锚链钢渗锌层在海洋环境中的腐蚀行为分析_刘信.pdf

2023 年 2 月材料开发与应用文章编号:10031545(2023)01002306腐蚀与防护锚链钢渗锌层在海洋环境中的腐蚀行为分析刘信1，胡裕龙1，迟钧瀚1，陈泽1，刘念2(1 海军工程大学基础部，湖北 武汉 430033;2 海军 91247 部队，广东 广州 510000)摘要:以锚链钢为研究对象，采取电化学测试、实海试验、盐雾试验等手段，从微观形貌和宏观腐蚀行为两方面分析渗锌层的耐腐蚀性能。结果表明，渗锌层在为期 12 个月的潮差、全浸、大气试验环境中均未发生腐蚀现象;渗锌层在盐雾试验 500 h 条件下，耐蚀性良好;渗锌及钝化工艺均能降低腐蚀速率，保护金属基体。关键词:渗锌层;腐蚀;实海试验;盐雾试验中图分类号:TG174文献标识码:AStudy on Corrosion Behavior of Zincified Layer ofAnchor Chain SteelLIU Xin1，HU Yulong1，CHI Junhan1，CHEN Ze1，LIU Nian2(1 Foundation Department of Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2 Navy 91247 Troops，Guangzhou 510000，China)Abstract:The corrosion resistance of the zincification layer of the anchor chain steel under service conditions iscomprehensively analyzed from the macroscopic behavior and microscopic morphology by means of electrochemical test，real seatest and salt spray test The results show that the zinc nickel infiltrated coating doesn t corrode in the tidal range，full immersionand atmospheric environments for 12 months The zinc nickel coating withstands the salt spray test for 500 h and show good cor-rosion resistance Zincification and passivation can reduce the corrosion rate and protect the metal matrixKeywords:Zinc layer;corrosion;field exposure corrosion test;salt spray test收稿日期:20220808基金项目:海军工程大学自主研发计划(425317T005)作者简介:刘信，男，1988 年生，讲师，研究方向为金属材料的腐蚀与防护。Email:970626938 qqcom通讯作者:胡裕龙，男，1974 年生，博士，副教授，研究方向为金属材料腐蚀与防护。引用格式:刘信，胡裕龙，迟钧瀚，等 锚链钢渗锌层在海洋环境中的腐蚀行为分析 J 材料开发与应用，2023，38(1):2328LIU X，HU Y L，CHI J H，et al Study on corrosion behavior of zincified layer of anchor chain steel J Develop-ment and Application of Materials，2023，38(1):2328海洋工程金属结构在服役过程中不可避免地会受到海洋大气、海水等环境的腐蚀，给构件安全使用造成严重隐患。研究表明，采用热扩散的方法对钢铁构件进行渗锌处理能有效保护基体金属，具有材料消耗低、防腐效果好的特点，在土壤、海水等环境下的工程构件中应用广泛18。远洋船舶的锚链长期处于高热、高湿、高盐的海洋环境，工作环境干湿交替频繁，且在收放过程中与锚机、船体等摩擦剧烈，锚链的耐蚀性能面临严峻的考验914。为进一步提升锚链钢在服役过程中的防腐性能，本研究将以 CM490 锚链钢为研究对象，采取电化学测试、实海试验、盐雾试验等手段，从宏观行为和微观形貌等方面分析渗锌层的电化学行为和服役条件下的耐腐蚀性32DOI:10.19515/ki.1003-1545.2023.01.011材料开发与应用2023 年 2 月能，以期提升锚链钢的耐用性，为制定科学的锚链监测和更换周期提供依据，达到安全性和经济性的统一。1试验试验用锚链钢材料的化学成分如表 1 所示。表 1CM490 锚链钢的成分Table 1The chemical compositions of CM490 anchorchain steel(w)%CSiMnPSFe01700180140000250017余量11电化学性能测试对锚链钢进行渗锌处理、渗锌及钝化处理，研究渗锌、钝化工艺对锚链钢耐蚀性能和微观组织的影响。通过线切割将试样加工成 30 mm30 mm的样品。将试样用丙酮除油、吹干，预留工作面积 2 cm2，非工作面用环氧树脂密封，用 3D 数码显微镜观察金相组织(放大 5005 000 倍)。电化学试验前，用砂纸打磨表面，然后用去离子水清洗，吹干备用。渗锌工艺:将机加工好的试样除油、抛丸，表面清洁度不低于 Sa25，放入渗锌炉中进行粉末渗锌处理，粉末渗剂由锌粉、镍粉、Al2O3等组成。渗锌温度约为 400，保温时间约为 4 h。渗锌后，出炉，吹灰除灰后，保存备用。钝化工艺:钝化液采用环保型硅酸盐钝化液，钝化时间为 3060 s。使用 CS350 电化学工作站进行测定，采用三电极体系。