模拟工业大气环境中XCS-lode钢与30Cr Ni3Mo钢的腐蚀行为

李 曜,吴建鹏,曹 锋,许海龙

(江阴兴澄特种钢铁有限公司,江阴 214400)

2019年全球汽车总产量为9 178.69 万 辆,其中,中国汽车产量占全球的28%以上,大量汽车的生产及销售给全球的能源消耗及环境保护带来了巨大压力,汽车的节能减排日益受到人们的关注[1-2]。有研究表明,汽车质量每减少100 kg,每100 km 可节省燃油0.3～0.5 L和减少CO2排放8～11 g[3]。汽车轻量化可以通过轻量化材料、轻量化结构和轻量化制造技术实现,而钢是汽车中占比最多的材料,因此通过高强钢代替普通钢是实现汽车轻量化的主要途径[4-9]。

根据大气监测数据,含硫的物质是主要的大气污染介质[10]。由于汽车长期暴露于大气环境中,其钢铁材料易遭到大气腐蚀,从而使使用寿命缩短[11]。强度的提高使得钢材尺寸减小,同等腐蚀程度下,高强钢零部件更易发生提前失效,造成无法挽回的后果。

国内对于高强钢的研究主要集中于提高其力学性能和变形机制等两个方面。随着国内汽车产业的快速发展,汽车的腐蚀问题逐渐趋于严重。2019年我国取消了私家车报废年限,这进一步加剧了国内汽车钢的腐蚀情况。

本工作对汽车用高强钢的耐工业大气腐蚀性能进行了研究,以兴澄特钢生产的30Cr Ni3Mo汽车用钢及其自主研发的XCS-lode高强度汽车用钢为原材料,在模拟工业大气环境中进行周期浸泡加速腐蚀试验,分析了两种材料的腐蚀行为。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为兴澄特钢生产的8 mm 厚XCSlode钢和30Cr Ni3Mo钢薄板,两种材料的力学性能见表1。采用砂轮打磨的方式将两种材料上下表面各磨去1 mm,线切割加工成以下两种尺寸的试样:(1) 尺寸为40 mm×60 mm×6 mm 的片状试样,用于周期浸泡加速腐蚀试验,试样表面经打磨、丙酮除油、酒精清洗和吹干后,放入干燥箱中备用;(2)尺寸为10 mm×10 mm×6 mm 的试样,用于电化学测试,将丙酮除油后的试样与导线焊接,采用环氧树脂密封,工作面积为1 cm2,然后将试样进行砂纸逐级打磨(180号～1 200号)、酒精清洗和吹干后,放入干燥箱中备用。XCS-lode钢的强度与塑性与先进高强度钢(AHSS)的类似,要高于30Cr Ni Mo钢的强度与塑性。

表1 两种试验材料的力学性能Tab.1 Mechanical properties of two test materials

1.2 试验方法

1.2.1 模拟工业大气腐蚀试验

依据TB/T 2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》标准,进行周期浸润试验,采用0.01 mol/L Na HSO3溶液模拟工业大气腐蚀环境,试验箱温度为(45±2)℃,湿度为(70±5%)RH,试验以60 min 为一个周期(其中浸泡时间为12 min),试验时间为20 d,取样时间分别为5,10,15,20 d,每个试验阶段设置5个平行试样。为方便区分试样,对试样表面进行开孔,孔径为4 mm,通过开孔位置确定每个试样的质量、尺寸等物理性能。

1.2.2 表面观察和物相分析

试验后,采用扫描电镜(SEM)观察试样表面的微观形貌,然后依据ASTM G1-03《Standard Practice For Preparing,Cleaning,And Evaluating Corrosion Test Specimens》标准中表A1.1的方法,配制腐蚀溶液,去除试样表面的腐蚀产物膜,称量并计算其腐蚀速率。将腐蚀20 d后的试样烘干,刮下其表面腐蚀产物膜,采用X 射线衍射仪(XRD)分析腐蚀产物膜的相组成。

1.2.3 电化学测试

将未经腐蚀及腐蚀5 d 和20 d 的试样置于0.01 mol/L Na HSO3溶液中,通过电化学工作站进行电化学阻抗谱检测。采用三电极体系,铂电极为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,试样为工作电极。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀速率

由图1可知:腐蚀5,10,15,20 d后,XCS-lode钢的腐蚀速率分别是30Cr Ni3Mo 钢的19.56%、15.53%、15.31%、13.78%;另 外,根 据Q235 钢 腐蚀10 d的腐蚀速率(约为2.396 g·m-2·h-1)和S450EW 耐候钢腐蚀10 d的腐蚀速率(约为0.75、0.958 g·m-2·h-1)可知[12],XCS-lode钢的耐腐蚀性能比 Q235 钢及S450EW 耐候钢的好,30Cr Ni3Mo钢的耐腐蚀性能和Q345钢的相当。

