Corrosión del metal
Corrosión de metales
Cuando el material metálico entra en contacto con el medio circundante, el material se destruye debido a una acción química o electroquímica. La corrosión del metal es un proceso termodinámico espontáneo que convierte un metal de un estado de alta energía en un compuesto metálico de un estado de baja energía. Entre ellos, el fenómeno de la corrosión en la industria petrolera y petroquímica es más complicado, incluida la corrosión electroquímica de la salmuera, H2S y CO2.La naturaleza de la mayoría de los procesos de corrosión es electroquímica. Las propiedades eléctricas de la interfaz de solución de metal/electrolito (doble capa eléctrica) se utilizan ampliamente en estudios de mecanismos de corrosión, medición de corrosión y monitoreo de corrosión industrial. Los métodos electroquímicos comúnmente utilizados en la investigación de la corrosión de metales son: potencial de circuito abierto (OCP), curva de polarización (gráfico de Tafel), espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS).
1.Técnicas en el estudio de la Corrosión
1.1OCP
En un electrodo metálico aislado, una reacción anódica y una reacción catódica se realizan a la misma velocidad al mismo tiempo, lo que se denomina reacción de acoplamiento del electrodo. La reacción de acoplamiento mutuo se llama "reacción de conjugación" y el sistema completo se llama "sistema conjugado". En el sistema conjugado, las reacciones de los dos electrodos se interacoplan entre sí, y cuando los potenciales de los electrodos son iguales, los potenciales de los electrodos no varían con el tiempo. Este estado se denomina "estado estable" y el potencial correspondiente se denomina "potencial estable". En el sistema de corrosión, este potencial también se denomina “potencial de (auto)corrosión Ecorregir”, o “potencial de circuito abierto (OCP)”, y la densidad de corriente correspondiente se denomina “densidad de corriente de (auto)corrosión icorregir”. En términos generales, cuanto más positivo es el potencial del circuito abierto, más difícil es perder electrones y corroerse, lo que indica que la resistencia a la corrosión del material es mejor.La estación de trabajo electroquímica potenciostato/galvanostato CS se puede utilizar para monitorear el potencial del electrodo en tiempo real del material metálico en el sistema durante mucho tiempo. Una vez estabilizado el potencial, se puede obtener el potencial de circuito abierto del material.
1.2 Curva de polarización (gráfico de Tafel)
Generalmente, el fenómeno de que el potencial del electrodo se desvía del potencial de equilibrio cuando pasa una corriente se llama "polarización". En un sistema electroquímico, cuando ocurre la polarización, el cambio negativo del potencial del electrodo desde el potencial de equilibrio se llama "polarización catódica", y el cambio positivo del potencial del electrodo desde el potencial de equilibrio se llama "polarización anódica".Para expresar de forma completa e intuitiva el comportamiento de polarización de un proceso de electrodo, es necesario determinar experimentalmente el sobrepotencial o potencial del electrodo en función de la densidad de corriente, lo que se denomina "curva de polarización".el yocorregirdel material metálico se puede calcular basándose en la ecuación de Stern-Geary.
B es el coeficiente Stern-Geary del material, Rpages la resistencia a la polarización del metal.
Principio para obtener icorregirmediante el método de extrapolación de TafelEl software CS Studio más correcto puede ajustarse automáticamente a la curva de polarización. La pendiente de tafel en el segmento de ánodo y el segmento de cátodo, es decir, baybdose puede calcular.icorregirTambién se puede obtener. Basándonos en la ley de Faraday y combinándolo con el equivalente electroquímico del material, podemos convertirlo a velocidad de corrosión del metal (mm/a).
1.3 EIS
La tecnología de impedancia electroquímica, también conocida como impedancia de CA, mide el cambio de voltaje (o corriente) de un sistema electroquímico en función del tiempo controlando la corriente (o voltaje) del sistema electroquímico en función de la variación sinusoidal a lo largo del tiempo. Se mide la impedancia del sistema electroquímico y, además, se estudia el mecanismo de reacción del sistema (medio/película de recubrimiento/metal) y se analizan los parámetros electroquímicos del sistema de medición del accesorio.El espectro de impedancia es una curva extraída de los datos de impedancia medidos por un circuito de prueba a diferentes frecuencias, y el espectro de impedancia del proceso del electrodo se denomina espectro de impedancia electroquímica. Hay muchos tipos de espectro EIS, pero los más utilizados son el diagrama de Nyquist y el diagrama de Bode.
