本文就鋁及鋁合金的電偶腐蝕機(jī)理進(jìn)行了分析與探討，根據(jù)腐蝕失效機(jī)理，并經(jīng)過(guò)鋁銅合金的接觸電偶腐蝕實(shí)驗(yàn)，確定如何通過(guò)選材和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式來(lái)有效控制電偶腐蝕。

關(guān)鍵詞：電偶腐蝕鋁合金電極極化

0前言我國(guó)是世界第一大銅消費(fèi)國(guó)，尤其是在燃?xì)饩邿峤粨Q器制造行業(yè)，耗銅量日益增加。而我國(guó)銅礦資源相對(duì)缺乏，鋁礦資源又相對(duì)豐富。因此尋求鋁代銅的應(yīng)用技術(shù)是目前一大趨勢(shì)。鋁及鋁合金與銅一樣具有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，塑型好易于加工成形，是常用金屬材料中電位相對(duì)較低，應(yīng)用廣泛的一種輕金屬。鋁及其合金通常處于鈍態(tài)，在大氣和大部分中性溶液中，鋁及合金表面能生成一層致密的氧化物保護(hù)膜，具有足夠的穩(wěn)定性，但當(dāng)介質(zhì)存在有某種陰離子(如CI-)，會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕等局部腐蝕現(xiàn)象。鋁的電位很低，與正電性金屬(Cu、Pt、Fe、Ni)及其合金接觸會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕，最危險(xiǎn)的是鋁與銅及銅合金的接觸。

1鋁及鋁合金的電偶腐蝕機(jī)理

1.1腐蝕電池一個(gè)腐蝕電池必須包括陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)溶液和連接陰極與陽(yáng)極的電子導(dǎo)體，它們?nèi)币徊豢?。這幾個(gè)組成部分構(gòu)成了腐蝕電池工作的三個(gè)基本過(guò)程，即陽(yáng)極過(guò)程、陰極過(guò)程和電荷的傳遞過(guò)程。其腐蝕破壞規(guī)律遵循電化學(xué)腐蝕的原理。

1.2電偶腐蝕的熱力學(xué)電偶腐蝕是指金屬和電解質(zhì)接觸時(shí)，金屬失去電子變?yōu)殡x子進(jìn)入溶液引起的金屬破壞。金屬的電偶腐蝕一般都是在恒溫恒壓條件下進(jìn)行的，可用熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)吉布斯(Gibbs)自由能來(lái)判斷反應(yīng)的方向和限度。吉布斯自由能用G表示，對(duì)于等溫等壓并且沒(méi)有非體積功德過(guò)程，腐蝕體系的平衡或穩(wěn)定態(tài)對(duì)應(yīng)吉布斯自由能G為最低狀態(tài)。設(shè)腐蝕反應(yīng)體系的吉布斯的自由能變化為△G，則有：0自發(fā)過(guò)程=0平衡(1-1)i為組份i的化學(xué)勢(shì)0逆向自發(fā)i為反應(yīng)式中組分i的化學(xué)計(jì)數(shù)量自然壞境中的大多數(shù)金屬的單質(zhì)狀態(tài)和化合物狀態(tài)的吉布斯自由能高低表現(xiàn)出圖1所示的狀況，即腐蝕產(chǎn)物與礦石一樣處于低能的穩(wěn)定狀態(tài)，金屬單質(zhì)處于高能狀態(tài)，由于存在△Gb活化能，金屬單質(zhì)在亞穩(wěn)態(tài)易自發(fā)進(jìn)入低能狀態(tài)，因此金屬的腐蝕有自發(fā)傾向。由式(1-1)來(lái)判斷腐蝕反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行及腐蝕傾向的大小，△G值的絕對(duì)值越大，則該腐蝕的自發(fā)傾向就越大。例如，鋁在25℃時(shí)無(wú)氧和有氧存在的純鹽酸中的腐蝕傾向。(1)鋁在純1mol鹽酸中(2)鋁在含有溶解氧的鹽酸中由以上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，鋁在無(wú)氧的純鹽酸中不發(fā)生腐蝕，而在有氧溶解的鹽酸里將被腐蝕。因此，腐蝕條件對(duì)金屬的腐蝕傾向有很大的影響。需要指出，通過(guò)計(jì)算△G值而得到的金屬腐蝕傾向的大小，并不是腐蝕速率大小的度量，因?yàn)榫哂懈哓?fù)值的△G并不是具有高的腐蝕速率。在△G為負(fù)值的情況下，反應(yīng)速率可大可小，這主要取決于各種因素對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響。

1.3電偶腐蝕的動(dòng)力學(xué)

1.3.1陽(yáng)極過(guò)程在鋁和銅及水溶液構(gòu)成腐蝕原電池后，電極電位較低的鋁(-1.66V)作為陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極電位較高的銅作為陰極發(fā)生還原反應(yīng)。鋁及鋁合金表面的AI3+離子在水分子的作用下離開(kāi)晶格進(jìn)入溶液，形成溶劑化陽(yáng)離子，剩余的電子在兩金屬間點(diǎn)位差的作用下進(jìn)入陰極，并和去極化劑結(jié)合形成還原產(chǎn)物，這一不可逆的電極過(guò)程促進(jìn)了陽(yáng)極鋁的持續(xù)溶解。

1.3.2陰極過(guò)程鋁陽(yáng)極溶解后所釋放出來(lái)的電子將轉(zhuǎn)移到銅陰極區(qū)，在那里與溶液中的去極化劑發(fā)生還原反應(yīng)。因此，發(fā)生電偶腐蝕的基礎(chǔ)條件是腐蝕電池和去極化極同時(shí)存在，或者說(shuō)陽(yáng)極過(guò)程和陰極過(guò)程必須同時(shí)進(jìn)行。

