電化學(xué)阻抗譜技術(shù)對不同鋼材腐蝕過程的研究

電化學(xué)阻抗譜技術(shù)對不同鋼材腐蝕過程的研究

胡滿杰

(安徽省地勘局三一二地質(zhì)隊(duì)安徽蚌埠233040)

摘要：利用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)研究了冷軋板、鍍鋅板、六價(jià)鉻鈍化處理鍍鋅板的電化學(xué)腐蝕過程，對不同板材的耐蝕性能進(jìn)行了比較，利用等效電路對不同板材的腐蝕過程進(jìn)行了擬合，探討了鋼材腐蝕過程的機(jī)理，為改善鋼材的耐蝕性能提供了參考。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)阻抗譜；冷軋板；鍍鋅板；腐蝕

中圖分類號：O657.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2014-12-23

作者簡介：胡滿杰(1963-)，男，安徽懷寧人。安徽省地勘局三一二地質(zhì)隊(duì)，高級工程師。

金屬的腐蝕，特別是鋼鐵的腐蝕，遍及社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，對社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生巨大危害[1]。因此研究各類鋼材的腐蝕規(guī)律、腐蝕機(jī)理和腐蝕特性，建立腐蝕數(shù)據(jù)庫，從理論上指導(dǎo)鋼材的防腐技術(shù)和防腐工藝的改進(jìn)，延緩金屬材料腐蝕，提高其使用壽命，對節(jié)能環(huán)保具有重要的意義[2]。金屬腐蝕是電化學(xué)腐蝕的一種特殊形式，因此電化學(xué)方法常被用來研究金屬腐蝕。用于鋼鐵腐蝕研究的電化學(xué)技術(shù)有極化曲線法、電化學(xué)交流阻抗譜、微參比電極、Kelvin探頭測量技術(shù)、電化學(xué)探測電池、電化學(xué)噪聲等[3]。

電化學(xué)阻抗譜(EIS)是一種以小振幅的正弦波電位為擾動(dòng)信號的電化學(xué)測量方法，是一種暫態(tài)電化學(xué)技術(shù)，具有測量速度快，對研究對象表面狀態(tài)干擾小的特點(diǎn)。與其它常規(guī)的電化學(xué)方法相比，可以得到更多的動(dòng)力學(xué)信息及電極界面結(jié)構(gòu)的信息，是一種常用的研究鋼材腐蝕過程的方法[4-6]。本文擬采用電化學(xué)阻抗譜對不同材質(zhì)的鋼板腐蝕過程進(jìn)行研究，探討腐蝕機(jī)理，為鋼材的防腐提供必要的參考數(shù)據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)部分

電化學(xué)性能測試是在上海辰華公司生產(chǎn)的型號為CHI760D電化學(xué)工作站上進(jìn)行的。腐蝕介質(zhì)為3 wt%的NaCl溶液，測定溫度為室溫。采用三電極體系，測試裝置如圖1所示。工作電極采用自制裝置，預(yù)留1 cm2的工作面積，鉑絲電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。電化學(xué)阻抗譜測量的頻率范圍為10-2Hz-105Hz，交流激勵(lì)信號幅值為 5mV。

2結(jié)果與討論

2.1　不同板材的電化學(xué)阻抗譜

為了去除樣品表面不均勻性對測試結(jié)果的影響，在進(jìn)行電化學(xué)測試前，對冷軋板采用砂紙打磨除銹和丙酮超聲除油兩步預(yù)處理過程；對鍍鋅板采用在丙酮中超聲除油的預(yù)處理方式。經(jīng)預(yù)處理后，所有樣品的兩次測量極化曲線基本吻合，表明預(yù)處理能夠保證電化學(xué)測試結(jié)果的穩(wěn)定性及重現(xiàn)性，為后續(xù)的腐蝕機(jī)理研究提供了保證。試驗(yàn)中，選取了冷軋板、鍍鋅板、六價(jià)鉻鈍化處理鍍鋅板等三種板材，分布測試其電化學(xué)阻抗譜，結(jié)果如圖2所示。

可以看出，三種板材從高頻到低頻部分呈一完整連續(xù)的容抗弧，說明此時(shí)板材表面腐蝕是受電化學(xué)控制的。電化學(xué)阻抗譜只有一個(gè)時(shí)間常數(shù)，表明腐蝕只發(fā)生在板材的表層。板材在低頻區(qū)均表現(xiàn)出了一定的感抗收縮現(xiàn)象，說明此時(shí)板材表面的保護(hù)層發(fā)生溶解。在含Cl-的腐蝕環(huán)境中，鍍鋅板表面容易形成堿式氯化鋅和氧化鋅等腐蝕產(chǎn)物，這些物質(zhì)可以抑制電荷的轉(zhuǎn)移，在高頻區(qū)出現(xiàn)容抗弧。在低頻區(qū)出現(xiàn)容抗弧是由于電解質(zhì)在膜層空隙中的擴(kuò)散導(dǎo)致。冷軋板表面在腐蝕的初期可以形成鐵的氧化物，起到類似鋅氧化物的作用，但防腐能力弱于鍍鋅板。容抗弧半徑的大小可用來表示電子的鋼材表面?zhèn)鬟f的難易程度，與耐蝕性能的相關(guān)。由圖2可以看出，容抗弧半徑的增加順序?yàn)殁g化板>鍍鋅板>冷軋板，說明鍍鋅板的耐蝕能力強(qiáng)于冷軋板，而經(jīng)鈍化處理的鍍鋅板耐蝕能力最好。

