滲鋁鋼在鹵水中的腐蝕行為研究

張 超

(天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院天鐵校區(qū)，河北056404)

0 引言

鋼鐵腐蝕的危害嚴(yán)重，每年都會給世界各國造成數(shù)以百億的經(jīng)濟(jì)損失。 從日常生活到交通運(yùn)輸、建筑、機(jī)械、電力、石油化工、冶金、國防等眾多領(lǐng)域都存在各種各樣的腐蝕問題。 找到切實(shí)有效的防腐方法已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。 滲鋁屬于金屬表面涂鍍層技術(shù)，是經(jīng)常用到的金屬表面防腐的有效方法。 滲鋁的方法有很多，包括固體粉末法、固體氣相法、低壓滲鋁法等等，其中固體包埋滲鋁技術(shù)是使用最為廣泛的是方法[1-2]。

本次研究通過固體包埋的方法對Q235 鋼進(jìn)行滲鋁， 并對滲鋁鋼的滲層金相組織和成分進(jìn)行研究， 并對Q235 鋼和滲鋁鋼分別在40℃，NaCl 濃度為0.7 mol/L 的水溶液中進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)采用Q235 鋼， 采用機(jī)械線切割將Q235 鋼切割成10 mm×10 mm×5 mm 的長方體試樣，試樣經(jīng)過砂紙打磨、拋光、酒精清洗后平均分作兩份，一份用作原樣鋼，一份采用固體包埋滲鋁的方法制作滲鋁鋼。

1.2 試驗(yàn)工藝及方法

(1)除油。 除油劑采用丙酮有機(jī)溶液，在丙酮有機(jī)溶液中將試樣浸泡20 分鐘至30 分鐘。 如果油污在試樣表面范圍比較大時，可以先利用汽油對試樣表面進(jìn)行粗洗。 采用丙酮溶液浸泡后用清水將試樣表面的油污和丙酮沖洗干凈[3-5]。

(2)除銹。 采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鹽酸溶液對試樣表面進(jìn)行除銹， 試樣在鹽酸溶液中浸泡30 分鐘即可，若試樣表面銹蝕嚴(yán)重，可延長浸泡時間。 至試樣表面漏出金屬光澤，即可用無水乙醇溶液將試樣表面的鹽酸溶液沖洗干凈。

(3)助滲液浸泡。 為了保持試樣表面的活性，將除油除銹后的試樣浸泡于助滲液中，浸泡時間為15分鐘。 助鍍液的組成為：0.5%NaNO3+0.5%Cr2O3+0.02%K2MnO4+H2O。 采用去離子水對浸泡后的試樣進(jìn)行沖洗，沖洗后進(jìn)行烘干。 試樣必須在烘干后12小時內(nèi)進(jìn)行滲鋁。 否則試樣表面活性將失效。

(4)配制滲劑。 滲劑配方如表1，滲劑按照表1中的組成比例進(jìn)行配制，并進(jìn)行攪拌，直到均勻。

表1 滲劑配方

(5)裝箱。 試樣經(jīng)過以上處理后與按照表(4)中比例配制好的滲劑裝于一起，并在滲鋁箱中進(jìn)行封裝。

(6)固態(tài)滲鋁。 在電阻爐中對滲鋁箱進(jìn)行加熱，溫度至970 ℃，然后在爐中保溫6 小時后斷電冷卻。對滲鋁鋼表面進(jìn)行觀察。

對滲鋁鋼滲層采用高精度顯微鏡進(jìn)行拍照，并對滲鋁層進(jìn)行XRD 衍射分析以及能譜分析。 采用英國Solartron 公司的SI1280B 電化學(xué)工作站對滲鋁鋼和Q235 鋼進(jìn)行電化學(xué)測試。 介質(zhì)溶液采用溫度為40 ℃的0.7 mol/L 的NaCl 水溶液。并對腐蝕后的滲鋁鋼和Q235 鋼表面進(jìn)行拍照，觀察腐蝕產(chǎn)物[6]。

