高溫條件對金屬材料電化學腐蝕行為的影響研究

張正彪

（昭通學院，云南 昭通 657000）

金屬材料根據所包含的金屬元素種類不同，可分為純金屬材料、合金金屬材料、金屬材料金屬間化合物以及特殊金屬材料四種，由于金屬材料具有良好的力學性能、化學性能等金屬特性，其中化學性能包括耐酸性、耐堿性、耐氧化性、耐腐蝕性，被廣泛應用在生產、生活中，隨著金屬材料生產工藝水平不斷提高，以及對金屬材料耐久性能要求不斷提高，在金屬材料生產和使用中，金屬材料的耐腐蝕性能越來越受到重視，試圖通過不斷的優化金屬材料的生產工藝來提高金屬材料的耐腐蝕性能，所以對金屬材料電化學腐蝕行為研究是非常必要的，因此提出高溫條件對金屬材料電化學腐蝕行為的影響研究，為優化金屬材料生產工藝，以及提高金屬材料耐腐蝕性能提供理論依據。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與設備

實驗材料為某大型金屬材料生產企業提供，所有金屬材料均為熱軋試樣，金屬材料生產工藝采取的是ACG（氬氧脫碳）精煉工藝。經檢測金屬材料主要金屬元素成分如表1所示。

從表可以看出，所選的金屬材料中碳元素、硫0元素以及磷元素等有害金屬元素質量分數均低于國標規定（wt≤0.075%）的最低要求，并且金屬材料試樣夾雜物較少，不會影響實驗結果。對于金屬材料的腐蝕介質選擇碳酸鈉溶液，對碳酸鈉溶液要用分析純試劑和高純去分子水進行配置，所有實驗環境均在溫室下進行。

實驗設備：美國FD公司生產的LK502恒電流儀；英國RT公司生產的PKJ恒電位儀；工作電極、參比電極以及輔助電極三電極體系裝置。

1.2 實驗過程

首先將金屬材料試樣進行常規電化學實驗，采用工作電極、參比電極以及輔助電極三電極體系裝置，如果沒有特殊說明，工作電極和輔助電極均是相對于參比電極，且工作電極為Pt片。實驗中分別在10℃常規溫度與100℃超高溫度條件下，將金屬材料試樣放在碳酸鈉腐蝕溶液中進行腐蝕，利用KUG006電位掃描儀由低頻向高頻進行電位掃描，腐蝕電位-時間曲線測試時間為1000s，頻率范圍設定在120kHz～180 kHz區間內，儀器的激勵信號幅值設定為15mV正弦交流信號，此外電位區間設定在-0.9V-+0.9V，掃描速度為25mV/s，由陽極電極到陰極電極進行電位掃描。將掃描得到的數據利用DLP軟件進行擬合，然后根據數據擬合結果提出相應的等效電路圖，用于記錄金屬材料電化學腐蝕電位隨時間的變化。

表1 金屬材料的化學成分的質量分數（wt%）

表2 常規溫度和高溫條件下金屬材料的電化學腐蝕參數表

當在腐蝕電位下，金屬材料在碳酸鈉溶液中浸泡時間達到45min后獲得金屬材料腐蝕產物膜，運用掃描電化學顯微鏡對金屬材料腐蝕產物膜進行測量，采用三電極體系，探針電極為Pt盤位電極，光斑直徑大小為45μm，化學元素深度分布采用能量為0.65keV的Ar離子對金屬材料腐蝕產物膜進行轟擊，電流為1.5mA，最后利用KJYH4.65軟件進行峰值擬合，用于分析金屬材料電化學腐蝕行為特征，所有金屬材料的電化學實驗需要至少重復三次，以此保證實驗結果的有效性。

2 實驗結果與分析

在常規溫度和高溫兩種溫度條件下，金屬材料都有明顯的電化學腐蝕行為，下圖為金屬材料在常規溫度和高溫條件下腐蝕電位-時間曲線圖。

圖1 金屬材料在常規溫度和高溫條件下腐蝕電位-時間曲線圖

從上圖可以看出，在常規溫度下金屬材料在碳酸鈉腐蝕介質中浸泡時間為250s以后，腐蝕電位基本達到穩定狀態，并且整個實驗過程中，金屬材料的腐蝕電位變化幅度不高；而在高溫條件下，金屬材料在碳酸鈉腐蝕介質中腐蝕電位起初下降較快，大約在450s后趨于穩定狀態，這說明高溫條件會降低金屬材料電化學腐蝕行為的穩定性，并且會加快金屬材料的電化學腐蝕行為速度。下表為常規溫度和高溫條件下金屬材料的電化學腐蝕參數表。

上圖所表示為不用溫度條件下，金屬材料在腐蝕介質中的電化學阻抗譜特征。從上表可以看出，溫度提高后，金屬材料無論是致密層電阻遠遠高于疏松層電阻，這說明高溫條件下金屬材料致密內層的腐蝕特性在鈍化膜的耐蝕性能影響機制中起到主導作用，也說明隨著溫度的提高，金屬材料的鈍化膜厚度有所增加。

3 結果討論

通過以上實驗研究與分析發現，高溫條件對金屬材料電化學腐蝕行為確實具有較大的影響，金屬材料電化學測量結果表明，高溫條件會影響到金屬材料電化學腐蝕行為穩定性，不僅會加快金屬材料電化學腐蝕進程，還會加深金屬材料電化學腐蝕深度。而從金屬材料電化學腐蝕參數中可以看出，溫度的升高，會擴大金屬材料鈍化區域范圍，并且增強金屬材料的鈍化現象，腐蝕電流密度與腐蝕電位也高于常規溫度，腐蝕電位與腐蝕電流密度代表的是金屬材料的腐蝕速度和腐蝕程度，這說明溫度越高，金屬材料腐蝕傾向越大，腐蝕速度越快，腐蝕程度越深。從金屬材料的鈍化角度分析，金屬材料進入鈍化狀態的電位大小可以看出，常規溫度下金屬材料的致鈍電流低于高溫環境，說明高溫條件會加快金屬材料更早進入鈍化區，并且鈍化狀態的穩定性較好，以此實現了高溫條件對金屬材料電化學腐蝕行為的影響研究。

4 結語

此次對高溫條件對金屬材料電化學腐蝕行為的影響進行了研究，對金屬材料腐蝕性能進一步提高具有重要的理論意義，同時對金屬材料精煉工藝的優化和完善也同樣具有重要的參考依據。由于此次研究時間有限，雖然在該方面取得了一定的研究成果，但實驗條件僅設置了常規溫度與高溫溫度兩種，并且選取的腐蝕介質僅有碳酸鈉酸性介質一種，研究內容還存在一些不足之處，今后還需在該方面進行深入研究，為金屬材料電化學腐蝕行為研究提供理論依據。