基于實(shí)驗(yàn)分析不銹鋼電極材料在高溫動(dòng)態(tài)鋁液中的腐蝕現(xiàn)象

周立清 宋玉蘇

（湖北省武漢市海軍工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢 430033）

基于實(shí)驗(yàn)分析不銹鋼電極材料在高溫動(dòng)態(tài)鋁液中的腐蝕現(xiàn)象

周立清 宋玉蘇

（湖北省武漢市海軍工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢 430033）

隨著高科技的發(fā)展，人們?cè)诨瘜W(xué)方面的研究也越來越深入，把高科技技術(shù)運(yùn)用到化學(xué)研究中，推動(dòng)我國化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。其中電極材料在高溫動(dòng)態(tài)鋁液中腐蝕現(xiàn)象受到人們的普遍關(guān)注，利用這種現(xiàn)象研究鋁液腐蝕機(jī)理，找到不銹鋼電極材料在高溫動(dòng)態(tài)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(yè)經(jīng)營成本。本文主要以實(shí)驗(yàn)分析的方式，分析不銹鋼電極材料在高溫動(dòng)態(tài)鋁液中的腐蝕現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)分析 不銹鋼 電極材料 高溫動(dòng)態(tài)鋁液 腐蝕現(xiàn)象

在液晶顯示行業(yè)，產(chǎn)品制作工藝過程中材料比較容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，比如現(xiàn)代很多LCD產(chǎn)品都或多或少受到不同程度的腐蝕，有些工廠可能會(huì)因此遭受較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且此腐蝕現(xiàn)象不受控制，工廠生產(chǎn)時(shí)可能一粒不出，也可能達(dá)到100%的比例。所以必須找到電極材料在高溫環(huán)境下的防腐蝕措施，降低電極材料的腐蝕率，提高工廠經(jīng)濟(jì)效益。這里我們通過對(duì)不銹鋼電極材料在高溫動(dòng)態(tài)鋁液中的腐蝕現(xiàn)象對(duì)其進(jìn)行有效的評(píng)估和驗(yàn)證，進(jìn)而解決電極材料的腐蝕問題。

1 金屬材料高溫氯腐現(xiàn)象

金屬材料在常溫或者溫度高于露點(diǎn)溫度或者高于氯鹽熔點(diǎn)溫度時(shí)并不會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，只有在溫度升高到一定程度時(shí)才會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。這種腐蝕與溫度的關(guān)系是，溫度升高后腐蝕速率先升高然后在某一溫度值達(dá)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(guān)系是先隨著溫度升高而升高，達(dá)到一定的峰值后，會(huì)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。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(yán)重。

不銹鋼電極材料在高溫動(dòng)態(tài)鋁液中的腐蝕一般有兩種形式，第一是在固-液發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而腐蝕金屬表面；第二種是合金浸潤與液態(tài)金屬發(fā)生的反應(yīng)，而且與固態(tài)金屬表面形成內(nèi)反應(yīng)而發(fā)生的腐蝕現(xiàn)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(fā)生浸潤現(xiàn)象，經(jīng)過化學(xué)吸附作用，化學(xué)反應(yīng)伊始會(huì)形成FeAl3，穿過FeAl3分子層時(shí)會(huì)生成合金擴(kuò)散，在這種環(huán)境下鋁原子與鐵發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng)，這時(shí)擴(kuò)散層也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，鋁原子在濃度、梯度的作用下穿過擴(kuò)散層，F(xiàn)eAl3會(huì)轉(zhuǎn)變成Fe2Al5。當(dāng)溶液中的鋁與固態(tài)的鐵基接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生互擴(kuò)散現(xiàn)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(huì)下降，F(xiàn)eAl3會(huì)停止向鋁生長并附集在鐵基表面。而形成的Fe2Al5結(jié)構(gòu)比較特殊，會(huì)形成柱狀晶體，與此同時(shí)它會(huì)沿鐵基快速生長，通過FeAl3向鋁液中擴(kuò)散，在這種環(huán)境下鋁的的固溶體區(qū)域消失，這種流動(dòng)加速腐蝕。下面我們以實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行具體分析。

