電化學(xué)阻抗譜技術(shù)對不同鋼材腐蝕過程的研究

胡滿杰

(安徽省地勘局三一二地質(zhì)隊安徽蚌埠233040)

摘要：利用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)研究了冷軋板、鍍鋅板、六價鉻鈍化處理鍍鋅板的電化學(xué)腐蝕過程，對不同板材的耐蝕性能進行了比較，利用等效電路對不同板材的腐蝕過程進行了擬合，探討了鋼材腐蝕過程的機理，為改善鋼材的耐蝕性能提供了參考。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)阻抗譜；冷軋板；鍍鋅板；腐蝕

中圖分類號：O657.1文獻標(biāo)識碼：A

收稿日期：2014-12-23

作者簡介：胡滿杰(1963-)，男，安徽懷寧人。安徽省地勘局三一二地質(zhì)隊，高級工程師。

金屬的腐蝕，特別是鋼鐵的腐蝕，遍及社會生活的各個領(lǐng)域，對社會發(fā)展產(chǎn)生巨大危害[1]。因此研究各類鋼材的腐蝕規(guī)律、腐蝕機理和腐蝕特性，建立腐蝕數(shù)據(jù)庫，從理論上指導(dǎo)鋼材的防腐技術(shù)和防腐工藝的改進，延緩金屬材料腐蝕，提高其使用壽命，對節(jié)能環(huán)保具有重要的意義[2]。金屬腐蝕是電化學(xué)腐蝕的一種特殊形式，因此電化學(xué)方法常被用來研究金屬腐蝕。用于鋼鐵腐蝕研究的電化學(xué)技術(shù)有極化曲線法、電化學(xué)交流阻抗譜、微參比電極、Kelvin探頭測量技術(shù)、電化學(xué)探測電池、電化學(xué)噪聲等[3]。

電化學(xué)阻抗譜(EIS)是一種以小振幅的正弦波電位為擾動信號的電化學(xué)測量方法，是一種暫態(tài)電化學(xué)技術(shù)，具有測量速度快，對研究對象表面狀態(tài)干擾小的特點。與其它常規(guī)的電化學(xué)方法相比，可以得到更多的動力學(xué)信息及電極界面結(jié)構(gòu)的信息，是一種常用的研究鋼材腐蝕過程的方法[4-6]。本文擬采用電化學(xué)阻抗譜對不同材質(zhì)的鋼板腐蝕過程進行研究，探討腐蝕機理，為鋼材的防腐提供必要的參考數(shù)據(jù)。

1實驗部分

電化學(xué)性能測試是在上海辰華公司生產(chǎn)的型號為CHI760D電化學(xué)工作站上進行的。腐蝕介質(zhì)為3 wt%的NaCl溶液，測定溫度為室溫。采用三電極體系，測試裝置如圖1所示。工作電極采用自制裝置，預(yù)留1 cm2的工作面積，鉑絲電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。電化學(xué)阻抗譜測量的頻率范圍為10-2Hz-105Hz，交流激勵信號幅值為 5mV。

2結(jié)果與討論

2.1　不同板材的電化學(xué)阻抗譜

為了去除樣品表面不均勻性對測試結(jié)果的影響，在進行電化學(xué)測試前，對冷軋板采用砂紙打磨除銹和丙酮超聲除油兩步預(yù)處理過程；對鍍鋅板采用在丙酮中超聲除油的預(yù)處理方式。經(jīng)預(yù)處理后，所有樣品的兩次測量極化曲線基本吻合，表明預(yù)處理能夠保證電化學(xué)測試結(jié)果的穩(wěn)定性及重現(xiàn)性，為后續(xù)的腐蝕機理研究提供了保證。試驗中，選取了冷軋板、鍍鋅板、六價鉻鈍化處理鍍鋅板等三種板材，分布測試其電化學(xué)阻抗譜，結(jié)果如圖2所示。

可以看出，三種板材從高頻到低頻部分呈一完整連續(xù)的容抗弧，說明此時板材表面腐蝕是受電化學(xué)控制的。電化學(xué)阻抗譜只有一個時間常數(shù)，表明腐蝕只發(fā)生在板材的表層。板材在低頻區(qū)均表現(xiàn)出了一定的感抗收縮現(xiàn)象，說明此時板材表面的保護層發(fā)生溶解。在含Cl-的腐蝕環(huán)境中，鍍鋅板表面容易形成堿式氯化鋅和氧化鋅等腐蝕產(chǎn)物，這些物質(zhì)可以抑制電荷的轉(zhuǎn)移，在高頻區(qū)出現(xiàn)容抗弧。在低頻區(qū)出現(xiàn)容抗弧是由于電解質(zhì)在膜層空隙中的擴散導(dǎo)致。冷軋板表面在腐蝕的初期可以形成鐵的氧化物，起到類似鋅氧化物的作用，但防腐能力弱于鍍鋅板。容抗弧半徑的大小可用來表示電子的鋼材表面?zhèn)鬟f的難易程度，與耐蝕性能的相關(guān)。由圖2可以看出，容抗弧半徑的增加順序為鈍化板>鍍鋅板>冷軋板，說明鍍鋅板的耐蝕能力強于冷軋板，而經(jīng)鈍化處理的鍍鋅板耐蝕能力最好。

