低合金耐海水腐蚀钢在模拟腐蚀环境下的耐蚀性能研究

黄锦花1󰀁李自刚2󰀁钱余海2

(上海宝山钢铁股份有限公司󰀁1.宝钢分公司制造管理部,2.技术中心,上海󰀁201900)

󰀁󰀁󰀂摘要 󰀁以普碳钢为对比样,采用模拟海水全浸和间浸、盐雾、湿热等加速腐蚀实验

并结合电化学测试技术研究了Cu󰀁Cr󰀁Mo系低合金耐海水腐蚀钢Q345C󰀁NHY3的耐蚀性能。结

果表明:在各种模拟环境条件下与碳钢相比Q345C󰀁NHY3钢都具有较好的耐蚀性能。󰀂关键词 󰀁耐海水腐蚀钢󰀁合金元素󰀁加速腐蚀实验󰀁耐蚀性能作者简介:黄锦花,女,工程师,宝钢分公司制造管理部ACCELERATEDCORROSIONBEHAVIOROFSEAWATER

CORROSIONRESISTANTQ345C󰀁NHY3STEELIN

ARTIFICIALSIMULATEDENVIRONMENTS

HuangJinhua1󰀁LiZigang2󰀁QianYuhai2

(1.ManufacturingManagementDept,BaoshanIron&SteelCo󰀂,Ltd󰀂;2.R&DCenter,BaoshanIron&SteelCo󰀂,Ltd󰀂)

󰀁󰀁󰀂Abstract 󰀁ThecorrosionresistanceoftheseawatercorrosionresistantsteelQ345C󰀁NHY3of

Cu󰀁Cr󰀁Moalloysystemundervarioussimulatedcorrosiveenvironmentswasinvestigatedbyfullimmersion

andperiodicalimmersiontestinsimulatedseawater,continuoussaltspraytest,humidityhotchambertest,combinedwithelectrochemicaltesttechnique.Theresultsshowedthatincomparionwithmild

carbonsteels,anexcellentcorrosionresistancewasachievedforQ345C󰀁NHY3steel.󰀂KeyWords 󰀁SeawaterCorrosionResistantSteel,AlloyingElements,Accelerated

CorrosionTest,CorrosionResistance

1󰀁前言在海洋资源的开发和利用过程中,钢材扮演

着不可或缺的角色,如潮流发电、海水发电、海

水温差发电设备及海滨大型跨海桥梁,与海洋开

发相关的海底容器,用于资源开发的各种大型海洋构件以及造船用钢等领域中均离不开钢。耐海

水腐蚀钢是为应用于上述环境条件而开发的一类

低合金钢。

国外对耐海洋环境腐蚀用钢的研究始于20世纪30年代,其中以美国和日本等国家为代表。

美国自1946年重点对具有耐海洋飞溅区腐蚀性

能的钢板桩用钢进行了开发,在耐蚀性、经济性等方面详细研究了Ni󰀁Cu󰀁P系的低合金钢的特

性,于1951年诞生了Mariner钢,其在飞溅区比普通钢具有较优秀的耐蚀性。日本从经济性、焊接性及耐蚀性等方面对耐

海水腐蚀钢的性能进行了研究,如为了抑制生产

成本的提高,将高成本添加元素Ni替换为Cr;

为了进一步提高耐蚀性,考虑了Ni󰀁Cu󰀁P或Cr以外的其它合金元素,如添加Al、Co、Mo、Nb、

Ti等元素对耐蚀性能的影响;为了扩大钢板桩

或者钢桩以外的使用领域,着重提高焊接性及可

加工性能,形成了具有自身特色的Cu󰀁Cr󰀁P、Cu󰀁Cr󰀁Al󰀁P、Cu󰀁Cr󰀁Mo系列耐海水腐蚀钢。

海水用钢的耐蚀性能是评价该钢种的一项重

要指标,通过对耐蚀性能的研究可以了解钢的适用性及合金元素的耐蚀效应,进而指导并优化钢

种的化学成分设计。本文通过实验室加速腐蚀实󰀁6󰀁第28卷󰀁第4期上󰀁海󰀁金󰀁属Vol󰀂28,No󰀂4󰀁󰀁󰀁2006年7月SHANGHAIMETALSJuly,2006验研究了一种耐海水腐蚀低合金钢(Q345C󰀁NHY3)的耐蚀性能。

