王姍姍,楊志強,趙夢瑩,程曉娟,黃玉森,張竑茜,劉永壯

(首鋼技術(shù)研究院,北京 100041)

雙相 (DP) 鋼,具有高強度和高延展性,對外加載荷有較強的吸收能力,有助于提高車輛的碰撞安全性,且與其他傳統(tǒng)鋼相比,DP 鋼的密度較低,因此DP鋼作為一種很有前途的車身輕量化材料,可提高燃油的經(jīng)濟性,在汽車工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。然而,長期暴露在大氣環(huán)境中的汽車零部件容易發(fā)生電化學腐蝕,為了滿足汽車耐用性要求,DP鋼的防腐蝕性能變得至關(guān)重要[5-7]。汽車帶鋼的生產(chǎn)工藝一般為熱軋和層流冷卻,層流冷卻水會影響熱軋帶鋼的表面質(zhì)量,從而改變帶鋼表面腐蝕速率和表面缺陷。魏兵等[8]研究了層流冷卻水中Cl-含量、pH對熱軋帶鋼表面質(zhì)量的影響,通過控制Cl-含量和pH,有效降低帶鋼表面的腐蝕速率,減少帶鋼表面缺陷。

本工作以汽車用典型熱軋雙向鋼DP590為研究對象,參考首鋼遷鋼某生產(chǎn)線用層流冷卻水水質(zhì),進行了鹽溶液蒸汽腐蝕試驗,采用增重法評價DP590鋼在3種典型鹽溶液氯化鈣、氯化鎂和氯化鈉蒸汽中的腐蝕速率,采用掃描電鏡(SEM)觀察腐蝕微觀形貌,采用X射線衍射(XRD)分析其腐蝕產(chǎn)物組成,采用電化學極化曲線研究其腐蝕電化學行為。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為首鋼遷鋼生產(chǎn)的DP590鋼,表面粗糙度約為1.202,主要化學成分(質(zhì)量分數(shù))為:0.1%～0.2%C,1.5%～1.8%Mn,0.3%～0.5%Si,0.01%～0.02%P,0.001%～0.002%S,0.4%～0.6%Al,0.02%～0.05%(Cu、Ni、Mo、V、Ti),余量為Fe。

1.2 鹽溶液蒸汽腐蝕試驗

對DP590鋼進行鹽溶液蒸汽腐蝕試驗。試樣為30 mm×40 mm×4 mm的掛片,雙面打孔,掛片經(jīng)乙醇超聲清洗后吹干。選用氯化鈣CaCl2、氯化鎂MgCl2和氯化鈉NaCl 3種典型鹽溶液作為腐蝕介質(zhì),分別配制成4組不同濃度的溶液,如表1所示。將試樣平行懸掛在盛有鹽溶液的燒杯上方,懸掛過程中試樣不接觸溶液,保持試樣一面平行于液面且底部距離液面約1 cm。試驗過程中,溶液保持緩慢沸騰。每隔1 h進行補液,使液面與試驗開始時一致,以控制試樣到液面的距離。每8 h(記為1個周期)對試樣進行稱量并記錄其質(zhì)量,試驗時間為40 h(5個周期),得到腐蝕質(zhì)量增加與時間的關(guān)系曲線。

表1 不同濃度腐蝕溶液配比Tab.1 Corrosion solutions with different concentrations

試驗結(jié)束后,將試樣用清水洗凈表面,再用酒精清洗后用吹風機冷風吹干,用SN3400掃描電鏡(SEM)觀察其表面腐蝕形貌,并用能譜儀(EDS)分析腐蝕產(chǎn)物的化學成分。采用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對腐蝕產(chǎn)物進行物相分析。XRD分析時,采用Co靶Kα輻射,電壓35 kV,電流40 mA。

1.3 電化學測試

電化學測試在PARSTAT2273電化學工作站進行。測試時采用三電極體系:參比電極為飽和氯化銀電極(Ag/AgCl),輔助電極為鉑電極,工作電極為DP590鋼電極(尺寸10 mm×10 mm×4 mm,工作面積為1 cm2,經(jīng)乙醇擦拭表面后備用)。電解液為不同鹽含量的CaCl2、MgCl2和NaCl溶液。將DP590鋼在溶液中浸泡10 min后,開始測極化曲線,極化曲線掃描速率為1 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕質(zhì)量增加

由圖1可見,在3種鹽溶液蒸汽中,隨著試驗時間的延長,DP590鋼的腐蝕質(zhì)量增加逐漸增大,且其與鹽含量呈正相關(guān),即隨鹽含量增大,DP590鋼的腐蝕質(zhì)量增加明顯增大。這說明DP590鋼表面生成的腐蝕產(chǎn)物致密性較好,不易脫落。其中,在MgCl2溶液蒸汽中腐蝕后,DP590鋼的腐蝕質(zhì)量增加最多,在3種典型鹽溶液蒸汽中腐蝕后,DP590鋼腐蝕質(zhì)量增加的順序為:MgCl2>NaCl>CaCl2。由此可見,在3種典型鹽溶液蒸汽中,DP590鋼的腐蝕速率均隨鹽含量的增加而增大。

(a) CaCl2

(b) MgCl2

(c) NaCl圖1 在3種鹽溶液蒸汽中DP590鋼腐蝕質(zhì)量增加與時間的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves between corrosion mass gain of DP590 steel in three kinds of salt solution vapor vs time

