李 曜,吳建鵬,曹 鋒,許海龍

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江陰 214400)

2019年全球汽車總產(chǎn)量為9 178.69 萬 輛,其中,中國(guó)汽車產(chǎn)量占全球的28%以上,大量汽車的生產(chǎn)及銷售給全球的能源消耗及環(huán)境保護(hù)帶來了巨大壓力,汽車的節(jié)能減排日益受到人們的關(guān)注[1-2]。有研究表明,汽車質(zhì)量每減少100 kg,每100 km 可節(jié)省燃油0.3～0.5 L和減少CO2排放8～11 g[3]。汽車輕量化可以通過輕量化材料、輕量化結(jié)構(gòu)和輕量化制造技術(shù)實(shí)現(xiàn),而鋼是汽車中占比最多的材料,因此通過高強(qiáng)鋼代替普通鋼是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑[4-9]。

根據(jù)大氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),含硫的物質(zhì)是主要的大氣污染介質(zhì)[10]。由于汽車長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中,其鋼鐵材料易遭到大氣腐蝕,從而使使用壽命縮短[11]。強(qiáng)度的提高使得鋼材尺寸減小,同等腐蝕程度下,高強(qiáng)鋼零部件更易發(fā)生提前失效,造成無法挽回的后果。

國(guó)內(nèi)對(duì)于高強(qiáng)鋼的研究主要集中于提高其力學(xué)性能和變形機(jī)制等兩個(gè)方面。隨著國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,汽車的腐蝕問題逐漸趨于嚴(yán)重。2019年我國(guó)取消了私家車報(bào)廢年限,這進(jìn)一步加劇了國(guó)內(nèi)汽車鋼的腐蝕情況。

本工作對(duì)汽車用高強(qiáng)鋼的耐工業(yè)大氣腐蝕性能進(jìn)行了研究,以興澄特鋼生產(chǎn)的30Cr Ni3Mo汽車用鋼及其自主研發(fā)的XCS-lode高強(qiáng)度汽車用鋼為原材料,在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中進(jìn)行周期浸泡加速腐蝕試驗(yàn),分析了兩種材料的腐蝕行為。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為興澄特鋼生產(chǎn)的8 mm 厚XCSlode鋼和30Cr Ni3Mo鋼薄板,兩種材料的力學(xué)性能見表1。采用砂輪打磨的方式將兩種材料上下表面各磨去1 mm,線切割加工成以下兩種尺寸的試樣:(1) 尺寸為40 mm×60 mm×6 mm 的片狀試樣,用于周期浸泡加速腐蝕試驗(yàn),試樣表面經(jīng)打磨、丙酮除油、酒精清洗和吹干后,放入干燥箱中備用;(2)尺寸為10 mm×10 mm×6 mm 的試樣,用于電化學(xué)測(cè)試,將丙酮除油后的試樣與導(dǎo)線焊接,采用環(huán)氧樹脂密封,工作面積為1 cm2,然后將試樣進(jìn)行砂紙逐級(jí)打磨(180號(hào)～1 200號(hào))、酒精清洗和吹干后,放入干燥箱中備用。XCS-lode鋼的強(qiáng)度與塑性與先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)的類似,要高于30Cr Ni Mo鋼的強(qiáng)度與塑性。

表1 兩種試驗(yàn)材料的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of two test materials

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 模擬工業(yè)大氣腐蝕試驗(yàn)

依據(jù)TB/T 2375-1993《鐵路用耐候鋼周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行周期浸潤(rùn)試驗(yàn),采用0.01 mol/L Na HSO3溶液模擬工業(yè)大氣腐蝕環(huán)境,試驗(yàn)箱溫度為(45±2)℃,濕度為(70±5%)RH,試驗(yàn)以60 min 為一個(gè)周期(其中浸泡時(shí)間為12 min),試驗(yàn)時(shí)間為20 d,取樣時(shí)間分別為5,10,15,20 d,每個(gè)試驗(yàn)階段設(shè)置5個(gè)平行試樣。為方便區(qū)分試樣,對(duì)試樣表面進(jìn)行開孔,孔徑為4 mm,通過開孔位置確定每個(gè)試樣的質(zhì)量、尺寸等物理性能。

1.2.2 表面觀察和物相分析

試驗(yàn)后,采用掃描電鏡(SEM)觀察試樣表面的微觀形貌,然后依據(jù)ASTM G1-03《Standard Practice For Preparing,Cleaning,And Evaluating Corrosion Test Specimens》標(biāo)準(zhǔn)中表A1.1的方法,配制腐蝕溶液,去除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物膜,稱量并計(jì)算其腐蝕速率。將腐蝕20 d后的試樣烘干,刮下其表面腐蝕產(chǎn)物膜,采用X 射線衍射儀(XRD)分析腐蝕產(chǎn)物膜的相組成。

1.2.3 電化學(xué)測(cè)試

將未經(jīng)腐蝕及腐蝕5 d 和20 d 的試樣置于0.01 mol/L Na HSO3溶液中,通過電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜檢測(cè)。采用三電極體系,鉑電極為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極,試樣為工作電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕速率

