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铸铁和20号钢在抚顺东露天矿区饱和土壤溶液中腐蚀行为研究
高嘉汐
（机械工程学院 材料成型及控制工程0701班）
摘要：本研究采用埋片和电化学实验研究了铸铁和20号钢在抚顺东露天矿饱和土壤溶液中的腐蚀行为。研究获得以下结论：通过埋片法实验可知，20号钢的年腐蚀速率为0.0388mm/a，铸铁的年腐蚀速率为0.0287mm/a，20号钢的腐蚀速率为铸铁的1.35倍。电化学实验表白，在矿质土壤中铸铁的电荷转移电阻很高，最大阻值达108100Ω·cm2，20号钢的电荷转移电阻较低，最大阻值为4381Ω·cm2，铸铁比20号钢更耐蚀。
关键词：矿质土壤，埋片腐蚀，电化学测试，土壤腐蚀
1前言
随着工业发展，地下设施越来越多，常用结构材料的土壤腐蚀越来越受到关注。土壤腐蚀研究中矿区土壤对地下设施的腐蚀与人身安全和生产安全密切相关。越来越频繁的矿难带给我们更沉重的思考。
矿区土壤中的矿物质可分为原生矿物和次生矿物。原生矿物重要涉及硅酸盐矿物，氧化物类矿物，硫化物好磷酸盐类矿物。次生矿物重要涉及各种简朴盐类，次生氧化物和铝硅酸盐类矿物等。其特点与有机土壤相似，由此推断金属在矿质地区土壤中的腐蚀会比在其他土壤中的腐蚀要更加严重[1-2]。球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，性能优异[3]；20钢的是指含碳量为0.2%的低碳钢[4]，这两种材质土壤腐蚀的研究较多[5-7]，但在矿区土壤中耐蚀性能如何具有研究的必要，对该地区地下构件的选材具有一定的参考价值。
本研究以常用的20号钢和铸铁为研究对象，研究其在东露天矿土壤中的腐蚀行为和规律。在抚顺东露天矿区土壤中进行埋片腐蚀和电化学实验。对比研究铸铁和20号钢在该土壤环境中的腐蚀行为，盼望明确铸铁和20号钢在矿质土壤中的腐蚀行为和规律。
2研究方法
2.1实验仪器与药品
器材：电化学测试设备 (PARSTAT 2273)，赛多利斯天平，佳能数码照相机，超声波清洗器、电吹风机，水磨砂纸，镊子，若干烧杯(250ml)，石墨电极，标准分样筛(0.4mm)，导线若干，医用胶带。
药品：饱和KCl溶液，HCl，六次甲基四胺，去离子水，环氧树脂，乙二胺。
2.2 埋片实验
埋片实验重要有四个环节：试样制备、配制土壤溶液、埋片两周、称量并计算腐蚀速率。
将实验室内的管型铸铁和20钢板按照需要的尺寸切割(25mm×50mm×2.5mm)成试样。对试样表面进行前清理，用100、200、500、800#砂纸依次打磨。除去试片表白铁锈及氧化膜，使试样露出金属光泽，打磨过后再用去离子水清洗。清洗后用吹风机烘干并记录每块试样的尺寸和重量。
将现场取来的土进行烘干，烘干后研磨，再用40目筛子筛土，使土壤成分粒径达成均匀。将筛好的土与水在烧杯中混合，配制成粘稠状饱和土壤溶液。
将20号钢试样和铸铁试样分别放在两个烧杯中的饱和土壤溶液中。试样在烧杯中腐蚀两周后取出，观测腐蚀形貌并用除锈液(500ml水、500mlHCl、3.5g六次甲基四胺)超声清洗试样3min，称量后计算腐蚀失重，计算腐蚀速率。
2.3 电化学实验
电化学实验重要三个环节：制作试样、配置土壤溶液和电化学腐蚀实验。
将PVC管子用锯条锯成15mm宽的小段，竖直放置在桌上用透明胶带固定好。把10mm× 10mm的20#钢和铸铁试样与电线钎焊到一起，再将试块分别放置在管子截面中心，用配制好的树脂溶液(环氧树脂与乙二胺的质量比为100:8)倒入管中，等待其冷却。通过12小时的冷却，将试样取下，完毕制备。其中方形金属为实验金属，如图2.1所示（该照片试样未经打磨）。

