D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.0L.008 第30卷第1期 北京科技大学学报 Vol.30 No.1 2008年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2008 X70异种钢焊接接头的电偶腐蚀行为 刘成虎柳伟赵耀斌路民旭 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用SEM和光学显微镜对X70异种钢焊接接头进行显微组织观察，并在模拟土壤溶液中测量各区极化曲线以及焊 缝和X70钢以不同面积比偶合时的电偶腐蚀电流·结果表明，该接头熔合区很窄，无类马氏体存在，焊缝为细小树枝晶，Nb和 M。元素严重偏析于枝晶间，在实验溶液中该区呈钝化状态，具有优异的耐蚀性，热影响区粗晶区主要为粗大贝氏铁素体和分 布不均匀的长条状M一A组元，而X70母材为细小贝氏体组织，二者腐蚀行为无明显差别，阳极极化电位超过150mV时前者 的极化率略高于后者·在焊缝与X70的电偶腐蚀中，阴极反应受氧扩散控制，随阴/阳极面积比增大，X70腐蚀电流密度急剧 增加，具有近似“汇集原理”的腐蚀特点，偶合时焊缝阴极极化电位很高，受到完全保护. 关键词X70管线钢：异种钢焊接；微观组织：电偶腐蚀 分类号TG172.2 Galvanic corrosion of X70 dissimilar weld joints LIU Chenghu,LIU Wei.ZHA O Y aobin,LU Minxu School of Materials Science and Technology.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The microstructures of X70 dissimilar weld joints were studied by optical microscope and SEM.Galvanie corrosion at different area ratios was investigated in simulated soil solution.The results indicated that the fusion zone was so narrow that no martensite-like structure was found.Fine dendrites were obtained in the weld zone,in which Nb and Mo seriously segregated in inter- dendritic.The corrosion resistance of the weld zone was excellent because of its passive film.There were coarse bainitic ferrite and nonuniformly distributed strip M-A constituent in the coarse"grained heat-affected zone (CGHAZ).and fine bainite existed in X70 base material.Their corrosion behaviors were not obviously different,but as the anode polarized potential exceeded to 150mV the po- larizability of CGHAZ was relatively high.The cathodic reaction rate was dependent on oxygen diffusion when the weld zone was cou- pled with X70 pipeline steel.The corrosion current density of X70 pipeline steel increased rapidly with increasing area ratio.The cor- rosion characteristic was similar to "Catchment Principle".Because of high cathodic potential the weld zone did not suffer corrosion KEY WORDS X70 pipeline steel:dissimilar welding:microstructure:galvanic corrosion 低合金高强度钢由于具有良好的力学性能及焊 之间的自腐蚀电位差使得该接头存在电偶腐蚀成为 接性已成为石油化工领域的主要用钢)，但其工 研究的重点，本文从接头各部位的组织出发，通过 作过程中存在的腐蚀长期困扰着设备的运行，在一 各自的极化曲线以及电偶腐蚀电流的测量研究焊接 些需要耐蚀的部位往往选用具有优异耐蚀性的不锈 接头的腐蚀特点，以及不同的阴/阳极面积比对电偶 钢及耐蚀合金，因而存在低合金钢与不锈钢及耐蚀 腐蚀效应的影响，这对于Nⅰ基合金与低合金钢焊接 合金的异种钢焊接，已经有大量文献研究了不锈钢 件的实际应用具有重要的指导意义， 与碳钢之间的异种钢焊接]，然而低合金高强度钢 焊接中使用镍基焊材的研究较少，异种钢焊接关键 1实验方法 的问题在于焊接接头的力学性能及腐蚀性能，在本 母材选用X70管线钢，焊丝选用1.6mm的镍 文的研究背景下接头中碳的迁移问题因使用过程中 基合金焊丝ERNiCrMo3,其化学成分及力学性能 环境温度较低而变得不明显，所以焊缝(WZ)和母材 见表1，X70母材的尺寸为300mm×100mm× 收稿日期：2006-10-12修回日期：2006-11-13 8mm板状试样，采用V型坡口，坡口角度为30°，钝 作者简介：刘成虎(1981一)，男，硕士研究生：柳伟(1970一)，男， 边为1.5mm, 副教授，博士
