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        耐候指數(shù)對熱軋耐候鋼電化學行為的影響

        2021-12-17 02:40:14趙麗丹胡學文何博王占業(yè)郭銳石踐汪飛
        腐蝕與防護 2021年6期

        趙麗丹,胡學文,何博,王占業(yè),郭銳,石踐,汪飛

        (馬鞍山鋼鐵股份有限公司,馬鞍山 243003)

        鋼鐵材料因具有高強輕質(zhì)、組織均勻、韌性和延性好等特性,被廣泛用于鐵路、橋梁、船舶等領域,但苛刻的工況使其在服役過程中易發(fā)生腐蝕而影響使用壽命[1-3]。據(jù)統(tǒng)計,全世界每年由于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟損失達數(shù)萬億美元[4-5]。為提高普通碳素鋼的耐大氣腐蝕性能,在其成分基礎上加入適量的Cu、P、Cr、Ni等合金元素,開發(fā)出熱軋耐候鋼[6-9]。該鋼在腐蝕過程中,因合金元素富集使其表面形成致密的具有保護性的銹層,阻礙腐蝕介質(zhì)(如Cl-)與基體接觸,進而使其耐蝕性提高2~8倍[10-12]。

        目前,熱軋耐候鋼耐蝕性的研究方法大多集中于傳統(tǒng)的腐蝕試驗,如周期浸潤腐蝕試驗等[13-14]。熱軋耐候鋼主要用于鐵路車輛、集裝箱和塔架等,服役環(huán)境多為潮濕、酸性等環(huán)境,極易發(fā)生嚴重的電化學腐蝕[15-18],相較于傳統(tǒng)的腐蝕試驗,電化學測試可通過建立等效電路模型進一步分析耐候鋼的表面結(jié)構(gòu)和腐蝕原因[19-20]。此外,ASTM G101-2001《低合金鋼耐大氣腐蝕性評估的標準指南》標準提出修正的Legault-Leckie公式,并定義了耐候指數(shù)I,I值越高,鋼材的耐蝕性越好[21]。

        迄今為止,關于耐候指數(shù)與熱軋耐候鋼電化學行為的相關性研究鮮有報道。因此,本工作探究了熱軋耐候鋼電化學行為隨耐候指數(shù)的變化規(guī)律。

        1 試驗

        1.1 試樣

        試驗用六種熱軋鋼板被加工成尺寸為10 mm×10 mm 的試樣,經(jīng)砂紙逐級打磨后,依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗10 min后吹干,去除試樣表面污漬。如表1 所示,1 號、2 號試樣為普通碳素鋼,其他均為熱軋耐候鋼。從耐候指數(shù)推測,1~6號試樣的耐腐蝕性依次變好。

        表1 不同試樣的主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)及耐候指數(shù)Tab.1 Main chemical composition(mass fraction/%)and weathering index of different samples

        1.2 試驗方法

        電化學試驗采用標準的三電極體系,通過普林斯頓2273型電化學工作站進行測試。試樣為工作電極,鉑絲網(wǎng)為輔助電極,Ag/AgCl電極為參比電極。電解液選取常用的3.5%(質(zhì)量分數(shù),下同)NaCl溶液。為保證整個體系處于穩(wěn)定狀態(tài),首先測量試樣表面的開路電位,測試時間為3 600 s。動電位極化曲線測量時電位掃描范圍為-0.3~0.3 V,掃描速率為1 m V/s。電化學阻抗譜測量過程的頻率掃描范圍為10-2~105Hz,施加的交流電正弦波幅值為10 m V。然后使用Powersuit和Zview 軟件擬合極化曲線和阻抗譜。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 動電位極化曲線

        根據(jù)GB/T 17899-1999《不銹鋼點蝕電位測量方法》規(guī)定,陽極反應電流密度為100μA/cm2時,對應的電位為點蝕電位。由圖1可以看出,6號試樣的極化曲線在最上方,表明其自腐蝕電位和點蝕電位最高,1號試樣的極化曲線位于最下方,表明其自腐蝕電位和點蝕電位最低。如表2 所示,用Ecorr表示自腐蝕電位,Jcorr表示自腐蝕電流密度,E′b100表示點蝕電位。試樣的自腐蝕電位和點蝕電位與耐候指數(shù)基本保持一致,具體表現(xiàn)為:隨著耐候指數(shù)的增大,自腐蝕電位和點蝕電位依次增大,說明1~6號試樣的耐蝕性依次變好。