2󰀁实验方法

Q345C󰀁NHY3属于Cr󰀁Cu󰀁Mo系低碳低合金耐海水腐蚀钢,可应用于跨海大桥钢管桩及其它海洋平台结构件。加速腐蚀实验所选对比钢种为普

碳钢Q345B及Q345qD,各钢种的化学成分如表

1所示。

表1󰀁各钢种的化学成分(质量分数%)

牌号CSiMnPSCuCrMo

Q345C󰀁NHY3!0󰀂12!1󰀂00!1󰀂50!0󰀂030!0󰀂030!0󰀂40!1󰀂30!0󰀂30Q345B!0󰀂20!0󰀂551󰀂0~1󰀂60!0󰀂040!0󰀂040---Q345qD0󰀂150󰀂421󰀂390󰀂0160󰀂008---SM490A!0󰀂20!0󰀂55!1󰀂60!0󰀂035!0󰀂035---

󰀁󰀁所有实验样品按实验要求经剪床剪切至相应

尺寸,再经刨床及磨床表面机加工,表面用脱脂

剂除油脂,在干燥器内放置24h后称重(天平感

量0󰀂1mg)。腐蚀实验完毕,先手工清除表面浮

锈层,之后浸入添加了缓蚀剂的盐酸溶液

(500ml盐酸加水至1000ml,加入六次甲基四胺

20g),加热至50∀除尽表面锈层,蒸馏水中漂洗

后置入无水乙醇中清洗,经吹风机吹干,放置干

燥器内24h后称重。

全浸试验介质为3󰀂5%NaCl溶液,试样固定

在旋转的试样架上,在腐蚀介质中的相对运动速

度为1m󰀁s,试验温度为30∀,试验时间为30

天;间浸试验介质相同,试样固定在旋转轮上,

频率为每小时旋转一周,试样处于腐蚀介质和空

气中的时间分别为10min和50min。溶液温度为

30∀,空气温度为35∀,试验时间为30天。盐

雾实验按日本JISZ2371标准进行,实验周期为

500h。湿热实验设定温度47∀,相对湿度为

98%RH,实验周期为1000h。自然腐蚀电位测量试验所用试样尺寸为40#40#3mm3,腐蚀介质为人造海水,实验温度

为30∀,采用双电极测试体,参比电极为饱和

甘汞电极(SCE)。测试周期为5天,测定自然

腐蚀电位随浸泡时间的变化。

3󰀁实验结果及讨论

全浸及间浸腐蚀实验近似模拟海洋环境的全

浸区和飞溅区。图1比较了不同钢种在全浸及间

浸实验条件下的腐蚀速率,可见,在全浸腐蚀及

间浸腐蚀实验条件下Q345C󰀁NHY3钢的腐蚀率均低于普通碳钢Q345B及SM490A。另外,相对于其它钢种,Q345C󰀁NHY3钢的显著特点是在全浸

及间浸实验条件下腐蚀速率差别最小,这对腐蚀条件同时包含海洋飞溅区及全浸区的钢管桩的应

用至关重要。

图1󰀁全浸及间浸条件下试样的腐蚀速率比较

图2为各钢种经5天浸泡后的自然腐蚀电位

曲线。结果表明,钢的自然腐蚀电位均经历一个

下降并趋于稳定的过程。前期自然腐蚀电位下降可能是由于钢表面的初始氧化膜溶解所致。之后

新鲜钢铁表面与溶液作用不断生成腐蚀产物,而

Cl-的存在同时破坏腐蚀产物膜层,两者相互作用使腐蚀电位不断变化并最终达稳定电位。

通过测定钢在海水中的稳定自然腐蚀电位能

够确定其在海水中的相对耐蚀性能[1]。同其它钢

种相比,Q345C󰀁NHY3钢自然腐蚀电位达稳定状态所经历的时间最短,同时电位稳定化后的波动

最小,表明Q345C󰀁NHY3钢表面锈层致密,不易

