葡萄糖酸钠及其复配物对异种焊接的缓蚀性能研究

陈 亮，姜爱华，丁 毅，马立群

(南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210009)

引 言

随着科学技术的发展，为了得到材料性能的某种特殊的结合和节省昂贵或稀缺材料的需要，在很多的应用领域已经使用了异种金属焊接技术［1］。20钢具有良好地机械性能、加工性能和焊接性能，广泛用于构件、钢板和管道等［2］。304不锈钢是应用最广泛的一种耐蚀合金，具有良好的耐蚀性能、耐热性能、机械性能、加工性能和焊接性能，广泛用于石油化工、冶金机械等［3］。碳钢和不锈钢的异种焊接既能充分发挥钢的耐蚀性、耐氧化等优良性能，也能够利用碳钢的力学性能并可以降低成本，因此被广泛使用在船舶、化工、核能等领域［4］。然而，由于是异种金属的焊接，在腐蚀性介质中不可避免的发生电偶腐蚀，故需对其进行腐蚀防护［5］。本文主要采用缓蚀剂的方法来防护，通过葡萄糖酸钠及其复配物研究碳钢不锈钢焊接试样的缓蚀性能，从而确定最佳缓蚀配方。

1 实验

1.1 实验材料

实验材料为20钢和304不锈钢片，试样尺寸均为50mm×25mm×2mm。对其进行对焊，填充焊丝选择综合性能较好的ER309L氩弧焊丝，采用钨极氩弧焊的方法(TIG焊)，保护气体为氩气，流量为12～15L/min，焊接电压为60V，焊接电流为60A，焊接速度为8～10cm/min。对焊后的焊接试样尺寸为100mm×25mm×2mm。试样见图1，实验材料的化学成分见表1。

图1 焊接试样照片

表1 实验材料化学成分(%)

1.2 实验方法

1.2.1 缓蚀剂和酸洗溶液

1)缓蚀剂。单组分缓蚀剂葡萄糖酸钠与四硼酸钠分别用去离子水配制;复配缓蚀剂葡萄糖酸钠与四硼酸钠按一定的比例用去离子水配制。

缓蚀剂总质量浓度为450mg/L不变，按照ρ(葡萄糖酸钠)∶ρ(四硼酸钠)分别为0∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶0 进行配制各种缓蚀剂进行缓蚀性能测试，不加缓蚀剂作为空白对照。

2)酸洗溶液。量取50mL浓盐酸溶于去离子水中并稀释至500mL，加入少许乌洛托品，用玻璃棒搅拌至完全溶解均匀。

1.2.2 缓蚀性能实验

本实验采用浸泡试验和电化学试验来检测碳钢不锈钢焊接试样在3.5%氯化钠溶液中添加不同配比缓蚀剂的缓蚀性能。

浸泡试验。将对焊后的试样放入3.5%NaCl溶液中，θ为25℃，浸泡t为7d。具体步骤如下:试样水洗→超声波除油→水洗→干燥→实验前称质量→浸泡→水洗→酸洗→水洗→干燥→试验后称质量。测定试样在3.5%NaCl溶液中的腐蚀速率。

腐蚀速率按式(1)计算:

式中，v为腐蚀速率，mg/(cm2·d);m0为试验前试样质量，mg;m1为试验后试片质量，mg;S为试样总面积，cm2;t为试验时间，d。

缓蚀效率按式(2)计算:

式中，η为缓蚀效率，%;v1、v0分别为有、无缓蚀剂条件下的腐蚀速率，mg/(cm2·d)。

电化学试验。试验 θ为25℃，试验溶液为3.5%NaCl溶液。在图1中所示的碳钢母材区、碳钢热影响区、焊缝区、不锈钢热影响区、不锈钢母材区分别取正方形试样作为电化学试验所用的工作电极。使用CHI 660D电化学综合测试仪，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂金电极，将试样即工作电极放入溶液中静置1h，先测其自腐蚀电位，再从自腐蚀电位－200mV处开始对试样进行极化曲线测试，直至自腐蚀电位200mV处停止，扫描速度为1mV/s。

