貝氏體耐候鋼模擬工業大氣腐蝕交流阻抗譜分析

邵長靜

摘 要：主要闡述了實驗目的、實驗方法和實驗結果等具體內容，提出了提高貝氏體耐候鋼耐蝕性作用的方法和具體實驗判定過程。

關鍵詞：貝氏體耐候鋼；耐蝕性；交流阻抗譜；實驗鋼

中圖分類號：TG174.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.008

1 實驗目的

該實驗的目的是通過測定電化學交流阻抗譜，驗證了添加了耐蝕性元素P和Cu等與貝氏體組織的存在，確實提高了自行研制的磷合金化貝氏體耐候鋼的耐工業大氣腐蝕性能。

2 實驗鋼的成分和金相組織

該實驗設計了2種不同成分的磷合金化貝氏體耐候鋼C1鋼和C2鋼，其成分如表1所示。

在實驗過程中，取09CuPCrNi鋼作為對比鋼種，3種實驗鋼均為熱軋態。其金相組織分別為：C1鋼和C2鋼的組織均為細小的粒狀貝氏體，09CuPCrNi為細小的鐵素體+珠光體組織，如圖1.

3 實驗方法

采用質量分數為0.052%的NaHSO3溶液模擬工業大氣對實驗鋼的腐蝕，在德國產電化學工作站ZAHNER-IM6e上進行阻抗譜測定。電化學阻抗譜測試參數分別為：頻率為10-2～105 Hz，施加擾動電位5 mV（交流激勵信號）。選用相關軟件擬合EIS圖（電化學阻抗譜圖），可以得到相關的電化學參量——Rp（金屬基體和滲入銹層內的電解質溶液構成的雙電層離子傳遞電阻）和Rt（銹層和附著在銹層表面的電介質溶液所構成的雙電層的離子傳遞電阻）。

4 實驗結果和分析

圖2為3種實驗鋼裸樣在質量分數為0.052%的NaHSO3溶液內的電化學交流阻抗譜。由圖可見，3種實驗鋼裸樣阻抗譜的奈奎斯特圖都是由高頻段壓縮的容抗弧、低頻段平面電極的有限層2部分構成。這說明，電化學反應過程同時受到電極過程控制和平面電極的有限層擴散控制。在實驗過程中，使用了質量分數為0.052%的NaHSO3溶液模擬工業大氣對實驗鋼的腐蝕情況，并且腐蝕液呈弱酸性。因此，其在此溶液內的電化學反應為：陽極的鐵離子與陰極的氫氧根離子結合，先生成腐蝕產物氫氧化亞鐵并沉淀。由于溶液中存在氧，將氫氧化亞鐵進一步氧化為氫氧化鐵，氫氧化鐵呈薄膜狀，并疏松地包裹在實驗鋼的表面，具有一定的保護作用，所以，在奈奎斯特圖中出現了平面電極的有限層擴散?。ㄖ笢鲗拥暮穸葹橛邢拗担?。將奈奎斯特圖高頻段的壓縮容抗弧延長，使之與阻抗實軸相交，延長線與實軸交點的坐標值即為溶液電阻+極化電阻（Rs+Rp）的數值。因為它們處于相同的腐蝕液中，溶液電阻Rs是相同的，所以，由此可以看出，極化電阻Rp的大小為：C2鋼>09CuPCrNi>C1鋼。

實驗鋼裸樣在腐蝕液中電化學腐蝕情況的模擬等效電路如圖3所示。其中，Rs為溶液電阻；CPE1表示鋼表面和溶液構成的雙電層，是常相位角元件；Rp為極化電阻（金屬的腐蝕程度和腐蝕狀況的電荷傳遞電阻）；Ws是平面電極的有限層擴散所引起的阻抗。采用該電路擬合的電化學參數擬合實驗鋼裸樣模擬工業大氣腐蝕的交流阻抗譜，擬合曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，擬合的電化學參數所繪制的奈奎斯特圖與實測圖形之間的偏差很小。這說明，該電路模型較好地描述了實驗鋼裸樣在該腐蝕液中的電化學行為。

圖5是3種實驗鋼模擬腐蝕5周期后帶銹樣品的交流阻抗譜。模擬工業大氣腐蝕5周期后，鋼的表面逐漸被一層比較完整的銹層所覆蓋，銹層在一定程度上阻止了離子通過，因為銹層疏松，所以，工作電極（試樣）和溶液之間出現了2個雙電層，即基體金屬和滲入到基體表面的電解液構成的；銹層外表面和電解液構成的。雙電層電容與腐蝕產物在金屬表面的積累有關，也與電極表面的多孔性和粗糙度密切相關。與裸樣相似，腐蝕5周期帶銹試樣交流阻抗譜的奈奎斯特圖在高頻段同樣出現了壓縮容抗弧，但是，在復平面阻抗譜的低頻區出現了1個擴散尾，表現出了明顯的擴散控制特征。同樣，將奈奎斯特圖高頻段容抗弧延長，讓它與阻抗實軸相交，就可得出溶液電阻+銹層電阻（Rs+Rt）的大小。由于溶液電阻Rs是相同的，所以，實驗鋼銹層電阻大小為：C2鋼>09CuPCrNi>C1鋼。

在評定腐蝕產物層的性能時，波特圖比奈奎斯特圖更準確，所以，本文同時給出了波特圖和奈奎斯特圖。從2種圖形中都可以看出，模擬工業大氣腐蝕5周期以后，C2鋼的銹層電阻最大，銹層電阻越大，其對基體的保護能力就越強。因為C2鋼銹層的電阻最大，所以，C2鋼銹層對基體的保護能力最強。

實驗鋼模擬工業大氣腐蝕5周期的等效電路如圖6所示。其中，Rs是溶液電阻；Rt是銹層電阻；Rp是基體金屬溶解反應電荷傳遞電阻；C1是銹層跟電解液構成的雙電層電容；CPE1是基體金屬和滲入銹層內的電解液所構成的雙電層電容；Zw是與擴散有關的濃差極化阻抗。采用此電路擬合的電化學參數擬合實驗鋼模擬工業大氣腐蝕5周期的阻抗譜，擬合曲線如圖7

所示。由圖7可知，擬合曲線與實測結果之間的偏差很小。這表明，該等效電路模型可以很好地描述帶銹實驗鋼在質量分數為0.052%的NaHSO3溶液內的電化學行為。

5 結論

通過對3種實驗鋼交流阻抗譜的測定，從中可以看出，無論是裸樣還是帶銹層試樣，C2鋼的阻抗均高于其他2種實驗鋼。這說明，C2鋼耐工業大氣腐蝕的能力最強，同時，也充分證明了在基體組織相同（C1鋼與C2鋼）的情況下，添加Cu、P等元素可以提高C2鋼的耐蝕能力；在添加Cu、P等合金元素（09CuPCrNi鋼和C2鋼）的情況下，貝氏體組織表現出了更好的耐蝕性。

參考文獻

[1]曹楚南.腐蝕電化學原理[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2]王樹濤，楊善武，高克瑋，等.低合金耐候鋼在含氯離子環境中的耐腐蝕性能[J].材料熱處理學報，2008（04）.

〔編輯：白潔〕