王海燕 孔德南 夏志升 王中岐

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

耐腐蝕鋼是指通過添加銅、磷、鉻、鎳等耐腐蝕合金元素，使其在大氣中或者其他介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性能的合金鋼，其耐腐蝕性能為普通碳素鋼的2～8倍，并且使用時(shí)間越長(zhǎng)，耐蝕作用越明顯。耐腐蝕鋼除具有良好的耐腐蝕性外，還具有優(yōu)良的力學(xué)、焊接等使用性能，在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于集裝箱、橋梁、鐵路車輛、汽車、鍋爐、煙草、電力、建筑和海洋工程等行業(yè)，隨著“節(jié)約型社會(huì)”的發(fā)展，耐腐蝕鋼的應(yīng)用將愈加廣泛，有著巨大的發(fā)展空間。

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的最基本的自然環(huán)境。土壤腐蝕或稱地下腐蝕，指土壤對(duì)地下設(shè)施和構(gòu)筑物等因受土壤中的水分、溶鹽、氧和微生物等的侵蝕而發(fā)生的腐蝕破壞現(xiàn)象[1]。土壤腐蝕是最重要的實(shí)際腐蝕問題之一，如地下管道、電纜及各種地下建筑的腐蝕破壞是導(dǎo)致材料失效的主要原因。土壤的理化性質(zhì)包括含水量、含鹽量、電阻率、pH值、總酸度等[1]，由于土壤環(huán)境條件的復(fù)雜性，其腐蝕機(jī)理和規(guī)律探索較為困難，實(shí)際上，沒有一個(gè)土壤因素可單獨(dú)的決定土壤的腐蝕性，必須考慮多重因素的交互作用。

隨著市場(chǎng)變化，用戶逐漸關(guān)注到耐腐蝕鋼的實(shí)際耐腐蝕性能，因耐腐蝕鋼在實(shí)際應(yīng)用中存在直接埋入地下使用的情況，所以開展耐腐蝕鋼在土壤中的腐蝕試驗(yàn)研究具有重要意義。

1 地埋腐蝕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

圖1 三個(gè)鋼種地埋腐蝕試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

采用室外地埋腐蝕試驗(yàn)方法，試樣規(guī)格為2 mm×100 mm×600 mm，保留鋼板原始軋制面，每種產(chǎn)品4個(gè)平行試樣，選擇09CrCuSb，SPA-H作為試驗(yàn)鋼種，以Q235B作為對(duì)比鋼種。試驗(yàn)環(huán)境為相對(duì)干燥的工業(yè)土壤環(huán)境（安鋼技術(shù)中心北側(cè)的綠化帶內(nèi)）。將試樣埋入地面下300 mm，地面上露出150～170 mm，具體如圖1所示（圖中從右到左依次為Q235B、09CrCuSb、SPA-H）。

1.2 試驗(yàn)鋼成分及組織

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1，其表層金相組織如圖2所示。

表1 三種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

圖2 三個(gè)鋼種表層金相組織

從圖2可以看出，三個(gè)鋼種的組織均為鐵素體+珠光體，但耐候鋼的珠光體的比例要明顯少于Q235B和Q345B，且耐候鋼的晶粒要細(xì)。

1.3 分析方法

定期取出試樣，用相機(jī)和電鏡對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物形貌觀察；然后，對(duì)試樣除銹、干燥，再對(duì)除銹后的鋼板表面進(jìn)行SEM形貌觀察，定性對(duì)比分析各鋼種的耐蝕性能。用500 mL鹽酸+3.5 g六次甲基四胺+蒸餾水配置成1 000 mL溶液，清除試樣的腐蝕產(chǎn)物，清理10 min左右，根據(jù)清理效果可適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 6個(gè)月試驗(yàn)觀察分析

