王姗姗,杨志强,赵梦莹,程晓娟,黄玉森,张竑茜,刘永壮

(首钢技术研究院,北京 100041)

双相 (DP) 钢,具有高强度和高延展性,对外加载荷有较强的吸收能力,有助于提高车辆的碰撞安全性,且与其他传统钢相比,DP 钢的密度较低,因此DP钢作为一种很有前途的车身轻量化材料,可提高燃油的经济性,在汽车工业中有广泛的应用前景[1-4]。然而,长期暴露在大气环境中的汽车零部件容易发生电化学腐蚀,为了满足汽车耐用性要求,DP钢的防腐蚀性能变得至关重要[5-7]。汽车带钢的生产工艺一般为热轧和层流冷却,层流冷却水会影响热轧带钢的表面质量,从而改变带钢表面腐蚀速率和表面缺陷。魏兵等[8]研究了层流冷却水中Cl-含量、pH对热轧带钢表面质量的影响,通过控制Cl-含量和pH,有效降低带钢表面的腐蚀速率,减少带钢表面缺陷。

本工作以汽车用典型热轧双向钢DP590为研究对象,参考首钢迁钢某生产线用层流冷却水水质,进行了盐溶液蒸汽腐蚀试验,采用增重法评价DP590钢在3种典型盐溶液氯化钙、氯化镁和氯化钠蒸汽中的腐蚀速率,采用扫描电镜(SEM)观察腐蚀微观形貌,采用X射线衍射(XRD)分析其腐蚀产物组成,采用电化学极化曲线研究其腐蚀电化学行为。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为首钢迁钢生产的DP590钢,表面粗糙度约为1.202,主要化学成分(质量分数)为: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),余量为Fe。

1.2 盐溶液蒸汽腐蚀试验

对DP590钢进行盐溶液蒸汽腐蚀试验。试样为30 mm×40 mm×4 mm的挂片,双面打孔,挂片经乙醇超声清洗后吹干。选用氯化钙CaCl2、氯化镁MgCl2和氯化钠NaCl 3种典型盐溶液作为腐蚀介质,分别配制成4组不同浓度的溶液,如表1所示。将试样平行悬挂在盛有盐溶液的烧杯上方,悬挂过程中试样不接触溶液,保持试样一面平行于液面且底部距离液面约1 cm。试验过程中,溶液保持缓慢沸腾。每隔1 h进行补液,使液面与试验开始时一致,以控制试样到液面的距离。每8 h(记为1个周期)对试样进行称量并记录其质量,试验时间为40 h(5个周期),得到腐蚀质量增加与时间的关系曲线。

表1 不同浓度腐蚀溶液配比Tab.1 Corrosion solutions with different concentrations

试验结束后,将试样用清水洗净表面,再用酒精清洗后用吹风机冷风吹干,用SN3400扫描电镜(SEM)观察其表面腐蚀形貌,并用能谱仪(EDS)分析腐蚀产物的化学成分。采用D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)对腐蚀产物进行物相分析。XRD分析时,采用Co靶Kα辐射,电压35 kV,电流40 mA。

1.3 电化学测试

电化学测试在PARSTAT2273电化学工作站进行。测试时采用三电极体系:参比电极为饱和氯化银电极(Ag/AgCl),辅助电极为铂电极,工作电极为DP590钢电极(尺寸10 mm×10 mm×4 mm,工作面积为1 cm2,经乙醇擦拭表面后备用)。电解液为不同盐含量的CaCl2、MgCl2和NaCl溶液。将DP590钢在溶液中浸泡10 min后,开始测极化曲线,极化曲线扫描速率为1 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀质量增加

由图1可见,在3种盐溶液蒸汽中,随着试验时间的延长,DP590钢的腐蚀质量增加逐渐增大,且其与盐含量呈正相关,即随盐含量增大,DP590钢的腐蚀质量增加明显增大。这说明DP590钢表面生成的腐蚀产物致密性较好,不易脱落。其中,在MgCl2溶液蒸汽中腐蚀后,DP590钢的腐蚀质量增加最多,在3种典型盐溶液蒸汽中腐蚀后,DP590钢腐蚀质量增加的顺序为:MgCl2>NaCl>CaCl2。由此可见,在3种典型盐溶液蒸汽中,DP590钢的腐蚀速率均随盐含量的增加而增大。

(a) CaCl2

(b) MgCl2

(c) NaCl图1 在3种盐溶液蒸汽中DP590钢腐蚀质量增加与时间的关系曲线Fig.1 Relation curves between corrosion mass gain of DP590 steel in three kinds of salt solution vapor vs time

