大气腐蚀过程中耐候钢表面保护性锈层的表征及其改性研究

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1、上海交通大掌博士掌位’沦3≮摘要／在近海大气中，传统耐候钢很难起到耐大气腐蚀的效果。上海宝山钢铁集团生产的耐候钢在大气腐蚀过程中可以生成保护性锈层，刚氐腐蚀速率，但此过程一般需要1．5年以上的时阃。在此期间，钢基体不可避免地已经发生了相当程度的腐蚀。人工改性涂层通过添加有效成分，有望缩短保护性锈层形成时间，减少钢的腐蚀量椿文围绕耐候钢及其涂层的工业应用与相关机理展开，结合大气挂片试验与实验室干馒周浸加速腐蚀试验，对耐候钢表面保护锈层的保护机理进行了研究。在此基础上，设计出耐候钢用改性涂料，并对其改性效果进行了分析。通过一元线性回归与多元线性回归方法对比了大气挂

2、片腐蚀试验与实验室干湿周浸加速腐蚀试验过程中钢的腐蚀量随时间的变化关系，分析了大气指标与环境污染介质对钢材大气腐蚀的影响因子。f研究表明，润湿时间对碳钢大气腐蚀的影响明显大于对耐候钢的影响；Cl一沉积率对耐候钢的影响大于S02沉积率的影响。大气曝晒腐蚀过程中耐候钢的腐蚀过程分为两个阶段：在曝晒初始阶段，回归变量系数大于O．5，钢的腐蚀水平较高；随挂片时间延长，耐候钢腐蚀过程减慢，回归变量系数小于O．5。碳钢的大气腐蚀虽然也经历了两个阶段，但其回归变量系数始终大于O．5，处于较高的腐蚀水平。采用实验室干湿周浸加速腐蚀试验可以在相对较短的时间内反映出耐候钢的长期大

3、气腐蚀趋势。锈层形貌观察、离子选择性测试、计算机模拟以及XRD、EPMA、TEM、红外光谱分析结果表明，在大气腐蚀过程中，挂片试样表面先形成腐蚀坑，在腐蚀坑腰部锈层中存在应力集中，导致此处锈层开裂，从而加速此处基体腐蚀，加大了腐蚀坑的曲率半径，有利于锈层／基体界面平直化，使锈层中应力分布趋于均匀。在晃面平直化及其cr、cu等合金元素的协同促进作用下。耐候钢表面逐渐形成了Sho【-(Fex，Crl．x)OOH相组成的致密锈层，该锈层具备阳离子选择特性，阻碍了腐蚀性阴离子穿透，减慢了耐候钢的大气腐蚀进程。碳钢没有合金元素的促进作用，不能形成致密锈层，导致腐蚀性介质

4、接触基体，继续形成腐蚀坑，碳钢的腐蚀水平高于耐候钢。J，为了研究锈层在大气腐蚀过程中的电化学行为，测定了耐候钢和碳钢挂片的电化学极化曲线以及电化学交流阻抗谱吲s)。腊线解析结果表明，耐候钢基体的Tafel斜率池)大于／’～摘-W：-碳钢，而阳极反应速度常数(翰小于碳钢，证明了耐候钢中的Cr、Cu等合金元素对电化学反应的阳极过程有抑制作用；随着大气腐蚀时间延长，耐候钢表面锈层对阳极的电极反应抑制能力加强，钢的电化学反应进程由阴极极化控制逐渐转化为阴极、阳极极化混合控制，且阳极电流显著减小。耐候钢在电解质溶液中的电化学过程可以等效成RC电路，其中锈层电阻率(RR)

5、可以用来表征耐候钢表面锈层对基体的保护能力。耐候钢锈层电阻率随挂片时间的延长而不断增高，说明锈层对基体的保护能力增强：碳钢表面锈层电阻率较小，不能对基体形成有效保护。、L，借助x射线衍射仪，综合使用侧倾法、内标法及多点抛物线定峰法研究了锈层中残余应力的变化情况。胀钢锈层中裂纹较多，应力得以松弛，残余应力较小；耐候钢表面锈层中的残余应力随腐蚀时间延长显著增加，并且在同等条件下高于碳钢。通过连续加载超显微硬度压痕试验测试耐候钢表面保护性锈层承载能力，结果表明，随挂片时间延长，耐候钢表面致密锈层开裂的临界压载增大，断裂韧性提高，说明锈层承载能力也在不断增加；锈层与钢

6、的界面临界压载与断裂韧性值均高于锈层，说明在承载过程中，裂纹{顷向于在锈层中首先产生并扩展一／＼在清楚嗣候钢表面保护锈层的相组成以及保护机理的基础上，设计出改性涂层，并进行耐候钢表面的涂覆。f大气挂片腐蚀试验证实，改性涂层对提高耐候钢的抗大气腐蚀能力起到了良好的改善作用：大气腐蚀速率较碳钢减小了50％以上，比耐候钢裸片减小了40％以上。曝晒腐蚀半年后改性涂层生成的锈层致密，在改l生涂层的作用下，∞(Fe)c，Crl．x)OOH锈层提前～年生成，腐蚀一年后改性锈层的电化学性能、力学性能与腐蚀两年的耐候钢裸片表面锈层相当，说明人工改性取得了良好效果。、)，＼，j0

7、关键词：大气腐蚀i耐候钢，‘大气挂片腐蚀试验，‘实验室于，媪周浸加速腐蚀试验，人工改性i涂层Il上海交通大学博士学位论文Abstractnleprotectiverustlayercouldbeformedonthesurfaceoftheweatheringsteelpf(xiucedb、rBaosteeICorporationexposedinmarineenvironmentformorethanoneandhalfyears，whilethewaditiona／weatheringsteelsexhibithighercorrosionratesint

8、hesarrlecondition．H