一種金屬材料電化學(xué)再鈍化性能的測試裝置及測試方法
【專利說明】一種金屬材料電化學(xué)再鈍化性能的測試裝置及測試方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)和暫態(tài)電化學(xué)測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種金屬再鈍化性能測試裝置及實(shí)驗(yàn)方法。適用于對不同金屬新鮮無膜的表面鈍化膜生長過程的電化學(xué)參數(shù)測試，并可以實(shí)現(xiàn)不同腐蝕環(huán)境的模擬。
[0003]
技術(shù)背景
[0004]鈍性金屬(Fe、Cr、T1、Al等金屬及其合金)表現(xiàn)出來的鈍性是由于在其表面存在一層薄(nm級或μ m級)的致密的金屬氧化物薄膜，稱之為鈍化膜。這層致密鈍化膜能夠有效地阻礙金屬與腐蝕環(huán)境的直接接觸，從而將金屬基體與腐蝕環(huán)境隔絕。盡管如此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，受到力學(xué)或化學(xué)的作用，鈍化膜層容易發(fā)生變形、溶解減薄甚至破裂，從而使金屬基體腐蝕溶解。與此同時，新鮮暴露的金屬基體表面可能再次形成一層具有保護(hù)性質(zhì)的鈍化膜，即金屬的再鈍化(過程)。所以金屬再鈍化性能將決定鈍性金屬發(fā)生局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、磨損腐蝕的熱力學(xué)傾向和動力學(xué)過程。
[0005]金屬材料的再鈍化性能是通過對新鮮暴露的金屬表面進(jìn)行暫態(tài)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)來測定。由于新鮮暴露的金屬表面具有非常高的電化學(xué)活性，因此金屬表面可以在極短時間(10~102ms)內(nèi)就能再次形成非常薄(nm級別)的鈍化膜并覆蓋金屬表面，從而阻止金屬與腐蝕溶液的接觸，表現(xiàn)出較高的耐蝕性，而所對應(yīng)的電化學(xué)電流從極大值快速衰減到相對穩(wěn)定的值，這就是金屬的再鈍化過程。針對再鈍化的這一特點(diǎn)，對再鈍化進(jìn)行研宄首先需要快速去除金屬電極表面原有的氧化膜，然后在水溶液環(huán)境中進(jìn)行快速的電化學(xué)測量表征，即電化學(xué)暫態(tài)測量。目前國內(nèi)外對金屬再鈍化的研宄方法有:快速拉伸應(yīng)變法(Engseth P,Scully J C.Corros1n Science, 1975, 15(6): 505-519.)通過施加應(yīng)變在電極上，由于氧化膜韌性比基體金屬差，因此氧化膜先發(fā)生破裂，從而基體暴露于腐蝕介質(zhì)中發(fā)生再鈍化過程，但是該方法對測試電極進(jìn)行了嚴(yán)重的塑性變形，提高了金屬電極的電化學(xué)活性，改變了測試電極的電化學(xué)性質(zhì)，同時對于膜破裂位置和暴露面積不可預(yù)測和操控；針尖快速劃傷法(Burstein G T, Newman R C.Electrochimica Acta, 1980, 25(8): 1009-1013.)由金剛石刀尖在平整金屬上快速劃出一道劃痕，從而達(dá)到破壞基體表面氧化膜目的，但是在劃痕位置的局部區(qū)域上存在較大彈塑性變形；壓痕法(Fushimi K, Takase K, Azumi K,et al..Electrochimica acta, 2006, 51 (7): 1255-1263.)是金屬表面在絕緣針尖的壓力下，氧化膜發(fā)生破壞或破裂，露出膜下的金屬基體，該方法同樣存在對金屬基體較大的彈塑性變形影響。上述實(shí)驗(yàn)方法存在的共享性問題是:在對表面進(jìn)行去除鈍化膜的過程中，先行暴露的表面實(shí)際上已經(jīng)與腐蝕環(huán)境發(fā)生再鈍化反應(yīng)，而后續(xù)暴露的表面的再鈍化過程尚未開始。例如快速拉伸應(yīng)變法或壓痕法，只要膜破裂，再鈍化就開始發(fā)生，那么此時拉伸并未結(jié)束或者壓頭還未離開表面；又如針尖快速劃傷法，隨著針尖的劃過，金屬基體是逐漸暴露于腐蝕溶液的。因此金屬無膜表面的先后暴露導(dǎo)致了暴露表面的再鈍化程度先后不一，從而導(dǎo)致無法測量得到真實(shí)的再鈍化電化學(xué)信號，難以實(shí)現(xiàn)定量化評定金屬再鈍化性能。為了避免機(jī)械方法造成的彈塑性變形和暴露時間序列問題，激光燒蝕法(Sakairi M,Kinjyo M, Kikuchi T.Electrochimica Acta, 2011, 56(4): 1786-1791.)