2.2 腐蝕形貌與腐蝕產(chǎn)物成分

圖2～4為DP590鋼在3種不同含量鹽溶液蒸汽中腐蝕40 h后表面宏觀形貌。結(jié)果表明:在CaCl2溶液蒸汽中腐蝕40 h后,DP590鋼表面出現(xiàn)了一層紅褐色的腐蝕產(chǎn)物;在MgCl2溶液蒸汽中腐蝕40 h后,DP590鋼表面出現(xiàn)一層棕褐色的多孔腐蝕產(chǎn)物;在NaCl溶液蒸汽中腐蝕40 h后,DP590鋼表面出現(xiàn)了紅棕色腐蝕產(chǎn)物;并且,隨3種鹽含量的增加,DP590鋼表面腐蝕程度加劇,腐蝕產(chǎn)物堆積明顯。

(a) 0.03 g/L

(b) 0.06 g/L

(c) 0.12 g/L

(d) 0.18 g/L圖2 在不同含量CaCl2溶液蒸汽中腐蝕40 h后DP590鋼表面宏觀形貌Fig.2 Macrographs of DP590 steel surfaces corroded in CaCl2 solution vapor with different concentrations for 40 h

(a) 0.01 g/L

(b) 0.02 g/L

(c) 0.04 g/L

(d) 0.06 g/L圖3 在不同含量MgCl2溶液蒸汽中腐蝕40 h后DP590鋼表面宏觀形貌Fig.3 Macrographs of DP590 steel surfaces corroded in MgCl2 solution vapor with different concentrations for 40 h

(a) 0.1 g/L

(b) 0.2 g/L

(c) 0.4 g/L

(d) 0.6 g/L圖4 在不同含量NaCl溶液蒸汽中腐蝕40 h后DP590鋼表面宏觀形貌Fig.4 Macrographs of DP590 steel surfaces corroded in NaCl solution vapor with different concentrations for 40 h

由圖5可見,在3種鹽溶液蒸汽中腐蝕40 h后,DP590鋼表面腐蝕產(chǎn)物多數(shù)呈塊狀,且出現(xiàn)比較明顯的堆積現(xiàn)象,點蝕區(qū)域腐蝕產(chǎn)物表現(xiàn)出多孔的疏松形貌。對腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析,結(jié)果見表2～4。能譜分析顯示,DP590鋼表面腐蝕產(chǎn)物主要以Fe的氧化物形式存在。

(a) 0.18 g/L CaCl2

(b) 0.06 g/L MgCl2

(c) 0.6 g/L NaCl圖5 在3種鹽溶液蒸汽中腐蝕40 h后DP590鋼表面的微觀形貌Fig.5 Micrographs of DP590 steel surfaces corroded in three kinds of salt solution vapor for 40 h

表2 腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果(CaCl2溶液蒸汽)Tab.2 EDS analysis results of corrosion products (CaCl2 solution vapor) %

表3 腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果(MgCl2溶液蒸汽)Tab.3 EDS analysis results of corrosion products (MgCl2 solution vapor) %

表4 腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果(NaCl溶液蒸汽)Tab.4 EDS analysis results of corrosion products (NaCl solution vapor) %

圖6為在0.18 g/L CaCl2、0.06 g/L MgCl2、0.6 g/L NaCl溶液蒸汽中腐蝕40 h后DP590鋼表面腐蝕產(chǎn)物的XRD譜,并對其物相含量進行擬合計算,結(jié)果見表5。結(jié)果表明,DP590鋼表面腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4,還含有部分FeO(OH)和Fe2O3,與能譜分析結(jié)果保持一致。銹層中FeO(OH)的含量較低,說明銹層對基體的保護能力較差。

圖6 3種鹽溶液蒸汽中腐蝕40 h后DP590鋼表面腐蝕產(chǎn)物的XRD譜Fig.6 XRD patterns of corrosion products on DP590 steel surface corroded in three kinds of salt solution vapor for 40 h

表5 3種鹽溶液蒸汽中腐蝕40 h后DP590鋼表面腐蝕產(chǎn)物的物相含量Tab.5 Phase content of corrosion products on DP590 steel surface corroded in three kinds of salt solution vapor for 40 h %

2.3 電化學性能

圖7為DP590鋼在不同含量鹽溶液中的極化曲線。對極化曲線進行擬合,結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明:在3種鹽溶液中,隨鹽含量的增加,DP590鋼的自腐蝕電位均負移,腐蝕電流密度增大。自腐蝕電位的大小可以反映出材料的腐蝕傾向,自腐蝕電流密度的大小可以表征材料的腐蝕速率,自腐蝕電位越小,自腐蝕電流密度越大,材料腐蝕速率越大,越容易發(fā)生腐蝕[9]。由此可見,DP590鋼的耐腐蝕性能隨鹽含量的增加而減弱,電化學結(jié)果與鹽溶液蒸汽腐蝕試驗結(jié)果具有較好的一致性。

(a) CaCl2

(b) MgCl2

(c) NaCl圖7 DP590鋼在不同含量鹽溶液中的極化曲線Fig.7 Polarization curves of DP590 steel in salt solutions with different concentrations

表6 極化曲線的擬合結(jié)果Tab.6 Fitted results of polarization curves

3 結(jié)論

(1) 在3種不同含量鹽溶液蒸汽中腐蝕40 h后,DP590鋼表面出現(xiàn)不同程度的紅銹,隨鹽含量增加,腐蝕程度加劇,腐蝕產(chǎn)物堆積明顯。在3種鹽溶液蒸汽中,DP590鋼腐蝕質(zhì)量增加的順序為MgCl2>NaCl>CaCl2,且隨鹽含量的增加,腐蝕質(zhì)量增加。DP590腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4,及少量FeO(OH)和Fe2O3。

(2) 隨鹽含量的增加,DP590鋼的自腐蝕電位均負移,腐蝕電流密度增大,說明其耐腐蝕性能隨鹽含量的增加而減弱。