由圖1可知:腐蝕5,10,15,20 d后,XCS-lode鋼的腐蝕速率分別是30Cr Ni3Mo 鋼的19.56%、15.53%、15.31%、13.78%;另 外,根 據(jù)Q235 鋼 腐蝕10 d的腐蝕速率(約為2.396 g·m-2·h-1)和S450EW 耐候鋼腐蝕10 d的腐蝕速率(約為0.75、0.958 g·m-2·h-1)可知[12],XCS-lode鋼的耐腐蝕性能比 Q235 鋼及S450EW 耐候鋼的好,30Cr Ni3Mo鋼的耐腐蝕性能和Q345鋼的相當(dāng)。

圖1 XCS-lode鋼及30Cr Ni3Mo鋼在模擬大氣環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間后的腐蝕速率Fig.1 Corrosion rates of XCS-lode steel and 30Cr Ni3Mo steel after corrosion in simulated atmospheric environment for different periods of time

由圖2可知,各時(shí)間段內(nèi)30Cr Ni3Mo鋼的腐蝕速率呈先減小后增大的趨勢(shì),XCS-lode鋼的腐蝕速率呈先快速減小后保持穩(wěn)定的趨勢(shì),這說明30Cr Ni3Mo鋼在短時(shí)間內(nèi)的耐蝕性較差,發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)較高,XCS-lode鋼在短時(shí)間內(nèi)的耐蝕性較好。

圖2 XCS-lode鋼及30Cr Ni3Mo鋼在模擬大氣環(huán)境中不同腐蝕時(shí)間段內(nèi)的腐蝕速率Fig.2 Corrosion rates of XCS-lode steel and 30Cr Ni3Mo steel within different periods of corrosion time in simulated atmospheric environment

2.2 腐蝕形貌

由圖3可知,腐蝕不同時(shí)間后XCS-lode鋼表面均呈黃棕色,可判斷其表面腐蝕產(chǎn)物膜無明顯增厚的情況;30Cr Ni3Mo鋼在腐蝕5 d后,其表面呈黃棕色,隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),30Cr Ni3Mo鋼表面逐漸從黃棕色轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚?腐蝕產(chǎn)物膜明顯增厚。

圖3 XCS-lode鋼及30Cr Ni3Mo鋼在模擬大氣環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間后的表面宏觀形貌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 腐蝕產(chǎn)物膜相組成

由圖4可知:XCS-lode鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的主要成分為α-FeOOH 和γ-FeOOH,以α-FeOOH 為主;30Cr Ni3Mo鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的主要成分為Fe3O4、α-FeOOH 和γ-FeOOH,以Fe3O4為主。由此推測(cè)XCS-lode鋼的耐蝕性比30Cr Ni3Mo鋼的好原因是α-FeOOH 的電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,能夠有效阻礙腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入基體表面[13],從而起到保護(hù)基體的作用。

圖4 在模擬大氣環(huán)境中腐蝕20 d后XCS-lode鋼及30Cr Ni3 Mo鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的XRD 譜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 電化學(xué)行為

由圖5可知:XCS-lode鋼和30Cr NiMo鋼在模擬大氣環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間后的電化學(xué)阻抗譜均表現(xiàn)為單一容抗弧的特征;XCS-lode鋼電化學(xué)阻抗譜的容抗弧半徑隨著腐蝕的延長(zhǎng)而逐漸增大;未腐蝕的30Cr Ni3Mo鋼電化學(xué)阻抗譜的容抗弧半徑最大,在腐蝕5 d后,其容抗弧半徑最小。

圖5 XCS-lode鋼及30Cr Ni3Mo鋼在模擬大氣環(huán)境中腐蝕不同時(shí)間后的電化學(xué)阻抗譜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

圖6為電化學(xué)阻抗譜的擬合電路。其中:Q 為腐蝕產(chǎn)物膜的電容;C1為界面前沿濃差極化電容;R1為界面前沿濃差極化電阻:Rsol為溶液電阻;Rp為腐蝕產(chǎn)物膜電阻。兩種材料的Rp結(jié)果見表2。由表2可見,XCS-lode鋼的Rp隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)呈明顯增大的趨勢(shì),且遠(yuǎn)大于同條件下30Cr Ni3Mo鋼的Rp。上述結(jié)果表明,XCS-lode鋼表面的腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)鋼基體的保護(hù)性能優(yōu)于30Cr Ni3Mo鋼的。

表2 Rp 的擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of Rp Ω·cm2

圖6 電化學(xué)阻抗譜的等效電路Fig.6 Equivalent circuits of electrochemical impedance spectrum: (a)without corrosion;(b)corrosion for 5 d and 20 d

3 結(jié)論

(1) 在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中,XCS-lode鋼和30Cr Ni3Mo鋼的腐蝕速率均隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)呈減小的趨勢(shì),且XCS-lode鋼的腐蝕速率整體比30Cr Ni3Mo鋼的小。

(2) 30Cr Ni3Mo鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜在短時(shí)間內(nèi)無法保護(hù)鋼基體,XCS-lode鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜可在極短的時(shí)間內(nèi)形成,對(duì)基體起到較好的保護(hù)作用。

(3) XCS-lode鋼表面腐蝕產(chǎn)物的主要成分為電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的α-FeOOH,能夠有效阻礙腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入基體表面,從而對(duì)基體起到保護(hù)作用。30Cr Ni3Mo鋼表面腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe3O4,對(duì)基體的保護(hù)作用較差。