铝合金在3.5%NaCl中电化学腐蚀行为研究

路云舒, 李华为, 竭继阳

(沈阳师范大学 化学与生命科学学院, 沈阳 110034)



铝合金在3.5%NaCl中电化学腐蚀行为研究

路云舒, 李华为, 竭继阳

(沈阳师范大学 化学与生命科学学院, 沈阳 110034)

铝是一种广泛应用于工业生产的金属元素,因此铝及其合金的耐蚀性能的研究对工业生产有着重要的意义。在制备阶段采用阳极氧化法对铝合金表面进行预处理,于是在合金表面获得了一层较致密的氧化膜。在电化学测试阶段利用PARM273A和M5210电化学综合测试系统,通过测定电化学极化曲线和交流阻抗谱研究了基体铝合金和阳极氧化处理后的铝合金在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为。电化学测试结果表明:与基体合金相比,在3.5%NaCl溶液中,经过阳极氧化预处理后的铝合金的腐蚀电流明显下降,并且电荷传递电阻明显升高,说明经阳极氧化预处理后铝合金的耐腐蚀性能加强,腐蚀速度下降;阳极氧化后,铝合金在3.5%NaCl溶液中的阻抗图谱呈单容抗弧,因此腐蚀过程受电化学控制。

铝合金; 阳极氧化; 极化曲线; 交流阻抗; 腐蚀

0 引 言

铝是自然界中分布最广泛的元素之一。在自然界中,铝是含量仅次于铁的金属元素,被誉为第二“钢铁”,铝在地壳中的含量非常高,仅次于氧元素和硅元素。在自然界中,由于其化学性质的活泼,铝主要以氧化物和含氧的铝硅酸盐的形式存在,而很少以游离态的形式存在[1-4]。

1885年Cowle首次用电解法生产出含铜和铁的铝合金,从此开始了铝及其合金的工业化生产。由于近代工业的发展,铝的冶炼方法与工艺不断改进,铝的产量得到了快速的提高,使得只有皇家才能使用的贵重金属,成为普通人生活不可或缺的材料。由于纯铝的强度、硬度比较低,在应用中受到限制。在日常工业生产和生活中使用的多为铝合金,铝合金中主要添加的合金元素为镁、硅、锌、铜、锰、镍、钴、铬、铁、钛、锆等[5-11]。

目前,铝及其合金主要使用在航天航空、建筑、桥梁、汽车、铁道车辆、船舶、机械设备、活动房屋、民用五金及家庭用具、电子产品和电缆导电材料等;铝与铝箔还大量用于食品、药物、卷烟的包装。

铝及其合金与钢铁相比具有导电和导热性好、无磁性、密度小、耐蚀性及塑性成形性能好、比强度髙、无低温脆性、外观漂亮、反光性好等优点,是一种综合性能非常优良的金属材料[11-15]。

铝及其合金在空气中能自发地生成一层氧化膜,这层氧化膜为非晶态,结构疏松,薄而多孔,硬度低,耐磨性差,机械强度低,耐蚀性差,因而不能满足生产生活中对其表面性能的要求。在不同的应用领域,对铝合金性能要求不同。所以要对铝合金进行不同的表面处理,以达到各种用途的目的[16-19]。

因此,本文采用阳极氧化法对铝合金表面进行处理,得到致密的氧化膜并与基体合金做对比,研究了阳极氧化对其腐蚀电化学行为的影响,这对铝合金的保护具有重要的意义。

1 实验部分

1.1 铝合金阳极氧化膜的制备

1) 铝合金的前处理。实验采用铝合金,首先用环氧树脂封装,然后用砂纸打磨抛光,用稀盐酸除氧化膜,超声波除油,最后用水、无水乙醇及丙酮清洗并干燥,待用。

2) 阳极氧化膜的制备。阳极氧化液为低铬环保型其组成为,铬酸酐20～25 g/L,磷酸50～60 ml/L,氟化氢铵3～3.5 g/L,硼酸1～1.2 g/L。采用直流电,电压为8～25 V,氧化时间为100～120 min,阳极电流密度为0.2～0.8(A/dm2),温度为室温。

1.2 测试部分

1) 合金组成测试。通过ICP对合金组成进行测试。

2) 电化学测试。实验所用仪器为美国EG&G公司生产的PARM273A和M5210电化学测量系统。测量采用三电极系统,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,铂电极作为辅助电极,铝合金电极为工作电极,控制工作表面积为1 cm2。动电位扫描极化数据经计算机采集后利用Corrview软件拟合,阳极扫描速度为0.5mV/s。交流阻抗数据经计算机采集后利用Zview2软件分析和电路拟合,测试频率范围为100 kHz～5 mHz。

2 结果与讨论

2.1 合金组成测试

表1为合金样品ICP测试结果。结果表明Al占98.84%,证明该合金为铝合金。

表1 铝合金样品ICP测试结果

2.2 开路电位自腐蚀电压

图1是铝合金在3.5%NaCl介质中腐蚀电位随时间变化曲线。可见,铝合金的自腐蚀电位随时间很快趋于稳定并且从图中可知,铝合金在裸露的条件下,十分容易被腐蚀。

铝合金基体在中性3.5%NaCl溶液中自腐蚀电位为-1 001 mV,经低铬阳极氧化处理后的铝合金自腐蚀电位为-850 mV,自腐蚀电位发生大幅度正移,合金腐蚀倾向大幅度减小。

