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模拟低合金钢在富盐盐湖大气环境腐蚀过程的试验方法
技术领域
本发明涉及低合金钢的大气腐蚀模拟技术，特别提供了一种模拟低合金钢在富盐盐湖大气环境下腐蚀过程的试验方法。
背景技术
低合金钢是建筑、机械、交通运输工具、常规武器等最基本的结构材料，从原材料库存，零部件加工和装配，成品的运输和储存，到最后的服役过程，它们都会遭到不同程度的大气腐蚀，导致性能下降和服役寿命缩短。研究低合金钢大气腐蚀的传统方法有户外暴露试验和室内加速腐蚀试验。在大气腐蚀站进行户外暴露试验是研究低合金钢大气腐蚀的传统方法，但这需要很长时间完成。与之相比，室内加速腐蚀试验耗时短，可用来推测户外长期暴露试验结果，预测低合金钢的使用寿命。王振尧等(腐蚀科学与防护技术16[2](2004)70)以0.01mol·L^-1NaHSO₃+0.001mol·L^-1NaCl为腐蚀介质，较好地模拟了低合金钢在工业大气环境中的腐蚀。张全成等(材料保护35[3](2002)21)以3.5％wt的NaCl溶液为腐蚀介质，模拟了低合金钢在海洋大气环境中的腐蚀行为。大量研究发现不同的大气环境下低合金钢的腐蚀速率、腐蚀形貌、腐蚀产物和腐蚀机理相差很大。目前还没有关于模拟低合金钢在富盐盐湖大气环境下的腐蚀研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟低合金钢在富盐盐湖大气环境下腐蚀过程的试验方法，该方法具有模拟性、加速性和重现性。
本发明的技术方案如下：
一种模拟低合金钢在富盐盐湖大气环境腐蚀过程的试验方法，以低合金钢为试验材料，以稀释20～50倍的盐湖水为腐蚀介质，按“浸渍→干燥→湿润”顺序每20～30分钟循环一次，其中：浸渍40～50℃，2～4min；干燥50～70℃，15～20min；湿润40～50℃，3～6min；试验时间为6～96小时。
本发明中，盐湖水的主要成分如下：
表1盐湖水主要成分

  成分  Na⁺  K⁺  Mg²⁺  Ca²⁺  Cl^-  含量(wt.％)  0.11  0.056  1.84  0.43  34.057
本发明的优点及有益效果是：
(1)采用本发明的试验方法具有显著的加速性：几十倍至几百倍。
(2)采用本发明的腐蚀产物与户外暴露的相一致，都主要由β-FeOOH、Fe₈(O，OH)₁₆Cl_1.3和γ-FeOOH组成，腐蚀产物中都含有大量的Cl、Mg等外来元素，说明在富盐大气环境中Cl^-加速了低合金钢的腐蚀。
(3)采用本发明形成的锈层和户外暴露试验形成的锈层都抑制了阳极反应，说明两种情况下形成锈层的保护能力都随时间不断增强。锈层电阻R_R值都较小，说明锈层的保护能力都很弱。
(4)重复试验证明具有很好的再现性。
(5)本发明具有模拟性、加速性和重现性，可以此来研究各种低合金钢在富盐盐湖大气腐蚀过程，快速评价和预测其耐富盐盐湖大气腐蚀性，为合理选材和选用合适的防护方法提供依据。
附图说明
图1为室内模拟试验后腐蚀产物的X-射线衍射谱。
图2为室内模拟试验后样品的腐蚀失重随时间变化曲线。
图3为室内模拟试验后样品的电化学极化曲线。
图4为室内模拟试验后Cl、Mg元素在锈层中的分布。
图5为户外暴露试验后样品的腐蚀失重随时间变化曲线。
图6为户外暴露试验后Cl、Mg元素在锈层中的分布。
图7为户外暴露试验后腐蚀产物的X-射线衍射谱。
图8为户外暴露试验后样品的电化学极化曲线。
具体实施方式
