表面粗糙度对X70碳钢在HNO3溶液中阳极溶解行为的影响*

朱永艳，黄梦晨，顾　艳

(江苏师范大学化学化工学院，江苏　徐州　221116)



表面粗糙度对X70碳钢在HNO3溶液中阳极溶解行为的影响*

朱永艳，黄梦晨，顾艳

(江苏师范大学化学化工学院，江苏徐州221116)

采用动电位极化和恒电位极化技术研究了表面粗糙度对X70碳钢在0.5 mol/L HNO3溶液中的阳极溶解行为产生的影响。X70碳钢在0.5 mol/L HNO3溶液中发生阳极溶解时有电流振荡现象出现，振荡是由电极表面膜的周期性生成和溶解导致的。通过分析不同表面粗糙度时的电流振荡，得出结论：表面比较粗糙时，电极难以钝化，阳极溶解比较剧烈；相反，表面非常光滑时，电极容易钝化，阳极溶解比较轻微。

X70碳钢；HNO3；阳极溶解；表面粗糙度

金属腐蚀会给工业生产带来重大损失，对国民经济发展有着重大的影响。碳钢的应用极为广泛，因此研究碳钢的腐蚀与防护具有非常重要的意义。

X70碳钢在硫酸、硝酸和磷酸等溶液中发生阳极溶解时都存在电流振荡现象，即电流在某一电位区间或某一恒定电位下呈现出周期性的变化。电流振荡的产生原因是电极表面钝性保护膜的周期性生成和溶解。电流振荡的出现涉及到金属的活化溶解、预钝化和钝化过程，而且与反应机理有着直接的联系，因此可以通过观察电流振荡现象研究金属的活化过程和钝化过程，深入探究腐蚀机理。

表面粗糙度对金属的耐蚀性有着非常重要的影响[1-5]。一般认为光亮平滑的表面不容易吸附腐蚀介质。左禹等[6]研究发现，电极表面越粗糙，316 L不锈钢在氯离子介质中的亚稳态和稳态点蚀程度越剧烈。王梅丰等[7]研究发现，表面粗糙度减小，304不锈钢表面的活性点的数目和亚稳孔的形核数目减少，点蚀程度减轻。

本文采用动电位极化和恒电位极化技术，观察不同表面粗糙度的X70钢对应的电流振荡现象，研究表面粗糙度对X70碳

钢在0.5 mol/L HNO3溶液中的阳极溶解行为产生的影响。

1　实　验

采用三电极电解池，工作电极是由X70碳钢棒(0.04%C，1.46%Mn，0.24%Si，0.003%S，0.008%P，d=2.0 mm)制成，钢棒一端焊接铜导线，镶嵌于聚四氟乙烯管中，并用环氧树脂仔细涂封，仅留有未焊接导线一端的端面与溶液接触。每次实验前，用60#、600#或2000#碳化硅砂纸打磨，用蒸馏水清洗，然后再用超声波清洗器在二次蒸馏水中清洗1 min。以铂电极作为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，文中所有电位均相对于SCE。

腐蚀电解质为0.5 mol/L HNO3溶液，由分析纯试剂和二次蒸馏水配制而成。

电化学测试采用CHI 604B电化学分析仪，在室温下进行。循环伏安曲线扫描时先从-0.5 V正向扫描至0.6 V，然后再逆向扫描至-0.5 V，扫速为10 mV/s。恒电位极化时，记录施加电位后的600 s内电流随时间的变化情况。

2　结果与讨论

2.1表面粗糙度对X70碳钢在HNO3溶液中循环伏安曲线的影响

图1为不同表面粗糙度的X70碳钢在HNO3溶液中的循环伏安曲线。图1A为60#砂纸打磨后的电极，可以看出，正向扫描时循环伏安曲线大致可分为3个区：活化区(Ⅰ)：电流密度随电位的正移而线性增加，有电流峰出现；预钝化区(Ⅱ)：如果对工作电极施加位于该电位区间的某一恒定电位，就能观察到周期性的电流振荡现象； 钝化区(Ⅲ)：由于致密的钝化膜在电极表面形成，电流下降到接近于零，而且非常稳定。

如图1A所示，X70碳钢经60#砂纸打磨后，正向扫描时活化区的峰值电流(imax)为3.82 A cm-2，在电位达到0.567 V时电极开始钝化(此时的电位即为钝化电位Ep)；600#砂纸打磨后的电极，如图1B所示，imax=3.47 A cm-2，Ep=0.457 V；2000#砂纸打磨后的电极，如图1C所示，imax=2.55 A cm-2，Ep=0.353 V。但是逆向扫描过程中的再活化电位Ea(逆扫过程中电流突然增大时对应的电位)却几乎不受表面粗糙度的影响。

因此，电极表面越光滑，峰值电流越小，钝化电位越负；相反，电极表面越粗糙，峰值电流越大，钝化电位越正。

图1　表面粗糙度对X70碳钢在0.5 mol/L HNO3溶液中 循环伏安曲线的影响Fig.1　Effects of surface roughness on the cyclic voltammetry curve of X70 carbon steel in 0.5 mol/L HNO3 solution

