不锈钢作为给水材料在含Cl^-水中的腐蚀行为.pdf

第 2 8 卷 第 8期 2 0 0 7 年 8月 腐蚀与防护 C ORROS I ON ＆ P ROTE CTI ON Vo 1 ．2 8 No ． 8 Au g u s t 2 0 0 7 不锈钢作为给水材料在 含 C r水 中的腐蚀行为 龚利华 ，张 波， 江琳琳 ( 江苏科技大学材料科学与工程学院， 镇江 2 1 2 0 0 3 ) 摘要： 采用浸泡试验结合极化曲线以及电化学阻抗测试研究了 3 0 4不锈钢在含不同浓度 c r的水溶液中的腐蚀 行为。结果表明引起 3 0 4不锈钢产生明显点蚀的 Na C 1 浓度为 0 ． 4 ； 随 C l 一 浓度和温度的升高， 点蚀现象加重 ； 点 蚀电位与温度之问存在一线性关系； 阻抗谱测试也显示出 N a C 1 浓度大于 0 ． 4 ％后对钝化膜的破坏性显著增强。 关键词： 3 0 4 不锈钢； C 1 一 浓度 ； 温度； 钝化膜 中图分类号： T G1 7 2 ； T G1 4 2 ． 7 文献标识码： A 文章编号：1 0 0 5 — 7 4 8 X( 2 0 0 7 ) 0 8 - 0 4 0 0 - 0 3 CORROS I ON B EHAVI OR OF S TAI NLE S S S lTE EL 3 0 4 AS W ATER S UP P LY MATE RI AL I N W ATE R CONTAI NI NG CHL ORI DE GoNG Li - h u a ，ZHANG B o ，J L G Li ml i n ( S c h o o l o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u Un i v e r s i t y o f Sci e n c e a n d Te c h n o l o g y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 0 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：C o r r o s i o n b e h a v Mu r o f s t a i n l e s s s t e e l 3 0 4 i n t h e s o l u t i o n s wi t h d i ffe r e n t c o n c e n t r a t i o n s o f Na C1 wa s i n v e s t i g a t e d b y i mme r s i o n t e s t ， p o l a r i z a t i o n c u r v e a n d EI S me a s u r e me n t s ． Th e o b v ~u s c o n c e n t r a t i o n o f Na C1 r e s u l t i n g i n p i t t i n g c o r r o s i o n wa s 0 ． 4 ，a n d p i t t i n g c o r r o s i o n wa s a g g r a v a t e d wi t h t h e i n c r e a s e o f C1 一 c o n c e n t r a t i o n a nd t e mp e r a t u r e Th e EI S r e s u l t s s h o we d t h a t t h e d e s t r u c t i o n o f p a s s i v e f i l m wa s g r e a t e r wh e n c o n c e n t r a t i o n o f Na a w a s l a r g e r t h a n 0 ． 4 ％． Ke y wo r d s：S t a i n l e s s s t e e l 3 0 4 ；C1 一c o n c e n t r a t i o n ；Te mp e r a t u r e ；P a s s i v e f i l m O 引 言 随着人们生活质量的提高 ， 环保规范 日益严格， 建筑给水管材的选用已成为当今建筑领域所关注的 问题。其 中薄壁不锈钢管材和管件是国内外工程界 公认的性能 良好 的节能环保产 品l_ 1 ] 。此外， 在城镇 地区， 由于独立建筑没有配备完善的水塔供水， 居民 多使用自备的不锈钢水箱， 可见不锈钢在给水行业 中的使用越来越广泛， 尤其是最常见 的 3 0 4不锈钢。 