1.3.3電荷的傳遞過(guò)程電荷的傳遞在金屬中是依靠電子從陽(yáng)極流向陰極，在溶液中則是依靠離子的電遷移。這樣，通過(guò)陰、陽(yáng)極的反應(yīng)和電荷的流動(dòng)使整個(gè)電池體系形成一個(gè)回路，陽(yáng)極過(guò)程就可以連續(xù)地進(jìn)行下去，使金屬遭到腐蝕。1.3.4電偶腐蝕的速率及極化作用

1.3.4.1腐蝕速率i:為電流密度(A/m2)n:為得失電子數(shù)(化合價(jià))F:為法拉第常數(shù)(96500C/mol)

1.3.4.2電極的極化首先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將面積相同的兩塊鋁片和銅片分別浸入3%的NaCl的溶液中，組成一個(gè)腐蝕電池，用導(dǎo)線(xiàn)將負(fù)載R和開(kāi)關(guān)k與電流表A串聯(lián)起來(lái)，數(shù)字電壓表用來(lái)測(cè)量負(fù)載R兩端電壓，如圖2所示。在電池接通前鋁和銅兩極的電位差為0.65，電流為當(dāng)電池接通時(shí)，電流指示的起始電流為0.0034A，電壓表指示的點(diǎn)位差為0.62V，幾分鐘之后，電位差為0.35V，實(shí)驗(yàn)表明，隨著通電時(shí)間的延長(zhǎng)，兩極的電位差不斷地減少，陰極銅的電位愈來(lái)愈負(fù)，陽(yáng)極鋁的電位愈來(lái)愈正。由于腐蝕電池的極化作用，使得腐蝕電流減少，從而降低了腐蝕速率。假如沒(méi)有極化作用，銅鋁電偶腐蝕的速率將要大得多。

1.3.5電偶腐蝕機(jī)理由電偶腐蝕的動(dòng)力學(xué)可知,兩金屬偶接后的腐蝕電流大小與電極電位差、極化率有關(guān)，偶接金屬的電極電位差越大，電偶腐蝕的驅(qū)動(dòng)力越大，而電偶腐蝕速率的大小又與電流成正比。當(dāng)鋁與銅孤立存在于電解質(zhì)溶液中時(shí)，它們各自分別與介質(zhì)構(gòu)成了共軛腐蝕體系。鋁的電極電位為-1.66V，銅的腐蝕電位為+0.337，將鋁與銅偶接后，就構(gòu)成了宏觀電偶腐蝕電池，則它們將互相極化到一個(gè)共同的混合電位，這個(gè)混合電位就是這個(gè)電偶腐蝕電池的腐蝕電位。鋁與銅接觸后，鋁除了自溶解外還進(jìn)行陽(yáng)極，因此它的腐蝕電流密度i，cm1比它單獨(dú)存在時(shí)的腐蝕電流密度icm1增大了。由于銅作為電偶電池的陰極，從電解質(zhì)輸進(jìn)的電子參與了其表面的還原反應(yīng)而抑制了其單獨(dú)存在時(shí)自身溶解的陽(yáng)極反應(yīng)，因此它的腐蝕電流密度i，cm2比它單獨(dú)存在時(shí)的腐蝕電流密度icm2減少了。定義金屬鋁作為陽(yáng)極形成的腐蝕電流密度i，cm1和單獨(dú)存在時(shí)腐蝕電流密度icm1之比為電偶腐蝕效應(yīng)，一般用r表示，r=i，cm1/icm1。該公式表示鋁與銅偶接后，陽(yáng)極鋁溶解腐蝕速率增加的程度，r越大，電偶腐蝕越嚴(yán)重。

2電偶腐蝕的控制2.1異種金屬組成電偶時(shí)，它們?cè)陔娕夹蛑猩舷挛恢孟嗑墼竭h(yuǎn)，電偶腐蝕越嚴(yán)重。因此在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，盡量選用同種或同組的金屬，不用電位相差大的金屬，若在特殊情況下，一定要選用電位差相差較大的金屬，這兩種金屬的接觸面之間應(yīng)加絕緣處理，如加絕緣墊片或者在金屬表面施加非金屬保護(hù)層對(duì)于不允許接觸的小零件必須裝配在一起時(shí)，還可以采用表面處理的方法，如零件表面的發(fā)藍(lán)處理，對(duì)鋁合金表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化。這些表面膜在大氣中的電阻較大，可減輕合金表面的電偶腐蝕的作用。

2.2研究表明，陰極與陽(yáng)極相對(duì)面積比對(duì)電偶腐蝕速率有重要影響，陰陽(yáng)極面積比的比值越大，陽(yáng)極的電流密度也就愈大，金屬腐蝕速度越大。由圖3可知，電偶腐蝕速率與陰陽(yáng)極面積比呈線(xiàn)性關(guān)系。因此為了減少電偶腐蝕，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)切忌形成大陰極小陽(yáng)極的面積比。3結(jié)論3.1鋁和銅因存在一定的電位差，在相互接觸并存在一定電解質(zhì)條件下，會(huì)引發(fā)電偶腐蝕。3.2電位相對(duì)較低的鋁及其合金作為陽(yáng)極會(huì)被腐蝕。

3.3因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或選材不當(dāng)，會(huì)加速電偶腐蝕。