2.2　等效電路擬合

雖然采用EIS技術(shù)可獲得大量具有潛在應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但對這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行謹(jǐn)慎的分析和解釋。對電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)的分析方法主要是等效電路模型方法擬合EIS數(shù)據(jù)。等效電路(見圖3)由模擬電極/溶液界面的各種電學(xué)元件組合而成。這些電學(xué)元件包括電阻(R)，電容(Q)和彌散指數(shù)n(代表表面性質(zhì)的不均勻程度)等。在上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們用ZsimpWin軟件按照如下的等效電路對三種板材的腐蝕過程進(jìn)行了擬合，結(jié)果如表1所示。

在等效電路中，Rs對應(yīng)于腐蝕介質(zhì)的歐姆電阻，R1對應(yīng)于鋼材表面鍍層或腐蝕層的電阻，Q1和Q2分別對應(yīng)于腐蝕層表面和鋼材基底表面的雙電層電容，Rp為鋼材表面的極化電阻。從擬合數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)鈍化處理后的鍍鋅板的表面均勻性最好，表面電阻最大，耐蝕能力最強(qiáng)。

2.3　板材在鹽水介質(zhì)中浸泡不同時(shí)間后的阻抗譜

為了考察鋼材表面鍍層的耐蝕能力的持續(xù)性，研究了鍍鋅板和六價(jià)鉻鈍化處理后的鍍鋅板在鹽水介質(zhì)中浸泡不同時(shí)間后的電化學(xué)阻抗譜的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4和圖5所示。鍍鋅板在3 wt%NaCl溶液中浸泡24 h后阻抗值達(dá)到最大，浸泡時(shí)間超過96 h后，阻抗值開始下降。說明鍍鋅層在腐蝕初期形成的腐蝕層能更好對基底鋼材起到保護(hù)作用。浸泡時(shí)間超過96 h后，鍍鋅層被破壞，耐蝕能力開始下降。經(jīng)六價(jià)鉻鈍化處理后的鍍鋅板阻抗值的變化規(guī)律與鍍鋅板相似，但在浸泡24 h后，板材的阻抗值更大。說明經(jīng)鈍化處理后的鍍鋅板耐蝕能力更好。冷軋板在鹽水中浸泡一小時(shí)后，阻抗值就發(fā)生明顯下降，說明冷軋板表面的腐蝕層很快溶于鹽水，不能對基底鋼材起到保護(hù)作用。

3結(jié)論

電化學(xué)阻抗譜可用于研究不同鋼材的腐蝕過程。通過等效電路擬合，可對腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究。不同來源的板材腐蝕機(jī)理的差異導(dǎo)致不同板材的耐蝕能力存在較大差異。鍍鋅板在鹽水中的耐蝕能力強(qiáng)于冷軋板，經(jīng)鈍化處理后的鍍鋅板具有更好的耐蝕能力。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]林玉珍，楊德均，腐蝕和腐蝕控制原理，北京：中國石化出版社，2007：1-7

[2]魏寶明，金屬腐蝕理論及應(yīng)用，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004

[3]楊仲年， 耐候鋼和Zn與Zn-Fe合金鍍層的腐蝕電化學(xué)行為研究[C]. 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文， 2006

[4]A. Amirudin, D. Thierry, Electrochemical sensor for monitoring atmospheric corrosion of polymer coated metal, British Corrosion Journal, 1995, 30(3), 214-220

[5]T. Kamimura, M. Stratmann, The influence of chromium on the atmospheric corrosion of steel. Corrosion Science, 2001, 43, 429-447

[6]R. P. Vera Cruz, A, Nishikata, T. Tsuru, AC impedance monitoring of pitting corrosion of stainless steel under a wet-dry cyclic condition in chloride-containing environment, Corrosion Science, 1996, 38(8): 1397-1406

Study on corrosion process of different steels

using electrochemical impedance spectroscopy

HU Man-jie

Abstract：Electrochemical impedance spectroscopy was adopted to study electrochemical corrosion of different steels including cold-rolled sheet, galvanized sheet, and hexavalent chromium passivated galvanized sheet. Anti-corrosion of different sheets was compared. The corrosion process of different sheets was fitted using equivalent circuit to discuss the corrosion mechanism, which could be helpful for improving anti-corrosion ability of steel.

Key words：Electrochemical impedance spectroscopy;cold-rolled sheet;galvanized sheet;corrosion