深冷處理對(duì)船用鋼板的海水腐蝕性能影響

采用模擬浸泡實(shí)驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合腐蝕形貌分析以及動(dòng)電位極化和電化學(xué)阻抗技術(shù)研究了深冷處理對(duì)EH40極寒環(huán)境船用鋼板在3.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) NaCl溶液中的海水腐蝕行為。結(jié)果表明：未經(jīng)深冷處理的極寒環(huán)境船用鋼板表面發(fā)生均勻腐蝕，在樣品表面有均勻致密的腐蝕層產(chǎn)生;而經(jīng)過-80 ℃深冷處理的鋼板試樣表面發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，其腐蝕失重增加，腐蝕速率由1.15 mm/a升至1.33 mm/a，增幅約為15.6%，同時(shí)腐蝕電流密度由1.244 ?A·cm-2升至3.643 ?A·cm-2，電化學(xué)阻抗值減小，耐蝕性降低;兩者的腐蝕產(chǎn)物以α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH為主。較低的環(huán)境溫度對(duì)于極寒環(huán)境船用鋼板的耐腐蝕性能有一定的影響。

1、海水腐蝕試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用新型船用低溫鋼EH40，其化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) 為：C 0.10，Si 0.20， Mn 2.00，Cr 0.20，Ni 0.35，Cu 0.20，Al 0.05，F(xiàn)e 96.9。該鋼材屈服強(qiáng)度為516 MPa，抗拉強(qiáng)度為580 MPa，硬度為HV220。實(shí)驗(yàn)所用深冷處理設(shè)備為DL-2005低溫處理設(shè)備，最低使用溫度可達(dá)-80 ℃，本次測(cè)試試樣深冷處理周期為24 h。

1.2 腐蝕實(shí)驗(yàn)

模擬浸泡掛片實(shí)驗(yàn)中使用ASTM1141-98標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行海水配制3.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) NaCl溶液。掛片尺寸為50 mm×25 mm×3 mm，分別使用180#、600#和800#水磨砂紙打磨，使用酒精超聲波清洗10 min，充分干燥后稱重。然后將一組試樣進(jìn)行-80 ℃深冷處理24 h，對(duì)比組試樣置于干燥箱中保存24 h后取出進(jìn)行掛片浸泡實(shí)驗(yàn)。浸泡周期為72 h，實(shí)驗(yàn)溫度為 (25±1) ℃。浸泡完成后使用除銹劑 (3.5 g六次甲基四胺+500 mL鹽酸+500 mL去離子水) 清除腐蝕產(chǎn)物，酒精超聲波清洗10 min后吹干，干燥、稱重。每組實(shí)驗(yàn)含3個(gè)平行試樣。采用SatoriousTE124天平 (精度0.1 mg) 測(cè)定實(shí)驗(yàn)前后樣品重量，用失重量來表征腐蝕速率[8]：V=8.76×107×(W2?W1)Stρ (1)式中，V為年平均腐蝕速率 (mm/a)，W2為實(shí)驗(yàn)前重量 (g)，W1為實(shí)驗(yàn)后重量 (g)，S為試樣表面積 (cm2)，t為浸泡時(shí)間 (h)，ρ為樣品密度 (g/cm3)。

1.3 電化學(xué)性能測(cè)試及腐蝕產(chǎn)物表征

電化學(xué)測(cè)試試樣采用線切割機(jī)加工成10 mm×10 mm×2 mm大小，分別用180#、400#、800#和1000#水磨砂紙打磨，使用酒精超聲波清洗10 min。吹干干燥后試樣背面用銅導(dǎo)線焊接并用環(huán)氧樹脂封裝。電化學(xué)測(cè)試在CHI660e電化學(xué)工作站上進(jìn)行，采用三電極測(cè)試系統(tǒng)，Ag/AgCl為參比電極 (RE)，Pt片為對(duì)電極 (CE)，待測(cè)試樣為工作電極 (WE)。連接接通后，將試樣在NaCl溶液中靜置30 min，穩(wěn)定后依次測(cè)量開路電位 (OCP)、電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 和極化曲線 (PC)。EIS測(cè)量在開路電位下進(jìn)行，頻率范圍：105~10-2 Hz;極化曲線掃描電壓范圍：OCP±0.3 V;掃描速率：0.0005 V/S。

