冷轧板锈蚀与环境因素相关性研究*

2022-09-17胡杰珍刘文娟邓培昌周庆军祁庆琚

广州化工 2022年16期

胡杰珍, 刘文娟, 邓培昌, 周庆军, 祁庆琚, 黄欢

(1 广东海洋大学，广东湛江 524088；2 宝山钢铁股份有限公司，上海 201999)

钢铁产业原料与燃料多依赖进口，海运因运输成本低、运输量大是大宗物品运输的首选运输方式，临海建设钢厂可以降低原材料的运输成本。临海区域是钢铁高消费地带，临海建设钢铁厂为综合性工业区以及系统化产业链的形成和发展提供了良好的环境，有利于获取良好的经济效益，但临海大气环境常具有高氯、高湿的特点，在高盐、高湿的海洋大气环境中，钢铁产品在生产与储运过程中将面临较大锈蚀风险，尤其是冷轧钢板。

冷轧钢板主要应用在建筑、家电、汽车等行业，应用前景广阔。目前，关于冷轧板的研究较多集中于出厂后加工过程中的成形及连接性能，如冷轧板的冲压、涂装、焊接和成形后的耐蚀性，而在冷轧板生产与储运过程中的耐蚀研究较少。研究表明[1]，当环境中Cl-质量分数达到0.003%时，钢板就易发生表面锈蚀。Castano等[2]研究发现，在工业环境中，碳钢更易发生大气腐蚀。碳钢在Cl-含量较高的环境中生成的腐蚀产物 β-FeOOH 会加速碳钢的腐蚀[3-5]。李岩等[6]研究发现钢铁锈层中渗入的Cl-可以加速锈层下金属的腐蚀。Cl-对钢材表面钝化膜的影响较大，氯离子浓度较高的环境下，不锈钢表面形成的致密的氧化膜在较低的活化电位下即发生点蚀[7]，在氯离子浓度高于250 mg/L的40～60 ℃的中温水中，S304不锈钢具有点蚀敏感性[8]。

大气环境金属的腐蚀多属于电化学腐蚀，金属表面薄液膜的形成是电化学腐蚀的必要条件，大气相对湿度是影响大气环境金属腐蚀的重要因素[9-11]。赵全成等[12]以7A85铝合金为研究对象，比较了其在湿热海洋环境和干热沙漠环境下的腐蚀，发现湿热海洋环境下铝合金的最大腐蚀深度接近干热沙漠环境下铝合金的最大腐蚀深度的3倍。相对湿度对铝合金表面的腐蚀产物膜的结构也有影响，在相对湿度低于65%的环境中，铝合金的腐蚀产物膜具有保护性，可以抑制铝合金进一步腐蚀，而处于相对湿度超过65%的湿热海洋环境中，铝合金表面的腐蚀产物膜的保护性大大下降。大气相对湿度除直接影响金属腐蚀外，其还可以影响氯离子沉降速率，影响金属表面氯离子浓度影响金属腐蚀，在高湿度大气环境中，氯离子沉降速率更大[13]，氯离子与相对湿度对金属腐蚀的影响具有协同作用。

海洋大气环境具有高湿高盐的特点，临海钢厂大气环境常含有较高的固体尘粒，固体尘粒溶于冷轧板表面的液膜中，会促进冷轧板的腐蚀、形成锈点[14]。某临海钢厂库存区因冷轧钢卷发生锈蚀，导致多起质量异议，造成较大经济损失。因此，研究环境因素与冷轧钢板锈蚀的相关性具有较大的现实意义，对指导冷轧钢材库存区的环境控制也具有一定的价值。本文以汽车常用高强钢冷轧板为研究材料，研究相对湿度、氯离子含量、温度等环境因素与冷轧板锈蚀的相关性，以期获得冷轧板锈蚀临界环境因子。

1 实验方法

1.1 实验材料

试验材料为高强钢冷轧板，厚度0.7 mm，其化学成分(质量分数)为：≤0.006% C，≤1% Mn，≤0.08% P，≤0.025% S，0.015% Ait，≤0.02% Ti，余量为 Fe。将实验材料加工成50 mm×50 mm×0.7 mm 的挂片试样，在试样正上方边缘处打孔，试样用防锈纸包裹。实验前，经丙酮中超声处理5 min，无水乙醇中超声处理5 min，冷风吹干后，立即放入模拟环境中。

