黃銅表面鑭轉(zhuǎn)化膜在模擬雨水中的腐蝕行為

范洪強(qiáng)，李淑英，趙宗昌，林樂(lè)圣，張琳

（大連理工大學(xué)化工與環(huán)境生命學(xué)部，遼寧 大連 116012）

【腐蝕防護(hù)】

黃銅表面鑭轉(zhuǎn)化膜在模擬雨水中的腐蝕行為

范洪強(qiáng)，李淑英*，趙宗昌，林樂(lè)圣，張琳

（大連理工大學(xué)化工與環(huán)境生命學(xué)部，遼寧 大連 116012）

采用化學(xué)浸泡法在黃銅表面制得鑭轉(zhuǎn)化膜，轉(zhuǎn)化液組成與工藝條件為：硝酸鑭3.5 ～ 5.5 g/L，苯并三氮唑8.0 ～ 12.0 g/L，磺基水楊酸8.0 ～ 12.0 g/L，檸檬酸15.0 g/L，溫度60 °C，pH 4，時(shí)間3 min。采用原子吸收光譜和電化學(xué)法研究了黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在模擬雨水中的腐蝕行為。在相同的浸泡時(shí)間內(nèi)，黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在模擬雨水中溶解的銅離子質(zhì)量濃度低于黃銅基體。在酸性范圍內(nèi)，模擬雨水的pH越高，黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜越不容易被腐蝕。鑭轉(zhuǎn)化膜對(duì)溶解于雨水中的和Cl?較敏感，Cl?含量的增加使黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜的點(diǎn)蝕增強(qiáng)，含量的增加使膜層整體發(fā)生嚴(yán)重腐蝕；NO?3含量則對(duì)其腐蝕行為的影響不大。黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在pH = 3.29的模擬雨水中的腐蝕經(jīng)歷3個(gè)階段。

黃銅；轉(zhuǎn)化膜；鑭；雨水；腐蝕

1 前言

黃銅作為金屬材料被廣泛應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，隨酸雨現(xiàn)象日益嚴(yán)重，研究黃銅表面處理技術(shù)以提高其耐蝕性能具有重要的意義。稀土對(duì)銅及銅合金的緩蝕、轉(zhuǎn)化作用的研究始于20世紀(jì)90年代，R. N. Singh等[1]的研究表明，在鹽酸溶液中添加 La、Ce、Nd鹽，可有效減少701B鋁青銅的腐蝕。A. J. Aidykiewicz等[2]采用旋轉(zhuǎn)圓盤電極技術(shù)研究銅表面鈰轉(zhuǎn)化膜的形成過(guò)程，指出O2的還原反應(yīng)受溶液pH、電極電勢(shì)及最初形成的鈰轉(zhuǎn)化膜形態(tài)的影響。韓寶軍等[3]研究了稀土鈰鹽在紫銅緩蝕劑中的應(yīng)用，進(jìn)一步證實(shí)了稀土鹽對(duì)銅的緩蝕作用，但過(guò)多鈰鹽的加入不利于鈍化膜的性能。近期的研究表明，將硝酸鑭和有機(jī)緩蝕劑苯并三氮唑(BTA)復(fù)配使用，可使黃銅表面膜層在大氣、海水和弱酸環(huán)境中的耐腐蝕性提高[4-8]。

黃銅在含氧和Cl?的水溶液中常發(fā)生電化學(xué)腐蝕，生成的腐蝕產(chǎn)物在黃銅表面逐漸沉積，使黃銅表面發(fā)生腐蝕產(chǎn)物與無(wú)腐蝕產(chǎn)物間的電偶腐蝕(其中，腐蝕產(chǎn)物區(qū)為陰極區(qū)，無(wú)腐蝕產(chǎn)物區(qū)為陽(yáng)極區(qū))，從而促進(jìn)黃銅的溶解[9-11]。D. K. Y. Wong[12]研究了銅在硫酸溶液中溶解的動(dòng)力學(xué)模型。Y. Feng[13-14]等研究了銅在不同pH水溶液中的腐蝕產(chǎn)物、腐蝕機(jī)制和黃銅在中性飲水中的腐蝕行為。然而對(duì)黃銅及表面稀土轉(zhuǎn)化膜在雨水中的腐蝕行為仍缺乏深刻認(rèn)識(shí)。

