鋼鐵是一種重要的金屬材料，在人類的生產(chǎn)和生活中有著廣泛的用途。裝備制造、鐵路車輛、道路、橋梁、輪船、碼頭、房屋、土建均離不開鋼鐵材料。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的《2013年全年經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)》顯示，2013年我國鋼材產(chǎn)量首次突破10億噸，達(dá)10.6762億噸（含重復(fù)計算），同比增長11.4%。然而，鋼鐵材料的腐蝕也是讓人觸目驚心的，我國每年被腐蝕的鋼鐵占到我國鋼鐵年產(chǎn)量的十分之一。

 

    本刊記者/趙澤南

 

    鋼鐵材料的腐蝕如此嚴(yán)重，如何摸準(zhǔn)方向，找到開啟破解鋼鐵腐蝕難題的新鑰匙？2014年6月5日，本刊記者在中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所召開的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）“海洋工程裝備材料腐蝕與防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究”項目啟動會上采訪了中國杰出的金屬材料學(xué)專家、中國工程院院士翁宇慶教授。翁院士長期從事鋼鐵材料的研究開發(fā)，從他這里，我們找到了確切的答案。
 

 

2011年11月15日，翁宇慶院士在寶鋼特鋼現(xiàn)場調(diào)研

 

    由鐵到鋼：源遠(yuǎn)流更長

 

    人們最早認(rèn)識的鐵是隕石中的鐵，古代埃及人稱之為圣物，此時的鐵主要用于祭祀或者加工成飾物。世界上最早進(jìn)行人工煉鐵的是居住在小亞細(xì)亞的赫梯人，大約在公元前1400年左右。公元前1300-公元前1100年，冶鐵術(shù)傳入兩河流域和古埃及。大約在公元前500年，歐洲大陸開始普遍使用鐵器。中國對人工鐵器的使用始于春秋戰(zhàn)國時期，考古工作者曾經(jīng)在湖南長沙楊家山春秋晚期的墓葬中發(fā)掘出一把銅格“鐵劍”，金相檢驗的結(jié)果顯示這把“鐵劍”是由鋼制成的。這是迄今為止被發(fā)現(xiàn)的中國最早的鋼制實物，它說明從春秋晚期起中國就已經(jīng)開始“煉鋼”了，煉鋼生產(chǎn)在中國已有2500多年的歷史。

 

    從公元前1400前起，人類開始逐步掌握冶煉鐵的技術(shù)，鐵從此被大量地生產(chǎn)和使用。戰(zhàn)國末期，我國鍛造鐵的技術(shù)已達(dá)到一定的水平，鐵器被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事戰(zhàn)爭中。隨著冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，大斧、闊刀、利劍、弓箭等相繼出現(xiàn)，此時鐵器產(chǎn)品已不再是稀有之物，被廣泛地應(yīng)用在生活的方方面面。在元末明初，我國就可以利用鐵器制作火銃一類的大規(guī)模殺傷性武器了。

 

    “鋼鐵材料在人造結(jié)構(gòu)材料里面，始終是最重要的，同時它也是使用量最多的功能材料在可預(yù)見的300-500年內(nèi)，可能還沒有材料能夠取代鋼鐵材料的地位。” 翁院士深有感觸地說。

 

    根據(jù)冶金工業(yè)規(guī)劃研究院于2013年12 月6日在“2014年中國鋼鐵需求預(yù)測研究成果發(fā)布會”上的預(yù)測顯示，2013年我國粗鋼產(chǎn)量為7.8億噸，2014年預(yù)計將達(dá)到8.1億噸，2013年我國鋼材實際消費(fèi)量為6.93億噸，2014年預(yù)計將達(dá)到7.15億噸。

 

    “目前來看，鋼鐵材料在材料里面， 用量最大，用途最廣，價格最便宜。”翁院士風(fēng)趣地打了個比方說，“鋼鐵的價格，如果按斤算的話，和我們平時喝的礦泉水是差不了多少的。”

 

    鋼鐵是大塊頭 防腐需大智慧

 

    翁院士說：“鋼鐵材料有兩個致命的弱點，一個是它的比重太大，為7.8g/cm3， 鋁的比重為2.7g/cm3，鎂的比重就更小了， 才1.8g/cm3。由于鋼鐵材料的比重太大，在作為交通運(yùn)載工具的原材料上是有所限制的，現(xiàn)在有些零部件已經(jīng)采用粉末冶金材料、泡沫金屬和其他復(fù)合材料進(jìn)行加工和制造了。”

 

