貝氏體耐候鋼模擬工業(yè)大氣腐蝕交流阻抗譜分析

邵長靜

摘 要：主要闡述了實驗?zāi)康?、實驗方法和實驗結(jié)果等具體內(nèi)容，提出了提高貝氏體耐候鋼耐蝕性作用的方法和具體實驗判定過程。

關(guān)鍵詞：貝氏體耐候鋼；耐蝕性；交流阻抗譜；實驗鋼

中圖分類號：TG174.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.008

1 實驗?zāi)康?/p>

該實驗的目的是通過測定電化學(xué)交流阻抗譜，驗證了添加了耐蝕性元素P和Cu等與貝氏體組織的存在，確實提高了自行研制的磷合金化貝氏體耐候鋼的耐工業(yè)大氣腐蝕性能。

2 實驗鋼的成分和金相組織

該實驗設(shè)計了2種不同成分的磷合金化貝氏體耐候鋼C1鋼和C2鋼，其成分如表1所示。

在實驗過程中，取09CuPCrNi鋼作為對比鋼種，3種實驗鋼均為熱軋態(tài)。其金相組織分別為：C1鋼和C2鋼的組織均為細小的粒狀貝氏體，09CuPCrNi為細小的鐵素體+珠光體組織，如圖1.

3 實驗方法

采用質(zhì)量分數(shù)為0.052%的NaHSO3溶液模擬工業(yè)大氣對實驗鋼的腐蝕，在德國產(chǎn)電化學(xué)工作站ZAHNER-IM6e上進行阻抗譜測定。電化學(xué)阻抗譜測試參數(shù)分別為：頻率為10-2～105 Hz，施加擾動電位5 mV（交流激勵信號）。選用相關(guān)軟件擬合EIS圖（電化學(xué)阻抗譜圖），可以得到相關(guān)的電化學(xué)參量——Rp（金屬基體和滲入銹層內(nèi)的電解質(zhì)溶液構(gòu)成的雙電層離子傳遞電阻）和Rt（銹層和附著在銹層表面的電介質(zhì)溶液所構(gòu)成的雙電層的離子傳遞電阻）。

4 實驗結(jié)果和分析

圖2為3種實驗鋼裸樣在質(zhì)量分數(shù)為0.052%的NaHSO3溶液內(nèi)的電化學(xué)交流阻抗譜。由圖可見，3種實驗鋼裸樣阻抗譜的奈奎斯特圖都是由高頻段壓縮的容抗弧、低頻段平面電極的有限層2部分構(gòu)成。這說明，電化學(xué)反應(yīng)過程同時受到電極過程控制和平面電極的有限層擴散控制。在實驗過程中，使用了質(zhì)量分數(shù)為0.052%的NaHSO3溶液模擬工業(yè)大氣對實驗鋼的腐蝕情況，并且腐蝕液呈弱酸性。因此，其在此溶液內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)為：陽極的鐵離子與陰極的氫氧根離子結(jié)合，先生成腐蝕產(chǎn)物氫氧化亞鐵并沉淀。由于溶液中存在氧，將氫氧化亞鐵進一步氧化為氫氧化鐵，氫氧化鐵呈薄膜狀，并疏松地包裹在實驗鋼的表面，具有一定的保護作用，所以，在奈奎斯特圖中出現(xiàn)了平面電極的有限層擴散?。ㄖ笢鲗拥暮穸葹橛邢拗担?。將奈奎斯特圖高頻段的壓縮容抗弧延長，使之與阻抗實軸相交，延長線與實軸交點的坐標值即為溶液電阻+極化電阻（Rs+Rp）的數(shù)值。因為它們處于相同的腐蝕液中，溶液電阻Rs是相同的，所以，由此可以看出，極化電阻Rp的大小為：C2鋼>09CuPCrNi>C1鋼。

