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        鐵基非晶帶材1K101在氯離子溶液中的腐蝕行為研究

        2021-08-19 11:51:26屈懷超白江虎薛海軍
        重型機(jī)械 2021年4期
        關(guān)鍵詞:腐蝕電流帶材極化曲線

        屈懷超,白江虎,薛海軍

        (酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

        0 前言

        非晶態(tài)合金因其超高速凝固技術(shù)制備,其特征是原子長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)凝聚態(tài)組織結(jié)構(gòu),由于它呈玻璃態(tài)的非晶特征而具有傳統(tǒng)合金材料無(wú)法達(dá)到的綜合優(yōu)異性能,以其優(yōu)異的鐵磁性、抗腐燭性、高耐磨性和高強(qiáng)度而成為一種新的功能材料[1-2],但是由于在制備工藝中要求冷卻速度快,因此,制備厚度較薄的非晶帶材工藝簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),成本較低,在使用過(guò)程中因帶材較薄,剛性差,應(yīng)用受限,而制備厚度較厚的大塊非晶工藝難度大,不易穩(wěn)定。因此,在基體金屬上通過(guò)熱噴涂和激光熔覆制備非晶涂層,進(jìn)一步利用表界面非晶獨(dú)特的耐磨性以及耐腐蝕性能。非晶涂層仍然存在著制備控制難度大,冷卻速度達(dá)不到非晶熱力學(xué)形成條件,極易導(dǎo)致涂層晶化,進(jìn)而喪失其涂覆層耐磨、耐腐蝕的優(yōu)良效果,這使得發(fā)展非晶復(fù)合材料,以克服技術(shù)缺陷[3-4]。

        利用高分子阻尼粘結(jié)劑將基板和非晶薄帶材粘和在一起形成的層狀復(fù)合材料,使其具備非晶薄帶材良好的耐磨耐腐蝕性能和基板良好的剛度(鋁板),復(fù)合工藝較為簡(jiǎn)單;因此選擇非晶薄帶材進(jìn)行選材研究,分析其組織及腐蝕行為的基礎(chǔ)研究對(duì)開(kāi)發(fā)高耐蝕金屬膜復(fù)合板具有較大意義。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        1.1 材料成分及金相組織分析

        選用市場(chǎng)上厚度為0.1 mm的鐵基非晶帶材1K101(鐵硅硼非晶),將其剪切成15 mm×15 mm的方形試樣,鑲樣,打磨至1 000目,拋光后利用GXL-8230電子探針測(cè)試其主要成分。使用王水作為腐蝕劑進(jìn)行金相腐蝕,利用日本PMG3(倒置)金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察,采用蔡斯Merlin cumcct型掃描電鏡(SEM)。

        1.2 材料電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)

        將非晶帶材1K101制備成15 mm×15 mm的試樣,使用無(wú)水乙醇溶液中清洗,吹干作為工作電極備用,利用(BM-001)CS350電化學(xué)工作站測(cè)試25±2 ℃下試樣在氯離子溶液中腐蝕0 h,24 h,72 h,168 h的極化曲線,參比電極為212型飽和氯化鉀甘汞電極(無(wú)鹽橋),輔助電極為260型鉑電極[5];極化曲線測(cè)試參數(shù):掃描速率為2 mV/s,氯離子腐蝕溶液使用氯化鈉、鹽酸、氫氧化鈉和蒸餾水進(jìn)行配置,配置成氯離子的物質(zhì)量濃度為2.4 mol/L的氯離子溶液,Ph值分別為2.14、7、11.8的酸性、中性和堿性溶液。

        1.3 腐蝕產(chǎn)物測(cè)試及形貌觀察

        將試樣腐蝕168 h后取出腐蝕樣品,采用蔡斯Merlin cumcct型掃描電鏡(SEM)觀測(cè)腐蝕形貌。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 材料成分及組織分析

        選用市場(chǎng)上常用的鐵基非晶帶材1K101(鐵硅硼非晶),利用電子探針測(cè)試其主要成分如表1所示。利用金相顯微鏡進(jìn)行金相觀察,金相組織如圖1所示,利用SEM進(jìn)行組織形貌觀察,顯微形貌如圖2所示。

        表1 鐵基非晶材料主要成分/wt%

        圖1 鐵基非晶金相組織

        圖2 鐵基非晶顯微組織

        由表1可知,鐵基非晶帶材1K101的成分為主要鐵、硅、硼元素,觀察圖1結(jié)合圖2可知,鐵基非晶帶材1K101的組織在顯微鏡下和電鏡下未發(fā)現(xiàn)晶界,為非晶態(tài)組織。

        2.2 電化學(xué)腐蝕分析

        如圖3所示為鐵基非晶帶材1K101在中性氯離子溶液中不同浸泡時(shí)間下的的動(dòng)電位極化曲線和電化學(xué)參數(shù)圖,圖3a表示鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14的氯離子溶液中不同浸泡時(shí)間下的極化曲線;圖3b表示鐵基非晶帶材1K101在Ph=7的氯離子溶液中不同浸泡時(shí)間下的極化曲線;圖3c表示鐵基非晶帶材1K101在Ph=11.8的氯離子溶液中不同浸泡時(shí)間下的極化曲線;圖3d表示鐵基非晶帶材1K101在Ph=11.8的氯離子溶液中電化學(xué)參數(shù)數(shù)值,擬合方法為弱極化區(qū)tafel外推法。

