CN118272815A - 一种利用电偶腐蚀提高耐候钢锈层致密度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用电偶腐蚀提高耐候钢锈层致密度的方法，属于金属腐蚀与防护技术领域。所述方法通过将耐候钢与外加电源连接，使其成为电偶腐蚀的阳极，对耐候钢开展周期性的浸泡/干燥循环，使其发生交替的电偶腐蚀和大气腐蚀，使耐候钢表面形成稳定锈层。所述方法可加速耐候钢致密保护性锈层的形成，且操作过程简单，无需大型仪器设备辅助，有效降低了耐候钢结构在后期使用过程中的腐蚀速率。
Description
技术领域
本发明属于金属腐蚀与防护技术领域，具体涉及一种利用电偶腐蚀提高耐候钢锈层致密度的方法。
背景技术
耐大气腐蚀钢，又称耐候钢，是通过在碳素钢中添加一定量的Cu、Cr、Ni、Mo等合金元素而制成的一种低合金钢。耐候钢在大气腐蚀过程中表面能够形成致密的保护性锈层，从而延缓钢的进一步腐蚀，免除了涂装和维护涂装的成本，因此被广泛应用于桥梁、海洋平台、港口设施、高层建筑、电力设施等钢结构中。但耐候钢要在自然环境下形成保护性锈层，需要耗费长达数年的时间。在此期间，耐候钢结构外观不佳，有碍观瞻，且会流出锈液污染环境。因此，采用适当的处理方法使耐候钢在较短时间内形成致密的保护性锈层，对耐候钢结构的广泛应用有极大的推动作用。
为加速耐候钢表面保护性锈层的形成，国内外目前主要采用了两种技术方案：一种方案是在耐候钢表面涂覆临时性涂层，这种涂层不完全阻挡水和腐蚀介质的透过，但可以起到一定限制作用，使大气腐蚀在临时涂层的控制下进行，最终临时涂层脱落，钢表面形成保护性锈层。这一方法所产生的锈层品质较好，但缺点是成本高，且所需时间长。另一种方案是对钢表面定时喷水或特定的腐蚀液，从而加快锈层的形成。该方案成本低、效率高，但加速形成的锈层在保护性上还是逊色于自然大气环境中长期形成的锈层。
发明内容
现有的耐候钢表面预处理技术，难以兼顾低成本与高保护性，并且在环境保护方面也面临一些问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种利用电偶腐蚀提高耐候钢锈层致密度的方法。
所述方法通过将耐候钢与外加电源连接，使其成为电偶腐蚀的阳极，对耐候钢开展周期性的浸泡/干燥循环，使其发生交替的电偶腐蚀和大气腐蚀。通过电偶腐蚀，使耐候钢均匀腐蚀，消除锈层内应力，减少锈层裂纹等缺陷；通过大气腐蚀，使合金元素在内锈层富集，促进稳定腐蚀产物形成。最终使耐候钢表面形成均匀且内应力较小的稳定锈层。
进一步地，所述方法包括以下步骤：
（1）通过表面喷砂或酸洗，去除耐候钢板表面的氧化皮或油污，然后用水清洗耐候钢板并吹干；
（2）将耐候钢板与外加电源正极连接作为阳极，不锈钢板与外加电源负极连接作为阴极，并将所述耐候钢板与不锈钢板浸没于同一NaCl水溶液中，开启外加电源0.2~0.5小时后，断开外加电源；为消除水分蒸发对NaCl溶液浓度的影响，需要对NaCl水溶液定时补充水分，以保持NaCl水溶液总量不变，同时定期清除溶液中沉积的锈层。
优选地，步骤（2）中，选取电极电位较高且相对廉价的不锈钢板与外加电源负极连接作为阴极。
优选地，步骤（2）中，所述外加电源的输出电压最少高于耐候钢电极电位50mV，即外加电源输出电压-耐候钢电极电位＞50mV。这一步是确保耐候钢作为阳极发生电偶腐蚀。即异种金属处于电解液中时，当金属间的电极电位差满足电偶腐蚀发生条件时（电位差不小于50mV），电极电位较低的金属作为电偶腐蚀阳极被加速腐蚀，而电极电位较高的金属作为电偶腐蚀的阴极其腐蚀受到抑制。两种金属的电位差越大，金属间的电偶腐蚀效应越明显。