    以汽車為例，由于鋼鐵材料在強(qiáng)度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優(yōu)勢，其在汽車材料中的主導(dǎo)地位仍是不可動搖的。不過，近年來為了節(jié)約能源，實現(xiàn)汽車的輕量化，不少鋼鐵零件已被有色金屬和其他材料所替代。比如：泡沫鋁填充圓管汽車保險杠的質(zhì)量比空心金屬圓管保險杠減少了55%；由鐵基粉末冶金材料制成的空心凸輪軸，與常規(guī)的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%- 30%。

 

    “鋼材還有一個缺點，就是不耐腐蝕。”翁院士說，“常溫下的鋁與空氣中氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在其表面生成一層致密的氧化鋁薄膜，可以保護(hù)內(nèi)層金屬不被繼續(xù)氧化，使得鋁擁有比較強(qiáng)的耐腐蝕性能。不銹鋼的原理也與這類似，鐵在空氣中與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，表面會形成成分為Fe2O3和Fe3O4的氧化膜，這層氧化膜是非常疏松的，阻止不了其內(nèi)部的繼續(xù)氧化。不銹鋼耐腐蝕的原理是其材質(zhì)中含有大量的鉻（Cr），可以在鋼的表面迅速形成致密的Cr2O3薄膜，這層鈍化膜使鋼與腐蝕介質(zhì)相隔離，阻止了其內(nèi)部的繼續(xù)氧化。”

 

    1999年的調(diào)查表明，我國每年僅因金屬材料腐蝕造成的損失高達(dá)5000億元，約占國民生產(chǎn)總值的5%。鋼鐵材料在其中是用量最大的，其腐蝕問題不容忽視。

 

    翁院士接著說：“鋼鐵材料作為結(jié)構(gòu)材料，可以分為動態(tài)使用和靜態(tài)使用。在動態(tài)使用方面，比如，鋼鐵材料可以用來鑄造汽車的發(fā)動機(jī)缸體。在汽車的運(yùn)動過程中，發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)疲勞、磨損、高溫蠕變等損傷。在靜態(tài)使用方面，鋼鐵材料被廣泛地應(yīng)用在橋梁、土建等工程結(jié)構(gòu)方面。在靜態(tài)使用中，鋼鐵材料面臨的最大問題就是腐蝕破壞。我們應(yīng)該把腐蝕的根本原因梳理清楚，做好鋼鐵材料的腐蝕防護(hù)措施，要提高鋼鐵的質(zhì)量，減少鋼鐵使用的數(shù)量，要從普通質(zhì)量鋼向優(yōu)等質(zhì)量鋼發(fā)展，減少普通質(zhì)量鋼生產(chǎn)和使用的比例。”
 

 

 

翁宇慶院士在“海洋工程裝備材料腐蝕與防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究”項目啟動會上對項目進(jìn)行討論
 

    在建筑領(lǐng)域，作為鋼筋混凝土建筑構(gòu)件的骨架，螺紋鋼被人們所熟知。螺紋鋼廣泛地應(yīng)用于房屋、橋梁、道路等土建工程建設(shè)方面。大到高速公路、鐵路、橋梁、涵洞、隧道、防洪、水壩等公用設(shè)施，小到房屋建筑的基礎(chǔ)、梁、柱、墻、板，螺紋鋼都是不可或缺的結(jié)構(gòu)材料。關(guān)于螺紋鋼的腐蝕問題，曾經(jīng)還有不小的爭議。

 

    “在過去，中國的鋼鐵產(chǎn)能不足， 鋼鐵的需求遠(yuǎn)大于供給，人們對鋼鐵材料的防腐意識不強(qiáng)。有一種觀點認(rèn)為螺紋鋼做耐腐蝕方面的處理是沒有必要的，理由是螺紋鋼被混凝土包裹，與空氣隔絕，不會發(fā)生氧化作用。其實不然，因為，混凝土具有熱脹冷縮的特性。當(dāng)環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時，混凝土?xí)l(fā)生變形。如果變形受到約束，在結(jié)構(gòu)內(nèi)會有應(yīng)力產(chǎn)生，一旦應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度就會產(chǎn)生溫度裂縫。混凝土脹裂松動后會造成砂漿脫落，使螺紋鋼暴露出來，很多橋梁都有螺紋鋼的露頭現(xiàn)象。未來的二三十年，我們要為過去對于鋼鐵材料腐蝕防護(hù)的不足而買單。”翁院士神情凝重地說。

 

    欲圓海洋夢 需解腐蝕憂

 

