合金元素对耐候钢在海洋大气中耐蚀性影响的交互作用

王晶晶,黄 峰,周学俊,陈江风,刘丽桢

(1. 武汉科技大学 材料与冶金学院，武汉 430081; 2. 武汉钢铁股份有限公司，武汉 430083)



合金元素对耐候钢在海洋大气中耐蚀性影响的交互作用

王晶晶1,黄 峰1,周学俊2,陈江风1,刘丽桢1

(1. 武汉科技大学 材料与冶金学院，武汉 430081; 2. 武汉钢铁股份有限公司，武汉 430083)

采用三因素三水平正交试验设计合金成分，实验室炼制轧制耐候钢，采用室内加速周浸腐蚀试验研究了在NaCl模拟海洋大气环境中合金元素铜、硅、镍对耐候钢耐蚀性影响的交互作用。结果表明,铜、硅、镍对耐蚀性影响的顺序为：铜>硅>镍，三因素对耐候钢耐蚀性影响交互作用明显；方差分析表明铜为高度显著影响因素，硅和镍为非显著影响因素；三种元素的最优含量搭配为：Cu0.15-Si0.6-Ni0；铜、硅、镍交互作用影响下，一定范围内适当减少贵金属铜、镍的用量以降低生产成本是可行的。

合金元素；耐候钢；海洋大气环境；耐蚀性；正交试验

耐候钢是指在普通低碳钢中加入适量铜、磷、铬、镍等合金元素，使钢铁表面形成一层致密且与基体结合紧密的腐蚀产物膜，从而大大提高钢铁材料的耐大气腐蚀能力[1-3]。研究表明，耐候钢成分和使用环境不同，其耐蚀性可比普通钢提高2～8倍[4]。传统耐候钢因采用镍、钛等合金元素而使价格偏高，限制了其广泛使用，所以开发低成本经济耐候钢已成为研究的热点。

从目前国内外的文献[5-11]来看，单一或两种合金元素对耐候钢耐蚀性影响的研究较多。封辉[5]研究了铜对低合金高强耐候钢耐蚀性的影响，发现铜使锈层厚度减小，致密度增加，有效提高了钢的耐腐蚀能力。刘国超[6]研究了铜和锰的协同作用对低合金钢在模拟海洋大气环境中腐蚀行为的影响，发现铜和锰的协同作用使得锈层更致密，耐大气腐蚀性能优于16Mn钢。但是三种及以上合金元素对耐候钢耐蚀性影响的交互作用研究尚少，海洋大气环境中三种及以上合金元素交互作用的研究更少。

本工作在SPA-H钢元素成分的基础上，设计三因素三水平正交试验，轧制9种不同铜、硅、镍含量的耐候试验钢，研究了其在模拟海洋大气环境中的耐腐蚀性，讨论了3种合金元素对耐候钢耐蚀性影响的交互作用，为开发低成本耐候钢提供理论支持。

1 试验

1.1 夹杂物及金相组织的观察

用线切割机在试验钢上切割金相试样，用SiC水磨砂纸将试样逐级打磨至2 000号，并抛光至镜面，使用英国牛津公司的le350 PentaFET X-3 X射线能谱仪对试样钢中夹杂物的成分进行分析；用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在Axioplan型多功能金相显微镜下观察钢样的微观组织。

1.2 钢成分正交试验方案设计

为了得到最佳含量搭配，在SPA-H钢种原有化学成分的基础上，设计时使硅、镍突破日标JIS G3125对其含量上、下限的规定，采用正交设计试验方案中的三因素三水平正交表，试验钢板具体合金元素及含量如表1所示，其他主要合金元素含量(质量分数，%)为：C 0.09，Mn 0.4，P 0.09，Cr 0.35，Al 0.02，S 0.01。实验室真空熔炼钢坯，在φ500 mm×400 mm二辊轧机上进行控制轧制，主要工艺参数如下： FT7 850 ℃， CT 540 ℃，厚度 6 mm。

表1 三因素三水平正交试验表

1.3 周期浸润腐蚀试验

周期浸润腐蚀试验采用北京科技大学腐蚀中心的EA-08型干湿交替周期浸润腐蚀试验箱进行，模拟海洋大气环境采用3.5%的NaCl溶液，试验进行72 h，试验条件如下：pH=6.47，溶液温度(45±2) ℃，空气温度(45±2) ℃，湿度(70±5)%，浸润时间 12 min，干燥时间 48 min。

