張瑞琦，渠秀娟，劉志偉，郭曉宏，鐘彬，李琳

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司中厚板事業(yè)部，遼寧 鞍山114021）

目前，輸電鐵塔使用鋼材主要為Q235、Q345、Q420熱軋角鋼及Q235、Q345普通熱軋冷彎型鋼，大氣腐蝕占塔架總腐蝕損失的一半以上。輸電鐵塔通常用熱浸鍍鋅作為防腐手段，成本耗費(fèi)較大且污染環(huán)境。采用耐候冷彎型鋼可以節(jié)省鋼材用量，降低鐵塔重量，可摒棄鍍鋅，直接裸露使用；耐候鋼在使用一段時(shí)間后，表面形成一層與基體牢固結(jié)合的致密銹層組織，該層能夠在一定程度上抵御大氣中水氣及有害離子的侵入，防止或極大地延緩基體金屬進(jìn)一步銹蝕，有利于保護(hù)環(huán)境，全壽命周期中社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室成分設(shè)計(jì)、冶煉、軋制，研制出輸電鐵塔用耐候試驗(yàn)鋼，采用不同耐腐蝕性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)鋼板在模擬海洋大氣和工業(yè)大氣環(huán)境下的耐腐蝕性能進(jìn)行詳細(xì)分析比較，以獲得適合工業(yè)試制的輸電鐵塔用耐候鋼。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用200 kg真空感應(yīng)電爐冶煉4爐試驗(yàn)鋼，使用Φ750 mm×550 mm高剛度熱軋?jiān)囼?yàn)機(jī)組，經(jīng)兩階段軋制成厚度為6 mm的成品。生產(chǎn)工藝參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表2所示。

表1 生產(chǎn)工藝參數(shù)Table 1 Process Parameters in Production

表2 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical Compositions of Tested Steel（Mass Fraction） %

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)地大氣曝曬是評(píng)價(jià)耐候鋼的耐腐蝕性能最常用也是最經(jīng)典的試驗(yàn)方式，其優(yōu)點(diǎn)是接近實(shí)際使用情況，缺點(diǎn)是試驗(yàn)周期長(zhǎng)、速度慢、耗費(fèi)巨大，為在短時(shí)間內(nèi)對(duì)輸電鐵塔用耐候鋼的耐腐蝕性能進(jìn)行分析研究，本文采用實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)。輸電鐵塔使用范圍遍布全國(guó)各地，所處氣候環(huán)境包括海洋大氣、工業(yè)大氣、鄉(xiāng)村田園大氣等各種不同類型。因此，采用周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)（TB/T 2375-1993《鐵路用耐候鋼周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)方法》）、中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)（GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)：鹽霧試驗(yàn)》）來(lái)模擬工業(yè)大氣及海洋大氣環(huán)境。周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)通過(guò)試樣在空氣與特殊液體溶液中干/濕交替的腐蝕過(guò)程模擬在實(shí)際大氣環(huán)境中的腐蝕狀況，可以在較短的時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)材料的長(zhǎng)期耐腐蝕性能；中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)是利用鹽霧試驗(yàn)箱，在其容積空間內(nèi)用人工的方法制造鹽霧環(huán)境來(lái)對(duì)產(chǎn)品的耐鹽霧腐蝕性能進(jìn)行考核。其鹽霧環(huán)境下氯化物的鹽濃度很高，使腐蝕失重速率大大提高，得出結(jié)果的時(shí)間也大大縮短。此外，金屬在大氣中的腐蝕是一種電化學(xué)過(guò)程，采用電化學(xué)開(kāi)路電位和陽(yáng)極極化曲線測(cè)試材料基體的電化學(xué)行為，可用以評(píng)價(jià)材料的相對(duì)腐蝕傾向，電化學(xué)試驗(yàn)具有廣泛性、實(shí)用性和易用性的特點(diǎn)。

1.2.1 周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)在蘇南環(huán)試JR-A模擬浸蝕試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，考察4組輸電鐵塔用耐候鋼與對(duì)比試樣Q345B腐蝕72 h后的行為。試驗(yàn)條件見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)條件Table 3 Test Conditions

試樣尺寸為4.5 mm×40 mm×60 mm，試驗(yàn)進(jìn)行72 h后，對(duì)試片進(jìn)行除銹，并每組測(cè)定5個(gè)平行試樣，計(jì)算腐蝕失重速率，取其平均值。其中，腐蝕失重速率計(jì)算公式如下：