2 结果与讨论

2.1 浸泡实验

本实验采用缓蚀剂总质量浓度为450mg/L不变，按照 ρ(葡萄糖酸钠)∶ρ(四硼酸钠)分别为 0∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶0 配制各种缓蚀剂，加入到3.5%NaCl溶液中进行浸泡试验，以不加缓蚀剂的作为空白对照。表2为葡萄糖酸钠和四硼酸钠复配的溶液缓蚀性能。

表2 葡萄糖酸钠和四硼酸钠复配溶液缓蚀性能

从表2中可以看出，单组分的葡萄糖酸钠和单组分的四硼酸钠对碳钢不锈钢焊接试样都具有一定的缓蚀性能，且同浓度的葡萄糖酸钠的缓蚀性能高于四硼酸钠。缓蚀剂总的浓度不变，当加入的葡萄糖酸钠和四硼酸钠的比值是1∶4时，缓蚀效率达到最高为86.04%，为本实验最佳配比。另外，从表2中也可以看出，复配后的缓蚀剂的缓蚀效率并不都是大于单组分的缓蚀剂的。

浸泡7d后，将试样取出观察其表面可以看出，1号试验样碳钢部位表面有一层黄色浮锈，可以很容易的用水洗去;2号试验样碳钢部位表面呈黑色，为葡萄糖酸钠与铁离子形成的螯合物成膜在碳钢表面;3～9号试验样碳钢部位表面随着四硼酸钠的增加而由黑色为主转为黄色为主;10号试验样表面呈黑黄色，为四硼酸钠与铁离子的产物成膜在碳钢表面上。1～10号试验样不锈钢部位表面与浸泡前相比均没有发生明显变化。

2.2 电化学测试

从3.5%NaCl溶液浸泡试验可知，碳钢不锈钢焊接试样在添加最佳配比缓蚀剂后的溶液中的耐蚀性能比未添加缓蚀剂的得到了明显地提高。为进一步确定该结论，研究了在溶液中未添加缓蚀剂和添加最佳配比的缓蚀剂后焊接试样的电化学性能。

图2 为焊接试样不同部位(碳钢母材、碳钢热影响区、焊缝、不锈钢热影响区及不锈钢母材)在3.5%NaCl溶液中的极化曲线，表3列出了从极化曲线中得到的电化学参数值。

图2 焊接试样的极化曲线

表3 焊接试样在3.5%NaCl溶液中的电化学参数

结合图2和表3可以看出，加入最佳配比的缓蚀剂后，焊接试样各部位的自腐蚀电流都明显降低，说明其腐蚀速率明显减小;自腐蚀电位向正方向移动，说明该复配缓蚀剂主要是控制电化学反应阳极过程的缓蚀剂。另外，从未加缓蚀剂和已加缓蚀剂的自腐蚀电流的减小量可以看出，该复配缓蚀剂对碳钢部位的缓蚀作用最大。

3 结论

1)本文主要研究环保型缓蚀剂葡萄糖酸钠和四硼酸钠复配对碳钢不锈钢焊接试样的缓蚀性能，其最佳配方为:90mg/L葡萄糖酸钠、360mg/L四硼酸钠，缓蚀效率达到最高为86.04%，复配缓蚀剂主要是控制电化学反应阳极过程的缓蚀剂。

2)葡萄糖酸钠和四硼酸钠对碳钢不锈钢焊接试样都具有一定的缓蚀性能，且同质量浓度的葡萄糖酸钠的缓蚀性能高于四硼酸钠。

［1］Ravent P，Lankshminarayanan P R，Balasubramanian V.Optimization of Friction Welding Process Parameters for Joining Carbon Steel and Stainless Steel［J］.Journal of I-ron and Steel Research，International，2012，19(1):66-71.

［2］潘正军.20碳钢与316L不锈钢异种钢的焊接［J］.广州造船，2005，(3):26-29.

［3］张晶莹.304奥氏体不锈钢晶间腐蚀的研究及防护［J］.装备制造技术，2012，(2):154-156.

［4］赵东升，刘玉君，孙敏科，等.碳钢与304不锈钢焊接残余应力的计算［J］.焊接学报，2012，33(1):93-95.

［5］王志龙，陈武，舒福昌，等.文昌油田套管钢电偶腐蚀与缓蚀剂研究［J］.油田化学，2004，21(2):195-198.