鐵基非晶帶材1K101在氯離子溶液中的腐蝕行為研究

屈懷超，白江虎，薛海軍

(酒泉鋼鐵(集團)有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 前言

非晶態(tài)合金因其超高速凝固技術(shù)制備，其特征是原子長程無序結(jié)構(gòu)凝聚態(tài)組織結(jié)構(gòu)，由于它呈玻璃態(tài)的非晶特征而具有傳統(tǒng)合金材料無法達到的綜合優(yōu)異性能，以其優(yōu)異的鐵磁性、抗腐燭性、高耐磨性和高強度而成為一種新的功能材料[1-2],但是由于在制備工藝中要求冷卻速度快，因此，制備厚度較薄的非晶帶材工藝簡單，容易實現(xiàn)，成本較低，在使用過程中因帶材較薄，剛性差，應(yīng)用受限，而制備厚度較厚的大塊非晶工藝難度大，不易穩(wěn)定。因此，在基體金屬上通過熱噴涂和激光熔覆制備非晶涂層，進一步利用表界面非晶獨特的耐磨性以及耐腐蝕性能。非晶涂層仍然存在著制備控制難度大，冷卻速度達不到非晶熱力學(xué)形成條件，極易導(dǎo)致涂層晶化，進而喪失其涂覆層耐磨、耐腐蝕的優(yōu)良效果，這使得發(fā)展非晶復(fù)合材料，以克服技術(shù)缺陷[3-4]。

利用高分子阻尼粘結(jié)劑將基板和非晶薄帶材粘和在一起形成的層狀復(fù)合材料，使其具備非晶薄帶材良好的耐磨耐腐蝕性能和基板良好的剛度(鋁板)，復(fù)合工藝較為簡單；因此選擇非晶薄帶材進行選材研究，分析其組織及腐蝕行為的基礎(chǔ)研究對開發(fā)高耐蝕金屬膜復(fù)合板具有較大意義。

1 試驗材料及方法

1.1 材料成分及金相組織分析

選用市場上厚度為0.1 mm的鐵基非晶帶材1K101(鐵硅硼非晶)，將其剪切成15 mm×15 mm的方形試樣，鑲樣，打磨至1 000目，拋光后利用GXL-8230電子探針測試其主要成分。使用王水作為腐蝕劑進行金相腐蝕，利用日本PMG3(倒置)金相顯微鏡進行金相組織觀察，采用蔡斯Merlin cumcct型掃描電鏡(SEM)。

1.2 材料電化學(xué)腐蝕實驗

將非晶帶材1K101制備成15 mm×15 mm的試樣，使用無水乙醇溶液中清洗，吹干作為工作電極備用，利用(BM-001)CS350電化學(xué)工作站測試25±2 ℃下試樣在氯離子溶液中腐蝕0 h，24 h，72 h，168 h的極化曲線，參比電極為212型飽和氯化鉀甘汞電極(無鹽橋)，輔助電極為260型鉑電極[5]；極化曲線測試參數(shù)：掃描速率為2 mV/s，氯離子腐蝕溶液使用氯化鈉、鹽酸、氫氧化鈉和蒸餾水進行配置，配置成氯離子的物質(zhì)量濃度為2.4 mol/L的氯離子溶液，Ph值分別為2.14、7、11.8的酸性、中性和堿性溶液。

1.3 腐蝕產(chǎn)物測試及形貌觀察

將試樣腐蝕168 h后取出腐蝕樣品，采用蔡斯Merlin cumcct型掃描電鏡(SEM)觀測腐蝕形貌。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 材料成分及組織分析

選用市場上常用的鐵基非晶帶材1K101(鐵硅硼非晶)，利用電子探針測試其主要成分如表1所示。利用金相顯微鏡進行金相觀察，金相組織如圖1所示，利用SEM進行組織形貌觀察，顯微形貌如圖2所示。

表1 鐵基非晶材料主要成分/wt%

圖1 鐵基非晶金相組織

圖2 鐵基非晶顯微組織

由表1可知，鐵基非晶帶材1K101的成分為主要鐵、硅、硼元素，觀察圖1結(jié)合圖2可知，鐵基非晶帶材1K101的組織在顯微鏡下和電鏡下未發(fā)現(xiàn)晶界，為非晶態(tài)組織。

2.2 電化學(xué)腐蝕分析

如圖3所示為鐵基非晶帶材1K101在中性氯離子溶液中不同浸泡時間下的的動電位極化曲線和電化學(xué)參數(shù)圖，圖3a表示鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14的氯離子溶液中不同浸泡時間下的極化曲線；圖3b表示鐵基非晶帶材1K101在Ph=7的氯離子溶液中不同浸泡時間下的極化曲線；圖3c表示鐵基非晶帶材1K101在Ph=11.8的氯離子溶液中不同浸泡時間下的極化曲線；圖3d表示鐵基非晶帶材1K101在Ph=11.8的氯離子溶液中電化學(xué)參數(shù)數(shù)值，擬合方法為弱極化區(qū)tafel外推法。

