酸性鹽霧環(huán)境對典型金屬材料的腐蝕研究

李賀 呂超杰 吳金華 宋德宇 洪乙又

摘 要：對典型金屬材料H62、GCr15、316L在酸性鹽霧環(huán)境中的腐蝕進(jìn)行研究。鍍金厚度影響H62的耐酸性鹽霧腐蝕能力，銅基1.26 μm鍍金層表面存在微孔，使中間鎳鍍層暴露在酸性鹽霧環(huán)境中，吸附在微孔處的酸性液膜對中間鎳鍍層進(jìn)行腐蝕，隨著腐蝕的發(fā)展，最終對基材造成腐蝕;銅基3.17 μm鍍金層杜絕了中間鎳鍍層和基材與外界的接觸，從而避免了材料腐蝕。鉻Cr含量影響合金鋼的耐腐蝕能力，GCr15中Cr含量較低，形成的氧化鉻鈍化膜無法完全覆蓋基材表面，使Fe與酸性液膜中的O2反應(yīng)，造成材料腐蝕;316L中Cr含量較高，形成的氧化鉻鈍化膜可以有效覆蓋基材表面，避免材料腐蝕。

關(guān)鍵詞：酸性鹽霧;腐蝕;鍍金層;氧化鉻鈍化膜

中圖分類號：TG172? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.024

0? ? 引言

海上使用產(chǎn)品長期經(jīng)受嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境的影響，其中鹽霧和SO2是誘發(fā)產(chǎn)品腐蝕的主要環(huán)境因素。鹽霧NaCl具有很強(qiáng)的吸濕性，是海洋鹽霧環(huán)境下主要的沉積物。SO2作為海上船只、飛機(jī)尾氣排放的主要?dú)怏w污染物之一，其溶于水會形成加速金屬腐蝕的酸性液膜環(huán)境。因此，金屬材料在NaCl沉積和SO2共存環(huán)境下的腐蝕行為備受關(guān)注。

目前國內(nèi)對金屬材料在酸性鹽霧環(huán)境下的腐蝕行為進(jìn)行了深入研究。李明等人[1]對比分析了硫酸鹽霧試驗(yàn)和鹽霧/SO2復(fù)合試驗(yàn)兩種酸性鹽霧試驗(yàn)條件下的環(huán)境腐蝕特點(diǎn)及嚴(yán)酷性差異。張令波等人[2]研究了中性鹽霧和酸性鹽霧兩種鹽霧環(huán)境下典型材料及結(jié)構(gòu)件的腐蝕行為特點(diǎn)、規(guī)律，分析了酸性鹽霧環(huán)境對典型材料及結(jié)構(gòu)件腐蝕破壞的特殊性。朱蒙[3]針對典型Au/Ni/Cu結(jié)構(gòu)接觸件在SO2與鹽霧交替復(fù)合構(gòu)成的酸性鹽霧環(huán)境中進(jìn)行腐蝕研究。于丹等人[4]通過試驗(yàn)研究了典型材料的耐鹽霧能力。

本文選用銅合金基材不同鍍金厚度的試驗(yàn)件、不同基材的合金鋼表面研磨拋光試驗(yàn)件作為研究對象，通過宏觀腐蝕形貌觀察等手段，研究相同酸性鹽霧試驗(yàn)條件下試驗(yàn)件的腐蝕特點(diǎn)、差異及破壞機(jī)理，為海上使用產(chǎn)品的材料選型提供支持。

1? ? 試驗(yàn)

1.1? ? 試驗(yàn)對象

選用銅合金基材不同鍍金厚度的樣件、不同基材的合金鋼表面研磨拋光樣件作為試驗(yàn)件，各類試驗(yàn)件的具體材質(zhì)及表面工藝如表1所示，3種基材的化學(xué)成分如表2所示。

1.2? ? 試驗(yàn)方法

采用硫酸（濃度95%～98%）調(diào)節(jié)pH值至3.0～4.0的NaCl鹽溶液噴霧試驗(yàn)方法，主要試驗(yàn)條件如表3所示。鹽溶液的配制按照《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第11部分：鹽霧試驗(yàn)》（GJB 150.11A—2009）規(guī)定的方法進(jìn)行，試驗(yàn)用水為去離子水或蒸餾水，且應(yīng)符合GJB 150.11A—2009中有關(guān)水的純度規(guī)定。試驗(yàn)后金屬防護(hù)層腐蝕面積占金屬防護(hù)層面積的10%以下，判為合格。

1.3? ? 試驗(yàn)結(jié)果

1.3.1? ? H62試驗(yàn)件

H62鍍金（金/鎳/銅）試驗(yàn)件經(jīng)192 h酸性鹽霧試驗(yàn)后的腐蝕形貌如圖1所示。編號1試驗(yàn)件腐蝕面積約占金屬防護(hù)層總面積的50%，不滿足試驗(yàn)要求;編號2試驗(yàn)件未出現(xiàn)肉眼可見的腐蝕，滿足試驗(yàn)要求。上述結(jié)果表明，鍍金厚度影響H62的耐酸性鹽霧腐蝕能力。

