钢中氧含量对其在海水中耐腐蚀性的影响探讨

钢中氧含量对其在海水中耐腐蚀性的影响探讨

孟令岽 1 王烨煊 1 田骏 2

1.海装沈阳局驻葫芦岛地区军事代表室 辽宁葫芦岛 125000 2.海装上海局驻上海地区第一军事代表室 上海 200000)

摘要：将纯铁中掺入不同含量氧元素的铁样作为试验样品，设计电化学实验和模拟闭塞电池试验方案，探讨氧含量对铁耐蚀性的影响。借助线性极化、交流阻抗和动电位扫描试验数据，发现氧含量的升高对铁的阳极极化行为并无显著改变，而对阴极吸氧反应阻滞作用增大；根据模拟闭塞电池试验结果，发现氧含量提高能提升铁的耐点蚀能力。

关键词：氧含量 船体钢 耐腐蚀性 电化学实验 模拟闭塞电池

1 引言

对于船体钢而言，处在海洋环境中容易发生较为严重的腐蚀，这给船舶的正常使用带来了不利影响。钢铁中的夹杂物对钢耐腐蚀性有很大影响，是腐蚀与防护研究领域的一项热点。若能发现钢所含夹杂物含量影响钢的耐蚀性的规律，并对钢铁冶炼加工工艺控制和改良，能显著提高船体钢的耐腐蚀性能。有研究结果显示，氧化物夹杂对钢铁的耐蚀性是有不利影响的，据此推断钢中的氧含量越低，钢的耐蚀性应当越好[1]。然而在一些实际生产过程中，脱氧程度差的沸腾钢及半镇静钢的耐蚀性(特别是耐点蚀性能)反倒优于镇静钢，即使前者的夹杂物含量高于后者[2-3]。例如曾有报道显示，在海洋环境中耐蚀表现最好的船体钢竟是二战中美国建造登陆舰所用的沸腾钢,其耐腐蚀性不仅优于现代生产的C-Mn船体钢,并且比含铬镍的低合金船体钢还要好[4]。这种现象似乎说明，钢铁中一定量的含氧夹杂物可以提高自身在海水中耐蚀性。为研究氧元素含量对的钢铁耐蚀性，制作了不同氧含量的铁试样，通过电化学实验和模拟闭塞电池试验，研究探讨了氧含量对铁耐海水腐蚀性能的影响。

2 试验

2.1 试样制备

将铁粉和Fe₂O₃粉按不同比例混合后压制，置于真空电弧炉熔炼，吸铸成形后进行线切割，得到数根短棒状的原始试样，试样中氧的质量分数分别为0.002%、0.005%、0.008%、0.012%、0.015%、0.02%、0.03%、0.05%。再利用原始试样制得电化学试样和模拟闭塞电池试样。

2.2 试验方案

（1）电化学实验

利用电化学工作站和电化学测试系统进行线性极化、交流阻抗和动电位扫描试验。采用三电极体系，其中辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，试验在25℃、pH=6的3%NaCl溶液中进行。

（2）模拟闭塞腐蚀电池试验

模拟闭塞腐蚀电池试验采用如图1所示的试验装置进行，1为铂电极，作为辅助电极，2为恒电位仪，3为带鲁金毛细管的饱和甘汞电极，用作参比电极，4为Pt模拟阴极，5是ZRA-1型电偶腐蚀计，7为试样。6与8之间为闭塞区，闭塞孔中叠放六层与孔大小相近的滤纸，两边用橡胶圈塞紧。闭塞区溶液采用pH=4的质量分数为3%的NaCl溶液，阴极室溶液采用pH=8.2的人造海水溶液，模拟阴极电位-600mV，试验时间22h，根据稳定后的阳极溶解电流密度评价低合金钢点蚀扩展速度的大小。选取氧含量为0.005%、0.012%、0.02%的三个模拟闭塞电池试样分别进行上述试验，记录各自电流密度变化情况。

2.3 结果和讨论

（1）电化学试验结果

将电化学试验得到的数据利用origin作图分析，比较各试样自腐蚀电位、自腐蚀电流与极化电阻（Rp）大小。

图2为八种氧含量的试样在pH值为6的3%NaCl溶液中的线性极化曲线。对线性极化曲线进行Rp拟合，拟合电位范围从-10mV到10mV，得出八个试样在试验条件下的Rp值，如表1所示，可以看出随着氧含量的增加，极化电阻Rp有所下降，但下降幅度并不大。说明八个试样的耐均匀腐蚀性能差别不大。

