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        高溫條件對金屬材料電化學(xué)腐蝕行為的影響研究

        2020-08-05 07:19:58張正彪
        世界有色金屬 2020年10期
        關(guān)鍵詞:碳酸鈉金屬材料電位

        張正彪

        (昭通學(xué)院,云南 昭通 657000)

        金屬材料根據(jù)所包含的金屬元素種類不同,可分為純金屬材料、合金金屬材料、金屬材料金屬間化合物以及特殊金屬材料四種,由于金屬材料具有良好的力學(xué)性能、化學(xué)性能等金屬特性,其中化學(xué)性能包括耐酸性、耐堿性、耐氧化性、耐腐蝕性,被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活中,隨著金屬材料生產(chǎn)工藝水平不斷提高,以及對金屬材料耐久性能要求不斷提高,在金屬材料生產(chǎn)和使用中,金屬材料的耐腐蝕性能越來越受到重視,試圖通過不斷的優(yōu)化金屬材料的生產(chǎn)工藝來提高金屬材料的耐腐蝕性能,所以對金屬材料電化學(xué)腐蝕行為研究是非常必要的,因此提出高溫條件對金屬材料電化學(xué)腐蝕行為的影響研究,為優(yōu)化金屬材料生產(chǎn)工藝,以及提高金屬材料耐腐蝕性能提供理論依據(jù)。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

        實(shí)驗(yàn)材料為某大型金屬材料生產(chǎn)企業(yè)提供,所有金屬材料均為熱軋?jiān)嚇樱饘俨牧仙a(chǎn)工藝采取的是ACG(氬氧脫碳)精煉工藝。經(jīng)檢測金屬材料主要金屬元素成分如表1所示。

        從表可以看出,所選的金屬材料中碳元素、硫0元素以及磷元素等有害金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于國標(biāo)規(guī)定(wt≤0.075%)的最低要求,并且金屬材料試樣夾雜物較少,不會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對于金屬材料的腐蝕介質(zhì)選擇碳酸鈉溶液,對碳酸鈉溶液要用分析純試劑和高純?nèi)シ肿铀M(jìn)行配置,所有實(shí)驗(yàn)環(huán)境均在溫室下進(jìn)行。

        實(shí)驗(yàn)設(shè)備:美國FD公司生產(chǎn)的LK502恒電流儀;英國RT公司生產(chǎn)的PKJ恒電位儀;工作電極、參比電極以及輔助電極三電極體系裝置。

        1.2 實(shí)驗(yàn)過程

        首先將金屬材料試樣進(jìn)行常規(guī)電化學(xué)實(shí)驗(yàn),采用工作電極、參比電極以及輔助電極三電極體系裝置,如果沒有特殊說明,工作電極和輔助電極均是相對于參比電極,且工作電極為Pt片。實(shí)驗(yàn)中分別在10℃常規(guī)溫度與100℃超高溫度條件下,將金屬材料試樣放在碳酸鈉腐蝕溶液中進(jìn)行腐蝕,利用KUG006電位掃描儀由低頻向高頻進(jìn)行電位掃描,腐蝕電位-時(shí)間曲線測試時(shí)間為1000s,頻率范圍設(shè)定在120kHz~180 kHz區(qū)間內(nèi),儀器的激勵信號幅值設(shè)定為15mV正弦交流信號,此外電位區(qū)間設(shè)定在-0.9V-+0.9V,掃描速度為25mV/s,由陽極電極到陰極電極進(jìn)行電位掃描。將掃描得到的數(shù)據(jù)利用DLP軟件進(jìn)行擬合,然后根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果提出相應(yīng)的等效電路圖,用于記錄金屬材料電化學(xué)腐蝕電位隨時(shí)間的變化。

        表1 金屬材料的化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)