圖一 鐵鋁合金相圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

選用1Crl8Ni9Ti作為實(shí)驗(yàn)要研究的已經(jīng)被腐蝕的不銹鋼電機(jī)材料，利用SEM組織觀察方式對(duì)其進(jìn)行研究、分析。

2.1.1 泵的電極結(jié)構(gòu)分析

電磁泵的電極結(jié)構(gòu)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(dǎo)線相連，必要時(shí)接散熱片，處于室溫區(qū)。右端與電極套相連處于高溫區(qū)。導(dǎo)電膠層材料具有良好的導(dǎo)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(hù)電極的作用。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

材料的準(zhǔn)備工作，首先準(zhǔn)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(duì)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(jìn)行掃描觀察。

2.2 結(jié)果

金屬材料的鋁液腐蝕實(shí)質(zhì)上是鐵與鋁原子的相互作用，如果忽略溫度不計(jì)，這種腐蝕環(huán)境可以視為在平衡條件下進(jìn)行。如圖一。

分析圖中各個(gè)變量之間的關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)，隨著鋁量的增加，鋁原子會(huì)在a-Fe溶解中的的溶解度隨著溫度的變化也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，在一定的溫度下鐵原子會(huì)發(fā)生變化，在不同的溫度下，鋁原子在鐵中以不同的形態(tài)存在。鋁量增加到一定的程度，溶液會(huì)出現(xiàn)雙相區(qū)和液相區(qū)。在溫度為665攝氏度的環(huán)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(shí)鐵原子在鋁液中的溶解度比較小，所以，鐵原子在鋁液中擴(kuò)散不應(yīng)視為鋁腐蝕的主要原因。

而在平衡狀態(tài)下會(huì)發(fā)生浸潤現(xiàn)象。然后鋁原子化學(xué)吸附并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在鐵鋁化合物中形成一種熱最低現(xiàn)象，然后溶液中的鐵鋁原子通過FeAl3，而且他們?cè)诜肿訉酉嗷プ饔茫谶@種情況下擴(kuò)散層發(fā)生相變。而又因?yàn)镕eAl3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(huán)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(fā)現(xiàn)鐵基的腐蝕界面為一條直線，腐蝕界面是一個(gè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域比較窄，不銹鋼中發(fā)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(gè)現(xiàn)象中我們不難看出不銹鋼是在鋁液浸入時(shí)發(fā)生腐蝕反應(yīng)的。在電極材料的SEM組織進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)鋁基體到不銹鋼機(jī)體的過程中，不銹鋼被腐蝕，并在鋁中存在富鐵區(qū)域，從此現(xiàn)象中我們可以分析得出該點(diǎn)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(fā)生反應(yīng)；另外一個(gè)點(diǎn)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(gè)緩慢的過程。

3 腐蝕機(jī)理分析

假設(shè)腐蝕過程只發(fā)生在固液環(huán)境下，不銹鋼表面應(yīng)該被鋁液逐漸腐蝕掉，鋁液界面應(yīng)該是平坦的，而且在過渡層不銹鋼的擴(kuò)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(dòng)態(tài)鋁液中的腐蝕現(xiàn)象需要一個(gè)緩慢的化學(xué)反應(yīng)周期，他不會(huì)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(jié)合鋁-鐵腐蝕研究分析，加上熱力學(xué)的影響，鋁液逐漸侵蝕不銹鋼，并慢慢包圍它。在此過程中會(huì)發(fā)生固溶效應(yīng)，隨著固溶效應(yīng)深入而發(fā)生化合反應(yīng)，進(jìn)而生成Fe2Al5。

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)不銹鋼在鋁溶液中受鉻元素的抑制以及動(dòng)態(tài)鋁液的沖涮，產(chǎn)生較薄的金屬間化合物膜。然后根據(jù)不銹鋼在鋁液中的腐蝕機(jī)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(jié)合強(qiáng)度高，能夠阻止高溫下鋁液腐蝕。

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