低碳铌微合金钢在海水中的腐蚀规律

1、第19卷第1期2007年1月钢铁研究学报Journal of Iron and Steel ResearchVol.19,No.1January 2007作者简介:王淑兰(19592,女,博士,教授;E 2m ail :shulanw hot ;修订日期:2006206219低碳铌微合金钢在海水中的腐蚀规律王淑兰,杨慧,庄立军(东北大学理学院,辽宁沈阳110004摘要:铌钢主要用于大型船舶和海上工程建设,所以铌钢的耐海水腐蚀性能非常重要。研究了铌钢和不含铌钢在海水中不同腐蚀阶段的交流阻抗谱和腐蚀电位,获得了腐蚀过程的电荷传递电阻。研究结果表明:铌钢在海水腐蚀过程中的电荷传递电阻随腐蚀时间的延长

2、而增大,其耐海水腐蚀性能优于不含铌钢。关键词:铌钢;海水腐蚀;交流阻抗谱;电荷传递电阻中图分类号:T G 17215文献标识码:A 文章编号:100120963(20070120053204Corrosion of Low 2C arbon Nb Microalloyed Steel in Sea w aterWAN G Shu 2lan ,YAN G Hui ,ZHUAN G Li 2jun(School of Science ,Northeastern University ,Shenyang 110004,Liaoning ,China Abstract :Niobium is one

3、of the most effective microalloying elements of steel and has been used in niobium bearing steel for the construction of large ships and sea engineering.The corrosion behavior of niobium bearing steel in sea water is therefore very important.In this work ,A 1C 1impedance spectra and corrosion potent

4、ial of low 2carbon Nb microalloyed steels at different corrosion stages were measured systematically ,the charge transfer resistances of corrosion process were obtained and the charge transfer resistances increased with increasing the corrosion period.The results show that the corrosion resistance o

5、f the low 2carbon Nb microalloyed steel is better than that of the ni 2obium 2f ree steel.K ey w ords :Nb microalloyed steel ;corrosion ;impedance ;charge transfer resistance铌是钢中最有效的微合金化元素之一,平均10000个铁原子中有一个铌原子(相当于0101mol %,就能改善钢的性能。所以,铌具有钢铁维生素之称1。铌主要用于钢铁工业,在工业发达国家,平均每吨钢消费铌50100g 1,这反应了一个国家钢铁工业的现代化程度

6、。世界上许多国家,如德国、日本、韩国和波兰等造船大国普遍将铌钢用于建设海上石油钻井平台和海港。与国外相比,我国对铌的应用研究进展相对比较缓慢2,50年代才着手研究耐海水腐蚀合金钢,耐腐蚀合金包括Cr 2Ni 系、Cu 2P 系、Cr 2Ni 2W 系、V 2P 系、Ni 2Cu 系及CrMoAl 系等1,3。在此,笔者采用交流阻抗谱技术系统地表征了铌钢和不含铌钢的腐蚀过程,旨在为开发耐海水腐蚀铌钢提供理论依据。1实验方法111试样制备钢样由鞍山钢铁公司和武汉钢铁公司(以下简称鞍钢和武钢提供,其化学成分(质量分数见表1。将钢样切割成10mm ×3mm ×50mm ,表面用不同

7、型号的砂纸逐级打磨,再用丙酮除油、无水乙醇清洗,然后用环氧树脂封装非工作表面。电解质为大连附近海域的天然海水,室温电导率为3142×10-2S/cm 。112电化学测试将预处理好的工作电极插入电解质溶液中,待体系的开路电位稳定(电位值变化小于1mV/min 后,用美国EG&G 公司的M273A 恒电位仪和M5210表1钢样的化学成分T able 1Composition of steel %钢号C Si Mn P S Nb Al Ti Fe来源9510111201117011260101201007010200101501005余量鞍钢53401107011231108001

8、01701009010210102001010余量鞍钢0098010980120011100010200101001028武钢0080108001100111000102001010武钢锁相放大器定时测量试样在自腐蚀电势下的交流阻抗谱及腐蚀电位。测试采用三电极系统,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂丝,钼丝为工作电极的引线。测试频率范围为1×1050101Hz ,交流激励信号幅值5mV 。2结果及讨论211含铌钢的交流阻抗谱图1为不同型号的铌钢在海水腐蚀中的交流阻抗谱。从图1(a 看出,在所研究的腐蚀时间(t 内,951号钢的交流阻抗谱均为单一半圆形。由于测量交流阻抗谱时,腐蚀反应

9、仍在进行,所以测得的阻抗响应半圆是由腐蚀反应的电荷传递电阻和电极-溶液界面双电层引起的。阻抗响应呈半圆形,表明腐蚀反应由电荷传递过程控制4,5。随着腐蚀时间的延长,交流阻抗谱响应半圆半径增加,说明腐蚀反应的电荷传递电阻增大,腐蚀前4d 的电荷传递电阻明显低于腐蚀16d 和32d 的电荷传递电阻,说明腐蚀过程中铌钢表面的腐蚀产物对进一步腐蚀反应起阻碍作用。采用图1(a 右上角的等效电路拟和951号钢的交流阻抗谱。对于表面不光滑的电极,常相位角元件(CPE 比纯电容更能反映电流分布不均匀的电极的电容性质。图1(b 和图1(c 是534号铌钢的交流阻抗谱。从图1(b 可看出,腐蚀时间在8d 之内时,