1.3.2? ? 316L和GCr15試驗(yàn)件

316L和GCr15基材試驗(yàn)件經(jīng)192 h酸性鹽霧試驗(yàn)后的腐蝕形貌如圖2所示。編號3試驗(yàn)件未出現(xiàn)肉眼可見的腐蝕，滿足試驗(yàn)要求;編號4試驗(yàn)件腐蝕嚴(yán)重，腐蝕面積約占金屬防護(hù)層總面積的100%，不滿足試驗(yàn)要求。上述結(jié)果表明，在酸性鹽霧環(huán)境下，GCr15基材較316L基材更不耐腐蝕。

2? ? 腐蝕分析

2.1? ? H62腐蝕分析

試驗(yàn)件在鹽霧環(huán)境下，其表面附著氯化物的水溶液，由于Cl-半徑極小，為1.81×10-10 m，其很容易穿透金屬防護(hù)層，破壞金屬表面的鈍化膜。同時(shí)，水溶液中硫酸的存在，使得金屬表面形成酸性電解質(zhì)環(huán)境，進(jìn)一步加速金屬的腐蝕。

編號1試驗(yàn)件鍍金厚度1.26 μm，其表面形成大量的不均勻微孔，微孔處會使鍍鎳層直接與外界環(huán)境接觸，同時(shí)微孔處吸附了含有Cl-、SO2、O2和水汽的酸性液膜，組合成金-鎳原電池結(jié)構(gòu)，金Au+標(biāo)準(zhǔn)電位為+1.691 V，鎳Ni2+標(biāo)準(zhǔn)電位為-0.250 V，兩者間較大的電位差造成了鎳的電化學(xué)腐蝕，使其鈍化膜被溶解;隨著腐蝕的進(jìn)行，鎳層被破壞，酸性液膜與基材H62接觸，此時(shí)試驗(yàn)件表面形成金-鎳原電池結(jié)構(gòu)、鎳-銅原電池結(jié)構(gòu)，銅Cu2+標(biāo)準(zhǔn)電位為+0.521 V，可加速鎳的電化學(xué)腐蝕。同時(shí)，基材銅與酸性液膜直接接觸，在高濕度條件下可導(dǎo)致基材銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成銅腐蝕。

編號2試驗(yàn)件鍍金厚度3.17 μm，試驗(yàn)件表面被金層全面覆蓋，杜絕了中間鍍層鎳和基材銅合金與外界環(huán)境的接觸。試驗(yàn)過程中鍍金層表面與酸性液膜直接接觸，金化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，酸性液膜不會與金反應(yīng)，從而無法腐蝕。

2.2? ? 316L和GCr15腐蝕分析

編號3試驗(yàn)件基材中含有較多的鉻Cr（16%～18%），Cr3+標(biāo)準(zhǔn)電位為-0.744 V，F(xiàn)e3+標(biāo)準(zhǔn)電位為-0.037 V，因此鉻較鐵更容易與表面酸性液膜中的氧氣結(jié)合，形成一層氧化鉻層，氧化鉻層的存在可進(jìn)一步阻止Cl-向基材內(nèi)部的滲透，防止腐蝕的發(fā)生。綜上，316L試驗(yàn)件不會發(fā)生腐蝕。

編號4試驗(yàn)件基材中鉻Cr含量較少（1.3%～1.65%），少量的Cr在基材表面形成的氧化鉻層無法完全覆蓋整個(gè)基材，使基材中的鐵與酸性液膜中的氧氣結(jié)合，造成編號4試驗(yàn)件腐蝕。

3? ? 結(jié)論

本文通過對酸性鹽霧試驗(yàn)下的典型金屬材料進(jìn)行研究分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）鍍金厚度影響H62的耐酸性鹽霧腐蝕能力，1.26 μm鍍金層無法有效阻止中間鎳鍍層和基材與外界環(huán)境的接觸，使基材H62發(fā)生腐蝕，不滿足酸性鹽霧環(huán)境要求;3.17 μm鍍金層可以有效阻止中間鎳鍍層和基材與外界環(huán)境的接觸，進(jìn)而避免其發(fā)生腐蝕。

（2）Cr含量影響合金鋼的耐腐蝕能力，GCr15中Cr含量較低，形成的氧化鉻層無法完全覆蓋基材表面，從而無法阻止基材的腐蝕;316L中Cr含量較高，形成的氧化鉻層可以有效覆蓋基材表面，進(jìn)而阻止基材腐蝕。

（3）酸性液膜中SO2的存在，可以加速Cl-穿透基材表面鈍化膜，從而加速試驗(yàn)件的腐蝕。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李明，朱金陽，李剛，等.典型航空裝備用金屬材料在不同酸性鹽霧環(huán)境下的腐蝕效應(yīng)及機(jī)理[J].裝備環(huán)境工程，2019，16（4）：38-45.

[2] 張令波，程叢高.酸性鹽霧對航空材料及結(jié)構(gòu)件腐蝕影響研究[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2015（5）：43-47.

[3] 朱蒙.酸性鹽霧環(huán)境下連接器接觸件腐蝕行為研究[J].機(jī)電元件，2019，39（5）：40-44.

[4] 于丹，姜玉峰，魏澤宇，等.航天用典型材料鹽霧環(huán)境適應(yīng)性分析[J].機(jī)電信息，2020（15）：123-124.

收稿日期：2022-01-18

作者簡介：李賀（1991—），男，安徽人，工程師，研究方向：光電成像技術(shù)。