大气降水对金属材料环境适应性能影响研究

2020-09-10杜天君孙开争耿晔林静徐国栋

环境技术 2020年4期

杜天君，孙开争，耿晔，林静，徐国栋

（山东省济南生态环境监测中心，济南 250100）

引言

酸雨为酸性沉降中的湿沉降，包括所有气状污染物或粒状污染物，随着雨、雪、雾或雹等降水形态而落到地面者，也包括从空中降下来的落尘所带的酸性物质，主要又分硝酸型酸雨和硫酸型酸雨两种。我国的西南地区、华中地区和华东沿海地区的酸雨大多为硫酸型酸雨，且华中酸雨是我国酸雨污染范围最大、中心强度最高的酸雨污染区。在大气降水变化过程中，金属材料尤其是量大面广的钢丝材料对酸雨的环境适应性的影响较大[1]，长时间的酸雨不仅会对钢丝的表面形貌造成较大影响，且还会影响钢丝的综合力学性能，降低使用寿命[2,3]。因此，有必要对酸雨环境下钢丝的腐蚀行为进行研究，搞清楚腐蚀时间与钢丝腐蚀深度以及剩余寿命之间的对应关系或者得到相应的预测模型，都可为降低钢丝的腐蚀破坏和增强腐蚀防护提供参考。

1 试验材料与方法

试验原料为直径7 mm的镀锌钢丝，钢丝主要元素化学成分采用电感耦合等离子发射光谱法测得结果见表1。

钢丝表面经过清洗除油和干燥后备用；在QJYS-70型盐雾试验机中进行模拟自然腐蚀环境的盐雾腐蚀试验，腐蚀介质为模拟华中地区酸雨配制的溶液，成分配比如表2[4]，使用的水为去离子水，室温调节pH值至4。根据GB/T 24195-2009《金属和合金的腐蚀酸性盐雾、“干燥”和“湿润”条件下的循环加速腐蚀试验》和GB/T 10125-2012 《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》对原料钢丝进行间歇式喷雾处理（喷12 h停12 h为一周期），试验温度为35 ℃，控制盐雾沉降率为1.5 ml/80 cm2.h。

盐雾腐蚀试验结束后用清洁球去除表面锈蚀产物，再分别用清水冲洗、酒精超声清洗后吹干，用JA2603B型电子天平称量钢丝腐蚀前后的质量；采用华为P30手机对钢丝的宏观形貌进行拍摄；采用JUD/HGF-32型粗糙度仪对钢丝表面腐蚀深度进行测量。

表1 钢丝的化学成分（wt,%）

表2 模拟华中地区酸雨腐蚀溶液配比

2 试验结果与分析

图1为去除腐蚀产物前钢丝表面的宏观形貌。当盐雾腐蚀试验为10天时，镀锌钢丝表面出现了少量白亮，而随着盐雾腐蚀时间延长至20天时，镀锌层表面出现较多的锈蚀斑，并在盐雾腐蚀时间为40天时锈蚀斑几乎覆盖整个表面；当盐雾腐蚀时间延长至60天时，钢丝表面颜色发生变化，表明钢丝基体已经开始锈蚀[5，6]；在盐雾时间为80天时，钢筋表面锈蚀颜色有所加深，且在盐雾腐蚀时间为100天时呈明显红棕色，钢丝表面锈蚀较为严重。

图2为去除腐蚀产物后钢丝表面的宏观形貌。对比分析可知，随着盐雾腐蚀时间从10天增加至100天，镀锌钢丝的表面腐蚀凹坑数量逐渐增多、腐蚀坑深度不断增加，在腐蚀时间为100天时可见钢丝表面已经发生较为严重腐蚀，整个表面都凹凸不平。

图1 去除腐蚀产物前钢丝表面的宏观形貌

图2 去除腐蚀产物后钢丝表面的宏观形貌

对盐雾腐蚀100天后钢丝的表面腐蚀形貌进行观察，结果如图3。可见，钢丝表面修饰较为严重，成红棕色或黑褐色，局部可见沿钢丝纵向分布的半椭球腐蚀坑以及半球形腐蚀坑，同时还黑斑区域出现沿钢丝横向分布的半椭球腐蚀坑。

图4为不同盐雾腐蚀时间下钢丝的均匀腐蚀深度-概率密度曲线，表5为钢丝表面的均匀腐蚀深度与腐蚀时间的变化关系。可见，当腐蚀时间为10天时，钢丝表面均匀腐蚀深度约为6.36 μm；腐蚀时间延长至120天，钢丝表面均匀腐蚀深度逐渐增加至53.60 μm；随着盐雾腐蚀时间的延长，钢丝表面腐蚀深度逐渐增加，这表明在盐雾腐蚀试验过程中，盐雾腐蚀时间的延长会使得腐蚀更加严重[7]；此外，随着腐蚀时间的延长，均匀腐蚀深度离散性呈现逐渐增大的趋势，而均匀腐蚀深度离散性变小。图5中的拟合曲线将均匀腐蚀深度与腐蚀时间曲线分为两段，其中，盐雾腐蚀时间为40天前表示表面镀锌层发生腐蚀的阶段，而盐雾腐蚀时间超过40天时则为钢丝基体的腐蚀；由两段直线的斜率可知，镀锌层的腐蚀速率要高于钢丝基体，这主要是由于表面镀锌层的耐盐雾腐蚀能力较钢丝基体更弱的缘故[8]。