實驗鋼裸樣在腐蝕液中電化學(xué)腐蝕情況的模擬等效電路如圖3所示。其中，Rs為溶液電阻；CPE1表示鋼表面和溶液構(gòu)成的雙電層，是常相位角元件；Rp為極化電阻（金屬的腐蝕程度和腐蝕狀況的電荷傳遞電阻）；Ws是平面電極的有限層擴散所引起的阻抗。采用該電路擬合的電化學(xué)參數(shù)擬合實驗鋼裸樣模擬工業(yè)大氣腐蝕的交流阻抗譜，擬合曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，擬合的電化學(xué)參數(shù)所繪制的奈奎斯特圖與實測圖形之間的偏差很小。這說明，該電路模型較好地描述了實驗鋼裸樣在該腐蝕液中的電化學(xué)行為。

圖5是3種實驗鋼模擬腐蝕5周期后帶銹樣品的交流阻抗譜。模擬工業(yè)大氣腐蝕5周期后，鋼的表面逐漸被一層比較完整的銹層所覆蓋，銹層在一定程度上阻止了離子通過，因為銹層疏松，所以，工作電極（試樣）和溶液之間出現(xiàn)了2個雙電層，即基體金屬和滲入到基體表面的電解液構(gòu)成的；銹層外表面和電解液構(gòu)成的。雙電層電容與腐蝕產(chǎn)物在金屬表面的積累有關(guān)，也與電極表面的多孔性和粗糙度密切相關(guān)。與裸樣相似，腐蝕5周期帶銹試樣交流阻抗譜的奈奎斯特圖在高頻段同樣出現(xiàn)了壓縮容抗弧，但是，在復(fù)平面阻抗譜的低頻區(qū)出現(xiàn)了1個擴散尾，表現(xiàn)出了明顯的擴散控制特征。同樣，將奈奎斯特圖高頻段容抗弧延長，讓它與阻抗實軸相交，就可得出溶液電阻+銹層電阻（Rs+Rt）的大小。由于溶液電阻Rs是相同的，所以，實驗鋼銹層電阻大小為：C2鋼>09CuPCrNi>C1鋼。

在評定腐蝕產(chǎn)物層的性能時，波特圖比奈奎斯特圖更準確，所以，本文同時給出了波特圖和奈奎斯特圖。從2種圖形中都可以看出，模擬工業(yè)大氣腐蝕5周期以后，C2鋼的銹層電阻最大，銹層電阻越大，其對基體的保護能力就越強。因為C2鋼銹層的電阻最大，所以，C2鋼銹層對基體的保護能力最強。

實驗鋼模擬工業(yè)大氣腐蝕5周期的等效電路如圖6所示。其中，Rs是溶液電阻；Rt是銹層電阻；Rp是基體金屬溶解反應(yīng)電荷傳遞電阻；C1是銹層跟電解液構(gòu)成的雙電層電容；CPE1是基體金屬和滲入銹層內(nèi)的電解液所構(gòu)成的雙電層電容；Zw是與擴散有關(guān)的濃差極化阻抗。采用此電路擬合的電化學(xué)參數(shù)擬合實驗鋼模擬工業(yè)大氣腐蝕5周期的阻抗譜，擬合曲線如圖7

所示。由圖7可知，擬合曲線與實測結(jié)果之間的偏差很小。這表明，該等效電路模型可以很好地描述帶銹實驗鋼在質(zhì)量分數(shù)為0.052%的NaHSO3溶液內(nèi)的電化學(xué)行為。

5 結(jié)論

通過對3種實驗鋼交流阻抗譜的測定，從中可以看出，無論是裸樣還是帶銹層試樣，C2鋼的阻抗均高于其他2種實驗鋼。這說明，C2鋼耐工業(yè)大氣腐蝕的能力最強，同時，也充分證明了在基體組織相同（C1鋼與C2鋼）的情況下，添加Cu、P等元素可以提高C2鋼的耐蝕能力；在添加Cu、P等合金元素（09CuPCrNi鋼和C2鋼）的情況下，貝氏體組織表現(xiàn)出了更好的耐蝕性。

參考文獻

[1]曹楚南.腐蝕電化學(xué)原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]王樹濤，楊善武，高克瑋，等.低合金耐候鋼在含氯離子環(huán)境中的耐腐蝕性能[J].材料熱處理學(xué)報，2008（04）.

〔編輯：白潔〕