鋼鐵材料的腐蝕如此嚴重，如何摸準方向，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院寧波材料技術與工程研究所召開的國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）“海洋工程裝備材料腐蝕與防護關鍵技術基礎研究”項目啟動會上采訪了中國杰出的金屬材料學專家、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，從他這里，我們找到了確切的答案。

　　由鐵到鋼：源遠流更長

　　人們最早認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。世界上最早進行人工煉鐵的是居住在小亞細亞的赫梯人，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國時期，考古工作者曾經在湖南長沙楊家山春秋晚期的墓葬中發掘出一把銅格“鐵劍”，金相檢驗的結果顯示這把“鐵劍”是由鋼制成的。這是迄今為止被發現的中國最早的鋼制實物，它說明從春秋晚期起中國就已經開始“煉鋼”了，煉鋼生產在中國已有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，鐵從此被大量地生產和使用。戰國末期，我國鍛造鐵的技術已達到一定的水平，鐵器被廣泛地應用于農業生產和軍事戰爭中。隨著冶煉技術的不斷發展進步，大斧、闊刀、利劍、弓箭等相繼出現，此時鐵器產品已不再是稀有之物，被廣泛地應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模殺傷性武器了。

　　“鋼鐵材料在人造結構材料里面，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見的300-500年內，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。

　　根據冶金工業規劃研究院于2013年12月6日在“2014年中國鋼鐵需求預測研究成果發布會”上的預測顯示，2013年我國粗鋼產量為7.8億噸，2014年預計將達到8.1億噸，2013年我國鋼材實際消費量為6.93億噸，2014年預計將達到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。”

2011年11月15日，翁宇慶院士在寶鋼特鋼現場調研

　　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，在作為交通運載工具的原材料上是有所限制的，現在有些零部件已經采用粉末冶金材料、泡沫金屬和其他復合材料進行加工和制造了。”

　　以汽車為例，由于鋼鐵材料在強度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優勢，其在汽車材料中的主導地位仍是不可動搖的。不過，近年來為了節約能源，實現汽車的輕量化，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生化學反應，在其表面生成一層致密的氧化鋁薄膜，可以保護內層金屬不被繼續氧化，使得鋁擁有比較強的耐腐蝕性能。不銹鋼的原理也與這類似，鐵在空氣中與氧氣發生化學反應，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，阻止不了其內部的繼續氧化。不銹鋼耐腐蝕的原理是其材質中含有大量的鉻（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相隔離，阻止了其內部的繼續氧化。”

　　1999年的調查表明，我國每年僅因金屬材料腐蝕造成的損失高達5000億元，約占國民生產總值的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：“鋼鐵材料作為結構材料，可以分為動態使用和靜態使用。在動態使用方面，比如，鋼鐵材料可以用來鑄造汽車的發動機缸體。在汽車的運動過程中，發動機會出現疲勞、磨損、高溫蠕變等損傷。在靜態使用方面，鋼鐵材料被廣泛地應用在橋梁、土建等工程結構方面。在靜態使用中，鋼鐵材料面臨的最大問題就是腐蝕破壞。我們應該把腐蝕的根本原因梳理清楚，做好鋼鐵材料的腐蝕防護措施，要提高鋼鐵的質量，減少鋼鐵使用的數量，要從普通質量鋼向優等質量鋼發展，減少普通質量鋼生產和使用的比例。”

　　在建筑領域，作為鋼筋混凝土建筑構件的骨架，螺紋鋼被人們所熟知。螺紋鋼廣泛地應用于房屋、橋梁、道路等土建工程建設方面。大到高速公路、鐵路、橋梁、涵洞、隧道、防洪、水壩等公用設施，小到房屋建筑的基礎、梁、柱、墻、板，螺紋鋼都是不可或缺的結構材料。關于螺紋鋼的腐蝕問題，曾經還有不小的爭議。