优选地，步骤（2）中，所述NaCl水溶液的浓度为0.5wt%~5wt%。
（3）将耐候钢板从溶液中捞出，在空气中放置1-4小时后再浸入步骤（2）所述的NaCl水溶液；
进一步地，步骤（3）中发生大气腐蚀。这一阶段，耐候钢板表面由湿润逐渐干燥，经历了常规的大气腐蚀。
（4）重复步骤（2）~（3）若干次，直到耐候钢板表面形成了全覆盖的锈层，再继续浸泡/干燥循环腐蚀若干次。
进一步地，由于NaCl水溶液浓度不同、耐候钢板材质不同等条件，重复步骤（2）~（3）的次数不同，以耐候钢板表面形成全覆盖的锈层为准。之后再进行步骤（2）~（3）20~40次，以进一步提升耐候钢表面锈层的致密度。
在满足电位差要求的情况下，也可采用铜等高电极电位金属作为阴极与耐候钢板偶接，由于铜的电位较高，不使用外加电源即可满足发生电偶腐蚀的条件。需要说明的是，当经过以上处理的钢板被用于制造钢结构时，锈层难免会产生局部的损伤和脱落，但这并不会造成钢结构在锈层损伤处的明显局部腐蚀。这是因为，当钢结构在开放大气环境中服役时，锈层损伤处（阳极）与锈层覆盖处（阴极）之间也会形成电偶，开放大气中雨天/晴天的交替，会导致锈层损伤处交替发生电偶腐蚀/大气腐蚀，自动产生保护性锈层，从而修复损伤。与人工浸泡/干燥处理不同的是，降雨时在钢结构表面的液膜厚度有限，因此电偶电阻较大，这样只有损伤周边的锈层覆盖区域可以作为阴极，实际参加电偶腐蚀。正因为如此，就避免了大阴极小阳极可能导致的严重局部加速腐蚀。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
（1）利用电偶腐蚀提高耐候钢锈层致密度的方法，可加速耐候钢致密保护性锈层的形成，提高了耐候钢抵抗进一步大气腐蚀的能力。
（2）利用电偶腐蚀提高耐候钢锈层致密度的方法，减少了耐候钢后期服役过程中的腐蚀防护，降低了钢结构后期维护成本。
（3）利用电偶腐蚀提高耐候钢锈层致密度的方法，操作过程简单，无需大型仪器设备辅助，有效降低了耐候钢结构在后期使用过程中的腐蚀速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为对耐候钢板进行电偶腐蚀，提高锈层致密度的装置示意图；
其中，11-绝缘塑料槽；12-NaCl水溶液；13-外加电源；14-耐候钢板；15-不锈钢板；16-夹具；
图2(a)为实施例中，连接外加电源的耐候钢片进行电偶腐蚀的装置示意图；
其中，201-培养皿；202-NaCl水溶液；203-外加电源；204-耐候钢片；205-不锈钢片；206-环氧树脂密封层；
图2(b)为实施例中，未连接外加电源，作为对比的耐候钢片浸没于NaCl水溶液的装置示意图；
其中，211-培养皿；212-NaCl水溶液；214-耐候钢片；216-环氧树脂密封层；
图3为电极电位为-0.3V的耐候钢片在连接外加电源和未连接外加电源的测试条件下，分别进行NaCl水溶液浸泡/干燥，循环不同次数后的腐蚀增重对比图；
图4为电极电位为-0.41V的耐候钢片在连接外加电源和未连接外加电源的测试条件下，分别进行NaCl水溶液浸泡/干燥，循环不同次数后的腐蚀增重对比图；
图5(a)为电极电位为-0.41V的耐候钢片在连接外加电源的测试条件下，进行NaCl水溶液浸泡/干燥，循环360次后，试样锈层压痕图；
图5(b)为电极电位为-0.41V的耐候钢片在未连接外加电源的测试条件下，进行NaCl水溶液浸泡/干燥，循环360次后，试样锈层压痕图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
