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【新刊速览】王进建：铝对4Cr1.5Ni耐候钢组织和耐候性的影响

时间：2023-03-16 来源： 浏览：

【新刊速览】王进建：铝对4Cr1.5Ni耐候钢组织和耐候性的影响

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铝对4Cr1.5Ni耐候钢组织和耐候性的影响
王进建 1,2 ，陈润农 2 ，胡惠超 3 ，刘静 1 ，曹燕光 2 ，李昭东 2
(1. 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室， 湖北 武汉 430081；2. 钢铁研究总院有限公司工程用钢研究院， 北京 100081；3. 哈尔滨华德学院机电与材料工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150500)

01

摘 要  

耐候钢具有良好的耐大气腐蚀性能，但传统耐候钢尚无法应用于高湿热海洋大气环境，相关报道指出其在万宁暴晒8年后出现腐蚀加速现象。为了满足海洋工程发展的需要，优化传统耐候钢或开发新型耐候钢尤为重要。以传统低碳钢成分为基础，同时考虑红土镍矿资源，设计4Cr1.5Ni和4Cr1.5Ni0.8Al两种新型耐候钢，采用室内干湿循环腐蚀加速试验模拟高湿热海洋大气环境，结合光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学方法等表征手段研究新型耐候钢的组织和耐候性，着重分析了添加铝元素对试验钢微观组织、腐蚀初期锈层形貌、物相组成和保护能力的影响，相关结果可以为开发适用于高湿热海洋大气环境的新型耐候钢提供参考。结果表明，4Cr1.5Ni钢组织为铁素体和马氏体，4Cr1.5Ni0.8Al钢组织为铁素体和少量珠光体，添加铝元素会促进铁素体的形成。添加铝元素减小了4Cr1.5Ni钢的腐蚀速率、锈层厚度和腐蚀电流密度，增大了腐蚀电位和锈层电阻。4Cr1.5Ni0.8Al钢的α/γ(α-FeOOH/γ-FeOOH)值是4Cr1.5Ni钢的2.5倍，锈层保护能力明显增强。铝元素以+3价态(AlOOH和Al(OH) 3 )的形式存在于锈层中，同时促进初期锈层生成更多热力学稳定的FeCr 2 O 4 。特别地，4Cr1.5Ni0.8Al钢中的铝与铬在锈层中的分布区域相同，即存在同步富集现象，说明铝与铬存在协同作用。

