锰铜耐候钢锈层特性与微观结构关系的研究

Mn-Cu耐候钢锈层具有阳离子选择特性。将经循环干湿模拟大气腐蚀加速和在典型海岸大气环境曝晒获得的锈层，利用同步辐射光源的X射线衍射、散射以及EXAFS谱学方法，分别研究Mn、Cu以及Mn-Cu合金化对alfa-FeOOH、beta-FeOOH、gama-FeOOH、Fe3O4各结晶态组分以及非晶态组分的含量、颗粒粒度分布；确定Mn、Cu离子存在于相应的相结构中的空间位置、氧化态、配位情况和原子结构；Mn-O、Cu-O配合物结构（如MnO6、CuO4）特征及其对相应相中的Fe-O化合物结构（如FeO4或FeO6）团簇的粒度、结构和性质的影响，找出Mn-Cu耐候钢锈层具有阳离子选择性的原因，以期在原子尺度的水平上认识Mn-Cu耐候钢中合金元素Mn、Cu对锈层微观结构的作用，以及锈层微观结构与锈层的宏观物理化学性质之间的关系。

耐候钢表面能够在长期曝晒情况下生成与基体结合性良好的保护性锈层，从而可以在一些环境中直接使用，而无需进行表面防护处理。传统的Corten A和Corten B系列耐候钢通常使用Cr、Ni等元素，成本较高。进入21世纪以来，高性能、低成本、长寿命等成为耐候钢发展方向。作为一种经济型耐候钢，MnCu低合金钢因其锈层具有阳离子选择性而在海岸大气环境中表现出良好的耐候性，但其在工业大气环境中的耐候性并不理想。这主要与Mn、Cu对锈层组成、结构和性质的影响有关。因此，研究Mn、Cu对锈层组成、结构和性质的影响不仅具有科学意义，还对提高MnCu耐候钢在工业大气及海岸工业大气环境中的耐蚀性具有显著的经济效益和工程价值。.　　　本项目采用实验室干/湿交替模拟大气腐蚀试验，SEM和EDS，XRD，XPS，EXAFS，极化曲线和交流阻抗方法，系统地研究了Mn、Cu对耐候钢锈层组成、结构和性质的影响。结果表明，合金元素Mn和Cu在锈层中的化学状态为Mn(II)和Cu(I)，分别占据Fe3O4晶格中的一个正八面体中心和正四面体中心，在Fe3O4颗粒局部的某些格点上产生一定数目的电子空穴，排斥Cl−通过锈层到达钢基体，使得锈层具有离子选择性。通过元素P合金化开发出了MnCuP耐候钢，P元素可以氧化形成难溶性磷酸盐，起到缓蚀剂的作用。MnCuP耐候钢在模拟海岸大气，工业大气及海岸工业大气环境中的锈蚀演化规律表明：MnCuP钢的锈蚀过程均可分为两个阶段，第一阶段腐蚀速率较大，第二阶段腐蚀速率较小。在腐蚀初期形成的锈层中非晶含量较多，锈层疏松且与基体结合不好，保护性差，在腐蚀后期形成的锈层中α-FeOOH相的含量较多，Fe3O4相的含量较少，γ-FeOOH相的含量趋于稳定，致密且与基体结合良好的内锈层逐渐形成，耐蚀性增强。腐蚀初期形成的锈层加速了其阴极还原过程，在腐蚀后期形成的锈层的阴极还原过程趋于稳定，由于锈层中α-FeOOH相含量的增多，阳极过程逐渐受到抑制。