        圖3 動(dòng)點(diǎn)位極化曲線及電化學(xué)參數(shù)數(shù)值圖

        從圖3a、圖3b、圖3c可以看出,鐵基非晶帶材1K101在氯離子溶液腐蝕的陽(yáng)極極化曲線未出現(xiàn)明顯的活化鈍化現(xiàn)象;其腐蝕完全是由電化學(xué)反應(yīng)控制,濃差極化作用可以忽略,從圖3d可以看出,鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14的氯離子溶液中的自腐蝕電流在腐蝕初期為7.5×10-5A/cm2,隨著腐蝕至24 h,自腐蝕電流升高達(dá)到值1.1×10-4A/cm2,隨后隨著時(shí)間延長(zhǎng)至72 h,自腐蝕電流變至1.3×10-4A/cm2,隨后腐蝕至168 h時(shí),自腐蝕電流又有一定幅度的下降,使得自腐蝕電流呈現(xiàn)出先增大后逐漸減小的趨勢(shì);而在Ph=7和Ph=11.8的氯離子環(huán)境中均比較穩(wěn)定,為1×10-5A/cm2,腐蝕速率均低,鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14、Ph=7和Ph=11.8的氯離子環(huán)境中均比較穩(wěn)定,隨著時(shí)間的推移,腐蝕電位分別穩(wěn)定在-1.1 V,-0.8 V和-0.55 V,說(shuō)明腐蝕主要是陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)為主,最終腐蝕速度控制在10-5~10-4A/cm2,其抗腐蝕能力良好[6-7]。

        2.3 腐蝕形貌及產(chǎn)物分析

        如圖4所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14的氯離子溶液中的腐蝕形貌,圖5所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌,圖6所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=7的氯離子溶液中的腐蝕形貌,圖7所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=7的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌,圖8所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=11.8的氯離子溶液中的腐蝕形貌,圖9鐵基非晶帶材1K101在Ph=11.8的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌。

        圖4 樣品在Ph=2.14的氯離子溶液中的腐蝕形貌

        圖5 樣品在Ph=2.14的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌

        圖6 樣品在Ph=7的氯離子溶液中的腐蝕形貌

        圖7 樣品在Ph=7的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌

        圖8 樣品在Ph=11.8的氯離子溶液中的腐蝕形貌

        圖9 樣品在Ph=11.8的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌

        結(jié)合圖4和圖5可以看出,鐵基非晶帶材在Ph=2.14的氯離子環(huán)境中,腐蝕為點(diǎn)腐蝕的活性溶解腐蝕,腐蝕由點(diǎn)腐蝕孔開(kāi)始向周?chē)钚匀芙?,腐蝕嚴(yán)重。在Ph=7的氯離子環(huán)境中,腐蝕產(chǎn)物如團(tuán)絮顆粒狀吸附在基體上,未見(jiàn)明顯的點(diǎn)腐蝕,腐蝕仍未活性溶解。在Ph=11.8的氯離子環(huán)境中,出現(xiàn)了少量點(diǎn)腐蝕,未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物粘附在基體上,仍未陽(yáng)極活性溶解。

        3 分析與討論

        鐵硅硼鐵基非晶帶材1K101在物質(zhì)量濃度為2.4 mol/L的氯離子溶液中腐蝕主要以局部腐蝕為主。在Ph=2.14的酸性氯離子環(huán)境中和在Ph=11.8的堿性腐蝕環(huán)境中,腐蝕均為點(diǎn)腐蝕的活性溶解腐蝕,而在Ph=7的中性腐蝕環(huán)境中,未見(jiàn)明顯的點(diǎn)腐蝕;分析其原因?yàn)镠+和OH-均會(huì)促進(jìn)濃縮電池效應(yīng),促進(jìn)氯離子電腐蝕的加劇,導(dǎo)致氯離子在未產(chǎn)生點(diǎn)蝕坑的缺陷區(qū)域處富積,聚成核后,導(dǎo)致該區(qū)域陽(yáng)極溶解加速[8-11],形成點(diǎn)蝕坑陽(yáng)極金屬的溶解,會(huì)加速Cl-透過(guò)腐蝕產(chǎn)物膜擴(kuò)散到點(diǎn)蝕坑內(nèi),使點(diǎn)蝕坑內(nèi)的Cl-濃度進(jìn)一步增加,這一過(guò)程是屬于Cl-的催化機(jī)制,當(dāng)Cl-濃度超過(guò)一定的臨界值之后,陽(yáng)極將一直處在活化狀態(tài)而不會(huì)鈍化[12-16]。結(jié)合動(dòng)電位極化曲線,鐵基非晶帶材1K101在氯離子的腐蝕主要以陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)為主,陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)速率是動(dòng)力學(xué)控制步驟,腐蝕環(huán)境中綜合腐蝕速率(電流密度)控制在10-5~10-6A/cm2,抗腐蝕能力良好;但在酸性環(huán)境中為10-4A/cm2,腐蝕速率較高,在中性和堿性環(huán)境中保持在10-5A/cm2。

        4 結(jié)論

        (1)鐵硅硼鐵基非晶帶材1K101在氯離子溶液中腐蝕動(dòng)電位極化曲線表明腐蝕主要為陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng),腐蝕速度控制在10-5~10-4A/cm2,其抗腐蝕能力良好,但在Ph=2.14的酸性氯離子溶液中,腐蝕速率為10-4A/cm2,較Ph=7和Ph=11.8的腐蝕速率10-4A/cm2高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

        (2)鐵硅硼鐵基非晶帶材1K101在氯離子溶液中,腐蝕產(chǎn)物形貌及成分分析表明:鐵硅硼鐵基非晶帶材1K101在物質(zhì)量濃度為2.4 mol/L的氯離子溶液中腐蝕主要以局部腐蝕為主;在Ph=2.14的酸性氯離子環(huán)境中和在Ph=11.8的堿性腐蝕環(huán)境中,腐蝕均為點(diǎn)腐蝕的活性溶解腐蝕,而在Ph=7的中性腐蝕環(huán)境中,未見(jiàn)明顯的點(diǎn)腐蝕。

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