图1为对耐候钢板进行电偶腐蚀的装置示意图。具体过程为：向绝缘塑料槽11中加入一定浓度的NaCl水溶液12。之后将耐候钢板14与外加电源13正极连接作为阳极，不锈钢板15与外加电源13负极连接作为阴极，并将所述耐候钢板14与不锈钢板15浸没于上述的NaCl水溶液12中，可采用夹具16将耐候钢板14与不锈钢板15进行固定。开启外加电源13通电0.2~0.5小时后，断开外加电源13，完成电偶腐蚀。
实施例1
本实施例通过将电极电位为-0.3V的耐候钢（其除铁以外的元素含量为：0.04C，0.29Si，0.82Mn，0.01P，0.009S，0.35Cu，3.95Cr，0.29Ni，0.01Mo(wt%)）与输出电压为-0.1V的电源连接，电源输出电压高于耐候钢电极电位0.2V，即200mV。使耐候钢成为电偶腐蚀的阳极，同时选用316L不锈钢作为电偶腐蚀的阴极，然后耐候钢经历NaCl水溶液浸泡/干燥循环，使其发生交替的电偶腐蚀和大气腐蚀。具体操作步骤为：
步骤（1）、切割6块尺寸为30mm×20mm×5mm的耐候钢片，编号为1#~6#。再切割3片相同尺寸的不锈钢片，用于腐蚀实验。
步骤（2）、将编号为1#，2#，3#的耐候钢片作为阳极与外加电源正极连接，不锈钢片作为阴极与外加电源负极连接，进行电偶腐蚀实验。如图2(a)所示，进行电偶腐蚀实验时，将带绝缘皮的铜线分别焊接到编号为1#～3#的耐候钢片204和不锈钢片205上，用于连接外加电源203。用环氧树脂将耐候钢片204和不锈钢片205进行密封，形成环氧树脂密封层206，使耐候钢片204和不锈钢片205均只保留一个30mm×20mm的表面接触NaCl水溶液202。在浸泡/干燥循环前称量耐候钢片204的腐蚀前重量。将连接外加电源203的耐候钢片204与不锈钢片205浸泡在盛有3.5wt% NaCl水溶液202的培养皿201中，浸泡深度为耐候钢片204最高处距溶液液面1mm左右，浸泡时间为0.5小时。
步骤（3）、编号为4#，5#，6#的耐候钢片不连接外加电源，作对比实验。如图2(b)所示，进行对比实验时，用环氧树脂将耐候钢片214进行密封，形成环氧树脂密封层216，仅保留一个30mm×20mm的表面接触NaCl水溶液212。将耐候钢片214浸泡在盛有3.5wt% NaCl水溶液的培养皿211中，浸泡深度和浸泡时间同上。
在电偶腐蚀实验和对比实验中，浸泡耐候钢片前，用去离子水喷淋耐候钢片表面，以防止NaCl沉积在耐候钢表面锈层中。
步骤（4）、浸泡完成后，将编号为1#～3#的耐候钢片的外加电源断开，然后将编号为1#～6#的耐候钢片从NaCl溶液中取出，室内自然干燥4小时。
步骤（5）、重复步骤（3）～（4）的浸泡/干燥循环过程。对于大批量处理，可以设置成自动操作。
耐候钢片浸泡/干燥约100次时表面已基本形成全覆盖锈层。为彰显腐蚀增重量的差别，便于开展锈层对比分析，有意增加了浸泡/干燥循环的次数。分别对浸泡/干燥循环120次、240次、360次的耐候钢片单位面积腐蚀增重量进行测量。图3为电极电位为-0.3V的耐候钢片在连接外加电源和未连接外加电源的测试条件下，分别进行NaCl水溶液浸泡/干燥，循环不同次数后的腐蚀增重对比图。从图中可以看出，连接外加电源试样（电偶腐蚀/大气腐蚀交替作用）的腐蚀增重量明显低于未连接外加电源试样的腐蚀增重量，而且随着浸泡/干燥循环次数的增加差距逐渐增大。由此可以得出，随着浸泡/干燥循环次数增加，连接外加电源试样的腐蚀速率明显降低。进一步地，耐候钢在连接外加电源的条件下，浸泡/干燥循环360次后，其腐蚀增重量仅为未连接外加电源耐候钢片腐蚀增重的62%。与承受溶液腐蚀和大气腐蚀交替作用的耐候钢相比，在电偶腐蚀和大气腐蚀交替作用下的耐候钢腐蚀速率逐渐降低。可见，电偶腐蚀加速了耐候钢表面致密锈层的形成，降低了耐候钢的腐蚀速率。
