TSZ410不锈钢焊接接头在盐雾试验中的腐蚀行为

林和 ，吴群雄，朱宇勋，夏涵，唐谊平，陈枫

（1.丽水市正阳电力设计院有限公司，浙江 丽水 323000；2.浙江工业大学材料科学与工程学院，浙江 杭州 310014）

世界经济的高速发展离不开能源产业的支撑，而新开发的油气田、煤炭矿等多位于地理环境恶劣的偏远地区、深海等[1]。复杂的服役环境给钢材的强韧性、耐蚀性等提出了更高的要求[2]。不锈钢由于良好的力学性能、优越的耐蚀性、好的加工成型性等优点，在实际生产中的应用十分广泛[3-5]。其中铁素体不锈钢的镍含量低甚至不含镍，价格波动较小，成本低，并且相比奥氏体不锈钢，其硫、磷等杂质含量较低，纯度更高，晶体结构又是体心立方，热膨胀系数更小[6]，在焊接过程中接头不易变形，抗氧化性好，热裂纹倾向降低[7]。虽然我国已跻身成为世界最大的不锈钢生产国以及消费国，但是铁素体不锈钢在不锈钢中的占比仍较低，与发达国家也有较大差距，因此大力发展铁素体不锈钢符合当下的发展要求，同时能大幅降低成本，提高企业竞争力[8]，因而吸引了众多研究者的目光，近年来得到了快速发展。

T4003是典型的经济型不锈钢，具有一定的耐蚀性和最低的材料成本，已被广泛应用在铁路货车等领域。而TSZ410在T4003的基础上降低了碳和氮的含量，大大改善了该不锈钢的力学性能和焊接性能，同时通过提高铬含量来增强其耐蚀性。但是在焊接过程中，经济型不锈钢的焊接热影响区经历了循环的快热快冷，组织会发生巨大变化。国内外学者对不锈钢本体的盐雾腐蚀行为的研究较多，关于焊接接头这一特殊位置的报道则甚少。本文探讨了TSZ410不锈钢焊接接头在中性盐雾试验中的腐蚀行为。

1 实验

1.1 材料

选取TSZ410不锈钢板作为焊接母材，其成分(质量分数，后同)为：C ≤0.060%，Si ≤1.000%，Mn 1.000% ～ 2.000%，P≤0.040%，S≤0.015%，Cr 11.000% ～ 14.000%，N≤0.030%。焊丝成分为：C 0.013%，Si 0.450%，Mn 1.830%，P 0.020%，S 0.020%，Cr 19.870%，Mo 0.100%，Ni 9.650%，Cu 0.100%。

1.2 焊接件的制备

按GB 50661–2011《钢结构焊接规范》采用熔化极活性气体保护焊(MAG)对TSZ410进行焊接。采取对接接头，保护气体为95% Ar + 5% CO2，电流200 ～ 230 A，电压24 ～ 26 V，焊接速率300 ～ 350 mm/min。焊接完成后，按GB 50205–2001《钢结构工程施工质量验收规范》检查外观，按GB/T 29712–2013《焊缝无损检测 超声检测 验收等级》进行无损检测，并根据GB/T 2651–2008《焊接接头拉伸试验方法》、GB/T 2653–2008《焊接接头弯曲试验方法》和GB/T 2650–2008《焊接接头冲击试验方法》评定焊缝的性能。结果表明所检测的项目均合格。

图1展示了TSZ410不锈钢焊接接头截面。以焊缝为中心切割成4.0 cm × 6.0 cm × 1.5 cm的试件，并对焊缝凸起部分进行磨平、抛光，以方便进行盐雾试验。

图1 焊接接头不同区域的示意图Figure 1 Schematic diagram of different areas of welded joints

1.3 表征与性能测试

1.3.1 中性盐雾试验

用无水乙醇超声清洗抛光后的试件5 min，更换无水乙醇后再超声清洗2 min，低温干燥。按GB/T 10125–2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》用程控式盐水喷雾试验箱进行试验。介质为(5 ± 1)% NaCl溶液，温度(3.5 ± 0.5) °C。以8 h喷雾(喷15 min，停喷45 min为1周期，共8个周期)+ 16 h干燥为1个循环(即1 d)进行交替试验，分别完成10、30、64、102和128个循环。

1.3.2 腐蚀失重试验

参照GB/T 16545–2015《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》清洗试件表面的腐蚀产物。采用精度为0.01 mg的分析天平称量试样，按式(1)计算单位面积质量损失∆m。

其中，m1表示试件腐蚀前的质量(单位：g)；m2表示试件腐蚀后的质量(单位：g)；A为试件表面积(单位：m2)。

1.3.3 形貌与成分分析

采用Carl Zeiss Supra 55场发射扫描电子显微镜(SEM)观察焊缝区域的形貌，并用其自带的能谱仪(EDS)分析成分。采用RIGAKU D/Max 2550 PC型X射线衍射仪(XRD)分析焊缝区域的物相。采用金相显微镜观察试件的晶相组织。

1.3.4 极化曲线测量

采用上海辰华CHI660E电化学工作站测量极化曲线。以Ag/AgCl作为参比电极，铂电极为辅助电极，试件作为工作电极(暴露面积约3 cm2)，介质为5% NaCl溶液。试验在25 °C恒温水浴箱中进行，扫描电位区间为−250 ～ 250 mV，扫描速率5 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀情况分析

图2 不锈钢焊接试样经过不同时间盐雾试验后的宏观以及微观形貌Figure 2 Appearance and micro-morphology of the welded stainless steel sample after salt spray test for different time

