干、濕大氣環(huán)境下帶銹鐵器文物腐蝕的銹層分析

歐陽維真

(桂林空軍學(xué)院， 廣西 桂林 541003)

干、濕大氣環(huán)境下帶銹鐵器文物腐蝕的銹層分析

歐陽維真

(桂林空軍學(xué)院， 廣西 桂林 541003)

采用激光拉曼光譜 (Laser Raman)和X射線衍射分析 (XRD)等方法研究帶銹鑄鐵經(jīng)過不同周期干、濕大氣腐蝕時(shí)銹層相的轉(zhuǎn)變。帶銹試樣內(nèi)、外層的激光拉曼光譜分析結(jié)果表明：試樣內(nèi)、外層腐蝕產(chǎn)物的相結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異，外層主要由β、α、γ-FeOOH和Fe2O3相結(jié)成，內(nèi)層比外層還多出了Fe3O4相。X射線衍射分析結(jié)果表明：隨著干、濕大氣腐蝕周期的增加，腐蝕產(chǎn)物中β-FeOOH相逐漸增多，而α-FeOOH和γ-FeOOH兩相變化不大。

鐵器文物；帶銹鑄鐵；激光拉曼光譜

1 前言

鐵器文物在海水中長(zhǎng)期浸泡腐蝕的結(jié)果，在其表面生成了一層很厚的疏松多孔膜，其中主要腐蝕產(chǎn)物為β、γ和α-FeOOH相。由于腐蝕后一部分基體轉(zhuǎn)變?yōu)楦g產(chǎn)物附著在文物上，為了研究鐵器文物大量的文化歷史信息，將其從海底打撈出水后實(shí)施保護(hù)時(shí)，腐蝕產(chǎn)物并非全部去除。腐蝕產(chǎn)物中大量氯離子的存在使鐵器文物在大氣環(huán)境下加速腐蝕，尤其是干、濕環(huán)境中腐蝕更為嚴(yán)重，使得鐵器文物迅速損壞。[1-4]帶銹鐵器在干、濕大氣環(huán)境中的腐蝕機(jī)理研究目前還處于初級(jí)階段，國內(nèi)外有關(guān)這方面的文獻(xiàn)也很少，為了更好地制訂保護(hù)方案，深入進(jìn)行帶銹鐵器被打撈出水后在干、濕大氣環(huán)境中腐蝕機(jī)理的研究是十分必要的。本文通過激光拉曼光譜 (Laser Raman)和X射線衍射分析 (XRD)等方法研究帶銹鑄鐵經(jīng)過不同周期干、濕大氣腐蝕相的轉(zhuǎn)變，為腐蝕機(jī)理初步分析提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用材料為模擬鐵器文物組成的灰口鑄鐵，其化學(xué)成分 (mass%)為：C 3.00，Si 1.84，Mn 0.82，P 0.098，S 0.089，余量為Fe。將材料線切割加工成20mm×15mm×3mm的方形試樣，水砂紙逐級(jí)打磨至1000號(hào)，使試樣表面光滑且無明顯的孔洞和劃痕，去離子水沖洗干凈、丙酮除油后置于盛有含3.5%(mass%)NaCl水溶液的容器中浸泡，所有試樣放在介質(zhì)中同一深度。浸泡過程在溫度約為18℃的環(huán)境中進(jìn)行，定期檢查溶液，添加去離子水以保證溶液液面處于同一位置，即保持NaCl溶液的濃度基本上不變化。將浸泡2個(gè)月的試樣從溶液中取出后用去離子水沖洗，干燥48h后再置于潮濕環(huán)境放置48h，這個(gè)過程作為一個(gè)干、濕大氣腐蝕的周期，用上海精創(chuàng)公司DT-2型濕度測(cè)試儀測(cè)得干燥條件下的相對(duì)濕度為15%左右，潮濕環(huán)境下的相對(duì)濕度約為92%。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 激光拉曼光譜測(cè)試(Laser Raman)

將經(jīng)過4個(gè)周期干、濕大氣腐蝕后的試樣進(jìn)行激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)。激光拉曼光譜測(cè)量?jī)x器采用Nicolet公司生產(chǎn)的Almega型共焦顯微激光拉曼光譜儀，該儀器配有Olympus顯微鏡，包含有5個(gè)光學(xué)鏡頭，同時(shí)附帶可伸長(zhǎng)的光纖探頭。激光器采用激發(fā)線為785nm的NIR diode laser，功率為40mw×10%，空間分辨率為2μm。將帶銹試樣用去離子水沖洗陰干，置于充滿氮?dú)獾母稍锲髦斜M快測(cè)試。直接把試樣置于樣品室顯微鏡下，將十字光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)在所需測(cè)試部位即可進(jìn)行分析。為了研究同一試樣腐蝕產(chǎn)物不同層面的相組成，首先分析外銹層的結(jié)構(gòu)，然后用小刀將銹層與基體分離、翻轉(zhuǎn)后對(duì)內(nèi)銹層進(jìn)行分析。

2.2.2 X射線衍射分析(XRD)

將經(jīng)過2個(gè)周期干、濕大氣腐蝕的帶銹試樣標(biāo)注測(cè)試位置后進(jìn)行XRD測(cè)試，用自動(dòng)X射線衍射儀(Rigaku-D/max2500PC型)測(cè)定腐蝕產(chǎn)物的相結(jié)構(gòu)。陽極為Cu靶，工作電壓為50kV，掃描范圍為3～90?，掃描速度為10?/min。該試樣隨后再經(jīng)過2個(gè)周期干、濕大氣腐蝕后，同一位置進(jìn)行測(cè)試，比較不同周期腐蝕前后相的變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 激光拉曼光譜分析(LaserRaman)

