合金元素對海洋用鋼全浸區腐蝕的影響規律

       關于合金元素對耐海水鋼全浸區腐蝕的影響的研究很多，由于試驗方法、試驗條件、合金元素的組合及暴露時間的長短等的不同，合金元素對耐海水鋼全浸區的腐蝕性能的影響有不盡一致或互相矛盾的結果和觀點。代表性的觀點有兩個：
       ①少量合金元素對提高鋼在海水全浸區的耐蝕性有良好的效果，提高鋼的耐蝕性的合金元素有Cr、Al、Si、P、Cu、Mn、Mo、Nb、V等；
       ②所有不同類型的碳鋼和低合金鋼在海水中的腐蝕速率幾乎是相等的，添加少量Mn、Cu、Cr、Ni等元素對鋼在海水中腐蝕速率的影響很小。
       19種鋼在青島、舟山、廈門和榆林4個試驗站暴露1、4、8、16年的腐蝕結果表明，有些錳鋼短期暴露的耐海水腐蝕性比碳鋼有所提高。但長期暴露，錳鋼的耐海水腐蝕性能沒有明顯的提高。這與16種海洋用低合金鋼在我國三個海域暴露7年的腐蝕試驗得到相同的結果是一致的。因此，少量的Mn、Si、P、Cu、Al、Mo、Nb、V等或它們復合對耐海水鋼腐蝕性的影響很小。
       而鉻鋼在海水中腐蝕行為與碳鋼有較大差別，這反映了鉻元素對耐海水鋼腐蝕性能影響的復雜性。黃桂橋分析了鉻鋼在青島海水和文獻上發表的其他海域的腐蝕數據，發現鉻對鋼耐海水腐蝕性的影響不僅與鉻的含量有關，還與其他的復合合金元素有關。短期浸泡時，鋼的耐海水腐蝕性隨鉻含量（無其他合金元索復合）增加而提高。長期浸泡，鉻對鋼的耐海水腐蝕性有害。約1%Cr與Mo、Al復合對耐海水鋼腐蝕性的影響與單獨添加1%Cr的影響沒有明顯差別。大于2% Cr與Mo、Al復合大幅度提高鋼在海水中短期浸泡的耐蝕性，并使耐蝕性逆轉時間明顯推遲。小于1%Cr與Mn-Cu、Cu-Si-V、Ni-Cu-P、Ni-Cu-Si、Ni-Mn等元素復合對鋼的耐海水腐蝕性有害。
       國外為了研究合金元素對海水全浸區的腐蝕規律及影響，構建了一種合金影響模型，此模型由四方面理論組成，前兩方面是腐蝕控制機制：①動態控制理論；②氧通過腐蝕層擴散理論，這兩種理論只要涉及有氧腐蝕活動。過了理論點AP，主要涉及無氧腐蝕：③硫酸鹽還原菌生長；④穩態厭氧菌控制過程。圖1為海水全浸區腐蝕-時間模型以及模型參數的表示，其中AP為氧氣擴散過程與厭氧環境控制過程的分界點，r₀為氧擴散過程最初腐蝕速率，c_a為前一階段過渡為第二階段時腐蝕產量，r_a為厭氧環境最初腐蝕速率，r_s為腐蝕發生終點c_s對應的腐蝕速率。此模型研究合金元素的影響是通過合金元素含量的變化引起模型參數的變化，來表征合金元素對海水全浸腐蝕的影響規律，以上參數均可用來分析合金元素對耐蝕性的影響。具體分析如下：

 

 
1 Cr對海水全浸腐蝕影響
       圖2a中可以看出，Cr(≤2.5%)對非合金鋼r₀的影響效果很微弱，但是如果加入適量的Mo或Al，則很明顯隨著Cr含量增大，鋼的r₀減小，耐腐蝕性能現出增強。類似的現象在圖2b也發生，但是隨著Cr的增加c_a的減小趨勢隨著Mo與Al的量起伏不定，并非2a圖中那么明顯，總之，c_a受Cr影響較小；如期望相同，r_a被Cr的量影響特別大，示于圖2c。而c_s，r_s隨Cr增加減小趨勢的發生，則要求Cr含量增加到2%左右，但是雖有r_s隨Cr含量繼續增加只會微弱下降。2e顯示了不同化學組成的合金，腐蝕速率r₀隨Cr含量的增加減小的情況，綜上可知，一定量的Cr對增加合金的耐腐蝕性是特別必要的，需要與其他合金（如Mo、Al）共同起作用，其含量值估計在2%-2.5%達到最佳。

 

圖2 Cr含量對腐蝕參數的影響((a) r0,(b) ca ,(c) ra ,(d) cs、rs, (e)r0近似值)

 
2 Mo對海水全浸腐蝕影響
       圖3a與3b表明增加Mo含量對耐腐蝕性能的提高不是線性的，Mo含量小于0.5%的時候，適度增加Mo耐蝕性得到加強，但是之后增加含量對腐蝕幾乎沒作用。但當加入1.5%的Al之后，致使Mo的抗腐蝕性得到了進一步加強。
 

 
3 Cu對海水全浸腐蝕影響、
       圖4中Cu的加入相對而言幾乎不影響r₀與c_a。最大的影響則是對r_a，這表明Cu的加入抑制了缺氧過程的進展。與之相反的是，當缺氧條件過程進行的時候，適度的Cu含量會輕微地增加合金的耐蝕性。由于c_s，r_s均有所增加，表明當厭氧環境很充分的時候，Cu增加會增加腐蝕量，即減弱鋼的耐蝕性。
 

圖4 Cu含量對腐蝕參數的影響((a) r0,(b) ca ,(c) ra ,(d) cs、rs, (e)r0近似值)

 
4 Al對海水全浸腐蝕影響
       圖5a與5b表明Al的增加顯著減小了腐蝕參數r₀與c_a，當Al的含量為（0-1.5%）這被r₀的近似值得到證明。正如數據顯示影響作用非線性，盡管還沒有確切理論來解釋。沒有專門的數據顯示c_s與r_s的變化，但是r_a足以表明厭氧環境下，隨著Al含量的增加耐腐蝕性有所下降。
 

圖5 Al含量對腐蝕參數的影響((a) r0,(b) ca ,(c) ra ,(d) r0近似值)

 
5 Ni對海水全浸腐蝕影響
       用來評估Ni增加提高耐蝕性的有效數據雖然有限，但是圖6a中，r₀近似值的變化趨勢表明Ni的增加減弱了腐蝕的進程，但是繼續增加Ni含量則會減弱合金耐蝕性，促使腐蝕行為的發生，Ni合金元素含量最佳值為2%以內。
 

 
6 Mn對海水全浸腐蝕影響
       對比r₀與r_b曲線，可知開始Mn對腐蝕的抑制作用不明顯，但是隨著腐蝕過程的進行，Mn的存在提高了合金的耐蝕性。
 

 
7 Si對海水全浸腐蝕影響
       從r₀曲線來看，Si的作用比較微弱但是輕微有效，r_b表明Si對合金耐蝕性是有益的，尤其當同其他合金元素一起加入時。
 

 
8 Ti對海水全浸腐蝕影響
       圖9表明Ti減少了腐蝕失重，同時改善了腐蝕參數r₀，c_a，r_a，即Ti的加入明顯提高合金的耐蝕性。
 
 

圖9 (a)腐蝕失重預測Ti對腐蝕的影響(b) Ti含量對腐蝕參數的影響r0,ca, ra