圖3 動點位極化曲線及電化學(xué)參數(shù)數(shù)值圖

從圖3a、圖3b、圖3c可以看出，鐵基非晶帶材1K101在氯離子溶液腐蝕的陽極極化曲線未出現(xiàn)明顯的活化鈍化現(xiàn)象；其腐蝕完全是由電化學(xué)反應(yīng)控制，濃差極化作用可以忽略，從圖3d可以看出，鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14的氯離子溶液中的自腐蝕電流在腐蝕初期為7.5×10-5A/cm2，隨著腐蝕至24 h，自腐蝕電流升高達到值1.1×10-4A/cm2，隨后隨著時間延長至72 h，自腐蝕電流變至1.3×10-4A/cm2，隨后腐蝕至168 h時，自腐蝕電流又有一定幅度的下降，使得自腐蝕電流呈現(xiàn)出先增大后逐漸減小的趨勢；而在Ph=7和Ph=11.8的氯離子環(huán)境中均比較穩(wěn)定，為1×10-5A/cm2，腐蝕速率均低，鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14、Ph=7和Ph=11.8的氯離子環(huán)境中均比較穩(wěn)定，隨著時間的推移，腐蝕電位分別穩(wěn)定在-1.1 V,-0.8 V和-0.55 V，說明腐蝕主要是陽極的電化學(xué)反應(yīng)為主，最終腐蝕速度控制在10-5～10-4A/cm2，其抗腐蝕能力良好[6-7]。

2.3 腐蝕形貌及產(chǎn)物分析

如圖4所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14的氯離子溶液中的腐蝕形貌，圖5所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=2.14的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌，圖6所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=7的氯離子溶液中的腐蝕形貌，圖7所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=7的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌，圖8所示為鐵基非晶帶材1K101在Ph=11.8的氯離子溶液中的腐蝕形貌，圖9鐵基非晶帶材1K101在Ph=11.8的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌。

圖4 樣品在Ph=2.14的氯離子溶液中的腐蝕形貌

圖5 樣品在Ph=2.14的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌

圖6 樣品在Ph=7的氯離子溶液中的腐蝕形貌

圖7 樣品在Ph=7的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌

圖8 樣品在Ph=11.8的氯離子溶液中的腐蝕形貌

圖9 樣品在Ph=11.8的氯離子溶液中的局部腐蝕形貌

結(jié)合圖4和圖5可以看出，鐵基非晶帶材在Ph=2.14的氯離子環(huán)境中，腐蝕為點腐蝕的活性溶解腐蝕，腐蝕由點腐蝕孔開始向周圍活性溶解，腐蝕嚴(yán)重。在Ph=7的氯離子環(huán)境中，腐蝕產(chǎn)物如團絮顆粒狀吸附在基體上，未見明顯的點腐蝕，腐蝕仍未活性溶解。在Ph=11.8的氯離子環(huán)境中，出現(xiàn)了少量點腐蝕，未見腐蝕產(chǎn)物粘附在基體上，仍未陽極活性溶解。

3 分析與討論

鐵硅硼鐵基非晶帶材1K101在物質(zhì)量濃度為2.4 mol/L的氯離子溶液中腐蝕主要以局部腐蝕為主。在Ph=2.14的酸性氯離子環(huán)境中和在Ph=11.8的堿性腐蝕環(huán)境中，腐蝕均為點腐蝕的活性溶解腐蝕，而在Ph=7的中性腐蝕環(huán)境中，未見明顯的點腐蝕；分析其原因為H+和OH-均會促進濃縮電池效應(yīng)，促進氯離子電腐蝕的加劇，導(dǎo)致氯離子在未產(chǎn)生點蝕坑的缺陷區(qū)域處富積，聚成核后，導(dǎo)致該區(qū)域陽極溶解加速[8-11],形成點蝕坑陽極金屬的溶解，會加速Cl-透過腐蝕產(chǎn)物膜擴散到點蝕坑內(nèi)，使點蝕坑內(nèi)的Cl-濃度進一步增加，這一過程是屬于Cl-的催化機制，當(dāng)Cl-濃度超過一定的臨界值之后，陽極將一直處在活化狀態(tài)而不會鈍化[12-16]。結(jié)合動電位極化曲線，鐵基非晶帶材1K101在氯離子的腐蝕主要以陽極的電化學(xué)反應(yīng)為主，陽極電化學(xué)反應(yīng)速率是動力學(xué)控制步驟，腐蝕環(huán)境中綜合腐蝕速率(電流密度)控制在10-5～10-6A/cm2，抗腐蝕能力良好；但在酸性環(huán)境中為10-4A/cm2，腐蝕速率較高，在中性和堿性環(huán)境中保持在10-5A/cm2。

4 結(jié)論

(1)鐵硅硼鐵基非晶帶材1K101在氯離子溶液中腐蝕動電位極化曲線表明腐蝕主要為陽極的電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕速度控制在10-5～10-4A/cm2，其抗腐蝕能力良好,但在Ph=2.14的酸性氯離子溶液中，腐蝕速率為10-4A/cm2，較Ph=7和Ph=11.8的腐蝕速率10-4A/cm2高一個數(shù)量級。

(2)鐵硅硼鐵基非晶帶材1K101在氯離子溶液中，腐蝕產(chǎn)物形貌及成分分析表明：鐵硅硼鐵基非晶帶材1K101在物質(zhì)量濃度為2.4 mol/L的氯離子溶液中腐蝕主要以局部腐蝕為主；在Ph=2.14的酸性氯離子環(huán)境中和在Ph=11.8的堿性腐蝕環(huán)境中，腐蝕均為點腐蝕的活性溶解腐蝕，而在Ph=7的中性腐蝕環(huán)境中，未見明顯的點腐蝕。