铁质文物腐蚀防护技术研究进展

中国是有着五千年灿烂文化的文明古国和文化遗产大国。文物保护是中华儿女传承古老文明的历史责任。铁质文物在中国拥有漫长的历史,但由于铁作为金属的活泼性较强,易腐蚀,现存的铁质文物面临保存现状差且防护难度大的严峻挑战,因此如何对铁质文物进行系统性防护成为研究工作的重点。鉴于目前铁质文物腐蚀防护技术受到国内学者和文物界越来越多的关注,基于大量的文献调研和长期对国内外腐蚀防护技术研究动态的跟踪,对铁质文物腐蚀防护技术的研究进展进行了总结。首先,结合铁质文物具体保护实例简介了铁质文物的腐蚀机理。其次,讨论了铁质文物传统的腐蚀防护技术,主要包括除锈技术、脱盐技术、缓蚀技术和封护技术。除锈技术主要分为物理除锈技术和化学除锈技术,对比了两者的技术优势和劣势,重点阐述了激光清洗的作用机理以及除锈效果;脱盐技术的方法众多,主要通过实例介绍了索氏提取法和碱性溶液浸泡法的脱盐机理;缓蚀技术的核心为缓蚀剂,阐述了多种缓蚀剂对不同铁质文物的缓蚀效果;封护技术主要介绍了微晶石蜡、丙烯酸树脂和氟碳涂料3种材料在铁质文物上的应用。随着材料科学的发展,在铁质文物表面制备防护性涂层可实现对基体的有效保护,但由于金属涂层制备技术多以激光束、等离子束、电子束等高能量密度束为热源,导致涂层制备过程热输入过大,对铁质文物基体的损伤较大。根据铁质文物的防护性要求——“不改变文物原状”与“最小干预”原则,介绍了一种基于低温环境下将微米级金属粉末或复合粉末加速至超音速状态并沉积于基体材料表面形成涂层的新型表面防护技术——冷喷涂技术,重点介绍了几种不同金属基材料在铁碳合金表面形成涂层的实际性能,主要表现为显微组织均匀致密,且与基体之间形成了较好的界面结合,有望应用于铁质文物的修复与防护领域。最后,指出了铁质文物腐蚀防护研究进展尚存的关键问题,并对铁质文物腐蚀防护技术的发展前景进行了展望,为文物保护工作者的研究实践提供新思路。     

铁质文物脱盐过程中的钼酸盐缓蚀作用

采用动电位极化法、电化学阻抗法研究了铁质文物模拟试样在碱性溶液脱盐清洗过程中,钼酸盐缓蚀剂对其电化学行为的影响。通过X射线光电子能谱技术分析了脱盐清洗后试样表面锈层的组成。结果表明,在碱性脱盐溶液中添加钼酸盐缓蚀剂,能减小试样阳极腐蚀电流,增大电极反应阻力,更有效地抑制试样在脱盐过程中的腐蚀。XPS分析结果说明脱盐溶液中添加钼酸盐后,改变了锈层的组成,生成含有Fe2O3、FeMoO4和MoO3的稳定沉积膜,提高了锈层的耐蚀性能,使文物基体在脱盐清洗过程中得到良好的保护。     

铁质文物电化学脱盐材料的研究

采用电化学极化法在铸铁表面制备出锈层以模拟带锈的铁质文物,对试样用恒电流极化法进行脱氯处理,在脱氯过程中采用不同材质、不同形状、不同分布方式的辅助电极,比较脱氯效果表明,用笼状低碳钢网做辅助阳极,经过48 h的恒电流脱氯,试样中氯离子迁出率可达70.10%,氯的含量由5.26 mass%下降到0.32 mass%.综合考虑脱氯辅助阳极材料成本、可操作性以及脱氯效果,低碳钢网作为辅助阳极综合性能较高.     

铁质文物复合封护剂防蚀性能研究

利用电化学交流阻抗谱(EIS)和扫描电子显微镜(SEM),对所研制的铁质文物复合封护剂和纯丙乳液的防腐蚀性能进行了分析和比较。结果发现,用缓蚀剂和纳米材料改性的复合封护剂防蚀性能明显好于纯丙乳液。纯丙乳液中添加的高效缓蚀剂和分散均匀的纳米材料是复合封护剂防蚀性能提高的主要因素。     