本发明建立了一种模拟低合金钢在富盐盐湖大气环境下腐蚀过程的试验方法。所要解决的技术问题是必须满足模拟性、加速性和重现性三个基本条件。
本发明中所述的富盐盐湖大气环境见表2，其主要特点是大气中含盐量高、降水量少、灰尘沉积大。
表2富盐盐湖大气环境主要参数

试验使用的低合金钢化学成分见表3，根据标准GB/T 6464-1997，进行样品准备。用于失重分析的试样尺寸为100mm(长)×50mm(宽)×5mm(厚)，所有样品经丙酮擦洗，酒精脱水后置于干燥器中，24小时后对试样进行称量，精确至0.1mg。锈层分析试样为20mm(长)×20mm(宽)×5mm(厚)。电化学测试试样采用环氧树脂常温镶嵌，工作面积为1cm²。
表3试验材料的化学成分(wt％)
  材料  C  Si  Mn  P  S  Cr  Ni  Cu  Al  CortenA  0.09  0.3  0.35  0.081  0.005  0.48  0.27  0.28  0.037
大气暴露试验参照ISO-4542标准在青海盐湖地区进行，试验时间为2004.09-2006.10。室内模拟试验参照青海盐湖地区的环境参数，选取盐湖水为腐蚀介质，对低合金钢采用干湿循环进行一系列试验。
去除锈层时采用500ml盐酸(质量浓度为38％的浓盐酸)+500ml蒸馏水+20g六次甲基四胺的除锈液，室温下浸泡、刷洗，将锈除净为止。从腐蚀失重、元素分布、锈层组成和电化学行为等方面对试验结果进行分析，按目标进行筛选出合适的试验条件，获得本发明的试验方法。
实施例1
试验材料为上述的Corten A耐候钢，以用蒸馏水稀释20倍的盐湖水为腐蚀介质，按“浸渍→干燥→湿润”顺序每20分钟循环一次，其中：浸渍40℃，2min；干燥50℃，15min；湿润40℃，3min；试验时间为6小时。样品表面的锈层中含有大量的Cl、Mg等外来元素。从图1中腐蚀产物的X-射线衍射谱可以看出，锈层主要由β-FeOOH、Fe₈(O，OH)₁₆Cl_1.3和γ-FeOOH组成；其中，A：β-FeOOH；L：γ-FeOOH；M：Fe₃O₄；C：Fe₈(O，OH)₁₆Cl_1.3；D：Mg₄Fe(OH)₈OCl·xH₂O。
实施例2
试验材料为上述的Corten A耐候钢，以用蒸馏水稀释20倍的盐湖水为腐蚀介质，按“浸渍→干燥→湿润”顺序每20分钟循环一次，其中：浸渍40℃，2min；干燥50℃，15min；湿润40℃，3min；试验时间为12小时。如图2所示，12小时样品的腐蚀量为63.32g·m^-2。锈层中含有大量的Cl、Mg等外来元素。从图3中电化学极化曲线可以看出，12小时样品的阳极电流随电位呈指数增加。阴极电流随电位增加变化较小，受氧扩散控制。样品的锈层电阻R_R值为4.09Ω·cm²。
实施例3
试验材料为上述的Corten A耐候钢，以用蒸馏水稀释20倍的盐湖水为腐蚀介质，按“浸渍→干燥→湿润”顺序每20分钟循环一次，其中：浸渍40℃，2min；干燥50℃，15min；湿润40℃，3min；试验时间为24小时。从图1腐蚀产物的X-射线衍射谱可以看出，锈层主要由β-FeOOH、Fe₈(O，OH)₁₆Cl_1.3、γ-FeOOH、Fe₃O₄和Mg₄Fe(OH)₈OCl·xH₂O。与6小时样品相比，24小时样品的腐蚀产物出现了新相Fe₃O₄和Mg₄Fe(OH)₈OCl·xH₂O。如图2所示，24小时样品的腐蚀量为114.06g·m^-2。锈层中含有大量的Cl、Mg等外来元素。从图3中电化学极化曲线可以看出，24小时后样品的极化曲线与12小时后样品的极化曲线相似，但同一电位下，24小时样品的阳极电流密度大于12小时样品的阳极电流密度，阴极电流密度小于12小时的样品。24小时后样品的锈层电阻R_R值为3.85Ω·cm²，与12小时样品的R_R值接近。
