路云舒, 李華為, 竭繼陽

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034)

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鋁合金在3.5%NaCl中電化學(xué)腐蝕行為研究

路云舒, 李華為, 竭繼陽

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034)

鋁是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的金屬元素,因此鋁及其合金的耐蝕性能的研究對工業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義。在制備階段采用陽極氧化法對鋁合金表面進行預(yù)處理,于是在合金表面獲得了一層較致密的氧化膜。在電化學(xué)測試階段利用PARM273A和M5210電化學(xué)綜合測試系統(tǒng),通過測定電化學(xué)極化曲線和交流阻抗譜研究了基體鋁合金和陽極氧化處理后的鋁合金在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)腐蝕行為。電化學(xué)測試結(jié)果表明:與基體合金相比,在3.5%NaCl溶液中,經(jīng)過陽極氧化預(yù)處理后的鋁合金的腐蝕電流明顯下降,并且電荷傳遞電阻明顯升高,說明經(jīng)陽極氧化預(yù)處理后鋁合金的耐腐蝕性能加強,腐蝕速度下降;陽極氧化后,鋁合金在3.5%NaCl溶液中的阻抗圖譜呈單容抗弧,因此腐蝕過程受電化學(xué)控制。

鋁合金; 陽極氧化; 極化曲線; 交流阻抗; 腐蝕

0 引 言

鋁是自然界中分布最廣泛的元素之一。在自然界中,鋁是含量僅次于鐵的金屬元素,被譽為第二“鋼鐵”,鋁在地殼中的含量非常高,僅次于氧元素和硅元素。在自然界中,由于其化學(xué)性質(zhì)的活潑,鋁主要以氧化物和含氧的鋁硅酸鹽的形式存在,而很少以游離態(tài)的形式存在[1-4]。

1885年Cowle首次用電解法生產(chǎn)出含銅和鐵的鋁合金,從此開始了鋁及其合金的工業(yè)化生產(chǎn)。由于近代工業(yè)的發(fā)展,鋁的冶煉方法與工藝不斷改進,鋁的產(chǎn)量得到了快速的提高,使得只有皇家才能使用的貴重金屬,成為普通人生活不可或缺的材料。由于純鋁的強度、硬度比較低,在應(yīng)用中受到限制。在日常工業(yè)生產(chǎn)和生活中使用的多為鋁合金,鋁合金中主要添加的合金元素為鎂、硅、鋅、銅、錳、鎳、鈷、鉻、鐵、鈦、鋯等[5-11]。

目前,鋁及其合金主要使用在航天航空、建筑、橋梁、汽車、鐵道車輛、船舶、機械設(shè)備、活動房屋、民用五金及家庭用具、電子產(chǎn)品和電纜導(dǎo)電材料等;鋁與鋁箔還大量用于食品、藥物、卷煙的包裝。

鋁及其合金與鋼鐵相比具有導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好、無磁性、密度小、耐蝕性及塑性成形性能好、比強度髙、無低溫脆性、外觀漂亮、反光性好等優(yōu)點,是一種綜合性能非常優(yōu)良的金屬材料[11-15]。

鋁及其合金在空氣中能自發(fā)地生成一層氧化膜,這層氧化膜為非晶態(tài),結(jié)構(gòu)疏松,薄而多孔,硬度低,耐磨性差,機械強度低,耐蝕性差,因而不能滿足生產(chǎn)生活中對其表面性能的要求。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域,對鋁合金性能要求不同。所以要對鋁合金進行不同的表面處理,以達到各種用途的目的[16-19]。

因此,本文采用陽極氧化法對鋁合金表面進行處理,得到致密的氧化膜并與基體合金做對比,研究了陽極氧化對其腐蝕電化學(xué)行為的影響,這對鋁合金的保護具有重要的意義。

1 實驗部分

1.1 鋁合金陽極氧化膜的制備

1) 鋁合金的前處理。實驗采用鋁合金,首先用環(huán)氧樹脂封裝,然后用砂紙打磨拋光,用稀鹽酸除氧化膜,超聲波除油,最后用水、無水乙醇及丙酮清洗并干燥,待用。

2) 陽極氧化膜的制備。陽極氧化液為低鉻環(huán)保型其組成為,鉻酸酐20～25 g/L,磷酸50～60 ml/L,氟化氫銨3～3.5 g/L,硼酸1～1.2 g/L。采用直流電,電壓為8～25 V,氧化時間為100～120 min,陽極電流密度為0.2～0.8(A/dm2),溫度為室溫。

1.2 測試部分

1) 合金組成測試。通過ICP對合金組成進行測試。

2) 電化學(xué)測試。實驗所用儀器為美國EG&G公司生產(chǎn)的PARM273A和M5210電化學(xué)測量系統(tǒng)。測量采用三電極系統(tǒng),飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極,鉑電極作為輔助電極,鋁合金電極為工作電極,控制工作表面積為1 cm2。動電位掃描極化數(shù)據(jù)經(jīng)計算機采集后利用Corrview軟件擬合,陽極掃描速度為0.5mV/s。交流阻抗數(shù)據(jù)經(jīng)計算機采集后利用Zview2軟件分析和電路擬合,測試頻率范圍為100 kHz～5 mHz。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金組成測試