提出米用高能激光對金屬氧化膜進(jìn)行燒蝕去除。但是卻引入了另一個無法避免的問題，即在去除氧化膜的同時，基體在激光輻照下，高溫的局部區(qū)域容易產(chǎn)生重鑄層，這將從根本上改變金屬材料原有的圍觀組織結(jié)構(gòu)和再鈍化性能。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)對于去除原金屬表面鈍化膜從而獲得新鮮暴露的無膜表面過程存在的問題主要有:大的彈塑性變形改變電化學(xué)活性、暴露表面面積不可控、再鈍化過程時間起點(diǎn)不確定、重鑄層改變金屬圍觀組織結(jié)構(gòu)和再鈍化性能。這些問題對于認(rèn)識金屬材料真實(shí)的再鈍化暫態(tài)過程和準(zhǔn)確評價金屬再鈍化性能帶來了限制。因此，需要一種摒除上述不足，自動可控，使用簡單的測量準(zhǔn)確真實(shí)的金屬再鈍化性能測試裝置。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種金屬再鈍化性能測試裝置及使用該裝置的測試方法。該裝置將改進(jìn)過去方法中的諸多不足，極大地減小測試金屬表面的彈塑性變形，暴露的金屬表面面積能夠準(zhǔn)確可控，整個暴露面同時接觸腐蝕介質(zhì)使再鈍化起始狀態(tài)同一，可實(shí)現(xiàn)對不同腐蝕環(huán)境下金屬表面鈍化膜或氧化膜生長過程中的電化學(xué)信號測試，并能在鈍化膜完全去除條件下對金屬表面重新生成的鈍化膜的再鈍化過程進(jìn)行準(zhǔn)確測量。
[0009]本發(fā)明解決技術(shù)問題所用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明金屬材料電化學(xué)再鈍化性能的測試裝置，包括固定在底座上的密閉箱和驅(qū)動電機(jī)，皮帶傳動系統(tǒng)連接驅(qū)動電機(jī)和旋轉(zhuǎn)吸盤的軸，軸由軸承和外軸座固定在密閉箱的左壁，磨料固定在旋轉(zhuǎn)吸盤上；真空泵固定在密閉箱外，接入密閉箱和旋轉(zhuǎn)吸盤，進(jìn)氣閥也接入密閉箱；試樣夾具一端開設(shè)試樣安裝口，另一端固定于旋轉(zhuǎn)氣缸，旋轉(zhuǎn)氣缸固定在水平平動氣缸自由端，水平平動氣缸固定于垂直平動氣缸自由端，垂直平動氣缸固定于密閉箱的后壁；電解池在密閉箱內(nèi)部，并放置于恒溫水浴系統(tǒng)內(nèi)；金屬試樣作為工作電極，鉑片連接鉑絲作為輔助電極，飽和甘汞電極通過鹽橋接入實(shí)驗(yàn)溶液從而構(gòu)成三電體系，三電極通過導(dǎo)線電連接至外部電化學(xué)測試儀器。
[0010]進(jìn)一步，密閉箱頂部由螺栓固定密封蓋，并在密封蓋和密閉箱的接觸位置安裝橡膠密封條，真空泵和進(jìn)氣閥都接入密閉箱的左、右兩側(cè)壁，安裝氧探頭于真空泵與密閉箱之間，安裝氣壓表于進(jìn)氣閥與密閉箱之間，保證密封箱內(nèi)達(dá)到一定的真空條件，以形成符合實(shí)驗(yàn)需求、可控的低氧真空環(huán)境。
[0011]進(jìn)一步，再鈍化測試裝置，旋轉(zhuǎn)吸盤上裝有中心定位螺釘、壓盤、O型橡膠平墊圈，軸承與密閉箱的連接面上安裝O型密封圈，外軸座與軸的連接面上安裝旋轉(zhuǎn)密封圈。
[0012]進(jìn)一步，再鈍化測試裝置，還包括在密閉箱右側(cè)壁上固定的絕緣板和導(dǎo)電金屬柱，飽和甘汞電極、電化學(xué)金屬試樣、鉑片導(dǎo)線在箱體內(nèi)外由螺栓固定在導(dǎo)電金屬柱上實(shí)現(xiàn)電連接，以保證形成腐蝕電化學(xué)測試回路。
[0013]進(jìn)一步，試樣由夾具和螺釘固定，金屬試樣的表面伸入電解池中溶液后，距離液面不少于3cm，在電解池側(cè)壁標(biāo)出刻度線，以控制試樣表面去除鈍化膜后快速浸入試驗(yàn)溶液的時間。
[0014]本發(fā)明還提供一種金屬再鈍化測試方法，該方法采用本發(fā)明的測試裝置進(jìn)行金屬氧化膜去除并進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括以下步驟:
步驟1、試樣預(yù)磨:垂直平動氣缸控制試樣移動至最高位置，開啟驅(qū)動電機(jī)，待旋轉(zhuǎn)真空吸盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，旋轉(zhuǎn)氣缸將夾具旋轉(zhuǎn)至水平，試樣表面正對旋轉(zhuǎn)吸盤上的磨料，在水平平動氣缸的推動下，試樣接觸磨料開始預(yù)磨，待持續(xù)預(yù)磨確定時間后，水平平動氣缸控制試樣離開磨料，驅(qū)動電機(jī)停止工作；更換磨料并重復(fù)預(yù)磨步驟，直至