X70异种钢焊接接头的电偶腐蚀行为 刘成虎 柳 伟 赵耀斌 路民旭 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 利用 SEM 和光学显微镜对 X70异种钢焊接接头进行显微组织观察并在模拟土壤溶液中测量各区极化曲线以及焊 缝和 X70钢以不同面积比偶合时的电偶腐蚀电流．结果表明该接头熔合区很窄无类马氏体存在焊缝为细小树枝晶Nb 和 Mo 元素严重偏析于枝晶间在实验溶液中该区呈钝化状态具有优异的耐蚀性．热影响区粗晶区主要为粗大贝氏铁素体和分 布不均匀的长条状 M－A 组元而 X70母材为细小贝氏体组织二者腐蚀行为无明显差别阳极极化电位超过150mV 时前者 的极化率略高于后者．在焊缝与 X70的电偶腐蚀中阴极反应受氧扩散控制随阴／阳极面积比增大X70腐蚀电流密度急剧 增加具有近似“汇集原理”的腐蚀特点偶合时焊缝阴极极化电位很高受到完全保护． 关键词 X70管线钢；异种钢焊接；微观组织；电偶腐蚀 分类号 TG172∙2 Galvanic corrosion of X70dissimilar weld joints LIU ChenghuLIU WeiZHA O Y aobinLU Minxu School of Materials Science and TechnologyUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he microstructures of X70dissimilar weld joints were studied by optical microscope and SEM．Galvanic corrosion at different area ratios was investigated in simulated soil solution．T he results indicated that the fusion zone was so narrow that no martensite-like structure was found．Fine dendrites were obtained in the weld zonein which Nb and Mo seriously segregated in interdendritic．T he corrosion resistance of the weld zone was excellent because of its passive film．T here were coarse bainitic ferrite and nonuniformly distributed strip M－A constituent in the coarse-grained heat-affected zone （CGHAZ）and fine bainite existed in X70 base material．T heir corrosion behaviors were not obviously differentbut as the anode polarized potential exceeded to150mV the polarizability of CGHAZ was relatively high．T he cathodic reaction rate was dependent on oxygen diffusion when the weld zone was coupled with X70pipeline steel．T he corrosion current density of X70pipeline steel increased rapidly with increasing area ratio．T he corrosion characteristic was similar to “Catchment Principle”．Because of high cathodic potential the weld zone did not suffer corrosion． KEY WORDS X70pipeline steel；dissimilar welding；microstructure；galvanic corrosion 收稿日期：2006-10-12 修回日期：2006-11-13 作者简介：刘成虎（1981－）男硕士研究生；柳 伟（1970－）男 副教授博士 低合金高强度钢由于具有良好的力学性能及焊 接性已成为石油化工领域的主要用钢［1－2］但其工 作过程中存在的腐蚀长期困扰着设备的运行在一 些需要耐蚀的部位往往选用具有优异耐蚀性的不锈 钢及耐蚀合金因而存在低合金钢与不锈钢及耐蚀 合金的异种钢焊接．