黃鳳祥，滿瑞林*，胡俊利，趙鵬飛

（中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

【化學(xué)轉(zhuǎn)化膜】

鑭和鈰對(duì)不銹鋼著色膜耐蝕性的影響

黃鳳祥，滿瑞林*，胡俊利，趙鵬飛

（中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

研究了添加劑鑭鹽和鈰鹽對(duì)304不銹鋼表面著色膜的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：鉻酸酐250 g/L，硫酸270 mL/L，硝酸鑭或硫酸鈰0.4 g/L，溫度85 °C，反應(yīng)時(shí)間8 ～ 13 min。分別制備了金黃色基礎(chǔ)著色膜、鑭著色膜和鈰著色膜。采用FeCl3縫隙腐蝕試驗(yàn)、塔菲爾極化曲線、電化學(xué)阻抗譜(EIS)等方法對(duì)著色膜的耐蝕性進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，在鉻酸–硫酸著色液中加入稀土能有效提高著色膜的耐蝕性，而鑭鹽的效果又優(yōu)于鈰鹽。金相顯微鏡觀察表明，鑭鹽和鈰鹽著色膜更加均勻致密。初步探討了稀土提高著色膜耐蝕性的機(jī)制。

不銹鋼；鉻酸；著色；稀土；耐蝕性；電化學(xué)

1 前言

經(jīng)過著色的不銹鋼更加美觀，不但能提高裝飾性，而且還能提高耐磨性和耐蝕性，因而成為目前人們研究的熱點(diǎn)[1]。不銹鋼的著色方法中，酸性氧化著色法工藝簡(jiǎn)單，成本較低，溶液壽命長(zhǎng)，且能得到寬光譜的多種色彩，因此被大多數(shù)廠家采用[2]。但是基礎(chǔ)著色液[3]獲得的不銹鋼著色膜還是無法滿足某些特定場(chǎng)合的需求，制約了彩色不銹鋼的用途。使用添加劑來提高著色膜性能是一種比較常規(guī)的做法。

由于稀土添加劑可以改善鍍液的分散能力和深鍍能力，并且可以提高鍍層的光亮度、耐磨性、耐腐蝕性[4-5]，因此被廣泛運(yùn)用于電鍍和化學(xué)鍍過程。但是稀土添加劑在不銹鋼著色中的應(yīng)用很少，徐樺[6]、王鵬程[7]等研究了稀土添加劑對(duì)著色速度、著色溫度和著色膜色彩的影響，尚未見單獨(dú)研究稀土添加劑對(duì)著色膜耐蝕性影響的報(bào)道。本文通過在基礎(chǔ)著色液中添加稀土鹽硝酸鑭或硫酸鈰[8]來制備著色膜。借助FeCl3縫隙腐蝕試驗(yàn)、極化曲線、電化學(xué)阻抗譜等實(shí)驗(yàn)手段考察了著色膜的耐蝕性，用金相顯微鏡觀察了著色膜的表面形貌，并提出可能的耐蝕機(jī)制，為改進(jìn)不銹鋼酸性氧化著色法提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 不銹鋼表面預(yù)處理

將聯(lián)眾產(chǎn)304不銹鋼板裁成尺寸為40 mm × 25 mm × 0.5 mm的試樣數(shù)片，按以下步驟進(jìn)行預(yù)處理：去除保護(hù)膜─蒸餾水洗─磷酸和硫酸混合液[9]拋光5 min─蒸餾水洗─10%(體積分?jǐn)?shù))硫酸溶液電解活化[10]3 min─蒸餾水浸泡─待用。

2. 2 工作溶液的配制

配制組成為鉻酸酐250 g/L、濃硫酸270 mL/L的基礎(chǔ)著色液3份各100 mL，冷卻后其中2份分別添加硝酸鑭和硫酸鈰各0.04 g，攪拌均勻后即制得鑭鹽著色液和鈰鹽著色液，待用。