本文主要采用電化學(xué)方法、原子吸收光譜和掃描電鏡研究黃銅表面鑭轉(zhuǎn)化膜在模擬上海雨水中的腐蝕行為。

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 試驗(yàn)材料

以40 mm × 20 mm × 2 mm的黃銅為基體，其化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)為：Cu 63.5% ～ 68.0%，F(xiàn)e 0.10%，Pb 0.03%，Sb 0.005%，Bi 0.002%，P 0.01%，Zn余量。所用化學(xué)試劑均為分析純。

2. 2 稀土鑭轉(zhuǎn)化

采用化學(xué)浸泡法對(duì)基體進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，工藝流程為：打磨─機(jī)械拋光─化學(xué)除油─熱水清洗─化學(xué)拋光─清洗─稀土轉(zhuǎn)化膜工藝─清洗─氮?dú)獯蹈伞?/p>

轉(zhuǎn)化液配方與工藝為：

2. 3 模擬雨水組成

根據(jù)上海實(shí)際降雨組分分析結(jié)果[15]，用二次蒸餾水和分析純?cè)噭┡渲颇M雨水，具體組成見(jiàn)表1。用7 mol/L的HNO3調(diào)節(jié)模擬雨水的pH。改變模擬雨水中、Cl?的含量，可研究模擬雨水中主要陰離子對(duì)黃銅表面鑭轉(zhuǎn)化膜腐蝕行為的影響[16]。以表1的模擬雨水為空白液，分別往其中添加 1 μmol/L的Na2SO4、NaCl和NaNO3。

表1 模擬上海雨水的組成Table 1 Composition of artificial rainwater of Shanghai

2. 4 性能測(cè)試

采用上海辰華儀器有限公司生產(chǎn)的CHI660B型電化學(xué)工作站測(cè)試開(kāi)路電位–時(shí)間曲線，以鉑片作輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，成膜或未成膜的黃銅試片(1 cm × 1 cm)為工作電極。采用美國(guó)PRINCETON公司生產(chǎn)的Potentiostat/Galvanostat Model 273電化學(xué)系統(tǒng)測(cè)定黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜(1 cm × 1 cm)的電化學(xué)阻抗譜(EIS)，pH = 3.29，頻率范圍為0.01 Hz ～100 kHz，交流干擾幅值為10 mV。電化學(xué)測(cè)試均以模擬雨水為介質(zhì)。利用CN63M/CAAM-2001原子吸收光譜儀(北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司)測(cè)定試樣在模擬雨水中的溶解率。用JSM-5600LV掃描電鏡(日本JEOL公司)觀察黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在模擬雨水中浸泡30 d后的腐蝕形貌。

3 結(jié)果與討論

3. 1 在模擬雨水中的溶解率

黃銅成膜前后溶解于pH = 3.29的模擬雨水中的銅離子質(zhì)量濃度由CN63M/CAAM-2001原子吸收光譜儀(北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同試樣在模擬雨水中溶解的銅離子質(zhì)量濃度Table 2 Mass concentration of copper ions dissolved from different samples in artificial rainwater

隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，溶解于模擬雨水中的黃銅基體增多，浸泡30 h后模擬雨水中的銅離子質(zhì)量濃度明顯比浸泡3 h時(shí)大，變化幅度高達(dá)1 mg/L。黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在模擬雨水中的溶解也隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增多，但變化趨勢(shì)較平緩，且其溶解的量比黃銅基體少，說(shuō)明鑭轉(zhuǎn)化膜有良好的耐蝕性，在一定程度上阻止了銅基體的溶解。

3. 2 pH的影響

圖1為黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在不同pH的模擬雨水中的開(kāi)路電位–時(shí)間曲線。

圖1 黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在不同pH模擬雨水中的開(kāi)路電位–時(shí)間曲線Figure 1 Open-circuit potential vs. time curves for brass/lanthanum conversion coating in artificial rainwater with different pHs