图2.1左侧为20号钢试样，右侧为铸铁试样
将烘干、研磨，筛好后的土壤在烧杯中与水混合，使溶液呈现粘稠状。完毕饱和溶液的制备。将试样、盐桥（其中是饱和的KCl溶液）、石墨电极用医用胶带固定在实验板上，然后轻放入配制好的饱和土壤溶液中。
电化学实验采用的PARSTAT2273电化学综合测试系统，采用三电极体系，以饱和甘汞电极作为参比电极，石墨作为对电极（尺寸为20×20mm2），试样作为工作电极。分别对20号钢和铸铁进行开路电位、阻抗谱测试、极化曲线测试。每个试样的浸泡实验周期为7天，浸泡1小时后开始测试开路电位，阻抗谱和极化曲线，而后每隔24小时进行阻抗谱测试，浸泡168小时后再做一次极化曲线。
3 结果与讨论
3.1 20号钢与铸铁埋片腐蚀结果与分析
3.1.1 埋片前后形貌观测
金属试样通过两周的腐蚀在形貌上发生明显变化。图3.1为20号钢和铸铁埋片实验前试样的形貌，图3.2为20号钢和铸铁通埋片两周后试样通过除锈液清洗后的形貌。通过对比图3.1和3.2可以看出在埋片实验前两金属试样表面充满金属光泽，表面也没有发生腐蚀和蚀坑。但通过两周的埋片腐蚀20号钢试样和铸铁试样表面不仅锈迹斑斑，失去了金属光泽，并且在表面尚有大量的腐蚀产物。20号钢表面为黑色和褐色锈斑；铸铁表面为黄褐色锈斑。由两种材质腐蚀前后的形貌发现在矿质土壤中铸铁和20号钢均发生明显腐蚀，对比发现20号钢腐蚀的更为严重，腐蚀产物更多。将20好钢试样和铸铁试样埋片腐蚀前后数据列于表3.1中。

图3.1 埋片实验前试样的形貌 左图为20号钢；右图为铸铁

图3.2 埋片两周后试样通过除锈液清洗后的形貌
左图为20号钢，右图为铸铁
3.1.2 腐蚀速率计算
将试样表面的腐蚀产物清除后，称量失重量。这样运用失重法计算腐蚀速率。结果见表3.1。通过计算可知，20号钢的腐蚀速率为铸铁的1.35倍，实验结果与形貌对比结果保持一致。
表3.1 20号钢试样和铸铁试样埋片失重及年腐蚀速率
试样
实验前重量g
实验后重量g
失重g
体积m²
腐蚀速率g/m²×h
年腐蚀率mm/a
20号钢
铸铁
27.5446
49.2640
27.5000
49.1958
0.0446
0.0682
0.02632745
0.00374144
0.0345
0.0255
0.0388
0.0287
3.2 20号钢与铸铁电化学实验结果与分析
3.2.1 电化学阻抗谱分析
对20号钢和铸铁在矿质地区土壤环境中进行电化学阻抗谱测试，连续七天的电化学阻抗图谱如图3.3所示。

