金属腐蚀与防护实验指导书.doc

金属腐蚀与防护实验指导书课程编号：03030101适用专业：金属材料工程专业课程类别：专业教育课程郝小军 徐宏妍 编 实验一 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、绘制并比较一般金属（镁合金）和有钝化性能（铝合金、不锈钢）的金属的阳极极化曲线的异同，初步掌握有钝化性能的金属在腐蚀体系中的临界孔蚀电位的测定方法。3、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。4、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。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钠化膜，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，金届进入了过钝化状态，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。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ZF-3恒电位仪1台ZF-4电位扫描信号发生器1台ZF-10信号记录存储仪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个镁合金试样(1220)1个铝合金试样(1220)1个不锈钢试样(1220)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。ZF-4电位扫描 Eout信号发生器 ZF-3恒电位仪Ein W R AIout ZF-10信号记录存储仪CH1 CH2 CH3 CH4 图2 恒电位仪测极化曲线线路图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。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、结果处理1、采用origin软件绘制试样阳极极化曲线。2、比较一般金属（镁合金）和有钝化性能（铝合金、不锈钢）的金属的阳极极化曲线的异同。3、初步掌握有钝化性能的金属在腐蚀体系中的临界孔蚀电位的测定方法。4、初步确定有钝化性能（铝合金、不锈钢）的金属在氯化钠溶液中进行阳极保护的三个基本参数。七、思考与讨论1、分析阳极极化曲线各线段和各扔点的意义。2、阳极极化曲线对实施阳极保护有何指导意义？3、比较恒电位阳极极化曲线和恒电流阳极极化曲线，说明测定阳极极化曲线为什么要用恒电位仪？4、腐蚀电位有什么意义？5、为了安全使用恒电位仪应注意些什么？实验二 金属材料腐蚀与防护综合实验钢铁表面电镀铜试验一、目的要求1、了解钢铁试样表面电镀铜的防护原理、电镀机理。2、掌握电镀铜工艺及耐腐蚀性能的检验方法。二、基本原理利用直流电从电解液中析出金属，并在试样、工件表面沉积而获得金属覆盖层的方法叫电镀。铜镀层呈美丽的玫瑰色，性质柔软富有延展性，易于抛光，它还具有良好的导热性及导电性。但是它在空气中易于氧化，从而迅速失去光泽。铜的表面受潮湿空气中的二氧化碳或氯化物作用后，将生成一层碱式碳酸铜或氯化铜膜，当受到硫化物作用时，将生成棕色或黑色硫化物薄膜。铜的标准电极电位为-0.34V，比金属铁的电位正，可以在铁零件表面镀铜，镀层对铁来说是阴极镀层。只有当镀层完整无孔时，铜镀层才能使铁零件受到机械保护作用。当铜镀层有孔或损伤时，裸露出来的基体金属将比未镀铜时腐蚀得还要迅速。铜镀层常用于钢铁件多层镀覆时的底层，也常作为镀锡、镀金、镀银对的底层，其目的是为了提高基体金属和表面(或中间)镀层的结合力，同时也往往有利于表面镀层的顺利沉积。当铜镀层无孔时，对提高表面镀层的耐蚀性是有利的，在防护装饰性多层电镀中采用厚铜薄镍的工艺，其优点就在于此，同时还节省了贵重的金属镍。铜镀层是防止渗碳、渗氮的优良镀层，因为碳和氮在其中的扩骸渗透很因难。铜镀层也常用于增加表面导电性，防止橡胶的枯结，拉拔模具的减磨以及印刷电路及塑料电镀作为防磁镀层也常使用铜镀层。为了便于铝及其合金制品的焊接和螺纹件的联接，也均需铜镀层。进行电镀铜时，将待镀试样、工件作为阴极与直流电源的负极相连，纯铜板作为阳极与直流电源的正极相连。电镀槽中放入含Cu2+的盐溶液。接通电源时，阳极上发生铜溶解的氧化反应Cu Cu2+ +2e-阴极上发生铜析出的还原反应Cu2+2e- Cu也就是铜板不断溶解而减少，阴极上铜不断析出而形成镀层，此时盐溶液的浓度在电镀过程中不变。当镀层达到要求的厚度时，电镀完成。镀层的耐腐蚀性能的检验采用极化曲线法，极化曲线的测试参照实验一，铁为一般金属，极化曲线为ax曲线，铜镀层为有钝化性能的金属，极化曲线为abcdef曲线。三、仪器、药品及实验装置（一）电镀实验仪器、药品及实验装置直流电源1台电镀槽(400毫升)1个烧杯(400毫升)2个碳钢试样(50255)1个铜阳极(50255)2个电镀液300毫升丙酮1瓶10%盐酸100毫升pH试纸1包除油液100毫升蒸馏水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张电炉1台石棉网1个铁架台、铁夹若干游标卡尺1支（二）极化曲线测试实验仪器、药品及实验装置ZF-3恒电位仪1台ZF-4电位扫描信号发生器1台ZF-10信号记录存储仪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个氯化钠(3)300毫升松香、石蜡若干吸管1支钢尺1个表1 除油液配方除油液组成（g/L）操作条件Na2SiO3Na2CO3NaOHNa3PO4十二烷基硫酸钠T（）时间（min）12601050570801015表2 电镀液配方（g/L）及操作条件镀液组成（g/L）操作条件CuSO45H2OH2SO4T（）I（A/dm2）阴极移动1502204070室温36是四、操作步骤阳极阳极阴极电镀槽直流电源+ -图3 电镀线路图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，除油，蒸馏水冲洗，活化（10%盐酸510s）。