工作电极为锚链钢试样，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂电极，介质为 35%NaCl 溶液。通过测量 Tafel 曲线、电化学阻抗谱分析锚链钢渗锌层的耐蚀性能。12实海试验为进一步研究渗锌锚链在实际服役条件下的耐腐蚀性能，对比分析渗锌工艺在海洋环境下的腐蚀行为特征。试验样品为锚链钢，分别采用渗锌、渗锌+涂层和涂层等 3 种处理工艺制备试样(均在渗锌后进行钝化处理)，并将制得的试样分别放置于潮差区、全浸区和大气区等 3 种腐蚀环境中，每组锚链有 2 件平行样。试验地点为中国船舶集团有限公司七二五所三亚海洋环境试验站，试验周期为 1 a(202009202109)。锚链的处理工艺及试验环境如表 2 所示。潮差试验、全浸试验按照 GB/T 63842008船舶及海洋工程用金属材料在天然环境中的海水腐蚀试验方法 进行。大气试验按照 GB/T141652008金属和合金大气腐蚀试验现场试验的一般要求 进行。表 2锚链的处理工艺及服役条件Table 2 Treatment process and service conditions of theanchor chains序号涂镀层种类试验环境直径/mm数量/件1渗锌2渗锌+涂层3涂层海水潮差区6026023624渗锌5渗锌+涂层6涂层海水全浸区6026023627渗锌8渗锌+涂层9涂层海水大气差区602602362注:涂层采用锚链涂料，为江苏金陵生产的环氧煤焦沥青防腐涂料，采用手工涂刷 1 道，厚度为 150 m。13盐雾试验按照 GB/T 101252012、GB/T 64612002要求，喷雾方式为连续，溶液浓度为(51)%，试验箱内温度为(352)，溶液 pH 值为 65 72，试验时长为 500 h。2结果与讨论21电化学性能测试结果图 1 为渗锌、渗锌+钝化试样表面显微组织的扫描电镜图，由图可知，渗锌锚链钢表面比较平整均匀，渗锌层致密，表面覆盖率高。图 2 所示分别为试样在 35%NaCl 溶液中浸泡 30 min 和 30 d 后的 Tafel 曲线图，其拟合数42第 38 卷第 1 期刘信，等:锚链钢渗锌层在海洋环境中的腐蚀行为分析据如表 3 所示。由图 2(a)和表 3 看出，在浸泡30 min 后，试样自腐蚀电位的关系为锚链钢渗锌渗锌+钝化，腐蚀电流密度关系为锚链钢渗锌渗锌+钝化，渗锌和钝化处理显著降低了自腐蚀电位和腐蚀电流密度。此时，渗锌+钝化试样的电位略负于渗锌试样的，这可能是由试样表面磨制状态或组织的不均匀性引起的。由 2(b)可以看出，对比渗锌与渗锌+钝化试件，经过 30 d浸泡后，渗锌+钝化的自腐蚀电位更正，腐蚀速率更低，腐蚀倾向性更小。钝化膜的主要成分为SiO2、Zn4Si2O7(OH)22H2O、ZnCl2等化合物16，致密覆盖于渗锌层表面，使腐蚀电流密度下降，并显著降低了腐蚀速率。图 1试样渗锌层的扫描电镜图Fig 1Scanning electron microscope pictures of the zincified layers图 2试样在 35%NaCl 溶液中 Tafel 曲线图Fig 2Tafel curves of samples in 35%NaCl solution表 3试样在 35%NaCl 溶液中 Tafel 曲线拟合结果Table 3Fitting results of Tafel curves of samplesin 35%NaCl solution试样浸泡 30 min浸泡 30 dEcorr/VIcorr/(Acm2)Ecorr/VIcorr/(Acm2)锚链钢070104070116渗锌076075082819渗锌+钝化077045080281图 3 所示为试样在 35%NaCl 溶液中浸泡后的阻抗图，其电化学阻抗图的等效电路和拟合数据分别如图 4 和表 4 所示。阻抗曲线均由容抗弧组成，在浸泡 30 min 和 30 d 后，渗锌+钝化试样的容抗弧半径最大，阻抗值最大，耐蚀性最好1718。渗锌和钝化处理后，锚链钢在模拟海水中的腐蚀进程减缓，耐腐蚀性能提升。渗锌、渗锌+钝化试样的微观形貌如图 5 所示。锚链钢试样表面存在大面积的红锈状和黑色腐蚀产物，这是因为锚链钢试样发生腐蚀时，钢基体作为阳极，Fe 不断溶解，生成由 Fe3O4、Fe2O3等构成的腐蚀产物1920。由于 Fe2O3结构疏松，虽然覆盖于基体表面，但对金属的保护性能弱，基体金属出现较严重腐蚀(见图 5(a)。渗锌和渗锌+钝化的试样表面均未出现红色铁锈，而是出现白色絮状腐蚀产物，且渗锌+钝化的52材料开发与应用2023 年 2 月腐蚀产物更少(见图 5(b)、5(c)。渗锌件发生腐蚀时，渗锌层中的锌作为牺牲阳极溶解生成Zn2+，阴极发生析氧反应生成 OH，OH迁移到阳极反应区与 Zn2+生成白色的 Zn(OH)221，并附着在渗锌层表面，呈现出白色絮状的腐蚀产物。由于钝化作用，腐蚀产物覆盖面积较小。图 3试样在 35%NaCl 溶液中阻抗图Fig 3Impedance diagrams of samples in 35%NaCl solution图 4电化学阻抗图的等效电路Fig 4Equivalent circuit of EIS表 4试样在 35%NaCl 溶液中阻抗图的拟合参数Table 4 Fitting parameters of EIS in 35%NaCl solution试样浸泡 30 min浸泡 30 dspsp锚链钢147011 44612620 61 0487渗锌211211527 31011114292 6744渗锌+钝化237151557 11012229959 3459图 5锚链钢浸泡 30 d 后表面微观形貌Fig 5Surface morphologies of the specimens socked for 30 days22实海试验分析潮差试验腐蚀形貌如图 6 所示。渗锌锚链、渗锌+涂层锚链，除锚链连接环间摩擦导致局部涂层