A7N01S-T5型鋁合金在清洗劑中的點(diǎn)蝕敏感性研究

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)工程部，山東 青島 266111)

A7N01S-T5型鋁合金在清洗劑中的點(diǎn)蝕敏感性研究

趙 民 姜代旬

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)工程部，山東 青島 266111)

采用極化曲線方法研究了A7N01S-T5型鋁合金在某系列的不同pH值清洗劑中的點(diǎn)蝕行為。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋁合金在該系列中性、酸性和堿性清洗劑中均會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕，而鋁合金點(diǎn)蝕敏感性的大小與清洗劑的pH值有關(guān)，pH值主要通過影響鋁合金表面氧化膜和腐蝕產(chǎn)物膜的穩(wěn)定性來影響鋁合金的耐點(diǎn)蝕性能。

鋁合金 清洗劑 點(diǎn)蝕 極化曲線

0 前言

A7N01S-T5型鋁合金(以下簡稱鋁合金)與7000系鋁合金中的Al-Zn-Mg系鋁合金相當(dāng)，其強(qiáng)度高，擠壓性能好，能擠壓成形狀復(fù)雜的薄壁型材，常用作軌道車輛的結(jié)構(gòu)材料。運(yùn)用期間的采用水基清洗劑進(jìn)行日常清洗。但是部分清洗劑中含有引發(fā)鋁合金點(diǎn)蝕的成分，如Cl-離子[1～3]。點(diǎn)蝕又稱孔蝕，是鋁合金材料常見的局部腐蝕形態(tài)之一，發(fā)生點(diǎn)蝕的鋁合金表面會(huì)出現(xiàn)針狀坑點(diǎn)，這些坑點(diǎn)有可能從鋁合金的表面向基體內(nèi)擴(kuò)展并最終形成孔穴[4]。到目前為止，有關(guān)清洗劑是否能誘發(fā)鋁合金材料點(diǎn)蝕以及其點(diǎn)蝕腐蝕性程度及特點(diǎn)等問題還未見到相關(guān)的研究報(bào)道。

本文選取了A7N01S-T5型鋁合金和中性、酸性、堿性共三種常用清洗劑作為研究對(duì)象，通過電化學(xué)技術(shù)研究了鋁合金在該系列清洗劑溶液中的電化學(xué)行為，進(jìn)而探究其在清洗劑中的點(diǎn)蝕敏感性，比較了該系列三種清洗劑誘發(fā)鋁合金點(diǎn)蝕能力的大小。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1) 原材料。

表1 A7N01S-T5型鋁合金的化學(xué)成分(wt, %)

實(shí)驗(yàn)中所使用的鋁合金材料的牌號(hào)為A7N01S-T5，屬7000系鋁合金中的Al-Zn-Mg系鋁合金，主要合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

(2) 試樣的制備。

先從大塊鋁合金原材料上切割出尺寸為10mm×10mm×5mm的小樣，經(jīng)穿孔與外接導(dǎo)線后用環(huán)氧樹脂進(jìn)行絕緣密封，只露出10mm×10mm的工作面；緊接著依次用200#、600#、800#和1200#砂紙逐級(jí)打磨至鏡面光亮后，再經(jīng)無水乙醇和丙酮清洗并冷風(fēng)干燥后即成為電化學(xué)研究用工作電極試樣，并待用。

(3) 清洗劑溶液。

為了便于描述，試驗(yàn)中使用的中性、酸性和堿性清洗劑分別用QXJ-1、QXJ-2和QXJ-3表述。三種清洗劑分別按照實(shí)際使用濃度10%、20%、40%(質(zhì)量比)配制而成，相關(guān)的物理化學(xué)指標(biāo)參見表2。

表2 三種清洗劑的物理化學(xué)指標(biāo)