但 自来水 中含有 Cl 一， 是一种极易导致 不锈钢发生 局部腐蚀的致命 因素， 特别是高温水溶液更易 引起 局部腐蚀。本工作研究了 N a C 1 浓度和温度是如何 对不锈钢耐点蚀性产生影响的， 这对于控制 自来水 中的 C l 一 浓度 ， 指导实际应用具有重要 的意义。 1 实验 1 ． 1 试验材料 试样为经过轧制的 3 0 4 不锈钢化学成分略。 收稿 日期 ： 2 0 0 6 — 0 9 — 1 4 ； 修订 日期 ： 2 0 0 6 — 1 0 — 2 0 4 00 将分析纯 Na C 1 用去离子水配置成质量浓度分 别为 0 ． 1 、 0 ． 2 、 0 ． 3 、 0 ． 4 、 0 ． 5 、 1 、 2 、 3 ． 5 和 5 的溶 液。根据试验确定对不锈钢点蚀 产生明显影响的 Na C 1 浓度 ， 研 究温度 的影响 。试 验温度分别为 1 0℃、 3 0℃、 4 0℃和 5 0℃。 1 ． 2 试验方法 1 ． 2 ． 1 浸 泡 实验 采用全浸试验， 用金刚砂纸逐级打磨试样表面 以去除氧化物 ， 将 3 0 4不锈钢置于各溶液中一天 ， 观 察表面点蚀情况 ； 延长浸泡时间至三天， 通过肉眼观 察点蚀变化情况并进一步通过腐蚀失重定量判断。 1 ． 2 ． 2 极 化 曲线测试 点蚀的特征电位是表征金属材料点蚀敏感性的 基本参数之一 ， 由此 可评 定金 属和合金 的点蚀倾 向[ 2 ] 。动电位法阳极极化曲线可表征这一参数。 将去除表面氧化产物后 的 3 0 4不锈钢在 5 0。C 的2 0 ～3 0 HN O 。 中预钝化 1 h ， 以消除缝隙腐 蚀所带来的干扰 。用环氧树脂 涂封 ， 仅留出 1 c m 的表面作为工作 电极。 维普资讯 龚利华等： 不锈钢作为给水材料在含 c r水中的腐蚀行为 采用 E G&G P AR C M2 8 3 恒电位仪进行测试 ， 扫描速率 l mV／ s ， 扫描电位范围为一5 O 0 ～7 0 0 mV ( S C E ) 。参 比电极为饱和甘汞电极； 辅助电极为金 属铂电极。 1 ． 2 ． 3交流 阻抗 测试 测试系统包括 M2 8 3 恒 电位仪和 1 0 2 5锁相放大 器。电极系统仍为经典的三电极体系， 扫描频率范围 为 1 0 0 k Hz ~1 0 mHz ， 用金刚砂 纸逐级打磨工作面 后在不同浓度 Na C l 溶液中浸泡 3 天进行测试。 2 结果与讨论 2 ． 1 N a C l 浓度对 3 0 4不锈钢点蚀行为的影响 l 0℃下 ， 3 0 4钢在不同浓度 Na C 1 溶液 中的浸 泡试验结果见表 l 。 表 1 1 0℃下 3 0 4不锈钢在不同浓度 N a C l 溶液中 的腐蚀速率及点蚀现象 由表 l 可见 ， 在浸泡的 Na C 1 浓度范围内， 试片均 没有出现全 面腐蚀现象 ， 而局部点蚀有所变化。当 Na C 1 浓度低于 0 ． 4 时， 点蚀现象不明显 ， 且腐蚀速 率随 N a C 1 浓度的升高变化不大， 而浓度高于 0 ． 4 9 ／6 时， 随 Na C 1 浓度的升高腐蚀速率显著增加 ， 并且点蚀 坑数量明显增多， 说明点蚀只有当 C l一 在溶液中达到 某一浓度 以上 时才 明显， 对于 3 0 4不锈 钢而 言， 此 N a C 1 临界浓度为 0 ． 4 。并且一旦产生点蚀 ， C l 一 对 点蚀的产生与发展起促进作用 。这一结论在极化曲 线的测试结果中也得到了证实( 见图 1 ) 。 l 0℃时 3 0 4 不锈钢在不同浓度 C r I 溶液中的 极化 曲线测试结果见图 1 。 图 1 3 0 4不锈钢在不I 司浓度 Na C 1 溶液 中的极化 曲线 由图 l可 以看出 ， 去离子水 中( 曲线 1 ) 阳极极 化曲线只呈现明显 的钝化 区而没有点蚀击穿 电位 ， 而 Na C 1 溶液 中出现 了明显 的点 蚀 电位 ， 说 明水 中 含有的 Cl 一 容 易成为不锈钢产 生点蚀 的诱 因。此 外， 随着 C l 一 浓度的升高， 点蚀电位值负移， 自 腐蚀 电位值相差不大， 大约都在--2 5 0 m V左右， 但整体 也趋于负移。此外 ， 从 曲线的钝化区范围也可发现 ， 随着 C 1 - 浓度的升高， 钝化区范围显著减少， 说明钝 化膜的稳定性变差 ， 点蚀越容易发生。极化曲线测 试 的特征值详见表 2 。 表 2 3 0 4不锈钢在不同浓度 N a C l 溶液 中 极化曲线的特征值 2 ． 2 温度对 3 0 4不锈钢点蚀行为的影响 研究温度分别为 l 0℃、 3 0℃、 4 0℃和 5 0℃时 3 0 4 不锈钢在 0 ． 4 Na C 1 溶液中的极化曲线以了解 温度对含 C l 一 溶液中不锈钢耐蚀性的影响 ， 结果见 图 2 。