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关 键 词  

耐候钢； Cr-Al协同； 初期锈层； 海洋大气环境； 铁素体； 同步富集

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引 言 

目前全球每年的腐蚀成本超过4万亿美元，其中一半是由大气腐蚀造成的，而普通碳钢耐候性较差，已不能满足需求。传统耐候钢是将碳钢中加入Cu、P、Cr、Ni等合金元素，在大气中比碳钢具有更好的耐蚀性，广泛用于铁路、桥梁和其他结构。但是经一定时间的暴晒，普通耐候钢会出现腐蚀加速的现象，因而无法满足高湿热海洋大气环境服役要求。因此，开发适用于高湿热海洋大气环境的新型耐候钢并研究其耐蚀机理至关重要。
铬是耐候钢中有效的耐蚀性元素，LIU W等研究了含铬耐候钢在工业海洋大气中的腐蚀行为，铬通过形成细小致密的纳米级铬针铁矿，有效提高了锈层的致密性。Kamimura T等研究了铬对耐候钢的影响机理，发现铬会抑制锈层的还原反应，抑制Fe 2+ 的形成，即抑制阴极过程，降低腐蚀速率。SUN M等研究了铬对耐候钢在模拟热带海洋大气中耐蚀性的影响，随着铬含量的增多，钢的耐蚀性提高；铬促进了α-FeOOH向α-(Fe,Cr)OOH和 FeCr 2 O 4 的转变，α-(Fe,Cr)OOH为尺寸约10 nm的球形颗粒，可以显著提高锈层的致密性。ZHANG Q C等研究不同铬含量合金钢的锈层结构，发现当铬质量分数大于4%时，锈层具有阳离子选择性，能够有效阻止Cl - 的渗透。研究表明，钢中添加镍，能够有效提高耐蚀性。CHENG X Q等发现在模拟海洋大气环境中，碳钢中添加镍可以使腐蚀电位向正方向移动，腐蚀电流密度降低，归因于含镍钢形成了致密稳定的锈层。Kimura M等研究了先进耐候钢在海洋大气环境中的耐蚀机理，发现镍以Ni 2+ 形式富集在内锈层，形成了稳定的 NiFe 2 O 4 ，为锈层中的Fe(O,OH)6网格结构提供了形核点，促进锈层中细小致密颗粒的形成；并且NiFe 2 O 4 使锈层具有阳离子选择性，阻止 C l - 的侵入。WU W等研究发现先进耐候钢中的镍会在内锈层富集，促进疏松的γ-FeOOH向致密的α-FeOOH的转变，有效阻隔 C l - 的侵入，提高耐候钢抗大气腐蚀能力。在钢中适量添加铝也会提高其耐蚀性。XU X等发现在1Ni钢中添加铝会提高钢的耐蚀性，由AlOOH和Al(OH) 3 组成的大尺寸富铝颗粒可以填充孔隙和裂纹，提高锈层致密性。Nishimura T研究了铝在耐候钢中的作用发现， 铝以Al 3+ 的形式存在于内锈层的复合氧化物中，并在内锈层富集，增加了腐蚀阻力，有效地抑制了腐蚀。李东亮等研究发现，铝具有强化铁素体、抑制腐蚀产物结晶和促进具有保护作用的细晶腐蚀产物生成等作用，有利于提高钢的耐蚀性。Denier P等研究了Cr-Al系低合金耐蚀钢APS20A(0.1C4Cr1Al)的腐蚀行为，APS20A兼具良好的耐大气和耐海水腐蚀性能，研究发现其腐蚀产物较普通碳钢更为致密，且电化学耐蚀性是普通碳钢的3～4倍。
目前普遍通过增加钢中的镍含量来提高其耐海洋大气腐蚀的性能，但是由于镍的价格高昂且不容易回收，因此如何通过铬和铝替代部分镍，开发较低成本耐海洋大气腐蚀的耐候钢逐渐成为研究的重点。本文以传统低碳钢为基础，同时考虑红土镍矿资源，设计4Cr1.5Ni和4Cr1.5Ni0.8Al两种耐候钢，虽然两种耐候钢的碳当量较高，不利于焊接使用，但可以应用在使用螺栓连接的铁塔结构件、使用螺纹连接的油井管等对焊接性要求不高或者不需要焊接的场景。本文研究铝对新型4Cr1.5Ni耐候钢的组织和耐候性的影响，为开发适用于高湿热海洋大气环境的耐候钢提供参考。

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精 选 图 表  

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结  论 

(1)4Cr1.5Ni钢的显微组织为铁素体和马氏体，4Cr1.5Ni0.8Al显微组织为铁素体和少量珠光体。添加铝会促进钢中铁素体的形成。
(2)在模拟高湿热海洋大气环境中，在相同干湿循环腐蚀试验周期下，与4Cr1.5Ni钢相比，4Cr1.5Ni0.8Al钢有更低的腐蚀速率、锈层厚度、腐蚀电流密度和更高的腐蚀电位、锈层电阻。
(3)铬和铝存在协同作用。4Cr1.5Ni0.8Al钢的锈层α-FeOOH/γ-FeOOH值是4Cr1.5Ni钢的2.5倍，添加铝可以显著增强锈层保护能力。4Cr1.5Ni0.8Al钢的锈层中铬、铝同步富集，且铝以+3价态(AlOOH和Al(OH) 3 )的形式存在于锈层中，同时促进初期锈层生成更多热力学稳定的 FeCr 2 O 4 ，从而提高锈层保护能力，降低腐蚀速率。

来源：《钢铁》2023年第2期

END

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