郭康洁， 张金玲， 曹永杰， 王社斌

（1.太原理工大学材料科学与工程学院， 山西　太原　030024； 2.山西省介休市绵山镇人民政府，山西　介休　032000）



含稀土耐候钢电化学腐蚀性能的研究

郭康洁1，2， 张金玲1， 曹永杰1， 王社斌1

（1.太原理工大学材料科学与工程学院， 山西太原030024； 2.山西省介休市绵山镇人民政府，山西介休032000）

以SPA-H型耐候钢为研究对象，添加不同含量的稀土元素Ce，进行电化学腐蚀实验，研究Ce含量对SPA-H型耐候钢的耐腐蚀性能的影响。结果表明：通过增加Ce元素的含量可以提高SPA-H型耐候钢的耐腐蚀性能，腐蚀产物主要为α-FeOOH、γ-FeOOH、γ-Fe3O4、Fe3O4；当Ce元素的含量（质量分数）为0.043%时，耐候钢的平衡电位最高，腐蚀电流最低，耐腐蚀性能最好。

稀土元素耐候钢电化学耐腐蚀性

耐候钢是一种可有效抵御大气环境腐蚀的低合金钢，是在低碳钢中加入Ni、P、Cu、Cr等耐腐元素形成的[1]。SPA-H型耐候钢是在耐候钢中添加适量稀土元素冶炼得到的[2]。大气腐蚀[3]是发生在材料与腐蚀介质间的界面反应，是最常见的一种腐蚀形式。钢的耐腐蚀性能受大气腐蚀产生的腐蚀锈层的性质影响很大。

目前，国内外研究机构针对SPA-H耐候钢耐蚀性能尤其是稀土元素在腐蚀过程中的作用[4-6]进行了许多研究，但是由于对加稀土元素的添加量没有一个确切的数据，对稀土耐候钢腐蚀产物的成分以及耐蚀机理的研究[7-11]尚不完整，对于耐候钢耐蚀性的提高与稀土关系的研究[12]也只停留在表面。随着冶炼精练技术的不断进步[13]，开发新型耐候钢和扩大稀土耐候钢成为必然，因此有必要对SPA-H型耐候钢中稀土元素的最佳含量进行专门研究。

本研究是在实验室模拟海洋大气环境，对腐蚀SPA-H型耐候钢获得的锈层性能进行研究，分析稀土元素Ce所起的作用，确定耐候钢中Ce的最佳含量以及锈层的组成，为稀土元素Ce在耐候钢中的开发与应用提供基础实验数据。

1　实验材料制备和实验方法

利用ZG0.025-100-2.5真空感应熔炼炉，制备四种成分的SPA-H型耐候钢，其成分见表1。试样编号依次为1、2、3、4。将耐候钢加工成大约10 mm×10 mm×4 mm的的长方体试样，之后用AB胶对试样进行包裹，只留出工作面，进行电化学测试，测试样如图1所示。

表1　试验钢的化学成分　%

图1　密封完成后试样

采用在3.5%NaCl（w（NaCl）=3.5%）溶液中的耐候钢试样为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂电极为辅助电极的三电极测试系统，实验装置如下页图2所示。采用动电位极化曲线来测量不同Ce含量SPA-H型耐候钢的耐蚀性能。利用计算机软件对测试数据进行处理并绘制出极化曲线。

图2　电化学实验装置

采用XRX-10型的X-射线衍射仪分析腐蚀面的相组成以及相对含量；采用JSU-6700F型的场发射扫描电镜观察分析电化学腐蚀后耐候钢的表面形貌。

2　实验结果和分析

不同Ce含量的SPA-H型耐候钢的极化曲线如图3所示。由图3可知：以四种成分的耐候钢为工作电极的试样的极化曲线阴极分支都符合塔菲尔（Tafel）直线规律[14]。同时，阴极极化曲线的Tafel斜率差别不明显，说明不同Ce含量的SPA-H型耐候钢对阴极反应的影响差别不大；但阳极极化曲线的Tafel斜率差别较大，说明不同Ce含量的SPA-H型耐候钢对阳极反应的影响差别较大。

表2所示数据是对图3中的极化曲线进行Tafel拟合得到的结果。由表2中数据可得出如下结论：随着耐候钢中Ce元素含量的增加，其平衡电位随之升高，腐蚀电流则降低；Ce元素的添加可明显提高耐候钢的耐蚀性。

