表面沉積有SO2污染物的黃銅在大氣中的腐蝕行為

蔣以奎,葛紅花,薛 慧,袁 群,孟新靜,趙玉增,廖強(qiáng)強(qiáng)

(上海電力學(xué)院 上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心，上海市電力材料防護(hù)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200090)

表面沉積有SO2污染物的黃銅在大氣中的腐蝕行為

蔣以奎,葛紅花,薛 慧,袁 群,孟新靜,趙玉增,廖強(qiáng)強(qiáng)

(上海電力學(xué)院 上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心，上海市電力材料防護(hù)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200090)

采用電化學(xué)阻抗譜(EIS)、掃描Kelvin探針(SKP)等方法研究了沉積有SO2污染物的黃銅電極在大氣中的腐蝕行為，采用X射線(xiàn)衍射(XRD)分析了黃銅表面的腐蝕產(chǎn)物。結(jié)果表明：表面沉積有SO2污染物的黃銅電極的腐蝕反應(yīng)阻力明顯小于表面無(wú)污染物的黃銅電極的，且表面沉積SO2污染物的量越大，腐蝕反應(yīng)阻力越??；隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，黃銅電極表面腐蝕產(chǎn)物增加，表面伏打電位升高，表面反應(yīng)活性降低;表面沉積有SO2的黃銅在大氣環(huán)境中的腐蝕產(chǎn)物主要為ZnSO4·7H2O、CuSO4·3H2O及ZnO，另外還有少量的Zn(OH)2、Cu(OH)2和CuO。

電化學(xué)阻抗譜；掃描Kelvin探針(SKP)；黃銅；大氣腐蝕；SO2

黃銅具有良好的力學(xué)性能、鑄造性能及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，同時(shí)價(jià)格相對(duì)低廉，廣泛應(yīng)用于電子電氣、機(jī)械制造、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。當(dāng)黃銅暴露在大氣環(huán)境中時(shí)，容易遭到大氣中腐蝕性污染物如SO2、H2S、氯化物(含Cl-),以及氮氧化物等的腐蝕[1-9]。

當(dāng)銅及其合金暴露在特殊的大氣環(huán)境中，如沿海地區(qū)、大氣污染嚴(yán)重的工業(yè)園區(qū)等，其腐蝕速率將由這些環(huán)境中的主要腐蝕性離子含量決定[10-16]。

內(nèi)陸地區(qū)大氣中主要的腐蝕性污染物質(zhì)為SO2，而有關(guān)黃銅在受SO2污染嚴(yán)重的工業(yè)區(qū)大氣環(huán)境中的腐蝕研究較少。陳杰等[7]比較了大氣中多種腐蝕性污染物對(duì)黃銅腐蝕速率的影響，結(jié)果表明，SO2對(duì)銅及銅合金的腐蝕影響最大。在大氣環(huán)境中，SO2被金屬表面的薄液膜吸附、水解，形成HSO3-，加速金屬的腐蝕[17]。

本工作利用NaHSO3沉積在黃銅電極表面以模擬SO2污染大氣環(huán)境[17-19]，通過(guò)電化學(xué)阻抗譜和掃描Kelvin探針(SKP)研究SO2對(duì)黃銅電極電化學(xué)性能的影響，同時(shí)采用X射線(xiàn)衍射(XRD)分析黃銅表面的腐蝕產(chǎn)物，以期為黃銅在SO2污染大氣環(huán)境中的腐蝕行為研究提供更多參考。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為H62黃銅，化學(xué)成分為:wSb0.005%，wFe0.15%,wPb0.08%,wCu60.5%～63.5%,余量為鋅。

將黃銅切割為10 mm×10 mm×3 mm的試片，背面焊按導(dǎo)線(xiàn)，用環(huán)氧樹(shù)脂封裝非工作面后留出10 mm×10 mm的工作面。用砂紙逐級(jí)(至2 000號(hào))打磨黃銅工作面后，使用酒精和丙酮清洗，并用吹風(fēng)機(jī)吹干備用。

根據(jù)GB/T 19292.1-2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類(lèi)》中含硫化合物污染物的腐蝕等級(jí)分類(lèi)，使用乙醇和水(質(zhì)量比9∶1)混合溶劑配制NaHSO3溶液[18-19]，移取不同體積的NaHSO3溶液，滴加到電極表面鋪展均勻，吹干，使SO2在黃銅表面的沉積量分別為0(試片A)，2(試片B)，5(試片C)，10 μg/cm2(試片D)，將試片置于35 ℃、95%相對(duì)濕度的實(shí)驗(yàn)箱中，進(jìn)行大氣腐蝕模擬試驗(yàn)，腐蝕時(shí)間為1,3,6,10 d。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試片進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試和掃描Kelvin探針(SKP)試驗(yàn)。

電化學(xué)阻抗譜測(cè)試在PARSTAT2273型電化學(xué)工作站上完成，采用三電極體系，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極作為輔助電極，工作電極為試片；測(cè)試頻率范圍為10 mHz～100 kHz，振幅為10 mV，腐蝕溶液為0.1 mol/L Na2SO4溶液，使用稀硫酸將pH調(diào)節(jié)為5，模擬內(nèi)陸工業(yè)地區(qū)大氣腐蝕環(huán)境[18]。SKP測(cè)試采用M370掃描電化學(xué)工作站，掃描探針材料為鎢絲(直徑500 μm)，測(cè)試時(shí)選取電極表面中間6 mm×6 mm的范圍作為掃描區(qū)域，掃描步進(jìn)長(zhǎng)度：x方向250 μm(從左上角方向向下)、y方向250 μm(從左上角方向向右)；探針距離電極表面高度約100 μm，振幅30 μm，頻率80 Hz。使用D/max-2250X射線(xiàn)衍射儀(XRD)分析腐蝕試驗(yàn)后試片表面的腐蝕產(chǎn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)阻抗譜

由圖1可見(jiàn)，4種試片的阻抗值均隨著大氣腐蝕模擬試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；腐蝕時(shí)間相同情況下，隨著試片表面SO2沉積量的增加，試樣的阻抗值減小，試片的腐蝕程度加深。

采用圖2所示等效電路[20-21]對(duì)阻抗譜進(jìn)行擬合，其中，Rs為溶液電阻，Rr1和Qr1為電極表面腐蝕產(chǎn)物層(氧化膜層)的電阻和電容，Qd1為雙電層電容，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻。擬合得到的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，試片的Rct隨腐蝕時(shí)間的增加而增大，這可能是由于隨著腐蝕的進(jìn)行，電極表面逐漸被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，從而對(duì)腐蝕反應(yīng)起到一定的抑制作用。在試驗(yàn)時(shí)間相同的條件下，黃銅電極的Rct基本隨SO2沉積量的增大而減小，這表明表面沉積的SO2促進(jìn)了黃銅電極的腐蝕，且SO2含量越大，對(duì)腐蝕的促進(jìn)作用越顯著。

(a) 試片A (b) 試片B

(c) 試片C (d) 試片D圖1 四種試片經(jīng)不同時(shí)間大氣模擬腐蝕試驗(yàn)后在0.1 mol/L Na2SO4溶液中的電化學(xué)阻抗譜Fig. 1 EIS of 4 kinds of samples in 0.1 mol/L Na2SO4 solution after simulated atmospheric corrosion test for different times： (a) sample A; (b) sample B; (c) sample C; (d)sample D

圖2 電化學(xué)阻抗譜等效電路擬合圖Fig. 2 Equivalent circuit model for EIS

2.2 掃描Kelvin探針

SKP測(cè)試作為一種新的電化學(xué)測(cè)試方法，近年來(lái)廣泛用于研究金屬的大氣腐蝕行為[22-25]。SKP測(cè)試技術(shù)為原位非接觸性測(cè)試技術(shù)，通過(guò)測(cè)試金屬表面伏打電位分布圖，檢測(cè)金屬表面局部和微觀(guān)的腐蝕變化[25]。