2. 3 著色膜的制備

將經(jīng)過預(yù)處理的試樣分別放入85 °C的基礎(chǔ)著色液、鑭鹽著色液和鈰鹽著色液中，采用時(shí)間控制法，試樣出現(xiàn)金黃色時(shí)取出，用蒸餾水沖洗、吹干，即制得基礎(chǔ)著色膜、鑭著色膜和鈰著色膜。

2. 4 著色膜的耐蝕性檢測(cè)

參照GB/T 10127–2002《不銹鋼三氯化鐵縫隙腐蝕試驗(yàn)方法》對(duì)著色膜進(jìn)行耐蝕性檢測(cè)，所用 10%的FeCl3溶液以100 g分析純FeCl3·6H2O溶于900 mL的0.05 mol/L鹽酸水溶液配制而成。試樣用膠帶密封四邊和背面，消除機(jī)械破壞帶來的影響。纏好膠帶后計(jì)算表面積、稱重，常溫下浸泡于配制好的 FeCl3溶液，50.5 h后取出洗凈，烘干24 h后稱重。初始質(zhì)量與最終質(zhì)量的差值為失重量，失重量與浸泡時(shí)間、試樣表面積的比值即為失重腐蝕速率。

電化學(xué)測(cè)試手段能更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)著色膜的耐蝕性，因此采用Princeton公司的PARSTAT2273電化學(xué)系統(tǒng)分別測(cè)試著色膜的 Tafel極化曲線和電化學(xué)阻抗譜(EIS)。采用傳統(tǒng)的三電極體系，工作電極為不銹鋼試樣，輔助電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，測(cè)試在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中進(jìn)行，系統(tǒng)溫度控制在(25 ± 2) °C。Tafel極化曲線在掃描電位范圍為?1.0 ～ ?0.5 V(相對(duì)于SCE)、掃速1.0 mV/s的條件下進(jìn)行。電化學(xué)阻抗譜在頻率掃描范圍為100 kHz ～10 mHz、正弦電壓幅值為10 mV的條件下進(jìn)行，并采用ZSimpWin分析軟件對(duì)阻抗譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

2. 5 著色膜的表面形貌表征

為了更好地了解著色膜的表面形貌，探究稀土提高著色膜耐蝕性的原因，采用Leica公司的DFC480金相顯微鏡將試樣放大1 600倍后拍照，觀察著色膜的表面形貌。

3 結(jié)果與討論

3. 1 FeCl3縫隙腐蝕試驗(yàn)

FeCl3溶液的 Cl?易穿透著色膜與不銹鋼基體發(fā)生反應(yīng)，使試樣失重。失重腐蝕速率越小，著色膜的耐蝕性越好。FeCl3縫隙腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果見表1，試驗(yàn)后的試樣外觀見圖1。

表1 FeCl3縫隙腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of FeCl3 crevice corrosion test

圖1 FeCl3縫隙腐蝕試驗(yàn)后著色膜的表面狀況Figure 1 Surface status of colored films after FeCl3 crevice corrosion test

由表 1可知，與基礎(chǔ)著色膜相比，鑭著色膜和鈰著色膜的失重腐蝕速率均有所降低，其中鑭著色膜的失重腐蝕速率比鈰著色膜更低，說明鑭著色膜的耐蝕性更佳。由圖1可知，試驗(yàn)后著色膜的宏觀腐蝕形貌差異很大，基礎(chǔ)著色膜受到極嚴(yán)重的破壞，甚至造成不銹鋼基體大量穿孔，而鑭著色膜和鈰著色膜的腐蝕程度小得多，說明鑭鹽和鈰鹽提高了著色膜在試驗(yàn)條件下的耐蝕性。

3. 2 Tafel極化曲線

不同試樣的Tafel極化曲線見圖2。

圖2 3種著色膜在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的Tafel極化曲線Figure 2 Tafel polarization curves of three colored films in 3.5wt% NaCl solution