已经有大量文献研究了不锈钢 与碳钢之间的异种钢焊接［3］然而低合金高强度钢 焊接中使用镍基焊材的研究较少．异种钢焊接关键 的问题在于焊接接头的力学性能及腐蚀性能．在本 文的研究背景下接头中碳的迁移问题因使用过程中 环境温度较低而变得不明显所以焊缝（WZ）和母材 之间的自腐蚀电位差使得该接头存在电偶腐蚀成为 研究的重点．本文从接头各部位的组织出发通过 各自的极化曲线以及电偶腐蚀电流的测量研究焊接 接头的腐蚀特点以及不同的阴／阳极面积比对电偶 腐蚀效应的影响这对于 Ni 基合金与低合金钢焊接 件的实际应用具有重要的指导意义． 1 实验方法 母材选用 X70管线钢焊丝选用●1∙6mm 的镍 基合金焊丝 ERNiCrMo－3其化学成分及力学性能 见表1．X70母材的尺寸为300mm ×100mm × 8mm板状试样采用 V 型坡口坡口角度为30°钝 边为1∙5mm． 第30卷 第1期 2008年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．1 Jan．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．01．008
.26 北京科技大学学报 第30卷 表1X70钢及焊丝的化学成分和力学性能 Table 1 Chemical composition and mechanical properties of welding material and electrode 化学成分（质量分数）/% 力学性能 材料 C Si Mn Ni Cr Mo Nb Fe G/MPa G/MPa X70 0.05 0.2 1.56 0.14 0.03 0.21 0.05 余量 495 640 ERNiCrMo-3 0.1 0.5 <0.5 >58 22.5 9.0 3.7 4.0 500 876 使用美国Miller公司XMT456焊机进行熔化 寸的焊缝试样偶合，测量电偶中不同阴/阳极面积比 及惰性气体保护焊(GMAW)单道三层焊接，保护气 S(A/Aa)时的电偶电位及电偶电流随时间的变化 体为Ar+20%He,电压24V,焊接电流151A,送丝 情况(6h). 速度为90mms-1,试样层间温度在120~150℃范 2实验结果与分析 围之间，试样焊接前后无热处理.用4%硝酸酒精作 为X70钢的浸蚀液，焊缝微观组织显示用H3P04 2.1微观组织 (150mL)、HS04(10mL)和Cr03(15g)电解液浸 图1为X70异种钢焊接接头熔合区与焊缝的 蚀，电流为0.2A.通过光学显微镜及SEM观察焊 微观组织，从图1(a)中可以看到熔合区很窄，几乎 接接头各部位的微观组织， 只能看到一条明显的熔合线，奥氏体与铁素体钢焊 电化学测试中热影响区粗晶区(CGHAZ)平行 接接头中容易出现的类马氏体(ML)难于观察到， 于熔合面取样，尺寸与X70试样一致，为5mm× 这可能是焊缝中Ni含量高的缘故，在焊缝中紧邻 10mm,焊缝尺寸分别为4mmX2.1mm、4mmX 熔合线的是快速冷却形成的平面晶，宽度大约在 6mm、5mmX10mm、8mmX25mm和8mm× 5m;当温度梯度达到平衡凝固附近时，组织为沿垂 43mm,实验采用饱和甘汞电极(SCE)为参比电极， 直熔合线方向生核长大的枝晶形貌，如图1(b),主 铂电极为辅助电极，实验温度为25℃.模拟土壤溶 要为树枝晶及少量胞状晶，枝晶间距约为10m;由 液成分为KCl(0.122g·L-1)、NaHC03(0.483 于冷却速度大，主要表现为一次枝晶，二次枝晶并不 gL-1)、CaC(0.181gL-1)和Mgs04(0.131 明显.图中黑色为枝晶干，白色为枝晶间，能谱分析 gL),测试前通入含5%C02的C02和N2混合 见图2.可以看到，由于合金元素的偏析，枝晶间富 气体达饱和，首先测量焊缝、CGHAZ及XT0的自腐 Nb和Mo元素，而且从元素含量中显示Nb元素的 蚀电位，时间为60h,之后对焊缝自开路电位进行阴 偏析比较Mo元素高，枝晶干的Cr含量略高于枝晶 极极化，CGHAZ及X70则分别进行阴阳极极化，扫 间，因而在浸蚀条件下由于枝晶间含有大量的Nb 描速率为1mV·s,所用试样尺寸均为5mm× 和M0元素使得该区耐蚀性高于枝晶干而呈现白色， 10mm;按GB5776-86将X70试样与五种不同尺 热影响区粗晶区(CGHAZ)的组织主要为粒状贝 Fusion line CGHAZ 20m 20um 图1X70异种钢焊接接头熔合区(a)与焊缝(b)的微观组织 Fig.1 SEM micrographs of the fusion zone (a)and weld zone (b)of X70 dissimilar weld joints 氏体与一A组元（图3(a),贝氏铁素体晶粒粗大， 过程，首先在原奥氏体晶界及晶粒内形核的铁素体 约为30m,而X70母材中铁素体晶粒却细小很多， 有充足的时间相互碰撞合并成粗大的铁素体，同时 而且M一A组元呈均匀分布的细小岛状组织 碳发生较长距离的扩散，使得富碳的过冷奥氏体也 (图3(b),CGHAZ的这一组织体现了该区的相变 连接成片，出现粗大的条状富碳奥氏体岛；当达到马
