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1、鑄鐵和20號鋼在撫順東露天礦區(qū)飽和土壤溶液中腐蝕行為研究高嘉汐（機械工程學(xué)院 材料成型及控制工程0701班）摘要：本研究采用埋片和電化學(xué)實驗研究了鑄鐵和20號鋼在撫順東露天礦飽和土壤溶液中的腐蝕行為。研究獲得以下結(jié)論：通過埋片法試驗可知，20號鋼的年腐蝕速率為0.0388mm/a，鑄鐵的年腐蝕速率為0.0287mm/a，20號鋼的腐蝕速率為鑄鐵的1.35倍。電化學(xué)實驗表明，在礦質(zhì)土壤中鑄鐵的電荷轉(zhuǎn)移電阻很高，最大阻值達108100·cm2，20號鋼的電荷轉(zhuǎn)移電阻較低，最大阻值為4381·cm2，鑄鐵比20號鋼更耐蝕。關(guān)鍵詞：礦質(zhì)土壤，埋片腐蝕，電化學(xué)測試，土壤腐蝕1前言隨著

2、工業(yè)發(fā)展，地下設(shè)施越來越多，常用結(jié)構(gòu)材料的土壤腐蝕越來越受到關(guān)注。土壤腐蝕研究中礦區(qū)土壤對地下設(shè)施的腐蝕與人身安全和生產(chǎn)安全密切相關(guān)。越來越頻繁的礦難帶給我們更沉重的思考。礦區(qū)土壤中的礦物質(zhì)可分為原生礦物和次生礦物。原生礦物主要包括硅酸鹽礦物，氧化物類礦物，硫化物好磷酸鹽類礦物。次生礦物主要包括各種簡單鹽類，次生氧化物和鋁硅酸鹽類礦物等。其特點與有機土壤相似，由此推斷金屬在礦質(zhì)地區(qū)土壤中的腐蝕會比在其他土壤中的腐蝕要更加嚴(yán)重1-2。球墨鑄鐵是20世紀(jì)五十年代發(fā)展起來的一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，性能優(yōu)異3；20鋼的是指含碳量為0.2%的低碳鋼4，這兩種材質(zhì)土壤腐蝕的研究較多5-7，

3、但在礦區(qū)土壤中耐蝕性能如何具有研究的必要，對該地區(qū)地下構(gòu)件的選材具有一定的參考價值。本研究以常用的20號鋼和鑄鐵為研究對象，研究其在東露天礦土壤中的腐蝕行為和規(guī)律。在撫順東露天礦區(qū)土壤中進行埋片腐蝕和電化學(xué)實驗。對比研究鑄鐵和20號鋼在該土壤環(huán)境中的腐蝕行為，期望明確鑄鐵和20號鋼在礦質(zhì)土壤中的腐蝕行為和規(guī)律。2研究方法2.1實驗儀器與藥品 器材：電化學(xué)測試設(shè)備 (PARSTAT 2273)，賽多利斯天平，佳能數(shù)碼照相機，超聲波清洗器、電吹風(fēng)機，水磨砂紙，鑷子，若干燒杯(250ml)，石墨電極，標(biāo)準(zhǔn)分樣篩(0.4mm)，導(dǎo)線若干，醫(yī)用膠帶。藥品：飽和KCl溶液，HCl，六次甲基四胺，去離子水，

4、環(huán)氧樹脂，乙二胺。2.2 埋片試驗 埋片試驗主要有四個步驟：試樣制備、配制土壤溶液、埋片兩周、稱量并計算腐蝕速率。將實驗室內(nèi)的管型鑄鐵和20鋼板按照需要的尺寸切割(25mm×50mm×2.5mm)成試樣。對試樣表面進行前清理，用100、200、500、800#砂紙依次打磨。除去試片表明鐵銹及氧化膜，使試樣露出金屬光澤，打磨過后再用去離子水清洗。清洗后用吹風(fēng)機烘干并記錄每塊試樣的尺寸和重量。將現(xiàn)場取來的土進行烘干，烘干后研磨，再用40目篩子篩土，使土壤成分粒徑達到均勻。將篩好的土與水在燒杯中混合，配制成粘稠狀飽和土壤溶液。將20號鋼試樣和鑄鐵試樣分別放在兩個燒杯中的飽和土壤溶

5、液中。試樣在燒杯中腐蝕兩周后取出，觀察腐蝕形貌并用除銹液(500ml水、500mlHCl、3.5g六次甲基四胺)超聲清洗試樣3min，稱量后計算腐蝕失重，計算腐蝕速率。2.3 電化學(xué)試驗 電化學(xué)試驗主要三個步驟：制作試樣、配置土壤溶液和電化學(xué)腐蝕試驗。將PVC管子用鋸條鋸成15mm寬的小段，豎直放置在桌上用透明膠帶固定好。把10mm× 10mm的20#鋼和鑄鐵試樣與電線釬焊到一起，再將試塊分別放置在管子截面中心，用配制好的樹脂溶液(環(huán)氧樹脂與乙二胺的質(zhì)量比為100:8)倒入管中，等待其冷卻。經(jīng)過12小時的冷卻，將試樣取下，完成制備。其中方形金屬為實驗金屬，如圖2.1所示（該照片試樣未