1.2 模拟环境

利用甘油水溶液形成湿度恒定的大气环境[15]，利用湿度计监测环境的相对湿度，利用恒温水浴箱控制温度。

图1 环境模拟示意图Fig.1 The diagram of environmental simulation device

1.3 实验过程

温度与湿度对冷轧钢板锈蚀的影响：分别控制温度为20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃，湿度为60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，把除油、除锈的冷轧钢片挂入环境模拟装置中，立即计时，记录出现宏观可见锈点的时间。

冷轧钢板表面液滴对冷轧钢板锈蚀的影响：分别控制温度为20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃，湿度为60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，把除油、除锈的冷轧钢片挂入环境模拟装置中，立即喷洒纯水、10-3mol/L的NaCl溶液、10-5mol/L NaCl溶液或10-7mol/L NaCl溶液，立即计时，记录出现宏观可见锈点的时间(起锈时间)。

2 结果与讨论

2.1 温度与相对湿度对高强钢冷轧板起锈时间的影响

表1 高强钢冷轧板在不同温度与湿度下的起锈时间Table 1 The rust time of high strength cold-rolled plate at at different temperatures and relative humidity (min)

图2 温度与相对湿度对高强钢冷轧板起锈时间影响图Fig.2 The influence of temperature and relative humidity to the high strength cold-rolled plate rust time

海洋大气环境中冷轧板的腐蚀属于电化学腐蚀，其腐蚀速度受大气相对湿度影响。高湿是临海钢厂环境的显著特征，在不同季节温度变化较大。由表1与图2可知温度与相对湿度对高强钢冷轧板的起锈时间影响明显。随着温度的升高，高强钢冷轧板起锈所需的相对湿度(即临界相对湿度)逐渐降低；同样温度下，3天内高强钢冷轧板起锈有一临界相对湿度，环境相对湿度低于临界相对湿度，高强钢冷轧板起锈时间随相对湿度升高而降低。如图3所示，以3天内高强钢冷轧板是否起锈作为临界相对湿度判断依据，可以获得高强钢冷轧板起锈的临界温度与临界相对湿度，临界温度与临界相对湿度存在较好的线性相关：RH=-0.7429T+102.48，R2为0.8521。由此可知：临海钢厂冷轧板生产与存储空间环境控制中应根据环境温度变化调整相对湿度控制标准。

2.2 凝露对高强钢冷轧板起锈的影响

表2 高强钢冷轧板在模拟凝露环境下的起锈时间Table 2 The rust time of high strength cold-rolled plate in the simulated condensation environment (min)

临海钢厂大气环境相对湿度较大，在大气温度迅速升高的季节，冷轧板生产与存储车间易出现凝露现象。本研究在冷轧板表面喷洒去离子水模拟凝露，研究凝露对冷轧板起锈的影响。由表2与图4可知，从温度20～45 ℃，从相对湿度60%～95%，出现凝露，冷轧板的起锈时间皆低于20 min。温度与相对湿度相同的前提下，凝露出现可以大幅降低冷轧板的起锈时间。凝露破坏了冷轧板表面的电化学均匀性，同时凝露也为局部电化学腐蚀提供必要条件，造成冷轧板的快速起锈。在冷轧板表面出现凝露的前提下，温度和湿度也会影响冷轧板的起锈时间：高温低湿起锈相对较慢，低温高湿起锈相对较快。由此可知：临海钢厂冷轧板生产与存储空间要防止凝露出现，出现凝露，高强钢冷轧板起锈风险极大。

图4 凝露对高强钢冷轧板起锈时间影响图Fig.4 The influence of condensation to the high strength cold-rolled plate rust time

2.3 凝露含盐量对高强钢冷轧板起锈的影响

高盐是临海钢厂大气环境的一大特点。通过喷洒10-3mol/L的NaCl溶液、10-5mol/L NaCl溶液和10-7mol/L NaCl溶液的方法模拟含盐凝露，研究凝露含盐量对高强钢冷轧板起锈时间的影响。由图5可知，含盐凝露下高强钢冷轧板的起锈时间并没有明显下降，起锈时间与无盐凝露下的起锈时间相当，氯离子对金属腐蚀的促进作用淹没在凝露的影响中，即以冷轧板起锈时间作为腐蚀程度的度量，凝露对冷轧板腐蚀的影响大于氯离子的影响。含盐凝露中的含盐量对高强钢冷轧板的起锈时间影响也不明显。凝露含盐量低于10-5mol/L条件下，温度越高，湿度越低，起锈时间越长；凝露含盐量为10-3mol/L时，温度的影响明显，在30～35 ℃范围内起锈时间较长，高于或低于该温度，起锈时间明显缩短。