图3.3 20号钢试样和铸铁浸泡7天电化学阻抗谱图
左图为20号钢 右图为铸铁
由图可见：两试样的阻抗谱均表现为单一的容抗弧。20号钢阻抗谱第一天弧半径最小，随浸泡时间延长，试样的容抗弧半径先增大后减小，其中第三天弧半径最大，此后弧逐渐开始减小，第六天，第七天弧半径又开始增大，呈现波动性变化。铸铁阻抗谱第一天弧半径最小，随浸泡时间延长，试样的容抗弧半径线性增大，直至第七天弧半径最大。
采用ZsimpWin软件采用R(QR)等效电路对上述电化学阻抗谱进行数据拟合，其中Rs为溶液电阻、Rct为电荷转移电阻，Q为常相位角元件，拟合后的Rct列入表3.2中。根据表3.2可知，20号钢的电荷转移电阻Rct的峰值在第三天为4381Ω·cm2,，而铸铁的电荷转移电阻Rct的峰值在第七天为108100Ω·cm2。铸铁的电化学阻抗谱拟合值Rct要远大于20号钢的电化学阻抗谱拟合值Rct。说明在矿质土壤环境中20号钢虽然形成锈层，但是该锈层不稳定极易发生溶解，并没有起到耐蚀作用。而铸铁试样在矿质土壤环境中电荷转移电阻不仅大且稳定增长，对基体起到较好的保护作用，耐蚀性很好。所以在矿质土壤环境中铸铁的耐蚀性要好于20号钢。
表3.2　20号钢试样和铸铁试样等效电路图解决出Rct数据 (Ω·cm2)

第一天
第二天
第三天
第四天
第五天
第六天
第七天
20号钢
铸铁
1832
1227
3643
2930
4381
6866
4226
30080
3612
46280
3815
84590
3935
108100
3.2.2 动电位极化曲线分析
本文使用动电位极化测试技术在矿质地区土壤环境中对20号钢试样和铸铁进行了耐蚀性能检测。20号钢试样和铸铁试样实验开始与结束两次的极化曲线如图3.4所示。

图3.4 20号钢试样浸泡1小时和浸泡7天的极化曲线
表3.3 20号钢试样和铸铁试样自腐蚀电位、自腐蚀电流密度和年腐蚀速率
参数
20号钢
铸铁
时间
ia(uA/cm²)
E(V)
年腐蚀率(mm/a)
1小时
4.883
-0.771
七天
4.101
-0.815
1小时
7.502
-0.773
七天
3.841
-0.814
0.0478
0.0450
对铸铁和20号钢前后两次极化曲线采用powersuit软件获得各曲线的自腐蚀电位及自腐蚀电流密度如表3.3所示，计算出的年腐蚀速率列于表3.3中。由图表可知，浸泡7天后20号钢和铸铁的自腐蚀电位下降，曲线下移，说明浸泡七天后材料发生腐蚀，浸泡168小时后20号钢的年腐蚀速率为0.0478 mm/a，铸铁的年腐蚀速率为0.0450 mm/a，相比而言铸铁更加耐蚀。
4结论
通过本次研究获得以下结论：
（1）通过埋片法实验，20号钢的年腐蚀速率为0.0388mm/a，铸铁的年腐蚀速率为0.0287mm/a，20号钢的腐蚀速率为铸铁的1.35倍，比较年腐蚀速率，可知在矿质土壤环境中，铸铁比20号钢更耐蚀。
（2）电化学实验表白，在矿质土壤中铸铁的电荷转移电阻很高，最大阻值达108100Ω·cm2，20号钢的电荷转移电阻较低，最大阻值为4381Ω·cm2，铸铁比20号钢更耐蚀。
参考文献
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[4] 张军, 徐海斌, 刘伟东. 20 #钢低倍组织控制措施[J]. 承钢技术, 2023, 6(1):8-12
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[7] 银耀德, 高英, 张水泉. 土壤中阴离子对20钢腐蚀的研究[J]. 腐蚀科学与防护技术, 1990, 2(2):22-24
corrosion behavior of cast and 20# steel in the saturated soil solution of Fushun east Open-pit mine
Abstract: 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(108100Ω·cm2) is higher than that of the 20# steel(4381Ω·cm2) in the mineral soil. The above results demostrate that the corrosion resistance of cast is better than 20# steel in the mineral soil.
Keywords: Mineral soil, Embedment Corrosion, Electrochemical test, Soil corrosion