陳 亮，姜愛華，丁 毅，馬立群

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210009)

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了得到材料性能的某種特殊的結(jié)合和節(jié)省昂貴或稀缺材料的需要，在很多的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)使用了異種金屬焊接技術(shù)［1］。20鋼具有良好地機(jī)械性能、加工性能和焊接性能，廣泛用于構(gòu)件、鋼板和管道等［2］。304不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的一種耐蝕合金，具有良好的耐蝕性能、耐熱性能、機(jī)械性能、加工性能和焊接性能，廣泛用于石油化工、冶金機(jī)械等［3］。碳鋼和不銹鋼的異種焊接既能充分發(fā)揮鋼的耐蝕性、耐氧化等優(yōu)良性能，也能夠利用碳鋼的力學(xué)性能并可以降低成本，因此被廣泛使用在船舶、化工、核能等領(lǐng)域［4］。然而，由于是異種金屬的焊接，在腐蝕性介質(zhì)中不可避免的發(fā)生電偶腐蝕，故需對(duì)其進(jìn)行腐蝕防護(hù)［5］。本文主要采用緩蝕劑的方法來防護(hù)，通過葡萄糖酸鈉及其復(fù)配物研究碳鋼不銹鋼焊接試樣的緩蝕性能，從而確定最佳緩蝕配方。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為20鋼和304不銹鋼片，試樣尺寸均為50mm×25mm×2mm。對(duì)其進(jìn)行對(duì)焊，填充焊絲選擇綜合性能較好的ER309L氬弧焊絲，采用鎢極氬弧焊的方法(TIG焊)，保護(hù)氣體為氬氣，流量為12～15L/min，焊接電壓為60V，焊接電流為60A，焊接速度為8～10cm/min。對(duì)焊后的焊接試樣尺寸為100mm×25mm×2mm。試樣見圖1，實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分見表1。

圖1 焊接試樣照片

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分(%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 緩蝕劑和酸洗溶液

1)緩蝕劑。單組分緩蝕劑葡萄糖酸鈉與四硼酸鈉分別用去離子水配制;復(fù)配緩蝕劑葡萄糖酸鈉與四硼酸鈉按一定的比例用去離子水配制。

緩蝕劑總質(zhì)量濃度為450mg/L不變，按照ρ(葡萄糖酸鈉)∶ρ(四硼酸鈉)分別為0∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶0 進(jìn)行配制各種緩蝕劑進(jìn)行緩蝕性能測(cè)試，不加緩蝕劑作為空白對(duì)照。

2)酸洗溶液。量取50mL濃鹽酸溶于去離子水中并稀釋至500mL，加入少許烏洛托品，用玻璃棒攪拌至完全溶解均勻。

1.2.2 緩蝕性能實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用浸泡試驗(yàn)和電化學(xué)試驗(yàn)來檢測(cè)碳鋼不銹鋼焊接試樣在3.5%氯化鈉溶液中添加不同配比緩蝕劑的緩蝕性能。

浸泡試驗(yàn)。將對(duì)焊后的試樣放入3.5%NaCl溶液中，θ為25℃，浸泡t為7d。具體步驟如下:試樣水洗→超聲波除油→水洗→干燥→實(shí)驗(yàn)前稱質(zhì)量→浸泡→水洗→酸洗→水洗→干燥→試驗(yàn)后稱質(zhì)量。測(cè)定試樣在3.5%NaCl溶液中的腐蝕速率。

腐蝕速率按式(1)計(jì)算:

式中，v為腐蝕速率，mg/(cm2·d);m0為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量，mg;m1為試驗(yàn)后試片質(zhì)量，mg;S為試樣總面積，cm2;t為試驗(yàn)時(shí)間，d。

緩蝕效率按式(2)計(jì)算:

式中，η為緩蝕效率，%;v1、v0分別為有、無緩蝕劑條件下的腐蝕速率，mg/(cm2·d)。

電化學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn) θ為25℃，試驗(yàn)溶液為3.5%NaCl溶液。在圖1中所示的碳鋼母材區(qū)、碳鋼熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、不銹鋼熱影響區(qū)、不銹鋼母材區(qū)分別取正方形試樣作為電化學(xué)試驗(yàn)所用的工作電極。使用CHI 660D電化學(xué)綜合測(cè)試儀，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑金電極，將試樣即工作電極放入溶液中靜置1h，先測(cè)其自腐蝕電位，再?gòu)淖愿g電位－200mV處開始對(duì)試樣進(jìn)行極化曲線測(cè)試，直至自腐蝕電位200mV處停止，掃描速度為1mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸泡實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用緩蝕劑總質(zhì)量濃度為450mg/L不變，按照 ρ(葡萄糖酸鈉)∶ρ(四硼酸鈉)分別為 0∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶0 配制各種緩蝕劑，加入到3.5%NaCl溶液中進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，以不加緩蝕劑的作為空白對(duì)照。表2為葡萄糖酸鈉和四硼酸鈉復(fù)配的溶液緩蝕性能。