试述铁质文物的腐蚀与防护技术

中国作为世界上最早使用铁器的国家之一,在社会生产力发展的过程中,起到举足轻重的作用。大部分出土的铁质文物均含有氯化物(电解质),一旦出现在潮湿的空气中即会发生一系列的电化学反应,导致铁质文物腐蚀。因此,研究铁质文物的腐蚀机理及保护技术具有重要意义。概述了铁质文物的腐蚀影响因素及国内外铁质文物的脱盐保护方法。简述了铁质文物有机、无机及复合缓蚀剂的特点、作用机理及研究现状,介绍了铁质文物的封护材料,并展望了保护材料和技术在铁质文物保护中的发展趋势。     

单宁酸复配缓蚀剂在铁质文物上的应用研究

目的通过复配的方法改善单宁酸单一缓蚀剂的缺点,以提高对铁质文物的缓蚀效果。方法采用失重实验、扫描电镜显微观察、动电位极化法等,对比和评估了单宁酸和单宁酸复配缓蚀剂对5种铁质文物模拟样品的缓蚀效果,并在铁质文物上进行了应用试验。结果在3.5%Na Cl水溶液的腐蚀体系中,单宁酸复配缓蚀剂对低硫铸铁的缓蚀效果优异,对高硫铸铁的缓蚀效果略低。用单宁酸缓蚀后的试样表面呈斑驳膜层,成膜不牢固,用单宁酸复配缓蚀剂缓蚀后的试样表面成膜均匀、稳定。添加硅酸钠、磷酸二氢锌和乙醇胺的单宁酸改进配方使试样出现钝化现象,其腐蚀电流比空白样和单宁酸的腐蚀电流均有大幅降低。在铁质文物上的实际应用结果表明,采用单宁酸复配缓蚀剂处理的铁质文物的耐腐蚀性比单宁酸处理的更好。结论单宁酸复配缓蚀剂解决了单宁酸的酸性对铁质文物造成的潜在影响,克服了单宁酸成膜不完整和不牢固,以及改变文物外观颜色的缺点,并大幅提升了缓蚀效率。     

密封环裂纹分析

用金相法、扫描电镜、X射线能谱半定量分析等方法,研究了高压釜密封环脆断裂纹的形成原因。结果表明:裂纹以应力腐蚀机理萌生扩展。密封环处在具备产生应力腐蚀的环境中服役,特别是密封环安装受力不当,存在应力集中分布,是过早地诱发应力腐蚀开裂的直接原因。     

铁质文物复合防蚀封护剂的研制及应用研究Ⅱ

研究了一种可以成功应用于铁质文物保护的复合封护剂.该复合封护剂采用纯丙乳液作为基料，选用合适的分散剂，将纳米TiO2和SiO2均匀地分散在基料中，添加合适的助剂制成铁质文物的表层封护剂；选择一种高效的缓蚀剂，适量地添加到基料中，作为铁质文物的底层封护剂.根据铁质文物的保护要求对这种复合封护剂的主要性能进行了测试，并与未改性的纯丙乳液的封护性能进行了对比，发现这种复合封护剂在紫外屏蔽、耐蚀性及耐污染等方面有显著的改善.这种复合封护剂无色、透明、无毒、无味，有锈无锈表面均可使用，可以作为一种新的环保型封护剂用于铁质文物的保护.     

铁质文物腐蚀产物β-FeOOH中Cl的脱出和物相转化

综述了脱氯方法对铁质文物腐蚀产物β-FeOOH中Cl的脱出和物相转化的规律。铁质文物脱氯处理对β-FeOOH的作用应格外关注。常用的NaOH或碱性亚硫酸钠浸泡法可以脱除大部分β-FeOOH晶体表面吸附的Cl^-,难以完全脱除Cl^-并将β-FeOOH转化,但残余Cl^-主要束缚在晶体隧道结构中,不会直接促进铁质文物进一步腐蚀劣化。电解法和高温(氢气、氢等离子体)法对β-FeOOH的脱氯和转化更彻底,但只适用于部分铁质文物,且存在风险。近年来新的脱氯试剂和方法如TMAH、植物提取物、亚临界流体和微生物等不断研发,具有一定优点,有望用于铁质文物保护。     

"我国古代大型铸铁文物"系列文章——古代大铁佛像

调查了我国古代大型和特大型铁佛像的情况，介绍了几尊现存的唐代、宋代、金代和明代的大铁佛像。以及古代大铁佛像的铸造工艺。     

飞机平尾大轴断裂故障分析

某型飞机在试验中平尾大轴发生断裂。通过断口的观察分析、颤裂部位的金相分析、硬度检测,确定了平尾大轴的失效模式,并对其断裂原因进行了分析。结果表明,该平尾大轴的断裂性质为腐蚀疲劳断裂,裂纹均起源于衬套与筒体间的定位焊点处;定位焊点处选用了强度远低于基体的08A钢焊丝,导致焊点强度过低,在工作载荷作用下焊点处过早萌生了裂纹,焊接工艺不当是大轴断裂的主要因素;平尾大轴简体内壁涂敷防锈漆的质量较差,导致筒体内壁出现严重腐蚀。裂纹源区有腐蚀坑,且裂纹扩展过程中均有腐蚀特征,说明防腐蚀措施不当引起的腐蚀对大轴断裂也有重要影响。     

