彭景 任忠飞 奚嘉琛 宋明 李希娇 堵锡华

摘要：文章旨在利用线性扫描、Tafel、恒电位等电化学方法研究不同pH对HS221黄铜在NaCl溶液中阳极溶解过程的影响。在总结了前人研究的基础上，主要探讨了不同浓度、pH以及扫速等因素对HS221黄铜在NaCl溶液中阳极溶解过程的影响。并利用光学显微镜表征了电极表面结构。结果表明，扫速越大电极的氧化峰电流增加越明显，溶液酸度越大越促进HS221黄铜阳极溶解。

关键词：HS221黄铜；氯化钠；pH；阳极溶解

1 HS221黄铜用途概述

HS221黄铜常常作为一种广泛应用于机械、汽车制造、海洋开发等工业领域的换热器铜基焊料。其主要化学成分为Cu，Zn，也含有少量Si。黄铜具有良好的强度、机械加工性能、导电性、导热性、耐腐蚀等特点常常作为海水中的耐蚀材料被广泛用于海水中。

随着科技迅猛发展，金属材料的腐蚀问题遍及国民经济和国防建设的各个部门。铜及其合金以其良好性能和易加工性被广泛用于工业换热器。然而其易腐蚀，易锈蚀的缺点也相当明显。当然在合金中铜的含量较低时容易产生脱锌腐蚀和应力腐蚀。脱锌腐蚀即黄铜中的锌被腐蚀进而从合金中被剔除出去。在海水等介质中，由于表面的锌被选择性溶解，合金由原来的黄色变成多孔、红色的富铜状态，从而导致其强度大大下降。因此，研究铜及其合金在海水中的腐蚀行为便显得尤为重要。

对于铜及其合金在海水中的腐蚀机理、电化学行为等己进行了很多研究。但对于铜在海水中的溶解机制仍然存在着许多不同的看法。本文采用伏安法、恒电位技术结合表面分析手段研究我國火电厂常用的冷凝器黄铜管材料在不同pH的NaCI溶液中的腐蚀行为。

近年来，黄铜在含氯化钠溶液体系作为典型的腐蚀体系一直被广大工作者研究，争议颇多。本项目通pH对黄铜在氯化钠溶液中的阳极溶解过程的影响进行探究，利用电化学测试方法观测了电极表面的溶解过程，对黄铜在含氯化钠溶液体系阳极反应过程溶解机制存的研究具有一定的理论价值。

2 实验方法

实验采用三电极体系电解池，其中工作电极为直径2.5 mm的HS221黄铜（Cu： 5g%-61%， Sn：0.8～1.2%，Si：0.15-0.35%，Zn：余量），工作电极用环氧树脂密封。实验前用600#，1200#砂纸打磨，使用前分别用乙醇、去离子水、超声机清洗；参比电极为饱和甘汞电极（SCE）；对电极为镍圈。本实验所有溶液均用去离子水配置，所用氯化钠浓度均为0.5 mol/L，实验电位均相对于参比电极。药品：氯化钠（NaCI），盐酸（HCI），所用试剂均为分析纯试剂。仪器：电化学工作站，超声清洗机，烘箱，光学体式显微镜。

3 实验结果与讨论

3.1 HS221黄铜在不同酸度氯化钠溶液中开路电位的影响

鉴于自然条件下腐蚀即开路电位（Eicorr Open CircuitPotential，EOCP）的研究具有极为重要的价值，因此首先研究了不同酸度氯化钠对HS221黄铜EOCP的影响，如图l所示，盐酸浓度增加使EOCP正移，在开路情况下增加溶液盐酸的浓度能够加速阴极反应，故而EOCP正移。

3.2 HS221黄铜在氯化钠溶液中的阳极溶解过程

极化曲线测量是金属电化学腐蚀和保护中一种重要的研究手段。测量腐蚀体系的极化曲线，实际就是测量在外加电流作用下，金属在腐蚀介质中的电极电位与外加电流密度之间的关系。某些金属在特定介质中存在钝化现象，表面生成一层具有保护作用的钝化膜。

