渗铝钢在卤水中的腐蚀行为研究

张 超

(天津工业职业学院天铁校区，河北056404)

0 引言

钢铁腐蚀的危害严重，每年都会给世界各国造成数以百亿的经济损失。 从日常生活到交通运输、建筑、机械、电力、石油化工、冶金、国防等众多领域都存在各种各样的腐蚀问题。 找到切实有效的防腐方法已经成为当务之急。 渗铝属于金属表面涂镀层技术，是经常用到的金属表面防腐的有效方法。 渗铝的方法有很多，包括固体粉末法、固体气相法、低压渗铝法等等，其中固体包埋渗铝技术是使用最为广泛的是方法[1-2]。

本次研究通过固体包埋的方法对Q235 钢进行渗铝， 并对渗铝钢的渗层金相组织和成分进行研究， 并对Q235 钢和渗铝钢分别在40℃，NaCl 浓度为0.7 mol/L 的水溶液中进行电化学试验。

1 试验材料及方法

1.1 试样准备

本次试验采用Q235 钢， 采用机械线切割将Q235 钢切割成10 mm×10 mm×5 mm 的长方体试样，试样经过砂纸打磨、抛光、酒精清洗后平均分作两份，一份用作原样钢，一份采用固体包埋渗铝的方法制作渗铝钢。

1.2 试验工艺及方法

(1)除油。 除油剂采用丙酮有机溶液，在丙酮有机溶液中将试样浸泡20 分钟至30 分钟。 如果油污在试样表面范围比较大时，可以先利用汽油对试样表面进行粗洗。 采用丙酮溶液浸泡后用清水将试样表面的油污和丙酮冲洗干净[3-5]。

(2)除锈。 采用质量分数为12%的盐酸溶液对试样表面进行除锈， 试样在盐酸溶液中浸泡30 分钟即可，若试样表面锈蚀严重，可延长浸泡时间。 至试样表面漏出金属光泽，即可用无水乙醇溶液将试样表面的盐酸溶液冲洗干净。

(3)助渗液浸泡。 为了保持试样表面的活性，将除油除锈后的试样浸泡于助渗液中，浸泡时间为15分钟。 助镀液的组成为：0.5%NaNO3+0.5%Cr2O3+0.02%K2MnO4+H2O。 采用去离子水对浸泡后的试样进行冲洗，冲洗后进行烘干。 试样必须在烘干后12小时内进行渗铝。 否则试样表面活性将失效。

(4)配制渗剂。 渗剂配方如表1，渗剂按照表1中的组成比例进行配制，并进行搅拌，直到均匀。

表1 渗剂配方

(5)装箱。 试样经过以上处理后与按照表(4)中比例配制好的渗剂装于一起，并在渗铝箱中进行封装。

(6)固态渗铝。 在电阻炉中对渗铝箱进行加热，温度至970 ℃，然后在炉中保温6 小时后断电冷却。对渗铝钢表面进行观察。

对渗铝钢渗层采用高精度显微镜进行拍照，并对渗铝层进行XRD 衍射分析以及能谱分析。 采用英国Solartron 公司的SI1280B 电化学工作站对渗铝钢和Q235 钢进行电化学测试。 介质溶液采用温度为40 ℃的0.7 mol/L 的NaCl 水溶液。并对腐蚀后的渗铝钢和Q235 钢表面进行拍照，观察腐蚀产物[6]。

2 结果及分析

2.1 渗层组织分析

从图1 可以观察到，Q235 钢基体是与渗层相互机械结合在一起。 金相图片表明有针状组织存在于渗铝层中。根据文献可知Al 原子的加入导致了组织中奥氏体向铁素体重结晶，新相形核表现为针状组织[7]。 从图片中看到渗层组织连续完整，没有气泡、杂质出现在渗铝层组织中，这样就能够有效的阻挡外界的腐蚀介质与基体进行接触，从而导致氧化和腐蚀。 当腐蚀介质开始侵害渗铝钢渗层表面的三氧化二铝膜时，渗层表面的氧化膜能够得到渗层组织中的铝原子的有效补充，继续形成致密完整的三氧化二铝膜， 直到渗铝层中的铝原子无法提供为止。这样的保护机制能够有效的阻止外界腐蚀介质对钢基体的破坏[8]。

图1 固体包埋渗铝层金相组织

2.2 XRD 衍射分析和能谱分析

对包埋渗铝的Q235 钢的渗层进行XRD 衍射分析和EDS 能谱分析，如图2。 通过能谱分析，我们知道Fe 原子和Al 原子是碳钢渗铝后渗层的主要元素。 通过XRD 衍射分析我们可以看出，碳钢渗铝的渗铝层主要由Fe2Al5、AlCl3和Al2O3组成。 渗层表面形成致密完整的三氧化二铝氧化膜，外界腐蚀介质经过氧化膜的有效阻挡能够使钢基体免受腐蚀。 当外界腐蚀介质对氧化膜进行破坏时，渗层表面会得到源源不断的来自渗层内部Al 原子的补充， 使得氧化膜得到修复， 从而继续保护碳钢基体免受腐蚀。 渗层内铝原子是一个由高铝相到低铝相的过程，直到渗层内的铝原子全部消耗完为止[9-10]。