　　“在過去，中國的鋼鐵產能不足，鋼鐵的需求遠大于供給，人們對鋼鐵材料的防腐意識不強。有一種觀點認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，不會發生氧化作用。其實不然，因為，混凝土具有熱脹冷縮的特性。當環境或結構內部溫度發生變化時，混凝土會發生變形。如果變形受到約束，在結構內會有應力產生，一旦應力超過混凝土的抗拉強度就會產生溫度裂縫。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象。未來的二三十年，我們要為過去對于鋼鐵材料腐蝕防護的不足而買單。”翁院士神情凝重地說。

翁宇慶院士在“海洋工程裝備材料腐蝕與防護關鍵技術基礎研究”項目啟動會上對項目進行討論

　　欲圓海洋夢  需解腐蝕憂

　　21世紀是海洋的世紀，海洋將成為人類獲取蛋白質、工業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濟價值的動物和植物。非生物資源包括海水化學資源、海底礦產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。我國國民經濟和社會發展“十二五”規劃中強調要“強化海洋意識，保護海洋生態，開發海洋資源，實施海洋綜合管理”。做好海洋工程裝備材料的腐蝕防護，是實現海洋強國夢的先決條件。國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）“海洋工程裝備材料腐蝕與防護關鍵技術基礎研究”項目應運而生。

　　“海洋工程裝備材料中，用量最大的就是鋼鐵材料，而海洋環境中，鋼鐵材料的腐蝕更為嚴重。”翁院士特別強調地說。

　　海洋環境根據其性質的不同可以分為：大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區和海泥區5個區域不同帶。鋼鐵在這幾個區帶的腐蝕也不盡相同，主要的腐蝕有：電化學腐蝕、機械作用腐蝕、生物腐蝕以及化學腐蝕等。但不論在哪個區帶中都存在電化學腐蝕，電化學腐蝕是海洋防腐蝕領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溶液的作用下，構成了以鐵元素為陽極，滲碳體為陰極的微電池網絡，產生電流。在陽極區，由于海洋中極性水分子的作用，鐵素體被析出，呈自由狀態的鐵離子進入溶液。在陰極區，由于電位差的作用，陽極區的電子經鋼鐵本體流到陰極，被溶液中的某些物質所吸收。當溶液為中性時，表現為氧的還原；當溶液為酸性時，表現為氫的析出。陽極產物鐵離子與陰極產物氫氧根離子相結合，生成初步的腐蝕產物氫氧化亞鐵而沉淀，氫氧化亞鐵進一步被溶液中的氧所氧化，轉變為氫氧化鐵（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，有一定的保護作用，但氫氧化鐵的抗滲能力很弱，性質不穩定，當溶液中有充足的氧氣供應時，腐蝕過程會一直進行，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，成品通常比設計的要厚一些，這樣會造成很大的浪費。通過提高材料強度可以降低材料的尺寸，但這又使得材料更易發生氫脆腐蝕。同樣的氫含量，高強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境中腐蝕的技術有：改善金屬的本質、保護層、改善腐蝕環境和電化學保護。其中最主要的技術是改善金屬本質和形成保護層。

　　“改善金屬本質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50十年代，國外的許多學者就進行了各種合金元素對鋼材耐海水腐蝕性能影響的研究。研究發現以Cr、Ni、Cu、P、Si以及稀土等為基的合金鋼材，有優異的防腐性能，他們在此基礎上開發了一系列耐海水腐蝕用鋼。”

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

　　“面對嚴酷的海洋環境，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、島礁的基礎建設都是沒有辦法施工的，更不用說開發海洋了。石油資源從鉆探、開采到輸送，每一個環節都需要用鋼鐵材料制成的設備設施來完成。”翁院士感觸良多地表示。

