NaCl電解液對(duì)420不銹鋼的刻蝕研究

苑冬文，崔 歡，康艷紅，鄭一斐，李佳玥，孔令娜

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NaCl電解液對(duì)420不銹鋼的刻蝕研究

苑冬文，崔 歡，康艷紅，鄭一斐，李佳玥，孔令娜

（沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，沈陽(yáng) 遼寧 110034）

以NaCl電解液為研究對(duì)象，采用陽(yáng)極溶解刻蝕法研究了電解液濃度、電流密度、溫度、刻蝕時(shí)間對(duì)420不銹鋼刻蝕速度的影響，闡述了420不銹鋼在NaCl電解液中刻蝕速度的影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，槽間距為3 cm時(shí)，NaCl加入量為0.20~0.30 g·mL-1,電流密度為6~8 A·dm-2,溫度30~50℃條件下，刻蝕速度可以達(dá)到最佳；隨著刻蝕時(shí)間的增加，溶液堿性增強(qiáng)，溶液由墨綠色轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣?/p>

NaCl電解液；420不銹鋼；刻蝕

離子液體是完全由陰、陽(yáng)離子液體組成且在常溫下呈液態(tài)的離子化合物，通常也稱作室溫熔巖。離子液體具有電化學(xué)窗口寬，蒸汽壓小，導(dǎo)電性好，無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

不銹鋼具有很高的力學(xué)強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐蝕性以及易于加工等優(yōu)良性質(zhì)。隨著其裝飾加工工藝的發(fā)展和成熟，在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益擴(kuò)大，如在招牌制作、儀器設(shè)備表面圖文刻印、制造印刷用的金屬字板、在機(jī)械加工較為困難的薄板或薄片零件（電子線路板、金屬網(wǎng)板的小孔以及光柵）等器件上制造出復(fù)雜的圖形或文字[4-5]。我國(guó)的不銹鋼制品的商標(biāo)工藝一直沿用機(jī)械的沖壓法，這種方法由于機(jī)械的動(dòng)作使制品局部承受的壓力過(guò)于集中，造成制品彎曲變形且操作麻煩[6]。不銹鋼的裝飾是通過(guò)對(duì)不銹鋼進(jìn)行部分刻蝕，獲得一定深度的圖形或文字，在其上著色，從而達(dá)到具有立體感的彩色裝飾效果。

工業(yè)上一般采用FeCl3，化學(xué)刻蝕和陽(yáng)極溶解兩種方法進(jìn)行刻蝕[7-9]，該方法具有工藝簡(jiǎn)單、刻蝕速度快、污染少、經(jīng)濟(jì)且效果好等優(yōu)點(diǎn)，但FeCl3電解液相對(duì)于FeCl3電解液來(lái)說(shuō)，制備方法繁瑣，而NaCl電解液廉價(jià)易得，成本較小，性質(zhì)比較穩(wěn)定，所以，采用NaCl電解液來(lái)探究電流密度、溫度、刻蝕時(shí)間對(duì)刻蝕不銹鋼的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

多功能脈沖電源（MD-30B，廈門群際儀器有限公司）；

電解糟作為反應(yīng)容器（自制：7 cm×6.5 cm×4.3 cm，電解槽內(nèi)槽間距：3 cm，電解槽的槽體積195.65 cm3）；

420不銹鋼片（碳含量0.25 %，鐵含量85 %，鉻含量13.6 %）作為陽(yáng)極電極，陰極采用石墨電極作為輔助電極（體積13.2 cm3），用NaCl溶液作為電解液，濃度分別為0.15 g·mL-1，0.20 g·mL-1，0.25 g·mL-1，0.30 g·mL-1。

采用恒電流電解的方法，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)定420不銹鋼實(shí)驗(yàn)前后的重量變化。石墨電極作為陰極并與脈沖電源負(fù)極連接，420不銹鋼片作為陽(yáng)極與脈沖電源正極相連，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 NaCl電解液濃度的選擇

在室溫（28.4 ℃）下，電流密度為8 A·dm-2,定時(shí)8 min，420不銹鋼面積3.55 cm2。表1為電解液濃度對(duì)刻蝕量的影響。由表1可以看出，在電解液濃度為0.25 g·mL-1時(shí)不銹鋼片的刻蝕量最多，因此選擇電解液濃度為0.25 g·mL-1的NaCl溶液來(lái)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)。

