模擬酸雨對20鋼腐蝕行為的影響

王戰(zhàn)輝,張智芳,閆君芝,常麗娜

(1.榆林學院化學與化工學院,陜西 榆林 719000;2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室,陜西 榆林 719000)

20世紀以來,隨著工業(yè)的迅速發(fā)展和社會經(jīng)濟的持續(xù)進步,金屬材料已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域,在社會發(fā)展中起著舉足輕重的作用[1]。金屬材料與非金屬材料相比,具有強度硬度等力學性能高、耐壓能力強、耐高溫能力強、切削加工能力強、導熱導電性能好等優(yōu)點,越來越受到制造者們的青睞[2]。但是金屬材料在使用過程中,會受到自然環(huán)境的影響。在眾多影響因素中,酸雨的危害性最大,不容忽視。它不僅影響生態(tài)系統(tǒng),而且會對建筑物造成危害,加速材料的老化,特別是金屬材料的腐蝕[3]。

酸雨是指pH值小于5.6的降雨或者降雪,是一種危害性極大的大氣現(xiàn)象,一般發(fā)生在南方,如四川等地。酸雨是隨著工業(yè)的發(fā)展、化石燃料的燃燒和汽車尾氣的排放等,向大氣中排放了大量的二氧化硫、二氧化碳、二氧化氮等酸性氣體,這些酸性氣體極易溶解于水,會與空氣中的雨水或者雪結(jié)合后形成酸性物質(zhì)沉降于地面,從而對森林樹木植被造成大面積破壞。一般酸雨呈酸性,酸雨不僅破壞了生態(tài)環(huán)境,而且加劇了金屬的腐蝕。1999年,全球酸雨腐蝕造成的經(jīng)濟損失達200億美元,中國酸雨腐蝕造成的經(jīng)濟損失達30億美元。因此,研究金屬材料在酸雨環(huán)境中的腐蝕行為具有十分重要的意義[4-6]。

20鋼由于其適中的強度硬度,良好的塑性、韌性和可焊性,在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用極為廣泛,對工業(yè)發(fā)展至關(guān)重要,但它又深受酸雨的影響。因此,研究20鋼在酸雨環(huán)境中的腐蝕規(guī)律,探究腐蝕發(fā)生的原因并采取有效的防止腐蝕的措施,對于延長設(shè)備壽命、降低成本、提高勞動生產(chǎn)率無疑具有十分重要的意義[7-11]。國內(nèi)外學者對腐蝕已進行了大量研究,但是對20鋼在模擬酸雨中的研究較少。因此,以20鋼為研究對象,借助CS系列電化學工作站,首先考察了其極化曲線特點;其次,通過改變模擬酸雨pH值、陰離子和浸泡時間,考察其對電化學腐蝕參數(shù)和腐蝕速率的影響,所得結(jié)論對20鋼的腐蝕與防護具有重要意義。

1 實驗過程

1.1 模擬酸雨的配制

模擬酸雨的組成成分如表1所列。根據(jù)表1配置模擬酸雨溶液,并用濃硫酸將配置好的溶液pH值調(diào)節(jié)至5,即為空白模擬酸雨溶液。

表1 模擬酸雨的組成成分Table 1 Composition of simulated acid rain mg/L

1.2 除銹液的配制

用去離子水、純HCl和六次甲基四胺配制除銹液。取3.5 g六次甲基四胺放入燒杯中,然后依次加入500 mL HCl,500 mL水,攪拌均勻,即完成除銹液的配制。

1.3 工作電極

選用 20鋼為工作電極材料,其含碳質(zhì)量分數(shù)為0.2%,屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼?？估瓘姸圈襜為410 MPa,屈服強度σs為245 MPa,20鋼試件研究的電極面積為0.84 cm2。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 極化曲線

保持模擬酸雨浸泡時間為2 h,通過濃硫酸將模擬酸雨pH值調(diào)節(jié)為4,考察模擬酸雨中20鋼極化曲線如圖1所示。由圖1可知,陰極極化率大于陽極極化率,屬于陰極控制過程,腐蝕速率主要受陰極過程的影響。

