1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第24 期2023,23(24):10245-07科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-10-27修订日期:2023-05-26基金项目:国家重点研发计划(2214TJ1002)第一作者:杜玮(1988),女,汉族,山西太原人,硕士,副研究员。研究方向:高铁材料腐蚀与防护。E-mail:R。引用格式:杜玮,伊钟毓,相若函.5%草酸介质中 5-氨基苯并咪唑对碳钢的缓蚀机理研究J.科学技术与工程,2023,23(24):10245-1025
2、1.Du Wei,Yi Zhongyu,Xiang Ruohan.Corrosion inhibition mechanism of 5-aminobenzimidazole in 5%oxalic acid solution on weathering steelJ.Science Technology and Engineering,2023,23(24):10245-10251.矿冶工程5%草酸介质中 5-氨基苯并咪唑对碳钢的缓蚀机理研究杜玮,伊钟毓,相若函(中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所,北京 100081)摘 要 铁路货运作为基础运输的重要方式,目前零部件清洗常用偏酸
3、性清洗剂除垢,易产生酸蚀,影响车辆运行安全。为提高货车零部件使用寿命,对货车零部件用钢进行了全面的腐蚀机理分析。通过腐蚀失重测试、电化学阻抗谱(electrochemi-cal impedance spectroscopy,EIS)实验、理论计算及分子动力学计算等方法,全面研究了货车零部件用碳钢(45#钢)在不同浓度5-氨基苯并咪唑 5%草酸溶液中的腐蚀行为。结果表明:5-氨基苯并咪唑浓度越高对 45#钢的保护作用越强。为减缓货车零部件腐蚀,可在清洗零部件时适度加入缓蚀剂,增加其缓蚀性能。关键词 45#钢;腐蚀机理;电化学;分子动力学计算中图法分类号 TG174.42;文献标志码 ACorro
4、sion Inhibition Mechanism of 5-aminobenzimidazole in5%Oxalic Acid Solution on Weathering SteelDU Wei,YI Zhong-yu,XIANG Ruo-han(Metals and Chemistry Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China)Abstract Railway freight as an important mode of basic tra
5、nsportation,parts cleaning agent is commonly used to remove scale,easy to produce acid corrosion,affect the safety of vehicle operation.In order to improve the service life of truck parts,the corrosionmechanism of steel used in truck parts was analyzed.The corrosion behavior of carbon steel(45#steel
6、)in 5%oxalic acid solutionwith different concentration of 5-aminobenzimidazole for truck parts was studied by means of corrosion weight loss test,electrochemicalimpedance spectroscopy(EIS)test,theoretical calculation and molecular dynamics calculation.The results show that the higher theconcentratio
7、n of 5-aminobenzimidazole,the stronger the protective effect on 45#steel is.In order to slow down the corrosion of truckparts,5-aminobenzimidazole can be properly added when cleaning parts to increase its corrosion inhibition performance.Keywords 45#steel;corrosion mechanism;electrochemistry;molecul
8、ar dynamics calculation 中国幅员辽阔,铁路货车覆盖面广,地理与气候条件落差极大。铁路货运作为基础运输的重要方式,目前零部件清洗常用偏酸性清洗剂除垢,易产生酸蚀,因此有效除污至关重要。为提高货车零部件使用寿命,同时保证铁路货运安全高效,有必要通过失重法、电化学方法等评价方法,对货车零部件用钢进行全面的腐蚀机理研究1-2。调研发现货车车底部零部件覆盖厚厚一层污垢,运用单位定期会对污垢较重的零部件进行拆卸清洗,使用偏酸性清洗剂除垢,会二次对零部件产生酸蚀。随机取样该清洗剂进行分析,发现溶液中含有较高浓度 Na+、Cl-、C2O2-4,故选择5%草酸溶液进行模拟腐蚀实验3。根据
9、文献4-6可知,很多缓蚀剂的缓蚀率大多不高于 80%,在此基础上选择缓蚀效果较好的5-氨基苯并咪唑作为缓蚀剂,利用电化学法、分子动力学计算等方法,研究腐蚀机理和缓蚀机理,为后续减缓货车零部件腐蚀提供理论指导。1 实验部分1.1 实验材料实验用金属材料为货车零部件材料(45#钢),取 10 mm 10 mm 大小的块体,测试面使用砂轮磨平,再用砂纸打磨到800#。使用真空直读光谱仪测量化学成分,如表 1 所示。投稿网址:电化学试样为 1 cm3,实验前,用砂纸(600-2000)研磨和抛光样品(除工作面外,其他部位均用环氧树脂固化密封),制作为电极,工作面积为1 cm2。扫描电镜试样的尺寸为 0
10、.5 cm 0.5 cm 0.2 cm。缓蚀剂 5-氨基苯并咪唑购自探索平台,纯度大于 99%。分子结构如图 1 所示。实验以 5%草酸溶液为腐蚀介质。在 1 L5%草酸溶液中加入不同质量的 5-氨基苯并咪唑(空白、0.01、0.1、1、3 mmol)作为腐蚀介质。表 1 45#钢材料的化学成分和标准成分Table 1 Chemical composition and standardcomposition of 45#steel测试成分质量分数/%测试成分质量分数/%Fe98.517 33V0.003 83C0.471 21Ti0.001 61Mn0.683 25Al0.024 91Si0.
