大氣腐蝕是影響鋼材使用壽命的重要因素。為防止鋼材發生腐蝕失效,通常對其進行防腐蝕涂裝,但是該措施維護成本高,且存在環境污染問題。開發免涂裝的耐候鋼已成為鋼鐵行業的發展方向[1-3]。 

低碳耐候鋼是指在普通低碳鋼中添加一定量的鎳、鉻、銅等合金元素,這些合金元素能夠使鋼材表面銹層更加致密,大幅降低銹層的導電能力,從而提高鋼材的耐蝕性[4-5]。評價耐候鋼耐蝕性能的主要方法是腐蝕試驗或電化學測試[6-7]。相較于腐蝕試驗,電化學測試具有準確度高、檢測快等優勢,并可通過等效電路來分析鋼的腐蝕機理[8]。此外,還可依據標準ASTM G101-2004(2020)《低合金鋼抗大氣腐蝕的評定指南》計算耐候指數,對耐候鋼進行耐蝕性評價。 

目前,已有不少關于低碳耐候鋼如09CuPCrNi、10碳鋼、Q345B鋼、Q325HY鋼和NSB鋼等電化學腐蝕行為的研究[9-11],但有關耐候指數對低碳耐候鋼電化學腐蝕行為影響的研究還比較少見。因此,作者根據鎳、鉻、銅等合金元素含量對耐候指數的影響,制備了三種不同耐候指數值的低碳耐候冷鐓鋼,并以普通低碳冷鐓鋼為對比材料,通過極化曲線和電化學阻抗譜研究了不同耐候指數低碳耐候冷鐓鋼的電化學腐蝕行為。 

1.   試驗

1#、2#、3#試驗鋼為自制低碳耐候冷鐓鋼,采用真空感應爐冶煉并軋制,4#試驗鋼為普通低碳冷鐓鋼,4組試驗鋼的化學成分見表1。采用ASTM G101-2004(2020)標準中修正的Legault-Leckie公式計算4組試驗鋼的耐候指數并列于表1中,4組試樣鋼的耐候指數依次減小。將試驗鋼線切割成10 mm×10 mm×4 mm的小塊,其中10 mm×10 mm面為測試面,垂直于軋制方向。試樣經表面研磨、拋光后,連接導線并進行冷鑲嵌,制備成電化學測試電極。采用金相顯微鏡觀察4組試驗鋼的顯微組織。 

電化學測試在上海辰光CHI600E電化學工作站進行,試驗溶液為3.5%(質量分數)NaCl溶液。測試采用三電極工作體系：工作電極為待測試樣,輔助電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。首先,進行開路電位測試。為保證測量的穩定性,將待測試樣在試驗溶液中浸泡1 800 s,再測試開路電位,測試時長為3 600 s,每1 s實時記錄電位,以600 s內開路電位波動在±10 mV內為測試結束條件。然后,進行電化學阻抗譜測試。將開路電位設為初始電位,測試頻率范圍為10-2~105 Hz,交流激勵電壓為10 mV。最后,進行動電位極化曲線測試,電位掃描范圍為開路電位-250 mV至開路電位+500 mV,掃描速率為0.5 mV/s。測試結束后,采用工作站系統自帶的電化學軟件對極化曲線和電化學阻抗譜進行擬合。 

2.   結果與討論

2.1   極化曲線

圖1為試驗鋼在3.5%NaCl溶液中的極化曲線。4組試驗鋼的極化行為相似,4#試驗鋼的極化曲線在最下方,自腐蝕電位最低,表明該鋼種的耐蝕性能最差；1#至3#試驗鋼的極化曲線均位于4#試驗鋼的上方,自腐蝕電位均比4#試驗鋼高,表明低碳耐候冷鐓鋼的耐蝕性能較普通低碳冷鐓鋼明顯提高,而1#試驗鋼的極化曲線在最上方,自腐蝕電位最高,在3種低碳耐候冷鐓鋼中其耐蝕性能最好。 

圖  1  試驗鋼在3.5%NaCl溶液中的極化曲線

Figure  1.  Polarization curves of test steels in 3.5% NaCl solution

采用電化學軟件對極化曲線的Tafel區進行擬合,結果如表2所示。其中,Ecorr和Jcorr分別表示自腐蝕電位和自腐蝕電流密度。由表2可知,4組試驗鋼的自腐蝕電位依次降低、自腐蝕電流密度依次增大,表明4組試驗鋼的耐蝕性能依次變差。與普通低碳冷鐓鋼相比,低碳耐候冷鐓鋼的自腐蝕電位偏高0.266~0.347 V,自腐蝕電流密度偏低,耐蝕性能顯著提高,其中1#試驗鋼的自腐蝕電流密度僅為1.663×10-6 A·cm-2,腐蝕速率相當于普通低碳冷鐓鋼的35.7 %。 