图2 线性极化试验曲线

表1 试样在试验条件下的Rp值

交流阻抗试验结果如图3所示。使用Zsimpwin对交流阻抗试验数据分析，比对各项拟合的误差大小后，选择拟合程度最高的R(QR)作为等效电路（如图4所示），最终得到表2所示等效电路拟合数据。

图3 交流阻抗试验曲线

表2数据表明，随着氧含量的增加，试样的Rp值略有减小,但整体上变化不大；从图3也可以看出，八条曲线的半径大小位于同一数量级，这些结果表明氧含量对试样耐均匀腐蚀性能影响不大，从而印证了线性极化的结果。

表2 R(QR)等效电路拟合数据

图5所示为动电位扫描的试验结果。采用“自动拟合Tafel斜率”的方法进行拟合，得到的自腐蚀电位Eo和自腐蚀电流密度Io如表3所示。Eo值基本不变，说明各试样的发生腐蚀的倾向相近，而Io值在氧含量较高时略有增大。通过图5发现，各试样阳极极化速率差别很小，而阴极极化速率差别较大，说明试样腐蚀速率由氧的去极化过程控制，随着氧含量增加，阴极极化曲线斜率增大，表明阴极吸氧反应阻滞作用变大。将该试验与极化试验和交流阻抗试样的结果比对，发现氧含量增大到一定程度使试样均匀腐蚀速率略有增大，对改善铁耐均匀腐蚀没有起到明显作用。

图5 动电位扫描试验曲线

（2）模拟闭塞电池试验结果

选取氧含量从低到高分别为0.005%、0.012%和0.02%的三种试样，得到模拟闭塞电池试验结果如图6所示。经过22小时试验后各试样达到稳定状态的电流密度如表4所示。氧含量为0.02%试样在试验开始后的短时间内电流密度有明显上升，说明这段时间内该试样的闭塞区发生了活化，此区域内的试样腐蚀速度不断加快；经过一段时间后，三种试样电流密度都有不同程度下降，推断是由于试样腐蚀形成的氧化物附着在表面，阻碍了参与反应的物质交换，从而降低了反应速率；随着表面氧化物的剥落，自催化效应越来越强，发生腐蚀部位逐步向深处扩展，电流密度又有所上升，直至整个腐蚀反应稳定下来，电流密度稳定维持在一定范围内。

表4 试验开始15h后的阳极电流密度

从图6可以看出，12h后阳极电流密度已保持稳定，可取试验开始15h后各试样的阳极电流密度作为对照。表4中的数据显示，氧含量高的试样对应的阳极电流密度更低。由于模拟闭塞电池试验能够反映试样耐点蚀性能，本次试验结果可以说明氧含量的提高对提高试样耐点蚀性能有促进作用。

3 结论与展望

1.电化学实验结果表明，铁中氧含量对其在3%NaCl溶液中的阳极极化行为影响不大；就阴极行为而言，随着氧含量的增加，阴极吸氧反应的阻滞作用增大。实验结果表明氧含量提高对改善铁的耐均匀腐蚀性能没有明显作用。

2.模拟闭塞电池试验结果表明，随着氧含量提高，铁的耐点蚀性能增强。

3.根据试验得到的以上结果初步判断，钢中氧含量提高能改善其耐点蚀性能，但具体的机理分析还需要采用金相组织观察、扫描电镜分析和实海试验等手段作进一步的研究。

参考文献

[1] Г.М.伊茨科维奇, 王长林.钢脱氧及非金属夹杂物的变性处理[M].冶金工业出版社,1986.

[2] 陈学群.从用户角度谈谈对钢产品冶金质量的要求及夹杂物控制技术的研究——非金属夹杂物及杂质元素对钢材某些使用性能的影响[C].全国炉外精炼生产技术交流研讨会文集,2009.

[3] 聂中萍,吴开明,张弦,等.不同脱氧方式对低合金高强钢局部腐蚀性能的影响[J].钢铁研究学报,2018.

[4] 李国明,陈珊,常万顺,陈学群.炼钢脱氧制度对碳锰钢坑孔腐蚀扩展的影响[J].材料开发与应用(6):38-42.