धातु संक्षारण

जब धातु सामग्री आसपास के माध्यम के संपर्क में होती है, तो सामग्री रासायनिक या विद्युत रासायनिक क्रिया के कारण नष्ट हो जाती है। धातु संक्षारण एक थर्मोडायनामिक सहज प्रक्रिया है, जो उच्च-ऊर्जा अवस्था वाली धातु को कम-ऊर्जा अवस्था वाले धातु यौगिक में परिवर्तित करती है। उनमें से, पेट्रोलियम और पेट्रोकेमिकल उद्योग में संक्षारण घटना अधिक जटिल है, जिसमें नमकीन पानी का विद्युत रासायनिक क्षरण, एच शामिल है।₂एस और सीओ₂.
अधिकांश संक्षारण प्रक्रियाओं की प्रकृति विद्युत रासायनिक होती है। धातु/इलेक्ट्रोलाइट समाधान इंटरफ़ेस (इलेक्ट्रिक डबल लेयर) के विद्युत गुणों का व्यापक रूप से संक्षारण तंत्र अध्ययन, संक्षारण माप और औद्योगिक संक्षारण निगरानी में उपयोग किया जाता है। धातु संक्षारण अनुसंधान में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली इलेक्ट्रोकेमिकल विधियां हैं: ओपन सर्किट क्षमता (ओसीपी), ध्रुवीकरण वक्र (टैफेल प्लॉट), इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस)।

1. संक्षारण अध्ययन में तकनीकें

1.1ओसीपी

एक पृथक धातु इलेक्ट्रोड पर, एक एनोड प्रतिक्रिया और एक कैथोड प्रतिक्रिया एक ही समय में समान गति से की जाती है, जिसे इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया का युग्मन कहा जाता है। आपसी युग्मन की प्रतिक्रिया को "संयुग्मन प्रतिक्रिया" कहा जाता है, और संपूर्ण तंत्र को "संयुग्मन प्रणाली" कहा जाता है। संयुग्मित प्रणाली में, दो इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाएं एक-दूसरे के साथ अंतर-युग्मन करती हैं, और जब इलेक्ट्रोड क्षमताएं बराबर होती हैं, तो इलेक्ट्रोड क्षमताएं समय के साथ बदलती नहीं हैं। इस स्थिति को "स्थिर स्थिति" कहा जाता है, और संबंधित क्षमता को "स्थिर क्षमता" कहा जाता है। संक्षारण प्रणाली में, इस क्षमता को "(स्वयं) संक्षारण क्षमता ई" भी कहा जाता है_{ठीक है}", या "ओपन सर्किट क्षमता (ओसीपी)", और संबंधित वर्तमान घनत्व को "(स्वयं) संक्षारण वर्तमान घनत्व कहा जाता है_{ठीक है}”। सामान्यतया, खुले सर्किट की क्षमता जितनी अधिक सकारात्मक होगी, इलेक्ट्रॉनों को खोना और संक्षारण होना उतना ही कठिन होगा, यह दर्शाता है कि सामग्री का संक्षारण प्रतिरोध बेहतर है।
सीएस पोटेंशियोस्टेट/गैल्वेनोस्टेट इलेक्ट्रोकेमिकल वर्कस्टेशन का उपयोग सिस्टम में धातु सामग्री की वास्तविक समय इलेक्ट्रोड क्षमता पर लंबे समय तक नजर रखने के लिए किया जा सकता है। क्षमता स्थिर होने के बाद, सामग्री की ओपन सर्किट क्षमता प्राप्त की जा सकती है।

1.2 ध्रुवीकरण वक्र (टैफ़ेल प्लॉट)

आम तौर पर, जब विद्युत धारा प्रवाहित होती है तो इलेक्ट्रोड क्षमता संतुलन क्षमता से विचलित हो जाती है, इसे "ध्रुवीकरण" कहा जाता है। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रणाली में, जब ध्रुवीकरण होता है, तो संतुलन क्षमता से इलेक्ट्रोड क्षमता के नकारात्मक बदलाव को "कैथोडिक ध्रुवीकरण" कहा जाता है, और संतुलन क्षमता से इलेक्ट्रोड क्षमता के सकारात्मक बदलाव को "एनोडिक ध्रुवीकरण" कहा जाता है।
किसी इलेक्ट्रोड प्रक्रिया के ध्रुवीकरण प्रदर्शन को पूरी तरह और सहज रूप से व्यक्त करने के लिए, वर्तमान घनत्व के एक फ़ंक्शन के रूप में अति-क्षमता या इलेक्ट्रोड क्षमता को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करना आवश्यक है, जिसे "ध्रुवीकरण वक्र" कहा जाता है।
मैं_{ठीक है}धातु सामग्री की गणना स्टर्न-गीरी समीकरण के आधार पर की जा सकती है।