表1 X70钢及焊丝的化学成分和力学性能 Table1 Chemical composition and mechanical properties of welding material and electrode 材料 化学成分（质量分数）／％ 力学性能 C Si Mn Ni Cr Mo Nb Fe σs／MPa σb／MPa X70 0．05 0．2 1．56 0．14 0．03 0．21 0．05 余量 495 640 ERNiCrMo－3 ＜0．1 ＜0．5 ＜0．5 ＞58 22．5 9．0 3．7 4．0 500 876 使用美国 Miller 公司 XMT456焊机进行熔化 及惰性气体保护焊（GMAW）单道三层焊接保护气 体为 Ar＋20％He电压24V焊接电流151A送丝 速度为90mm·s －1试样层间温度在120～150℃范 围之间试样焊接前后无热处理．用4％硝酸酒精作 为 X70钢的浸蚀液焊缝微观组织显示用 H3PO4 （150mL）、H2SO4（10mL）和 CrO3（15g）电解液浸 蚀电流为0∙2A．通过光学显微镜及 SEM 观察焊 接接头各部位的微观组织． 电化学测试中热影响区粗晶区（CGHAZ）平行 于熔合面取样尺寸与 X70试样一致为5mm × 10mm焊缝尺寸分别为4mm ×2∙1mm、4mm × 6mm、5 mm ×10mm、8mm×25mm 和8mm× 43mm．实验采用饱和甘汞电极（SCE）为参比电极 铂电极为辅助电极实验温度为25℃．模拟土壤溶 液成 分 为 KCl （0∙122g·L －1）、NaHCO3 （0∙483 g·L －1）、CaCl2 （0∙181 g·L －1） 和 MgSO4 （0∙131 g·L －1）测试前通入含5％ CO2 的 CO2 和 N2 混合 气体达饱和．首先测量焊缝、CGHAZ 及 X70的自腐 蚀电位时间为60h之后对焊缝自开路电位进行阴 极极化CGHAZ 及 X70则分别进行阴阳极极化扫 描速率为1mV·s －1所用试样尺寸均为5mm × 10mm；按 GB5776－86将 X70试样与五种不同尺 寸的焊缝试样偶合测量电偶中不同阴／阳极面积比 S（ Ac／Aa）时的电偶电位及电偶电流随时间的变化 情况（6h）． 2 实验结果与分析 2∙1 微观组织 图1为 X70异种钢焊接接头熔合区与焊缝的 微观组织．从图1（a）中可以看到熔合区很窄几乎 只能看到一条明显的熔合线奥氏体与铁素体钢焊 接接头中容易出现的类马氏体（M－L）难于观察到 这可能是焊缝中 Ni 含量高的缘故．在焊缝中紧邻 熔合线的是快速冷却形成的平面晶宽度大约在 5μm；当温度梯度达到平衡凝固附近时组织为沿垂 直熔合线方向生核长大的枝晶形貌如图1（b）主 要为树枝晶及少量胞状晶枝晶间距约为10μm；由 于冷却速度大主要表现为一次枝晶二次枝晶并不 明显．图中黑色为枝晶干白色为枝晶间能谱分析 见图2．可以看到由于合金元素的偏析枝晶间富 Nb 和 Mo 元素而且从元素含量中显示 Nb 元素的 偏析比较 Mo 元素高枝晶干的 Cr 含量略高于枝晶 间因而在浸蚀条件下由于枝晶间含有大量的 Nb 和 Mo 元素使得该区耐蚀性高于枝晶干而呈现白色． 热影响区粗晶区（CGHAZ）的组织主要为粒状贝 图1 X70异种钢焊接接头熔合区（a）与焊缝（b）的微观组织 Fig．1 SEM micrographs of the fusion zone （a） and weld zone （b） of X70dissimilar weld joints 氏体与 M－A 组元（图3（a））贝氏铁素体晶粒粗大 约为30μm而 X70母材中铁素体晶粒却细小很多 而且 M－A 组 元 呈 均 匀 分 布 的 细 小 岛 状 组 织 （图3（b））．CGHAZ 的这一组织体现了该区的相变 过程．首先在原奥氏体晶界及晶粒内形核的铁素体 有充足的时间相互碰撞合并成粗大的铁素体同时 碳发生较长距离的扩散使得富碳的过冷奥氏体也 连接成片出现粗大的条状富碳奥氏体岛；当达到马 ·26· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第1期 刘成虎等：X70异种钢焊接接头的电偶腐蚀行为 ,27 氏体相变温度时，具有足够碳浓度的过冷奥氏体开 明CGHA☑冷却速度较原始X70母材轧制时的冷却 始向马氏体转变，最终形成M十残余Y,即M一A组 速度慢，故形成粗大的贝氏铁素体及其间分布的长 元，呈长条状分布在贝氏铁素体束之间，这与文献 条状M一A组元.在HAZ组织中细晶区并不明显， [45]中研究不同冷却速度对X70钢CGHAZ组织 这可能是由于在整个冷却过程中HAZ并没有出现 的影响时得出的结论一致，通过此种组织形态，表 接近X70轧制时的原始冷却速度， 成分 Ni Cr Nb Mo Fe 质量分数/%68 181.24.96.8 1440 Mo 成分Ni Cr Nb Mo Fe 1000 Cr Ni 1120 质量分数%571611.89.83.7 Nb Ni 800 长出) 800 600 Mo 400 量 480 Fe 200 e 160 Ti 0 3.798 7.59611.39315.191 3.798 7.59611.39315.191 E/keV E/keV 图2焊缝能谱分析结果.(a)枝晶干；(b)枝晶间 Fig.2 EDS results of weld zone:(a)dendritic:(b)interdendritic s0 um 30m 图3 CGHAZ(a)及X70母材(b)的微观组织 Fig-3 Optical micrographs of coarse grained heat-affected zone (a)and X70 base material (b) 2.2焊接接头各部位的电化学行为 层，自腐蚀电位稳定在一760mV左右，随时间延长 图4是焊缝、CGHAZ、X70在模拟土壤溶液中 至60h电位几乎无变化；而焊缝刚浸入介质时开路 的自腐蚀电位，可以看到，整个过程中CGHAZ和 电位达一10mV,随时间增加逐渐降低，约经过40h X70的自腐蚀电位很接近，均在10h形成稳定的锈 稳定在一330mV,这一过程是由于焊缝在空气中形 -■-WZ 成的氧化膜缓慢溶解同时快速形成溶液体系中的钝 一●一X70母材 -CGHAZ 化膜。 -300 一一一一 从图5的极化曲线也能看出，由于焊缝钝化膜 的存在，其自腐蚀电流密度仅为0.01Acm-2,表 明焊缝具有很好的耐蚀性，同时看到其阴极电位为 600 一400mV时钝化膜开始出现局部溶解，此时阴极电 流密度迅速增加到0.8A·cm-2;随着进一步的极 20 40 60 化，钝化膜被完全破坏，阴极反应受氧的扩散控制， 时间h CGHAZ和X70母材的极化曲线阴极区和阳极弱极 图4焊缝、CGHA☑和X70母材在模拟土壤溶液中的自腐蚀电 化区十分接近，阴极反应同样受氧扩散控制，与焊缝 位 的极限扩散电流密度()接近，当阳极极化电位大 Fig.4 Corrosion potential of weld zone,coarse"grained heat-affect- 于150mV时表现为CGHAZ的极化率略高于X70 ed zone and X70 base material in simulated soil solution 母材.这可能是由于在CGHAZ中贝氏铁素体晶粒
氏体相变温度时具有足够碳浓度的过冷奥氏体开 始向马氏体转变最终形成 M＋残余γ即 M－A 组 元呈长条状分布在贝氏铁素体束之间．这与文献 ［4－5］中研究不同冷却速度对 X70钢 CGHAZ 组织 的影响时得出的结论一致．通过此种组织形态表 明 CGHAZ 冷却速度较原始 X70母材轧制时的冷却 速度慢故形成粗大的贝氏铁素体及其间分布的长 条状 M－A 组元．在 HAZ 组织中细晶区并不明显 这可能是由于在整个冷却过程中 HAZ 并没有出现 接近 X70轧制时的原始冷却速度． 图2 焊缝能谱分析结果．（a） 枝晶干；（b） 枝晶间 Fig．2 EDS results of weld zone：（a） dendritic；（b） interdendritic 图3 CGHAZ （a）及 X70母材（b）的微观组织 Fig．3 Optical micrographs of coarse-grained heat-affected zone （a） and X70base material （b） 图4 焊缝、CGHAZ 和 X70母材在模拟土壤溶液中的自腐蚀电 位 Fig．4 Corrosion potential of weld zonecoarse-grained heat-affected zone and X70base material in simulated soil solution 2∙2 焊接接头各部位的电化学行为 图4是焊缝、CGHAZ、X70在模拟土壤溶液中 的自腐蚀电位．可以看到整个过程中 CGHAZ 和 X70的自腐蚀电位很接近均在10h 形成稳定的锈 层自腐蚀电位稳定在－760mV 左右随时间延长 至60h 电位几乎无变化；而焊缝刚浸入介质时开路 电位达－10mV随时间增加逐渐降低约经过40h 稳定在－330mV这一过程是由于焊缝在空气中形 成的氧化膜缓慢溶解同时快速形成溶液体系中的钝 化膜． 从图5的极化曲线也能看出由于焊缝钝化膜 的存在其自腐蚀电流密度仅为0∙01μA·cm －2表 明焊缝具有很好的耐蚀性同时看到其阴极电位为 －400mV 时钝化膜开始出现局部溶解此时阴极电 流密度迅速增加到0∙8μA·cm －2 ；随着进一步的极 化钝化膜被完全破坏阴极反应受氧的扩散控制． CGHAZ 和 X70母材的极化曲线阴极区和阳极弱极 化区十分接近阴极反应同样受氧扩散控制与焊缝 的极限扩散电流密度（ IL ）接近当阳极极化电位大 于150mV 时表现为 CGHAZ 的极化率略高于 X70 母材．这可能是由于在 CGHAZ 中贝氏铁素体晶粒 第1期 刘成虎等： X70异种钢焊接接头的电偶腐蚀行为 ·27·
·28 北京科技大学学报 第30卷 较大使得晶界减少从而降低了表面的活性6]，但总 1十I,/1om;当S=6.88时，阳极极化电位高达100 的来说CGHAZ和X70母材在该实验介质中的电化 mV,这时X70表面的阴极反应可以忽略，因而有 学行为无太大差别：由图5还可以看出，当进入塔菲 1=lg,Y=1g/1m,其中1g=g/Aa,g为实验所测 尔极化区时由于腐蚀产物的影响极化率均明显增 加，此时的塔菲尔斜率(B)约300mV,各具体参数 的电偶电流的平均值，g= J()a T /T,t为 见表2.可以预测由于焊缝与X70母材存在430mV 测量电偶电流的时间，T为总的测量时间，同样焊 的自腐蚀电位差，电偶腐蚀倾向很大，而此时两者的 缝的阴极电流密度I。=g/A。,具体数据见表3. 