试样尺寸为60 mm×40 mm×6 mm，试验前用砂纸逐级打磨至1 000号，用去离子水冲洗，丙酮去脂，无水乙醇脱水后吹干，在干燥器中干燥24 h后称其初始质量m1(精确到0.1 mg)；周浸腐蚀后将试样浸泡在配置好的除锈液(500 mL盐酸+500 mL蒸馏水+15 g六次甲基四胺)中清洗以去除腐蚀产物。除锈后的试样用无水乙醇清洗，冷风吹干后干燥24 h称其质量m2，并记录试样表面状况，按文献[12]方法计算腐蚀失重率。

2 结果与讨论

2.1 试验钢显微组织

实验室轧制的9种耐候试验钢中碳含量在0.09%左右，均属于亚共析钢，控制轧制，室温组织表现为铁素体和珠光体，如图1所示。经X射线能谱分析，钢中存在的非金属夹杂物主要为Al2O3和MnS，还有少量的Al2O3、MnS复合夹杂，各种钢之间夹杂物种类无明显差别。

2.2 正交试验结果

2.2.1 极差分析

9种试验钢试样进行为期72 h的室内加速周浸腐蚀试验后，其腐蚀失重率及相关的正交试验计算结果如表2所示。可以看出，9种钢中，含量搭配为Cu0.15-Si0.6-Ni0钢的腐蚀失重率最小，含量搭配为Cu0.35-Si0.9-Ni0钢的腐蚀失重率最大，最大值和最小值相差1.4 g/(m2·h)，变化比较明显，说明合金元素铜、硅、镍含量对耐候钢在NaCl模拟海洋大气环境中的耐蚀性影响较大。

为了确定三因素对失重率影响的主次顺序，利用极差分析法[13-15]来分析试验结果，极差越大，因素水平对试验结果影响越大。由表2可知，在试验所取参数范围内，三种因素的极差顺序为RCu>RSi>RNi，所以各因素对钢样在NaCl模拟海洋大气环境中耐蚀性影响的主次顺序为：铜>硅>镍。空白列的极差比硅、镍因素的极差大的多，这是因为表面上没有安排因素的空白列实际上存在着一些影响较为显著的“因素”[13]，即铜、镍、硅三种因素的交互作用。

在周浸腐蚀试验中，分析指标是腐蚀失重率，其值越小越好。所以在表2中应挑选每个因素的k1,k2,k3中最小值对应的水平。铜因素列：k3>k2>k1；硅因素列：k2>k3>k1；镍因素列：k3>k1>k2，所以优化方案为Cu1Si1Ni2，即Cu0.15-Si0.6-Ni0.06。由于镍因素水平改变对指标影响最小，可将2水平换为1水平，于是优方案变为Cu1Si1Ni1，即正交表中的1号试验钢，它也是9组试验中失重率最小的试验方案，即最优方案。

(a) 1号 (b) 2号 (c) 3号

(d) 4号 (e) 5号 (f) 6号

(g) 7号 (h) 8号 (i) 9号图1 9种试验钢的显微组织Fig. 1 Microstructure of nine weathering steels

2.2.2 直观分析

根据表2对每个因素不同水平腐蚀失重率的平均值作直观分析图，结果如图2所示。可以看出，铜含量由0.15%增加至0.35%时，腐蚀失重率持续增大，由4.5 g/(m2·h)增加到5.2 g/(m2·h)，增加了15.6%，铜含量为0.15%时，试验钢的耐蚀性最优；随着硅含量增加，失重率先增大后减小，硅含量从0.6%增加到1.2%时，失重率最大波动4.3%，硅含量为0.6%时钢失重率最小；镍对钢的耐蚀性影响则刚好相反，镍含量增加时，失重率先减小后增大，当镍含量增加到0.12%时，失重率最大波动仅2.1%，镍含量为0.06%时钢的耐蚀性能最佳。可见，三因素中铜在不同水平下失重率值波动最大，对指标的影响最显著，是试验钢耐蚀性能的最主要影响因素。