2.2表面粗糙度对X70碳钢在HNO3溶液中i-t曲线的影响

2.2.10.22 V恒定电位下表面粗糙度的影响

图2A为E=0.22 V时经60#砂纸打磨过的X70碳钢在HNO3溶液中的i-t曲线，可以看出电流一直较大，没有出现振荡，表明电极一直处于活化溶解状态。图2B为经600#砂纸打磨过的X70碳钢的i-t曲线，可以看出，电流在340 s之前一直较大，电极一直处于活化溶解状态；在340 s开始出现电流振荡，且振荡周期较短、振幅较小。电极表面经2000#砂纸打磨后，如图2C所示，在70 s时就出现了电流振荡。

分析图2中的3条曲线可以得出：相同电位下，电极表面越粗糙，处于活化溶解状态的时间越长；电极表面越光滑，越早出现电流振荡。与活化溶解状态相比，电流振荡对应的是电极表面的钝化过程与活化过程的交替出现，在钝化过程中，由于电极表面钝性保护膜的存在，腐蚀电流较小，因此电流振荡时的腐蚀程度比活化溶解时轻。由此可以得出，电极表面越光滑，腐蚀程度越轻微；电极表面越粗糙，腐蚀程度越严重。

图2　0.22 V电位下表面粗糙度对X70碳钢在 0.5 mol/L HNO3溶液中i-t曲线的影响Fig.2　Effects of surface roughness on the i-t curves of X70 carbon steel in 0.5 mol/L HNO3 solution at the potential of 0.22 V

2.2.20.40 V恒定电位下表面粗糙度的影响

图3为E=0.40 V时不同表面粗糙度的X70碳钢在HNO3溶液中的i-t曲线。由图3A可以看出，表面经60#砂纸打磨过的电极，在40 s时出现电流振荡。表面经600#砂纸打磨过的电极(图3B)，一开始就有电流振荡出现，与图3A相比，振荡周期较长，频率较低，振幅较大。当表面粗糙度为2000#时(图3C)，600 s内没有出现电流振荡，电流密度很小而且较稳定，表明电极一直处于钝化状态。

同样可以得出：在0.40 V电位下，电极表面比较粗糙时，钝化出现的较晚，阳极溶解程度比较剧烈；当电极表面比较光滑时，较早开始出现钝化；当电极表面非常光滑时，电极可以一直处于钝化状态。

图3　0.40 V电位下表面粗糙度对X70碳钢在0.5 mol/L HNO3溶液中i-t曲线的影响Fig.3　Effects of surface roughness on the i-t curves of X70 carbon steel in 0.5 mol/L HNO3 solution at the potential of 0.40 V

从图2和图3可以得出：电极表面越粗糙，钝性保护膜在其表面越难形成，因此腐蚀程度就较剧烈；相反，电极表面越光滑，越易在其表面形成钝性保护膜，腐蚀程度就较轻微。

3　结　论

本文通过电化学方法研究了表面粗糙度对X70碳钢在HNO3溶液中的阳极溶解行为产生的影响，得出以下结论：电极表面越光滑，循环伏安曲线中，峰值电流越小，钝化电位越负。电极表面比较光滑时，0.22 V电位下电极由活化溶解变为振荡溶解；0.40 V电位下，电极由振荡溶解变为钝化状态，即表面越光滑，电极越容易进入钝化状态，腐蚀越轻微。

[1]饶威.金属表面粗糙度对化学腐蚀的影响机理[J].设计与工艺,2002,7(3):21-22.

[2]T Hong, M Nagumo. Effect of surface roughness on early stages of pitting corrosion of type 301 stainless steel [J]. Corrosion Science, 1997(39): 1665-1672.

[3]G T Burstein, P C Pistorius. Surface roughness and the metastable pitting of stainless steel in chloride solutions [J]. Corrosion, 1995(51): 380-385.

[4]K Sasaki, G T Burstein. The generation of surface roughness during slurry erosion-corrosion and its effect on the pitting potential [J]. Corrosion Science, 1996(38): 2111-2120.

[5]Y Zuo, H T Wang, J P Xiong. The aspect ratio of surface grooves and metastable pitting of stainless steel [J]. Corrosion Science, 2002(44): 25-35.

[6]王海涛,左禹,熊金平.表面粗糙度对361L不锈钢亚稳态孔蚀行为的影响[J].中国腐蚀与防护学报,2002,22(3): 158-161.

[7]王梅丰,李光东,杜楠.表面粗糙度对304不锈钢早期点蚀行为的电化学方法[J].失效分析与预防,2012,7(2): 66-71.

Effects of Surface Roughness on the Anodic Dissolution Behavior of X70 Carbon Steel in HNO3Solution*

ZHUYong-yan,HUANGMeng-chen,GUYan

(School of Chemistry & Chemical Engineering, Jiangsu Normal University, Jiangsu Xuzhou 221116, China)

Effects of surface roughness on the anodic dissolution of X70 carbon steel in 0.5 mol/L HNO3solution were studied by potentiodynamic and potentiostatic polarization techniques. By analyzing the current oscillations of the electrodes with different surface roughness, some conclusions can be drawn. With the increase of the surface roughness, the electrode was hard to be passivated, thus the anodic dissolution increased. On the contrary, if the electrode surface was very smooth, it was easy to passive the electrode, and the anodic dissolution decreased.

X70 carbon steel; HNO3; anodic dissolution; surface roughness

国家自然科学基金青年科学基金项目(21303077)。

朱永艳(1980-)，女，博士，讲师，从事腐蚀电化学研究。

TQ050.9+1

A

1001-9677(2016)018-0049-03