深冷處理對船用鋼板的海水腐蝕性能影響

采用模擬浸泡實驗技術(shù)，結(jié)合腐蝕形貌分析以及動電位極化和電化學阻抗技術(shù)研究了深冷處理對EH40極寒環(huán)境船用鋼板在3.5% (質(zhì)量分數(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%，同時腐蝕電流密度由1.244 ?A·cm-2升至3.643 ?A·cm-2，電化學阻抗值減小，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、海水腐蝕試驗方法

1.1 實驗材料

本實驗采用新型船用低溫鋼EH40，其化學成分 (質(zhì)量分數(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。該鋼材屈服強度為516 MPa，抗拉強度為580 MPa，硬度為HV220。實驗所用深冷處理設(shè)備為DL-2005低溫處理設(shè)備，最低使用溫度可達-80 ℃，本次測試試樣深冷處理周期為24 h。

1.2 腐蝕實驗

模擬浸泡掛片實驗中使用ASTM1141-98標準進行海水配制3.5% (質(zhì)量分數(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。然后將一組試樣進行-80 ℃深冷處理24 h，對比組試樣置于干燥箱中保存24 h后取出進行掛片浸泡實驗。浸泡周期為72 h，實驗溫度為 (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。每組實驗含3個平行試樣。采用SatoriousTE124天平 (精度0.1 mg) 測定實驗前后樣品重量，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為實驗前重量 (g)，W1為實驗后重量 (g)，S為試樣表面積 (cm2)，t為浸泡時間 (h)，ρ為樣品密度 (g/cm3)。

1.3 電化學性能測試及腐蝕產(chǎn)物表征

電化學測試試樣采用線切割機加工成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線焊接并用環(huán)氧樹脂封裝。電化學測試在CHI660e電化學工作站上進行，采用三電極測試系統(tǒng)，Ag/AgCl為參比電極 (RE)，Pt片為對電極 (CE)，待測試樣為工作電極 (WE)。連接接通后，將試樣在NaCl溶液中靜置30 min，穩(wěn)定后依次測量開路電位 (OCP)、電化學阻抗譜 (EIS) 和極化曲線 (PC)。EIS測量在開路電位下進行，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) 對腐蝕產(chǎn)物成分進行分析;使用X射線衍射儀 (XRD，X'Pert PRO) 對腐蝕產(chǎn)物物相進行分析，測量范圍：10°~80°，掃描速率4 °/min，電流250 mA，電壓40 kV。使用M470掃描電化學工作站 (Bio Logic) 研究了試樣的腐蝕機理。三電極電池以SCE為參比電極，碳棒為對電極，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)對鋼板進行大變形量多次軋制，進而再次細化奧氏體再結(jié)晶晶粒，提高合金強度與韌性。采用金相分析軟件計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蝕的存在。

2.3 電化學測試

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軟件對極化阻抗Rp進行擬合，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)生點蝕，而未經(jīng)深冷處理的鋼樣則以全面腐蝕為主。點蝕的發(fā)生導致試樣腐蝕的加劇，腐蝕速率提升，耐蝕性變差。

(2) 相同條件下低溫環(huán)境會加劇腐蝕，因此極地海水環(huán)境相比普通海水環(huán)境下對于船用鋼的腐蝕影響更為劇烈，對于極寒條件下船用鋼的腐蝕需要進一步的關(guān)注與研究。