基于實驗分析不銹鋼電極材料在高溫動態鋁液中的腐蝕現象

周立清 宋玉蘇

（湖北省武漢市海軍工程大學理學院，湖北武漢 430033）

基于實驗分析不銹鋼電極材料在高溫動態鋁液中的腐蝕現象

周立清 宋玉蘇

（湖北省武漢市海軍工程大學理學院，湖北武漢 430033）

隨著高科技的發展，人們在化學方面的研究也越來越深入，把高科技技術運用到化學研究中，推動我國化學工業的發展。其中電極材料在高溫動態鋁液中腐蝕現象受到人們的普遍關注，利用這種現象研究鋁液腐蝕機理，找到不銹鋼電極材料在高溫動態鋁液中的防腐蝕措施，提高不銹鋼電極材料的使用壽命，降低企業經營成本。本文主要以實驗分析的方式，分析不銹鋼電極材料在高溫動態鋁液中的腐蝕現象。

實驗分析 不銹鋼 電極材料 高溫動態鋁液 腐蝕現象

在液晶顯示行業，產品制作工藝過程中材料比較容易出現腐蝕現象，比如現代很多LCD產品都或多或少受到不同程度的腐蝕，有些工廠可能會因此遭受較大的經濟損失，而且此腐蝕現象不受控制，工廠生產時可能一粒不出，也可能達到100%的比例。所以必須找到電極材料在高溫環境下的防腐蝕措施，降低電極材料的腐蝕率，提高工廠經濟效益。這里我們通過對不銹鋼電極材料在高溫動態鋁液中的腐蝕現象對其進行有效的評估和驗證，進而解決電極材料的腐蝕問題。

1 金屬材料高溫氯腐現象

金屬材料在常溫或者溫度高于露點溫度或者高于氯鹽熔點溫度時并不會發生腐蝕現象，只有在溫度升高到一定程度時才會發生腐蝕現象。這種腐蝕與溫度的關系是，溫度升高后腐蝕速率先升高然后在某一溫度值達到最高值，而后隨著溫度的升高，腐蝕速率降低。高溫率腐蝕的速率與溫度的關系是先隨著溫度升高而升高，達到一定的峰值后，會隨著溫度的升高而下降。另外，鋁液腐蝕一般具有選擇性，這種選擇性腐蝕在腐蝕界面向金屬基體的方向上，靠近腐蝕界面的合金中鉻鐵的含量比基體中的低。去掉表面氧化層后，金屬表面呈網狀結構。金屬材料的抗腐蝕能力比較差，特別是在高溫鋁溶液中比在空氣中腐蝕更加嚴重。

不銹鋼電極材料在高溫動態鋁液中的腐蝕一般有兩種形式，第一是在固-液發生的化學反應，進而腐蝕金屬表面；第二種是合金浸潤與液態金屬發生的反應，而且與固態金屬表面形成內反應而發生的腐蝕現象。在共晶溫度下，鐵在鋁液中的極限濃度為0.03%。鐵基合金在鋁溶液中發生浸潤現象，經過化學吸附作用，化學反應伊始會形成FeAl3，穿過FeAl3分子層時會生成合金擴散，在這種環境下鋁原子與鐵發生相應的反應，這時擴散層也會發生相應變化，鋁原子在濃度、梯度的作用下穿過擴散層，FeAl3會轉變成Fe2Al5。當溶液中的鋁與固態的鐵基接觸時，會產生互擴散現象，而且隨著鋁溶液中鐵量的上升，形成FeAl3，而后鐵及附近的溫度會下降，FeAl3會停止向鋁生長并附集在鐵基表面。而形成的Fe2Al5結構比較特殊，會形成柱狀晶體，與此同時它會沿鐵基快速生長，通過FeAl3向鋁液中擴散，在這種環境下鋁的的固溶體區域消失，這種流動加速腐蝕。下面我們以實驗的方式進行具體分析。