阴极反应均由氧的扩散控制，由图5得出X70母材 -680 的lh=1or=7.8A·cm2,而焊缝的h为7~ 690 -m-S=0.164 --S-0.48 -2 11A .cm -700 -4-S=1 -200 -710 自 --S=4 -720 -+-S-6.88 WZ CGHAZ ▲ -400 -730 ●一● -740 一一一 ● -600 -750 0 12 3 4 6 X70母材 时间h -800 图6在模拟土壤溶液中焊缝与X70不同面积比时的电偶电位 -1000 Fig.6 Curves of galvanic potential Eg to time when the weld zone 101010°101010610310103 电流密度(A·cm) was coupled with X70 steel at different area ratios in simulated soil solution 图5在模拟土壤溶液中的焊缝、CGHAZ和X70母材的动电位 极化曲线 表3在模拟土壤溶液中焊缝与X70不同面积比时的电偶腐蚀参数 Fig-5 Potentiodynamic polarization behavior of weld zone,coarse Table 3 Galvanic corrosion parameters of weld zone and X70 at differ grained heat affected zone and X70 base material in simulated soil so- ent area ratios in simulated soil solution lution Eg I/ 电偶对S 表2在模拟土壤溶液中的接头各处极化曲线参数 mV A (Acm2)(A.cm2) Table 2 Corrosion parameters of weld zone,coarse-grained heat-affect- 10.164 -745 1.29 15.40 10.41.33 ed zone and X70 base material in simulated soil solution 20.480 -740 2.47 10.30 12.7 1.63 材料 Eo/mV Icon/(A"cm2) B/mV 3 1.000 -725 9.08 9.08 25.9 3.32 焊缝 -330 0.01 4.000 -70420.15 10.20 48.16.17 X70母材 -760 7.8 290 5 6.880-678 29.41 8.50 57.47.36 CGHAZ -758 7.8 305 从表3可以看到，焊缝的平均阴极电流密度【。 2.3焊缝与X70钢的电偶腐蚀 在不同S下很接近；只有当S=0.164时，由于焊缝 由于CGHAZ在接头中所占的面积小而且电化 的阴极极化较大，I。略偏离1·这一结果与图5中 学行为与X70母材接近，所以在电偶腐蚀实验中只 焊缝的阴极极化受氧扩散控制一致，同时还能得到 测量X70与焊缝之间的偶合情况，图6是当焊缝与 I1约为9.5Acm2.由于在本实验的所有S下焊 X70不同面积比时的电偶电位随时间的变化情况· 缝的阴极过电位都超过300mV,按照去极化100 从整体上看，随着阴/阳极面积比S的增大，Eg呈 mV的阴极保护标准来看，这一过电位能对焊缝提 增加趋势，当S=0.164和0.48时，曲线出现交叉， 供足够的阴极保护电流，因而焊缝不发生腐蚀，表 说明在面积比很小时，E,接近，稳定性降低，这可能 中还示出XT0的平均腐蚀电流密度Ia随S的变大 是焊缝的强阴极极化的原因，同时看到由于焊缝的 而迅速增大，其Y也成倍增加，这是由于焊缝的阴 阴极活化作用，钝化膜溶解滞后，E,负移，均在3h 极极化受氧扩散控制.从图5中可知X70的阴极反 后达到稳定.由于此时X70和焊缝上的阴极反应均 应也同样受氧扩散控制(Ih=Imr=7.8Acm2). 由氧扩散控制，所以当S<4时，X70的平均腐蚀电 如果将两者的氧极限扩散电流密度视为相同，则 流密度Ia=Ig十Ioor,电偶腐蚀效应Y=Ia/Ior= A。I1=A.(Ia-Ih),此时Y=Ia/Iom=1十S,可以
较大使得晶界减少从而降低了表面的活性［6］但总 的来说 CGHAZ 和 X70母材在该实验介质中的电化 学行为无太大差别；由图5还可以看出当进入塔菲 尔极化区时由于腐蚀产物的影响极化率均明显增 加此时的塔菲尔斜率（βa）约300mV各具体参数 见表2．可以预测由于焊缝与 X70母材存在430mV 的自腐蚀电位差电偶腐蚀倾向很大而此时两者的 阴极反应均由氧的扩散控制由图5得出 X70母材 的 IL ＝ Icorr ＝7∙8μA·cm －2而焊缝的 IL 为7～ 11μA·cm －2． 图5 在模拟土壤溶液中的焊缝、CGHAZ 和 X70母材的动电位 极化曲线 Fig．5 Potentiodynamic polarization behavior of weld zonecoarsegrained heat-affected zone and X70base material in simulated soil solution 表2 在模拟土壤溶液中的接头各处极化曲线参数 Table2 Corrosion parameters of weld zonecoarse-grained heat-affected zone and X70base material in simulated soil solution 材料 Ecorr／mV Icorr／（μA·cm －2） βa／mV 焊缝 －330 0．01 － X70母材 －760 7．8 290 CGHAZ －758 7．8 305 2∙3 焊缝与 X70钢的电偶腐蚀 由于 CGHAZ 在接头中所占的面积小而且电化 学行为与 X70母材接近所以在电偶腐蚀实验中只 测量 X70与焊缝之间的偶合情况．