朱永艷，黃夢晨，顧　艷

(江蘇師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇　徐州　221116)

?

表面粗糙度對X70碳鋼在HNO3溶液中陽極溶解行為的影響*

朱永艷，黃夢晨，顧艷

(江蘇師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州221116)

采用動電位極化和恒電位極化技術(shù)研究了表面粗糙度對X70碳鋼在0.5 mol/L HNO3溶液中的陽極溶解行為產(chǎn)生的影響。X70碳鋼在0.5 mol/L HNO3溶液中發(fā)生陽極溶解時有電流振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，振蕩是由電極表面膜的周期性生成和溶解導(dǎo)致的。通過分析不同表面粗糙度時的電流振蕩，得出結(jié)論：表面比較粗糙時，電極難以鈍化，陽極溶解比較劇烈；相反，表面非常光滑時，電極容易鈍化，陽極溶解比較輕微。

X70碳鋼；HNO3；陽極溶解；表面粗糙度

金屬腐蝕會給工業(yè)生產(chǎn)帶來重大損失，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重大的影響。碳鋼的應(yīng)用極為廣泛，因此研究碳鋼的腐蝕與防護(hù)具有非常重要的意義。

X70碳鋼在硫酸、硝酸和磷酸等溶液中發(fā)生陽極溶解時都存在電流振蕩現(xiàn)象，即電流在某一電位區(qū)間或某一恒定電位下呈現(xiàn)出周期性的變化。電流振蕩的產(chǎn)生原因是電極表面鈍性保護(hù)膜的周期性生成和溶解。電流振蕩的出現(xiàn)涉及到金屬的活化溶解、預(yù)鈍化和鈍化過程，而且與反應(yīng)機(jī)理有著直接的聯(lián)系，因此可以通過觀察電流振蕩現(xiàn)象研究金屬的活化過程和鈍化過程，深入探究腐蝕機(jī)理。

表面粗糙度對金屬的耐蝕性有著非常重要的影響[1-5]。一般認(rèn)為光亮平滑的表面不容易吸附腐蝕介質(zhì)。左禹等[6]研究發(fā)現(xiàn)，電極表面越粗糙，316 L不銹鋼在氯離子介質(zhì)中的亞穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)點蝕程度越劇烈。王梅豐等[7]研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度減小，304不銹鋼表面的活性點的數(shù)目和亞穩(wěn)孔的形核數(shù)目減少，點蝕程度減輕。

本文采用動電位極化和恒電位極化技術(shù)，觀察不同表面粗糙度的X70鋼對應(yīng)的電流振蕩現(xiàn)象，研究表面粗糙度對X70碳

鋼在0.5 mol/L HNO3溶液中的陽極溶解行為產(chǎn)生的影響。

1　實　驗

采用三電極電解池，工作電極是由X70碳鋼棒(0.04%C，1.46%Mn，0.24%Si，0.003%S，0.008%P，d=2.0 mm)制成，鋼棒一端焊接銅導(dǎo)線，鑲嵌于聚四氟乙烯管中，并用環(huán)氧樹脂仔細(xì)涂封，僅留有未焊接導(dǎo)線一端的端面與溶液接觸。每次實驗前，用60#、600#或2000#碳化硅砂紙打磨，用蒸餾水清洗，然后再用超聲波清洗器在二次蒸餾水中清洗1 min。以鉑電極作為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，文中所有電位均相對于SCE。

腐蝕電解質(zhì)為0.5 mol/L HNO3溶液，由分析純試劑和二次蒸餾水配制而成。

電化學(xué)測試采用CHI 604B電化學(xué)分析儀，在室溫下進(jìn)行。循環(huán)伏安曲線掃描時先從-0.5 V正向掃描至0.6 V，然后再逆向掃描至-0.5 V，掃速為10 mV/s。恒電位極化時，記錄施加電位后的600 s內(nèi)電流隨時間的變化情況。

2　結(jié)果與討論

2.1表面粗糙度對X70碳鋼在HNO3溶液中循環(huán)伏安曲線的影響

圖1為不同表面粗糙度的X70碳鋼在HNO3溶液中的循環(huán)伏安曲線。圖1A為60#砂紙打磨后的電極，可以看出，正向掃描時循環(huán)伏安曲線大致可分為3個區(qū)：活化區(qū)(Ⅰ)：電流密度隨電位的正移而線性增加，有電流峰出現(xiàn)；預(yù)鈍化區(qū)(Ⅱ)：如果對工作電極施加位于該電位區(qū)間的某一恒定電位，就能觀察到周期性的電流振蕩現(xiàn)象； 鈍化區(qū)(Ⅲ)：由于致密的鈍化膜在電極表面形成，電流下降到接近于零，而且非常穩(wěn)定。

如圖1A所示，X70碳鋼經(jīng)60#砂紙打磨后，正向掃描時活化區(qū)的峰值電流(imax)為3.82 A cm-2，在電位達(dá)到0.567 V時電極開始鈍化(此時的電位即為鈍化電位Ep)；600#砂紙打磨后的電極，如圖1B所示，imax=3.47 A cm-2，Ep=0.457 V；2000#砂紙打磨后的電極，如圖1C所示，imax=2.55 A cm-2，Ep=0.353 V。但是逆向掃描過程中的再活化電位Ea(逆掃過程中電流突然增大時對應(yīng)的電位)卻幾乎不受表面粗糙度的影響。

