耐候钢锈层组分时空分布演化规律研究取得新进展

大气腐蚀是工业生产和日常生活中最普遍的腐蚀行为，也是造成经济损失最为严重的腐蚀形式之一，其本质是大气环境在金属表面发生干湿交替作用而导致锈蚀。作为腐蚀产物的锈层在金属表面的沉积将显著地影响大气腐蚀的后续进程，甚至对其腐蚀热力学和动力学起到决定性的作用。耐候钢便是通过调控钢中的合金元素和相组织来改善锈层组分从而抑制大气腐蚀的低合金钢。长期以来，人们对耐候钢锈层由内到外的时空分布、致密性及离子选择性等耐候机制尚不十分明确，对锈层内在演化规律的认识也较为浅显，这严重地限制了耐候钢的设计与开发。  

近期，金属所沈阳材料科学国家研究中心联合研究部董俊华研究员带领团队在耐候钢锈层组分时空分布演化规律方面取得了创新性研究进展。团队首次通过同步辐射XRD、原位微区拉曼光谱、电子探针和电化学测试等研究手段准确地表征出碳钢和耐候钢表面锈层组分的初期分布及演化规律。研究结果表明：Q235B的锈层为双层结构，内层为α-FeOOH、β-FeOOH和Fe3O4的混合锈层，外层为-FeOOH。β-FeOOH的还原是低碳钢腐蚀加速的原因。MnCuP耐候钢的内锈层主要为稳定的α-FeOOH，在内锈层与钢基体之间存在由α-FeOOH和Fe3O4组成的纳米膜。MnCuP耐候钢的次外层由-Fe2O3与α-FeOOH组成，最外层为γ-FeOOH。此项研究还发现元素Cu的添加促进了MnCu钢锈层中α-FeOOH组分的生成，减少了靠近基体处锈层中β-FeOOH组分的生成。同时，Cu的掺杂使Fe3O4具有离子选择性，可阻挡外部腐蚀性介质向钢的基体输运。元素P能进一步促进锈层中α-FeOOH的生成，并更为明显地抑制β-FeOOH及Fe3O4在内锈层中的存在。另外Cu、P的添加不仅提高了MnCuP钢基体的腐蚀电位，而且使带锈电极的腐蚀电位在腐蚀前期迅速正移，显著地抑制了阴、阳极过程，从而降低了腐蚀速率。该部分工作为构建耐候钢设计理论体系及相关产品的开发奠定了坚实的基础。相关工作分别发表在J. Mater. Sci. Technol., 76 (2021) 41-50和Corros. Sci., 193 (2021) 109912上。 

上述工作得到了国家自然科学基金面上项目、辽宁省科技重大专项计划、沈阳材料科学国家研究中心基础前沿及共性关键技术创新项目等项目的资助。 

图1. MnCuP耐候钢、MnCu耐候钢与16Mn钢在大气腐蚀初期的腐蚀速率演变规律

图2. Q235钢在模拟海岸大气环境下60CCT后的锈层截面拉曼光谱及锈层深度方向上的成分结构示意图，(a) 拉曼光谱作用位置，(b) 锈层截面的拉曼光谱，（c）锈层深度方向上的成分结构示意图

图3. MnCuP耐候钢在模拟海岸工业大气环境下10CCT后的锈层截面拉曼光谱及锈层深度方向上的成分结构示意图，(a) 拉曼光谱作用位置，(b) 锈层截面的拉曼光谱，（c）锈层深度方向上的成分结构示意图