बी सामग्री का स्टर्न-गियरी गुणांक है, आर_पीधातु का ध्रुवीकरण प्रतिरोध है।

I प्राप्त करने का सिद्धांत_{ठीक है}टैफ़ेल एक्सट्रपलेशन विधि के माध्यम से
कॉरटेस्ट सीएस स्टूडियो सॉफ्टवेयर स्वचालित रूप से ध्रुवीकरण वक्र पर फिटिंग कर सकता है। एनोड खंड और कैथोड खंड पर टैफेल ढलान, यानी, बी_एऔर बी_सीगणना की जा सकती है.मैं_{ठीक है}भी प्राप्त किया जा सकता है. फैराडे नियम के आधार पर और सामग्री के विद्युत रासायनिक समकक्ष के साथ संयोजन में, हम इसे धातु संक्षारण दर (मिमी/ए) में परिवर्तित कर सकते हैं।

1.3 ईआईएस

इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा तकनीक, जिसे एसी प्रतिबाधा के रूप में भी जाना जाता है, समय के साथ साइनसॉइडल भिन्नता के एक फ़ंक्शन के रूप में इलेक्ट्रोकेमिकल प्रणाली के वर्तमान (या वोल्टेज) को नियंत्रित करके समय के एक फ़ंक्शन के रूप में एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रणाली के वोल्टेज (या वर्तमान) में परिवर्तन को मापती है। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रणाली की प्रतिबाधा को मापा जाता है, और आगे, सिस्टम के प्रतिक्रिया तंत्र (मध्यम/कोटिंग फिल्म/धातु) का अध्ययन किया जाता है, और फिटिंग माप प्रणाली के इलेक्ट्रोकेमिकल मापदंडों का विश्लेषण किया जाता है।
प्रतिबाधा स्पेक्ट्रम विभिन्न आवृत्तियों पर एक परीक्षण सर्किट द्वारा मापा गया प्रतिबाधा डेटा से खींचा गया एक वक्र है, और इलेक्ट्रोड प्रक्रिया के प्रतिबाधा स्पेक्ट्रम को इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रम कहा जाता है। ईआईएस स्पेक्ट्रम कई प्रकार के होते हैं, लेकिन सबसे अधिक इस्तेमाल नाइक्विस्ट प्लॉट और बोड प्लॉट हैं।

2.प्रयोग उदाहरण

एक उदाहरण के रूप में CS350 इलेक्ट्रोकेमिकल वर्कस्टेशन का उपयोग करके एक उपयोगकर्ता द्वारा प्रकाशित एक लेख लेते हुए, धातु संक्षारण माप प्रणाली की विधि का एक ठोस परिचय पेश किया गया है।
उपयोगकर्ता ने पारंपरिक गढ़ा विधि (नमूना #1), चयनात्मक लेजर पिघलने की विधि (नमूना #2) और इलेक्ट्रॉन बीम पिघलने की विधि (नमूना #3) द्वारा तैयार किए गए Ti-6Al-4V मिश्र धातु स्टेंट के संक्षारण प्रतिरोध का अध्ययन किया। स्टेंट का उपयोग मानव प्रत्यारोपण के लिए किया जाता है, इसलिए संक्षारण माध्यम सिम्युलेटेड बॉडी फ्लूइड (एसबीएफ) है। प्रायोगिक प्रणाली का तापमान भी 37℃ पर नियंत्रित करने की आवश्यकता है।

यंत्र:CS350 पोटेंशियोस्टेट/गैल्वनोस्टेट
प्रायोगिक उपकरण:CS936 जैकेटयुक्त फ्लैट संक्षारण सेल, लगातार तापमान सुखाने वाला ओवन
प्रायोगिक औषधियाँ:एसीटोन, एसबीएफ, कमरे के तापमान पर एपॉक्सी राल का इलाज
प्रायोगिक माध्यम:
नकली शरीर द्रव (SBF)：NaCl-8.01,KCl-0.4,CaCl₂-0.14,NaHCO₃-0.35,KH₂पीओ₄-0.06, ग्लूकोज -0.34, इकाई है: जी/एल
नमूना(WE)
Ti-6Al-4V मिश्र धातु स्टेंट 20×20×2 मिमी,
उजागर कार्य क्षेत्र 10×10 मिमी है
गैर-परीक्षण क्षेत्र को कमरे के तापमान पर इलाज करने वाले एपॉक्सी राल के साथ लेपित/सील किया जाता है।
संदर्भ इलेक्ट्रोड (आरई):संतृप्त कैलोमेल इलेक्ट्रोड
काउंटर इलेक्ट्रोड (सीई):CS910 पीटी चालकता इलेक्ट्रोड

