稀土铈/镧提高碳素结构钢耐大气腐蚀性能的机理研究

摘要

稀土元素是我国的特有资源，研究表明稀土元素能够提高钢铁材料的耐大气腐蚀性能，到目前为止稀土提高钢铁耐蚀性的机理已有多种解释。国内学者在研究稀土提高耐候钢耐蚀性的机理时，均将研究重点集中在稀土与其他合金元素的交互作用、稀土对锈层的影响、稀土对钢铁的净化作用等方面，而稀土本身所具有的缓蚀性质对钢铁耐蚀性的影响规律为人们所忽视。本文探讨了稀土铈/镧在腐蚀介质中的缓蚀作用，研究稀土对碳结钢在模拟海洋性及工业性大气腐蚀环境下的影响规律，提出稀土提高钢铁材料的耐蚀性机理。
　　 本文使用金相、SEM、夹杂物评级、相分析、冲击功测试等方法研究了稀土在碳结钢中的存在形式及其对碳结钢力学性能的影响；使用周浸、电化学、锈层微观分析等方法研究了稀土对碳结钢在模拟海洋和工业性大气腐蚀环境下耐蚀性的影响；使用盐水滴腐蚀试验、腐蚀产物SEM及XPS分析、极化曲线测试分别研究了稀土Ce3+和La3+对碳结钢在NaCI溶液中的缓蚀作用机理；使用电化学交流阻抗技术、锈层SEM及X衍射分析等方法研究了稀土钢、碳结钢在0.3mol/L氯化钠溶液中的腐蚀行为；使用大气暴晒试验考察了稀土对碳结钢耐蚀性的影响规律。试验结果表明：①随着碳结钢中稀土含量的增加，钢中固溶稀土与稀土/铁金属间化合物总量在增加，钢的耐蚀性得到大幅提高，室内加速腐蚀试验表明碳结钢中添加0.12％含量的稀土后其耐蚀性可以超过传统的CortenB型耐候钢；②随着稀土含量的增加，锈层中对锈层具有保护作用的α-FeOOH的含量增加；③氯化钠中性腐蚀介质中的稀土离子是阴极沉淀型缓蚀剂，亚硫酸氢钠酸性腐蚀介质中的稀土离子是混合型缓蚀剂；腐蚀介质中的稀土离子能够大幅减轻钢铁材料的腐蚀；④在0.3 mol/L NaCl溶液中的浸泡腐蚀过程中，EIS各电化学参数随时间的演变规律表明稀土钢的耐蚀性要好于碳结钢，稀土可以提高碳结钢在NaCI溶液中的耐蚀性；⑤大气暴晒试验结果表明无论是在海洋性大气腐蚀环境下(青岛)还是工业性大气腐蚀环境下(江津)，碳结钢中添加稀土均能够大幅度提高其耐蚀性。本文结合稀土元素具有的缓蚀特性以及热力学分析，提出了稀土元素提高钢铁材料的耐蚀性机理：稀土加入钢中后，首先和氧、硫结合，剩余的稀土将以固溶稀土、稀土/铁金属间化合物等形式存在于钢中，而固溶稀土、稀土/铁金属间化合物、稀土硫化物的化学性质不稳定极易在腐蚀介质分解并释放出稀土离子，腐蚀介质中的稀土离子具有缓蚀特性，将会在pH值相对高的区域以氢氧化物或氧化物的形式沉淀于钢铁表面并使O2、H+和电子在钢铁表面和溶液之间的转移和传递受到了阻碍，从而大幅度减缓腐蚀的进行。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 耐候钢的研发历史

1.2 耐候钢的应用及发展趋势

1.3 合金元素对耐候钢耐大气腐蚀性能的影响

1.4 钢铁材料大气腐蚀产物形成的电化学过程

1.5 耐候钢大气腐蚀锈层的结构及稳定性锈层的形成

1.6 选题意义及研究内容

第二章 稀土在碳结钢中的存在形式及其对力学性能的影响

2.1 试验材料与试验方法

2.2 试验结果

2.2.1 显微组织分析

2.2.2 夹杂物评级

2.2.3 稀土元素的相分析

2.2.4 夹杂物形貌及成分分析

2.2.5 力学性能测试

2.3 本章小结

第三章 模拟海洋性大气腐蚀环境下稀土对碳结钢耐蚀性的影响

3.1 试验方法

3.2 试验结果

3.2.1 稀士丝对碳结钢的缓蚀

3.2.2 试验钢的周浸加速腐蚀试验及锈层的扫描电镜分析

3.2.3 锈层的X衍射分析

3.2.4 周浸加速腐蚀试验后试验钢的交流阻抗测试

3.3 讨论

3.4. 本章小结

第四章 模拟工业性大气腐蚀环境下稀土对碳结钢耐蚀性的影响

4.1 试验方法

4.2 试验结果

4.2.1 稀土丝对碳结钢的缓蚀

4.2.2 试验钢的周浸加速腐蚀试验

4.2.3 周浸加速腐蚀试验后试验钢表面锈层形貌

4.2.4 周浸加速腐蚀试验后试验钢横截面锈层形貌

4.2.5 锈层相结构的X衍射分析

4.2.6 周浸加速腐蚀试验后试验钢的交流阻抗测试

4.3 讨论

4.4 本章小结

第五章 稀土Ce和La对碳结钢在NaCl溶液中的缓蚀作用机理

5.1 稀土作为缓蚀剂及转化膜的研究进展及作用机理

5.1.1 稀土转化膜的形成过程

5.1.2 稀土转化膜的耐蚀机理

5.2 试验方法

5.3 试验结果

5.3.1 盐水滴腐蚀试验

5.3.2 电化学试验

5.3.3 电位—pH图的绘制

5.4 讨论

5.4.1 Ce3+或La3+的阴极沉淀缓蚀机理

5.4.2 Cd+和La3+缓蚀能力的区别

5.5 本章小结

第六章 氯化钠溶液中稀土钢及碳结钢的腐蚀电化学行为研究

6.1 试验方法

6.2 试验结果及讨论

6.2.1 交流阻抗测试

6.2.2 腐蚀形貌

6.2.3 锈层的X衍射物相分析

6.2.4 稀土提高碳结钢在氯化钠溶液中浸泡耐蚀性能的机理

6.3 本章小结

第七章大气暴晒试验

7.1 试验方法

7.2 试验结果及讨论

7.2.1 大气暴晒试验失重结果

7.2.2 试验钢锈层分析

7.3 本章小节

第八章 全文总结

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