图6是当焊缝与 X70不同面积比时的电偶电位随时间的变化情况． 从整体上看随着阴／阳极面积比 S 的增大Eg 呈 增加趋势当 S＝0∙164和0∙48时曲线出现交叉 说明在面积比很小时Eg 接近稳定性降低这可能 是焊缝的强阴极极化的原因．同时看到由于焊缝的 阴极活化作用钝化膜溶解滞后Eg 负移均在3h 后达到稳定．由于此时 X70和焊缝上的阴极反应均 由氧扩散控制所以当 S＜4时X70的平均腐蚀电 流密度 Ia＝ Ig＋ Icorr电偶腐蚀效应 γ＝ Ia／Icorr＝ 1＋Ig／Icorr；当 S＝6∙88时阳极极化电位高达100 mV这时 X70表面的阴极反应可以忽略因而有 Ia＝Igγ＝Ig／Icorr其中 Ig＝ ig／Aaig 为实验所测 的电偶电流的平均值ig＝ ∫ T 0 ig（ t）d t ／Tt 为 测量电偶电流的时间T 为总的测量时间．同样焊 缝的阴极电流密度 Ic＝ ig／Ac具体数据见表3． 图6 在模拟土壤溶液中焊缝与 X70不同面积比时的电偶电位 Fig．6 Curves of galvanic potential Eg to time when the weld zone was coupled with X70steel at different area ratios in simulated soil solution 表3 在模拟土壤溶液中焊缝与 X70不同面积比时的电偶腐蚀参数 Table3 Galvanic corrosion parameters of weld zone and X70at different area ratios in simulated soil solution 电偶对 S Eg／ mV ig／ μA Ic／ （μA·cm －2） Ia／ （μA·cm －2） γ 1 0．164 －745 1．29 15．40 10．4 1．33 2 0．480 －740 2．47 10．30 12．7 1．63 3 1．000 －725 9．08 9．08 25．9 3．32 4 4．000 －704 20．15 10．20 48．1 6．17 5 6．880 －678 29．41 8．50 57．4 7．36 从表3可以看到焊缝的平均阴极电流密度 Ic 在不同 S 下很接近；只有当 S＝0∙164时由于焊缝 的阴极极化较大Ic 略偏离 IL．这一结果与图5中 焊缝的阴极极化受氧扩散控制一致同时还能得到 IL 约为9∙5μA·cm －2．由于在本实验的所有 S 下焊 缝的阴极过电位都超过300mV按照去极化100 mV 的阴极保护标准来看这一过电位能对焊缝提 供足够的阴极保护电流因而焊缝不发生腐蚀．表 中还示出 X70的平均腐蚀电流密度 Ia 随 S 的变大 而迅速增大其 γ也成倍增加这是由于焊缝的阴 极极化受氧扩散控制．从图5中可知 X70的阴极反 应也同样受氧扩散控制（ IL＝ Icorr＝7∙8μA·cm －2）． 如果将两者的氧极限扩散电流密度视为相同则 Ac IL＝ Aa（ Ia－ IL）此时 γ＝ Ia／Icorr＝1＋ S可以 ·28· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第1期 刘成虎等：X70异种钢焊接接头的电偶腐蚀行为 .29. 看到Y与S呈线性关系，斜率为1，所以随S的增 X70 steel used for natural gas pipeline.Pipeline Tech Equip, 加，X70的腐蚀急速加剧，这一现象在电偶腐蚀中称 2005,2(2):21 为“汇集原理[可，由表3的数据也发现该接头的电 (张玉芝，源永东，吕向阳.输气管线用X70钢焊接工艺研究， 管道技术与设备，2005,2(2)：21) 偶腐蚀近似于这一特点，尽管电偶腐蚀倾向大，但在 [2]Gao H L.Dong Y H,Zhou HB.The development tendency and 使用过程中由于焊缝面积较小，形成小阴极大阳极 prospects of pipeline steels.Weld Pipe Tube,1999.22(3):4 的偶合情况，所以电偶腐蚀并不十分严重 (高惠临，董玉华，周好斌，管线钢的发展趋势与展望焊管 1999,22(3):4) 3结论 [3]Luo M Q.Study on anti-erosion performance of welding joints oflCr18Ni9Ti or 1Cr18Ni9Ti with 16MnDR.Electr Locomot (1)焊接接头熔合区很窄，不存在类马氏体组 Mass Transit Veh.2004.27(4):49 织，焊缝树枝晶细小，Nb和Mo元素严重偏析于枝 (罗美清，lCrl8Ni9Ti同种金属及其与16MDR异种金属焊 晶间，CGHAZ主要为粗大贝氏铁素体和长条状M一 接接头抗腐蚀研究.电力机车与城轨车辆，2004,27(4)：49) A组元，母材为细小贝氏体组织， [4]YuS F,Qian B N.Local brittleness of X70 pipeline steel.Chin J (2)在模拟土壤溶液中，焊缝呈饨化态，自腐蚀 Mater Res,2004,18(4):405 (于少飞，钱百年。