1.2 電化學(xué)測試

將上述待用的工作電極分別浸泡在25±2℃的10%QXJ-1、20%QXJ-2和40%QXJ-3的三種清洗劑溶液中。極化曲線的測試在武漢科思特儀器有限公司生產(chǎn)的CS300型電化學(xué)工作站完成，通過動(dòng)電位掃描法來獲得相應(yīng)的極化曲線。三電極體系由鉑片輔助電極、飽和甘汞參比電極和A7N01S-T5鋁合金工作電極構(gòu)成。動(dòng)電位掃描速度為2mV/s。根據(jù)電化學(xué)測試所獲得的極化曲線，得到擊穿電位Eb和保護(hù)電位Ep及兩者之間的差值(Eb-Ep)等反映點(diǎn)蝕敏感性的電化學(xué)特征參數(shù)，最后根據(jù)這些參數(shù)值及其變化規(guī)律來探討鋁合金在三種清洗劑溶液中的點(diǎn)蝕敏感性與行為規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁合金在中性QXJ-1清洗劑溶液中的點(diǎn)蝕行為

圖1所示為鋁合金在QXJ-1清洗劑溶液中的極化曲線，其相應(yīng)的電化學(xué)特征參數(shù)示于表3中。由圖1可知，鋁合金在QXJ-1清洗劑溶液中的極化曲線都有一段穩(wěn)態(tài)鈍化區(qū)和一個(gè)滯后環(huán)，說明鋁合金在QXJ-1中性清洗劑溶液中能發(fā)生點(diǎn)蝕[5]。鋁合金耐點(diǎn)蝕能力的大小與其表面鈍化膜的完整和破損后自修復(fù)能力有關(guān)。當(dāng)電位高于擊穿電位Eb時(shí)，電流隨電壓升高開始快速增大，說明鈍化膜發(fā)生了破裂，鋁合金表面發(fā)生點(diǎn)蝕。一般擊穿電位Eb越大，鋁合金的耐點(diǎn)蝕能力越強(qiáng)；滯后環(huán)越大，擊穿電位與保護(hù)電位之差即Eb-Ep值越大，鈍化膜破壞的越嚴(yán)重，已經(jīng)出現(xiàn)的蝕孔發(fā)展的趨勢越大，腐蝕越嚴(yán)重[6]。從圖1和表3的數(shù)據(jù)可以看出：對(duì)于浸泡0~21天的鋁試樣來說，隨著浸泡時(shí)間的延長，擊穿電位Eb，滯后環(huán)面積及Eb-Ep值均逐漸減小，說明材料的耐點(diǎn)蝕性能逐漸下降，但是已有蝕孔的發(fā)展趨勢會(huì)逐漸減小。擊穿電位Eb與Eb-Ep值減小的越來越緩慢，表明浸泡時(shí)間越長鋁合金表面氧化膜破壞速度越慢，點(diǎn)蝕敏感性差異越小。與浸泡21天的試樣相比，浸泡28天的試樣Eb值突然增大，但是增大幅度較小而且依然小于浸泡7天時(shí)鋁試樣的擊穿電位，這可能是由于長時(shí)間浸泡產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物沉積在破損的鈍化膜表面，對(duì)鋁合金起到了一定的保護(hù)作用[7]。

由圖1和表3還可以看出：極化曲線的Eb值越大，所對(duì)應(yīng)的滯后環(huán)及Eb-Ep值也會(huì)增大，此時(shí)鋁合金的點(diǎn)蝕敏感性越低，但已有點(diǎn)蝕繼續(xù)發(fā)展趨勢會(huì)越大；如果極化電位高于擊穿電位Eb時(shí)，新產(chǎn)生的點(diǎn)蝕發(fā)展速度將加快。

2.2 鋁合金在酸性QXJ-2清洗劑溶液中的點(diǎn)蝕行為

圖2所示為鋁合金在QXJ-2清洗劑溶液中的極化曲線，其相應(yīng)的電化學(xué)特征參數(shù)示于表4中。由圖2可知，鋁合金在酸性清洗劑溶液中的極化曲線同樣存在一段穩(wěn)態(tài)鈍化區(qū)和一個(gè)滯后環(huán)，說明鋁合金在QXJ-2酸性清洗劑溶液中也能發(fā)生點(diǎn)蝕。從圖2和表4可以看出：在所研究的浸泡試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，極化曲線上的擊穿電位Eb值、滯后環(huán)面積及Eb-Ep值均處于周期性波動(dòng)的狀態(tài)。因?yàn)閾舸╇娢籈b變化范圍比較大，大約在-0.3848~-0.7121V之間，說明鋁合金在酸性QXJ-2清洗劑溶液中的鈍化膜很不穩(wěn)定，其破壞速度與修復(fù)速度有很大的時(shí)間差異性。由圖2和表4還可以看出：極化曲線上的Eb值越大，滯后環(huán)也相應(yīng)增大，說明鋁合金的點(diǎn)蝕敏感性越低，但是點(diǎn)蝕一旦形成，其生長趨勢越大；反之，點(diǎn)蝕敏感性越高時(shí)，點(diǎn)蝕形成后，其生長趨勢越小。