图1 XCS-lode钢及30Cr Ni3Mo钢在模拟大气环境中腐蚀不同时间后的腐蚀速率Fig.1 Corrosion rates of XCS-lode steel and 30Cr Ni3Mo steel after corrosion in simulated atmospheric environment for different periods of time

由图2可知,各时间段内30Cr Ni3Mo钢的腐蚀速率呈先减小后增大的趋势,XCS-lode钢的腐蚀速率呈先快速减小后保持稳定的趋势,这说明30Cr Ni3Mo钢在短时间内的耐蚀性较差,发生腐蚀的风险较高,XCS-lode钢在短时间内的耐蚀性较好。

图2 XCS-lode钢及30Cr Ni3Mo钢在模拟大气环境中不同腐蚀时间段内的腐蚀速率Fig.2 Corrosion rates of XCS-lode steel and 30Cr Ni3Mo steel within different periods of corrosion time in simulated atmospheric environment

2.2 腐蚀形貌

由图3可知,腐蚀不同时间后XCS-lode钢表面均呈黄棕色,可判断其表面腐蚀产物膜无明显增厚的情况;30Cr Ni3Mo钢在腐蚀5 d后,其表面呈黄棕色,随着腐蚀时间的延长,30Cr Ni3Mo钢表面逐渐从黄棕色转变为褐色,腐蚀产物膜明显增厚。

图3 XCS-lode钢及30Cr Ni3Mo钢在模拟大气环境中腐蚀不同时间后的表面宏观形貌Fig.3 Macro morphology of XCS-lode steel(a-d)and 30Cr Ni3Mo steel(e-h)after corrosion in simulated atmospheric environment for different periods of time

2.3 腐蚀产物膜相组成

由图4可知:XCS-lode钢表面腐蚀产物膜的主要成分为α-FeOOH 和γ-FeOOH,以α-FeOOH 为主;30Cr Ni3Mo钢表面腐蚀产物膜的主要成分为Fe3O4、α-FeOOH 和γ-FeOOH,以Fe3O4为主。由此推测XCS-lode钢的耐蚀性比30Cr Ni3Mo钢的好原因是α-FeOOH 的电化学性质稳定,能够有效阻碍腐蚀性介质进入基体表面[13],从而起到保护基体的作用。

图4 在模拟大气环境中腐蚀20 d后XCS-lode钢及30Cr Ni3 Mo钢表面腐蚀产物膜的XRD 谱Fig.4 XRD patterns of surface corrosion product layer of XCS-lode steel(a)and 30Cr Ni3Mo steel(b)after corrosion in simulated atmosphere for 20 days

2.4 电化学行为

由图5可知:XCS-lode钢和30Cr NiMo钢在模拟大气环境中腐蚀不同时间后的电化学阻抗谱均表现为单一容抗弧的特征;XCS-lode钢电化学阻抗谱的容抗弧半径随着腐蚀的延长而逐渐增大;未腐蚀的30Cr Ni3Mo钢电化学阻抗谱的容抗弧半径最大,在腐蚀5 d后,其容抗弧半径最小。

图5 XCS-lode钢及30Cr Ni3Mo钢在模拟大气环境中腐蚀不同时间后的电化学阻抗谱Fig.5 Electrochemical impedance spectrum of XCS-lode steel(a)and 30Cr Ni3Mo steel(b)after corrosion in simulated atmospheric environment for different periods of time

图6为电化学阻抗谱的拟合电路。其中:Q 为腐蚀产物膜的电容;C1为界面前沿浓差极化电容;R1为界面前沿浓差极化电阻:Rsol为溶液电阻;Rp为腐蚀产物膜电阻。两种材料的Rp结果见表2。由表2可见,XCS-lode钢的Rp随腐蚀时间的延长呈明显增大的趋势,且远大于同条件下30Cr Ni3Mo钢的Rp。上述结果表明,XCS-lode钢表面的腐蚀产物膜对钢基体的保护性能优于30Cr Ni3Mo钢的。

表2 Rp 的拟合结果Tab.2 Fitting results of Rp Ω·cm2

图6 电化学阻抗谱的等效电路Fig.6 Equivalent circuits of electrochemical impedance spectrum: (a)without corrosion;(b)corrosion for 5 d and 20 d

3 结论

(1) 在模拟工业大气环境中,XCS-lode钢和30Cr Ni3Mo钢的腐蚀速率均随着腐蚀时间的延长呈减小的趋势,且XCS-lode钢的腐蚀速率整体比30Cr Ni3Mo钢的小。

(2) 30Cr Ni3Mo钢表面腐蚀产物膜在短时间内无法保护钢基体,XCS-lode钢表面腐蚀产物膜可在极短的时间内形成,对基体起到较好的保护作用。

(3) XCS-lode钢表面腐蚀产物的主要成分为电化学性质稳定的α-FeOOH,能够有效阻碍腐蚀性介质进入基体表面,从而对基体起到保护作用。30Cr Ni3Mo钢表面腐蚀产物主要成分为Fe3O4,对基体的保护作用较差。