圖1是經(jīng)過4個(gè)周期干、濕大氣腐蝕的帶銹試樣內(nèi)外層的顯微照片。

圖1 干、濕大氣腐蝕后帶銹試樣腐蝕產(chǎn)物層的顯微照片

由圖1(a)可以看出：帶銹試樣腐蝕產(chǎn)物外層為疏松的棕褐色，顆粒粗大且結(jié)構(gòu)缺陷較多，大量孔洞的存在不能有效地覆蓋內(nèi)層，也無法阻止O2、H2O和Cl－等滲入。圖1(b)中黃褐色的內(nèi)層較薄而致密，顆粒較細(xì)，腐蝕產(chǎn)物上細(xì)微裂縫和網(wǎng)狀裂紋為腐蝕介質(zhì)滲入到基體表面提供了通道，內(nèi)層也起不到阻擋作用。

將圖1內(nèi)、外層中白色十字交叉的位置進(jìn)行激光拉曼光譜測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 內(nèi)、外層腐蝕產(chǎn)物上白色十字交叉位置的激光拉曼光譜圖

由圖2可以看出：試樣內(nèi)、外層腐蝕產(chǎn)物的相結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異，外層主要由β、α、γ-FeOOH和Fe2O3相結(jié)成，內(nèi)層比外層還多出了Fe3O4相。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與未經(jīng)干、濕大氣腐蝕的帶銹試樣測(cè)試結(jié)果有所不同，[5]后者腐蝕產(chǎn)物雖然也出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，但是內(nèi)外層腐蝕產(chǎn)物基本相似。內(nèi)外層腐蝕產(chǎn)物的差異說明內(nèi)外層腐蝕反應(yīng)有所不同。

3.2.2 腐蝕產(chǎn)物XRD結(jié)果分析

圖3是經(jīng)過2個(gè)和4個(gè)周期干、濕大氣腐蝕帶銹試樣的XRD圖譜。

圖3 不同周期干、濕大氣腐蝕帶銹試樣的XRD圖譜

由圖3可以看出：經(jīng)過不同周期干、濕大氣腐蝕的帶銹試樣腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜具有相似的特征，主要由β、α和γ-FeOOH組成，還有一部分Fe3O4相。經(jīng)過4個(gè)周期干、濕大氣腐蝕的帶銹試樣腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜上β-FeOOH峰的相對(duì)強(qiáng)度比經(jīng)過2個(gè)周期的峰高出許多，而α-FeOOH和γ-FeOOH兩相變化不大，說明隨著干、濕大氣腐蝕周期的增加，腐蝕產(chǎn)物中β-FeOOH相逐漸增多。

4 結(jié)論

（1）帶銹試樣內(nèi)、外層的顯微照片結(jié)果表明：帶銹試樣腐蝕產(chǎn)物外層顆粒粗大且結(jié)構(gòu)缺陷較多，大量孔洞的存在不能有效地覆蓋內(nèi)層，內(nèi)層較薄而致密，顆粒較細(xì)，腐蝕產(chǎn)物上細(xì)微裂縫和網(wǎng)狀裂紋為腐蝕介質(zhì)滲入到基體表面提供了通道，內(nèi)層也起不到阻擋作用。

（2）激光拉曼光譜分析結(jié)果表明：試樣內(nèi)、外層腐蝕產(chǎn)物的相結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異，外層主要由β、α、γ-FeOOH和Fe2O3相結(jié)成，內(nèi)層比外層還多出了Fe3O4相。

（3）X射線衍射分析結(jié)果表明：隨著干、濕大氣腐蝕周期的增加，腐蝕產(chǎn)物中β-FeOOH相逐漸增多，而α-FeOOH和γ-FeOOH兩相變化不大。

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[2]王光雍，王海江，李興濓．自然環(huán)境的腐蝕與防護(hù)大氣、海水、土壤[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997：130．

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[5]歐陽維真，許淳淳．模擬鐵器文物脫鹽清洗前后表面銹層的分析[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2005，17(6)：425-428．

An Analysis of Corrosion Layers on Rusted Cast-iron Relics in Wet/Dry Atmospheric Environments

Ouyang Weizhen
（Guilin Air Force Academ y,Guilin 541003,China)

Bymeans of Laser Raman and XRD,this papermakes an analysis of the phase changes in the corrosion layers on rusted cast-iron relics in wet/dry atmospheric environments during different cycles of time.The results of analyzing the inner and outer layers on the rusted sample by Laser Raman show that different phase changes are found in the corroded substances in the two layers,the phase components of the outer layer beingmainly β、α、γ-FeOOH and Fe2O3 and those of the inner layer,apart from Fe3O4,being the same as those of the outer layer.Analysis by XRD indicates that the amount ofβ-FeOOH in the corroded substances increaseswith the continuation of corrosion cycles.However,the amount ofγ-FeOOH and α-FeOOH remains almost unchanged.

cast-iron relic;rusted cast iron;Laser Raman

TG174.4

A

1673-8535（2010）03-0019-04

歐陽維真 （1967-），男，湖南寧遠(yuǎn)人，桂林空軍學(xué)院副教授，博士，研究方向：材料物理與化學(xué)。

（責(zé)任編輯：高 堅(jiān)）

2010-01-20

國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目（2001BA805B01）階段性成果