表1為合金樣品ICP測試結(jié)果。結(jié)果表明Al占98.84%,證明該合金為鋁合金。

表1 鋁合金樣品ICP測試結(jié)果

2.2 開路電位自腐蝕電壓

圖1是鋁合金在3.5%NaCl介質(zhì)中腐蝕電位隨時間變化曲線?？梢?鋁合金的自腐蝕電位隨時間很快趨于穩(wěn)定并且從圖中可知,鋁合金在裸露的條件下,十分容易被腐蝕。

鋁合金基體在中性3.5%NaCl溶液中自腐蝕電位為-1 001 mV,經(jīng)低鉻陽極氧化處理后的鋁合金自腐蝕電位為-850 mV,自腐蝕電位發(fā)生大幅度正移,合金腐蝕傾向大幅度減小。

2.3 動電位極化曲線

圖2為鋁合金在3.5%NaCl介質(zhì)中的動電位極化曲線,表2為經(jīng)Corroview軟件擬合得出的電化學(xué)參數(shù)。

圖1 鋁合金在3.5%NaCl介質(zhì)中的E-t曲線

圖2 鋁合金在3.5%NaCl介質(zhì)中的動電位極化曲線

表2 鋁合金在3.5%NaCl溶液中的極化曲線擬合結(jié)果

合金/(mol·L-1)βa/mVβc/mVEcorr/VIcorr/(10-6Amp·cm-2)thematrixalloy194．58-117．19-0．835499．0965theChromicacidanodizing378．54-173．22-0．967733．7489

表中的參數(shù)分別為塔菲爾斜率,腐蝕電位,腐蝕電流等化學(xué)參數(shù)。從下面的圖中可以看出,未經(jīng)任何處理的鋁合金基體試樣很容易受到腐蝕,說明鋁合金在未經(jīng)處理的條件下,化學(xué)性質(zhì)比較活潑,不易保存。本實驗應(yīng)用的表面處理方式是低鉻的陽極氧化處理。從圖中可以對比數(shù)據(jù)看出,經(jīng)低鉻陽極氧化處理后鋁合金試樣的抗腐蝕性能確有提高。

2.4 交流阻抗

圖3 等效電路

圖4 陽極氧化工后的鋁合金與基體鋁合金在3.5%NaCl介質(zhì)中的交流阻抗譜(EIS)

圖3是經(jīng)過低鉻陽極氧化處理的鋁合金和未經(jīng)處理的鋁合金在3.5%NaCl介質(zhì)溶液中的交流阻抗譜(EIS)。從EIS圖中可以看出,陽極氧化后鋁合金在該介質(zhì)中的阻抗圖譜呈單容抗弧,該容抗弧在一定程度上反映了極化電阻的大小,沒有出現(xiàn)“擴散尾”,說明腐蝕反應(yīng)受電化學(xué)控制。等效電路如圖3所示。其中Rs表示溶液電阻,Rt表示電荷傳遞電阻,常相位角元件CPE1為電極表面雙電層電容。CPE1的阻抗可表示為:

其中:Z為CPE1的阻抗;j為單位虛部;ω為角頻率;Y0為常數(shù);n為指數(shù)(0≤n≤1)。

等效電路元件擬合參數(shù)見表3?？梢?基體鋁合金在3.5%NaCl介質(zhì)中電荷傳遞電阻是7 187 Ω·cm2,經(jīng)過低鉻陽極氧化處理的鋁合金在3.5%NaCl介質(zhì)中的電荷傳遞電阻為11 389 Ω·cm2。低鉻陽極氧化膜鋁合金比基體鋁合金的電荷傳遞電阻增加,說明經(jīng)低鉻陽極氧化處理后鋁合金試樣的抗腐蝕性能確有提高,這一結(jié)果與極化曲線相一致。

表3 鋁合金在3.5%NaCl溶液中開路電位下的EIS擬合結(jié)果

由表3可知,基體金屬的電荷傳遞電阻是7 187 Ω·cm-2,陽極氧化后金屬的電荷傳遞電阻是11 389 Ω·cm-2?？梢?經(jīng)陽極氧化后,電荷傳遞電阻Rt增大,這說明腐蝕速度減小,耐蝕效果增強,這與極化曲線所呈現(xiàn)的規(guī)律一致。

3 結(jié) 論

1) 由極化曲線及其數(shù)據(jù)可得,經(jīng)過低鉻陽極氧化處理的鋁合金腐蝕電流密度要比基體鋁合金腐蝕電流密度小,自腐蝕電位比基體合金正,表明低鉻陽極氧化膜使腐蝕速度減慢,鋁合金的耐腐蝕性能加強。

2) 由交流阻抗譜分析得,低鉻陽極氧化鋁合金比基體鋁合金的電荷傳遞電阻增加,這與極化曲線所反映的規(guī)律相一致。

3) 低鉻陽極氧化膜鋁合金的腐蝕電流密度低于基體鋁合金,電荷傳遞電阻大于基體鋁合金,這表明低鉻陽極氧化膜,覆蓋能力增強導(dǎo)致腐蝕速度減小,耐腐蝕性能增強。

[1]唐遠景.我國鋁及鋁合金的應(yīng)用及趨勢淺析[J].輕金屬,1994(5):61-64.

