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)境保護帶來了巨大壓力,汽車的節(jié)能減排日益受到人們的關注[1-2]。有研究表明,汽車質量每減少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、輕量化結構和輕量化制造技術實現(xiàn),而鋼是汽車中占比最多的材料,因此通過高強鋼代替普通鋼是實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑[4-9]。

根據(jù)大氣監(jiān)測數(shù)據(jù),含硫的物質是主要的大氣污染介質[10]。由于汽車長期暴露于大氣環(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]。強度的提高使得鋼材尺寸減小,同等腐蝕程度下,高強鋼零部件更易發(fā)生提前失效,造成無法挽回的后果。

國內(nèi)對于高強鋼的研究主要集中于提高其力學性能和變形機制等兩個方面。隨著國內(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重。2019年我國取消了私家車報廢年限,這進一步加劇了國內(nèi)汽車鋼的腐蝕情況。

本工作對汽車用高強鋼的耐工業(yè)大氣腐蝕性能進行了研究,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高強度汽車用鋼為原材料,在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中進行周期浸泡加速腐蝕試驗,分析了兩種材料的腐蝕行為。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗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,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,用于電化學測試,將丙酮除油后的試樣與導線焊接,采用環(huán)氧樹脂密封,工作面積為1 cm2,然后將試樣進行砂紙逐級打磨(180號～1 200號)、酒精清洗和吹干后,放入干燥箱中備用。XCS-lode鋼的強度與塑性與先進高強度鋼(AHSS)的類似,要高于30Cr Ni Mo鋼的強度與塑性。

表1 兩種試驗材料的力學性能Tab.1 Mechanical properties of two test materials

1.2 試驗方法

1.2.1 模擬工業(yè)大氣腐蝕試驗

依據(jù)TB/T 2375-1993《鐵路用耐候鋼周期浸潤腐蝕試驗方法》標準,進行周期浸潤試驗,采用0.01 mol/L Na HSO3溶液模擬工業(yè)大氣腐蝕環(huán)境,試驗箱溫度為(45±2)℃,濕度為(70±5%)RH,試驗以60 min 為一個周期(其中浸泡時間為12 min),試驗時間為20 d,取樣時間分別為5,10,15,20 d,每個試驗階段設置5個平行試樣。為方便區(qū)分試樣,對試樣表面進行開孔,孔徑為4 mm,通過開孔位置確定每個試樣的質量、尺寸等物理性能。

1.2.2 表面觀察和物相分析

試驗后,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》標準中表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 電化學測試

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,通過電化學工作站進行電化學阻抗譜檢測。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。

圖1 XCS-lode鋼及30Cr Ni3Mo鋼在模擬大氣環(huán)境中腐蝕不同時間后的腐蝕速率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,各時間段內(nèi)30Cr Ni3Mo鋼的腐蝕速率呈先減小后增大的趨勢,XCS-lode鋼的腐蝕速率呈先快速減小后保持穩(wěn)定的趨勢,這說明30Cr Ni3Mo鋼在短時間內(nèi)的耐蝕性較差,發(fā)生腐蝕的風險較高,XCS-lode鋼在短時間內(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,隨著腐蝕時間的延長,30Cr Ni3Mo鋼表面逐漸從黃棕色轉變?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XCS-lode鋼的耐蝕性比30Cr Ni3Mo鋼的好原因是α-FeOOH 的電化學性質穩(wěn)定,能夠有效阻礙腐蝕性介質進入基體表面[13],從而起到保護基體的作用。

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)境中腐蝕不同時間后的電化學阻抗譜均表現(xiàn)為單一容抗弧的特征;XCS-lode鋼電化學阻抗譜的容抗弧半徑隨著腐蝕的延長而逐漸增大;未腐蝕的30Cr Ni3Mo鋼電化學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)境中腐蝕不同時間后的電化學阻抗譜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結果見表2。由表2可見,XCS-lode鋼的Rp隨腐蝕時間的延長呈明顯增大的趨勢,且遠大于同條件下30Cr Ni3Mo鋼的Rp。上述結果表明,XCS-lode鋼表面的腐蝕產(chǎn)物膜對鋼基體的保護性能優(yōu)于30Cr Ni3Mo鋼的。

表2 Rp 的擬合結果Tab.2 Fitting results of Rp Ω·cm2

圖6 電化學阻抗譜的等效電路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間的延長呈減小的趨勢,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)物膜在短時間內(nèi)無法保護鋼基體,XCS-lode鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜可在極短的時間內(nèi)形成,對基體起到較好的保護作用。

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