表2 葡萄糖酸鈉和四硼酸鈉復(fù)配溶液緩蝕性能

從表2中可以看出，單組分的葡萄糖酸鈉和單組分的四硼酸鈉對(duì)碳鋼不銹鋼焊接試樣都具有一定的緩蝕性能，且同濃度的葡萄糖酸鈉的緩蝕性能高于四硼酸鈉。緩蝕劑總的濃度不變，當(dāng)加入的葡萄糖酸鈉和四硼酸鈉的比值是1∶4時(shí)，緩蝕效率達(dá)到最高為86.04%，為本實(shí)驗(yàn)最佳配比。另外，從表2中也可以看出，復(fù)配后的緩蝕劑的緩蝕效率并不都是大于單組分的緩蝕劑的。

浸泡7d后，將試樣取出觀察其表面可以看出，1號(hào)試驗(yàn)樣碳鋼部位表面有一層黃色浮銹，可以很容易的用水洗去;2號(hào)試驗(yàn)樣碳鋼部位表面呈黑色，為葡萄糖酸鈉與鐵離子形成的螯合物成膜在碳鋼表面;3～9號(hào)試驗(yàn)樣碳鋼部位表面隨著四硼酸鈉的增加而由黑色為主轉(zhuǎn)為黃色為主;10號(hào)試驗(yàn)樣表面呈黑黃色，為四硼酸鈉與鐵離子的產(chǎn)物成膜在碳鋼表面上。1～10號(hào)試驗(yàn)樣不銹鋼部位表面與浸泡前相比均沒有發(fā)生明顯變化。

2.2 電化學(xué)測(cè)試

從3.5%NaCl溶液浸泡試驗(yàn)可知，碳鋼不銹鋼焊接試樣在添加最佳配比緩蝕劑后的溶液中的耐蝕性能比未添加緩蝕劑的得到了明顯地提高。為進(jìn)一步確定該結(jié)論，研究了在溶液中未添加緩蝕劑和添加最佳配比的緩蝕劑后焊接試樣的電化學(xué)性能。

圖2 為焊接試樣不同部位(碳鋼母材、碳鋼熱影響區(qū)、焊縫、不銹鋼熱影響區(qū)及不銹鋼母材)在3.5%NaCl溶液中的極化曲線，表3列出了從極化曲線中得到的電化學(xué)參數(shù)值。

圖2 焊接試樣的極化曲線

表3 焊接試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)參數(shù)

結(jié)合圖2和表3可以看出，加入最佳配比的緩蝕劑后，焊接試樣各部位的自腐蝕電流都明顯降低，說明其腐蝕速率明顯減小;自腐蝕電位向正方向移動(dòng)，說明該復(fù)配緩蝕劑主要是控制電化學(xué)反應(yīng)陽極過程的緩蝕劑。另外，從未加緩蝕劑和已加緩蝕劑的自腐蝕電流的減小量可以看出，該復(fù)配緩蝕劑對(duì)碳鋼部位的緩蝕作用最大。

3 結(jié)論

1)本文主要研究環(huán)保型緩蝕劑葡萄糖酸鈉和四硼酸鈉復(fù)配對(duì)碳鋼不銹鋼焊接試樣的緩蝕性能，其最佳配方為:90mg/L葡萄糖酸鈉、360mg/L四硼酸鈉，緩蝕效率達(dá)到最高為86.04%，復(fù)配緩蝕劑主要是控制電化學(xué)反應(yīng)陽極過程的緩蝕劑。

2)葡萄糖酸鈉和四硼酸鈉對(duì)碳鋼不銹鋼焊接試樣都具有一定的緩蝕性能，且同質(zhì)量濃度的葡萄糖酸鈉的緩蝕性能高于四硼酸鈉。

［1］Ravent P，Lankshminarayanan P R，Balasubramanian V.Optimization of Friction Welding Process Parameters for Joining Carbon Steel and Stainless Steel［J］.Journal of I-ron and Steel Research，International，2012，19(1):66-71.

［2］潘正軍.20碳鋼與316L不銹鋼異種鋼的焊接［J］.廣州造船，2005，(3):26-29.

［3］張晶瑩.304奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的研究及防護(hù)［J］.裝備制造技術(shù)，2012，(2):154-156.

［4］趙東升，劉玉君，孫敏科，等.碳鋼與304不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算［J］.焊接學(xué)報(bào)，2012，33(1):93-95.

［5］王志龍，陳武，舒福昌，等.文昌油田套管鋼電偶腐蝕與緩蝕劑研究［J］.油田化學(xué)，2004，21(2):195-198.