干湿周浸法及其在耐候钢研究中的应用

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.1991.05.015 第13卷第5(【)期 北京科技大学学报 Vol.13No.5(1) 1991 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1991 干湿周浸法及其在耐候钢研究中的应用 张蕙文·刘林·余宗森· 摘要：利用集成电路控制微电机实现了试样在指定时间里的干湿周浸。叙述了周浸仪 的线路设计，并用它测定了稀土含量对09 CuPTiRE钢耐大气腐蚀性能的影响。发现当稀土 含量达0,012%时，稀土能明显地改善钢的耐大气腐做性能。 关键词：稀土元素，耐候佩，干袒周浸法，大气腐蚀 Alternate Immersion Method and Its Application of Studying on the Weathering Steel Zhang Huiwen'Liu Lin·Yu Zongsen*· ABSTRACT:The alternate immersion following a prescribed cycle of samples was carried out by means of a micromotor controlled by integrated circuit,The design of this instrument was described and the effect of rare earths on the resistance to atmospheric corrosion of steel 09CuPTiRE was checked.It was shown that the rare earths in steel effectively enhance the resistanc to atmospheric corrosion when it's content in steel is above around 0.012%. KEY WORDS:rare earth,weathering steel,alternate immersion method atmosphenc corrosion 金属大气腐蚀的电化学特性与电解质溶液中的电化学腐蚀有所不同，它是在<400m的 电解质薄膜下进行的，有着特殊的供氧条件，腐蚀产物层对抗蚀性也起着重要的作用：1·2)。因 此，在电解质溶液中测定的金属耐蚀性有时不能确切地反映其耐大气腐蚀性能。Pourbaix3) 1990-12-22收稿 "表面科学与腐蚀工程系(Department of Surface and Corrosion) "材料物理系(Department of Materials Physics) 488

第 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 。 。 与 ，马 年 。 月 ， ， 干湿周浸法及其在耐候钢研究中的应用 张蕙文 ’ 刘 林 ‘ 余宗森 ‘ ’ 摘 要 利 用集成电路控制微 电机 实现了试样在指定时间里的干涅周浸 。 叙 迷 了周浸仪 的线路 设计 ， 并 用它侧定 了稀土含量对 钢耐大气腐蚀性能的影响 。 发现当稀土 含量达。 。 时 ， 稀土能明显地改 善钢的耐大气腐蚀性能 。 关健词 稀土元 素 ， 耐候 钢 ， 干湿周浸法 ， 大气腐蚀 夕 切 ， 拄 夕 二 。 。 ’ 。 。 。 五 ， ， 月‘ 金属 大气腐蚀的 电化学特性与 电解质溶液 中的 电化学腐蚀有所不 同 ， 它是在 卜 的 电解 质薄膜下 进行的 ， 有着特殊的供氧条件 ， 腐蚀产物层对抗蚀性也起着重要 的作用 ‘ 川 ’ 。 因 此 ， 在 电解 质溶液 中测定的金属耐蚀性有 时不能确切地反映 其耐大气腐蚀性能 。 〔 ， ，， 一 一 收稿 · 表面科学 与腐蚀工程 系 二 材料物理 系 吕 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．05．015