图4是直接对电化学实验后的四个试样进行的X射线衍射的结果。分析图4数据可以看到：1号试样锈层中的导电相Fe3O4[15]数量最多，而且几乎没有出现α-FeOOH[16]，说明在腐蚀过程中发生电化学反应的电子传递更容易进行，锈层的腐蚀速度快；2号试样锈层中的Fe3O4含量比1号试样中的少，说明Ce促进其发生了Fe3O4的相转变。根据岳丽杰[17]的理论可知，有大量的Fe3O4转变为γ-FeOOH，由于稀土含量较少所以没有稳定的α-FeOOH出现，2号试样中Fe3O4相对较少，其耐腐蚀性能比1号试样有所增强。对比2号试样和3号、4号的XRD谱图发现，后两个试样锈层中的γ-FeOOH的含量逐渐减少，而α-FeOOH逐渐增多，表明腐蚀过程中γ-FeOOH向α-FeOOH转变，并逐渐稳定。特别是4号试样锈层中稳定的腐蚀产物α-FeOOH的含量（质量分数）已达到20%以上，在试样表面形成了致密稳定的腐蚀锈层，降低了钢的腐蚀率，这也就表明4号试样耐腐蚀性能最好。

图3　SPA-H型耐候钢极化曲线

表2　SPA-H型耐候钢的极化曲线拟合结果

图4　电化学腐蚀后四种耐候钢的XRD谱图

用扫描电子显微镜分析电化学腐蚀后的四个试样，其微观腐蚀形貌如下页图5所示。比较四个耐候钢试样的表面宏观和SEM形貌图，可以看出：稀土含量为零的1号试样腐蚀最为严重，其锈层疏松表面有裂缝。说明表层腐蚀产物对基体没有保护作用，腐蚀离子渗入基体进一步腐蚀。添加微量稀土的2号试样表面锈层比较疏松、孔洞很多、顶部呈碎片状腐蚀，但相比1号试样已有很大改善。增加少量稀土含量的3号试样锈层出现了大小不等的缝隙和孔洞，锈层比较致密。4号试样锈层呈现紧密的层状分布，缝隙、孔洞少，锈层致密，在四个试样中锈层最薄、腐蚀程度最轻、与基体表面结合最为紧密。说明添加适量稀土可使锈层致密，并增强锈层与基体的附着力，从而提高耐候钢的耐腐蚀性能。

显然，添加稀土元素的耐候钢具有更高的抗蚀能力，稀土含量（质量分数）为0.043%的4号试样表面没有发生激烈的腐蚀分层，除了表面锈层外，试样锈层和基体之间还形成了一层内锈层，连续分布的内锈层均匀致密，内外两层锈层能有效保护钢基体免受腐蚀。在其他实验条件一致的情况下，适量添加稀土的4号耐候钢试样的锈层比未加稀土的1号耐候钢试样和少量添加稀土的2号、3号耐候钢试样要均匀致密得多，锈层的保护能力也更强。这说明适量稀土元素的存在提高了钢的耐腐蚀性，这得益于稀土元素可促进保护性锈层更快生成。

图5　电化学实验后四种耐候钢的表面SEM形貌图

3　结论

通过测试含Ce元素的耐候钢电化学性能，分析耐候钢表面腐蚀形貌和腐蚀产物，得出以下结论：

1）向耐候钢中添加稀土Ce元素提高了耐候钢的电化学平衡电位，使耐候钢的腐蚀电流降低，能提高SPA-H型耐候钢的耐腐蚀性能。

2）在一定范围内，随着耐候钢中Ce含量的增加，试样的电化学平衡电位随之升高，腐蚀电流呈现随之降低的趋势，其中4号试样的腐蚀电流最低，为0.385 5 mA，腐蚀速率最低，所以当w(Ce)=0.043%时试样耐腐蚀性能最好。

3）四种Ce元素含量不同的耐候钢在电化学腐蚀后，其腐蚀产物主要由α-FeOOH、γ-FeOOH、γ-Fe2O3、FeOOH、Fe3O4组成。1号试样腐蚀产物中Fe3O4较多，几乎没有α-FeOOH，并出现均匀溶解的现象，腐蚀最为严重。3号、4号试样中有稳定的α-FeOOH生成，并形成了致密的内锈层，有效保护了耐候钢基体。

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（编辑：胡玉香）

Research on Electrochemical Corrosion Performance of Weathering Steel with Different Rare Earth Content

GUO Kangjie1，2，ZHANG Jinling1，CAO Yongjie1，WANG Shebin1
（1.School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024；2.Mianshan Government of Jiexiu，Jiexiu Shanxi 032000）

Taking SPA-H weathering steel as the research subject,by adding different contents of rare earth Ce, through erosive electrochem istry experiment,the influence of Ce content on the corrosion resistance of weathering steel is studied.The research results show that the Ce elements can improve the corrosion resistance of SPA-H weathering steel,and the corrosion products of weathering steel is mainly composed of the α-FeOOH、γ-FeOOH、γ-Fe3O4、Fe3O4after electrochemical corrosion.When Ce elements content is 0.043%,the weathering steel has the higher equilibrium potential and the lower corrosion current with best corrosion resistance.

rare earth element,weathering steel,electrochem istry,corrosion resistance

TG174.2+1

A

1672-1152（2016）02-0005-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.02

2016-02-17

郭康洁（1983—），男，在职硕士研究生在读，主要研究方向：耐候钢的腐蚀性能。

张金玲（1982—），女，太原理工大学材料学院副教授。