2.1 प्रयोग चरण और पैरामीटर सेटिंग

2.1.1 ओसीपी
परीक्षण से पहले. काम करने वाले इलेक्ट्रोड को सतह चिकनी होने तक मोटे से बारीक (360 मेश, 600 मेश, 800 मेश, 1000 मेश, 2000 मेश क्रम में) पॉलिश करने की आवश्यकता होती है। पॉलिश करने के बाद, इसे आसुत जल से धोएं और फिर एसीटोन का उपयोग करके इसे डीग्रीज़ करें, इसे लगातार तापमान सुखाने वाले ओवन में रखें और उपयोग के लिए 37℃ पर सुखाएं।
संक्षारण सेल पर नमूना इकट्ठा करें, संक्षारण सेल में सिम्युलेटेड बॉडी तरल पदार्थ डालें, और नमक पुल के साथ संतृप्त कैलोमेल इलेक्ट्रोड (एससीई) को फ्लैट संक्षारण सेल में डालें। सुनिश्चित करें कि लुगिन केशिका की नोक कार्यशील इलेक्ट्रोड सतह के ठीक सामने हो। जल परिसंचरण द्वारा तापमान को 37℃ पर नियंत्रित किया जाता है।

सेल केबल द्वारा इलेक्ट्रोड को पोटेंशियोस्टेट से कनेक्ट करें।
प्रयोग→स्थिर ध्रुवीकरण→ओसीपी

आपको डेटा के लिए एक फ़ाइल नाम दर्ज करना चाहिए, परीक्षण का कुल समय निर्धारित करना चाहिए और परीक्षण शुरू करना चाहिए। समाधान में धातु सामग्री का OCP धीरे-धीरे बदलता है, और इसे स्थिर रहने में अपेक्षाकृत लंबी अवधि लगती है। इसलिए यह सुझाव दिया जाता है कि समय 3000 से कम निर्धारित न करें।

2.1.2 ध्रुवीकरण वक्र

प्रयोग→स्थिर ध्रुवीकरण→पोटेंशियोडायनामिक

प्रारंभिक क्षमता, अंतिम क्षमता और स्कैन दर सेट करें, संभावित आउटपुट मोड को "बनाम" के रूप में चुनें। ओसीपी”
शीर्ष E#1 और शीर्ष E#2 को चुनने के लिए "उपयोग" की जाँच की जा सकती है। यदि इसकी जाँच नहीं की गई है, तो स्कैन संबंधित क्षमता से नहीं गुजरेगा।
अधिकतम 4 स्वतंत्र ध्रुवीकरण संभावित निर्धारित बिंदु हैं। स्कैन प्रारंभिक क्षमता से शुरू होता है, "वर्टेक्स ई#1" और "वर्टेक्स ई#2" तक, और अंत में अंतिम क्षमता तक। "इंटरमीडिएट पोटेंशियल 1" और "इंटरमीडिएट पोटेंशियल 2" को चालू या बंद करने के लिए "सक्षम करें" चेक बॉक्स पर क्लिक करें। यदि चेक बॉक्स चयनित नहीं है, तो स्कैन इस मान को पास नहीं करेगा और संभावित स्कैन को अगले पर सेट कर देगा।
यह उल्लेखनीय है कि ध्रुवीकरण वक्र माप केवल इस शर्त पर आयोजित किया जा सकता है कि ओसीपी पहले से ही स्थिर है। आमतौर पर 10 मिनट के शांत समय के बाद, हम निम्नलिखित पर क्लिक करके OCP स्थिर फ़ंक्शन खोलेंगे:

→

संभावित उतार-चढ़ाव 10mV/मिनट से कम होने के बाद सॉफ्टवेयर स्वचालित रूप से परीक्षण शुरू कर देगा
इस प्रयोग उदाहरण में, उपयोगकर्ता ने क्षमता -0.5~1.5V (बनाम OCP) निर्धारित की है
आप स्कैन को रोकने या उलटने की स्थिति निर्धारित कर सकते हैं। इसका उपयोग मुख्य रूप से पिटिंग संभावित माप और पैसिवेशन वक्र माप में किया जाता है।

