鍍鋅鋼在模擬大氣腐蝕環(huán)境的初期腐蝕行為研究

田旭，劉欣，裴鋒，賈蕗路，李財芳，鄧辰星，李志美

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.南昌大學 化學學院，江西 南昌 330031)

電網(wǎng)設(shè)備的大氣腐蝕問題是影響其使用壽命的重要原因之一[1-3]。環(huán)境腐蝕引起的電網(wǎng)設(shè)備材料故障頻率逐年增加[4-5]。當金屬放置在大氣中時，其表面的水膜可以作為電化學腐蝕所需要的電解液膜[6]。鍍鋅鋼表面的鍍鋅層能夠?qū)︿摶w起陰極保護作用[7-9]。金屬材料的使用環(huán)境(如溫度、Cl-濃度等)是影響鍍鋅層防護性能的主要因素之一[10-11]。周開河等[12-13]發(fā)現(xiàn)溫度和Cl-濃度是影響純Zn的腐蝕速率的主要因素。目前，針對鍍鋅鋼的大氣腐蝕行為研究考慮Cl-和溫度的影響鮮有報道。本文采集南昌某桿塔處的雨水作為模擬腐蝕溶液，改變?nèi)芤篊l-含量和溶液溫度，利用電化學等方法研究鍍鋅鋼的腐蝕。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

鍍鋅鋼為50 mm×25 mm×2 mm的帶孔(φ5 mm)片狀材料，鍍鋅層厚度為60～100 μm，基材為Q235鋼；無水乙醇、氯化鈉均為分析純。

CHI660A電化學工作站；QUANTA 200掃描電鏡(SEM-EDS)。

1.2 實驗準備

1.2.1 鍍鋅鋼預處理 用200#、400#、800#、1000#、1200#金相砂紙除去金屬表面氧化物，使金屬表面光亮無劃痕，依次用無水乙醇(除油)→去離子水→無水乙醇(除水)清洗，吹風機冷風干燥。

1.2.2 腐蝕溶液配制 收集到的雨水加入不同含量的氯化鈉，配制Cl-濃度為0，1，3，5，7，9 g/L中的雨水腐蝕溶液。

1.3 電化學測試

電化學檢測實驗采用三電極體系，以鍍鋅鋼為工作電極，以鉑片為輔助電極，鉑片的尺寸為40 mm×25 mm×0.4 mm，以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。工作電極為電解池底座。將對電極和參比電極平行浸入雨水中，間隔2 mm。利用電化學工作站進行動電位極化曲線掃描和阻抗譜測試。極化曲線掃描速率為0.5 mV/s，掃描范圍為-100～100 mV(相對于開路電位)，分析軟件為Powersuite。阻抗測試在開路電位下進行，交流阻抗測試頻率范圍為100 kHz～0.01 Hz，交流激勵信號幅值為10 mV。

將不同Cl-濃度的雨水作為電解質(zhì)溶液進行動電位極化掃描和阻抗測試；分別利用25，30，35，40，45 ℃的雨水作為電化學測試溶液。

1.4 腐蝕失重測試

將鍍鋅鋼試片浸泡在不同梯度的Cl-濃度中30 d，每隔1 d更換新配制的雨水，觀察其外觀形貌。分別利用分析天平測定浸泡前后試樣的質(zhì)量。

1.5 電鏡掃描測試(SEM-EDS)

鍍鋅鋼在電鏡掃描測試前分別浸泡置于在25 ℃和45 ℃恒溫水箱的雨水溶液中，浸泡時間為15 d。浸泡期間定期(每隔1 d)更換新配制的腐蝕溶液。

將已浸泡15 d的待測試樣取出后，用超純水清洗去表面的雨水，吹干后，集中置于氬氣存儲箱中，待用。使用SEM-EDS對試樣表面進行微觀腐蝕形貌掃描，并分析表面腐蝕產(chǎn)物的元素組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cl-濃度的影響

2.1.1 腐蝕失重法 將鍍鋅鋼在雨水中浸泡30 d的腐蝕前后質(zhì)量之差，根據(jù)金屬試片的面積和浸泡時間折算成年腐蝕速率，對應于不同梯度的Cl-含量，結(jié)果見圖1。

圖1 鍍鋅鋼的腐蝕速率隨雨水中不同Cl-濃度的變化曲線

由圖1可知，Cl-濃度在1～7 g/L(低Cl-濃度)時，鍍鋅鋼腐蝕速率隨溶液的Cl-濃度增大而增大，當Cl-濃度達到7 g/L后再增大溶液中Cl-含量時，鍍鋅鋼的腐蝕速率反而下降。

2.1.2 動電位極化法 利用電化學動電位極化的方法研究了常溫狀態(tài)下(25 ℃)雨水中Cl-濃度對鍍鋅鋼腐蝕的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 鍍鋅鋼在不同Cl-濃度的雨水中極化曲線

由圖2可知，鍍鋅鋼在Cl-濃度為0，1，3，5，7，9 g/L雨水中，5條極化曲線均未出現(xiàn)活化-鈍化轉(zhuǎn)變區(qū)，說明鍍鋅鋼均處于活化溶解狀態(tài)，沒有鈍化現(xiàn)象，表明其腐蝕行為受電化學過程控制。對極化曲線進行擬合，結(jié)果見表1。

表1 鍍鋅鋼在不同Cl-濃度的雨水中極化擬合數(shù)據(jù)