实施例4
试验材料为上述的Corten A耐候钢，以用蒸馏水稀释20倍的盐湖水为腐蚀介质，按“浸渍→干燥→湿润”顺序每20分钟循环一次，其中：浸渍40℃，2min；干燥50℃，15min；湿润40℃，3min；试验时间为96小时。从图1腐蚀产物的X-射线衍射谱可以看出，96小时后，锈层主要由β-FeOOH、Fe₈(O，OH)₁₆Cl_1.3、γ-FeOOH、Fe₃O₄和Mg₄Fe(OH)₈OCl·xH₂O。与24小时样品相比，腐蚀产物中的新相Fe₃O₄和Mg₄Fe(OH)₈OCl·xH₂O组分峰的相对强度增加，说明它们含量的增加。如图2所示，96小时样品的腐蚀量515.29g·m^-2。从图3中电化学极化曲线可以看出，96小时样品的阳极极化曲线与12、24小时样品的阳极极化曲线相似，阴极极化曲线出现宽范围的Tafel区，阴极反应受电荷转移步骤控制。同一电位下，96小时样品的阳极电流密度明显大于24小时的样品，阴极电流密度明显小于24小时样品。96小时样品的R_R值为6.22Ω·cm²，大于24小时样品的R_R值。从图4可以看出，锈层中含有大量的Cl、Mg等外来元素。
实施例5(对比例)
参照ISO-4542标准在青海盐湖地区进行Corten A耐候钢的大气暴露试验，时间分别为6、12和25个月。从图5可以看出，样品的腐蚀失重随暴露时间的增加而增加。锈层中含有大量的Cl、Mg等外来元素(图6)。腐蚀产物的X-射线衍射谱表明锈层都主要由β-FeOOH、Fe₈(O，OH)₁₆Cl_1.3和γ-FeOOH组成(图7)；其中，A：β-FeOOH；L：γ-FeOOH；C：Fe₈(O，OH)₁₆Cl_1.3；Q：SiO₂。从图8中电化学极化曲线可以看出，阳极电流密度随暴露时间增加而减小，说明耐候钢上形成的锈层提高了基体的耐蚀性。阴极极化电流随暴露时间增加而增大，并且阴极电流密度随电位增加而增加，说明阴极反应受电荷转移过程控制。从表4可以看出，随暴露时间增加样品的锈层电阻R_R值增加，但R_R值都很小。
表4室内模拟试验和户外暴露试验后样品的锈层电阻R_R值
  时间  (月) R_R (Ω·cm²)  时间  (小时) R_R (Ω·cm²)  6 /  12 4.09  12 6.57  24 3.85  25 11.09  96 6.22
由实施例1、2、3、4和对比例5可知，采用室内模拟和户外暴露两种实验方法，样品的腐蚀失重都随时间增加而增加，并且室内模拟12和24小时样品的腐蚀量(分别为63.32和114.06g/m²)与户外暴露6和12个月样品的腐蚀量(分别为61.85和138.12g/m²)接近。两种方法下，样品的腐蚀产物相似，都主要含有β-FeOOH、Fe₈(O，OH)₁₆Cl_1.3和γ-FeOOH，锈层中都分布着大量的Cl、Mg等外来元素，说明Cl^-加速了Corten A钢的腐蚀。两种实验方法下，样品的阳极电流密度随时间增加而减小，阴极电流密度随时间增加而增加，锈层电阻R_R值都很小，说明锈层的保护能力都很弱。
因此，本发明模拟低合金钢在富盐盐湖大气环境下的腐蚀过程，具有模拟性、加速性和重现性，可用于研究各种低合金钢在该大气环境下的腐蚀行为，进行评价和预测，为合理选材和选用合适的防护方法提供依据。