据文献报道[5,16-17]，在规定含量范围内，提高铜、硅、镍等合金元素的含量有助于提高钢的耐蚀性能。而在本试验中，铜含量增加，试验钢的耐蚀性反而变差，且随着硅、镍含量的增加，钢的失重率呈现折线型变化趋势。这说明铜、硅、镍同时加入使彼此之间存在交互作用，通过适当的合金元素含量搭配，可以得到耐蚀性能较好的耐候钢。如图2，根据元素之间的交互作用，确定耐蚀性能最好的钢的含量搭配为Cu1Si1Ni1(Cu0.15-Si0.6-Ni0)，这与极差分 析得到的结果是一致的。可见，在合金元素之间交互作用下，即使钢中铜、镍含量比较低也不影响其耐蚀性，即在一定范围内，适当减少贵金属铜、镍的用量以降低生产成本是可行的，具体的交互作用机理有待后期进一步研究。

表2 正交试验计算结果

图2 合金元素对试验钢耐蚀性影响的直观图Fig. 2 Illustrative diagram of effects of alloy elements on corrosion resistance of steels

2.2.3 方差分析

为了进一步检验各因素的影响程度，进行了方差分析，结果见表3。

F值与对应临界值之间的大小关系，反映了该因素对试验结果影响的显著性水平。如果某因素显著性的检验值大于经查表得到的Fα(fj,fe)，则表明此因素对指标的影响是显著的，否则不显著。由表3可以看出，FCu远大于FSi、FNi，则各因素影响失重率的主次顺序为：铜、硅、镍。只有铜因素水平的改变对指标影响特别显著**，是高度显著因素；而硅、镍因素水平的改变对指标无显著影响，是非显著性因素，可忽略，不进行优选。结合极差分析和直观分析结果，最终确定最优含量搭配为Cu1Si1Ni1 (Cu0.15-Si0.6-Ni0)，即1号试样。

表3 方差分析结果

3 结论

(1) 在SPA-H原有合金元素基础上，采用三因素三水平正交表设计合金成分硅、镍，实验室内轧制9种耐候试验钢，其微观组织均表现为铁素体和珠光体，钢中存在的非金属夹杂物主要为Al2O3和MnS，还有少量Al2O3、MnS复合夹杂。

(2) 在本试验所取参数范围内，硅、镍三因素对耐候钢耐蚀性影响的交互作用明显，影响主次顺序为：Cu>Si>Ni；其中，铜为高度显著影响因素，硅和镍为非显著影响因素；三种元素的最优含量搭配为：Cu0.15-Si0.6-Ni0。

(3) 由于试验钢中硅、镍彼此之间存在交互作用，在不影响其耐蚀性的前提下，一定范围内适当减少贵金属铜、镍的用量以降低生产成本是可行的。

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Relative Function of Effects of Alloy Elements on Corrosion Resistance of Weathering Steels in Marine Atmosphere

WANG Jing-jing1, HUANG Feng1, ZHOU Xue-jun2, CHEN Jiang-feng1, LIU Li-zhen1

(1. School of Materials and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Wuhan Iron and Steel Company Limited, Wuhan 430083, China)

The relative function of effects of Cu, Si and Ni on the corrosion resistance of weathering steels in a simulated marine atmospheric environment was conducted by means of immersion corrosion experiment after designing alloy composition based on the three factors-three levels orthogonal test and preparing weathering steels in laboratory. The results showed that the relative function of effects of Cu, Si and Ni on corrosion resistance of weathering steels was great, and the influence of the three factors exhibited the following order: Cu>Si>Ni. The analysis of variance showed that Cu was a significant influencing factor, Si and Ni were nonsignificant influencing factors. The optimal composition ratio of weathering steels had been determined to be Cu0.15-Si0.6-Ni0. It′s properly feasible to reduce the dosage of precious metals Cu and Ni within a certain range in order to cut down the cost of production under the interaction between Cu, Si and Ni.

alloy elements; weathering steel; marine atmosphere environment; corrosion resistance; orthogonal test

2014-03-10

国家自然科学基金(51201119)； 湖北省教育厅中青年人才资助项目(Q20121101)

黄峰(1972-)，教授，博士，从事金属材料腐蚀与防护及材料电化学相关研究，18607170385,huangfeng@wust.edu.cn

TG172.3

A

1005-748X(2015)01-0058-05