    21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋將成為人類獲取蛋白質(zhì)、工業(yè)原料和能源的重要場所。海洋資源可分為生物資源、非生物資源和空間資源三大類。海洋生物資源主要指海洋中具有經(jīng)濟(jì)價值的動物和植物。非生物資源包括海水化學(xué)資源、海底礦產(chǎn)資源和海洋動力資源等。隨著陸地資源的日漸枯竭，海洋資源越來越受到人類的重視。我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展“十二五” 規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)要“強(qiáng)化海洋意識，保護(hù)海洋生態(tài)，開發(fā)海洋資源，實施海洋綜合管理”。做好海洋工程裝備材料的腐蝕防護(hù)，是實現(xiàn)海洋強(qiáng)國夢的先決條件。國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）“海洋工程裝備材料腐蝕與防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究”項目應(yīng)運(yùn)而生。

 

    “海洋工程裝備材料中，用量最大的就是鋼鐵材料，而海洋環(huán)境中，鋼鐵材料的腐蝕更為嚴(yán)重。”翁院士特別強(qiáng)調(diào)地說。

 

    海洋環(huán)境根據(jù)其性質(zhì)的不同可以分為：大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)5個區(qū)域不同帶。鋼鐵在這幾個區(qū)帶的腐蝕也不盡相同，主要的腐蝕有：電化學(xué)腐蝕、機(jī)械作用腐蝕、生物腐蝕以及化學(xué)腐蝕等。但不論在哪個區(qū)帶中都存在電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕是海洋防腐蝕領(lǐng)域中最重要的研究對象。

 

    鋼鐵是鐵元素和滲碳體的混合物，鐵元素的電位較低，滲碳體的電位較高，電位不等的兩種元素在海洋海水電解質(zhì)溶液的作用下，構(gòu)成了以鐵元素為陽極，滲碳體為陰極的微電池網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生電流。在陽極區(qū)，由于海洋中極性水分子的作用，鐵素體被析出，呈自由狀態(tài)的鐵離子進(jìn)入溶液。在陰極區(qū)，由于電位差的作用，陽極區(qū)的電子經(jīng)鋼鐵本體流到陰極，被溶液中的某些物質(zhì)所吸收。當(dāng)溶液為中性時，表現(xiàn)為氧的還原；當(dāng)溶液為酸性時，表現(xiàn)為氫的析出。陽極產(chǎn)物鐵離子與陰極產(chǎn)物氫氧根離子相結(jié)合，生成初步的腐蝕產(chǎn)物氫氧化亞鐵而沉淀，氫氧化亞鐵進(jìn)一步被溶液中的氧所氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸F（即鐵銹）。氫氧化鐵的溶解度較小，呈疏松的薄膜狀包裹于鋼鐵的表面，有一定的保護(hù)作用，但氫氧化鐵的抗?jié)B能力很弱，性質(zhì)不穩(wěn)定，當(dāng)溶液中有充足的氧氣供應(yīng)時， 腐蝕過程會一直進(jìn)行，直至鋼鐵成為鐵銹為止。

 

    “海洋工程材料因腐蝕問題不好解決，成品通常比設(shè)計的要厚一些，這樣會造成很大的浪費(fèi)。通過提高材料強(qiáng)度可以降低材料的尺寸，但這又使得材料更易發(fā)生氫脆腐蝕。同樣的氫含量，高強(qiáng)鋼要比普通鋼更易脆化更敏感。”翁院士感嘆道，“鋼鐵材料在海洋工程裝備材料中很重要，但腐蝕問題難以解決。”

 

    目前，防止或減緩鋼鐵在海洋環(huán)境中腐蝕的技術(shù)有：改善金屬的本質(zhì)、保護(hù)層、改善腐蝕環(huán)境和電化學(xué)保護(hù)。其中最主要的技術(shù)是改善金屬本質(zhì)和形成保護(hù)層。

 

    “改善金屬本質(zhì)就是添加不同的合金元素，使鋼鐵表面形成一個耐腐蝕層。上世紀(jì)50十年代，國外的許多學(xué)者就進(jìn)行了各種合金元素對鋼材耐海水腐蝕性能影響的研究。研究發(fā)現(xiàn)以Cr、Ni、Cu、P、Si以及稀土等為基的合金鋼材，有優(yōu)異的防腐性能，他們在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一系列耐海水腐蝕用鋼。”

 

    “形成保護(hù)層就是涂覆非金屬或金屬保護(hù)層。金屬保護(hù)層主要是對鍍層金屬進(jìn)行磷化處理、氧化處理、鈍化處理；非金屬保護(hù)層主要是將涂料、塑料等涂覆在金屬表面上形成保護(hù)層。這兩種保護(hù)層均起到隔絕基材與海水的作用，代替基材與海水反應(yīng)，從而形成保護(hù)。”翁院士介紹說。