6、經(jīng)打磨）。圖2.1左側(cè)為20號鋼試樣，右側(cè)為鑄鐵試樣將烘干、研磨，篩好后的土壤在燒杯中與水混合，使溶液呈現(xiàn)粘稠狀。完成飽和溶液的制備。將試樣、鹽橋（其中是飽和的KCl溶液）、石墨電極用醫(yī)用膠帶固定在實驗板上，然后輕放入配制好的飽和土壤溶液中。電化學(xué)實驗采用的PARSTAT2273電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)，采用三電極體系，以飽和甘汞電極作為參比電極，石墨作為對電極（尺寸為20×20mm2），試樣作為工作電極。分別對20號鋼和鑄鐵進行開路電位、阻抗譜測試、極化曲線測試。每個試樣的浸泡實驗周期為7天，浸泡1小時后開始測試開路電位，阻抗譜和極化曲線，而后每隔24小時進行阻抗譜測試，浸泡168小時后

7、再做一次極化曲線。3 結(jié)果與討論3.1 20號鋼與鑄鐵埋片腐蝕結(jié)果與分析 埋片前后形貌觀察金屬試樣經(jīng)過兩周的腐蝕在形貌上發(fā)生明顯變化。圖3.1為20號鋼和鑄鐵埋片實驗前試樣的形貌，圖3.2為20號鋼和鑄鐵通埋片兩周后試樣經(jīng)過除銹液清洗后的形貌。通過對比圖3.1和3.2可以看出在埋片實驗前兩金屬試樣表面充滿金屬光澤，表面也沒有發(fā)生腐蝕和蝕坑。但經(jīng)過兩周的埋片腐蝕20號鋼試樣和鑄鐵試樣表面不僅銹跡斑斑，失去了金屬光澤，而且在表面還有大量的腐蝕產(chǎn)物。20號鋼表面為黑色和褐色銹斑；鑄鐵表面為黃褐色銹斑。由兩種材質(zhì)腐蝕前后的形貌發(fā)現(xiàn)在礦質(zhì)土壤中鑄鐵和20號鋼均發(fā)生明顯腐蝕，對比發(fā)現(xiàn)20號鋼腐蝕的更為嚴(yán)重

8、，腐蝕產(chǎn)物更多。將20好鋼試樣和鑄鐵試樣埋片腐蝕前后數(shù)據(jù)列于表3.1中。圖3.1 埋片實驗前試樣的形貌 左圖為20號鋼；右圖為鑄鐵圖3.2 埋片兩周后試樣經(jīng)過除銹液清洗后的形貌左圖為20號鋼，右圖為鑄鐵 腐蝕速率計算將試樣表面的腐蝕產(chǎn)物清除后，稱量失重量。這樣利用失重法計算腐蝕速率。結(jié)果見表3.1。通過計算可知，20號鋼的腐蝕速率為鑄鐵的1.35倍，實驗結(jié)果與形貌對比結(jié)果保持一致。表3.1 20號鋼試樣和鑄鐵試樣埋片失重及年腐蝕速率試樣實驗前重量g試驗后重量g失重g體積m²腐蝕速率g/m²×h年腐蝕率mm/a20號鋼鑄鐵27.544649.264027.50004

9、9.19580.04460.06820.026327450.003741440.03450.02550.03880.02873.2 20號鋼與鑄鐵電化學(xué)實驗結(jié)果與分析 電化學(xué)阻抗譜分析對20號鋼和鑄鐵在礦質(zhì)地區(qū)土壤環(huán)境中進行電化學(xué)阻抗譜測試，連續(xù)七天的電化學(xué)阻抗圖譜如圖3.3所示。圖3.3 20號鋼試樣和鑄鐵浸泡7天電化學(xué)阻抗譜圖左圖為20號鋼 右圖為鑄鐵由圖可見：兩試樣的阻抗譜均表現(xiàn)為單一的容抗弧。20號鋼阻抗譜第一天弧半徑最小，隨浸泡時間延長，試樣的容抗弧半徑先增大后減小，其中第三天弧半徑最大，此后弧逐漸開始減小，第六天，第七天弧半徑又開始增大，呈現(xiàn)波動性變化。鑄鐵阻抗譜第一天弧半徑最小，