首先提出用干湿周浸法来研究金属的大气腐蚀。他将金属试样悬挂在一根匀速运动的旋转杆 上，旋转杆的半长大于试样与电解质溶液表面的距离，因而试样在旋转过程中一部分时间处 于溶液上方（千期），另一部分时间浸泡于溶液中（湿期）。这样就实现了试样处于干湿交 替出现的状态，更好地模拟金属在大气下雨淋日晒的真实条件，并可在湿期对试样进行电化 学测量。Pourbaix装置的缺点是体积较大，干湿期比例调节不灵活。为此，本文将试样的运 动形式由旋转改成上下直线运动，用控制电路控制微型电动机使之在一定时间正转或反转， 从而达到控制一定干湿期比例的目的。 利用干湿周浸仪研究了稀土对09 CuPTiRE钢耐大气腐蚀性能的影响，并得到了较好的 效果。 1干湿周浸仪的控制线路 干湿周浸仪的整个控制线路由电源电路、分脉冲电路和计时电路组成。其中电源电路是 一个普通的稳压电源电路，用来供给各集成块的电源。分脉冲电路由74LS04集成块与电 阻、电容构成一个脉冲振荡器，从其第八脚输出脉冲方波讯号并依次输人到74LS90,74LS92 中，使高频信号变成低频信号。如74LS04输出50Hz的信号，则它们输出的信号依次为5Hz, 1Hz,1/10Hz,1/60Hz,即最后得到周期为60s的方波脉冲。 计时电路有干期和湿期两个计时电路，进行干期和湿期计时。计时是受控制的。脉冲电 路的信号先输给74LS02,开始时信号不能通过，只有当74LS02的B端输入正脉冲时才能通 过，即74LS02起着一个开关的作用。当74LS02导通后，脉冲信号由E端输入74LS90并进行计 数，计数的多少可用BCD码拨盘开关调节，计数值为0~99。当计数到规定数值后，两个 BCD码拨盘开关就输出一个负脉冲。负脉冲一部分输给74LS02使其关闭，停止计数，另一 部分输人到74LS74中，使其Q端电位由开始的低电位变为高电位。由于高电位加在晶体三极 管3DG12C的eb两极间，产生电流I,则在ec间有大电流BI,(B≈60)通过，故三极管可使继 电器开动，从而使微电机转动。如果此时千簧管被磁铁吸合，74LS123就能输出一个脉冲至 74LS74使其Q端由高电位变成低电位，它使继电器关闭，微电机停止转动。同时又由D端输 -350 Micromotor Control -450 circuit Upper reed switch Lamp Low reed switch -550 Sample -650L Electrolytic 81012141618 solution t,' 图1周浸仪的示意图 图2A3和08CuP钢的电位-时间关系曲线 Fig.1 Schematic diagram of alternatc Fig.2 Potential-time curver of A3 and 08Cup immersion instrument steel 489

首先提 出用干湿周浸法来研 究金 属的大 气腐蚀 。 他将金属试 样悬挂 在一根 匀速 运 动的旋转 杆 上 ， 旋转杆的半长大于试 样与电解质 溶液表面 的距 离 ， 因而试样在旋转过程 中一部分时间处 于溶液 上方 千期 ， 另一部分 时 间浸饱 于 溶液 中 湿期 。 这样就实现 了试样处于干湿交 替 出现 的状态 ， 更 好地模拟金属 在大气下 雨淋 日晒 的真实条 件 ， 并 可在湿期对 试样进行电化 学测量 。 装 置 的缺点是 体积较 大 ， 干湿期 比例调节不灵活 。 