2 結(jié)果及分析

2.1 滲層組織分析

從圖1 可以觀察到，Q235 鋼基體是與滲層相互機(jī)械結(jié)合在一起。 金相圖片表明有針狀組織存在于滲鋁層中。根據(jù)文獻(xiàn)可知Al 原子的加入導(dǎo)致了組織中奧氏體向鐵素體重結(jié)晶，新相形核表現(xiàn)為針狀組織[7]。 從圖片中看到滲層組織連續(xù)完整，沒有氣泡、雜質(zhì)出現(xiàn)在滲鋁層組織中，這樣就能夠有效的阻擋外界的腐蝕介質(zhì)與基體進(jìn)行接觸，從而導(dǎo)致氧化和腐蝕。 當(dāng)腐蝕介質(zhì)開始侵害滲鋁鋼滲層表面的三氧化二鋁膜時，滲層表面的氧化膜能夠得到滲層組織中的鋁原子的有效補(bǔ)充，繼續(xù)形成致密完整的三氧化二鋁膜， 直到滲鋁層中的鋁原子無法提供為止。這樣的保護(hù)機(jī)制能夠有效的阻止外界腐蝕介質(zhì)對鋼基體的破壞[8]。

圖1 固體包埋滲鋁層金相組織

2.2 XRD 衍射分析和能譜分析

對包埋滲鋁的Q235 鋼的滲層進(jìn)行XRD 衍射分析和EDS 能譜分析，如圖2。 通過能譜分析，我們知道Fe 原子和Al 原子是碳鋼滲鋁后滲層的主要元素。 通過XRD 衍射分析我們可以看出，碳鋼滲鋁的滲鋁層主要由Fe2Al5、AlCl3和Al2O3組成。 滲層表面形成致密完整的三氧化二鋁氧化膜，外界腐蝕介質(zhì)經(jīng)過氧化膜的有效阻擋能夠使鋼基體免受腐蝕。 當(dāng)外界腐蝕介質(zhì)對氧化膜進(jìn)行破壞時，滲層表面會得到源源不斷的來自滲層內(nèi)部Al 原子的補(bǔ)充， 使得氧化膜得到修復(fù)， 從而繼續(xù)保護(hù)碳鋼基體免受腐蝕。 滲層內(nèi)鋁原子是一個由高鋁相到低鋁相的過程，直到滲層內(nèi)的鋁原子全部消耗完為止[9-10]。

圖2 滲層的XRD 衍射分析和能譜分析

2.3 腐蝕表面形貌

采用溫度為40 ℃的0.7 mol/L 的NaCl 水溶液浸泡固態(tài)滲鋁鋼和Q235 鋼，時間為21 天。 采用照相機(jī)拍攝浸泡后兩種鋼表面的腐蝕產(chǎn)物，如圖3。

由圖我們可以看出，未經(jīng)滲鋁碳鋼的腐蝕產(chǎn)物脫落嚴(yán)重，顏色為紅棕色。 包埋滲鋁鋼表面腐蝕產(chǎn)物呈橘紅色，且致密完整的覆蓋于滲層表面，且與滲鋁表面貼合緊密，不容易脫落。 致密連續(xù)的腐蝕產(chǎn)物也起到了隔離腐蝕介質(zhì)與滲鋁鋼表面的作用，且不容易脫落，避免了腐蝕介質(zhì)持續(xù)對滲鋁層進(jìn)行接觸與破壞。