10、534号铌钢交流阻抗谱为单一半圆,并且随着腐蚀时间的延长,电荷传递电阻增加。腐蚀时间超过8d 后,在交流阻抗谱的高频端出现了第二个响应半圆见图1(c 。第二个响应半圆是在铌钢长时间腐蚀后出现的,说明534号铌钢的腐蚀产物致密,在铌钢表面形成了可检测到的产物膜,不易从铌钢表面脱落。因此,采用图1(c 中的等效电路拟和534号铌钢腐蚀16d 和32d 的交流阻抗谱。图1(d 和(e 示出了0098号铌钢在不同腐蚀时间的交流阻抗谱。可见0098号铌钢交流阻抗谱的变化规律与534号铌钢相同,即在腐蚀初期( 腐蚀时Z 阻抗实部;Z 阻抗虚部;R s 溶液电阻;R 与腐蚀产物有关的电阻;R ct 电荷传递

11、电阻;C P E 1电极产物的电容性质;C P E 2电极与溶液界面的电容性质图1铌钢在海水腐蚀过程中的交流阻抗谱Fig 11AC imped ance spectra of niobium bearing steel corrosion in sea w ater45钢铁研究学报第19卷间不超过8d ,阻抗谱为单一半圆形,且电荷传递电阻随着腐蚀时间的延长而增大;腐蚀后期(腐蚀时间超过8d ,在交流阻抗谱高频端也出现了第二个响应半圆。可见,0098号铌钢的交流阻抗谱测量结果进一步说明铌钢在海水中的腐蚀产物致密性好,能够阻碍铌钢发生进一步腐蚀。表2列出了各炉号钢样的腐蚀交流阻抗谱等效电路的拟和结

12、果。212不含铌钢的交流阻抗谱图2为008号不含铌钢在不同腐蚀时间的交流阻抗谱。可见在所研究的腐蚀时间范围内,交流阻抗表2铌钢腐蚀交流阻抗谱等效电路参数T able 2Equivalent circuit parameters of AC imped ance spectra for niobium bearing steel corrosion 钢号9515340098t /dR ct /(cm 2C /(F cm 2R ct /(cm 2C /(F cm 2R ct /(cm 2C /(F cm 21825123001575710385132840185241882017530108431

13、894315484012438148821365119895157211288051790319677138801612041016903108401695910830119561086810329341021491099010150010104410157210谱均为单一半圆形,即在不同的腐蚀时间内,不含铌钢的腐蚀反应全部由电荷传递过程控制。随着腐蚀时间的延长,电荷传递电阻出现了先增加后减小的变化规律。可能是因为腐蚀产物不致密,在腐蚀初期,腐蚀产物附着在电极表面上,增加了电荷传递阻力,到腐蚀后期,腐蚀产物层从电极上脱落,致使电荷传递电阻下降。因此,不含铌钢在海水中的腐蚀反应比铌钢更容易进行。

14、图3是铌钢和不含铌钢在海水腐蚀过程中的电荷传递电阻随时间的变化规律。可见,在腐蚀过程中,铌钢的电荷传递电阻随着腐蚀时间的延长而增大,不含铌钢的电荷传递电阻在腐蚀8d 后达到极值,之后随着腐蚀时间的延长而减小。213腐蚀电位腐蚀电位(E 是指流经电极上的电流为零时的电图2008号不含铌钢在海水腐蚀过程中的交流阻抗谱Fig 12AC imped ance spectra of steel No 1008without niobium in sea w ater极电势5。腐蚀电位的大小反应了金属腐蚀的难易程度,腐蚀电位与金属及溶液性质、温度等因素有关6。对钢样腐蚀电位的研究结果表明,不含铌钢(008

15、号的腐蚀电位在整个腐蚀过程中基本保持不变,而铌钢的腐蚀电位随着腐蚀时间的延长而逐渐增加(图4,表明铌钢耐腐蚀能力逐渐提高。铌钢在海水中腐蚀后,腐蚀产物致密,可阻碍海水中的离子进一步接近电极,提高了铌钢的抗腐蚀能力。因此,腐蚀电位研究结果还证明,铌钢的耐海水腐蚀能力优于不含铌钢。3结论(1 铌钢在海水中的腐蚀反应由电荷传递过程控图3腐蚀过程中电荷传递电阻随时间的变化Fig 13Change of ch arge transfer resistance withtime in corrosion process55第1期王淑兰等:低碳铌微合金钢在海水中的腐蚀规律图4腐蚀电位随腐蚀时间的变化Fig1

16、4V ariation of corrosion potential with time制。电荷传递电阻随着腐蚀时间的延长而增大。铌钢在海水中的腐蚀产物致密性好,有阻碍进一步发生腐蚀的作用。腐蚀16d后,腐蚀产物膜可通过交流阻抗谱检测出来。(2腐蚀初期,不含铌钢腐蚀反应的电荷传递电阻随着腐蚀时间的延长而增大;腐蚀后期,腐蚀产物从电极表面脱落,电荷传递电阻下降。(3致密的腐蚀产物使铌钢腐蚀电位随着腐蚀时间的延长而增加,不含铌钢的腐蚀电位基本不变。(4铌钢耐海水腐蚀能力优于不含铌钢。中信金属公司对本工作给予支持和帮助,在此表示感谢。参考文献:1郭青蔚.铌在钢铁工业中的应用J.稀有金属快报,2005

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