2.Ejemplo de experimento
Tomando como ejemplo un artículo publicado por un usuario que utiliza la estación de trabajo electroquímica CS350, se presenta una introducción concreta al método del sistema de medición de la corrosión del metal.El usuario estudió la resistencia a la corrosión del stent de aleación Ti-6Al-4V preparado mediante el método de forjado convencional (muestra n.° 1), el método de fusión por láser selectivo (muestra n.° 2) y el método de fusión por haz de electrones (muestra n.° 3). El stent se utiliza para implantación humana, por lo que el medio de corrosión es un fluido corporal simulado (SBF). La temperatura del sistema experimental también debe controlarse a 37 ℃.
Instrumento:Potenciostato/galvanostato CS350
Dispositivo experimental:Célula de corrosión plana con camisa CS936, horno de secado a temperatura constante
Medicamentos experimentales:Acetona, SBF, resina epoxi de curado a temperatura ambiente
Medio experimental:Fluido corporal simulado (SBF): NaCl-8.01, KCl-0.4, CaCl2-0,14 NaHCO3-0,35,KH2correos4-0,06, glucosa -0,34, la unidad es: g/L
Muestra (NOSOTROS)Stent de aleación Ti-6Al-4V 20×20×2 mm,El área de trabajo expuesta es de 10×10 mmEl área que no es de prueba se recubre/sella con resina epóxica de curado a temperatura ambiente.
Electrodo de referencia (RE):Electrodo de calomelanos saturados
Contraelectrodo (CE):Electrodo de conductividad CS910 Pt
La celda de corrosión plana con camisa
2.1 Pasos del experimento y configuración de parámetros
2.1.1 OCP
Antes de realizar la prueba. El electrodo de trabajo debe pulirse de grueso a fino (malla 360, malla 600, malla 800, malla 1000, malla 2000 en orden) hasta que la superficie quede lisa. Después de pulir, enjuáguelo con agua destilada y luego desengrase con acetona, póngalo en un horno de secado a temperatura constante y séquelo a 37 ℃ para su uso.Montar la muestra en la celda de corrosión, introducir el fluido corporal simulado en la celda de corrosión e insertar el electrodo de calomel saturado (SCE) con un puente salino en la celda de corrosión plana. Asegúrese de que la punta del capilar Luggin mire hacia la superficie del electrodo de trabajo. La temperatura se controla a 37 ℃ mediante circulación de agua.
Conecte los electrodos con el potenciostato por el cable de la celda.Experimento → polarización estable → OCP
OCP
Debe ingresar un nombre de archivo para los datos, establecer el tiempo total de la prueba e iniciar la prueba. El OCP del material metálico en la solución cambia lentamente y se necesita un período relativamente largo para mantenerse estable. Por lo tanto, se sugiere establecer un tiempo no inferior a 3000 s.
2.1.2 Curva de polarización
Experimento → polarización estable → potenciodinámica
exploración potenciodinámica
Establezca el potencial inicial, el potencial final y la velocidad de escaneo, seleccione el modo de salida de potencial como “vs. OCP”.Se puede marcar “Usar” para elegir el vértice E#1 y el vértice E#2. Si no se marca, el escaneo no pasará por el potencial correspondiente.Hay hasta 4 puntos de ajuste de potencial de polarización independientes. El escaneo comienza desde el potencial inicial, hasta el “vértice E#1” y el “vértice E#2”, y finalmente hasta el potencial final. Haga clic en la casilla de verificación "Activar" para activar o desactivar el "Potencial intermedio 1" y el "Potencial intermedio 2". Si la casilla de verificación no está seleccionada, el análisis no pasará este valor y establecerá el análisis potencial en el siguiente.Cabe señalar que la medición de la curva de polarización solo se puede realizar con la condición de que el OCP ya sea estable. Generalmente después de 10 minutos de silencio, abriremos la función estable de OCP haciendo clic en lo siguiente:
→
El software iniciará la prueba automáticamente después de que la fluctuación potencial sea inferior a 10 mV/min.En este ejemplo de experimento, el usuario configuró el potencial -0,5 ~ 1,5 V (frente a OCP)Puede configurar la condición para detener o revertir el escaneo. Se utiliza principalmente para medir el potencial de picaduras y medir la curva de pasivación.