2.2   電化學阻抗譜

圖2為4組試驗鋼在3.5%NaCl溶液中的電化學阻抗譜。在Nyquist圖中,4#試驗鋼的整個阻抗譜為半扁圓弧形,呈單容抗弧特征；1#、2#、3#試驗鋼在高頻區阻抗譜為半扁圓弧,而在低頻區(虛線框中)阻抗譜曲線斜率逐漸變緩,呈現出與實部逐漸平行的趨勢和特征。根據Nyquist圖可知,在高頻區,4組試驗鋼的電極過程都主要受界面電荷轉移控制,電極表面主要是鐵氧化物形成的膜電容和膜電阻,沒有生成多層膜結構的腐蝕產物[12]；而在低頻區,1#、2#、3#試驗鋼電極的表面狀態發生改變,電極過程轉變為受物質轉移控制,彌散效應消失,電極表面產生的膜電阻有效阻止了腐蝕反應的進一步發生[13-14]。 

圖  2  試驗鋼在3.5 %NaCl溶液中的電化學阻抗譜

Figure  2.  EIS of test steels in 3.5% NaCl solution: (a) Nyquist plots; (b) Bode plots

在Nyquist圖中,1#試驗鋼容抗弧半徑明顯大于其他3組試驗鋼,且在Bode圖中1#試驗鋼低頻段的極限阻抗模值也是4組試驗鋼中最高的,這表明在1#試驗鋼極化過程中腐蝕能夠得到有效抑制,在4組試驗鋼中其耐蝕性最好,其他3組試驗鋼的容抗弧半徑依次減小,耐蝕性依次降低。電化學阻抗譜分析結果與極化曲線一致。 

圖3為試驗鋼在3.5%NaCl溶液中的等效電路圖。圖中,Rs和Rt分別為溶液電阻和電荷轉移電阻,用常相位角元件CPE表示界面電容。表3為采用電化學軟件擬合得到的等效元件參數。由表3可知,4組試驗鋼的電荷轉移電阻依次降低,1#試驗鋼的電荷轉移電阻達到6 846 Ω·cm2,遠高于其他3組試驗鋼,其耐蝕性是4組試驗鋼中最好的,4#試驗鋼的電荷轉移電阻最低,僅為1 376 Ω·cm2,其耐蝕性最差。4組試驗鋼的彌散指數n均在0.6以上,高頻區阻抗均呈現擴散型阻抗特征[15],這表明腐蝕產物對溶液中的離子產生了屏障作用,限制了溶液中離子的擴散,從而阻礙腐蝕反應的進一步發生。 

圖  3  試驗鋼在3.5 %NaCl溶液中的等效電路圖

Figure  3.  Equivalent circuit diagram for test steels in 3.5% NaCl solution

2.3   討論

在電化學試驗過程中,顯微組織狀態差異會造成鋼基體電化學特性不同,從而對其耐蝕性存在一定影響[16]。在以鐵素體為基體的低碳冷鐓鋼中,珠光體為復相組織,由鐵素體和滲碳體片層組成,由于滲碳體電極電位高,在腐蝕微電池中作為陰極,會加速基體組織的腐蝕[17-18],組織中珠光體含量越多,其耐蝕性能就越差。本研究中,4組試驗鋼的顯微組織均為鐵素體和珠光體,如圖4所示,對組織中珠光體含量統計后可知,1#、2#、3#試驗鋼中珠光體體積分數為9.25%~9.88 %,而4#試驗鋼中珠光體體積分數為4.97 %。可見,與普通低碳冷鐓鋼相比,低碳耐候冷鐓鋼的顯微組織中珠光體體積分數偏高4.28%~4.91 %,但電化學測試結果顯示,低碳耐候冷鐓鋼的耐蝕性能較普通低碳冷鐓鋼明顯提高。這表明對于以鐵素體為主的低碳耐候冷鐓鋼,組織中珠光體相含量的增加并沒有使鋼的耐蝕性能變差。 

圖  4  試驗鋼的光學顯微組織

Figure  4.  Optical microstructure of the test steels

圖5為4組試驗鋼的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度及電荷轉移電阻隨耐候指數的變化曲線。結果表明,隨耐候指數的增大,試驗鋼的自腐蝕電位Ecorr逐漸提高,電荷轉移電阻逐漸增大,自腐蝕電流密度逐漸降低,鋼的耐蝕性能逐漸提高；當耐候指數大于6.388時,電荷轉移電阻急劇增大。由圖5可知,試驗鋼的自腐蝕電位與耐候指數呈線性正相關,擬合得到其關系可用式(1)表示,R2=0.987 4。 

圖  5  試驗鋼的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度及電荷轉移電阻隨耐候指數的變化曲線

Figure  5.  Changing curves of free corrosion potential, free corrosion current density and charge transfer resistance with weathering index for test steels

3.   結論

（1）與普通低碳冷鐓鋼相比,耐候低碳冷鐓鋼具有較高的自腐蝕電位、較低的自腐蝕電流密度和較大的電荷轉移電阻,耐蝕性能顯著提高。 

（2）隨耐候指數增大,試驗鋼自腐蝕電位逐漸提高,電荷轉移電阻逐漸增大,自腐蝕電流密度逐漸降低,自腐蝕電位與耐候指數呈線性正相關,符合關系式Ecorr=0.057 7×I-0.723 0,當耐候指數大于6.388時,電荷轉移電阻急劇增大。

文章來源——材料與測試網