层中裂纹较少，致密度较高，可有效保护钢基体、降低腐蚀速率。

图3 试验钢在工业大气和海洋大气环境中腐蚀不同时间形成的锈层截面形貌Fig.3 Cross- sections of dross on the tested steel corroded for different times in industrial and marine atmosphere environments

图4为试验用耐火耐候钢在工业大气和海洋大气环境中腐蚀264 h形成的锈层的XRD图谱。图4表明，试验钢在两种环境中的腐蚀产物主要为α- FeOOH、γ- FeOOH和Fe3O4，钢在海洋大气环境中形成的锈层存在β- FeOOH。对比发现，耐火耐候钢在工业大气环境中形成的锈层中α- FeOOH含量比在海洋大气环境中形成的锈层高，而γ- FeOOH的含量则较低。可见，工业大气环境会促进锈层中α- FeOOH的生成，而海洋大气环境中由于Cl-的存在，锈层中会生成β- FeOOH。

图4 在工业大气和海洋大气环境中腐蚀264 h的试验钢锈层的XRD图谱Fig.4 XRD patterns of dross on the tested steel corroded for 264 h in industrial and marine atmosphere environments

2.3 腐蚀机制

图5 试验钢在工业大气和海洋大气中形成的锈层中的合金元素分布Fig.5 Distribution of alloy elements in dross on the tested steel developed in industrial and marine atmosphere environments

3 结论

(1)耐火耐候钢在工业大气环境中的腐蚀速率比在海洋大气环境中的低，在这两种典型环境中形成的锈层的形貌有差异。

(2)工业大气环境会促进耐火耐候钢的锈层中生成α- FeOOH，海洋大气环境中形成的锈层中会生成β- FeOOH。耐火耐候钢在不同大气环境中发生腐蚀的机制不同。