CN108072602A - 一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法 - Google Patents

一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法，实验步骤包括工作电极的制备、稳态腐蚀电位测试以及电化学加速腐蚀，本方法解决了过去电化学加速腐蚀无法对不锈钢进行加速腐蚀并得到合乎实际的腐蚀形貌的问题。该试验方法可以对不锈钢焊缝区域进行电化学的加速腐蚀，加快不锈钢的腐蚀速度，并判断焊缝不同区域在腐蚀介质中的耐蚀性强弱关系，对工程上使用的焊接接头在其使用环境中的腐蚀行为做出正确的判断。

Description

一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法
技术领域
本发明属于电化学领域，尤其涉及一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法。
背景技术
金属的腐蚀是指在自然环境中或者在工况条件下，由于与其所处环境介质发生化学或者电化学作用而引起的变质和破坏。为此，对尺寸、强度和表面要求较高的零件和设备通常使用不锈钢材料。不锈钢耐蚀的原因是其表面在腐蚀介质中会生成一层钝态薄层。该薄层可以隔开腐蚀介质与金属基体，使金属本身腐蚀速率大大降低。但不锈钢，铝合金，铝等具有钝化特性的金属在含有氯离子的介质中容易发生点腐蚀。因此，在特定的腐蚀环境下使用何种不锈钢成为了一项重要的工程问题。以美国材料与试验协会(AmericanSociety for Testing and Materials,ASTM)为例，对不同氯离子浓度环境，其使用不锈钢种类具有严格要求。
但是，不锈钢的生产过程中具有严格的热处理规程，在工程领域，不锈钢无法避免的要进行焊接流程，在焊接过程中，由于对不锈钢本身的融化以及快速降温过程，其原有组织被改变，耐蚀性也会发生相应的变化。尤其在焊接工艺发展迅速的今天，研究使用不同焊接工艺对不锈钢的焊合区，热影响区的耐蚀性的影响是极为重要的。
目前，对活化金属的加速腐蚀通常采用施加阳极恒电位的方法。但是，由于不锈钢表面有一层钝化膜的覆盖，同时，钝化膜的破坏通常伴随着局部阴阳极区域的变化。其中阳极区域更容易被破坏，阴极区域受到保护。但是，在施加阳极恒电位的情况下，外加电位使得钝化膜表面电位趋于一致，大大减弱了钝化膜本身阴阳极区域电位的分化，也大大减弱了由于钝化膜表面因阳极区域电偶腐蚀所造成的钝化膜破坏的可能性。因此，使用此种方法对不锈钢进行加速腐蚀时，施加较小的阳极电位，则钝化膜反而难以出现点蚀。而施加较大的电位时，虽然钝化膜可以被破坏，但其腐蚀形貌往往体现不出真实的腐蚀特征。而为了得到真实的腐蚀形貌，往往需要数月甚至数年的挂片试验。而在实际工程中，这是不可取的。
因此，为了快速得到腐蚀形貌并体现出焊缝不同区域的腐蚀速度快慢，提出一种新型的电化学加速腐蚀实验方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种新型的电化学加速腐蚀实验方案。解决了过去电化学加速腐蚀无法对不锈钢进行加速腐蚀并得到合乎实际的腐蚀形貌的问题。该试验方法可以对不锈钢焊缝区域进行电化学的加速腐蚀，加快不锈钢的腐蚀速度，并判断焊缝不同区域在腐蚀介质中的耐蚀性强弱关系，对工程上使用的焊接接头在其使用环境中的腐蚀行为做出正确的判断。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法，按照下列步骤进行：
步骤一、工作电极的制备：
将不锈钢焊缝试样进行切割，使工作面包括熔合区、热影响区和母材区，且焊合线位于试样的中央，对不锈钢焊缝试样进行钝化处理，在不锈钢焊缝试样的背面焊接铜线作为与电化学装置连接的接线，对试样进行封装、打磨、酒精脱水除油、冷风吹干，干燥后，对试样进行称重，计为M0；
步骤二、稳态腐蚀电位测试：