將極化曲線的線性部分外推可獲得自腐蝕電流密度、自腐蝕電位等參數(shù)。自腐蝕電流密度越低，自腐蝕電位越高，則腐蝕越不容易發(fā)生[11]。采用Cview軟件對(duì)極化曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果見表2。由表2可知，與基礎(chǔ)著色膜相比，鑭著色膜和鈰著色膜的自腐蝕電流密度均降低，同時(shí)自腐蝕電位升高，表明鑭著色膜和鈰著色膜的耐蝕性優(yōu)于基礎(chǔ)著色膜。與鈰著色膜相比，鑭著色膜的自腐蝕電流密度更低，自腐蝕電位更高，說明鑭鹽能更好地提高著色膜的耐蝕性。

表2 Tafel極化曲線的擬合數(shù)據(jù)Table 2 Fitted data of Tafel polarization curves

3. 3 電化學(xué)阻抗譜

不同試樣的電化學(xué)阻抗譜見圖3和圖4。

圖3 3種著色膜在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的Nyquist圖Figure 3 Nyquist plots of three colored films in 3.5wt% NaCl solution

圖4 3種著色膜在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的Bode圖Figure 4 Bode plots of three colored films in 3.5wt% NaCl solution

電化學(xué)阻抗譜不僅可以較好地反映著色膜的耐蝕性，而且可以獲得比其他方法更多的動(dòng)力學(xué)信息和電極界面結(jié)構(gòu)的信息[11]。由圖3可知，在測(cè)試頻率范圍內(nèi)，3種試樣的Nyquist圖均存在2個(gè)容抗弧，而圖4b的相位角圖中也出現(xiàn) 2個(gè)波峰，說明阻抗譜圖的高頻端和低頻端各有一個(gè)時(shí)間常數(shù)。這兩個(gè)時(shí)間常數(shù)表明了不銹鋼表面經(jīng)過鈍化處理后形成了著色膜[11]。

從圖4a可以看出，在低頻區(qū)(0.01 ～ 0 Hz)和中頻區(qū)(0 ～ 1 000 Hz)，鑭著色膜和鈰著色膜的阻抗模值相對(duì)于基礎(chǔ)著色膜都有很大提高，而鑭著色膜的阻抗模值又高于鈰著色膜，表明鑭著色膜的耐蝕性比鈰著色膜好。從圖4b也可看出，在高頻區(qū)(1 000 ～ 100 000 Hz)，鑭著色膜和鈰著色膜的相位角都高于基礎(chǔ)著色膜，說明鑭鹽和鈰鹽使著色膜更致密，可以更有效地阻擋腐蝕介質(zhì)接觸不銹鋼基體。

該電化學(xué)阻抗譜對(duì)應(yīng)的等效電路如圖5所示[11-12]。

圖5 等效電路圖Figure 5 Equivalent circuit diagram

圖5中，Rs為溶液電阻，C1和R1分別表示著色膜的電容和著色膜表面微孔的電阻；Cd和Rp分別表示不銹鋼基體與電解液之間的雙電層電容和不銹鋼基體的極化電阻。其中Rp越大，電荷傳遞的電阻就越大，導(dǎo)致自腐蝕電流減小，腐蝕速率就降低。而容抗正好相反，Cd減小表明雙電層變寬，析氫過程變困難，著色膜耐蝕性變好[5]。該等效電路的主要參數(shù)見表3。

表3 Nyquist圖和Bode圖的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Table 3 Fitted data of Nyquist and Bode plots

由表3可知，3種試樣的極化電阻Rp從大到小的排列順序?yàn)殍|著色膜 ＞ 鈰著色膜 ＞ 基礎(chǔ)著色膜，雙電層電容Cd從小到大的排列順序?yàn)殍|著色膜 ＜ 鈰著色膜 ＜ 基礎(chǔ)著色膜。這說明鑭鹽和鈰鹽可以提高著色膜的耐蝕性，而鈰鹽對(duì)提高著色膜耐蝕性的效果不如鑭鹽明顯，這與FeCl3縫隙腐蝕試驗(yàn)和Tafel極化曲線的結(jié)果一致。