图2 渗层的XRD 衍射分析和能谱分析

2.3 腐蚀表面形貌

采用温度为40 ℃的0.7 mol/L 的NaCl 水溶液浸泡固态渗铝钢和Q235 钢，时间为21 天。 采用照相机拍摄浸泡后两种钢表面的腐蚀产物，如图3。

由图我们可以看出，未经渗铝碳钢的腐蚀产物脱落严重，颜色为红棕色。 包埋渗铝钢表面腐蚀产物呈橘红色，且致密完整的覆盖于渗层表面，且与渗铝表面贴合紧密，不容易脱落。 致密连续的腐蚀产物也起到了隔离腐蚀介质与渗铝钢表面的作用，且不容易脱落，避免了腐蚀介质持续对渗铝层进行接触与破坏。

图3 渗铝钢和Q235 钢浸泡后腐蚀形貌

2.4 电化学测试分析

2.4.1 极化曲线的测定

如图4 所示为固体包埋渗铝钢和未经渗铝钢在温度为40 ℃，0.7 mol/L 的NaCl 水溶液中侵泡0天、7 天、14 天、21 天的极化曲线，采用Tefel 对极化曲线进行拟合。 对两种钢的极化曲线进行分析可知，两种钢的腐蚀电流密度都经历了开始变小后来变大的历程。 这主要是因为在腐蚀初期，随着侵泡时间的增加， 渗铝钢和Q235 钢遭到盐溶液中氯离子的攻击，表面钝化膜被破坏，腐蚀严重。 随着浸泡时间的推移， 腐蚀产物开始在两种钢表面出现产生，随着腐蚀产物的增加相当于隔绝了氯离子与渗铝钢或者Q235 钢表面的接触， 起到了保护钢基体的作用，腐蚀减轻。 但是一段时间过后，随着表面腐蚀产物部分脱落， 氯离子对渗铝钢或者Q235 钢表面腐蚀增加。

图4 两种钢浸泡周期内的极化曲线

钢的耐蚀性与腐蚀电位存在着正比例关系。 我们通过对两种钢极化曲线的比较发现， 在NaCl 水溶液浸泡周期内，未经渗铝钢的腐蚀电位都较固态渗铝钢低， 渗铝钢表现出了更好的抵抗腐蚀的能力。 渗铝钢具有较高抵抗腐蚀的能力主要是因为渗层表面的氧化膜能够将腐蚀介质与基体隔离，同时能够不断的得到补充修复，持续发挥保护作用。

2.4.2 交流阻抗谱

图5 为两种钢在温度是40 ℃，0.7 mol/L 的Na-Cl 水溶液中侵泡0 天、7 天、14 天、21 天的交流阻抗谱。 渗铝钢和Q235 钢在图5 中均是单容抗弧，容抗弧的半径越大，则表示电极反应的阻力越大，腐蚀速率越小，所以渗铝钢和未经渗铝钢抵抗腐蚀的能力可以用所测容抗弧进行表示。包埋渗铝钢和Q235钢在整个浸泡周期内， 容抗弧半径的变化规律相似，这主要是由于在NaCl 水溶液浸泡的过程中，腐蚀产物的覆盖与脱落所导致。

图5 Q235 钢和渗铝钢浸泡不同时间的交流阻抗谱

根据曹楚南理论，我们对两种钢的交流阻抗谱进行等效电路的拟合，得出电荷转移电阻Rp。 图6是未渗铝钢和渗铝钢在温度是40℃，0.7 mol/L 的NaCl 水溶液中Rp 随着浸泡时间的延长而变化的曲线。 由图可以看出渗铝钢的电荷转移电阻Rp 在试验周期内均大于Q235 钢。 这表明渗铝钢的抵抗腐蚀的能力较好，碳钢基体能够受到碳钢表面渗层较好的保护，渗层能够有效阻止腐蚀环境对钢基体的侵害。

3 结论

(1)Q235 钢经过高温固体包埋渗铝后形成的渗层致密完整， 渗层组织主要为针状组织，Fe 元素和Al 元素是碳钢渗铝后渗层的主要元素，渗层主要由Fe2Al5、AlCl3和Al2O3组成。

(2)Q235 钢经过腐蚀后，表面的腐蚀产物疏松且容易脱落；碳钢表面渗铝后，在腐蚀环境中，表面生成的腐蚀产物不容易脱落且致密完整，钢基体能够受到表面腐蚀产物较好的保护。

(3)电化学试验表明，碳钢渗铝后在盐溶液中抵抗腐蚀的能力明显好于未渗铝钢。

图6 电荷转移电阻Rp 随浸泡时间变化曲线