金属腐蚀与防护实验

1/10金属腐蚀与防护实验编重庆文理学院2013年7月2/10目录实验部分实验1腐蚀试样的制备电化学试样的制备………………………………………2实验2恒电位法测定阳极极化曲线…………………………………………………3实验3塔菲尔直线外推法测定金属的腐蚀速度…………………………………73/10实验部分实验1腐蚀试样的制备电化学试样的制备一、目的学会一种用硅橡胶镶制电化学实验用的金属试样的简易方法和焊接金属样品的方法。二、材料和药品金属试样具有塑料绝缘外套的铜管塑料套圈金属砂纸电烙铁焊油焊锡丝玻璃板硅橡胶标签纸三、实验步骤1.金属样品将金属试样的所有面金属都用砂纸打磨光亮，用水冲洗干净后待用。2．给电烙铁通电加热，待电烙铁尖端呈红色时，蘸少许焊油且接触焊锡丝待焊锡丝熔化后，将带塑料套圈的铜杆焊在金属试样上。3.将标签纸折叠成规定形状待用。4．取适量硅橡胶，然后把标签纸圈放在光滑的玻璃板上，将金属试样放在塑料圈内中央部分。5.把硅橡胶倒入摆好金属试样的标签纸圈内。6.24h固化好金属试样可以进行清洗。四、注意事项1．焊接金属试样时，因电烙铁尖端部位的温度最高，要用尖端部位进行焊接。焊接时，要先在金属试样上焊上点焊锡丝，再将铜杆尖端也焊上些锡丝，然后把2个锡点进行焊接，这样，即容易焊上又容易焊牢。2.不要触摸电烙铁及金属部分，以免烫伤。3.在密封式样时，应将金属试样和裸露的导线一起，完全密封。五、要求1.每一个人提交一个合格的电化学腐蚀监测试样。六、思考1、试样焊接之后，为什么要进行密封？4/10实验二金属极化曲线测试一、目的要求1、掌握恒电位法测定阳极极化曲线的原理和方法。2、通过阳极极化曲线的测定，判定实施阳极保护的可能性，初步选取阳极保护的技术参数，了解击穿电位和保护电位的意义。3、掌握恒电位仪的使用方法，了解恒电位技术在腐蚀研究中的重要作用。二、基本原理阳极电位和电流的关系曲线叫做阳极极化曲线。为了判定金属在电解质溶液中采取阳极保护的可能性，选择阳极保护的三个主要技术参数——致钝电流密度、维钝电流密度和钝化区的电位范围，需要测定阳极极化曲线。阳极极化曲线可以用恒电位法和恒电流法测定。图1是一条较典型的阳极极化曲线。一般金属（镁合金）的阳极极化曲线为ax曲线。对有钝化性能的金属（铝合金、不锈钢），曲线abcdef是恒电位法（即维持电位恒定，测定相应的电流值）测得的阳极极化曲线。当电位从a逐渐向正移动到到b点时，电流也随之增加到b点，当电位过b点以后，电流反而急剧减小，这是因为在金属表面上生成了一层高电阻耐腐蚀的钝化膜，钝化开始发生。人为控制电位的增高，电流逐渐衰减到c。在c点之后，电位若继续增高，由于金属完全进入了钝态，电流维持在一个基本不变的很小的值——维钝电流。当使电位增高到d点以后，金属进入了过钝化状态，电流又重新增大。从a点到b点的范围叫活性溶解区，从b点到c点叫钝化过渡区，从c点到d点叫钝化稳定区，过d点以后叫过钝化区。对应于b点的电流密度叫致钝电流密度，对应于cd段的电流密度叫维钝电流密度。若把金属作为阳极，通以致钝电流使之钝化，再用维钝电流去保护其表面的钝化膜，可使金属的腐蚀速度大大降低，这就是阳极保护的原理。用恒电流法测不出上述曲线的bcde段。在金属受到阳极极化时其表面发生了复杂的变化，电极电位成为电流密度的多值函数，因此当电流增加到b点时，电位即由b点跃增到很正的e点，立即进入了过钝化状态，反映不出金属进入钝化区的情况。由此可见只有用恒电位法才能测出完整的阳极极化曲线。E,mVabcdefi,mA/cm2图1阳极极化曲线有钝化性能的金属：abcdef——恒电位法测定；abef——恒电流法测定一般金属：ax曲线x活化溶解区钝化过渡区钝化稳定区过钝化区5/10本实验采用恒电位仪逐点恒定阳极电位，同时测定对应的电流值，并在半对数坐标上绘成E-i曲线，即为恒电位阳极极化曲线。三、仪器、药品及实验装置电化学工作站1台电脑1台饱和甘汞电极、铂电极各1支盐桥(添加饱和氯化钾溶液)1个电解池(400毫升)1个不锈钢试样(φ10×20)1个氯化钠(3％)300毫升丙酮1瓶蒸馏水1000毫升洗瓶1个电吹风1台脱脂棉若干金相砂纸（100＃、200＃、600＃）各1张钢尺1个四、操作步骤1、把已加工到一定光洁度的试样用砂纸逐步打磨，测量尺寸，用丙酮脱脂，吹干。2、按图2接好测试线路，检查各接头是否正确，盐桥是否导通。3、测量试样在氯化钠溶液中的腐蚀电位。4、设定ZF-10信号记录存储仪，采样间隔为每秒1个点，即一分钟采样60个。5、设定ZF-4电位扫描信号发生器，扫描速率1mV/s。6、测试阳极极化曲线测试，同时观察其变化规律及电极表面的现象。