客运专线道岔铁垫板断裂分析

时速250km/h客运专线铁路可动心轨右开道岔铁垫板组焊后调平过程中发生突然断裂,对各组焊相关件调平时的受力状态、宏观断口、化学成分、力学性能和显微组织进行了分析。结果表明：由于各部件组焊后造成结构上的缺口产生应力集中,缺口又正处于较为薄弱的焊缝热影响区,在调平时较易发生过载断裂。为避免生产过程中垫板调平时再次发生断裂,应改善生产工艺和焊接结构,以降低缺口与焊接结构工艺对垫板质量的影响。     

激冷铸铁凸轮轴铸造工艺及断裂分析

某批次激冷铸铁HT300CrMoCu汽车凸轮轴装配时,近1/4的凸轮轴在中间轴颈处发生断裂,采用宏观、微观对凸轮轴进行了理化检测,并对凸轮轴的铸造工艺进行分析.结果表明,凸轮轴致裂的原因首先是由于Cr含量超标,强烈阻碍铸铁的石墨化,形成合金碳化物;再就是冬天气温下降快,浇注温度低,冷铁未作及时调整,引起凸轮部分全白口,轴颈也出现了白口组织.通过控制合金成分、浇注温度、孕育处理、过热温度和保温时间、冷铁的尺寸等因素,来控制石墨的形成,改善和提高凸轮轴的性能.     

球墨铸铁曲轴断裂原因分析

针对球墨铸铁发动机曲轴发生的典型断裂,检测了曲轴的化学成分、显微组织和力学性能,并对其宏观断口进行了分析,找出了导致曲轴断裂的原因和潜在因素,提出了球墨铸铁曲轴在生产过程中的质量控制重点.结果表明,采取针对性的工艺措施后,生产的曲轴未再出现断轴问题.     

球铁铸件断口灰斑分析

QT700铸态球铁凸轮轴断口出现灰斑,扫描电镜观察发现灰斑区石墨球数量和w(C)量明显高于银色区,但金相组织观察显示,黑斑区球化情况良好,无组织缺陷。断口扫描电镜确定灰斑区断口为韧性断裂,银色区断口为解理或准解理脆性断裂。断口灰斑再现试验证明,球铁铸件断口上的灰斑说明该区域是韧性断裂区域,并非组织异常,也并非是铸造缺陷。     

某发动机压气机Ⅳ级盘断裂失效分析

某发动机压气机Ⅳ级盘破裂导致飞机起火爆炸,为分析压气机Ⅳ级盘的断裂性质和原因,本文对Ⅳ级盘的部分残骸进行了外观检查,对Ⅳ级盘轮缘和辐板断口进行了宏、微观检查和分析,对辐板表面的点蚀坑和辐板源区的点蚀坑进行了能谱分析,并对断口上的疲劳弧线进行了测定.本文还对辐板所用材料的材质进行了分析,并对发动机的振动特性进行了试验和计算.发动机压气机Ⅳ级盘的断裂性质为高周疲劳;该Ⅳ级盘的组织、硬度、化学成分和断裂区部位辐板厚度均符合技术要求,盘的疲劳断裂与材质无关;辐板与轮缘的R3转接处表面存在点蚀坑诱发了故障的发生,Ⅳ级盘的疲劳开裂和扩展主要与盘的共振有关.     

发动机作动筒裂纹分析

发动机作动筒末端件孔边是裂纹故障多发部位,严重影响使用安全。对作动筒典型失效结构件进行断口观察、能谱分析,结果表明：断口上有明显的腐蚀产物和沿晶断裂特征;在裂纹源区、扩展区和裂纹尖端都出现了Na、K和Cl等杂质元素,具有典型的腐蚀特征;进一步对作动筒结构的力学分析表明,在使用过程中故障部位存在一定的拉应力,综合判断孔边裂纹失效模式为应力腐蚀开裂,腐蚀介质主要来自含Cl元素较多的潮湿使用环境。该研究结果对此类作动筒的使用和故障预防提供了借鉴。