2.2 Resultados
2.2.1 OCP
Mediante prueba de potencial en circuito abierto podemos obtener el potencial de corrosión libre.micorregir, a partir del cual podemos juzgar la resistencia a la corrosión del material metálico. En términos generales, cuanto más positivo sea elmicorregires decir, más fuerte se corroe el material.
1-OCP de stent de aleación Ti-6Al-4V preparado mediante método forjado convencional2- OCP de stent de aleación Ti-6Al-4V preparado mediante método de fusión selectiva por láser3- OCP de stent de aleación Ti-6Al-4V preparado mediante el método de fusión por haz de electrones
Del gráfico podemos concluir que la resistencia a la corrosión de las muestras n.° 1 y 2 es mejor que la del n.° 3.
2.2.2 Análisis del gráfico de Tafel (medición de la tasa de corrosión)
La polarización de este experimento es la siguiente:
Como se muestra, a partir del valor de la velocidad de corrosión calculado podemos obtener la misma conclusión que obtuvimos mediante la medición de OCP. La velocidad de corrosión se calcula mediante el gráfico de Tafel. Podemos ver que los valores de velocidad de corrosión cumplen con la conclusión que obtuvimos mediante el método OCP.Con base en el gráfico de Tafel, podemos obtener la densidad de corriente de corrosión.icorregirmediante la herramienta de ajuste de análisis integrada en nuestro software CS Studio. Luego, según otros parámetros, como el área del electrodo de trabajo, la densidad del material y el peso equivalente, se calcula la velocidad de corrosión.
Los pasos son:Importe el archivo de datos haciendo clic
Ajuste de datos
Haga clic en información de la celda. e introduzca el valor correspondiente.
Si ya configuró los parámetros en la configuración de la celda y el electrodo antes de realizar la prueba, entonces no necesita configurar la información de la celda. aquí otra vez.Haga clic en "Tafel" para el accesorio Tafel. Elija el ajuste automático de Tafel o el ajuste manual para los datos del segmento de ánodo/segmento de cátodo, luego se puede obtener la densidad de corriente de corrosión, el potencial de corrosión libre y la velocidad de corrosión. Puede arrastrar el resultado del ajuste al gráfico.
3. Medición EIS
Experimentos → Impedancia → EIS vs. Frecuencia
EIS versus frecuencia
Análisis DIA
La EIS de acero al carbono Q235 en una solución de NaCl al 3,5% es la siguiente:
Gráfico de impedancia de acero al carbono Q235 - Nyquist
El gráfico de Nyquist anterior se compone del arco de capacitancia (marcado con el marco azul) y la impedancia de Warburg (marcada con el marco rojo). En términos generales, cuanto mayor sea el arco de capacitancia, mejor será la resistencia a la corrosión del material.
Conexión de circuito equivalente para los resultados de la EIS de acero al carbono Q235
Los pasos son los siguientes:Dibuje el circuito equivalente del arco de capacitancia; utilice el modelo del "ajuste rápido" para obtener R1, C1, R2.Dibuje el circuito equivalente de la parte de impedancia de Warburg; utilice el modelo del "ajuste rápido" para obtener el valor específico de Ws.Arrastre los valores al circuito complejo → cambie el tipo de todos los elementos para que sean “Libre+” → haga clic en AjustarDe los resultados, vemos que el error es inferior al 5%, lo que indica que el circuito equivalente autodefinido que dibujamos está de acuerdo con el circuito de impedancia de la medición real. El gráfico de ajuste de Bode generalmente coincide con el gráfico original.
Bode: Gráfico de ajuste versus resultado de medición real