模擬雨水的pH不同，則試樣的腐蝕電位變化也趨勢(shì)不同。pH = 7時(shí)，電位先正移后趨于平穩(wěn)；pH = 5.65時(shí)，曲線變化有2個(gè)階段：浸泡初期，電位逐漸正移隨后下降，4 h后進(jìn)入第2階段，電位保持在?0.02 V左右，出現(xiàn)平臺(tái)且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；pH = 3.29時(shí)，電位曲線變化較大，即使浸泡15 h也未出現(xiàn)平臺(tái)。另外，浸泡2 h后，黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜的腐蝕電位隨pH升高而正移，且更穩(wěn)定。上述結(jié)果表明，黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在模擬雨水中的腐蝕與pH有關(guān)，在酸性范圍內(nèi)，溶液pH越高，黃銅/轉(zhuǎn)化膜越不容易被腐蝕。

3. 3 主要侵蝕性陰離子的影響

以pH = 3.29的模擬雨水為空白液，分別加入1 μmol/L的Na2SO4、NaCl、NaNO3，浸泡30 d后試樣的腐蝕形貌如圖2所示。

圖2 試樣在模擬雨水中浸泡30 d后的腐蝕形貌Figure 2 Corrosion morphology of sample after immersion in artificial rainwater for 30 days

從圖2可知，試樣在4種模擬雨水中都有一定程度的點(diǎn)蝕。其中，浸于添加了Cl?的模擬雨水中的試樣點(diǎn)蝕密度和強(qiáng)度高于浸于空白溶液中的試樣；試樣在添加溶液中的腐蝕最嚴(yán)重，試樣表面膜層遭到嚴(yán)重破壞，除發(fā)生一定程度的點(diǎn)蝕外，更接近全面腐蝕；轉(zhuǎn)化膜在加的溶液中的點(diǎn)蝕現(xiàn)象最弱。通常，活性陰離子在銅合金表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附，陰離子與氧化膜和金屬基體間的反應(yīng)較大程度地影響銅合金的腐蝕[17]。、Cl?等對(duì)金屬材料在雨水中的腐蝕行為主要受其與溶液中O2或OH?的競(jìng)爭(zhēng)吸附過(guò)程及形成的腐蝕產(chǎn)物性質(zhì)的影響[18]。較多的陰離子吸附在電極表面缺陷部位，由于吸附的陰離子和銅合金的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)及腐蝕產(chǎn)物性質(zhì)不同，對(duì)銅合金腐蝕過(guò)程的影響也就不同。黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜對(duì)溶解于雨水中的和Cl?較敏感，是因?yàn)楹虲l?能夠納入轉(zhuǎn)化膜而增加了額外的電荷載體，或直接參與金屬基體的溶解反應(yīng)[19-20]。因而，溶液中或Cl?含量的增加使黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜的腐蝕增強(qiáng)。

3. 4 腐蝕過(guò)程

圖3為黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜試樣在pH = 3.29的模擬雨水中的電化學(xué)阻抗譜。根據(jù)阻抗譜特征的變化，黃銅表面鑭轉(zhuǎn)化膜試樣浸泡的電化學(xué)過(guò)程可分成初期、中期和后期3個(gè)階段。

圖3 黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在pH = 3.29的模擬雨水中浸泡不同時(shí)間的電化學(xué)阻抗譜Figure 3 EIS diagrams of brass/lanthanum conversion coating immersed in artificial rainwater for different time

從圖3a和3b可知，浸泡前期(2.5 ～ 24 h)，Nyquist圖顯示為一段圓弧，表現(xiàn)出明顯的電容特征，具有很高的阻抗值，說(shuō)明轉(zhuǎn)化膜完好，對(duì)基體起到屏蔽保護(hù)作用。這是因?yàn)橐环矫孓D(zhuǎn)化膜的機(jī)械阻礙作用阻擋了活性離子的侵蝕，耐點(diǎn)蝕能力大為提高；另一方面，轉(zhuǎn)化膜阻礙了氧和電子的自由傳輸，抑制了基體銅合金的腐蝕反應(yīng)，腐蝕電流密度較小。在該浸泡階段，阻抗譜的圓弧半徑變化不大，表明膜層的電阻值基本相同，阻抗值較大說(shuō)明稀土轉(zhuǎn)化膜層起的電阻作用較強(qiáng)，腐蝕液很難侵入，有效地保護(hù)了基體銅。