2、按图3接好测试线路，检查各接头是否正确，盐桥是否导通。3、调节好电镀电流，开始电镀。4、取出镀好的试样，蒸馏水冲洗，冷风吹干，测量尺寸。5、用松香、石蜡封好有镀层的试样，留出1010的表面，按实验一进行极化曲线测试，同时观察其变化规律及电极表面的现象，并与未镀试样比较。五、数据记录（一）电镀实验记录试样材质 尺寸 电镀面积 镀层材质 试样（镀后）尺寸 镀层厚度 电镀电压 电镀电流 电镀时间 未镀试样外观 镀层外观 （二）极化曲线测试实验记录试样材质 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、结果处理1、采用origin软件绘制试样阳极极化曲线。2、比较试样镀前和镀后的阳极极化曲线的异同。七、思考与讨论1、说明钢铁试样表面电镀铜的防护原理、电镀机理、电镀工艺。2、比较试样镀前和镀后的阳极极化曲线的异同，说明镀层对提高试样耐腐蚀性能的作用。电偶腐蚀速度的测定一、目的要求1、掌握电偶腐蚀测试的原理，初步掌握电偶腐蚀测试方法，了解不同金属相互接触时组成的电偶对（Mg-Zn, Mg-Al, Mg-Fe电偶对）在腐蚀介质中的电偶序。2、掌握用零电阻电流表测电偶电流的方法。二、基本原理总的还原速度总的氧化速度E couplei O, Ai O, BE corr, BE corr, Ai corr, Bi corr, Ai/corr, Ai /corr, BBBn+ +ne-AAm+ +me-2H+ + 2e-H22H+ + 2e-H2图4 金属A和B形成电偶对时混合电位的性质lg i当两种不问的金属在腐蚀介质中相互接触时，出于腐蚀电位不相等，原腐蚀电位较负的金属（电偶对阳极）溶解速度增加，造成接触处的局部腐蚀，这就是电偶腐蚀(也称为接触腐蚀。应用极化图有助于更清楚地看到电极的电化学参数在偶合前后的变化，如图4所示。假设有两个表面积相等的金属A和B，金属A的电位比金属B的电位正，当它们各自放入同一介质(如酸溶液)中，未偶合时，金属A的腐蚀速度i corr, A，金属B的腐蚀速度为i corr, B。然后，用导线联接金属A和金属B使之形成电偶对，此时腐蚀体系的混合电位为E couple。金属A的腐蚀速度减少到i /corr, A，金属B的腐蚀速度增加i /corr, B。根据混合电位理论测定电偶腐蚀的电化学技术，包括电位测定，电流测定和极化测定。通过测定短路条件下偶合电极两端的腐蚀电流即电偶电流的数值，根据电路电流的数值，就可以判断金属的耐接触腐蚀的性能。电偶电流与电偶对中阳极金属的真实溶解速度之间的定量关系较复杂(它与不同金属间的电位差、未偶合时的腐蚀速度、塔菲尔常数和阴阳极面积比等因素有关)，但可以有如下的基本关系。在活化极化控制的条件下，金属腐蚀速度的一般方程式为：（1）如果某金属与另一个电位较正的金属形成电偶，则这个电位较负的金属将被阳极极化，电位E将正向移到电偶电位E couple，它的溶解电流将I corr增加到I /corr（2）电偶电流I couple实际上是电偶电位E couple处局部阳极电流和局部阴极电流之差：（3）由式（3）可以获得两种极限情况，1形成偶合电极后，若极化很大（即E coupleE corr），则I couple= I /corr在这种情况下，电偶电流数值等于偶合电极阳极的溶解电流。2形成偶合电极以后，若极化很小(即E coupleE corr)，则I couple= I /corr - I corr在这种情况下，电偶电流的数值等于偶合电极阳极的溶解电流在偶合前后之差。对达两种极限情况的讨论，有助于理解处于两种极限之间的状态。如果直接由电偶电流去求出溶解速度，数值会不同程度地偏低。因此，如果需要求出真实的溶解速度，对电偶电流I couple进行修正是必要的。测量电偶电流不能用普通的安培表，要采用零电阻安培表的测试技术。也可运用零电阻的结构原理，将恒电位仪改接而成测量电偶电流的仪器。三、仪器、药品及实验装置ZF-3恒电位仪1台ZF-10信号记录存储仪1台电脑1台电解池(400毫升)1个饱和甘汞电极1支盐桥(添加饱和氯化钾溶液)1个镁试样(1220)1个锌试样(1220)1个铝试样(1220)1个碳钢试样(1220)1个氯化钠(3)600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5接好测试线路，检查各接头是否正确，盐桥是否导通。3、设定ZF-10信号记录存储仪，采样间隔为每20秒1个点，即一分钟采样3个。4、按测定先后，分别将镁与锌、镁与铝、镁与碳钢所组成的电偶对安装于装有3%氯化钠的适量水溶液的电解槽中。电偶对的试样尽量靠近，把甘汞电极安装于两试样之间，便于测定偶合前后的各电位值。5、进行电偶电流曲线测试，同时观察其变化规律及电极表面的现象。ZF-3恒电位仪 W R AIout ZF-10信号记录存储仪CH1 CH2 CH3 CH4 图5 恒电位仪测量电偶电流线路图五、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 电偶对名称 腐蚀电位 两极电位差 时间，s电偶电位E couple（SCE），V电偶电流I couple，mA现象试样材质 尺寸 暴露面积 介质成分 介质温度 参比电极 电