耐候钢锈层稳定化规律与耐候性元素的作用机制

【作者】 董俊华；

【机构】 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心；

【摘要】 钢铁材料的大气腐蚀是指其表面因经受周期性干湿循环作用而自发地发生的结构性锈蚀退化。现场的长期曝晒结果早已表明,钢铁材料随时间的减薄量变化遵循幂函数规律,减薄速度随曝晒时间延长而逐渐变慢。然而,也有一些大气腐蚀模拟加速试验表明,钢铁材料的大气腐蚀速度在干湿循环作用的最早阶段是随时间延长而增大的,在后续阶段才表现为随时间延长而下降。对应于这种演化规律,我们认为,在腐蚀伊始,受极限扩散控制的薄液膜中溶解氧的还原是发生在钢基体上唯一的阴极反应。在随后的初期干湿循环中,一些锈层组分与溶解氧一同参与阴极反应,加快了早期的腐蚀速度。在随后的腐蚀进程中,伴随着腐蚀产物的不断积累,某些锈层组分的还原逐渐主导阴极过程,同时还不断地发生着某些物理或化学变化,导致其组成、结构和物理化学性质上也相应地变化,从而使氧的极限扩散还原过程受阻并影响到腐蚀的阴/阳极反应过程,使腐蚀速度出现转折而下降直至趋于稳定。对于耐候钢的大气腐蚀而言,其减薄的演化规律与普通碳钢相似。由于合金元素参与锈层中某些组分的形成改变了锈层的性质,腐蚀速度从升高到下降的转折点所对应的干湿循环次数明显减少,而且从转折点到达腐蚀速度趋于稳定所需要的时间大大缩短,处于锈层稳定状态时的腐蚀速度显著低于普碳钢或普通低合金钢。拉曼光谱分析表明,在普通碳素钢锈层上,γ-FeOOH分布于外锈层,α-FeOOH、β-FeOOH和Fe₃O₄则主要分布于内锈层中。而在含Cu/P的耐候钢锈层上,Cu增大内锈层中α-FeOOH的分布,Cu和P更可以协同增大锈层中α-FeOOH的分布。此外,Pourbaix Diagram、SEM/EDS和EXAFS结果表明,Cu⁺可以进入Fe₃O₄反尖晶石结构的正四面体单元中置换Fe³⁺,使锈层局部带有负电荷并排斥阴离子Cl^-透过锈层迁移到钢的基体,从而使锈层具有离子选择性而抑制耐候钢的大气腐蚀。国外学者通过EXAFS研究也表明,Cr³⁺主要以Fe_1-xCr_xOOH的纳米颗粒形式影响内锈层中α-FeOOH的性质,而Ni²⁺则可以进入Fe₃O₄反尖晶石结构的正八面体单元中置换Fe³⁺,使锈层的离子选择性进一步增强。开发了一种无污染的耐候钢锈层稳定化快速处理方法。结果表明,只需要用锈层稳定化处理液转化一次,然后进行4天左右的干湿循环,就可以得到薄而均匀的稳定锈层。更多还原