ZF-4电位扫描Eout信号发生器ZF-3恒电位仪EinWRAIoutZF-10信号记录存储仪CH1CH2CH3CH4图2恒电位仪测极化曲线线路图6/10五、数据记录试样材质尺寸暴露面积介质成分介质温度参比电极辅助电极腐蚀电位时间电流强度，I电极电位，E现象六、思考1、测定阳极钝化曲线为何要用恒电位法？2、影响金属钝化过程的因素有哪些?7/10实验三塔菲尔直线外推法测定金属的腐蚀速度一、目的和要求1.掌握恒电位法测定电极极化曲线的原理和实验技术。通过测定Fe在NaCl溶液中的极化曲线，求算Fe的自腐蚀电位，自腐蚀电流。2.讨论极化曲线在金属腐蚀与防护中的应用。二、基本原理当金属浸于腐蚀介质时，如果金属的平衡电极电位低于介质中去极化剂（如H+或氧分子）的平衡电极电位，则金属和介质构成一个腐蚀体系，称为共轭体系。此时，金属发生阳极溶解，去极化剂发生还原。以金属锌在盐酸体系中为例：阳极反应：Zn-2e=Zn2+阴极反应：H++2e=H2阳极反应的电流密度以ia表示，阴极反应的速度以ik表示，当体系达到稳定时，即金属处于自腐蚀状态时，ia=ik=icorr（icorr为腐蚀电流），体系不会有净的电流积累，体系处于一稳定电位c。根据法拉第定律，体系通过的电流和电极上发生反应的物质的量存在严格的一一对应关系，故可阴阳极反应的电流密度代表阴阳极反应的腐蚀速度。金属自腐蚀状态的腐蚀电流密度即代表了金属的腐蚀速度。因此求得金属腐蚀电流即代表了金属的腐蚀速度。金属处于自腐蚀状态时，外测电流为零。极化电位与极化电流或极化电流密度之间的关系曲线称为极化曲线。极化曲线在金属腐蚀研究中有重要的意义。测量腐蚀体系的阴阳极极化曲线可以揭示腐蚀的控制因素及缓蚀剂的作用机理。在腐蚀点位附近积弱极化区的举行集会测量可以可以快速求得腐蚀速度。还可以通过极化曲线的测量获得阴极保护和阳极保护的主要参数。在活化极化控制下，金属腐蚀速度的一般方程式为：其中I为外测电流密度，ia为金属阳极溶解的速度，ik为去极化剂还原的速度，βa、βk分别为金属阳极溶解的自然对数塔菲尔斜率和去极化剂还原的自然对数塔菲尔斜率。若以十为底的对数，则表示为ba、bk。这就是腐蚀金属电极的极化曲线方程式，令∆E称为腐蚀金属电极的极化值，∆E＝0时，I＝0；∆E0时，是阳极极化，I0,体系通过阳极电流。∆E0时，I0，体系通过的是阴极电流，此时是对腐蚀金属电极进行阴极极化。因此外测电流密度也称为极化电流密度测定腐蚀速度的塔菲尔直线外推法当对电极进行阳极极化，在强极化区，阴极分支电流ik=0,)]exp()[exp(kcaccorrkaiiiIcE)]exp()[exp(kacorrEEiI)exp(acorraEiiI8/10改写为对数形式：当对电极进行阴极极化，∆E0,在强极化区，阳极分支电流ia=0改写成对数形式:强极化区，极化值与外测电流满足塔菲尔关系式，如果将极化曲线上的塔菲尔区外推到腐蚀电位处，得到的交点坐标就是腐蚀电流。图1塔菲尔外推法求金属腐蚀电流的基本原理三、仪器药品和实验装置corracorraiIbiIElgln)exp(kcorrEiIcorrkcorrkiIbiIElgln9/10CHI660A电化学工作站1台；烧杯一个；饱和甘汞电极（参比电极）1支Pt片电极（辅助电极）1支。45号钢（圆柱体）松香石腊分析纯氯化钠蒸馏水铜导线图2极化曲线测量示意图四、操作步骤1.电极处理：用金相砂纸将45号钢电极表面打磨平整光亮，测量试样的直径，将45号钢试样和铜导线连接。2.将松香、石腊融化，用来封装表面清洗干净的试样（用蒸馏水清洗、酒精去油），电极处理得好坏对测量结果影响很大。3.测量极化曲线：（1）打开CHI660A工作站的窗口。（2）将三电极分别插入电极夹的三个小孔中，使电极进入电解质溶液中。将CHI工作站的绿色夹头夹Fe电极，红色夹头夹Pt片电极，白色夹头夹参比电极。（3）测定开路电位。点击“T”（Technique）选中对话框中“OpenCircuitPotential-Time”实验技术，点击“OK”。点击“░”（parameters）选择参数，可用仪器默认值，点击“OK”。点击“►”开始实验，测得的开路电位即为电极的自腐蚀电势Ecorr。辅助电极极化电解池工作电极参比电极参比电池盐桥恒电位仪10/10（4）开路电位稳定后，测电极极化曲线。点击“T”选中对话框中“Tafel”实验技术，点击“OK”初始电位（InitE）设为比Ecorr低“-0.5V”，终态电位（FinalE）设为比Ecorr高“1.25V”，扫描速率（ScanRate）设为“0.001V/s”灵敏度（sensivitivty）设为“自动”，其它可用仪器默认值，极化曲线自动画出。（5）自腐蚀电流的拟合，打开CHI660A的控制软件，利用自带的软件求得自腐蚀电流密度4.实验完毕，清洗电极、电解池，将仪器恢复原位，桌面擦拭干净。五、思考与讨论（1）为什么可以用自腐蚀电流icorr来代表金属的腐蚀速度？