因此，電極表面越光滑，峰值電流越小，鈍化電位越負(fù)；相反，電極表面越粗糙，峰值電流越大，鈍化電位越正。

圖1　表面粗糙度對X70碳鋼在0.5 mol/L HNO3溶液中 循環(huán)伏安曲線的影響Fig.1　Effects of surface roughness on the cyclic voltammetry curve of X70 carbon steel in 0.5 mol/L HNO3 solution

2.2表面粗糙度對X70碳鋼在HNO3溶液中i-t曲線的影響

2.2.10.22 V恒定電位下表面粗糙度的影響

圖2A為E=0.22 V時經(jīng)60#砂紙打磨過的X70碳鋼在HNO3溶液中的i-t曲線，可以看出電流一直較大，沒有出現(xiàn)振蕩，表明電極一直處于活化溶解狀態(tài)。圖2B為經(jīng)600#砂紙打磨過的X70碳鋼的i-t曲線，可以看出，電流在340 s之前一直較大，電極一直處于活化溶解狀態(tài)；在340 s開始出現(xiàn)電流振蕩，且振蕩周期較短、振幅較小。電極表面經(jīng)2000#砂紙打磨后，如圖2C所示，在70 s時就出現(xiàn)了電流振蕩。

分析圖2中的3條曲線可以得出：相同電位下，電極表面越粗糙，處于活化溶解狀態(tài)的時間越長；電極表面越光滑，越早出現(xiàn)電流振蕩。與活化溶解狀態(tài)相比，電流振蕩對應(yīng)的是電極表面的鈍化過程與活化過程的交替出現(xiàn)，在鈍化過程中，由于電極表面鈍性保護(hù)膜的存在，腐蝕電流較小，因此電流振蕩時的腐蝕程度比活化溶解時輕。由此可以得出，電極表面越光滑，腐蝕程度越輕微；電極表面越粗糙，腐蝕程度越嚴(yán)重。

圖2　0.22 V電位下表面粗糙度對X70碳鋼在 0.5 mol/L HNO3溶液中i-t曲線的影響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恒定電位下表面粗糙度的影響

圖3為E=0.40 V時不同表面粗糙度的X70碳鋼在HNO3溶液中的i-t曲線。由圖3A可以看出，表面經(jīng)60#砂紙打磨過的電極，在40 s時出現(xiàn)電流振蕩。表面經(jīng)600#砂紙打磨過的電極(圖3B)，一開始就有電流振蕩出現(xiàn)，與圖3A相比，振蕩周期較長，頻率較低，振幅較大。當(dāng)表面粗糙度為2000#時(圖3C)，600 s內(nèi)沒有出現(xiàn)電流振蕩，電流密度很小而且較穩(wěn)定，表明電極一直處于鈍化狀態(tài)。

同樣可以得出：在0.40 V電位下，電極表面比較粗糙時，鈍化出現(xiàn)的較晚，陽極溶解程度比較劇烈；當(dāng)電極表面比較光滑時，較早開始出現(xiàn)鈍化；當(dāng)電極表面非常光滑時，電極可以一直處于鈍化狀態(tài)。

圖3　0.40 V電位下表面粗糙度對X70碳鋼在0.5 mol/L HNO3溶液中i-t曲線的影響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

從圖2和圖3可以得出：電極表面越粗糙，鈍性保護(hù)膜在其表面越難形成，因此腐蝕程度就較劇烈；相反，電極表面越光滑，越易在其表面形成鈍性保護(hù)膜，腐蝕程度就較輕微。

3　結(jié)　論

本文通過電化學(xué)方法研究了表面粗糙度對X70碳鋼在HNO3溶液中的陽極溶解行為產(chǎn)生的影響，得出以下結(jié)論：電極表面越光滑，循環(huán)伏安曲線中，峰值電流越小，鈍化電位越負(fù)。電極表面比較光滑時，0.22 V電位下電極由活化溶解變?yōu)檎袷幦芙猓?.40 V電位下，電極由振蕩溶解變?yōu)殁g化狀態(tài)，即表面越光滑，電極越容易進(jìn)入鈍化狀態(tài)，腐蝕越輕微。

[1]饒威.金屬表面粗糙度對化學(xué)腐蝕的影響機(jī)理[J].設(shè)計與工藝,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]王海濤,左禹,熊金平.表面粗糙度對361L不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)孔蝕行為的影響[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報,2002,22(3): 158-161.

[7]王梅豐,李光東,杜楠.表面粗糙度對304不銹鋼早期點蝕行為的電化學(xué)方法[J].失效分析與預(yù)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

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(21303077)。

朱永艷(1980-)，女，博士，講師，從事腐蝕電化學(xué)研究。

TQ050.9+1

A

1001-9677(2016)018-0049-03