        表2 常規(guī)溫度和高溫條件下金屬材料的電化學(xué)腐蝕參數(shù)表

        當(dāng)在腐蝕電位下,金屬材料在碳酸鈉溶液中浸泡時(shí)間達(dá)到45min后獲得金屬材料腐蝕產(chǎn)物膜,運(yùn)用掃描電化學(xué)顯微鏡對金屬材料腐蝕產(chǎn)物膜進(jìn)行測量,采用三電極體系,探針電極為Pt盤位電極,光斑直徑大小為45μm,化學(xué)元素深度分布采用能量為0.65keV的Ar離子對金屬材料腐蝕產(chǎn)物膜進(jìn)行轟擊,電流為1.5mA,最后利用KJYH4.65軟件進(jìn)行峰值擬合,用于分析金屬材料電化學(xué)腐蝕行為特征,所有金屬材料的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要至少重復(fù)三次,以此保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        在常規(guī)溫度和高溫兩種溫度條件下,金屬材料都有明顯的電化學(xué)腐蝕行為,下圖為金屬材料在常規(guī)溫度和高溫條件下腐蝕電位-時(shí)間曲線圖。

        圖1 金屬材料在常規(guī)溫度和高溫條件下腐蝕電位-時(shí)間曲線圖

        從上圖可以看出,在常規(guī)溫度下金屬材料在碳酸鈉腐蝕介質(zhì)中浸泡時(shí)間為250s以后,腐蝕電位基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),并且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,金屬材料的腐蝕電位變化幅度不高;而在高溫條件下,金屬材料在碳酸鈉腐蝕介質(zhì)中腐蝕電位起初下降較快,大約在450s后趨于穩(wěn)定狀態(tài),這說明高溫條件會降低金屬材料電化學(xué)腐蝕行為的穩(wěn)定性,并且會加快金屬材料的電化學(xué)腐蝕行為速度。下表為常規(guī)溫度和高溫條件下金屬材料的電化學(xué)腐蝕參數(shù)表。

        上圖所表示為不用溫度條件下,金屬材料在腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)阻抗譜特征。從上表可以看出,溫度提高后,金屬材料無論是致密層電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于疏松層電阻,這說明高溫條件下金屬材料致密內(nèi)層的腐蝕特性在鈍化膜的耐蝕性能影響機(jī)制中起到主導(dǎo)作用,也說明隨著溫度的提高,金屬材料的鈍化膜厚度有所增加。

        3 結(jié)果討論

        通過以上實(shí)驗(yàn)研究與分析發(fā)現(xiàn),高溫條件對金屬材料電化學(xué)腐蝕行為確實(shí)具有較大的影響,金屬材料電化學(xué)測量結(jié)果表明,高溫條件會影響到金屬材料電化學(xué)腐蝕行為穩(wěn)定性,不僅會加快金屬材料電化學(xué)腐蝕進(jìn)程,還會加深金屬材料電化學(xué)腐蝕深度。而從金屬材料電化學(xué)腐蝕參數(shù)中可以看出,溫度的升高,會擴(kuò)大金屬材料鈍化區(qū)域范圍,并且增強(qiáng)金屬材料的鈍化現(xiàn)象,腐蝕電流密度與腐蝕電位也高于常規(guī)溫度,腐蝕電位與腐蝕電流密度代表的是金屬材料的腐蝕速度和腐蝕程度,這說明溫度越高,金屬材料腐蝕傾向越大,腐蝕速度越快,腐蝕程度越深。從金屬材料的鈍化角度分析,金屬材料進(jìn)入鈍化狀態(tài)的電位大小可以看出,常規(guī)溫度下金屬材料的致鈍電流低于高溫環(huán)境,說明高溫條件會加快金屬材料更早進(jìn)入鈍化區(qū),并且鈍化狀態(tài)的穩(wěn)定性較好,以此實(shí)現(xiàn)了高溫條件對金屬材料電化學(xué)腐蝕行為的影響研究。

        4 結(jié)語

        此次對高溫條件對金屬材料電化學(xué)腐蝕行為的影響進(jìn)行了研究,對金屬材料腐蝕性能進(jìn)一步提高具有重要的理論意義,同時(shí)對金屬材料精煉工藝的優(yōu)化和完善也同樣具有重要的參考依據(jù)。由于此次研究時(shí)間有限,雖然在該方面取得了一定的研究成果,但實(shí)驗(yàn)條件僅設(shè)置了常規(guī)溫度與高溫溫度兩種,并且選取的腐蝕介質(zhì)僅有碳酸鈉酸性介質(zhì)一種,研究內(nèi)容還存在一些不足之處,今后還需在該方面進(jìn)行深入研究,為金屬材料電化學(xué)腐蝕行為研究提供理論依據(jù)。

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