X70管线钢的局部脆化，材料研究学报， 电流密度仅为0.01Acm一2，具有优异的耐蚀性， 2004,18(4):405) CGHAZ和X70母材的电化学行为无明显差异，只 [5]Yu S F,Qian B N,Guo X M.Effect of accelerating cooling on mi- 有当阳极极化过电位超过150mV时，前者的极化 crostructure and toughness of HAZ of X70 pipeline steel.Acta 率略高于后者，焊缝与X70母材的电偶腐蚀倾向 Metall Sin,2005,41(4):402 大 (于少飞，钱百年，国旭明.加速冷却对X70钢热影响区组织与 韧性的影响.金属学报，2005,41(4)：402) (③)焊缝与X70间的电偶腐蚀中，阴极反应受 [6]Os 'orio W R,Freire C R.Garcia A.The role of macrostructural 氧扩散控制，随面积比S的增加，X70的腐蚀急速 morphology and grain size on the corrosion resistance of Zn and Al 加剧，具有近似“汇集原理的腐蚀特点；偶合时焊缝 castings.Mater Sci Eng A,2005,A402:22 阴极极化电位很高，受到完全保护 [7]Cao C N.Electrochemical Corrosion Theory.Beijing:Chemistry Industry Press,2004 参考文献 (曹楚南.腐蚀电化学原理.北京：化学工业出版社，2004) [1]Zhang YZ.Tan Y D.Lu X Y.Study on welding technology of
看到 γ与 S 呈线性关系斜率为1所以随 S 的增 加X70的腐蚀急速加剧这一现象在电偶腐蚀中称 为“汇集原理” ［7］．由表3的数据也发现该接头的电 偶腐蚀近似于这一特点尽管电偶腐蚀倾向大但在 使用过程中由于焊缝面积较小形成小阴极大阳极 的偶合情况所以电偶腐蚀并不十分严重． 3 结论 （1） 焊接接头熔合区很窄不存在类马氏体组 织焊缝树枝晶细小Nb 和 Mo 元素严重偏析于枝 晶间CGHAZ 主要为粗大贝氏铁素体和长条状 M－ A 组元母材为细小贝氏体组织． （2） 在模拟土壤溶液中焊缝呈钝化态自腐蚀 电流密度仅为0∙01μA·cm －2具有优异的耐蚀性． CGHAZ 和 X70母材的电化学行为无明显差异只 有当阳极极化过电位超过150mV 时前者的极化 率略高于后者焊缝与 X70母材的电偶腐蚀倾向 大． （3） 焊缝与 X70间的电偶腐蚀中阴极反应受 氧扩散控制随面积比 S 的增加X70的腐蚀急速 加剧具有近似“汇集原理”的腐蚀特点；偶合时焊缝 阴极极化电位很高受到完全保护． 参 考 文 献 ［1］ Zhang Y ZTan Y DLu X Y．Study on welding technology of X70steel used for natural gas pipeline．Pipeline Tech Equip 20052（2）：21 （张玉芝谭永东吕向阳．输气管线用 X70钢焊接工艺研究． 管道技术与设备20052（2）：21） ［2］ Gao H LDong Y HZhou H B．The development tendency and prospects of pipeline steels．Weld Pipe T ube199922（3）：4 （高惠临董玉华周好斌．管线钢的发展趋势与展望．焊管 199922（3）：4） ［3］ Luo M Q．Study on ant-i erosion performance of welding joints of1Cr18Ni9Ti or 1Cr18Ni9Ti with 16MnDR． Electr Locomot Mass T ransit Veh200427（4）：49 （罗美清．1Cr18Ni9Ti 同种金属及其与16MnDR 异种金属焊 接接头抗腐蚀研究．电力机车与城轨车辆200427（4）：49） ［4］ Yu S FQian B N．Local brittleness of X70pipeline steel．Chin J Mater Res200418（4）：405 （于少飞钱百年．X70管线钢的局部脆化．材料研究学报 200418（4）：405） ［5］ Yu S FQian B NGuo X M．Effect of accelerating cooling on microstructure and toughness of HAZ of X70 pipeline steel．Acta Metall Sin200541（4）：402 （于少飞钱百年国旭明．加速冷却对 X70钢热影响区组织与 韧性的影响．金属学报200541（4）：402） ［6］ Os’orio W RFreire C RGarcia A．The role of macrostructural morphology and grain size on the corrosion resistance of Zn and Al castings．Mater Sci Eng A2005A402：22 ［7］ Cao C N．Electrochemical Corrosion Theory．Beijing：Chemistry Industry Press2004 （曹楚南．腐蚀电化学原理．北京：化学工业出版社2004） 第1期 刘成虎等： X70异种钢焊接接头的电偶腐蚀行为 ·29·