圖3 滲鋁鋼和Q235 鋼浸泡后腐蝕形貌

2.4 電化學(xué)測試分析

2.4.1 極化曲線的測定

如圖4 所示為固體包埋滲鋁鋼和未經(jīng)滲鋁鋼在溫度為40 ℃，0.7 mol/L 的NaCl 水溶液中侵泡0天、7 天、14 天、21 天的極化曲線，采用Tefel 對極化曲線進(jìn)行擬合。 對兩種鋼的極化曲線進(jìn)行分析可知，兩種鋼的腐蝕電流密度都經(jīng)歷了開始變小后來變大的歷程。 這主要是因?yàn)樵诟g初期，隨著侵泡時間的增加， 滲鋁鋼和Q235 鋼遭到鹽溶液中氯離子的攻擊，表面鈍化膜被破壞，腐蝕嚴(yán)重。 隨著浸泡時間的推移， 腐蝕產(chǎn)物開始在兩種鋼表面出現(xiàn)產(chǎn)生，隨著腐蝕產(chǎn)物的增加相當(dāng)于隔絕了氯離子與滲鋁鋼或者Q235 鋼表面的接觸， 起到了保護(hù)鋼基體的作用，腐蝕減輕。 但是一段時間過后，隨著表面腐蝕產(chǎn)物部分脫落， 氯離子對滲鋁鋼或者Q235 鋼表面腐蝕增加。

圖4 兩種鋼浸泡周期內(nèi)的極化曲線

鋼的耐蝕性與腐蝕電位存在著正比例關(guān)系。 我們通過對兩種鋼極化曲線的比較發(fā)現(xiàn)， 在NaCl 水溶液浸泡周期內(nèi)，未經(jīng)滲鋁鋼的腐蝕電位都較固態(tài)滲鋁鋼低， 滲鋁鋼表現(xiàn)出了更好的抵抗腐蝕的能力。 滲鋁鋼具有較高抵抗腐蝕的能力主要是因?yàn)闈B層表面的氧化膜能夠?qū)⒏g介質(zhì)與基體隔離，同時能夠不斷的得到補(bǔ)充修復(fù)，持續(xù)發(fā)揮保護(hù)作用。

2.4.2 交流阻抗譜

圖5 為兩種鋼在溫度是40 ℃，0.7 mol/L 的Na-Cl 水溶液中侵泡0 天、7 天、14 天、21 天的交流阻抗譜。 滲鋁鋼和Q235 鋼在圖5 中均是單容抗弧，容抗弧的半徑越大，則表示電極反應(yīng)的阻力越大，腐蝕速率越小，所以滲鋁鋼和未經(jīng)滲鋁鋼抵抗腐蝕的能力可以用所測容抗弧進(jìn)行表示。包埋滲鋁鋼和Q235鋼在整個浸泡周期內(nèi)， 容抗弧半徑的變化規(guī)律相似，這主要是由于在NaCl 水溶液浸泡的過程中，腐蝕產(chǎn)物的覆蓋與脫落所導(dǎo)致。

圖5 Q235 鋼和滲鋁鋼浸泡不同時間的交流阻抗譜

根據(jù)曹楚南理論，我們對兩種鋼的交流阻抗譜進(jìn)行等效電路的擬合，得出電荷轉(zhuǎn)移電阻Rp。 圖6是未滲鋁鋼和滲鋁鋼在溫度是40℃，0.7 mol/L 的NaCl 水溶液中Rp 隨著浸泡時間的延長而變化的曲線。 由圖可以看出滲鋁鋼的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rp 在試驗(yàn)周期內(nèi)均大于Q235 鋼。 這表明滲鋁鋼的抵抗腐蝕的能力較好，碳鋼基體能夠受到碳鋼表面滲層較好的保護(hù)，滲層能夠有效阻止腐蝕環(huán)境對鋼基體的侵害。

3 結(jié)論

(1)Q235 鋼經(jīng)過高溫固體包埋滲鋁后形成的滲層致密完整， 滲層組織主要為針狀組織，F(xiàn)e 元素和Al 元素是碳鋼滲鋁后滲層的主要元素，滲層主要由Fe2Al5、AlCl3和Al2O3組成。

(2)Q235 鋼經(jīng)過腐蝕后，表面的腐蝕產(chǎn)物疏松且容易脫落；碳鋼表面滲鋁后，在腐蝕環(huán)境中，表面生成的腐蝕產(chǎn)物不容易脫落且致密完整，鋼基體能夠受到表面腐蝕產(chǎn)物較好的保護(hù)。

(3)電化學(xué)試驗(yàn)表明，碳鋼滲鋁后在鹽溶液中抵抗腐蝕的能力明顯好于未滲鋁鋼。

圖6 電荷轉(zhuǎn)移電阻Rp 隨浸泡時間變化曲線