圖1 鋁合金在中性QXJ-1清洗劑溶液中的極化曲線

表3 鋁合金在中性QXJ-1清洗劑溶液中的特征電化學(xué)參數(shù)

圖2 鋁合金在QXJ-2清洗劑溶液中的極化曲線

2.3 鋁合金在堿性QXJ-3清洗劑溶液中的點(diǎn)蝕行為

圖3為鋁合金在QXJ-3清洗劑溶液中的極化曲線，其相應(yīng)的電化學(xué)特征參數(shù)示于表5中。由圖3可知，鋁合金在堿性QXJ-3清洗劑溶液中同樣能夠發(fā)生點(diǎn)蝕。并且隨著浸泡時(shí)間的延長，擊穿電位Eb與Eb-Ep值逐漸減小，但是滯后環(huán)的面積變化不大。說明在堿性清洗劑溶液中浸泡時(shí)間越長，鋁合金的點(diǎn)蝕敏感性越高，已有點(diǎn)蝕繼續(xù)發(fā)展的趨勢越來越小。由表5可知，當(dāng)浸泡時(shí)間小于28天時(shí)，Eb的變化不大，處在-0.6620~-0.5084V之間，說明在堿性清洗劑溶液中鋁合金的點(diǎn)蝕敏感性較高，易發(fā)生點(diǎn)蝕。但是當(dāng)浸泡至28天時(shí)，擊穿電位Eb急劇增大，滯后環(huán)也相應(yīng)地變大，表明此時(shí)在堿性清洗劑中形成的腐蝕產(chǎn)物覆蓋了鋁合金表面破損的氧化膜，完成了自修復(fù)過程，降低了自身的點(diǎn)蝕敏感性。

圖3 鋁合金在堿性QXJ-3清洗劑溶液中的極化曲線

表5 鋁合金在QXJ-3清洗劑溶液中的特征電化學(xué)參數(shù)

2.4 不同溶液中鋁合金點(diǎn)蝕敏感性分析

雖然鋁合金在三種清洗劑溶液中的點(diǎn)蝕行為不同，但是其點(diǎn)蝕敏感性的大小都是由膜的破損與修復(fù)兩個(gè)過程決定。膜的完整性越好，溶液透過氧化膜越困難則點(diǎn)蝕敏感性低；如果氧化膜易破損并且自修復(fù)能力差，則點(diǎn)蝕敏感性就會(huì)越高。在中性清洗劑與堿性清洗劑浸泡過程中，鋁合金的抗點(diǎn)蝕能力逐漸下降，到一定時(shí)期由于腐蝕產(chǎn)物的一定保護(hù)作用又使得鋁合金的抗點(diǎn)蝕能力提高；但是在酸性清洗劑中則不同，由于固態(tài)的腐蝕產(chǎn)物不易形成，其抗點(diǎn)蝕能力一直在處于一定水平上。

