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表面处理钢板的开发状况和发展方向
表面处理钢板应用领域的扩展和性能
表面处理钢板大部分是镀Zn钢板。2008年，日本镀Zn钢板产量是1500万t，其中77%是热镀Zn钢板。镀Zn钢板用于汽车、建筑、电器和其他方面，其中有一半用于汽车。
从80年代起55%Al-Zn热镀钢板在日本得到广泛应用。在海盐影响很大的海岸地带，镀Al钢板发生孔蚀，耐蚀性下降。长期暴露腐蚀的结果表明，镀Zn钢板由于Zn的消耗而产生红绣，而5%Al和55%Al-Zn镀层钢板保持了耐蚀性和替代腐蚀保护功能。55%Al-Zn镀层的金属组织是在一次结晶的富Al相晶粒之间存在着含b-Zn的富Zn相。Townsend指出，在暴露腐蚀初期，富Zn相首先溶解表现出替代腐蚀保护作用；在暴露腐蚀后期，富Al相起到耐蚀作用。这种防腐蚀机制也体现在镀Zn钢板和55%Al-Zn镀层钢板的端面腐蚀中。研究资料指出，在长期暴露实验中，在暴露初期55%Al-Zn镀层钢板由试样端面开始发生的镀层膨胀（线状腐蚀）的腐蚀速度较大，在暴露后期，镀Zn钢板的镀层膨胀腐蚀速度较大。在暴露初期55%Al-Zn镀层钢板的富Zn相在涂层和镀层的界面上溶解，所以，腐蚀从试样端面迅速向内部进行，当腐蚀进行到一定距离时，与阴极距离增大，腐蚀速度就减小了。镀Zn钢板在腐蚀发生后由于没有富Al相，所以阴极面积增加，腐蚀一直进行下去。
为提高5%Al-Zn镀层钢板的耐蚀性，开发出添加3%Mg的6%～11%Al-3%Mg-Zn合金镀层系列钢板。在6%Al-Zn中添加Mg延长了红锈产生的时间，Mg提高耐蚀性的效果在大气暴露试样中也得到证实。在滨海地区该镀层系列钢板暴露实验生成的腐蚀产物中，都没有发现ZnO。暴露腐蚀生成并积累的腐蚀产物大大抑制了阴极反应。而镀Zn钢板腐蚀产物中的ZnO具有半导体的性质，不能抑制氧化还原的阴极反应。在3%Mg镀层钢板腐蚀产物中没有检测出ZnO，这与上述实验结果一致。
从上世纪80年代开始，在铬酸盐皮膜上涂敷约1靘有机膜的耐指纹钢板和润滑钢板、涂敷约20靘有机膜的钢板，省去涂敷工序的预涂层钢板实现了商品化，并得到广泛应用。之后，在电气电子设备中禁止使用P、Cr6+和Cd6+的RoHS（对某些有害物质限制使用的规定）法令于2006年开始生效，推进了无Cr化处理工艺的进程。预涂层钢板的性能特点是耐蚀性、高加工性、抗表面瑕疵性、抗污染性、抗菌性、吸热性、散热性等等，这些特性主要是由涂敷皮膜的特性来决定。
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随着陆地资源的日益枯竭，人类加快了走向海洋的步伐，跨海大桥、海底隧道、海洋石油平台等重大工程不断建设。然而，这些海洋工程材料所面临的 挑战便是海洋环境中的腐蚀。高强板作为常用的工程建筑材料之一，其耐海水腐蚀性能直接影响到混凝土结构在海洋环境中的耐久性。
目前，应用较为广泛的耐腐蚀高强板有涂层高强板、不锈高强板和合金耐蚀高强板。某钢铁公司研究人员开发了低合金耐蚀高强板20MnSiCrV，其室温组织为铁素体和珠光体，屈服强度达到450MPa，抗拉强度达到650MPa，腐蚀速率低于普通高强板的70%。在此基础上，进一步优化合金成分，研制出高耐蚀性合金高强板00Cr10MoV。本工作对研制的00Cr10MoV高强板的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能进行系统分析，并与普通高强板20MnSiV进行对比和讨论。
试验材料化学成分如表1所示，在150kg真空感应炉中进行冶炼并模铸成80kg的钢锭，钢锭经锻造后焊接至140mm×140mm×12m方坯尾部，在生产车间终热轧成Φ25mm的高强板。分别从3根成品高强板上截取3段高强板加工成拉伸试样，在5585型电子 材料试验机上测定试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率等。对试样横截面进行金相组织观察，并用Tukon 2100B型数字化闭环控制维氏硬度计对试样的不同组织进行硬度测试，用岛津1610型电子探针显微分析仪（EPMA）观察合金元素在其组织内的分布。采用盐雾、周浸腐蚀实验、电化学阻抗谱以及极化曲线等测试方法进一步评价其耐蚀性能。