 

    “面對嚴(yán)酷的海洋環(huán)境，需考慮濕度、溫度、鹽度等因素。不解決鋼鐵材料的腐蝕問題，中國海岸、沿海、島礁的基礎(chǔ)建設(shè)都是沒有辦法施工的，更不用說開發(fā)海洋了。石油資源從鉆探、開采到輸送，每一個環(huán)節(jié)都需要用鋼鐵材料制成的設(shè)備設(shè)施來完成。”翁院士感觸良多地表示。

 

    高濕熱、微生物如何攻克

 

    材料、腐蝕、防護(hù)三位一體

 

    高濕熱嚴(yán)酷海洋大氣中的腐蝕問題是制約我國海洋工程裝備發(fā)展的一大瓶頸，我國目前尚無成熟的鋼鐵品種供東海和南海安全服役。這些地區(qū)的高濕熱、強(qiáng)輻射、高氯環(huán)境和微生物侵蝕會造成鋼鐵材料的嚴(yán)重腐蝕。深水高壓、高溫（熱液區(qū)）、低溫（2℃）等復(fù)雜環(huán)境造成了材料和裝備的開發(fā)困難。在高濕熱的氣候條件下，高潤濕時間使得銹層不易干燥，經(jīng)常處于濕熱的狀態(tài)。同時，高濃度氯離子等污染物的積聚為電化學(xué)腐蝕提供了有利的條件，腐蝕速率急劇上升。

 

    “從北到南：渤海、黃海、東海、南海，越往南，海洋大氣溫度越高，東海的年平均溫度是30℃，南海是40℃，而黃海、渤海僅十幾度。腐蝕的速度跟溫度的變化呈指數(shù)關(guān)系，溫度每升高1℃，腐蝕的速度就會有很大的提高。海水的鹽含量從北到南也是增加的，越往南，氯離子濃度更高，更易腐蝕。另外，沿海的污染也使鋼鐵材料的腐蝕速度大大提高，必須引起關(guān)注。”翁院士特別強(qiáng)調(diào)地說。

 

    生物污損問題是海洋工程和裝備所面臨的另一個海洋環(huán)境材料損傷問題。對海洋船舶而言，由于生物污損會對航行船舶造成非常嚴(yán)重的影響，如增加船舶的航行阻力，降低航速，增加燃油消耗，導(dǎo)致溫室氣體排放增多，增加維修維護(hù)費(fèi)用，不僅造成非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重地影響軍用船舶的機(jī)動靈活性。同時，生物污損問題在其它海洋工程和裝備中也非常嚴(yán)重，比如，在海水換熱器管道、網(wǎng)箱養(yǎng)殖等海洋經(jīng)濟(jì)場合經(jīng)常引起堵塞，在海洋平臺和橋梁等方面增加其荷重。

 

    目前，在實際工程中應(yīng)用較多的是以含氧化亞銅作為防污劑的防污涂料。但是，研究表明氧化亞銅會在港灣等處形成累積，對生態(tài)環(huán)境會造成非常嚴(yán)重的破壞性影響，面臨著被淘汰的趨勢，發(fā)展環(huán)境友好型的綠色防污涂料勢在必行。

 

    “不友好地防污涂料會將微生物殺死，破壞生態(tài)環(huán)境，這是不可取的，涂料的環(huán)境問題和生態(tài)問題是必須要解決的。我們要建立對環(huán)境友好的防污途徑，在抑制生物污損的過程中，不能夠?qū)ι锏纳磉^程造成干擾。”翁院士接著說。

 

    在“海洋工程裝備材料腐蝕與防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究”項目啟動會上，翁院士表示：“我們要把研究集中在東海和南海上，把東海、南海高濕熱的科學(xué)問題和微生物的污損問題搞清楚，找到出口，要在經(jīng)濟(jì)上能夠體現(xiàn)作用，顯示出前景。腐蝕是重點，防護(hù)是措施，材料是基礎(chǔ)，我們要從把腐蝕作為重點來開拓，形成材料、腐蝕、防護(hù)三位一體的國家隊伍和一個系統(tǒng)的研發(fā)工作。”

 

    “希望全體研究人員團(tuán)結(jié)起來，找準(zhǔn)方向，深入地開展工作，使我國在海洋問題上能夠有所突破，提升我國的海洋腐蝕防護(hù)能力。”翁院士最后語重心長地說。

 

    （注：文中提到的技術(shù)及數(shù)據(jù)，除引述部分為翁宇慶院士的講話內(nèi)容，其它皆來自于互聯(lián)網(wǎng)整理。）