为此 ， 本文将 试样的运 动形 式由旋转改成上下直线运动 ， 用控 制电路控制微型 电动机使之 在一定时间正转或反转 ， 从而 达 到控制一定干湿期 比例的 目的 。 利 用干湿周浸仪研 究了稀土对 。 钢耐大 气腐蚀性能 的影响 ， 并得 到了较好的 效果 。 干湿周浸仪的控 制线路 干湿周浸仪 的整个控制线路 由电源 电路 、 分脉 冲电路和 计时电路组 成 。 其 中电源 电路是 一个普通 的稳 压 电源 电路 ， 用来 供给各集成块 的电源 。 分脉 冲电路 由 集 成 块 与 电 阻 、 电容构成一个脉 冲振荡器 ， 从 其第八脚输 出脉 冲方波 讯号 并依次输 人 到 。 ， 中 ， 使高频信号 变成低频信号 。 如 输 出 的信号 ， 则它 们输 出 的信号依次 为 ， ， 八 ， ， 即最后得 到周期 为 的方波脉 冲 。 计时电路有千期和湿 期两个计时电 路 ， 进 行干期 和 湿期 计时 。 计时是 受控 制 的 。 脉 冲电 路的信号 先输给 ， 开始时信号 不能通 过 ， 只有当 的 端输入正脉 冲时才能通 过 ， 即 起着 一个开关 的 作用 。 当 导通后 ， 脉 冲信号 由 端输人 。 并进 行计 数 ， 计数的多少 可 用 码 拨盘开 关 调节 ， 计数值 为 。 一 。 当 计数到 规定数值后 ， 两 个 码拨盘开关就输 出一 个负脉 冲 。 负脉 冲一部 分输 给 使 其关 闭 ， 停止计数 ， 另一 部分输入到 中 ， 使其 端 电位 由开始 的低 电位变 为高 电位 。 由于高 电位加在晶体三极 管 的 两极间 ， 产生电流 、 ， 则在 间有大电流 夕 、 刀、 通过 ， 故三极管可使继 电器开动 ， 从而使微电机转动 。 如 果此 时干簧管被磁铁吸合 ， 狱能输出一个脉 冲至 使其 端 由高 电位变成低 电位 ， 它 使继电器关 闭 ， 微 电机 停 止转动 。 同时又 由 端输 洲 一 多多 多势叭 材 一 斗 口 七 二 、 嘴句二、 沪 万六 不犷 书傀 台了 今 ‘ 曰月门︺ 刁 一勺 刁 国 睁护 夺 图 周浸仪的示 意图 。 五 奥乓 负 图 和 钢 的 电位 一 时 间关 系曲 线 一

出一个脉冲信号。 图1给出了周浸仪的示意图。当控制回路通电后，设千期电路开始计数，到达指定时间 后干期电路使继电器通电并使微电机正转，试样下降至完全浸泡于溶液中。此时，磁铁吸合 下限千簧管，使千期电路D端输出一个脉冲，同时停止向继电器供电并使微电机停转。由于 干期电路的D端与湿期电路的B端连接，所以D端的脉冲输入湿期电路，使湿期电路的74LS02 导通，并开始计数。当计数到指定的时间后，继电器通电并使微电机反转带动试样上升。当 试样提升到一定高度时，磁铁吸合上限干簧管，湿期电路停止对继电器供电，微电机停转。同 时湿期电路D端输出的脉冲信号又使干期电路开始计数。如此反复进行下去，实现干湿周浸。 周浸仪中还安装了灯泡，它与控制线路连接。当干期试样停留在溶液上方时，灯泡通 路，用它来调节干期试样的温度，以模拟金属在阳光下的曝晒。 了稀土对09CuPT:RE钢耐大气腐蚀性能的影响 3.1用周浸仪测定钢的耐大气腐蚀性能 为了证明周浸仪对钢材耐大气腐蚀性能测试的适用性，测定了A3和耐大气腐蚀钢08CP 两个钢种在周浸过程中腐蚀电位与时间的关系。实验中采用0.05mol/1NazS0,溶液，以模 拟工业大气下的腐蚀情况。千期为40min,湿期为20min。实验结果如图2所示。由图中曲 线可以看出08CúP钢有着较正的腐蚀电位，即它的耐大气腐蚀性能优于A3钢。 鞍钢曾对此两钢种做了车箱顶动态挂片暴露试验(4)，其结果列于表1。可以看出08C:P 的腐蚀速度小于A3钢，这一结果与上述周浸法所得结果一致。 