表1 实验用钢的化学成分（质量分数，%）
钢种
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
V
Fe
00Cr10MoV
≤0.03
0.40～0.60
1.40～1.60
≤0.01
≤0.01
9.5～10.5
0.9～1.2
0.03～0.10
余量
20MnSiV
0.21
0.49
1.44
0.019
0.007
—
—
0.028
余量
结果表明：
（1）耐海水腐蚀00Cr10MoV高强板的显微组织主要由铁素体和贝氏体组成，屈服强度达到450MPa以上，综合力学性能优良；
（2）在加速腐蚀实验条件下，00Cr10MoV钢的腐蚀速率均不足普通高强板20MnSiV的5%；其腐蚀产物以α-FeOOH，β-FeOOH和γ-FeOOH为主，另外还含有少量Fe3O4和微量含氯产物Na3CrCl16，Fe+3O（OH，Cl）；
（3）合金元素Cr和Mo的添加，提高了00Cr10MoV钢在3.5%NaCl中性水溶液中的自腐蚀电位和电荷转移电阻，降低了其腐蚀电流密度，使其耐海水腐蚀性能较20MnSiV钢有较大的。
在海洋环境、油田污水及含氯离子的化工介质中，氯离子含量高，一般不锈钢产品在此环境中的耐腐蚀能力尚好，但易发生点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀，影响使用寿命。高强度钢板是一种在含氯离子腐蚀环境中具有优良耐蚀性的材料。多年来的现场使用经验表明，高强度钢板产品具有腐蚀率低、使用寿命长、且耐点蚀、耐缝隙腐蚀能力强的优点。、
上海材料研究所的研究者们利用电化学方法，按照 标准对高强度钢板试样进行点蚀电位和缝隙腐蚀测试，进一步研究其耐局部腐蚀的机理。
试验用高强度钢板及对比材料316L、1Cr18Ni9Ti不锈钢均进行固溶处理，尺寸为10mm×10mm×10mm。对不锈钢而言，化学成分特别是Cr、Mo、Ni等耐蚀元素的综合作用，不仅决定了不锈钢组织形态，还决定了不锈钢表面钝化膜成分与性质。高强度钢板组织较均匀，晶界只有少量沿晶碳化物，减少了因晶界腐蚀而发生点腐蚀和缝隙腐蚀的诱因。
对不锈钢表面钝化膜形成有影响的成分主要是Cr、Mo、Ni等元素。钝化膜是一层很薄的致密氧化物膜。根据电化学理论，在NaCl溶液中，Cl-主要是通过与钝化膜中的O2-发生交换吸附破坏钝化膜进而于与Fe、Cr、Mo、Ni等金属离子发生反应，促进金属基体阳极溶解而腐蚀。
增加不锈钢抗点蚀能力有效的合金元素是Cr、Mo。根据化学成分分析，三种钢的Cr含量相差不多，属于18Cr型不锈钢，都能形成钝化区。Mo是提高不锈钢耐蚀性的有效元素，在不锈钢中同时加入Cr、Mo元素，材料的化学稳定性、钝化膜耐蚀性尤其是耐点腐蚀性能，都能明显提高。Ni是形成奥氏体和稳定奥氏体的 元素，可以避免氧化膜的还原，也能提高钢的耐点蚀性能。高强度钢板的点蚀电位比316L、1Cr18Ni9Ti不锈钢的高，这可能是高强度钢板的Mo、Ni含量高、耐点蚀当量大的缘故。比较试验结果发现：
（1）高强度钢板与对比材料316L、1Cr18Ni9Ti锈钢的Ni含量大致按2%左右递减，Mo含量按2%～3%递减。根据PREN结果，高强度钢板的耐点蚀能力强。
（2）固溶后的高强度钢板的金相组织是奥氏体组织，含有弥散分布的第二相和少量沿晶碳化物。
（3）在30℃的3.5%NaCl溶液中，高强度钢板的自腐蚀电位和点蚀电位比对比材料316L和1Cr18Ni9Ti不锈钢的高，这表明高强度钢板耐均匀腐蚀和耐点腐蚀的能力高于对比材料。
（4）缝隙腐蚀试验结果表明，高强度钢板施加0.800V恒电位后的瞬间电流急剧降低；随时间的延长，电流也逐渐缓慢降低；试验面无明显腐蚀、环氧树脂密封完好。诱发缝隙腐蚀后能再钝化的正电位VRP＞0.800V。（余冶）
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