耐候指数对热轧耐候钢电化学行为的影响

2021-12-17赵丽丹胡学文何博王占业郭锐石践汪飞

腐蚀与防护 2021年6期

赵丽丹，胡学文，何博，王占业，郭锐，石践，汪飞

（马鞍山钢铁股份有限公司，马鞍山 243003）

钢铁材料因具有高强轻质、组织均匀、韧性和延性好等特性，被广泛用于铁路、桥梁、船舶等领域，但苛刻的工况使其在服役过程中易发生腐蚀而影响使用寿命［1-3］。据统计，全世界每年由于钢结构腐蚀造成的经济损失达数万亿美元［4-5］。为提高普通碳素钢的耐大气腐蚀性能，在其成分基础上加入适量的Cu、P、Cr、Ni等合金元素，开发出热轧耐候钢［6-9］。该钢在腐蚀过程中，因合金元素富集使其表面形成致密的具有保护性的锈层，阻碍腐蚀介质（如Cl－）与基体接触，进而使其耐蚀性提高2～8倍［10-12］。

目前，热轧耐候钢耐蚀性的研究方法大多集中于传统的腐蚀试验，如周期浸润腐蚀试验等［13-14］。热轧耐候钢主要用于铁路车辆、集装箱和塔架等，服役环境多为潮湿、酸性等环境，极易发生严重的电化学腐蚀［15-18］，相较于传统的腐蚀试验，电化学测试可通过建立等效电路模型进一步分析耐候钢的表面结构和腐蚀原因［19-20］。此外，ASTM G101－2001《低合金钢耐大气腐蚀性评估的标准指南》标准提出修正的Legault-Leckie公式，并定义了耐候指数I，I值越高，钢材的耐蚀性越好［21］。

迄今为止，关于耐候指数与热轧耐候钢电化学行为的相关性研究鲜有报道。因此，本工作探究了热轧耐候钢电化学行为随耐候指数的变化规律。

1 试验

1.1 试样

试验用六种热轧钢板被加工成尺寸为10 mm×10 mm 的试样，经砂纸逐级打磨后，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗10 min后吹干，去除试样表面污渍。如表1 所示，1 号、2 号试样为普通碳素钢，其他均为热轧耐候钢。从耐候指数推测，1～6号试样的耐腐蚀性依次变好。

表1 不同试样的主要化学成分（质量分数／%）及耐候指数Tab.1 Main chemical composition（mass fraction／%）and weathering index of different samples

1.2 试验方法

电化学试验采用标准的三电极体系，通过普林斯顿2273型电化学工作站进行测试。试样为工作电极，铂丝网为辅助电极，Ag／AgCl电极为参比电极。电解液选取常用的3.5%（质量分数，下同）NaCl溶液。为保证整个体系处于稳定状态，首先测量试样表面的开路电位，测试时间为3 600 s。动电位极化曲线测量时电位扫描范围为－0.3～0.3 V，扫描速率为1 m V／s。电化学阻抗谱测量过程的频率扫描范围为10－2～105Hz，施加的交流电正弦波幅值为10 m V。然后使用Powersuit和Zview 软件拟合极化曲线和阻抗谱。

2 结果与讨论

2.1 动电位极化曲线

根据GB／T 17899－1999《不锈钢点蚀电位测量方法》规定，阳极反应电流密度为100μA／cm2时，对应的电位为点蚀电位。由图1可以看出，6号试样的极化曲线在最上方，表明其自腐蚀电位和点蚀电位最高，1号试样的极化曲线位于最下方，表明其自腐蚀电位和点蚀电位最低。如表2 所示，用Ecorr表示自腐蚀电位，Jcorr表示自腐蚀电流密度，E′b100表示点蚀电位。试样的自腐蚀电位和点蚀电位与耐候指数基本保持一致，具体表现为：随着耐候指数的增大，自腐蚀电位和点蚀电位依次增大，说明1～6号试样的耐蚀性依次变好。

表2 不同试样动电位极化曲线的拟合参数Tab.2 Fitting parameters of dynamic potential polarization curves of different samples

图1 不同试样在3.5% NaCl溶液中的动电位极化曲线Fig.1 Dynamic potential polarization curves of different samples in 3.5% NaCl solution

2.2 电化学阻抗谱

由图2 可知，Nyquist图中6 号试样阻抗谱的半圆弧直径明显大于其他试样的。Bode图中6号试样的低频极限阻抗模值大于其他试样的，表明其具有良好的耐蚀性，这与动电位极化曲线测试结果基本一致。进一步分析发现，Nyquist图和Bode图中六种试样的阻抗谱分别只有1个半圆弧和1个时间常数，说明从高频到低频，仅存在一个容抗弧，六种试样未因腐蚀产物的生成形成多层膜结构［22］。

图2 不同试样在3.5% NaCl溶液中的电化学阻抗谱Fig.2 EIS of different samples in 3.5% NaCl solution：（a）Nyquist plots；（b）Bode plots

如图3所示，其中Rs为溶液电阻，Rct为电荷转移电阻。由表3可知，试样电荷转移电阻由高到低依次为：6号、5号、4号、1号、2号、3号，这与极化曲线结果略有偏差，Rct越大，腐蚀过程越难发生。CPE为常相位角元件，包括两个参数Y0和n，Y0代表界面电容，n表示弥散指数。6种试样的n值均大于0.6，呈现出带有限滞留层的扩散型阻抗特征［22-23］，说明此时试样表面腐蚀反应生成的产物层已经对溶液产生屏障作用，溶液中的离子向基体扩散受到限制。1号和2号试样的电荷转移电阻Rct显著低于6号试样的，说明6号试样表面的腐蚀产物层具有较高的离子传导阻抗。