表1车箱顶暴露试验结果 Table 1 Results of outdoor exposure test on top of carriage 京 线 京乌线 钢种 腐蚀速度(mm·a1) 挂片时间(moath) 腐蚀速度(mma1) 挂片时间(month) 08CuP 0.05395 6,8 0.07368 6.5 A3 0.10258 6.8 0.11063 6.5 3.2D9 CuPTiRE钢的电位一时间曲线测定 在28kg感应炉内冶炼09 CuPTiRE钢。为了研究稀土含量对此钢耐大气腐蚀性能的影 响，首先炼出不含稀土的09CPTi钢，即在未加稀土前倒出6~7kg钢水浇铸成钢锭。然后 表209 CuPTiRE钢的化学组成 Table 2 Chemical composition of 09CuPTiRE 样号 Si Mn P Ti Cu RE 09-1 0,12 0.10 0.34 0.11 0.16 <0.01 0.29 0 09-2 0.005 09-3 0.004 09-4 0.012 490

出一个脉 冲信号 。 图 给 出 了周浸仪 的示意图 。 当控制回路通电后 ， 设 千期 电路开始计数 ， 到达指定 时 间 后干期 电路使继电器通 电并使微电机 正转 ， 试样下降至完全 浸泡 于 溶液 中 。 此时 ， 磁铁吸合 下限干簧管 ， 使千期 电路 端输 出一个脉 冲 ， 同时停止向继电器供 电并使微电机停转 。 由于 千期电路 的 端与湿期电路 的 端连接 ， 所以 端的脉 冲输人湿期电路 ， 使湿期 电路 的 此 导通 ， 一 并开始计数 。 当 计数到指定 的时间后 ， 继电器通 电并使微电机反转带动试样上升 。 当 试样提升到一定高 度时 ， 磁铁吸合上限干簧管 ， 湿期电路停止对 继电器供 电 ， 微电机停转 。 同 时湿期电 路 端输 出的脉 冲信号 又使千期 电路开始计数 。 如此反复进行下去 ， 实现干湿周浸 。 周浸仪 中还安装了灯抱 ， 它与控制线路连 接 。 当 干期试样停留在溶液上方 时 ， 灯 饱 通 路 ， 用它来调节干期试样的温 度 ， 以模拟金属在阳光下 的曝晒 。 稀土对 钢耐大气腐蚀性能的影响 。 用 周 浸 仪 浦定钢的耐 大气 腐蚀性能 为了证明 周浸仪对钢材耐大气腐蚀性能测试的适 用性 ， 测定了 和耐大气腐蚀钢 两个钢种在周浸过程中腐蚀电位与时间的关 系 。 实验 中采用 溶液 ， 以模 拟工业大气下 的腐蚀情况 。 干 期 为 ， 湿期 为 。 实验结 果如 图 所示 。 由图 中曲 线 可以看 出。 钢有着较 正的 腐蚀电位 ， 即它 的耐大气腐蚀性能优于 钢 。 鞍 钢 曾对此 两钢种做 了车箱顶动 态挂片暴露试验 “ ， ， 其结果列于表 。 可 以看 出 的腐蚀速 度小于 钢 ， 这一结果与上述周浸法所得 结果一致 。 表 车箱顶撰尽试验结 果 京 广 线 京 乌 线 钢种 － 一 、 － 腐蚀速度 · 一 王 挂 片时间 腐蚀速度 一 挂 片时 间 。 召︸六的 亡﹄ 。 。 。 。 丁 钢的 电位一 时 间曲线测 定 在 感应炉 内冶 炼 钢 。 为了研究稀土含量对此 钢耐大气腐蚀性能 的 影 响 ， 首 先炼 出不含稀土的 钢 ， 即 在未加稀 土前倒 出 钢水浇铸成钢锭 。 然后 表 钢的 化 学组成 样 号 一 。 。 。 。 。 。 一 一 一 一 一 一 一 一 。 一 一 叮 一 一 一 一 一 。 一 一 一 一 一 一 一 一

