Ni、Si和Al对09MnNb钢在海水中耐蚀性的影响

2020-11-18刘雯黄桂桥

环境技术 2020年5期

刘雯，黄桂桥

（青岛钢研纳克检测防护技术有限公司钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所，青岛 266071）

引言

耐海水腐蚀钢是随着海洋开发的需要而开发的一类低合金钢。耐海水腐蚀钢的研发高潮在上世纪60～70年代[1]，但对耐海水腐蚀钢的研发一直没有停止[2-10]。进入21世纪以来，耐海水腐蚀钢的研发及其腐蚀行为研究仍受到研究者的重视[7-14]。上世纪60年代美国钢铁公司开发了在飞溅区耐蚀性优秀的耐海水腐蚀钢Mariner，属Ni-Cu-P系[1]，之后，日、法和中等国家都研制成功了一系列的耐海水腐蚀钢，这些钢几乎都是含Cr低合金钢，包括Cr-Al、Cr-Cu、Cr-Mo-Al、Cr-Cu-Mo等系列[1-9]。长期暴露试验表明，与碳钢的耐蚀性相比，含Cr低合金钢（包括耐海水腐蚀钢）在海水全浸区短期暴露的耐蚀性好，但长期暴露的耐蚀性变差，即发生“耐蚀性逆转”[15-18]；在潮汐区其耐蚀性比碳钢差[18,19]；在飞溅区其耐蚀性有提高，但提高不大[18,20]。因此，为满足海洋开发的需要，有待研发新合金系、耐蚀性更好的高耐海水腐蚀钢。

09MnNb（0.9Mn～0.05Nb）是我国上世纪70年代开发的船板钢，因其有较好的耐海水腐蚀性[21,22]，在耐海水腐蚀钢研发和应用领域是知名牌号。在我国3个海域的腐蚀试验结果[23]表明，09MnNb在飞溅区、潮汐区和全浸区的耐蚀性都还不够高，不是高耐海水腐蚀钢。在09MnNb的基础上添加耐蚀合金元素（除Cr以外），研究添加元素的影响，以便大幅度提高09MnNb在海水中的耐蚀性，对探索、研发高耐海水腐蚀钢有重要价值和意义。

本文报告了在09MnNb基础上添加Ni、Si和Al 的钢在海水飞溅区、潮汐区和全浸区暴露1年的腐蚀结果，讨论了添加Ni、Si和Al对09MnNb钢在飞溅区、潮汐区和全浸区耐蚀性的影响。

表1 钢的化学成分 wt %

1 试验

试验材料为9种钢，其中8种试验钢，编号1～8。试验钢的设计成分是在0.9Mn～0.05Nb基础上复合添加2.3 %或0.8 %Ni、0.8 %Si和0.7 %Al。09 MnNb是对比钢。钢的化学成分见表1，试样尺寸100 mm×60 mm×（4～6）mm，表面磨光，粗糙度Ra为1.6 μm。

试样投放在钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所海水腐蚀试验场。试验场位于青岛小麦岛，即北纬36 °03 ′，东经120 °25 ′。此处潮汐为正规半日潮，平均潮差2.7 m。试验场海水环境因素平均值：温度13.7 ℃，盐度31.5，pH 8.2，溶解氧浓度8.4 ml·L-1，流速0.05 m·s-1。试验场平均气温12.3 ℃。

试验前，用丙酮去除试样的油污，称重，量尺寸。飞溅区试样用塑料套固定在建于海边礁石的试验架上。试样暴露在平均高潮位以上0.5～1.2 m之间。全浸区和潮汐区试样用塑料隔套固定在试验架上。全浸区试样处于平均低潮位以下0.2～1.2 m。潮汐区试样处于平均潮位线 ±0.2 m之间。试验时间1年。试验结束后，取下试样，清洗腐蚀产物，称重，计算腐蚀速率。试验方法符合GB 5776-2005。

表2 钢在各海水腐蚀区暴露1 a的腐蚀结果

2 结果和讨论

9种钢在海水中暴露1a（1年），整个表面均被腐蚀产物覆盖，腐蚀类型为不均匀全面腐蚀。表2是试验的9种钢在3种海水条件下暴露1a的腐蚀速率和相对于09MnNb的耐蚀率。钢的相对于09MnNb的耐蚀率=（09MnNb的腐蚀速率/该钢的腐蚀速率）·100 %。

2.1 飞溅区

8种试验钢在海水飞溅区暴露1a的腐蚀速率在0.201～ 0.325 mm/a之间，相对于09 MnNb的耐蚀率为99～ 160 %。钢的耐蚀性显示了较大的差别。含2.3 %Ni的1～4号钢相对于09 MnNb的耐蚀率为138～160 %。耐蚀性比09 MnNb有大幅度（38 %以上）提高。这表明0.9Mn-2.3Ni-0.05Nb钢在飞溅区有优良的耐蚀性。5号、6号和8号钢的耐蚀性与09MnNb接近，7号钢的耐蚀性好于09MnNb。对试验钢的腐蚀结果分析得出，在0.9Mn～0.05Nb钢中，添加2.3 %Ni能显著提高钢在海水飞溅区的耐蚀性；在添加2.3 %Ni后，复合添加Si或/和Al对在飞溅区的耐蚀性的影响效果不明确；在添加0.8 %Ni后，复合添加Si使钢的耐蚀性有较小提高，复合添加Al降低钢在飞溅区的耐蚀性。

2.2 潮汐区

8种试验钢在海水潮汐区暴露1a，腐蚀速率在0.238～0.318 mm/a之间，相对于09MnNb的耐蚀率在86～106 %之间。可以看出，试验钢在海水潮汐区的耐蚀性与09MnNb差别不大。2号、5号、6号钢的耐蚀性比09MnNb略差，其他钢的耐蚀性与09MnNb基本相同。

由腐蚀结果得出，添加Ni或Si对09MnNb钢在潮汐区的耐蚀性影响很小；添加Al使09MnNb钢在海水潮汐区的耐蚀性略有降低，即添加Al对09MnNb钢在海水潮汐区的耐蚀性有害。

2.3 全浸区

试验钢在海水全浸区暴露1a的腐蚀速率在0.099～1.77 mm/a。试验钢的耐蚀性有较大差别。4号、8号的耐蚀性与09MnNb接近，其他钢的耐蚀性好于09MnNb。其中1号和5号的耐蚀性最好，两者相对于09MnNb的耐蚀率分别为172 %和167 %。这表明0.9Mn-0.8Si-0.7Al-0.05Nb钢在海水全浸区有优良的耐蚀性。

由试验钢的腐蚀结果看出，在09MnNb钢中，添加Ni、Si或Al都能提高钢在全浸区的耐蚀性，Si、Al对耐蚀性的影响效果大于Ni。在含0.7 %Al的钢中增加Si，或在含0.8 %Si的钢中增加Al，能显著提高钢在海水中的耐蚀性，即同时增加Si和Al对提高钢的耐蚀性有更好的效果，使耐蚀性显著提高。