2.2 腐蚀形貌与腐蚀产物成分

图2～4为DP590钢在3种不同含量盐溶液蒸汽中腐蚀40 h后表面宏观形貌。结果表明:在CaCl2溶液蒸汽中腐蚀40 h后,DP590钢表面出现了一层红褐色的腐蚀产物;在MgCl2溶液蒸汽中腐蚀40 h后,DP590钢表面出现一层棕褐色的多孔腐蚀产物;在NaCl溶液蒸汽中腐蚀40 h后,DP590钢表面出现了红棕色腐蚀产物;并且,随3种盐含量的增加,DP590钢表面腐蚀程度加剧,腐蚀产物堆积明显。

(a) 0.03 g/L

(b) 0.06 g/L

(c) 0.12 g/L

(d) 0.18 g/L图2 在不同含量CaCl2溶液蒸汽中腐蚀40 h后DP590钢表面宏观形貌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图3 在不同含量MgCl2溶液蒸汽中腐蚀40 h后DP590钢表面宏观形貌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图4 在不同含量NaCl溶液蒸汽中腐蚀40 h后DP590钢表面宏观形貌Fig.4 Macrographs of DP590 steel surfaces corroded in NaCl solution vapor with different concentrations for 40 h

由图5可见,在3种盐溶液蒸汽中腐蚀40 h后,DP590钢表面腐蚀产物多数呈块状,且出现比较明显的堆积现象,点蚀区域腐蚀产物表现出多孔的疏松形貌。对腐蚀产物进行能谱分析,结果见表2～4。能谱分析显示,DP590钢表面腐蚀产物主要以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图5 在3种盐溶液蒸汽中腐蚀40 h后DP590钢表面的微观形貌Fig.5 Micrographs of DP590 steel surfaces corroded in three kinds of salt solution vapor for 40 h

表2 腐蚀产物的能谱分析结果(CaCl2溶液蒸汽)Tab.2 EDS analysis results of corrosion products (CaCl2 solution vapor) %

表3 腐蚀产物的能谱分析结果(MgCl2溶液蒸汽)Tab.3 EDS analysis results of corrosion products (MgCl2 solution vapor) %

表4 腐蚀产物的能谱分析结果(NaCl溶液蒸汽)Tab.4 EDS analysis results of corrosion products (NaCl solution vapor) %

图6为在0.18 g/L CaCl2、0.06 g/L MgCl2、0.6 g/L NaCl溶液蒸汽中腐蚀40 h后DP590钢表面腐蚀产物的XRD谱,并对其物相含量进行拟合计算,结果见表5。结果表明,DP590钢表面腐蚀产物主要为Fe3O4,还含有部分FeO(OH)和Fe2O3,与能谱分析结果保持一致。锈层中FeO(OH)的含量较低,说明锈层对基体的保护能力较差。

图6 3种盐溶液蒸汽中腐蚀40 h后DP590钢表面腐蚀产物的XRD谱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种盐溶液蒸汽中腐蚀40 h后DP590钢表面腐蚀产物的物相含量Tab.5 Phase content of corrosion products on DP590 steel surface corroded in three kinds of salt solution vapor for 40 h %

2.3 电化学性能

图7为DP590钢在不同含量盐溶液中的极化曲线。对极化曲线进行拟合,结果如表6所示。结果表明:在3种盐溶液中,随盐含量的增加,DP590钢的自腐蚀电位均负移,腐蚀电流密度增大。自腐蚀电位的大小可以反映出材料的腐蚀倾向,自腐蚀电流密度的大小可以表征材料的腐蚀速率,自腐蚀电位越小,自腐蚀电流密度越大,材料腐蚀速率越大,越容易发生腐蚀[9]。由此可见,DP590钢的耐腐蚀性能随盐含量的增加而减弱,电化学结果与盐溶液蒸汽腐蚀试验结果具有较好的一致性。

(a) CaCl2

(b) MgCl2

(c) NaCl图7 DP590钢在不同含量盐溶液中的极化曲线Fig.7 Polarization curves of DP590 steel in salt solutions with different concentrations

表6 极化曲线的拟合结果Tab.6 Fitted results of polarization curves

3 结论

(1) 在3种不同含量盐溶液蒸汽中腐蚀40 h后,DP590钢表面出现不同程度的红锈,随盐含量增加,腐蚀程度加剧,腐蚀产物堆积明显。在3种盐溶液蒸汽中,DP590钢腐蚀质量增加的顺序为MgCl2>NaCl>CaCl2,且随盐含量的增加,腐蚀质量增加。DP590腐蚀产物主要为Fe3O4,及少量FeO(OH)和Fe2O3。

(2) 随盐含量的增加,DP590钢的自腐蚀电位均负移,腐蚀电流密度增大,说明其耐腐蚀性能随盐含量的增加而减弱。