将步骤一中的不锈钢焊缝试样放入盛有电解液的电解池中，将饱和甘汞电极作为参比电极，铂片电极作为对电极，将三电极装配好并将三电极连接于电化学装置上；对焊接接头施加1mA/cm2的恒电流(此时所施加的电位会先升高后降低)，当其电位达到初步稳定后，去掉所施加的恒电流，继续监测试样的电位数值，当再次达到稳定后，记录该数值计为该试样的稳态腐蚀电位；
步骤三、电化学加速腐蚀：
施加阳极恒电位，该阳极恒电位的数值为稳态腐蚀电位的数值加50-200mV，施加时间为6-168h，测试结束后取出试样，使用除锈剂除去表面腐蚀产物，在干燥后使用电子天平记录试样腐蚀后的重量M1。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述的切割方式为线切割。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述的不锈钢焊缝试样为不锈钢T4003。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述的钝化处理方式为使用质量体积比为3％的磷酸水溶液以及质量体积比为5的％重铬酸钾水溶液在85度下水浴15分钟。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述的打磨步骤使用2000目的砂纸。
在上述技术方案中，在步骤三中在稳态腐蚀电位数值上增加的数值为100-150mV。
一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法在判断金属零件焊缝区腐蚀不均匀性中的应用：
1.使用3D显微镜观察其腐蚀形貌，对焊缝附近进行拍照，观察焊合区，热影响区，母材区的腐蚀形貌，判断何区域腐蚀最为严重，记录不同位置腐蚀深度，得出腐蚀最深的区域与整个试样平均腐蚀深度的差值Lmax；
2.由失重数据计算得到的平均腐蚀深度L，计算公式为其中S为试样面积，ρ为金属密度，M0为腐蚀前的试样质量，M1为腐蚀后的试样质量；
3.计算得到沟槽腐蚀系数a，计算公式为a＝1+Lmax/L。
在本发明中，对于耐蚀性较好，自然浸泡难以发生稳态腐蚀的不锈钢材料，采用恒电流使其表面发生腐蚀，目的在于破坏其钝化膜。在施加恒电流的过程中，其电位是先升后降的；其中，在电位升高的过程中，主要进行的是钝化膜以及双电层的充电过程，此时，钝化膜未破损，仍处于钝化状态。之后，当电位达到钝化膜击穿电位(或过钝化电位)，钝化膜发生破坏，裸露出金属基体。此时，裸露部分成为活化状态区域。由于此时施加的阳极极化电位较高，局部溶解速度较快，为满足恒电流的要求，其施加电位会随着活化区域面积的增加而逐步减小。最后，当施加恒电流下的腐蚀形态初步达到稳定，活化区域面积也基本不变时，其恒电流过程中施加的电位值也达到稳定。步骤三、电化学加速腐蚀中施加的阳极恒电位，其具体数值可根据不同材料以及腐蚀介质选取稳态腐蚀电位+50至200mV。在施加电位的过程中，选取较小的数值可以使加速腐蚀形貌更为贴近真实腐蚀形貌，但加速腐蚀程度较低，需用较长时间。选用较大的阳极电位可以更快的加速腐蚀，但腐蚀形貌偏离真实腐蚀形貌较大。加速腐蚀时间可根据试样厚度进行选择，通常为6小时至7天。根据测试得到的失重数据以及腐蚀形貌中腐蚀最深处深度可以计算出平均腐蚀深度与最深腐蚀深度的比值，从而计算出局部腐蚀因子。用以描述不锈钢焊缝区最易腐蚀区域以及局部腐蚀倾向。
在孔蚀坑内，可以认为金属处于活化状态。由于在焊缝中，金属的相组成在不同区域有并不相同，因此，不同区域的阳极反应平衡电位以及阳极塔菲尔斜率并不相同。通常，耐蚀性较弱的区域电位较低，耐蚀性较高的区域电位较高。在自然浸泡腐蚀中，阴阳极不同区域的电偶腐蚀作用使得二者出现较大的腐蚀速度差异。
而在阳极恒电位极化中，可以认为所有的活化区域的电位是一致的。此时，电偶腐蚀作用可以被忽略。但由于不同组织的阳极反应平衡电位不同，导致不同组织在相同电位下的过电位有所差异。其中，平衡电位较低的过电位较大。平衡电位较高的过电位较小。根据能斯特方程可知，电极反应的反应速度与反应过电位呈现E-logI关系。因此，阳极极化对不同区域均腐蚀速度有所加速，但耐蚀性较差的区域加速比例较大，而耐蚀性好的区域加速比例较小，因此可以通过加速腐蚀后的腐蚀形貌直观的观察到不同区域的耐蚀性的比较关系。