由表1可知，陰極極化曲線Tafel斜率的絕對值均比陽極大，說明其腐蝕反應受陰極氧化還原控制。圖3為鍍鋅鋼極化腐蝕速率和腐蝕電流密度隨模擬溶液中不同濃度Cl-的關(guān)系變化曲線。

由圖3可知，模擬溶液Cl-濃度在1～7 g/L時，鍍鋅鋼的腐蝕電流密度和腐蝕速率都隨溶液的Cl-濃度增大而增大，當Cl-濃度達到7 g/L后再增大Cl-含量時，鍍鋅鋼的腐蝕電流密度和腐蝕速率反而減小，這表明雨水的Cl-濃度的大小直接影響材料腐蝕反應過程，且當Cl-濃度為7 g/L時鍍鋅鋼腐蝕最強。該現(xiàn)象可能是因為Cl-為強腐蝕性離子，具有強置換作用和強穿透性能，使鍍鋅鋼受腐蝕的程度增大；但是雨水中Cl-濃度達到一定數(shù)值時會抑制氧的溶解，從而使得溶液中溶解氧減少，從而抑制了腐蝕的陰極去極化過程，減緩了腐蝕速率。

圖3 鍍鋅鋼極化腐蝕速率和腐蝕電流密度隨雨水中不同濃度Cl-的關(guān)系變化曲線

2.1.3 交流阻抗譜法 利用電化學阻抗技術(shù)通過對鍍鋅鋼在不同濃度的Cl-雨水中進行腐蝕分析。頻率f=0.05 Hz時的阻抗膜值|Z|0.05可相對的比較材料的腐蝕速率的大小，|Z|0.05值越小，材料的腐蝕速率越大，說明其耐蝕性能越差。鍍鋅鋼|Z|0.05隨Cl-濃度變化關(guān)系曲線見圖4。

圖4 鍍鋅鋼接地材料|Z|0.05隨模擬雨水中Cl-濃度變化的曲線圖

由圖4可知，雨水中Cl-濃度在1～7 g/L(低Cl-濃度)時，隨溶液的Cl-濃度增大鋅包鋼的|Z|0.05減小，當Cl-濃度達到7 g/L后再增大Cl-含量時，鍍鋅鋼的|Z|0.05反而增加。這表明在低濃度范圍(1～7 g/L)內(nèi)，隨著Cl-濃度的增大，腐蝕速率增大，而Cl-濃度在7～9 g/L時，腐蝕速率呈逐漸減小的趨勢，這與極化曲線分析結(jié)果一致。

2.2 溫度的影響

2.2.1 電化學極化 分別測試鍍鋅鋼在溫度為25，30，35，40，45 ℃的雨水中的極化曲線，見圖5，并對這些曲線進行擬合。腐蝕電流密度、腐蝕速率隨雨水溶液的溫度變化關(guān)系見圖6。

圖5 鍍鋅鋼動電位極化曲線

圖6 腐蝕電流密度和腐蝕速率隨模擬雨水溫度變化關(guān)系圖

由圖6可知，在25～45 ℃范圍內(nèi)，隨雨水的溫度升高，鍍鋅鋼的腐蝕電流密度和腐蝕速率都逐漸增大。這說明溫度是影響鍍鋅鋼腐蝕速率的一個非常重要的因素。

2.2.2 電化學交流阻抗模值測試 不同溫度雨水溶液中鍍鋅鋼在頻率為0.05 Hz的模值|Z|0.05分布情況見圖7。

圖7 鍍鋅鋼材料|Z|0.05隨溫度變化的曲線圖

由圖7可知，隨著溫度的升高，|Z|0.05逐漸減小。這也說明溫度增加能夠加速腐蝕過程。

分別對溫度為25，45 ℃的雨水浸泡15 d后的鍍鋅鋼進行掃描電鏡和能譜測試，結(jié)果見圖8和圖9。

將圖8和圖9 SEM圖進行對比發(fā)現(xiàn)，在溫度25 ℃時，材料表面有許多凹坑和突起以及沉積了一些腐蝕產(chǎn)物。對腐蝕產(chǎn)物進行能譜EDS分析，發(fā)現(xiàn)其主要成分為Zn和O元素，也有少量的Si和Al元素存在；溫度45 ℃時，腐蝕坑擴大，出現(xiàn)了面積大且深的腐蝕坑，浮起的腐蝕產(chǎn)物EDS成分分析顯示除上述類似成分外，新增有Fe和C元素。這說明45 ℃下模擬雨水中的鍍鋅鋼已經(jīng)腐蝕到基材Q235鋼，25 ℃條件下尚未腐蝕至基材鋼。說明在45 ℃模擬溶液中鍍鋅鋼腐蝕得更加嚴重。這也進一步說明高溫能加速鍍鋅鋼腐蝕。

圖8 鍍鋅鋼在25 ℃的模擬雨水中浸泡15 d的SEM-EDS圖

圖9 鍍鋅鋼在45 ℃的雨水中浸泡15 d的SEM-EDS圖

3 結(jié)論

利用腐蝕浸泡失重實驗和動電位極化、電化學交流阻抗譜以及掃描電鏡/能譜分析技術(shù)，對鍍鋅鋼材料在雨水中腐蝕狀況進行分析。研究結(jié)果表明，在雨水中，鍍鋅鋼腐蝕的程度受溶液中Cl-濃度和溫度影響。在Cl-含量為1～7 g/L范圍， Cl-含量增大引起鍍鋅鋼受腐蝕程度加深，其腐蝕速率也逐漸增大，當Cl-含量為7 g/L時，腐蝕速率達到最大。隨著溫度的升高，鍍鋅鋼的腐蝕程度更加嚴重。