图2为HS221黄铜 0.5 mol/L NaCI体系的LSV极化曲线，扫描速率为10 mU/s。由图2可知，HS221黄铜电极在0.18 V与0.30 V出现两个阳极峰。整个阳极过程大致可分为3个区域。在活化区，电流随电位的增大而增大直到峰值出现；在预钝化区，由于盐膜形成速率趋于超过溶解速率，电流随电位的增大而减小，最终成膜速率和溶解速率达到相对平衡；在钝化区，由于Cl-的存在，伴随着缺陷的钝化膜在电极表面形成，电流趋于稳定。

3.3 扫速对HS221黄铜1 0.5 mol/L NaCl体系中线性扫描曲线的影响

为研究工作电极在表面溶解过程的机理，我们考察了扫速改变对氧化行为的影响。如图3所示，在扫速为1--75 mV/s的范围内时，我们发现扫速越大电极的氧化峰电流增加越明显。本文选择10 mV/s，因为10 mV/s扫速适中，且可较为详尽地记录实验真实过程。

3.4 pH对HS221黄铜在0.5 mol/L NaCI溶液中线性扫描（ LSV）曲线的影响

在多数情况下，溶液的pH是影响金属腐蚀的一个重要因素。因此，我们考察了通过改变pH调控溶液酸度进而改变对HS221黄铜电极阳极溶解反应的影响，结果如图4所示，确定扫速为10 mV/s的情况下，测定添加不同浓度盐酸溶液（A：0.5 mol/L NaCl+ 0.1 M HCl：B：0.5 mol/L NaCl+ 0.05 MHCl；0.5 mol/L NaCl+ 0.1 M HCl）中的LSV曲线。随着HCI浓度不断增加，峰电流逐渐增加，峰电位负移。

3.5 pH对HS221黄铜在0.5 mol/L NaCl溶液Tafel曲线的影响

HS221黄铜在不同酸度NaCI溶液中的Tafel曲线如图5所示，其中，扫描速率为l mV·s-1，对应参数如表1所示，从表中可以看出随H+和Cl-浓度的上升自腐蚀电位（Ecorr）的负移，自腐蚀电流（Icorr）增大，Tafel斜率变小。其中，Ecorr负移、Icorr增大表明酸性溶液中H+的存在促进了HS221黄铜溶解，且H+浓度越高越促进其溶解。HS221黄酮在不同pH NaCl溶液中的Tafel曲线所对应的Tafel斜率、自腐蚀电位以及自腐蚀电流如表1所示。

3.6 pH对HS221黄铜在0.5 mol/L NaCI溶液中的形貌图

黄铜在0.5 mol/L NaCI溶液和0.5 mol/L NaCI+0.1MHCl溶液中恒电位0.2 V条件下极化150 s后的电极表面形貌图如图6所示，将极化后的电极放入去离子水中超声清洗去除表面可溶产物。其中图6A为打磨后空白电极形貌。在0.5mol/L NaCI溶液中（图6B，B），电极表面存在几个明显的蚀孔；在0.5 mol/L NaCI+0.1M HCl溶液中（图6C，C），点蚀坑相对较多，局部腐蚀较为明显，电极更趋向于均匀腐蚀；这表明酸性条件更有利于电极的均匀腐蚀，而在中性溶液中电极容易发生点蚀。在酸性溶液中电极表面比较平滑并覆盖着薄而致密的膜。该结果与上述实验结果一致，验证了上述猜想。

4 结语

本项目采用电化学方法与体视显微镜方法相结合。在HS221黄铜合金的阳极溶解过程中，探究不同酸度的溶液作用下金属阳极溶解的动态变化，为研究其作用机理和HS221黄铜腐蚀过程提供直接的实验依据；并利用体视显微镜表面分析技术，观测不同条件下黄铜阳极溶解后表面的形貌及组成，较为全面地分析不同pH溶液中的作用机理。

通过以HS221黄铜电极为研究对象，采用不同的电化学方法进行阳极溶解过程的探究，发现电极极化溶解后表面形成一层不溶性的保护膜，并且由实验结果得出以下结论。

（1）扫速越大电极的氧化峰电流增加越明显；（2）溶液酸度越低HS221黄铜阳极溶解过程发生越早，阳极溶解现象也更为剧烈。