1 0℃时点蚀 电位为 4 1 0 mV， 3 0℃时为 3 5 0 mV， 5 0℃时为 3 0 0 mV。 可以看出， 温 度对 3 0 4不锈钢在 Na C 1 溶液 中 的点蚀敏感性的增加起促进作用 ， 这是因为温度升 高 ， C l 一 在金属表面的积聚和化学吸附量增加 ， 导致 钝态膜被破坏的活性点增多 ， 此外极化曲线测试还 表 明温度每上升 l 0℃， 点蚀电位负移约 3 0 mV， 说 明温度与点蚀电位之间存在一线性关系。 2 ． 3阻抗谱分析 阻抗试验研究了 l 0℃下 3 0 4 不锈钢在不同浓 维普资讯 龚利华等： 不锈钢作为给水材料在含 c l 一 水中的腐蚀行为 I o g ( i ／ A c m一 ) 图 2 不同温度下 3 0 4不锈钢在 0 ． 4 gNa C 1 溶液中 的极化曲线 度 Na C l 溶液中浸泡 3天后试样表面钝 化膜的变化 情况 ， 拟合后的阻抗图谱显示于图 3中。 图 3 3 0 4 不锈钢在不l 司浓度 的 N a C 1 溶液中 浸泡 3天后的阻抗图 由图 3可以看出当 Na C l 浓度大于 2 后 ， 阻抗 图近似成一 条直线， 而在 0 ． 4 浓度下呈一 圆弧。 说明 3 0 4不锈钢在含不 同浓度 C l 一 溶液中的腐蚀控 制体系不同， 浓度为 0 ． 4 9 ／ 6 的 Na C 1 溶液的腐蚀控制 体系为电荷传递控制体系， 而其余三种浓度状态下， 呈现了扩散控制体系的特征lL 3 ] 。为了更好地研究谱 图特征， 对其中 0 ． 4 和3 ． 5 浓度的阻抗谱图进行 放大 ， 见 图 4 。 由图 4 b可以看 出， 含 3 ． 5 Na C l 溶液 中的谱 图在高频端呈现出单容抗弧的特征 ， 而在低频端出 现了拖尾的直线段 ， 此时出现 了与扩散过程有关的 Wa r b u r g阻抗 ， 说 明 3 0 4不锈钢表面的钝化膜 已破 裂， 腐蚀控制体系由钝化膜完整时的电荷转移控制 过渡到钝化膜破裂时的由腐蚀反应产物的传质扩散 过程控制， 从而进入活性腐蚀状态。这种表面状态 的改变是由于 C l 一 的侵蚀引起的。而含 0 ． 4 Na C l 的溶液 自始至终呈单一的容抗弧( 图 4 a ) ， 说明钝化 膜 的完整性保持较好 ， 在该浓度下 的C l 一没有产生 ( a )0 ． 4 Na C1 ( b ) 3 ． 5 Na C1 图4 3 0 4不锈钢在不同浓度 Na C 1 溶液中 浸泡 3 天后 的 Ny q u i s t 图 明显侵蚀破坏作用， 电荷传递成为反应的控制 步骤[ 。 ] 。 综上分析 ， 当水中的 Na Cl 浓度大于 0 ． 4 时 ， 对 3 0 4 不锈钢表面钝化膜的破坏性显著增大 。 3 结论 ( 1 )点蚀只有当 C l 一在溶液中达到某一浓度以 上时才产生， 对于 3 0 4不锈钢而言， 室温下此临界浓 度为 0 ． 4 9 ／ 6 Na C 1 。 ( 2 )随着 C l 一 浓度的升高 ， 点蚀电位值负移 ， 稳 定钝化区范围减小 ， 说明不锈钢产生的钝化膜稳定 性受溶液中 C l 一 浓度的影响很大。 ( 3 )随着温度 的升高 ， 3 0 4不锈钢在 含 0 ． 4 Na C l 溶液中的点蚀敏感 性增 加 ， 并且 温度每上升 1 O℃， 点蚀电位值负移 约 3 0 mV左右 。温度与点 蚀电位之间呈一定的线性关系 。 ( 4 )由室温下 电化学 阻抗谱 图研究发现 ， 当水 中的 Na C 1 浓度大于 0 ． 4 时 ， 对 3 0 4不锈钢表面钝 化膜的破坏性显著增大， 同时验证了极化曲线和浸 泡实验的结果 。 参考文献 ： [ 1 ] 徐建平， 刘 丰， 赵 兰．不锈钢管在给水工程中的应用 [ J ] ．建材技术与应用， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 3 2 —3 4 ． E 2 3 杨 武．金属的局部腐蚀[ M] ．北京： 化学工业出版社， 1 9 9 5 ： 7 6 — 7 7 ． E 3 3 葛红花， 周国定， 吴文权．3 1 6不锈钢在模拟冷却水中 的钝化模型[ J ] ．中国腐蚀与防护学报， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 2 ) ： 6 5 — 7 O ． E 4 3 刘烈伟， 胡 倩， 郭 风．硫化氢对不锈钢表面钝化膜破坏 的研究[ J ] ．中国腐蚀与防护学报， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 1 ) ： 2 2 —2 6 ． 维普资讯