分享：HDR鋼在海洋環(huán)境中的腐蝕行為

21世紀以來,隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展,中國低合金船體結(jié)構(gòu)材料發(fā)展較快,但是隨之而來的材料腐蝕問題日趨嚴重。我國典型海洋大氣環(huán)境為高溫高濕高鹽霧海洋大氣,代表性地區(qū)為西沙和青島。西沙擁有我國最惡劣的海洋環(huán)境條件,南海“高溫、高濕、高鹽、高輻照”的腐蝕條件會加劇船體結(jié)構(gòu)用鋼的腐蝕,根據(jù)ISO 9223-2012標準,南海區(qū)域的大氣腐蝕性為C5（腐蝕性很高）級。 

某型艦艇目前服役于我國三亞海域,其某類傳動部件材料為HDR鋼。在南海高腐蝕海洋環(huán)境中,由于高日照輻射強度、高鹽霧、高濕熱、高降雨量、海洋生物污損等多重腐蝕因素的影響,HDR出現(xiàn)腐蝕,導致某類部件傳動功能受損,影響艦船整體的安全性和穩(wěn)定性[1-10]。為此需要了解HDR鋼在真實海洋環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)和行為規(guī)律,為某類部件防腐蝕方案設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。筆者通過電化學腐蝕測試、人造海水全浸試驗以及三亞實海條件下的腐蝕試驗,獲取了HDR鋼的腐蝕數(shù)據(jù),并探究了腐蝕行為規(guī)律。 

1.   試驗

1.1   試驗材料

試驗采用的HDR鋼與傳動裝置制作用材料為同批次鋼板,由造船廠直接提供,鋼板來料尺寸為1 000 mm×800 mm×3 mm。HDR鋼屬高鉻、雙相、耐蝕不銹鋼,具有較好的力學和耐應力腐蝕性能,被應用于艦船海水管路系統(tǒng),其主要化學成分如表1所示。 

1.2   試驗方法

1.2.1   電化學測試

依據(jù)GB/T 24196-2009《金屬和合金的腐蝕電化學試驗方法恒電位和動電位極化測量導則》,測量試樣的極化曲線,并擬合得到自腐蝕電位、點蝕電位和自腐蝕電流密度等試驗參數(shù),具體過程和參數(shù)如下： 

將尺寸為10 mm×10 mm的試樣單面焊接銅導線后,利用環(huán)氧樹脂進行封裝并進行拋光（表面粗糙度Ra小于1 μm）,拋光后利用無水乙醇、丙酮等有機試劑進行表面清洗和脫脂處理,干燥后置于干燥器中。電化學腐蝕試驗采用標準三電極體系,其中工作電極為待測試樣,參比電極為飽和甘汞電極（SCE）,輔助電極為高純鉑片電極。試驗介質(zhì)為3.5%（質(zhì)量分數(shù),下同）NaCl溶液,電位掃描區(qū)間為（Ecorr-300 mV,Ecorr+300 mV）,掃描速率為0.5 mV/s。 

1.2.2   鹽霧/干/濕交替循環(huán)試驗

參照GB/T 20854-2007《金屬和合金的腐蝕循環(huán)暴露在鹽霧、“干”和“濕”條件下的加速試驗》,開展HDR鋼的鹽霧/干/濕交替循環(huán)腐蝕試驗。采用砂紙去除試樣（尺寸為100 mm×50 mm×2 mm）的原始金屬表面層,并打磨拋光后,及時用水、氧化鎂粉等充分去油,并用丙酮、酒精等試劑進行脫脂處理并迅速干燥后,將其置于干燥器內(nèi),待其冷卻到室溫后測量尺寸和質(zhì)量。試驗噴霧溶液為（50±5）g/L的NaCl溶液,試樣擺放角度相對于垂直方向成20°。在單次循環(huán)過程中：鹽霧2 h,溫度（35±2）℃；干燥4 h,溫度（60±2）℃,相對濕度（RH）小于30%；潮濕2 h,溫度為（50±2）℃,RH要求大于95%RH。試驗結(jié)束后記錄試樣宏觀形貌,稱量后計算試樣的腐蝕速率。 

1.2.3   人造海水腐蝕試驗

依據(jù)JB/T 7901-1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》進行人造海水（化學組成見表2）中均勻腐蝕全浸試驗,評價海水完全浸沒狀態(tài)下試樣的腐蝕行為[11-17]。采用砂紙逐級打磨試樣（尺寸為100 mm×50 mm×2 mm）表面后,用無水乙醇、丙酮等有機試劑清洗脫脂,將其置于干燥皿內(nèi)存放24 h以上,測量試樣質(zhì)量與外觀尺寸。 

在室溫下,將3片平行試樣全部浸入人造海水中,試驗時間為1 000 h,頻率為每7 d更換人造海水；記錄全浸試驗過程中發(fā)生的現(xiàn)象,清洗腐蝕產(chǎn)物（電解及化學清洗法）后,計算試樣腐蝕速率。 

1.2.4   實海腐蝕試驗

為研究HDR金屬在海洋環(huán)境中的腐蝕行為,為傳動部件在海洋環(huán)境中的使用提供指導,在三亞海域開展了實海腐蝕試驗,試驗地點無大的波浪沖擊,一般流速在1 m/s以下,試樣（尺寸為200 mm×100 mm×2 mm）安裝位置為平均中潮位±0.3 m以內(nèi),試驗周期為3個月、6個月、9個月、12個月、18個月和24個月,試驗結(jié)束后記錄試樣宏觀形貌,依照GB/T 6384-2008《船舶及海洋工程用金屬材料在天然環(huán)境中的海水腐蝕試驗方法》,對試樣在海洋環(huán)境中的腐蝕行為進行驗證[18-20],并按照GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕　腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》相關(guān)要求去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物并計算腐蝕速率。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   動電位極化曲線

由圖1和表3可見：試樣的點蝕電位（Eb）為1.061 V,保護電位（Ep）為1.022 V,說明試樣表面鈍化膜保護性強,不易發(fā)生點蝕；Ep與Eb相差較小（39 mV）,說明鈍化膜擊穿后,在電位負移過程中鈍化膜易完成修復,即鈍化膜的修復能力較強。 

圖  1  試樣在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線

Figure  1.  Potentiodynamic polarization curve of the sample in 3.5% NaCl solution

2.2   鹽霧/干/濕交替循環(huán)試驗

由圖2可見：經(jīng)過1 000 h鹽霧/干/濕交替循環(huán)試驗后,試樣表面未見明顯腐蝕產(chǎn)物附著,說明其在海洋干、濕交替環(huán)境中的耐蝕性較好。清洗腐蝕產(chǎn)物,計算得試樣的平均腐蝕速率為0.369 0 μm/a,詳見表4。 

圖  2  試樣經(jīng)過1 000 h鹽霧/干/濕交替循環(huán)試驗后的表面宏觀形貌

Figure  2.  Surface macro morphology of the sample after 1 000 h of salt spray/dry/wet alternating cycle test

2.3   人造海水腐蝕試驗

由圖3可見：經(jīng)過1 000 h人造海水全浸腐蝕試驗后,試樣表面均無明顯腐蝕產(chǎn)物,表明其在人造海水全浸條件下的耐蝕性較好。由表5可見：經(jīng)過1 000 h全浸試驗后,HDR鋼的平均腐蝕速率為0.374 2 μm/a。 

圖  3  試樣在人造海水中經(jīng)全浸腐蝕試驗后的表面宏觀形貌

Figure  3.  Surface macro morphology of the sample after full immersion corrosion test in artificial seawater

2.4   實海腐蝕試驗

由圖4可見：經(jīng)過實海腐蝕試驗后,試樣表面未見明顯腐蝕產(chǎn)物附著,僅有少量海洋泥沙、懸浮物附著。在螺紋固定處出現(xiàn)明顯的局部腐蝕現(xiàn)象,表面因腐蝕而變得粗糙,有海生物附著現(xiàn)象,且海生物附著處發(fā)生局部腐蝕。試樣的實海腐蝕速率見圖5,可以看出,經(jīng)過2 a腐蝕后,試樣總體腐蝕速率較低。經(jīng)過2 a實海腐蝕試驗,HDR主要發(fā)生局部腐蝕,對其防腐蝕和腐蝕監(jiān)測工作應重點放在局部腐蝕上。 

圖  4  試樣經(jīng)不同時間實海腐蝕試驗后的表面宏觀形貌

Figure  4.  Macro morphology of the surface of the sample after undergoing sea corrosion tests at different times

圖  5  試樣的實海試驗腐蝕速率

Figure  5.  Real sea test corrosion rates of the samples

3.   結(jié)論

（1）HDR鋼在3.5%NaCl溶液中的自腐蝕電流密度為3.46×10-7 A·cm-2,自腐蝕電位為-0.151 6 V,點蝕電位和保護電位分別為1.061 V和1.022 V,極化曲線無鈍化區(qū)間。 

（2）HDR鋼在人造海水全浸腐蝕試驗和交替循環(huán)腐蝕試驗中的腐蝕速率分別為0.374 2 μm/a和0.369 0 μm/a；在三亞實海中的腐蝕速率從3個月時的0.91 μm/a降至24個月時的0.08 μm/a,HDR鋼主要發(fā)生了局部腐蝕,對其防腐蝕和腐蝕監(jiān)測工作應重點放在局部腐蝕上。 

（3）HDR鋼耐海水腐蝕性能優(yōu)異,可作為現(xiàn)役材料40Cr、2Cr13的替換材料。

文章來源——材料與測試網(wǎng)