10、隨浸泡時間延長，試樣的容抗弧半徑線性增大，直至第七天弧半徑最大。采用ZsimpWin軟件采用R(QR)等效電路對上述電化學(xué)阻抗譜進行數(shù)據(jù)擬合，其中Rs為溶液電阻、Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Q為常相位角元件，擬合后的Rct列入表3.2中。根據(jù)表3.2可知，20號鋼的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct的峰值在第三天為4381·cm2,，而鑄鐵的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct的峰值在第七天為108100·cm2。鑄鐵的電化學(xué)阻抗譜擬合值Rct要遠大于20號鋼的電化學(xué)阻抗譜擬合值Rct。說明在礦質(zhì)土壤環(huán)境中20號鋼雖然形成銹層，但是該銹層不穩(wěn)定極易發(fā)生溶解，并沒有起到耐蝕作用。而鑄鐵試樣在礦質(zhì)土壤環(huán)境中電荷轉(zhuǎn)移電

11、阻不僅大且穩(wěn)定增加，對基體起到較好的保護作用，耐蝕性很好。所以在礦質(zhì)土壤環(huán)境中鑄鐵的耐蝕性要好于20號鋼。表3.220號鋼試樣和鑄鐵試樣等效電路圖處理出Rct數(shù)據(jù) (·cm2)第一天第二天第三天第四天第五天第六天第七天20號鋼鑄鐵1832122736432930438168664226300803612462803815845903935108100 動電位極化曲線分析本文使用動電位極化測試技術(shù)在礦質(zhì)地區(qū)土壤環(huán)境中對20號鋼試樣和鑄鐵進行了耐蝕性能檢測。20號鋼試樣和鑄鐵試樣實驗開始與結(jié)束兩次的極化曲線如圖3.4所示。圖3.4 20號鋼試樣浸泡1小時和浸泡7天的極化曲線表3.3 20

12、號鋼試樣和鑄鐵試樣自腐蝕電位、自腐蝕電流密度和年腐蝕速率參數(shù)20號鋼鑄鐵時間ia(uA/cm²)E(V)年腐蝕率(mm/a)1小時4.883-0.771七天4.101-0.8151小時7.502-0.773七天3.841-0.8140.04780.0450對鑄鐵和20號鋼前后兩次極化曲線采用powersuit軟件獲得各曲線的自腐蝕電位及自腐蝕電流密度如表3.3所示，計算出的年腐蝕速率列于表3.3中。由圖表可知，浸泡7天后20號鋼和鑄鐵的自腐蝕電位下降，曲線下移，說明浸泡七天后材料發(fā)生腐蝕，浸泡168小時后20號鋼的年腐蝕速率為0.0478 mm/a，鑄鐵的年腐蝕速率為0.0450 m

13、m/a，相比而言鑄鐵更加耐蝕。4結(jié)論通過本次研究獲得以下結(jié)論：（1）通過埋片法試驗，20號鋼的年腐蝕速率為0.0388mm/a，鑄鐵的年腐蝕速率為0.0287mm/a，20號鋼的腐蝕速率為鑄鐵的1.35倍，比較年腐蝕速率，可知在礦質(zhì)土壤環(huán)境中，鑄鐵比20號鋼更耐蝕。（2）電化學(xué)實驗表明，在礦質(zhì)土壤中鑄鐵的電荷轉(zhuǎn)移電阻很高，最大阻值達108100·cm2，20號鋼的電荷轉(zhuǎn)移電阻較低，最大阻值為4381·cm2，鑄鐵比20號鋼更耐蝕。參考文獻1 徐快. 土壤腐蝕因素淺析M. 化工腐蝕與防護, 1991, 3:27-342 陳玲. 環(huán)境監(jiān)測M. 化學(xué)工業(yè)出版社, 北京, 2011

14、:159-1603 劉金海, 李國祿, 郝曉燕, 等. 球墨鑄鐵微觀組織與拉伸行為的相關(guān)性J. 鑄造技術(shù), 2009, 29(3):329-332 4 張軍, 徐海斌, 劉偉東. 20 #鋼低倍組織控制措施J. 承鋼技術(shù), 2002, 6(1):8-125 王紫色, 許淳淳, 楊曼學(xué). 4種不同金相組織的仿古鑄鐵在土壤中局部腐蝕行為的差異J. 鑄造技術(shù), 2007, 28(7):968-9736 何海平. 交流阻抗法評價鐵物質(zhì)文物封護劑耐蝕性的研究J. 文物保護與考古學(xué), 2007, 3: 13-147 銀耀德, 高英, 張水泉. 土壤中陰離子對20鋼腐蝕的研究J. 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù), 19

15、90, 2(2):22-24corrosion behavior of cast and 20# steel in the saturated soil solution of Fushun east Open-pit mineAbstract: In this article corrosion behavior of cast and 20# steel was investigated using embedment and electrochemical method in the saturated soil solution of Fushun East Open-pit mine. It was demonstrated that the annual corrosion rate of cast(0.0388 mm/a) is 1.35 times that of 20# steel(0.0287mm/a) by the embedment experiment. The electrochemical experiments show that the Charge-transfer resistance of cast(108100·cm2) is higher than t