沟槽腐蚀系数是用来判断金属零件焊缝区腐蚀不均匀性的常见评价标准。
沟槽腐蚀系数：a＝1+Lmax/L
其中Lmax为腐蚀最深的区域与整个试样平均腐蚀深度差值，L为由失重数据计算得到的腐蚀平均深度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方法解决了过去电化学加速腐蚀无法对不锈钢进行加速腐蚀并得到合乎实际的腐蚀形貌的问题，该试验方法可以在不锈钢焊缝区域进行电化学的加速腐蚀，加快不锈钢的腐蚀速度，并判断焊缝不同区域在腐蚀介质中的耐蚀性强弱关系，对工程上使用的焊接接头在其使用环境中的腐蚀行为做出正确的判断。
附图说明
图1为本发明中制备的不锈钢焊缝试样装配图。
图2为焊合区，热影响区，母材区域取样标准示意图。
图3为进行加速腐蚀后的沟槽腐蚀形貌图1。
图4为进行加速腐蚀后的沟槽腐蚀形貌图2。
图5为进行加速腐蚀后的沟槽腐蚀形貌图3。
图6为进行加速腐蚀后的沟槽腐蚀形貌图4。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
1工作电极的制备
1.1使用线切割，将T4003切割为所需大小，其工作面应包括熔合区，热影响区，母材区。其中，焊合线应坐落于试样的中央。
1.2对不锈钢焊缝试样进行钝化处理，使用质量体积比为3％的磷酸水溶液(磷酸质量：水溶液体积＝3％)以及质量体积比为5％的重铬酸钾水溶液(重铬酸质量：水溶液体积＝5％)在85度下水浴15分钟。
1.3不锈钢焊缝背面使用铜线焊接，其铜线作为与电化学装置连接接线。
1.4使用环氧树脂以及PVC管对试样封装。
1.5环氧树脂完全固化后，使用水砂纸打磨至2000目，使用酒精脱水除油，冷风吹干，放置于干燥罐中待用。
1.6干燥后，对工作电极进行称重，记录数值，为M0。
2测试溶液的配制。
该测试为了研究T4003焊缝区域在海洋环境下的腐蚀行为，其主要侵蚀性离子为氯离子。使用3.5％氯化钠溶液模拟海洋环境。
3电化学三电极系统的准备。
3.1使用饱和甘汞电极作为参比电极。对电极选用铂片电极。电解池一套。
4实验操作
4.1将工作电极以及配制好的溶液放入电解池中，将三电极，溶液，电解池装配好，并将三电极连接于电化学装置上。
4.2对焊接接头施加1mA/cm2的恒电流。此时，所施加的电位会先升高后降低。当其电位达到初步稳定后，去掉所施加的恒电流，继续监测试样的电位数值。当再次达到稳定后，记录该数值。
4.3施加阳极恒电位。其数值为上述所记录电极电位+100mV.施加时间为6天(168h)。
4.4 6天(168h)后，取出试样，使用除锈剂除去表面腐蚀产物。使用3D显微镜观察其腐蚀形貌，干燥后使用电子天平记录其腐蚀后的重量M1。
5数据处理
使用失重数据可计算出其平均腐蚀深度。其计算公式为：M0-M1＝SLρ
其中S为试样面积，L为平均腐蚀深度，ρ为金属密度
其中，失重数据为：浸泡前:18.2818g；浸泡后：17.2629g。
S为1.5*2＝3cm2
因此，可以计算得到L＝0.425mm
通过腐蚀形貌3D图可知，在焊缝区中，融合线附近的热熔区腐蚀深度较低，距离热熔区较近的热影响区为腐蚀深度最大的区域。通过对比此处与整个平面平均深度，可以判断腐蚀最深区域约为85微米。
因此，可以计算得到沟槽腐蚀系数约为1+85/425＝1.20
故可以得到以下结论：1.T4003感应焊接方式得到的焊接接头不同区域耐蚀性强弱为热熔区大于母材区大于热影响区。该方式得到的耐蚀性强弱与以极化曲线，EIS，电偶电流等电化学方式得到的结论一致；2.上述焊接接头的沟槽腐蚀系数约为1.20。
实施例2：
1工作电极的制备
1.1使用线切割，将T4003切割为所需大小，其工作面应包括熔合区，热影响区，母材区，其中，焊合线应坐落于试样的中央。
1.2对不锈钢焊缝试样进行钝化处理，使用体积比为3％的磷酸水溶液以及质量体积比为5的％重铬酸钾水溶液在85度下水浴15分钟。
1.3不锈钢焊缝背面使用铜线焊接，其铜线作为与电化学装置连接接线。
1.4使用环氧树脂以及PVC管对试样封装。
1.5环氧树脂完全固化后，使用水砂纸打磨至2000目，使用酒精脱水除油，冷风吹干，放置于干燥罐中待用。