2.3 动电位极化曲线

图2为铝合金在3.5%NaCl介质中的动电位极化曲线,表2为经Corroview软件拟合得出的电化学参数。

图1 铝合金在3.5%NaCl介质中的E-t曲线

图2 铝合金在3.5%NaCl介质中的动电位极化曲线

表2 铝合金在3.5%NaCl溶液中的极化曲线拟合结果

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

表中的参数分别为塔菲尔斜率,腐蚀电位,腐蚀电流等化学参数。从下面的图中可以看出,未经任何处理的铝合金基体试样很容易受到腐蚀,说明铝合金在未经处理的条件下,化学性质比较活泼,不易保存。本实验应用的表面处理方式是低铬的阳极氧化处理。从图中可以对比数据看出,经低铬阳极氧化处理后铝合金试样的抗腐蚀性能确有提高。

2.4 交流阻抗

图3 等效电路

图4 阳极氧化工后的铝合金与基体铝合金在3.5%NaCl介质中的交流阻抗谱(EIS)

图3是经过低铬阳极氧化处理的铝合金和未经处理的铝合金在3.5%NaCl介质溶液中的交流阻抗谱(EIS)。从EIS图中可以看出,阳极氧化后铝合金在该介质中的阻抗图谱呈单容抗弧,该容抗弧在一定程度上反映了极化电阻的大小,没有出现“扩散尾”,说明腐蚀反应受电化学控制。等效电路如图3所示。其中Rs表示溶液电阻,Rt表示电荷传递电阻,常相位角元件CPE1为电极表面双电层电容。CPE1的阻抗可表示为:

其中:Z为CPE1的阻抗;j为单位虚部;ω为角频率;Y0为常数;n为指数(0≤n≤1)。

等效电路元件拟合参数见表3。可见,基体铝合金在3.5%NaCl介质中电荷传递电阻是7 187 Ω·cm2,经过低铬阳极氧化处理的铝合金在3.5%NaCl介质中的电荷传递电阻为11 389 Ω·cm2。低铬阳极氧化膜铝合金比基体铝合金的电荷传递电阻增加,说明经低铬阳极氧化处理后铝合金试样的抗腐蚀性能确有提高,这一结果与极化曲线相一致。

表3 铝合金在3.5%NaCl溶液中开路电位下的EIS拟合结果

由表3可知,基体金属的电荷传递电阻是7 187 Ω·cm-2,阳极氧化后金属的电荷传递电阻是11 389 Ω·cm-2。可见,经阳极氧化后,电荷传递电阻Rt增大,这说明腐蚀速度减小,耐蚀效果增强,这与极化曲线所呈现的规律一致。

3 结 论

1) 由极化曲线及其数据可得,经过低铬阳极氧化处理的铝合金腐蚀电流密度要比基体铝合金腐蚀电流密度小,自腐蚀电位比基体合金正,表明低铬阳极氧化膜使腐蚀速度减慢,铝合金的耐腐蚀性能加强。

2) 由交流阻抗谱分析得,低铬阳极氧化铝合金比基体铝合金的电荷传递电阻增加,这与极化曲线所反映的规律相一致。

3) 低铬阳极氧化膜铝合金的腐蚀电流密度低于基体铝合金,电荷传递电阻大于基体铝合金,这表明低铬阳极氧化膜,覆盖能力增强导致腐蚀速度减小,耐腐蚀性能增强。

[1]唐远景.我国铝及铝合金的应用及趋势浅析[J].轻金属,1994(5):61-64.

[2]王雨顺,周俊凤,丁毅,等.铝合金两种阳极氧化工艺的氧化膜性能对比[J].轻合金加工技术, 2010(6):50-53.

[3]张高会,黄国青,徐鹏,等.铝及铝合金表面处理研究进展[J].中国计量学院学报, 2010(2):174-178.

[4]马腾,王振尧,韩薇.铝和铝合金的大气腐蚀[J].腐蚀科学与防护技术, 2004,16(3):155-161.

[5]邱佐群.铝合金件硫酸阳极氧化工艺的变革[J].表面工程资讯, 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.铝及铝合金电镀[J].表面技术, 2007,36(4):87-88.

[10]马洪芳,刘志宝,殷风玲.铝合金电镀工艺研究[J].腐蚀与防, 2003,24(4):162-163.

[11]方学锋,王泽华,刘腾彬.铝合金热喷涂技术的研究进展和应用展望[J].轻合金加工技术, 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]赵鹏辉.铝阳极氧化膜腐蚀行为的研究[D].北京:北京化工大学, 2001.

[14]蔡超.纯铝在中性NACL溶液中的腐蚀研究[D].银川:宁夏大学, 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]张屹林.汽车轻量化与铝合金[J].内燃机配件, 2004(5):37-40.

[17]边静,李凤春,曹中秋.Cu-40Ni-20Cr合金在含Cl-介质中的电化学腐蚀行为研究[J].沈阳师范大学学报:自然科学版, 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]梁秋颖,孙洪津,孙玥,等.不同晶粒尺寸Cu-Ag合金在Na2SO4介质中的腐蚀电化学行为研究[J].沈阳师范大学学报:自然科学版, 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。

辽宁省教育厅普通高等学校本科教育研究项目(UPRP20140789)。

路云舒(1990-),女,辽宁北票人,沈阳师范大学硕士研究生; 李华为(1962-),男,辽宁沈阳人,沈阳师范大学教授,硕士研究生导师。

1673-5862(2015)01-0019-04

TG113.23

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.01.005