从图2可见，未被腐蚀的试件表面较为平整，无腐蚀痕迹，不存在明显缺陷。其中焊缝区约1 cm宽，呈银白色金属光泽，存在平行的打磨痕迹。经过盐雾试验后，试件表面存在腐蚀产物，且随着腐蚀时间延长，腐蚀产物由浅褐色薄层变为黄色层片状，再逐渐变成致密的黄褐色厚层，腐蚀面积也逐步扩大，由不连续的零星状发展为连片分布。由于10 d时腐蚀产物的覆盖率已达100%，因此后续的宏观照片观察不到明显变化。而从试件的微观形貌可以观察到，10 d后钢板上出现了点状和局部破碎形式的腐蚀产物。点状腐蚀产物是钢发生点蚀而形成的，随着腐蚀时间延长，腐蚀产物从最初的点状逐渐扩大，随后腐蚀产物发生堆积层叠，并在内应力的作用下产生裂纹。

然而从图3可见，用硝酸清洗掉腐蚀产物后，焊缝区并没有发生腐蚀，甚至仍能清晰地观察到打磨焊缝时留下的痕迹。与之相比，母材区因为液化的盐雾而出现了大量的点蚀孔。由于不锈钢板与水平呈约60°角倾斜放置，因此焊缝上部母材区产生的腐蚀产物随着盐雾溶液流淌到焊缝区域，才令焊缝区也观察到了腐蚀产物。

图3 用酸清洗后盐雾腐蚀试件的宏观照片及SEM照片Figure 3 Appearance photo and SEM images of the salt-spray-corroded sample after being cleaned by acid

由图4可知，不管是否经过腐蚀，Fe、Cr、Mn等元素都均匀地分布在焊缝区。由EDS面扫描得出的元素含量(见表1)可知，未被腐蚀的试件没有检测到O元素，经过128 d盐雾腐蚀试验后，O元素含量达到了56.80%。此外，腐蚀128 d后的焊缝区反而未检测到Ni元素。这是因为焊缝区被母材区流淌过来的腐蚀产物覆盖，而母材区并不含Ni元素。

图4 试件盐雾试验前(a)以及128 d后(b)的元素面能谱图Figure 4 EDS mapping on the surface of sample before (a) and after (b) salt spray test for 128 d

表1 试件盐雾试验前以及128 d后的元素含量Table 1 Elemental composition of samples before and after salt spray test for 128 d

2.2 腐蚀产物的成分

从图5可知，即使经过10 d与30 d盐雾腐蚀后，焊缝区的XRD图谱也与未经腐蚀时基本一致，表明该部位不存在明显的腐蚀产物，或腐蚀产物较少而未被检测到。但当腐蚀时间达到64 d时，该处的XRD谱图发生了明显的变化，说明这时焊缝处已覆盖较多腐蚀产物。腐蚀产物主要由FeOOH(JCPDS No.18-0639)、Fe(JCPDS No.50-1275)和Fe3O4(JCPDS No.26-1136)组成。

2.3 极化曲线

为了从动力学角度分析金属腐蚀的难易程度，本文测试了钢板腐蚀不同时间后的极化曲线。腐蚀电位(φcorr)反映了材料发生腐蚀的倾向程度：φcorr越负，材料在腐蚀液中失去电子的倾向越大，越容易发生腐蚀。从图6可知，未经腐蚀的不锈钢板的φcorr约为−0.33 V，腐蚀倾向性较小。随着腐蚀时间延长，φcorr先正移后负移。这是因为在腐蚀初期，锈层的厚度逐渐增加，导致腐蚀介质传导受阻，锈层导电性降低，于是φcorr正移；腐蚀后期锈层裂纹增大，锈层脱落，腐蚀介质的传质通道被打开，φcorr负移。值得一提的是，对于极化曲线法这种电化学测试方法来说，因为不需要去除腐蚀产物，所以覆盖在焊缝区的腐蚀产物在一定程度上影响了结果。

图5 经过不同时间盐雾试验后焊缝处的XRD谱图Figure 5 XRD patterns of the weld seam after salt spray test for different time

图6 试件腐蚀不同时间后在5% NaCl溶液中的极化曲线Figure 6 Polarization curves of samples after being corroded for different time in 5% NaCl solution

2.4 腐蚀失重

经过10 d的中性盐雾试验，不锈钢板的单位面积质量损失为63.55 g/m2。随着时间延长，质量损失迅速增大，到30、64和106 d时，单位面积质量损失分别为107.29、170.84和231.46 g/m2。然后质量损失趋于平缓，到128 d时质量损失为287.09 g/m2，腐蚀速率为0.082 mm/a。

2.5 不同部位的腐蚀情况

由于晶粒表面和内部化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在，不锈钢焊缝易发生晶间腐蚀，晶粒间的结合被破坏，这是化学工业的一个重大问题。从图7可见，经过盐雾腐蚀试验后，焊缝区的金相组织没有发生明显的变化，无焊缝腐蚀区、刀状腐蚀区或敏华腐蚀区，焊接接头与基体交界处也没有发现腐蚀。这证明了焊缝区并未发生腐蚀，展现了较强的抗盐雾腐蚀能力。

图7 试件腐蚀前与腐蚀128 d后不同区域截面的金相照片Figure 7 Metallographic images of cross-section of different areas of the sample before and after corrosion for 128 days

3 结论

通过中性盐雾试验考察了TSZ410不锈钢板的腐蚀行为。尽管母材区发生了明显的腐蚀，但焊接接头处的耐蚀性十分优异。虽然经济型不锈钢的耐蚀性不够好，在实际应用时需要根据情况来选择，但是本文所选焊接材料与TSZ410不锈钢的配合以及耐蚀性较好，焊缝接头不会成为其腐蚀的薄弱环节。为获得更好的焊接结构，钢材的选择、焊接材料及相关焊接技术的研究都非常重要，后续将考虑进行更深入的研究。