稀土处理钢中夹杂物特征及其对点蚀萌生与扩展的影响机理研究

发布时间：2020-06-11 14:33

【摘要】：随着海洋经济的高速发展,高强韧性低合金钢在海洋工程结构中的应用越来越广泛,低合金钢的耐点蚀性能急需进一步提高。本研究采用稀土处理来改性钢中夹杂物并微合金化,以降低夹杂物的点蚀敏感性,提高钢基体的耐腐蚀性能。在高频感应炉中冶炼了四组不同精炼工艺(Al脱氧、3组Al脱氧+Re处理)的试验钢,对轧制态钢中夹杂物特征及稀土夹杂物的析出行为进行了初步研究,探讨了试验钢在3.5%NaCl溶液中的抗点蚀性能差异及腐蚀行为,从微观层面分析了不同类型夹杂物(硫化物夹杂,氧化物夹杂)诱发点蚀的机理,从宏观层面探究了不同稀土含量的试验钢在模拟海水溶液中表面锈层的成分、形貌、均匀性及致密性。其主要结论如下:(1)稀土加入量不同,钢中夹杂物类型及硫化物析出行为不同,未加稀土的Al脱氧1~#钢中主要为Al_2O_3+Mn S夹杂;加入稀土后,2~#钢(0.011%Ce)中主要为CeAlO_3+Ce_2O_2S+Mn S夹杂;3~#钢(0.015%Ce)中夹杂物类型与2~#钢相似,但未发现单独析出的MnS夹杂;当稀土加入量为0.02%时氧化物中Al元素逐步被Ce取代,4~#钢中夹杂物以Ce_2O_3+CeAlO_3+Ce_2O_2S为主。随着稀土加入量的增加,单独的长条形Mn S夹杂逐渐转变为近球形的稀土硫化物,能在一定程度上提高钢的耐点蚀性能。(2)稀土加入量不同,夹杂物的数量、尺寸和变形性存在差异,当稀土加入量为0.015%时,3~#钢中夹杂物面积含量最小(0.067%),数量最少(215个/mm~2),平均粒径最小(1.91μm),近87%的夹杂物尺寸小于2.5μm,夹杂物变形率3的约92%,夹杂物的平均变形率为1.83,夹杂物的面积、数量、尺寸及变形性在一定程度上较1~#、2~#及4~#钢更优,夹杂物更不易诱发点蚀,钢的抗点蚀性能较强。(3)热力学计算及夹杂物观测结果表明,在凝固过程中,稀土处理钢中生成的主要夹杂物为Ce AlO_3及Ce_2O_2S,Ce AlO_3在凝固前沿均质形核析出,Ce_2O_2S易在CeAlO_3的表面析出,且其均在凝固前沿析出,有助于夹杂物的弥散分布。(4)极化曲线结果表明,腐蚀初期(0h),3~#钢表面点蚀坑数量最少、分布较为弥散,点蚀诱发源较少,点蚀电位最高,其抗点蚀性能最强。交流阻抗谱结果表明在腐蚀末期(120h),随着稀土加入量的增多,钢的极化电阻升高,抗腐蚀性能增强,4~#钢的耐腐蚀性能最佳,可见,稀土加入量增多有助于提高钢的耐腐蚀性能。(5)在Cl~-介质溶液中,本试验钢中Mn S及Ce_2O_2S夹杂均会发生溶解。Mn S夹杂溶解后,S元素易聚集在夹杂物曲率半径小处,其诱发的点蚀易向轧制方向及纵深方向扩展,而Ce_2O_2S部分溶解后,S元素向基体表面扩散,其诱发的点蚀易向夹杂物周围扩展,降低了点蚀的危害性。(6)在腐蚀过程中,Al_2O_3、CeAlO_3及Ce_2O_3夹杂化学性质较为稳定,其电极电位比基体稍高,氧化物夹杂不发生溶解,夹杂物与基体的结合紧密程度不同,点蚀一般在氧化物夹杂与基体之间界面的缝隙处萌生,当夹杂物脱落后,点蚀坑中侵蚀性阴离子不易富集,点蚀易向夹杂物周围扩展。稀土氧化物夹杂中心的硫含量较高,一定程度上抑制了硫化物的单独析出,减少了点蚀诱发源,提高了钢的抗点蚀性能。(7)全浸腐蚀试验结果表明,稀土处理后试验钢表面能形成更连续、更均匀、附着性更好的锈层。除锈后,4~#试验钢基体表面的腐蚀更均匀,其耐腐蚀性能更强。锈层断面形貌观测及XRD图谱结果表明,随着稀土加入量的增加,锈层的致密性及稳定性得到提高,其中4~#钢锈层中α-FeOOH的百分含量最高,最有利于形成致密、稳定的锈层。失重试验结果表明,随着稀土加入量的增加,试验钢的平均质量损失逐渐减小,试验钢的腐蚀速率逐渐降低,钢的抗腐蚀性能逐渐增强。加入0.02%Ce脱氧的4~#钢在长期的浸泡腐蚀过程中展现出最佳的耐腐蚀性能。
【图文】：

构成图,海洋产业,增加值,构成图

第一章文献综述能源问题受到全球重点关注，海洋资源的开发和利用成为未海洋资源极其丰富[1,2]。《全国海洋经济发展“十三五”规划》[3]经济空间”战略任务，将发展海洋经济与建设生态海洋、绿色前我国海洋经济产业 GOP 占 GDP 比重的 9.4%，如图 1.1 所示产业增加值构成图[4]。在海洋经济产业稳步增长的前景下，高价比的钢铁材料成为海洋工程结构中必不可少的部分，2017 年深海可燃冰试采成功，由鞍钢生产的 TMCP 态大厚度 F 级超采平台主要承重件在其中发挥着不可忽视的作用。然而海工中各种腐蚀介质的侵蚀，海工结构的稳定、安全及有效运行易使其结构失效，甚至会导致安全事故的发生[5,6]。

形貌,点蚀坑,形貌,点蚀

图 1.2 几种典型点蚀坑的截面形貌一般来说，钝化金属的点蚀包含五个不同的阶段：钝化膜的破裂，，点蚀的开始，非稳态点蚀、点蚀的生长和稳态点蚀的形成[34]。点蚀在钝化膜的破裂处开始，在包含侵蚀离子的介质中形成点蚀核。然而一些学者相信钝化膜的结构和组分在点蚀形成中起一个次要的作用[35]。对于低合金高强度钢而言，在 3.5%NaCl(25℃，PH=7)中，其基体表面一直处于活化状态未发生钝化，但经过试验证明，随着温度、PH 等环境因素的改变，其钢基体表面是极有可能发生钝化的。钝化膜的破裂：钝化膜破裂理论先被 Agar and Hoar[36]提出，之后被许多学者补充，有害离子吸附在钝化膜表面，由于界面张力降低产生了相互排斥，当排斥力足够时，钝化膜会破裂。钝化膜的破裂和点蚀的开始是点蚀现象中最难理解的方面。破裂很少发生且只发生在很小的区域，直接检测破裂是很困难的，通常采用极化曲线来对其进行表征。点蚀的开始：点蚀的起始发生在很短暂的时间段内。Melchers[37]研究指出点蚀的起始时间可以短至数微秒内，其强烈地依赖于材料的表面条件。Strehblow[38]和
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1

【参考文献】