本实施例为彰显腐蚀增重量的差别，增加了浸泡/干燥循环的次数。若只为达到锈层致密化的目的，可以减少循环次数。
实施例2
本实施例的操作过程与实施例1基本相同，唯一不同的是：选取了电极电位为-0.41V的耐候钢（其除铁以外的元素含量为：0.03C，0.31Si，0.8Mn，0.005P，0.008S，0.35Cu，0.94Cr, 0.33Ni，0.01Mo (wt%)），即电源输出电压高于耐候钢电极电位0.31V。
图4为电极电位为-0.41V的耐候钢片在连接外加电源和未连接外加电源的测试条件下，分别进行NaCl水溶液浸泡/干燥，循环不同次数后的腐蚀增重对比图。发现耐候钢在连接外加电源的条件下，浸泡/干燥循环约90次时表面已基本形成全覆盖锈层。经历浸泡/干燥循环360次后，其腐蚀增重量仅为未连接外加电源耐候钢片腐蚀增重的45%。说明增加耐候钢与外接电源的电位差后，电偶腐蚀效应增强，电偶腐蚀对锈层致密度提高作用加强。
采用锈层压痕实验，对比了浸泡/干燥循环360次的耐候钢，在连接外加电源和未连接外加电源的测试条件下，耐候钢表面锈层的致密度和应力大小。在施加相同压力下连接外电源与未连接外电源耐候钢的锈层形成了不同尺寸的压痕。其中，图5(a)为电极电位为-0.41V的耐候钢片在连接外加电源的测试条件下，进行NaCl水溶液浸泡/干燥循环360次后，试样锈层压痕图，其压痕尺寸较小，且压痕周围无明显新裂纹产生；图5(b)为耐候钢未连接外加电源，同等测试条件下的锈层压痕图，其压痕尺寸明显较大，且压痕周围有明显的新裂纹产生。
可见连接外电源试样（即电偶腐蚀和大气腐蚀循环作用的试样）的锈层致密度更高，表现为压痕尺寸小；同时锈层内应力更小，表现为无明显新裂纹产生。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求确定的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种利用电偶腐蚀提高耐候钢锈层致密度的方法，其特征在于，所述方法通过将耐候钢与外加电源连接，使其成为电偶腐蚀的阳极，对耐候钢开展周期性的浸泡/干燥循环，使其发生交替的电偶腐蚀和大气腐蚀，最终使耐候钢表面形成稳定致密的锈层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）通过表面喷砂或酸洗，去除耐候钢板表面的氧化皮或油污，然后用水清洗耐候钢板并吹干；
（2）将耐候钢板与外加电源正极连接作为阳极，不锈钢板与外加电源负极连接作为阴极，并将所述耐候钢板与不锈钢板浸没于同一NaCl水溶液中，开启外加电源0.2~0.5小时后，断开外加电源；
（3）将耐候钢板从溶液中捞出，在空气中放置1-4小时后再浸入步骤（2）所述的NaCl水溶液；
（4）重复步骤（2）~（3）若干次，直到耐候钢板表面形成了全覆盖的锈层，再继续浸泡/干燥循环腐蚀若干次。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述外加电源输出电压-耐候钢电极电位＞50mV。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述NaCl水溶液的浓度为0.5wt%~5wt%。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，重复步骤（2）~（3）至耐候钢板表面形成全覆盖的锈层，再进行步骤（2）~（3）20~40次。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication |