A7N01S-T5型铝合金在清洗剂中的点蚀敏感性研究

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术工程部，山东 青岛 266111)

A7N01S-T5型铝合金在清洗剂中的点蚀敏感性研究

赵 民 姜代旬

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术工程部，山东 青岛 266111)

采用极化曲线方法研究了A7N01S-T5型铝合金在某系列的不同pH值清洗剂中的点蚀行为。试验结果表明：铝合金在该系列中性、酸性和碱性清洗剂中均会发生点蚀，而铝合金点蚀敏感性的大小与清洗剂的pH值有关，pH值主要通过影响铝合金表面氧化膜和腐蚀产物膜的稳定性来影响铝合金的耐点蚀性能。

铝合金 清洗剂 点蚀 极化曲线

0 前言

A7N01S-T5型铝合金(以下简称铝合金)与7000系铝合金中的Al-Zn-Mg系铝合金相当，其强度高，挤压性能好，能挤压成形状复杂的薄壁型材，常用作轨道车辆的结构材料。运用期间的采用水基清洗剂进行日常清洗。但是部分清洗剂中含有引发铝合金点蚀的成分，如Cl-离子[1～3]。点蚀又称孔蚀，是铝合金材料常见的局部腐蚀形态之一，发生点蚀的铝合金表面会出现针状坑点，这些坑点有可能从铝合金的表面向基体内扩展并最终形成孔穴[4]。到目前为止，有关清洗剂是否能诱发铝合金材料点蚀以及其点蚀腐蚀性程度及特点等问题还未见到相关的研究报道。

本文选取了A7N01S-T5型铝合金和中性、酸性、碱性共三种常用清洗剂作为研究对象，通过电化学技术研究了铝合金在该系列清洗剂溶液中的电化学行为，进而探究其在清洗剂中的点蚀敏感性，比较了该系列三种清洗剂诱发铝合金点蚀能力的大小。

1 实验方法

1.1 实验材料

(1) 原材料。

表1 A7N01S-T5型铝合金的化学成分(wt, %)

实验中所使用的铝合金材料的牌号为A7N01S-T5，属7000系铝合金中的Al-Zn-Mg系铝合金，主要合金元素的质量分数见表1。

(2) 试样的制备。

先从大块铝合金原材料上切割出尺寸为10mm×10mm×5mm的小样，经穿孔与外接导线后用环氧树脂进行绝缘密封，只露出10mm×10mm的工作面；紧接着依次用200#、600#、800#和1200#砂纸逐级打磨至镜面光亮后，再经无水乙醇和丙酮清洗并冷风干燥后即成为电化学研究用工作电极试样，并待用。

(3) 清洗剂溶液。

为了便于描述，试验中使用的中性、酸性和碱性清洗剂分别用QXJ-1、QXJ-2和QXJ-3表述。三种清洗剂分别按照实际使用浓度10%、20%、40%(质量比)配制而成，相关的物理化学指标参见表2。

表2 三种清洗剂的物理化学指标

1.2 电化学测试

将上述待用的工作电极分别浸泡在25±2℃的10%QXJ-1、20%QXJ-2和40%QXJ-3的三种清洗剂溶液中。极化曲线的测试在武汉科思特仪器有限公司生产的CS300型电化学工作站完成，通过动电位扫描法来获得相应的极化曲线。三电极体系由铂片辅助电极、饱和甘汞参比电极和A7N01S-T5铝合金工作电极构成。动电位扫描速度为2mV/s。根据电化学测试所获得的极化曲线，得到击穿电位Eb和保护电位Ep及两者之间的差值(Eb-Ep)等反映点蚀敏感性的电化学特征参数，最后根据这些参数值及其变化规律来探讨铝合金在三种清洗剂溶液中的点蚀敏感性与行为规律。

2 结果与讨论

2.1 铝合金在中性QXJ-1清洗剂溶液中的点蚀行为

图1所示为铝合金在QXJ-1清洗剂溶液中的极化曲线，其相应的电化学特征参数示于表3中。由图1可知，铝合金在QXJ-1清洗剂溶液中的极化曲线都有一段稳态钝化区和一个滞后环，说明铝合金在QXJ-1中性清洗剂溶液中能发生点蚀[5]。铝合金耐点蚀能力的大小与其表面钝化膜的完整和破损后自修复能力有关。当电位高于击穿电位Eb时，电流随电压升高开始快速增大，说明钝化膜发生了破裂，铝合金表面发生点蚀。一般击穿电位Eb越大，铝合金的耐点蚀能力越强；滞后环越大，击穿电位与保护电位之差即Eb-Ep值越大，钝化膜破坏的越严重，已经出现的蚀孔发展的趋势越大，腐蚀越严重[6]。从图1和表3的数据可以看出：对于浸泡0~21天的铝试样来说，随着浸泡时间的延长，击穿电位Eb，滞后环面积及Eb-Ep值均逐渐减小，说明材料的耐点蚀性能逐渐下降，但是已有蚀孔的发展趋势会逐渐减小。击穿电位Eb与Eb-Ep值减小的越来越缓慢，表明浸泡时间越长铝合金表面氧化膜破坏速度越慢，点蚀敏感性差异越小。与浸泡21天的试样相比，浸泡28天的试样Eb值突然增大，但是增大幅度较小而且依然小于浸泡7天时铝试样的击穿电位，这可能是由于长时间浸泡产生的腐蚀产物沉积在破损的钝化膜表面，对铝合金起到了一定的保护作用[7]。

由图1和表3还可以看出：极化曲线的Eb值越大，所对应的滞后环及Eb-Ep值也会增大，此时铝合金的点蚀敏感性越低，但已有点蚀继续发展趋势会越大；如果极化电位高于击穿电位Eb时，新产生的点蚀发展速度将加快。

2.2 铝合金在酸性QXJ-2清洗剂溶液中的点蚀行为

图2所示为铝合金在QXJ-2清洗剂溶液中的极化曲线，其相应的电化学特征参数示于表4中。由图2可知，铝合金在酸性清洗剂溶液中的极化曲线同样存在一段稳态钝化区和一个滞后环，说明铝合金在QXJ-2酸性清洗剂溶液中也能发生点蚀。从图2和表4可以看出：在所研究的浸泡试验时间内，极化曲线上的击穿电位Eb值、滞后环面积及Eb-Ep值均处于周期性波动的状态。因为击穿电位Eb变化范围比较大，大约在-0.3848~-0.7121V之间，说明铝合金在酸性QXJ-2清洗剂溶液中的钝化膜很不稳定，其破坏速度与修复速度有很大的时间差异性。由图2和表4还可以看出：极化曲线上的Eb值越大，滞后环也相应增大，说明铝合金的点蚀敏感性越低，但是点蚀一旦形成，其生长趋势越大；反之，点蚀敏感性越高时，点蚀形成后，其生长趋势越小。

图1 铝合金在中性QXJ-1清洗剂溶液中的极化曲线

表3 铝合金在中性QXJ-1清洗剂溶液中的特征电化学参数

图2 铝合金在QXJ-2清洗剂溶液中的极化曲线

2.3 铝合金在碱性QXJ-3清洗剂溶液中的点蚀行为

图3为铝合金在QXJ-3清洗剂溶液中的极化曲线，其相应的电化学特征参数示于表5中。由图3可知，铝合金在碱性QXJ-3清洗剂溶液中同样能够发生点蚀。并且随着浸泡时间的延长，击穿电位Eb与Eb-Ep值逐渐减小，但是滞后环的面积变化不大。说明在碱性清洗剂溶液中浸泡时间越长，铝合金的点蚀敏感性越高，已有点蚀继续发展的趋势越来越小。由表5可知，当浸泡时间小于28天时，Eb的变化不大，处在-0.6620~-0.5084V之间，说明在碱性清洗剂溶液中铝合金的点蚀敏感性较高，易发生点蚀。但是当浸泡至28天时，击穿电位Eb急剧增大，滞后环也相应地变大，表明此时在碱性清洗剂中形成的腐蚀产物覆盖了铝合金表面破损的氧化膜，完成了自修复过程，降低了自身的点蚀敏感性。

