電化學阻抗譜技術對不同鋼材腐蝕過程的研究

電化學阻抗譜技術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隊安徽蚌埠233040)

摘要：利用電化學阻抗譜技術研究了冷軋板、鍍鋅板、六價鉻鈍化處理鍍鋅板的電化學腐蝕過程，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。

關鍵詞：電化學阻抗譜；冷軋板；鍍鋅板；腐蝕

中圖分類號：O657.1文獻標識碼：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域，對社會發展產生巨大危害[1]。因此研究各類鋼材的腐蝕規律、腐蝕機理和腐蝕特性，建立腐蝕數據庫，從理論上指導鋼材的防腐技術和防腐工藝的改進，延緩金屬材料腐蝕，提高其使用壽命，對節能環保具有重要的意義[2]。金屬腐蝕是電化學腐蝕的一種特殊形式，因此電化學方法常被用來研究金屬腐蝕。用于鋼鐵腐蝕研究的電化學技術有極化曲線法、電化學交流阻抗譜、微參比電極、Kelvin探頭測量技術、電化學探測電池、電化學噪聲等[3]。

電化學阻抗譜(EIS)是一種以小振幅的正弦波電位為擾動信號的電化學測量方法，是一種暫態電化學技術，具有測量速度快，對研究對象表面狀態干擾小的特點。與其它常規的電化學方法相比，可以得到更多的動力學信息及電極界面結構的信息，是一種常用的研究鋼材腐蝕過程的方法[4-6]。本文擬采用電化學阻抗譜對不同材質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據。

1實驗部分

電化學性能測試是在上海辰華公司生產的型號為CHI760D電化學工作站上進行的。腐蝕介質為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結果與討論

2.1　不同板材的電化學阻抗譜

為了去除樣品表面不均勻性對測試結果的影響，在進行電化學測試前，對冷軋板采用砂紙打磨除銹和丙酮超聲除油兩步預處理過程；對鍍鋅板采用在丙酮中超聲除油的預處理方式。經預處理后，所有樣品的兩次測量極化曲線基本吻合，表明預處理能夠保證電化學測試結果的穩定性及重現性，為后續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，分布測試其電化學阻抗譜，結果如圖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的容抗弧，說明此時板材表面腐蝕是受電化學控制的。電化學阻抗譜只有一個時間常數，表明腐蝕只發生在板材的表層。板材在低頻區均表現出了一定的感抗收縮現象，說明此時板材表面的保護層發生溶解。在含Cl-的腐蝕環境中，鍍鋅板表面容易形成堿式氯化鋅和氧化鋅等腐蝕產物，這些物質可以抑制電荷的轉移，在高頻區出現容抗弧。在低頻區出現容抗弧是由于電解質在膜層空隙中的擴散導致。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傳遞的難易程度，與耐蝕性能的相關。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技術可獲得大量具有潛在應用價值的實驗數據，但對這些數據需要進行謹慎的分析和解釋。對電化學阻抗譜數據的分析方法主要是等效電路模型方法擬合EIS數據。等效電路(見圖3)由模擬電極/溶液界面的各種電學元件組合而成。這些電學元件包括電阻(R)，電容(Q)和彌散指數n(代表表面性質的不均勻程度)等。在上述實驗數據的基礎上，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，結果如表1所示。

在等效電路中，Rs對應于腐蝕介質的歐姆電阻，R1對應于鋼材表面鍍層或腐蝕層的電阻，Q1和Q2分別對應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。從擬合數據可以看出經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中浸泡不同時間后的電化學阻抗譜的變化規律，結果如圖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。經六價鉻鈍化處理后的鍍鋅板阻抗值的變化規律與鍍鋅板相似，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結論

電化學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，金屬腐蝕理論及應用，北京：化學工業出版社，2004

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