2.2 परिणाम
2.2.1 ओ.सी.पी
ओपन सर्किट विभव परीक्षण द्वारा हम मुक्त संक्षारण विभव प्राप्त कर सकते हैंई_{ठीक है}, जिससे हम धातु सामग्री के संक्षारण प्रतिरोध का अनुमान लगा सकते हैं। सामान्यतया, जितना अधिक सकारात्मक होगाई_{ठीक है}है, सामग्री का संक्षारण उतना ही कठिन होता है।

ग्राफ़ से हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि नमूना #1 और 2 का संक्षारण प्रतिरोध #3 से बेहतर है।

2.2.2 टैफेल प्लॉट विश्लेषण (संक्षारण दर माप)
इस प्रयोग का ध्रुवीकरण इस प्रकार है:

जैसा कि दिखाया गया है, परिकलित संक्षारण दर मान से हम वही निष्कर्ष प्राप्त कर सकते हैं जो हमने ओसीपी माप से प्राप्त किया था। संक्षारण दर की गणना टैफेल प्लॉट द्वारा की जाती है। हम देख सकते हैं कि संक्षारण दर के मान ओसीपी विधि द्वारा प्राप्त निष्कर्ष का अनुपालन करते हैं।
टैफ़ेल प्लॉट के आधार पर, हम संक्षारण धारा घनत्व प्राप्त कर सकते हैंमैं_{ठीक है}हमारे सीएस स्टूडियो सॉफ्टवेयर में एकीकृत विश्लेषण फिटिंग टूल द्वारा। फिर अन्य मापदंडों जैसे कार्यशील इलेक्ट्रोड क्षेत्र, सामग्री का घनत्व, समतुल्य वजन के अनुसार संक्षारण दर की गणना की जाती है।

चरण हैं:
क्लिक करके डेटा फ़ाइल आयात करें

डेटा फिटिंग

सेल जानकारी पर क्लिक करें. , और तदनुसार मान दर्ज करें।

यदि आपने परीक्षण से पहले ही सेल और इलेक्ट्रोड सेटिंग में पैरामीटर सेट कर लिया है, तो आपको सेल जानकारी सेट करने की आवश्यकता नहीं है। यहां फिर से।
टैफेल फिटिंग के लिए "टैफेल" पर क्लिक करें। एनोड खंड/कैथोड खंड के डेटा के लिए ऑटो टैफेल फिटिंग या मैन्युअल फिटिंग चुनें, फिर संक्षारण वर्तमान घनत्व, मुक्त संक्षारण क्षमता, संक्षारण दर प्राप्त की जा सकती है। आप फिटिंग परिणाम को ग्राफ़ पर खींच सकते हैं।

3. ईआईएस माप
प्रयोग → प्रतिबाधा → ईआईएस बनाम आवृत्ति

ईआईएस विश्लेषण

3.5% NaCl घोल में Q235 कार्बन स्टील का EIS इस प्रकार है:

उपरोक्त नाइक्विस्ट प्लॉट कैपेसिटेंस आर्क (नीले फ्रेम द्वारा चिह्नित) और वारबर्ग प्रतिबाधा (लाल फ्रेम द्वारा चिह्नित) से बना है। सामान्यतया, कैपेसिटेंस आर्क जितना बड़ा होगा, सामग्री का संक्षारण प्रतिरोध उतना ही बेहतर होगा।

Q235 कार्बन स्टील EIS परिणामों के लिए समतुल्य सर्किट फिटिंग
चरण इस प्रकार हैं:
कैपेसिटेंस आर्क का समतुल्य सर्किट बनाएं - R1, C1, R2 प्राप्त करने के लिए "क्विक फिट" में मॉडल का उपयोग करें।
वारबर्ग प्रतिबाधा भाग का समतुल्य सर्किट बनाएं - Ws का विशिष्ट मान प्राप्त करने के लिए "त्वरित फिट" में मॉडल का उपयोग करें।
मानों को जटिल सर्किट में खींचें → सभी तत्वों के प्रकार को "फ्री+" में बदलें → फिट पर क्लिक करें
परिणामों से, हम देखते हैं कि त्रुटि 5% से कम है, यह दर्शाता है कि हम जो स्व-परिभाषित समतुल्य सर्किट बनाते हैं वह वास्तविक माप के प्रतिबाधा सर्किट के अनुसार है। बोड फिटिंग प्लॉट आम तौर पर मूल प्लॉट के अनुरूप होता है।