圖1 極化曲線Fig.1 Polarization curve

2.2 不同pH值對20鋼腐蝕行為的影響

保持模擬酸雨浸泡時間為2 h,通過濃硫酸將模擬酸雨pH值分別調(diào)節(jié)為1、2、3、4、5,考察20鋼在不同pH值模擬酸雨溶液腐蝕參數(shù)(見表2)下,酸雨pH值對20鋼腐蝕速率的影響,如圖2所示。由表2和圖2可以看出,陰極極化率大于陽極極化率,屬于陰極控制過程。腐蝕電流密度是表示腐蝕速率的重要參數(shù),腐蝕電流密度越大,腐蝕速率越大。隨著模擬酸雨pH值的增加,腐蝕電流密度逐漸減小,腐蝕速率呈減小的趨勢,臨界點pH值=3,即pH值<3時,腐蝕速率下降速度快;pH值>3時,腐蝕速率下降速度慢。這是由于一方面,20鋼在模擬酸雨中的電化學行為為陰極控制過程,隨著模擬酸雨pH值的增加,模擬酸雨中氫離子濃度減小,到達陰極的氫離子濃度減小,陰極去極化反應(yīng)程度減小,腐蝕速率減小;另一方面,pH值對腐蝕產(chǎn)物硫化鐵膜的組成部分以及溶解度均有重要影響,當pH值較低時,腐蝕產(chǎn)物是含硫量比較少的硫化鐵Fe9S8為主要成分的膜,這種類型的膜對母材金屬沒有保護作用,因此,pH值較低時,腐蝕速率大;當pH值較高時,腐蝕產(chǎn)物是含硫量比較多的硫化鐵FeS2為主要成分的膜,這種類型的膜對母材金屬有很強的保護作用,能夠使母材金屬免受外界因素的影響。因此,pH值較低時,腐蝕速率小;pH值=3時,這2種膜均達到飽和狀態(tài),即當pH值<3時,腐蝕產(chǎn)物主要是含硫量比較少的硫化鐵Fe9S8為主要成分的膜;當pH值>3時,腐蝕產(chǎn)物主要是含硫量比較多的硫化鐵FeS2為主要成分的膜。

表2 不同pH值模擬酸雨溶液腐蝕參數(shù)Table 2 Corrosion parameters of simulated acid rain solution with different pH values

圖2 不同pH值對20鋼腐蝕速率的影響Fig.2 Effect of different pH value on corrosion velocity of 20 steel

2.3 不同陰離子對20鋼腐蝕行為的影響

表3 不同陰離子模擬酸雨溶液腐蝕參數(shù)Table 3 Corrosion parameters of in simulated acid rain solution with different concentrations

圖3 不同陰離子對20鋼腐蝕速率的影響Fig.3 Effect of different anion concentration on corrosion velocity of 20 steel

2.4 不同浸泡時間對20鋼腐蝕行為的影響

保持模擬酸雨pH值=5,浸泡時間分別為2 h、4 h、6 h、8 h、10 h,考察20鋼在模擬酸雨溶液中不同浸泡時長腐蝕參數(shù)(見表4)下,不同浸泡時間對20鋼腐蝕速率的影響,如圖4所示。由表4和圖4可知,陰極極化率均大于陽極極化率,屬于陰極控制過程,隨著浸泡時間的增加,腐蝕電流密度逐漸減小,腐蝕速率呈減小的趨勢,臨界值為8 h,即當浸泡時間小于8 h時,腐蝕速率下降較快,當浸泡時間大于8 h時,腐蝕速率基本維持不變。這是由于一方面,當pH值=5時,腐蝕產(chǎn)物是含硫量比較多的硫化鐵FeS2為主要成分的膜,浸泡時間越長,20鋼表面生成的硫化鐵FeS2腐蝕產(chǎn)物越多,硫化鐵FeS2形成硫化鐵膜越厚,對內(nèi)部金屬的保護作用越強,能更加有效地降低20鋼內(nèi)部金屬的腐蝕速率。因此,隨著浸泡時間的增加,腐蝕速率呈減小的趨勢;當浸泡時間大于8 h后,含硫量比較少的硫化鐵Fe9S8為主要成分的膜和含硫量比較多的硫化鐵FeS2為主要成分的膜基本呈飽和狀態(tài),腐蝕速率維持不變。

表4 模擬酸雨溶液中不同浸泡時長腐蝕參數(shù)Table 4 Different corrosion parameters of immersed in simulated acid rain solution

圖4 不同浸泡時間對20鋼腐蝕速率的影響Fig.4 Effect of different soaking time on corrosion velocity of 20 steel

3 結(jié)論

以20鋼為研究對象,借助CS系列電化學工作站,首先考察了其極化曲線特點;其次通過改變模擬酸雨pH值、陰離子和浸泡時間,考察其對電化學腐蝕參數(shù)和腐蝕速率的影響,得到的規(guī)律如下:

(1) 陰極極化率大于陽極極化率,屬于陰極控制過程,腐蝕速率主要受陰極過程的影響。

(2) 隨著模擬酸雨pH值的增加,腐蝕電流密度逐漸減小,腐蝕速率呈減小的趨勢,臨界點pH值為3。

(4) 隨著浸泡時間的增加,腐蝕電流密度逐漸減小,腐蝕速率呈減小的趨勢,臨界值為8 h。