圖一 鐵鋁合金相圖

2 實驗分析

2.1 實驗方法

選用1Crl8Ni9Ti作為實驗要研究的已經被腐蝕的不銹鋼電機材料，利用SEM組織觀察方式對其進行研究、分析。

2.1.1 泵的電極結構分析

電磁泵的電極結構比較簡單，主要有極柄、極芯、耐火材料、電極套等幾部分組成，極柄左端與導線相連，必要時接散熱片，處于室溫區。右端與電極套相連處于高溫區。導電膠層材料具有良好的導電性高溫抗熱震性；耐火材料的作用是將高溫與電極套隔離，從而起到保護電極的作用。

2.1.2 實驗方法

材料的準備工作，首先準備一些廢棄的不銹鋼電極材料，利用線切割下一段半圓柱的試樣；再對試樣做一些加工處理，研磨、拋光、腐蝕劑，腐蝕劑有水、氯化氫、三氯化鐵等。腐蝕后進行掃描觀察。

2.2 結果

金屬材料的鋁液腐蝕實質上是鐵與鋁原子的相互作用，如果忽略溫度不計，這種腐蝕環境可以視為在平衡條件下進行。如圖一。

分析圖中各個變量之間的關系，不難發現，隨著鋁量的增加，鋁原子會在a-Fe溶解中的的溶解度隨著溫度的變化也會發生相應的變化，在一定的溫度下鐵原子會發生變化，在不同的溫度下，鋁原子在鐵中以不同的形態存在。鋁量增加到一定的程度，溶液會出現雙相區和液相區。在溫度為665攝氏度的環境下鋁與鐵形成共晶，在共晶溫度下，鐵在鋁液中極限濃度為0.03%，這時鐵原子在鋁液中的溶解度比較小，所以，鐵原子在鋁液中擴散不應視為鋁腐蝕的主要原因。

而在平衡狀態下會發生浸潤現象。然后鋁原子化學吸附并產生化學反應，在鐵鋁化合物中形成一種熱最低現象，然后溶液中的鐵鋁原子通過FeAl3，而且他們在分子層相互作用，在這種情況下擴散層發生相變。而又因為FeAl3相的不均勻性，所以在相變的過程中使得部分地方的鐵基體暴露于鋁液環境下而再次受到腐蝕。

2.3 SEM組織觀察

通過SEM組織觀察，我們可以發現鐵基的腐蝕界面為一條直線，腐蝕界面是一個區域，這個區域比較窄，不銹鋼中發黑的地方為硫化夾雜物，顏色較淺的鋁掩蓋住顏色較深的不銹鋼，從這個現象中我們不難看出不銹鋼是在鋁液浸入時發生腐蝕反應的。在電極材料的SEM組織進行能譜分析，發現鋁基體到不銹鋼機體的過程中，不銹鋼被腐蝕，并在鋁中存在富鐵區域，從此現象中我們可以分析得出該點處于被鋁液腐蝕掉的不銹鋼周圍，這一小塊還沒有被完全腐蝕的不銹鋼，在鋁鋁溶液中發生反應；另外一個點位于不銹鋼比較深的部位，這就說明不銹鋼的腐蝕不是一蹴而就的，而是一個緩慢的過程。

3 腐蝕機理分析

假設腐蝕過程只發生在固液環境下，不銹鋼表面應該被鋁液逐漸腐蝕掉，鋁液界面應該是平坦的，而且在過渡層不銹鋼的擴散下呈均勻分布。通過SEM分析得知不銹鋼電極材料在高溫動態鋁液中的腐蝕現象需要一個緩慢的化學反應周期，他不會一接觸到鋁溶液就迅速腐蝕，它是在不銹鋼跑落掉入鋁液中緩慢腐蝕。再結合鋁-鐵腐蝕研究分析，加上熱力學的影響，鋁液逐漸侵蝕不銹鋼，并慢慢包圍它。在此過程中會發生固溶效應，隨著固溶效應深入而發生化合反應，進而生成Fe2Al5。

4 結語

通過實驗我們發現不銹鋼在鋁溶液中受鉻元素的抑制以及動態鋁液的沖涮，產生較薄的金屬間化合物膜。然后根據不銹鋼在鋁液中的腐蝕機理找到不銹鋼抗鋁溶液腐蝕的主要思路是在不銹鋼和鋁溶液間加一層屏蔽層，比如涂層、鍍層等，這種屏蔽層和金屬材料基體之間的結合強度高，能夠阻止高溫下鋁液腐蝕。

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