[2]王雨順,周俊鳳,丁毅,等.鋁合金兩種陽極氧化工藝的氧化膜性能對比[J].輕合金加工技術(shù), 2010(6):50-53.

[3]張高會,黃國青,徐鵬,等.鋁及鋁合金表面處理研究進展[J].中國計量學(xué)院學(xué)報, 2010(2):174-178.

[4]馬騰,王振堯,韓薇.鋁和鋁合金的大氣腐蝕[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù), 2004,16(3):155-161.

[5]邱佐群.鋁合金件硫酸陽極氧化工藝的變革[J].表面工程資訊, 2008(3):24-25.

[6]HOSFORD W F.The Anisotropy of Aluminum and Aluminum alloys[J].JOM, 2006,58(5):70-74.

[7]SUM E L.Skyllas-Kazacos M L.Univ of New South Wales[J].J Appl Electrochem,1989(19):485-494.

[8]ACETO S,CHANG C,VOOK R.Hillock growth on Aluminum and Aluminum Alloy Films[J].Thin Solid Films, 1992,29(1/2):80-86.

[9]石磊,石勇,董新民.鋁及鋁合金電鍍[J].表面技術(shù), 2007,36(4):87-88.

[10]馬洪芳,劉志寶,殷風(fēng)玲.鋁合金電鍍工藝研究[J].腐蝕與防, 2003,24(4):162-163.

[11]方學(xué)鋒,王澤華,劉騰彬.鋁合金熱噴涂技術(shù)的研究進展和應(yīng)用展望[J].輕合金加工技術(shù), 2005,33(10):13-15.

[12]BEER S Z.The Solution of Aluminum Phosphide in Aluminum[D].Westinghouse Research Laboratories, Pittsburgh,Pennsylvania Special Metals Corporation,New Hartf, 2006.

[13]趙鵬輝.鋁陽極氧化膜腐蝕行為的研究[D].北京:北京化工大學(xué), 2001.

[14]蔡超.純鋁在中性NACL溶液中的腐蝕研究[D].銀川:寧夏大學(xué), 2005.

[15]KIKUCHI T, SAKAIRI M, TAKAHASH I H.Production of Porous Aluminum Hydroxide using Aluminum Nanopowder[J].ACS Appl Mater Interfaces, 2010(2):774-777.

[16]張屹林.汽車輕量化與鋁合金[J].內(nèi)燃機配件, 2004(5):37-40.

[17]邊靜,李鳳春,曹中秋.Cu-40Ni-20Cr合金在含Cl-介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕行為研究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2007,25(1):68-71.

[18]BAUTISTA A,GONZA’LEZ J A,LO’PEZ V.Influence of triethanolamine additions on the sealing mechanism of anodised aluminium[J].Surf Coat Technol, 2002,154(1):49-54.

[19]梁秋穎,孫洪津,孫玥,等.不同晶粒尺寸Cu-Ag合金在Na2SO4介質(zhì)中的腐蝕電化學(xué)行為研究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2011,29(2):245-248.

Electrochemical corrosion behavior of aluminium alloy in 3.5%NaCl

LUYunshu,LIHuawei,JIEJiyang

(College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Aluminium is widely used in industrial production, so the study on corrosion resistance of aluminum and its alloys has an important significance for industrial production.In this paper, the aluminum alloys were prepared by anodic oxidation method to obtain a dense oxide film on the alloy surface.The corrosion electrochemical behaviors of two kinds of aluminium alloy in 3.5%NaCl solution were studied by means of PARM273A and M5210 electrochemical synthesis test system through potentiodynamic polarization method and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique.Results showed that, compared with the matrix alloy, the anodised aluminium alloy had a higher charge transfer resistance and lower corrosing current density in the 3.5% NaCl solutions, which led to a slower corrosion rate.The impedance spectra of aluminum alloy, prepared by anodic oxidation method, showed a single capacitive arc, which showed that corrosion process was controlled by electrochemical reaction in 3.5%NaCl solutions.

aluminium alloy; anodised; polarization curve; EIS; corrosion

2014-06-15。

遼寧省教育廳普通高等學(xué)校本科教育研究項目(UPRP20140789)。

路云舒(1990-),女,遼寧北票人,沈陽師范大學(xué)碩士研究生; 李華為(1962-),男,遼寧沈陽人,沈陽師范大學(xué)教授,碩士研究生導(dǎo)師。

1673-5862(2015)01-0019-04

TG113.23

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.005