11、219 77Zn0.001 82P0.019 71Co0.006 12S0.001 35Pb0.002 9Ni0.008 7B0.000 1Cr0.015 23Zr0.003 13Cu0.016 37Ca0.001 35图 1 5-氨基苯并咪唑化学结构Fig.1 Chemical structure of 5-aminobenzimidazole1.2 实验方法1.2.1 腐蚀失重用尺寸为50 mm(长)25 mm(宽)2 mm(高)的45#钢试片用于腐蚀失重测量。每次实验之前,用不同粒度的金相砂纸(800#-1500#)进行打磨抛光,直到表面显现光亮的金属光泽,蒸馏水清洗,在乙醇中超声,吹风
12、机干燥。准确称量试片备用。分别将钢片浸入 250mL 的空白溶液和不同浓度缓蚀剂的 5%草酸溶液中72 h,取出、洗涤、干燥并重新称量,记录结果。1.2.2 电化学实验电化学实验在 Gamry 600+仪器上进行,以45#钢为工作电极,铂电极为对电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,工作电极背面焊接铜导线并用环氧树脂封装。测试之前,要对试样工作面打磨,依次使用型号为180#、400#、800#、1000#的水砂纸,最后用金相砂纸抛光工作面,蒸馏水、乙醇一次清洗,吹风机吹干备用。将钢样在不同浓度缓蚀剂的 5%草酸溶液中浸泡 30 min,测量开路电位(OCP)。电化学阻抗谱(electroch
13、emical impedance spectroscopy,EIS)实验设置频率范围在 100 kHz 10 mHz 的频率范围内进行,交流正弦激励信号的幅值为10 mV。动电位极化曲线采用0.5 mV/s 的扫描速率,扫描范围为相对于开路电位-250 250 mV。根据极化曲线可通过式(1)计算缓蚀率。=i0-ii0 100%(1)式(1)中:为缓蚀率,%;i0为空白实验中电极的腐蚀电流密度,A/cm2;i 为缓蚀剂溶液中电极的腐蚀电流密度,A/cm2。1.3 表面分析采用捷克 Tescan MIRA LMS 型扫描电镜 SEM。在 298 K 下,扫描电镜测定 45#钢在 5%草酸溶液中加
14、入不同质量的 5-氨基苯并咪唑(空白、0.01、3 mmol)的腐蚀介质,浸泡 72 h 后的表面形貌。1.4 分子动力学计算采用分子动力学模拟方法模拟了 5-氨基苯并咪唑分子与 45#钢的吸附模型。在 COMPASS力场的作用下,模拟在控制周期边界条件为(20.2 16.0 68.8)的盒子中进行,每层包含 1 个 5-氨基苯并咪唑分子和 100 个水分子。同时,选取Fe(110)晶体面作为代。模拟条件为 NVT 集合,时间步长为 400 ps,得到缓蚀剂在 45#钢表面的吸附模型和吸附能并进行分析。2 结果与讨论2.1 腐蚀失重测试在25 下浸泡 72 h 后45#钢的腐蚀失重,研究了不同
15、浓度缓蚀剂在5%草酸溶液中对45#钢腐蚀的抑制作用。腐蚀速率(v)和缓蚀率()计算公式分别为v=W0-WSt(2)=v0-vv0100%(3)式中:W0和 W 分别为试样实验前后的质量,mg,W=W0-W 为实验前后质量差;S 为试样的表面,m2;t 为浸泡时,h;v0和 v 分别为未添加和添加缓蚀剂的溶液中铜的腐蚀速率,g/(m2 h)。测试结果如表2 所示。表2 列出不同浓度5-氨基苯并咪唑(C7H7N3)在 5%草酸溶液中 45#钢的腐蚀速率和缓蚀率。可以看出,C7H7N3缓蚀剂可以有效地阻止 45#钢试样在 5%草酸溶液中的腐蚀。对于浓度为 3 mmol 时缓蚀率大于 80%。2.2
16、电化学测试在 25 下,不同浓度的 C7H7N3在 5%草酸溶液中 45#钢的开路电位法(open circuit potential64201科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:method,OCP),如图 2 所示。可以看出,每个浓度下,OCP 的值都会有一段时间的波动,最后趋于稳定。这种行为变化可能是由于 C7H7N3分子在耐候钢样品表面的稳定吸附所致。随着 C7H7N3浓度的增加,OCP 值向正方向移动。45#钢在添加不同浓度 C7H7N3的 5%草酸的Nyquist 图和 Bode 图,如图 3 所示。不同 C7H7N3缓蚀剂添加量的 Nyquist 图,直径的增加表明在 5%草酸溶液中,缓蚀电位随着 C7H7N3的增加而增加,容抗弧半径越大,金属的腐蚀速率越小,即 C7H7N3浓度为 3 mmol 时缓蚀效果最好7。图 4 为拟合实验结果的等效电路,采用恒相元件(CPE1)代替容性件,拟合参数如表 3 所示。由极化曲线(图 5)得到的电化学参数如表 4 所示。相比于空白溶液,加入缓蚀剂