6個(gè)月后，鋼樣的宏觀腐蝕形貌如圖3所示。

圖3 6個(gè)月后整體宏觀腐蝕形貌

從圖3可以看出，暴露在空氣中的鋼樣表面分布著黃褐色的鐵銹，而埋入土壤中的鋼樣表面依然是原鋼板表面顏色，未見明顯腐蝕。

2.2 11個(gè)月試驗(yàn)觀察記錄

11個(gè)月后，鋼樣的宏觀形貌如圖4所示（圖中從右到左依次為Q235B、09CrCuSb、SPA-H）。

圖4 11個(gè)月后整體宏觀腐蝕形貌

從圖4可以看出，暴露在空氣中的鋼樣表面分布著黃褐色的鐵銹，且09CrCuSb、SPA-H鋼板表面的氧化鐵皮與Q235B表面的氧化鐵皮相比顏色稍深、較致密。觀察土壤中鋼樣的腐蝕情況以及土壤空氣交接處鋼樣的腐蝕形貌，如圖5所示。

從圖5可以看出，三種鋼埋入土壤中的部分均有不同程度的腐蝕，Q235B表面的氧化鐵皮呈較疏松的黃色鐵銹，將土壤扒開的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，埋入土壤中的部分有大片的氧化鐵皮剝落；而09CrCuSb表面腐蝕較輕，仍有大部分鋼板原表面保留，但也有部分部位被腐蝕，少量氧化鐵皮隨著土壤剝落；SPA-H表面腐蝕較均勻，氧化鐵皮呈棕褐色，部分氧化鐵皮隨土壤剝落。

2.3 13個(gè)月試驗(yàn)觀察記錄

圖5 11個(gè)月后三種鋼樣腐蝕形貌

13個(gè)月后，從地埋腐蝕試驗(yàn)試樣中選擇最右邊的一組取出，進(jìn)行觀察分析，宏觀形貌如圖6所示（圖中從左到右分別為Q235B、09CrCuSb、SPA-H）。

從圖6可以看出，Q235B試樣表面有一層較厚但較疏松的氧化鐵皮，而09CrCuSb、SPA-H試樣表面有一層較薄但較致密結(jié)實(shí)的氧化鐵皮。對(duì)鋼材試樣進(jìn)行熱鑲嵌，觀察其截面形貌，在空氣中三個(gè)鋼種的銹層形貌如圖7所示。

圖6 13個(gè)月后地埋腐蝕試驗(yàn)鋼樣整體宏觀形貌

圖7 13個(gè)月后三個(gè)鋼種銹層形貌

從圖7可以看出，Q235B的腐蝕坑大而深，而耐候鋼09CrCuSb、SPA-H的腐蝕坑小而淺。對(duì)酸洗后的試樣表面進(jìn)行了微觀形貌觀察，空氣中三個(gè)鋼種的表面微觀形貌如圖8所示。

圖8 空氣中腐蝕試樣的掃描電鏡微觀形貌

從圖8可以看出，腐蝕酸洗后Q235B表面存在較多大而深的腐蝕坑，而09CrCuSb、SPA-H的表面較平滑，腐蝕坑小而淺，這是因?yàn)槟秃蜾?9CrCuSb、SPA-H含有Cr、Cu等耐蝕性能合金元素，合金元素在銹層中富集，促使鋼板表面形成了一層穩(wěn)定、致密的氧化鐵皮，阻礙了基體被進(jìn)一步腐蝕，達(dá)到了“以銹止銹”的效果，相比Q235B具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

土壤和空氣交界處試樣表面的微觀腐蝕形貌如圖9所示。

圖9 土壤和空氣交界處腐蝕試樣掃描電鏡微觀形貌（15倍）

從圖9可以看出，在土壤和空氣交界處，三個(gè)鋼種的腐蝕形貌沒有明顯的區(qū)別，原因可能是短期內(nèi)復(fù)雜的空氣—土壤兩相交界處不具備使耐候鋼形成穩(wěn)定致密的氧化層條件。

在土壤下100 mm處，三個(gè)鋼種的腐蝕表面微觀形貌如圖10所示。

圖10 土壤下100 mm處腐蝕試樣掃描電鏡微觀形貌（15倍）

從圖10可以看出，在土壤下100 mm處，可能復(fù)雜的土壤理化性質(zhì)不具備使耐候鋼形成穩(wěn)定致密的氧化層條件，短期內(nèi)耐候鋼也沒有表現(xiàn)出優(yōu)越于Q235B的耐腐蝕性能。

