电化学阻抗谱技术对不同钢材腐蚀过程的研究

电化学阻抗谱技术对不同钢材腐蚀过程的研究

胡满杰

(安徽省地勘局三一二地质队安徽蚌埠233040)

摘要：利用电化学阻抗谱技术研究了冷轧板、镀锌板、六价铬钝化处理镀锌板的电化学腐蚀过程，对不同板材的耐蚀性能进行了比较，利用等效电路对不同板材的腐蚀过程进行了拟合，探讨了钢材腐蚀过程的机理，为改善钢材的耐蚀性能提供了参考。

关键词：电化学阻抗谱；冷轧板；镀锌板；腐蚀

中图分类号：O657.1文献标识码：A

收稿日期：2014-12-23

作者简介：胡满杰(1963-)，男，安徽怀宁人。安徽省地勘局三一二地质队，高级工程师。

金属的腐蚀，特别是钢铁的腐蚀，遍及社会生活的各个领域，对社会发展产生巨大危害[1]。因此研究各类钢材的腐蚀规律、腐蚀机理和腐蚀特性，建立腐蚀数据库，从理论上指导钢材的防腐技术和防腐工艺的改进，延缓金属材料腐蚀，提高其使用寿命，对节能环保具有重要的意义[2]。金属腐蚀是电化学腐蚀的一种特殊形式，因此电化学方法常被用来研究金属腐蚀。用于钢铁腐蚀研究的电化学技术有极化曲线法、电化学交流阻抗谱、微参比电极、Kelvin探头测量技术、电化学探测电池、电化学噪声等[3]。

电化学阻抗谱(EIS)是一种以小振幅的正弦波电位为扰动信号的电化学测量方法，是一种暂态电化学技术，具有测量速度快，对研究对象表面状态干扰小的特点。与其它常规的电化学方法相比，可以得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息，是一种常用的研究钢材腐蚀过程的方法[4-6]。本文拟采用电化学阻抗谱对不同材质的钢板腐蚀过程进行研究，探讨腐蚀机理，为钢材的防腐提供必要的参考数据。

1实验部分

电化学性能测试是在上海辰华公司生产的型号为CHI760D电化学工作站上进行的。腐蚀介质为3 wt%的NaCl溶液，测定温度为室温。采用三电极体系，测试装置如图1所示。工作电极采用自制装置，预留1 cm2的工作面积，铂丝电极为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。电化学阻抗谱测量的频率范围为10-2Hz-105Hz，交流激励信号幅值为 5mV。

2结果与讨论

2.1　不同板材的电化学阻抗谱

为了去除样品表面不均匀性对测试结果的影响，在进行电化学测试前，对冷轧板采用砂纸打磨除锈和丙酮超声除油两步预处理过程；对镀锌板采用在丙酮中超声除油的预处理方式。经预处理后，所有样品的两次测量极化曲线基本吻合，表明预处理能够保证电化学测试结果的稳定性及重现性，为后续的腐蚀机理研究提供了保证。试验中，选取了冷轧板、镀锌板、六价铬钝化处理镀锌板等三种板材，分布测试其电化学阻抗谱，结果如图2所示。

可以看出，三种板材从高频到低频部分呈一完整连续的容抗弧，说明此时板材表面腐蚀是受电化学控制的。电化学阻抗谱只有一个时间常数，表明腐蚀只发生在板材的表层。板材在低频区均表现出了一定的感抗收缩现象，说明此时板材表面的保护层发生溶解。在含Cl-的腐蚀环境中，镀锌板表面容易形成碱式氯化锌和氧化锌等腐蚀产物，这些物质可以抑制电荷的转移，在高频区出现容抗弧。在低频区出现容抗弧是由于电解质在膜层空隙中的扩散导致。冷轧板表面在腐蚀的初期可以形成铁的氧化物，起到类似锌氧化物的作用，但防腐能力弱于镀锌板。容抗弧半径的大小可用来表示电子的钢材表面传递的难易程度，与耐蚀性能的相关。由图2可以看出，容抗弧半径的增加顺序为钝化板>镀锌板>冷轧板，说明镀锌板的耐蚀能力强于冷轧板，而经钝化处理的镀锌板耐蚀能力最好。

2.2　等效电路拟合

虽然采用EIS技术可获得大量具有潜在应用价值的实验数据，但对这些数据需要进行谨慎的分析和解释。对电化学阻抗谱数据的分析方法主要是等效电路模型方法拟合EIS数据。等效电路(见图3)由模拟电极/溶液界面的各种电学元件组合而成。这些电学元件包括电阻(R)，电容(Q)和弥散指数n(代表表面性质的不均匀程度)等。在上述实验数据的基础上，我们用ZsimpWin软件按照如下的等效电路对三种板材的腐蚀过程进行了拟合，结果如表1所示。

在等效电路中，Rs对应于腐蚀介质的欧姆电阻，R1对应于钢材表面镀层或腐蚀层的电阻，Q1和Q2分别对应于腐蚀层表面和钢材基底表面的双电层电容，Rp为钢材表面的极化电阻。从拟合数据可以看出经钝化处理后的镀锌板的表面均匀性最好，表面电阻最大，耐蚀能力最强。

2.3　板材在盐水介质中浸泡不同时间后的阻抗谱

为了考察钢材表面镀层的耐蚀能力的持续性，研究了镀锌板和六价铬钝化处理后的镀锌板在盐水介质中浸泡不同时间后的电化学阻抗谱的变化规律，结果如图4和图5所示。镀锌板在3 wt%NaCl溶液中浸泡24 h后阻抗值达到最大，浸泡时间超过96 h后，阻抗值开始下降。说明镀锌层在腐蚀初期形成的腐蚀层能更好对基底钢材起到保护作用。浸泡时间超过96 h后，镀锌层被破坏，耐蚀能力开始下降。经六价铬钝化处理后的镀锌板阻抗值的变化规律与镀锌板相似，但在浸泡24 h后，板材的阻抗值更大。说明经钝化处理后的镀锌板耐蚀能力更好。冷轧板在盐水中浸泡一小时后，阻抗值就发生明显下降，说明冷轧板表面的腐蚀层很快溶于盐水，不能对基底钢材起到保护作用。

3结论

电化学阻抗谱可用于研究不同钢材的腐蚀过程。通过等效电路拟合，可对腐蚀机理进行研究。不同来源的板材腐蚀机理的差异导致不同板材的耐蚀能力存在较大差异。镀锌板在盐水中的耐蚀能力强于冷轧板，经钝化处理后的镀锌板具有更好的耐蚀能力。

参 考 文 献

[1]林玉珍，杨德均，腐蚀和腐蚀控制原理，北京：中国石化出版社，2007：1-7

[2]魏宝明，金属腐蚀理论及应用，北京：化学工业出版社，2004

[3]杨仲年， 耐候钢和Zn与Zn-Fe合金镀层的腐蚀电化学行为研究[C]. 浙江大学博士学位论文， 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