3. 4 表面形貌及機(jī)制探討

金相顯微鏡觀察到的著色膜表面形貌如圖6所示。

圖6 3種著色膜的金相顯微鏡照片F(xiàn)igure 6 Metallographs of three colored films

由圖6可知，基礎(chǔ)著色膜表面有很多微孔和裂痕，鈰著色膜表面稍微致密，而鑭著色膜表面最均勻致密，只有少數(shù)裂痕，幾乎沒有微孔。

著色膜越致密，腐蝕介質(zhì)就越不容易穿透著色膜與不銹鋼基體發(fā)生反應(yīng)，著色膜的耐蝕性就越佳。筆者認(rèn)為稀土影響了著色膜的形成過程，提高了著色膜的致密程度。由于不銹鋼表面微觀上總是存在大量的空位、螺旋位錯(cuò)、晶界等缺陷，著色過程中性質(zhì)活潑的稀土離子能夠優(yōu)先吸附在這些地方。一方面，稀土離子的吸附阻礙了電子和離子的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生了對(duì)金屬離子水解成著色膜的阻礙作用，從而使陰極極化加大，提高了金屬離子水解時(shí)的形核率，促進(jìn)著色膜的細(xì)化；另一方面，隨著著色膜的增厚，稀土還能夠降低晶界能，阻礙晶界的移動(dòng)，抑制晶粒的長(zhǎng)大[13-14]。因此稀土有助于形成更加致密的著色膜，提高著色膜的耐蝕性。

4 結(jié)論

FeCl3縫隙腐蝕試驗(yàn)、極化曲線和電化學(xué)阻抗譜的結(jié)果共同表明：與基礎(chǔ)著色膜相比，鑭著色膜和鈰著色膜的耐蝕性均有提高，其中鑭著色膜的耐蝕性優(yōu)于鈰著色膜。金相顯微鏡觀察結(jié)果表明，添加鑭鹽或鈰鹽后，著色膜表面更加致密，鑭著色膜的致密程度高于鈰著色膜。由于僅探討了單一稀土鹽對(duì)著色膜耐蝕性的影響，并未探討復(fù)配稀土對(duì)著色膜的影響，因此本文具有一定的局限性。

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Effects of lanthanum and cerium on corrosion resistance of colored film on stainless steel //

HUANGFeng-xiang, MAN Rui-lin*, HU Jun-li, ZHAO Peng-fei

The effects of La and Ce salts as additives on colored films on 304 stainless steel surface were studied. Conventional colored film, La colored film, and Ce colored film, all in gold, were prepared from a coloring bath consisting of CrO3250 g/L and H2SO4270 mL/L with and without La(NO3)3·6H2O or Ce2(SO4)3·8H2O 0.4 g/L at 85 °C for 8-13 min. The corrosion resistance of the colored films were determined by FeCl3crevice corrosion test, Tafel polarization curve measurement, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The results indicate that the addition of rare earth to chromic-sulfuric acid coloring bath improves the corrosion resistance of colored films efficiently, and La has better effectiveness than Ce. The metallographic observation show that La and Ce salts make the colored film more uniform and compact. The mechanism that results in an improvement of corrosion resistance for the colored films obtained with rare earths is preliminarily analyzed.

stainless steel; chromic acid; coloring; rare earth; corrosion resistance; electrochemistry

School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China

TG178

A

1004 – 227X (2012) 09 – 0017 – 04

2012–02–21

2012–03–30

國(guó)家自然科學(xué)基金（21046007）。

黃鳳祥（1988–），男，福建泉州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榻饘俦砻嫣幚怼?/p>

滿瑞林，教授，(E-mail) rlman@mail.csu.edu.cn。

[ 編輯：溫靖邦 ]