向剩余的钢水中加人部分混合稀土，再浇铸一个6~7Kg钢锭。再向剩余的钢水中加稀土并 铸锭。如此得到4个不同稀土含量的钢锭。表2列出4个钢锭化学分析结果。钢锭在1100℃ 锻压，并在960℃轧制成3mm厚的扁带，然后 Lead wire 将扁带在1050℃下固溶处理并沿轧制方向切割 Epoxy resin 成图3所示尺寸的试样。 Plastic tube 将试样用砂纸打磨至500*并妥善地与导线 焊接，精确测量出10cm2的工作表面，其余部 分用环氧树脂密封于塑料管内。用无水乙醇清 洗工作表面后，将试样装入周浸仪。 电位测试时腐蚀介质为5×10~4mo1/1的 —25 NaHSO4。试验过程中为了保证充分供氧，连续 向溶液通入压缩空气，并且每天更换一次溶液 图3试验样品 使其成分维持不变，溶液温度控制在28℃。 Fig.3 Test specimen 实验中千期时间控制为40min,湿期时间为20min。当试样处于干期时，依靠灯泡加热试 样，将温度控制在60℃。每天测试一定电位，连续测定26天。所得电位一时间曲线示于图 4。 i00 009--1 e09- 0 -09-- 009-4 -100 -200 -300 -400 -500 0 4 68101214161820222426 t/d 图4O9 CuPTiRE的电位-时间曲线 Fig.4 Potential-time curves of 09CuPTiRE 从图4中曲线可以看出，09一1、2、3、4的4条曲线的起始电位均处在-470~-480mV之 间，这表明09 CuPTi中稀土含量在0%~0.012%时，起始电极电位没有多大差异。从周浸 的第2天开始，电位明显升高，表明试样表面已形成一层腐蚀产物膜，它促使电位正移。一 直到周浸的第18天，4条曲线基本上是交错的或是相距不远，随后09-4曲线逐步上升，其余 3条曲线仍在同一水平位置附近上下波动。这一现象表明，：09一1、2、3这8种试样表面的腐 蚀产物层只能维持较小的厚度，即在周浸过程中不断产生也不断溶解，而09-14试样表面的 腐蚀产生层在第26天的周浸时间里是不断增厚的，从而电位连续正移，最大正移量可达 491

向乘 余的钢 水 中加人部分混合稀土 ， 再浇铸 一个 一 钢锭 。 再向剩余 的钢水 中加稀 土 并 铸 锭 。 如此 得 到 个不 同 稀 土含量 的钢锭 。 表 列 出 个钢锭 化学分析结 果 。 钢锭 在 。 。 ℃ 锻压 ， 并在 ℃ 轧 制 成 厚的 扁带 ， 然后 将 扁带在 ℃ 下 固溶处理 并沿轧制方向切割 成 图 所示尺 寸 的试 样 。 将 试样用砂纸打磨至 并妥善地与 导线 焊接 ， 精确测量 出 “ 的工作表面 ， 其余部 分 用环氧树脂密封于 塑料 管 内 。 用无水乙 醇 清 洗工作 表面后 ， 将试 样装人周 浸仪 。 电位测试 时腐蚀介 质 为 ’ 了 的 。 试验过程 中为了保 证充分供氧 ， 连续 向溶液通入压缩空气 ， 并且每天更 换一次 溶液 使其成分维持 不变 ， 溶液温 度控 制 在 ℃ 。 实验 中干期 时间控制为 ， 湿 期时间 为 二 。 训 食 溥 只 图 试验样品 当试 样处于干期 时 ， 依靠 灯抱加热试 样 ， 将温 度控 制在 ℃ 。 每天测试一定电位 ， 连 续测定 天 。 所得电位一时间 曲线示于 图 。 一 而 一 ， 斗 砂月、 夺 ， 灿 氏 · 图 的 电位 一 时 间曲线 一 皿 ︸归一 ，‘飞︸冲人， 口 户闷三、 从 图 中曲线可 以看 出 ， 一 、 、 、 的 条曲线 的起始电位均处在 一 一 之 间 ， 这表明 中稀土含量 在 。 一 。 。 时 ， 起始 电极 电位没 有多大差 异 。 从周浸 的第 天开始 ， 电位 明显升高 ， 表明 试 样表面 已形成一层腐蚀产物膜 ， 它促使电位正移 。 一 直 到周浸 的第 天 ， 条 曲线基本上是交错的 或是相距不远 ， 随后 泣 曲线逐步上升 ， 其余 条曲线仍在 同一水 平位置附近上下波 动 。 这一现象表 明 ， 一 、 、 这 种试 样表面的腐 蚀 产物层只能维持较 小 的厚 度 ， 即在周浸过程 中不断 产生也不断 溶解 ， 而 一 试样表面 的 腐蚀产生层在第 天 的周浸 时 间里是 不断增厚 的 ， 从而 电位连 续 正 移 ， 最 大 正 移 量 可达