　　高濕熱、微生物如何攻克

　　材料、腐蝕、防護三位一體

　　高濕熱嚴酷海洋大氣中的腐蝕問題是制約我國海洋工程裝備發展的一大瓶頸，我國目前尚無成熟的鋼鐵品種供東海和南海安全服役。這些地區的高濕熱、強輻射、高氯環境和微生物侵蝕會造成鋼鐵材料的嚴重腐蝕。深水高壓、高溫（熱液區）、低溫（2℃）等復雜環境造成了材料和裝備的開發困難。在高濕熱的氣候條件下，高潤濕時間使得銹層不易干燥，經常處于濕熱的狀態。同時，高濃度氯離子等污染物的積聚為電化學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關系，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，必須引起關注。”翁院士特別強調地說。

　　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，導致溫室氣體排放增多，增加維修維護費用，不僅造成非常嚴重的經濟損失，而且嚴重地影響軍用船舶的機動靈活性。同時，生物污損問題在其它海洋工程和裝備中也非常嚴重，比如，在海水換熱器管道、網箱養殖等海洋經濟場合經常引起堵塞，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，對生態環境會造成非常嚴重的破壞性影響，面臨著被淘汰的趨勢，發展環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，破壞生態環境，這是不可取的，涂料的環境問題和生態問題是必須要解決的。我們要建立對環境友好的防污途徑，在抑制生物污損的過程中，不能夠對生物的生理過程造成干擾。”翁院士接著說。

　　在“海洋工程裝備材料腐蝕與防護關鍵技術基礎研究”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、南海高濕熱的科學問題和微生物的污損問題搞清楚，找到出口，要在經濟上能夠體現作用，顯示出前景。腐蝕是重點，防護是措施，材料是基礎，我們要從把腐蝕作為重點來開拓，形成材料、腐蝕、防護三位一體的國家隊伍和一個系統的研發工作。”

　　“希望全體研究人員團結起來，找準方向，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能力。”翁院士最后語重心長地說。

　　（注：文中提到的技術及數據，除引述部分為翁宇慶院士的講話內容，其它皆來自于互聯網整理。）

　　翁宇慶簡介

　　翁宇慶，金屬材料學家，中國工程院院士，俄羅斯工程院院士。

　　1963年，翁宇慶畢業于清華大學金屬材料專業。1963-1980年，任冶金部鋼鐵研究總院技術員、工程師。1980年，被派往美國作為訪問學者，后在賓夕法尼亞大學當研究生，于1985年獲材料科學及工程博士學位。1985-1994年，歷任冶金部鋼鐵研究總院工程師、項目負責人，研究室主任，院長助理、副院長、院長。1994-1998年，歷任冶金部科技司司長、副部長。1998-2000年，任國家冶金局副局長。其間，1997-2001年兼任中國鋼鐵工貿集團公司董事長。2001年10月后，任中國金屬學會理事長。是第十屆全國政協委員。現為清華大學和北京交通大學教授（雙聘）。

　　翁宇慶于1994年當選為俄羅斯工程院院士。作為第一獲獎人，獲得2004年國家科技進步獎一等獎和中國冶金科技進步獎特等獎。2005年，為表彰他對新一代鋼鐵材料的研發，香港生產力促進局授予授予其紫荊杯獎。因對我國鋼鐵材料的重大技術基礎研究項目做出的重大貢獻，獲得了香港求是科技基金會2008年度“求是杰出科學家獎”，被評為“科學中國人2008年度人物”。2009年，獲在德國柏林召開的國際先進材料制造大會杰出貢獻獎。同年，當選為中國工程院化工、冶金與材料工程學部院士。

　　翁宇慶擔任第一批973項目“新一代鋼鐵材料的重大基礎研究”首席科學家（1998年9月-2003年9月）。在主持973項目期間，團結項目工作人員，勇于創新，形成了“形變和相變耦合”的超細晶形成理論及控制技術。該成果具有國際領先水平，使中國成為世界上首先將上述成果用于工業生產的國家。

　　翁宇慶被聘為中國金屬學會名譽理事長、鋼鐵研究總院名譽院長、國家氣候變化專家委員會委員和國防科工局技術委員會委員。

聲明： 本網原創，轉載請注明來源。

 

責任編輯：劉娟

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事

投稿聯系：編輯部

電話：010-82387968
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414