发生破裂或剥落,对钢基体具有良好的保护效应。

图3中连续喷盐雾实验结果表明,在Cl-沉

积盐环境条件下,Q345C󰀁NHY3钢的腐蚀失重为7第4期黄锦花等:低合金耐海水腐蚀钢在模拟腐蚀环境下的耐蚀性能研究󰀁

图2󰀁自然腐蚀电位󰀁浸泡时间变化曲线

普通碳钢Q345qD的70%,也即相对于普通碳

钢,Q345C󰀁NHY3钢的耐蚀性能有较大提高。用

钢丝刷清除表面锈层过程中发现Q345C󰀁NHY3钢

表面腐蚀产物与基体结合紧密,难于清除,表明

合金元素的加入能够促进钢表面致密锈层的生成

并使锈层稳定化,这种保护性锈层的生成有助于提高钢的耐蚀性能。

图3󰀁500h盐雾实验后腐蚀失重比较

肉眼观察不同钢种500h盐雾实验后经除锈

后锈层下金属界面的宏观形貌,可见锈层下金属

的腐蚀呈现为轻微点状腐蚀特征,其中Q345C-

NHY3钢的点蚀蚀坑密度最小,孔蚀深度也最

小。

由于Cl-对钢表面腐蚀产物膜具有较强的破

坏作用,金属材料在海洋环境下多呈现为点状腐

蚀特征,这是该环境条件下材料的典型破坏方

式。适量加入合金元素Cr可以提高钢的耐海水

腐蚀性能,与此同时添加一定量的合金元素Mo

可以在改善钢耐蚀性的前提下抑制钢发生点蚀的

倾向[2]。

由于Mo为强碳氮化物形成元素,为保证钢中Mo的最大固溶量以充分发挥其抑制点蚀效应,Q345C󰀁NHY3钢中添加了微合金元素Ti、Nb,并且严格控制氮的含量,使Ti、Nb优先与

钢中的碳氮形成细小弥散析出物,既强化了基体

又保证了耐蚀性能。

图4为不同钢种1000h湿热实验失重结果,

可以看出,添加合金元素后钢的耐蚀性能得以提

高,Q345C󰀁NHY3钢相对于普通碳钢Q345qD腐蚀失重下降29%。Y󰀂F󰀂Cheng[3]的研究结果表明:

合金元素Cr能够促进钢的钝化,并且随着Cr含

量的增加,趋于稳定的钝化膜会显著降低钢的腐

蚀速率,提高钢的耐蚀性。本实验结果验证了

Y󰀂F󰀂Cheng的结论。

图4󰀁1000h湿热实验腐蚀失重对比

高Cl-沉积环境条件下,钢表面生成的锈层

成分一般以󰀁󰀁FeOOH为主,该锈层对基体保护性能差,因此钢的耐蚀性能低于普通大气环境。

另外,Cl-的存在会阻碍钢表面稳定锈层的生成

及其稳定化,同时抑制致钝元素(如Cr)对钢

基体的钝化效应。研究表明[4],合金元素Ni的

加入(特别是3󰀂0%以上的Ni含量),将在钢近

表面锈层中产生富集,这种富集合金元素的锈层

具有离子选择透过性,即能够阻止Cl-传输至金

属界面,从而减缓Cl-对锈层的破坏作用。但由

于Ni的价格高,加入高含量的Ni将增大钢的制

造成本。另外Ni和Mo一样可提高金属在海洋环境条件下的抗点蚀能力,但后者的作用大得多。

4󰀁结论

通过多种实验室加速腐蚀实验研究了低合金

耐海水腐蚀钢Q345C󰀁NHY3的耐腐蚀性能,结果

表明同普通碳钢相比,Q345C󰀁NHY3钢在模拟海

水全浸及飞溅、盐雾沉积环境及湿热环境下具有良好的耐蚀性能,自然腐蚀电位测定结果进一步

证实了上述结论。(下转第13页)8󰀁上󰀁海󰀁金󰀁属第28卷