520mV,很好地起到了保护作用。为此，可以得出这样的结论：09 CuPTiRE钢中稀土含量 只有达到大约0.012%时才对耐大气腐蚀性能有明显改善，而稀土含量在0.005%左右时其作 用是不明显的。 4结 论 (1)用集成电路一微电机组成的周浸仪能灵活控制干湿期时间，可以有效地用于大气腐 蚀的周浸试验。 (2)当09 CuPTiRE钢中稀土含量达0.012%时能明显改善其耐大气腐蚀性能。 参考文献 1 Evans U R.Corrosion Science,1972,(12):227 2 Rozenfeld J L.Atmospheric Corrosion of Metals,NACE.1972 3 Pourbaix M,Atmospheric Corrosion,1983,2:167 4 鞍钢资料室.08CuP耐大气腐蚀扁豆型花纹板的研制报告，1985：5 旋转机械在线监测系统 旋转机械在线监测系统的主要任务是对大型旋转机械，如汽轮机、压缩机、风机等，进 行在线连续监测诊断，以便早期发现设备故障，对避免事故，保证正常生产具有重要的意义， 并且为维修计划的制订提供了可靠的依据。 本系统由传感器、前处理硬件和显示仪表及一台APPLE~I型计算机组成。系统可对转 子的径向振动、轴向位移、绝对振动，轴瓦或润滑油温等进行连续监测显示。所测取的信号 经A/D采样转换后进入计算机进行分析和保存。计算机对各测点的信号进行巡回监测并计算 出统计分析结果。当发现监测量中有些监测结果超过所规定的指标时立即给出警告或报警信 号，提请设备操作人员给予关注或及时处理。计算机配有丰富的专用分析软件，用来完成信 号显示、谱分析和监测，轴心轨迹分析和监测，趋势分析、数据和分析结果的长期存贮、数 字量和图形的显示及打印输出等，为故障诊断提供了基本手段和大量的历史资料。本系统带 有自动启动电路，实现了无人看守的全自动连续运行。 492

能 ， 很 好地起到了保护作用 。 为此 ， 可 以得出这 样的结论 。 钢 中稀土含量 只有达到大约 。 写时才对耐大气腐蚀性能 有明显改善 ， 而 稀土含量在 左右时其作 用是不明显 的 。 结 论 用集成电路一微电机组成 的周浸仪能灵活控 制干湿期 时 间 ， 可 以有效地 用于大气腐 蚀 的周 浸试 验 。 彗 钢中稀土含量达。 。 时能 明显改善其耐大气腐蚀性能 。 参 考 文 献 。 ， ， 。 ， ， ， 鞍 钢资料 室 耐 大气 腐蚀扁豆型花 纹板 的研制报告 ， 旋转机械在线监测系统 旋转机械 在线监测 系统 的主 要任 务是对 大型旋转机械 ， 如汽 轮机 、 压缩机 、 风机等 ， 进 行在线连续监测 诊断 ， 以便早期发现设备故障 ， 对避免事故 ， 保证正 常生产具有重要的意义 ， 并且为维修计划的制订提供 了可靠的 依据 。 本 系统 由传感器 、 前处 理硬 件和 显示仪 表及一 台 一 型计算机组成 。 系统 可对转 子 的径 向振 动 、 轴 向位移 、 绝对振 动 ， 轴瓦 或润滑油温等 进行连续监测 显示 。 所侧取的信号 经 采 样转换后进人计算机 进行分析和 保存 。 计算机对各测 点 的信号进行巡 回监测 并计算 出统 计分 析结果 。 当发现监测量 中有些监测结果 超过所规定的指标时立即给出警告或报警信 号 ， 提 请设 备操作人 员给予关注或及 时处理 。 计算机配有丰富的专 用分 析软件 ， 用来 完成信 号显示 、 谱分析和监测 ， 轴 心轨迹分 析和监测 ， 趋势分析 、 数据和分 析结果的长期存贮 、 数 龟 字量 ‘ 和图形 的显示及打印输 出等 ， 为故障诊 断提供 了基本手 段和 大量 的历史资料 。 本 系统带 有 自动 启动 电路 ， 实现了无人看 守的全 自动连续运行