式中，W為腐蝕失重速率，g/（m·h）；G為試樣原始重量，g；G為試樣試后重量，g；a 為試樣長(zhǎng)度，mm；b 為試樣寬度，mm；c為試樣厚度，mm；t為試驗(yàn)時(shí)間，h。

1.2.2 中性鹽霧試驗(yàn)

采用Q-FOG循環(huán)鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱進(jìn)行168 h試驗(yàn)，NaCl溶液濃度為5%（50 g/L），試樣尺寸為4.5 mm×50 mm×50 mm。采用失重方法來(lái)評(píng)估金屬的腐蝕情況，同樣采用公式（1），每組3個(gè)平行試樣取其平均值。

1.2.3 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

采用美國(guó)EG&E公司生產(chǎn)的M398電化學(xué)腐蝕測(cè)試系統(tǒng)，分別用3.5%NaCl和0.01 mol/L NaHSO溶液模擬海洋大氣和工業(yè)大氣環(huán)境，進(jìn)行 1、2、3、4試驗(yàn)鋼和對(duì)比試樣 Q345B 的電化學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)研究輸電鐵塔用耐候鋼的開(kāi)路電位和陽(yáng)極極化曲線預(yù)判其耐腐蝕性能，電化學(xué)試驗(yàn)裝置采用三電極體系，工作電極 （研究電極）為待測(cè)試樣，工作面積為1 cm，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑絲網(wǎng)。所用化學(xué)試劑為去離子水配制的分析純，試驗(yàn)溫度（22±1）℃，掃描速度為0.5 mV/s。

2 討論與分析

2.1 周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)

72 h 周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)后，1、2、3、4試驗(yàn)鋼和對(duì)比試樣Q345B的腐蝕速率見(jiàn)圖1。

圖1 周期浸潤(rùn)腐蝕速率Fig.1 Corrosion Rate of Periodic Immersion Corrosion Test

從圖中可以看出 1、2、3、4試驗(yàn)鋼的腐蝕速率波動(dòng)非常小。其中4試驗(yàn)鋼的腐蝕速率最高為1.225 g/（m·h）。1～4試驗(yàn)鋼腐蝕速率分別為 Q345B的33.0%、33.5%、32.4%、35.7%。結(jié)合表2中各鋼樣化學(xué)成分可知，在周期浸潤(rùn)腐蝕條件下，Ni含量增加對(duì)試驗(yàn)鋼耐腐蝕性能無(wú)明顯影響。Cr小于1.0%時(shí)，Cr含量增加對(duì)耐腐蝕性能影響不明顯。綜合可知，3耐腐蝕性能相對(duì)較好。進(jìn)一步使用掃描電鏡對(duì)試驗(yàn)鋼銹層表面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 銹層形貌Fig.2 Appearance of Rust Layer

銹層表面形貌可以在一定程度上反映材料耐腐蝕性能的好壞，銹層表面越致密，裂紋孔洞越少，其耐腐蝕性能就越好。 1、2、3、4試驗(yàn)鋼銹層表面均沒(méi)有明顯裂紋，銹層表面比較致密，阻礙腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步侵蝕。Q345B銹層表面粗糙松軟、有肉眼可見(jiàn)裂紋，腐蝕介質(zhì)會(huì)通過(guò)裂紋到達(dá)基體表面，持續(xù)引起基體腐蝕，加速腐蝕程度。

2.2 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)

1、2、3、4試驗(yàn)鋼和 Q345B 經(jīng) 168 h 中性鹽霧試驗(yàn)后，腐蝕速率如圖3所示。

圖3 中性鹽霧試驗(yàn)腐蝕速率Fig.3 Corrosion Rate of Neutral Salt Spray Test

可知，在經(jīng)過(guò)鹽霧腐蝕后，3的腐蝕速率最低，1的腐蝕速率最高，1、2、3、4與 Q345B 的相對(duì)值分別為66.4%、62.7%、61.0%、64.3%，耐腐蝕性能優(yōu)于Q345B。

2.3 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

分別以0.01 mol/L NaHSO和3.5% NaCl溶液作為電解液，觀察評(píng)估4種試驗(yàn)鋼在模擬工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境下的腐蝕行為。