從圖3c和3d可知，浸泡中期(72 ～ 720 h)阻抗圖譜發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)2段圓弧，即有2個(gè)時(shí)間常數(shù)，其高頻區(qū)域的容抗弧對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化膜的阻抗，而低頻區(qū)對(duì)應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)的阻抗。這說(shuō)明此時(shí)模擬雨水中的侵蝕性介質(zhì)已滲入膜層并逐漸到達(dá)基體表面，稀土鑭轉(zhuǎn)化膜逐漸被破壞，性能開(kāi)始下降。值得注意的是，在浸泡168 ～ 360 h時(shí)，阻抗譜的圓弧半徑明顯減小，膜層低頻阻抗值(Zlf)約降低 1個(gè)數(shù)量級(jí)。這說(shuō)明在 168 ～360 h時(shí)，膜層性能下降得最快，即在模擬雨水中，稀土鑭轉(zhuǎn)化膜層有效保護(hù)時(shí)間小于360 h。

從圖3e和3f可知，浸泡后期(960 ～ 2 040 h)阻抗譜上出現(xiàn)了3個(gè)時(shí)間常數(shù)，Nyquist圖比原來(lái)多了1個(gè)低頻感抗弧，其對(duì)應(yīng)鑭轉(zhuǎn)化膜被破壞后黃銅基體發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。

4 結(jié)論

(1) 在模擬雨水中，成膜后的黃銅溶解量變化較為平緩，均比成膜前的黃銅少，說(shuō)明鑭轉(zhuǎn)化膜有良好的耐蝕效果，在一定程度上阻止了黃銅的陽(yáng)極溶解。

(2) 黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜的腐蝕行為與模擬雨水的 pH有關(guān)，在酸性范圍內(nèi)，溶液的pH越高，越不容易發(fā)生腐蝕。

(4) 黃銅/鑭轉(zhuǎn)化膜在pH = 3.29的模擬雨水中的腐蝕過(guò)程有3個(gè)階段：浸泡初期，具有很高的阻抗值，轉(zhuǎn)化膜完好，對(duì)基體起到屏蔽保護(hù)作用；浸泡中期，出現(xiàn)了2個(gè)時(shí)間常數(shù)，模擬雨水中的侵蝕性介質(zhì)滲入膜層并逐漸到達(dá)基體試樣表面；浸泡后期，阻抗譜上出現(xiàn)3個(gè)時(shí)間常數(shù)，黃銅基體發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

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Corrosion behavior of lanthanum conversion coating on brass substrate in artificial rainwater //

FAN Hongqiang, LI Shu-ying*, ZHAO Zong-chang, LIN Le-sheng, ZHANG Lin

Lanthanum conversion coating was prepared on brass substrate by chemical immersion. The conversion bath composition and process conditions are as followers: lanthanum nitrate 3.5-5.5 g/L, benzotriazole 8.0-12.0 g/L, sulfosalicylic acid 8.0-12.0 g/L, citric acid 15.0 g/L, temperature 60 °C, pH 4, and time 3 min. The corrosion behavior of brass/lanthanum conversion coating in artificial rainwater was studied by atomic absorption spectroscopy and electrochemical methods. The mass concentration of copper ions dissolved from the brass/lanthanum conversion coating in artificial rainwater is lower than that from brass substrate during the same immersion time. The higher the pH of artificial rainwater under acid condition, the more difficult the corrosion of brass/lanthanum conversion coating will be. Lanthanum conversion coating is sensitive tond Cl?in rainwater. The corrosive pitting of brass/lanthanum conversion coating becomes more serious as the Cl?concentration increases, nearly the whole brass/lanthanum conversion coating corrodes seriously when the

concentration increases, whileconcentration has little effect on the corrosion behavior of brass/lanthanum conversion coating. The corrosion of brass/lanthanum conversion coating in artificial rainwater with a pH of 3.29 proceeds through 3 stages.

brass; conversion coating; lanthanum; rainwater; corrosion

Faculty of Chemical, Environmental and Biological Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116012, China

TG174.41

A

1004 – 227X (2012) 01 – 0043 – 04

2011–07–21

2011–09–02

范洪強(qiáng)（1982–），男，福建建甌人，博士，研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻嫱垦b及改性。

李淑英，教授，(E-mail) dllishuying@126.com。

[ 編輯：周新莉 ]