1.6干燥后，对工作电极进行称重，记录数值，为M0。
2测试溶液的配制。
该测试为了研究T4003焊缝区域在海洋环境下的腐蚀行为，其主要侵蚀性离子为氯离子。使用3.5％氯化钠溶液模拟海洋环境。
3电化学三电极系统的准备。
3.1使用饱和甘汞电极作为参比电极。对电极选用铂片电极。电解池一套。
4实验操作
4.1将工作电极以及配制好的溶液放入电解池中，将三电极，溶液，电解池装配好，并将三电极连接于电化学装置上。
4.2对焊接接头施加1mA/cm2的恒电流。此时，所施加的电位会先升高后降低。当其电位达到初步稳定后，去掉所施加的恒电流，继续监测试样的电位数值。当再次达到稳定后，记录该数值。
4.3施加阳极恒电位。其数值为上述所记录电极电位+100mV.施加时间为6h。
4.4 6h后，取出试样，使用除锈剂除去表面腐蚀产物。使用3D显微镜观察其腐蚀形貌，干燥后使用电子天平记录其腐蚀后的重量M1。
5数据处理
实施例2与实施例1测试得到相近的实验结果，数据及分析不再赘述。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法，其特征在于：按照下列步骤进行：
步骤一、工作电极的制备：
将不锈钢焊缝试样进行切割，使工作面包括熔合区、热影响区和母材区，且焊合线位于试样的中央，对不锈钢焊缝试样进行钝化处理，在不锈钢焊缝试样的背面焊接铜线作为与电化学装置连接的接线，对试样进行封装、打磨、酒精脱水除油、冷风吹干，干燥后，对试样进行称重，计为M0；
步骤二、稳态腐蚀电位测试：
将步骤一中的不锈钢焊缝试样放入盛有电解液的电解池中，将饱和甘汞电极作为参比电极，铂片电极作为对电极，将三电极装配好并将三电极连接于电化学装置上；对焊接接头施加1mA/cm2的恒电流(此时所施加的电位会先升高后降低)，当其电位达到初步稳定后，去掉所施加的恒电流，继续监测试样的电位数值，当再次达到稳定后，记录该数值计为该试样的稳态腐蚀电位；
步骤三、电化学加速腐蚀：
施加阳极恒电位，该阳极恒电位的数值为稳态腐蚀电位的数值加50-200mV，施加时间为6-168h，测试结束后取出试样，使用除锈剂除去表面腐蚀产物，在干燥后使用电子天平记录试样腐蚀后的重量M1。
2.根据权利要求1所述的一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法，其特征在于：在步骤一中，所述的切割方式为线切割。
3.根据权利要求1所述的一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法，其特征在于：在步骤一中，所述的不锈钢焊缝试样为不锈钢T4003。
4.根据权利要求1所述的一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法，其特征在于：在步骤一中，所述的钝化处理方式为使用质量体积比为3％的磷酸水溶液以及质量体积比为5的％重铬酸钾水溶液在85度下水浴15分钟。
5.根据权利要求1所述的一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法，其特征在于：在步骤一中，所述的打磨步骤使用2000目的砂纸。
6.根据权利要求1所述的一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法，其特征在于：在步骤三中在稳态腐蚀电位数值上增加的数值为100-150mV。
7.一种对不锈钢焊缝区加速腐蚀的电化学方法在判断不锈钢零件焊缝区腐蚀不均匀性中的应用，其特征在于：按照下列步骤进行：
(1)使用3D显微镜观察其腐蚀形貌，对焊缝附近进行拍照，观察焊合区，热影响区，母材区的腐蚀形貌，判断何区域腐蚀最为严重，记录不同位置腐蚀深度，得出腐蚀最深的区域与整个试样平均腐蚀深度的差值Lmax；
(2)由失重数据计算得到的平均腐蚀深度L，计算公式为其中S为试样面积，ρ为金属密度，M0为腐蚀前的试样质量，M1为腐蚀后的试样质量；
(3)计算得到沟槽腐蚀系数a，计算公式为a＝1+Lmax/L。
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