表1 電解液濃度對(duì)刻蝕量的影響

2.2 電流密度的選擇

在室溫（28.4 ℃）下，定時(shí)8 min，420不銹鋼面積3.55 cm2。圖2為電流密度對(duì)刻蝕量的影響圖。由圖2可以看出，隨著電流密度的增加，刻蝕量也在逐漸增加，在電流密度為8 A·dm-2時(shí)對(duì)不銹鋼腐蝕情況最為嚴(yán)重，但是和電流密度為7 A·dm-2時(shí)刻蝕量相差無(wú)幾，在同等消耗電量的情況下，7 A·dm-2刻蝕速度更快，因此7 A·dm-2為最佳刻蝕電流密度。

圖2 電流密度對(duì)刻蝕量的影響圖

2.3 溫度的選擇

在室溫（28.4 ℃）下，電流密度為7 A·dm-2，定時(shí)8 min，420不銹鋼面積3.55 cm2。圖3為溫度對(duì)刻蝕量的影響圖。

圖3 溫度對(duì)刻蝕量的影響圖

由圖3可以看出，剛開(kāi)始，隨溫度的升高刻蝕量增加，在30 ℃時(shí)刻蝕量達(dá)到峰值，之后隨著溫度的升高刻蝕量減小。隨溫度的升高pH值先增高后減小，在30 ℃時(shí)達(dá)到峰值，因此30 ℃為最佳刻蝕溫度。

2.4 刻蝕時(shí)間的選擇

在室溫（28.4 ℃）下，選用電流密度7 A·dm-2、溫度30 ℃，鐵片面積：5.85 cm2。圖3為刻蝕時(shí)間對(duì)刻蝕量的影響圖。由圖4可以看出，隨時(shí)間的增加，刻蝕量增加，但刻蝕速度逐漸變慢，在90 min之后刻蝕量變化幾乎不變，因此90 min為最佳刻蝕時(shí)間。

圖4 刻蝕時(shí)間對(duì)刻蝕量的影響圖

３ 結(jié)論

在槽間距位3 cm，NaCl加入量為0.2~0.3 g·mL-1，電流密度6~8 A·dm-2,溫度30~50 ℃條件下，得出以下結(jié)論。

（1）在溫度，電流密度相同的情況下，濃度為0.25 g·mL-1的NaCl溶液為最適的電解液。

（2）只改變電流密度的情況下，電流密度是7 A·dm-2時(shí)刻蝕量最大。

（3）只改變溫度的情況下，溫度為30 ℃時(shí)刻蝕量最大

（4）在其他條件最適的條件下，隨著時(shí)間的變化鐵片不斷腐蝕，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象越來(lái)越明顯，直接發(fā)生的發(fā)應(yīng)：總反應(yīng)：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑

但隨著時(shí)間的增加，會(huì)發(fā)生間接反應(yīng)：

2FeCl3+6NaOH=2Fe(OH)3↓+6NaCl

最終總反應(yīng)為2Fe+ 6H2O =3H2↑ + 2Fe(OH)3↓，由于生成Fe(OH)3，使溶液粘度增加，電阻增大，刻蝕速度變慢。因此在90 min時(shí)刻蝕量相對(duì)最大。

直接的電極反應(yīng)為：陽(yáng)極：2Cl--2e-→Cl2，陰極：2H+-2e-→H2↑

總反應(yīng)：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑

間接反應(yīng)：2FeCl3+6NaOH=2Fe(OH)3↓ +6NaCl

最后預(yù)計(jì)總反應(yīng)：2Fe+ 6H2O =3H2↑+ 2Fe(OH)3↑

［1］鄧友全. 室溫離子液體——新型的精細(xì)化學(xué)品[J]. 精細(xì)化工原料及中間體, 2007, 8(10): 3-4.

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Study on NaCl Electrolyte Etching of 420 Stainless Steel

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（College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Liaoning Shenyang 110034，China）

With NaCl electrolyte as the research object, the anodic dissolution etching method was used to study the effect of electrolyte concentration, current density, temperature and etching time on etching rate of 420 stainless steel. The factors of affecting the etching rate of 420 stainless steel in NaCl electrolyte were discussed. The experimental results show that when the groove spacing is 3 cm, the dosage of NaCl is 0.20~0.30 g·mL-1,the current density is 6~8 A·dm-2, temperature is 30~50 ℃, the etching rate can be the best; with the increase of etching time, alkaline of the solution enhances, the solution color changes from dark green to brown.

Submarine pipeline; Unsteady heat transfer; Numerical study

2017-03-12

苑冬文（1996-），女，遼寧省營(yíng)口市人。

TQ150.6

A

1004-0935（2017）05-0445-03