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 (SEM，JSM 7500F，10 kV) 觀察試樣腐蝕前后表面形貌，使用能譜儀 (EDS，EM-30 Plus) 對(duì)腐蝕產(chǎn)物成分進(jìn)行分析;使用X射線衍射儀 (XRD，X'Pert PRO) 對(duì)腐蝕產(chǎn)物物相進(jìn)行分析，測(cè)量范圍：10°~80°，掃描速率4 °/min，電流250 mA，電壓40 kV。使用M470掃描電化學(xué)工作站 (Bio Logic) 研究了試樣的腐蝕機(jī)理。三電極電池以SCE為參比電極，碳棒為對(duì)電極，鋼樣為工作電極;探針與試樣表面距離為100 μm，電流振幅10 μA，頻率為10 Hz。

2、海水腐蝕試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

船用EH40鋼顯微組織見圖1。其顯微組織主要為鐵素體與珠光體，晶粒沿軋制方向出現(xiàn)變形并呈現(xiàn)比較明顯的帶狀組織結(jié)構(gòu)。該船用鋼為亞共析鋼，通過控制軋制溫度可以防止奧氏體晶粒粗大，從而增加奧氏體結(jié)晶過程中形核幾率。在兩相區(qū)對(duì)鋼板進(jìn)行大變形量多次軋制，進(jìn)而再次細(xì)化奧氏體再結(jié)晶晶粒，提高合金強(qiáng)度與韌性。采用金相分析軟件計(jì)算顯微組織晶粒尺寸分布結(jié)果見圖2。其中，約63%的晶粒尺寸在10 ?m以下，可見EH40低溫鋼的晶粒尺寸得到了較好的細(xì)化。

圖1 EH40鋼樣顯微組織

圖2 EH40船用鋼板晶粒尺寸分布圖

2.2 腐蝕產(chǎn)物形貌

圖3為EH40鋼經(jīng)室溫干燥24 h后在3.5%NaCl溶液中浸泡72 h與經(jīng)過-80 ℃低溫處理后在3.5%NaCl溶液中浸泡72 h兩種情況下的腐蝕產(chǎn)物形貌。結(jié)果顯示，未經(jīng)低溫處理的試樣表面覆蓋均勻致密的腐蝕產(chǎn)物層，而經(jīng)過-80 ℃低溫處理的試樣表面腐蝕產(chǎn)物層相對(duì)疏松不均勻。鋼樣在去除腐蝕產(chǎn)物后基體表面的SEM像結(jié)果表明，未經(jīng)低溫處理浸泡試樣其表面發(fā)生全面均勻腐蝕，而經(jīng)過-80 ℃低溫處理后浸泡試樣表面除局部均勻腐蝕以外還可觀察到點(diǎn)蝕的存在。

2.3 電化學(xué)測(cè)試

未經(jīng)過和經(jīng)過-80 ℃深冷處理試樣浸泡72 h后的極化曲線結(jié)果如圖7。利用CView軟件對(duì)極化阻抗Rp進(jìn)行擬合，得出不同溫度處理后試樣的腐蝕電位Ecorr、腐蝕電流密度Icorr及Rp，具體數(shù)值如表1所示。極化曲線結(jié)果表明，深冷處理并未改變鋼材在模擬海水中腐蝕的陰極與陽極過程。但擬合結(jié)果顯示，經(jīng)過深冷處理的試樣腐蝕電流密度為3.643 ?A·cm-2，而常溫浸泡試樣腐蝕電流密度為1.244 ?A·cm-2，經(jīng)過深冷處理浸泡試樣的腐蝕速率大于未經(jīng)深冷處理試樣的，這與失重法所測(cè)得的平均腐蝕速率結(jié)果一致。

圖7 未經(jīng)和經(jīng)過深冷處理的EH40鋼浸泡72 h的極化曲線

表1 極化曲線擬合結(jié)果

3、海水腐蝕試驗(yàn)后的結(jié)論

(1) 經(jīng)過-80 ℃深冷處理的EH40鋼試樣浸泡72 h表面更易發(fā)生點(diǎn)蝕，而未經(jīng)深冷處理的鋼樣則以全面腐蝕為主。點(diǎn)蝕的發(fā)生導(dǎo)致試樣腐蝕的加劇，腐蝕速率提升，耐蝕性變差。

(2) 相同條件下低溫環(huán)境會(huì)加劇腐蝕，因此極地海水環(huán)境相比普通海水環(huán)境下對(duì)于船用鋼的腐蝕影響更為劇烈，對(duì)于極寒條件下船用鋼的腐蝕需要進(jìn)一步的關(guān)注與研究。