在0.01 mol/L NaHSO溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，測(cè)得的開(kāi)路電位和陽(yáng)極極化曲線如圖4所示。從圖4（a）中可以看出，5種試樣開(kāi)路電位由高至低順序?yàn)?3＞2＞1＞4＞Q345B，5 種試樣發(fā)生腐蝕傾向性由小到大的順序依次為 3＜2＜1＜4＜Q345B；Q345B的開(kāi)路電位最低，腐蝕傾向性最大。4種試驗(yàn)鋼之間互相電位差幾乎相同，最高3和最低4試驗(yàn)鋼差值約為0.06 V。從圖4（b）的陽(yáng)極極化曲線可以看出4種試驗(yàn)鋼在工業(yè)大氣環(huán)境下，耐腐蝕性能基本相同，均明顯優(yōu)于Q345B。試驗(yàn)結(jié)果與周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)的總體趨勢(shì)是一致的。

圖4 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)（0.01 mol/L NaHSO3溶液）Fig.4 Electrochemical Corrosion Test（0.01 mol/L NaHSO3Solution）

圖5為5種試樣在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，測(cè)得的開(kāi)路電位和陽(yáng)極極化曲線。從圖5（a）可以看出5種試樣開(kāi)路電位由高至低順序?yàn)?4＞3＞1＞2＞Q345B，5 種試樣發(fā)生腐蝕的傾向性由小到大的順序依次為 4＜3＜1＜2＜Q345B，4種試驗(yàn)鋼互相間電位差相差極小，1、4試驗(yàn)鋼最大差值在0.03 V之內(nèi)；從圖5（b）的陽(yáng)極極化曲線可以看出，4種試驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能相差同樣非常小，但均優(yōu)于Q345B。電化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的總體趨勢(shì)是一致的。

圖5 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)（3.5%NaCl溶液）Fig.5 Electrochemical Corrosion Test（3.5%NaCl Solution）

2.4 討論

Cr是提高耐候鋼耐腐蝕性能的重要元素，耐候鋼中加入Cr可使腐蝕產(chǎn)物向非晶態(tài)轉(zhuǎn)化，形成穩(wěn)定化銹層；Ni是提高鋼耐腐蝕性能的有效元素，加入Ni能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，主要以NiFeO存在于尖晶石型氧化物中，促進(jìn)了尖晶石向較細(xì)、致密結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，增加了鋼的穩(wěn)定性，但通常Ni含量大于3.5%才對(duì)Cl腐蝕較為有效；Cu是最早認(rèn)識(shí)的耐腐蝕合金元素，無(wú)論在鄉(xiāng)村大氣、工業(yè)大氣還是海洋大氣中，含Cu鋼都具有較普碳鋼優(yōu)良的耐腐蝕性能。關(guān)于Cu對(duì)改善鋼耐腐蝕性能作用機(jī)理主要有三種：一為T(mén)omashov提出的促進(jìn)陽(yáng)極鈍化論，認(rèn)為鋼與表面二次析出的Cu之間的陰極接觸，能促進(jìn)鋼陽(yáng)極鈍化，并形成保護(hù)性較好的銹層；另一種為Cu富集說(shuō)，認(rèn)為在基體與銹層之間形成以CuO為主要成分與基體結(jié)合牢固的中間層，具有較好的保護(hù)作用；還有一種說(shuō)法認(rèn)為Cu和P等合金元素一起改變了銹層的吸濕性，從而提高了臨界濕度，這樣也有利于提高基體的耐腐蝕性能。前兩種解釋都是基于Cu在鋼的表面及銹層中的富集現(xiàn)象，因此這兩種機(jī)制可能同時(shí)起作用。

本文中由于合金元素 Cr、Ni、Cu 的添加，1、2、3、4試驗(yàn)鋼耐腐蝕性能無(wú)論是在模擬海洋大氣還是工業(yè)大氣環(huán)境下都優(yōu)于Q345B。4種試驗(yàn)鋼通過(guò)周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)、中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)、電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)可知，耐腐蝕性能差別微小，說(shuō)明當(dāng)Cr含量小于1.0%時(shí)，隨著Cr含量的增加，對(duì)于耐腐蝕性能沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響。綜合可知，3試驗(yàn)鋼在不同腐蝕環(huán)境中的耐腐蝕性能略具優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)、中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)、開(kāi)路電位和陽(yáng)極極化曲線可知，無(wú)論是模擬海洋大氣還是工業(yè)大氣環(huán)境，4種輸電鐵塔用耐候鋼耐腐蝕性能差別微小，處于同一水平，但皆明顯優(yōu)于Q345B。當(dāng)Cr含量小于1.0%時(shí)，對(duì)1～4試驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響；當(dāng)Ni含量較低時(shí)，其變化對(duì)于耐腐蝕性能的影響不顯著。綜合分析，3試驗(yàn)鋼耐腐蝕性能最優(yōu)，適合工業(yè)試制。