由圖3可見(jiàn)，光亮的黃銅試片(試片D)在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)暴露1 d和3 d后，表面變暗淡，逐漸出現(xiàn)灰白斑點(diǎn)和暗斑;腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至6 d和10 d后，黃銅表面沉積了較多的灰白色腐蝕產(chǎn)物，在電極的左下角處可以看到有紫紅色區(qū)域，推測(cè)該區(qū)域發(fā)生脫鋅腐蝕。由圖4可見(jiàn)，光亮的黃銅試片(試片D)表面伏打電位主要集中在-500～-300 mV；隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，試片表面的SKP伏打電位不斷升高。為了更直觀(guān)地觀(guān)察黃銅表面伏打電位的變化，比較了不同試驗(yàn)時(shí)間時(shí)圖4中y=3的坐標(biāo)線(xiàn)上試片表面的伏打電位，見(jiàn)圖5,可以看出，試片表面的伏打電位隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷升高，腐蝕時(shí)間為1 d和3 d時(shí)，伏打電位主要集中在(-100±50) mV;腐蝕時(shí)間為6 d時(shí)，伏打電位主要集中在(-50±50) mV;腐蝕時(shí)間為10 d時(shí)，伏打電位上升至-50～50 mV。試片表面伏打電位主要與表面物質(zhì)活性及表面電化學(xué)反應(yīng)速率相關(guān)[26-27]，打磨光滑的黃銅電極表面，由于沒(méi)有氧化膜的生成，電極表面物質(zhì)活性較高，表面伏打電位較低；隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，試片表面發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物堆積在電極表面，阻礙了侵蝕性物質(zhì)擴(kuò)散至基體表面與黃銅進(jìn)一步反應(yīng)，致使試片表面活性下降，伏打電位升高；隨著腐蝕時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，試片表面腐蝕產(chǎn)物堆積的厚度增加，電極表面電化學(xué)反應(yīng)速率進(jìn)一步下降，活性降低，伏打電位進(jìn)一步升高。

2.3 X射線(xiàn)衍射

由圖6可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)10 d大氣腐蝕模擬試驗(yàn)后，試片D表面的腐蝕產(chǎn)物主要有ZnSO4·7H2O、CuSO4·3H2O和ZnO，另外還有少量的Zn(OH)2、Cu(OH)2和CuO。

依據(jù)黃銅腐蝕機(jī)理[27]，SO2污染物沉積在電極表面，會(huì)與空氣中的O2反應(yīng)生成硫酸根，電極表面發(fā)生酸化,見(jiàn)式(1)：

(a) 1 d (b) 3 d (c) 6 d(d) 10 d圖3 試片D 經(jīng)不同時(shí)間大氣腐蝕模擬試驗(yàn)后的表面形貌Fig. 3 Surface morphology of sample D after different times of simulated atmospheric corrosion test

(a) 0 d(b) 1 d (c) 3 d

(d) 6 d (e) 10 d 圖4 試片D經(jīng)不同時(shí)間大氣腐蝕模擬試驗(yàn)后的伏打電位分布圖Fig. 4 SKP Volta potentials of sample D after different times of simulated atmospheric corrosion test

圖5 y=3的坐標(biāo)線(xiàn)(圖4)上伏打電位隨時(shí)間的變化Fig. 5 SKP Volta potentials on the line of y=3 from Fig. 4

圖6 試片D經(jīng)10 d大氣腐蝕模擬試驗(yàn)后表面腐蝕產(chǎn)物的XRDFig. 6 XRD of corrosion products on the surface of sample D after 10 d of simulated atmospheric corrosion test

(1)