图3 铝合金在碱性QXJ-3清洗剂溶液中的极化曲线

表5 铝合金在QXJ-3清洗剂溶液中的特征电化学参数

2.4 不同溶液中铝合金点蚀敏感性分析

虽然铝合金在三种清洗剂溶液中的点蚀行为不同，但是其点蚀敏感性的大小都是由膜的破损与修复两个过程决定。膜的完整性越好，溶液透过氧化膜越困难则点蚀敏感性低；如果氧化膜易破损并且自修复能力差，则点蚀敏感性就会越高。在中性清洗剂与碱性清洗剂浸泡过程中，铝合金的抗点蚀能力逐渐下降，到一定时期由于腐蚀产物的一定保护作用又使得铝合金的抗点蚀能力提高；但是在酸性清洗剂中则不同，由于固态的腐蚀产物不易形成，其抗点蚀能力一直在处于一定水平上。

铝合金在三种清洗剂溶液中的击穿电位随浸泡时间的变化如图4所示。由图4可知，浸泡时间的增加，铝合金的击穿电位Eb值下降，并且在中性清洗剂中下降的幅度最大，而在碱性和酸性清洗剂中击穿电位Eb值虽有下降，但是不像在中性清洗剂中那样显著，这表明试验时间的延长增加了铝合金在中性清洗剂的点蚀敏感性，但是对在碱性和酸性清洗剂中点蚀敏感性的增大不是那样明显，可知碱性与酸性清洗剂含有较多引起铝合金发生点蚀的成分。由图4还可以看出铝合金在三种清洗剂溶液中的击穿电位Eb值大小依次是EbQXJ-1>EbQXJ-2>EbQXJ-3，说明铝合金在中性清洗剂中的点蚀敏感性最小，酸性清洗剂次之，碱性清洗剂点蚀敏感性最高。铝合金在中性清洗剂中的Eb值急剧下降，而在酸性清洗剂与碱性清洗剂中的Eb值变化较小，说明在中性清洗剂中铝合金表面的钝化膜刚开始起到了很好的保护作用，而后由于活性离子透过氧化膜引发点蚀，使得击穿电位急剧下降。在酸性清洗剂与碱性清洗剂中，一开始钝化膜就受到严重的破坏，击穿电位偏低，这是因为铝合金表面氧化膜的成分Al2O3是两性化合物，既溶于酸又溶于碱，所以，在酸性清洗剂与碱性清洗剂溶液中氧化膜均易破损，裸露的铝合金又与氧化膜形成小阳极大阴极的腐蚀电池，加速铝合金发生点蚀；而在中性清洗剂溶液中，Al2O3氧化膜相对稳定，不易溶解，只有当溶液中的活性离子通过氧化膜与铝合金基体接触时才能诱发点蚀。

然而当铝试样浸泡超过21天后，三种清洗剂溶液中的铝合金击穿电位升高，点蚀敏感性均降低，28天时碱性QXJ-3清洗剂中的铝合金击穿电位最高，说明此时其耐点蚀性能最佳，这是由于浸泡过程中含有Al(OH)3的腐蚀产物填补钝化膜破损处或者在原有氧化膜外层又形成了较致密的隔离层；而在酸性QXJ-2清洗剂与QXJ-1中性清洗剂中主要是以Al3+离子水解形成Al(OH)3腐蚀产物，但是形成的量少，对铝合金的保护作用相对较弱，加之酸性QXJ-2清洗剂中含有较多的H+离子，进一步阻碍了Al(OH)3腐蚀产物的形成，所以浸泡一段时间后其点蚀敏感性最高。

图4 铝合金在三种清洗剂溶液中击穿电位Eb值与浸泡时间的关系

3 结论

铝合金在三种清洗剂中的点蚀敏感性与清洗剂的pH值有关。当浸泡时间小于21天时，在酸性与碱性清洗剂中，铝合金的点蚀敏感性高，易发生点蚀；相反在中性清洗剂中铝合金的点蚀敏感性低，相对而言不易发生点蚀。当浸泡时间超过21天后，在碱性清洗剂中铝合金的点蚀敏感性降低，相反在中性与酸性清洗剂中则相对较高。

[1] Vargel C (2004). The corrosion of aluminium. Elsevier, Amsterdam

[2] Talbot D, Talbot J (1998) Corrosion science and technology. CRC Press, Boca Raton.

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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

赵民 (1973－) ，男，高级工程师。