        表2 不同試樣動電位極化曲線的擬合參數(shù)Tab.2 Fitting parameters of dynamic potential polarization curves of different samples

        圖1 不同試樣在3.5% NaCl溶液中的動電位極化曲線Fig.1 Dynamic potential polarization curves of different samples in 3.5% NaCl solution

        2.2 電化學阻抗譜

        由圖2 可知,Nyquist圖中6 號試樣阻抗譜的半圓弧直徑明顯大于其他試樣的。Bode圖中6號試樣的低頻極限阻抗模值大于其他試樣的,表明其具有良好的耐蝕性,這與動電位極化曲線測試結(jié)果基本一致。進一步分析發(fā)現(xiàn),Nyquist圖和Bode圖中六種試樣的阻抗譜分別只有1個半圓弧和1個時間常數(shù),說明從高頻到低頻,僅存在一個容抗弧,六種試樣未因腐蝕產(chǎn)物的生成形成多層膜結(jié)構(gòu)[22]。

        圖2 不同試樣在3.5% NaCl溶液中的電化學阻抗譜Fig.2 EIS of different samples in 3.5% NaCl solution:(a)Nyquist plots;(b)Bode plots

        如圖3所示,其中Rs為溶液電阻,Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻。由表3可知,試樣電荷轉(zhuǎn)移電阻由高到低依次為:6號、5號、4號、1號、2號、3號,這與極化曲線結(jié)果略有偏差,Rct越大,腐蝕過程越難發(fā)生。CPE為常相位角元件,包括兩個參數(shù)Y0和n,Y0代表界面電容,n表示彌散指數(shù)。6種試樣的n值均大于0.6,呈現(xiàn)出帶有限滯留層的擴散型阻抗特征[22-23],說明此時試樣表面腐蝕反應生成的產(chǎn)物層已經(jīng)對溶液產(chǎn)生屏障作用,溶液中的離子向基體擴散受到限制。1號和2號試樣的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct顯著低于6號試樣的,說明6號試樣表面的腐蝕產(chǎn)物層具有較高的離子傳導阻抗。

        表3 不同試樣電化學阻抗譜的擬合參數(shù)Tab.3 Fitting parameters of EIS of different samples

        圖3 電化學阻抗譜的等效電路Fig.3 Equivalent circuit corresponding to EIS

        2.3 討論

        圖4為六種試樣的自腐蝕電位、點蝕電位和電荷轉(zhuǎn)移電阻隨耐候指數(shù)的變化。由圖5可知,總體上六種試樣的耐蝕性(自腐蝕電位)與耐候指數(shù)呈正相關性。自腐蝕電位隨耐候指數(shù)的增加逐漸增大,并且符合關系式(1):

        圖4 不同試樣的電化學參數(shù)隨耐候指數(shù)的變化Fig.4 Change of electrochemical parameters of different samples with weathering index

        圖5 不同試樣自腐蝕電位隨耐候指數(shù)變化的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of self-corrosion potential of different samples with weathering index

        其中,5號試樣的腐蝕電位隨I的增大而減小,但點蝕電位逐漸增大,說明5號試樣發(fā)生點蝕較為困難。

        3 結(jié)論

        (1)在3.5% NaCl溶液中,六種試樣未因腐蝕產(chǎn)物的生成而形成多層膜結(jié)構(gòu),結(jié)合電化學阻抗譜與極化曲線的結(jié)果,總體上試樣的耐蝕性與耐候指數(shù)呈正相關性。

        (2)耐候指數(shù)為0.57~11.34時,試樣的腐蝕電位隨耐候指數(shù)的增加而增加,并且符合關系式:Ecorr=2.34·10-4I2+0.007 9I-0.685。

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