在腐蝕的最初階段，將形成(Cu-Zn)原電池，黃銅表面的鋅優(yōu)先發(fā)生腐蝕,見(jiàn)式(2)～(3)：

生成的ZnSO4·7H2O沉積在電極表面，對(duì)進(jìn)一步腐蝕產(chǎn)生了一定的阻礙作用。同時(shí)，由于鋅比較活潑，在空氣中與O2和H2O發(fā)生反應(yīng)，生成ZnO和Zn(OH)2。

當(dāng)黃銅表面形成較穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物膜后，脫鋅腐蝕速率下降，電極表面的銅與O2和H2O發(fā)生反應(yīng)，并伴有銅的溶解、再沉積過(guò)程，見(jiàn)式(4)～(6)：

腐蝕產(chǎn)物沉積在黃銅表面，此時(shí)，鋅的腐蝕速率由鋅從基體內(nèi)部通過(guò)晶格空位的擴(kuò)散速率來(lái)控制，同時(shí)，由于黃銅表面氧化膜的形成，銅的腐蝕速率也減小。

3 結(jié)論

(1) 在恒溫恒濕的大氣環(huán)境中，表面沉積有SO2污染物的黃銅電極的腐蝕反應(yīng)阻力明顯小于表面無(wú)污染物的黃銅電極的，且表面沉積的SO2污染物越多，腐蝕反應(yīng)阻力越??；隨著電極腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕反應(yīng)阻力增大。

(2) 黃銅電極表面沉積SO2污染物后，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物增加，表面伏打電位升高；當(dāng)電極表面有脫鋅腐蝕發(fā)生時(shí)，發(fā)生脫鋅腐蝕部位表面物質(zhì)活性比未發(fā)生脫鋅腐蝕部位的低，表面伏打電位較高。

(3) 表面沉積有SO2污染物的黃銅電極在大氣環(huán)境中發(fā)生腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物主要有ZnSO4·7H2O、CuSO4·3H2O及ZnO，另外還有少量的Zn(OH)2、Cu(OH)2和CuO。

(4) 黃銅是一種很敏感的材料，暴露在大氣環(huán)境中，容易遭到SO2的腐蝕破壞。

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Corrosion Behavior of Brass with SO2Pollutants Deposited on Surface in Atmosphere

JIANG Yi-kui, GE Hong-hua, XUE Hui, YUAN Qun, MENG Xin-jing, ZHAO Yu-zeng, LIAO Qiang-qiang

(Shanghai Engineering Research Center of Energy-Saving in Heat Exchange Systems, Shanghai Key Laboratory of Materials Protection and Advanced Materials in Electric Power, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

The corrosion behavior of brass with SO2pollutants deposited on surface in atmospheric environment was investigated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and scanning Kelvin probe (SKP) techniques. The corrosion products were characterized by XRD. The results showed that the corrosion resistance of brass with SO2pollutants deposited on surface was much smaller than that without surface deposition of SO2pollutants. The more the surface deposition of pollutants SO2, the smaller the corrosion resistance. With the extension of corrosion time, more and more corrosion products were produced on the surface of brass. The surface Volta potential shifted positively and the activity of corrosion reaction reduced. The main components of corrosion products of brass were ZnSO4·7H2O, CuSO4·3H2O, ZnO, and a small amount of Zn(OH)2, Cu(OH)2and CuO.

electrochemical impedance spectroscopy (EIS); scanning Kelvin probe (SKP); brass; atmospheri ccorrosion; SO2

2015-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51471104)； 上海市科委項(xiàng)目(14DZ2261000, 11DZ2210500)； 上海市教委科創(chuàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZZ173)

葛紅花(1967-),教授,博士,從事腐蝕電化學(xué)相關(guān)研究,021-65700719,gehonghua@shiep.edu.cn

10.11973/fsyfh-201701001

TG172

A

1005-748X(2017)01-0001-05

試驗(yàn)研究