2.2　等效電路擬合

雖然采用EIS技術(shù)可獲得大量具有潛在應(yīng)用價值的實驗數(shù)據(jù)，但對這些數(shù)據(jù)需要進行謹(jǐn)慎的分析和解釋。對電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)的分析方法主要是等效電路模型方法擬合EIS數(shù)據(jù)。等效電路(見圖3)由模擬電極/溶液界面的各種電學(xué)元件組合而成。這些電學(xué)元件包括電阻(R)，電容(Q)和彌散指數(shù)n(代表表面性質(zhì)的不均勻程度)等。在上述實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們用ZsimpWin軟件按照如下的等效電路對三種板材的腐蝕過程進行了擬合，結(jié)果如表1所示。

在等效電路中，Rs對應(yīng)于腐蝕介質(zhì)的歐姆電阻，R1對應(yīng)于鋼材表面鍍層或腐蝕層的電阻，Q1和Q2分別對應(yīng)于腐蝕層表面和鋼材基底表面的雙電層電容，Rp為鋼材表面的極化電阻。從擬合數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)鈍化處理后的鍍鋅板的表面均勻性最好，表面電阻最大，耐蝕能力最強。

2.3　板材在鹽水介質(zhì)中浸泡不同時間后的阻抗譜

為了考察鋼材表面鍍層的耐蝕能力的持續(xù)性，研究了鍍鋅板和六價鉻鈍化處理后的鍍鋅板在鹽水介質(zhì)中浸泡不同時間后的電化學(xué)阻抗譜的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4和圖5所示。鍍鋅板在3 wt%NaCl溶液中浸泡24 h后阻抗值達到最大，浸泡時間超過96 h后，阻抗值開始下降。說明鍍鋅層在腐蝕初期形成的腐蝕層能更好對基底鋼材起到保護作用。浸泡時間超過96 h后，鍍鋅層被破壞，耐蝕能力開始下降。經(jīng)六價鉻鈍化處理后的鍍鋅板阻抗值的變化規(guī)律與鍍鋅板相似，但在浸泡24 h后，板材的阻抗值更大。說明經(jīng)鈍化處理后的鍍鋅板耐蝕能力更好。冷軋板在鹽水中浸泡一小時后，阻抗值就發(fā)生明顯下降，說明冷軋板表面的腐蝕層很快溶于鹽水，不能對基底鋼材起到保護作用。

3結(jié)論

電化學(xué)阻抗譜可用于研究不同鋼材的腐蝕過程。通過等效電路擬合，可對腐蝕機理進行研究。不同來源的板材腐蝕機理的差異導(dǎo)致不同板材的耐蝕能力存在較大差異。鍍鋅板在鹽水中的耐蝕能力強于冷軋板，經(jīng)鈍化處理后的鍍鋅板具有更好的耐蝕能力。

參 考 文 獻

[1]林玉珍，楊德均，腐蝕和腐蝕控制原理，北京：中國石化出版社，2007：1-7

[2]魏寶明，金屬腐蝕理論及應(yīng)用，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004

[3]楊仲年， 耐候鋼和Zn與Zn-Fe合金鍍層的腐蝕電化學(xué)行為研究[C]. 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文， 2006

[4]A. Amirudin, D. Thierry, Electrochemical sensor for monitoring atmospheric corrosion of polymer coated metal, British Corrosion Journal, 1995, 30(3), 214-220

[5]T. Kamimura, M. Stratmann, The influence of chromium on the atmospheric corrosion of steel. Corrosion Science, 2001, 43, 429-447

[6]R. P. Vera Cruz, A, Nishikata, T. Tsuru, AC impedance monitoring of pitting corrosion of stainless steel under a wet-dry cyclic condition in chloride-containing environment, Corrosion Science, 1996, 38(8): 1397-1406

Study on corrosion process of different steels

using electrochemical impedance spectroscopy

HU Man-jie

Abstract：Electrochemical impedance spectroscopy was adopted to study electrochemical corrosion of different steels including cold-rolled sheet, galvanized sheet, and hexavalent chromium passivated galvanized sheet. Anti-corrosion of different sheets was compared. The corrosion process of different sheets was fitted using equivalent circuit to discuss the corrosion mechanism, which could be helpful for improving anti-corrosion ability of steel.

Key words：Electrochemical impedance spectroscopy;cold-rolled sheet;galvanized sheet;corrosion