鋁合金在三種清洗劑溶液中的擊穿電位隨浸泡時(shí)間的變化如圖4所示。由圖4可知，浸泡時(shí)間的增加，鋁合金的擊穿電位Eb值下降，并且在中性清洗劑中下降的幅度最大，而在堿性和酸性清洗劑中擊穿電位Eb值雖有下降，但是不像在中性清洗劑中那樣顯著，這表明試驗(yàn)時(shí)間的延長增加了鋁合金在中性清洗劑的點(diǎn)蝕敏感性，但是對(duì)在堿性和酸性清洗劑中點(diǎn)蝕敏感性的增大不是那樣明顯，可知堿性與酸性清洗劑含有較多引起鋁合金發(fā)生點(diǎn)蝕的成分。由圖4還可以看出鋁合金在三種清洗劑溶液中的擊穿電位Eb值大小依次是EbQXJ-1>EbQXJ-2>EbQXJ-3，說明鋁合金在中性清洗劑中的點(diǎn)蝕敏感性最小，酸性清洗劑次之，堿性清洗劑點(diǎn)蝕敏感性最高。鋁合金在中性清洗劑中的Eb值急劇下降，而在酸性清洗劑與堿性清洗劑中的Eb值變化較小，說明在中性清洗劑中鋁合金表面的鈍化膜剛開始起到了很好的保護(hù)作用，而后由于活性離子透過氧化膜引發(fā)點(diǎn)蝕，使得擊穿電位急劇下降。在酸性清洗劑與堿性清洗劑中，一開始鈍化膜就受到嚴(yán)重的破壞，擊穿電位偏低，這是因?yàn)殇X合金表面氧化膜的成分Al2O3是兩性化合物，既溶于酸又溶于堿，所以，在酸性清洗劑與堿性清洗劑溶液中氧化膜均易破損，裸露的鋁合金又與氧化膜形成小陽極大陰極的腐蝕電池，加速鋁合金發(fā)生點(diǎn)蝕；而在中性清洗劑溶液中，Al2O3氧化膜相對(duì)穩(wěn)定，不易溶解，只有當(dāng)溶液中的活性離子通過氧化膜與鋁合金基體接觸時(shí)才能誘發(fā)點(diǎn)蝕。

然而當(dāng)鋁試樣浸泡超過21天后，三種清洗劑溶液中的鋁合金擊穿電位升高，點(diǎn)蝕敏感性均降低，28天時(shí)堿性QXJ-3清洗劑中的鋁合金擊穿電位最高，說明此時(shí)其耐點(diǎn)蝕性能最佳，這是由于浸泡過程中含有Al(OH)3的腐蝕產(chǎn)物填補(bǔ)鈍化膜破損處或者在原有氧化膜外層又形成了較致密的隔離層；而在酸性QXJ-2清洗劑與QXJ-1中性清洗劑中主要是以Al3+離子水解形成Al(OH)3腐蝕產(chǎn)物，但是形成的量少，對(duì)鋁合金的保護(hù)作用相對(duì)較弱，加之酸性QXJ-2清洗劑中含有較多的H+離子，進(jìn)一步阻礙了Al(OH)3腐蝕產(chǎn)物的形成，所以浸泡一段時(shí)間后其點(diǎn)蝕敏感性最高。

圖4 鋁合金在三種清洗劑溶液中擊穿電位Eb值與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié)論

鋁合金在三種清洗劑中的點(diǎn)蝕敏感性與清洗劑的pH值有關(guān)。當(dāng)浸泡時(shí)間小于21天時(shí)，在酸性與堿性清洗劑中，鋁合金的點(diǎn)蝕敏感性高，易發(fā)生點(diǎn)蝕；相反在中性清洗劑中鋁合金的點(diǎn)蝕敏感性低，相對(duì)而言不易發(fā)生點(diǎn)蝕。當(dāng)浸泡時(shí)間超過21天后，在堿性清洗劑中鋁合金的點(diǎn)蝕敏感性降低，相反在中性與酸性清洗劑中則相對(duì)較高。

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Study on the Pitting Sensitivity of A7N01S-T5 Aluminum Alloy in Degreasers

ZHAO Min, JIANG Dai-xun
(Department of Engineering Technology, China South Locomotive＆Rolling Stock Corp, Qingdao 266111, China)

In order to obtain the pitting corrosion sensitivity of aluminum alloy, the polarization curve was used to study the pitting corrosion behavior of A7N01S-T5 aluminum alloy in a certain series of degreasers. The results of experiments indicated pH value of the degreasers and corrosion products had a great influence on pitting sensitivity of aluminum alloy. PH value mainly affected the stability of the surface oxidation film of aluminum alloy, and the corrosion products influenced the pitting sensitivity of aluminum alloy through forming the dense isolation layer.

aluminum alloy; degreaser; pitting corrosion sensitivity; polarization curve

TG172

A

趙民 (1973－) ，男，高級(jí)工程師。