在土壤下200 mm處，三個(gè)鋼種的表面微觀腐蝕形貌如圖11所示。

圖11 土壤下200 mm處腐蝕試樣掃描電鏡微觀形貌（15倍）

從圖11可以看出，在土壤下200 mm處，局部視場(chǎng)下Q235的腐蝕較耐候鋼要嚴(yán)重，但觀察時(shí)并非全部視場(chǎng)都如此，可見耐候鋼在土壤中略有優(yōu)勢(shì)，但優(yōu)勢(shì)并沒有特別明顯。

三個(gè)鋼種在土壤下200 mm處的腐蝕比100 mm處的嚴(yán)重，分析認(rèn)為應(yīng)該和雨季時(shí)不同深度土壤中的含水量不同造成的，土壤含水量是決定金屬土壤腐蝕行為的重要因素之一，而且對(duì)金屬土壤腐蝕行為的影響是十分復(fù)雜的，水分使土壤成為電解質(zhì)，為腐蝕電池的形成提供條件；另一方面，含水量的變化顯著影響土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響金屬的土壤腐蝕行為。因?yàn)榫嚯x地表近的土壤中雖然含水多，但是也易蒸發(fā)，土壤干得快，腐蝕時(shí)間較短，所以腐蝕較輕，而距離地表稍遠(yuǎn)的土壤中水分存在時(shí)間長(zhǎng)，促進(jìn)鋼樣腐蝕，故腐蝕較重，而更深的土壤中水分不易到達(dá)，含水量少，故腐蝕較輕。

3 結(jié)論

鋼鐵材料的地埋腐蝕，與當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境和土壤環(huán)境存在較大的關(guān)系，河南安陽(yáng)工礦廠區(qū)為典型的北方偏干燥性溫帶氣候條件，腐蝕環(huán)境為一般工業(yè)性氣氛條件，通過一年的地埋腐蝕試驗(yàn)分析，基本可得到如下結(jié)論：

（1）一年的時(shí)間內(nèi)，在土壤和空氣交界處以及土壤中，耐候鋼09CrCuSb、SPA-H、Q235B均未發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，耐候鋼也沒有表現(xiàn)出來明顯的耐腐蝕能力，這在一定意義上也說明在一年時(shí)間內(nèi)，耐候鋼的自保護(hù)氧化膜未能完全形成。

（2）通過對(duì)比分析三個(gè)鋼種的土壤腐蝕形貌發(fā)現(xiàn)，在空氣中暴露的試樣部分，耐候鋼09CrCuSb、SPA-H表面形成了一層致密的、紅褐色的銹層，而Q235B銹層則較為疏松，呈現(xiàn)黃褐色。因此，在空氣中耐候鋼比普碳鋼Q235B表現(xiàn)出明顯的耐腐蝕能力。

（3）除銹后的表面形貌觀察表明，耐候鋼的表面腐蝕坑小而少，而對(duì)比鋼種Q235B的表面腐蝕坑多而大。耐候鋼較Q235B具有較好的耐蝕性，主要原因?yàn)樵谀秃蜾摮煞种泻蠧r、Cu等耐蝕性能合金元素，合金元素在銹層中富集，促使鋼板表面形成了一層致密的銹層，阻礙了基體被進(jìn)一步腐蝕。

（4）在地面以下隨著地埋深度的增加表面程度逐漸減弱，在地面以下200mm以下位置，三種鋼樣腐蝕不明顯。這說明200mm以下位置，空氣基本被隔絕，雨水滲透偏少，腐蝕的條件基本被阻斷。

4 結(jié)語(yǔ)

由于耐腐蝕鋼的耐腐蝕特性在短期內(nèi)無法全部顯現(xiàn)出來，為便于規(guī)律性驗(yàn)證需要進(jìn)一步延長(zhǎng)地埋腐蝕試驗(yàn)的時(shí)間周期，繼續(xù)跟蹤材料腐蝕數(shù)據(jù)，以期得到耐腐蝕鋼完整的土壤地埋耐腐蝕規(guī)律，為客戶使用提供實(shí)際指導(dǎo)。