基于实验分析不锈钢电极材料在高温动态铝液中的腐蚀现象

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【摘 要】 随着高科技的发展，人们在化学方面的研究也越来越深入，把高科技技术运用到化学研究中，推动我国化学工业的发展。其中电极材料在高温动态铝液中腐蚀现象受到人们的普遍关注，利用这种现象研究铝液腐蚀机理，找到不锈钢电极材料在高温动态铝液中的防腐蚀措施，提高不锈钢电极材料的使用寿命，降低企业经营成本。本文主要以实验分析的方式，分析不锈钢电极材料在高温动态铝液中的腐蚀现象。

【关键词】 实验分析 不锈钢 电极材料 高温动态铝液 腐蚀现象

在液晶显示行业，产品制作工艺过程中材料比较容易出现腐蚀现象，比如现代很多LCD产品都或多或少受到不同程度的腐蚀，有些工厂可能会因此遭受较大的经济损失，而且此腐蚀现象不受控制，工厂生产时可能一粒不出，也可能达到100%的比例。所以必须找到电极材料在高温环境下的防腐蚀措施，降低电极材料的腐蚀率，提高工厂经济效益。这里我们通过对不锈钢电极材料在高温动态铝液中的腐蚀现象对其进行有效的评估和验证，进而解决电极材料的腐蚀问题。

1 金属材料高温氯腐现象

金属材料在常温或者温度高于露点温度或者高于氯盐熔点温度时并不会发生腐蚀现象，只有在温度升高到一定程度时才会发生腐蚀现象。这种腐蚀与温度的关系是，温度升高后腐蚀速率先升高然后在某一温度值达到最高值，而后随着温度的升高，腐蚀速率降低。高温率腐蚀的速率与温度的关系是先随着温度升高而升高，达到一定的峰值后，会随着温度的升高而下降。另外，铝液腐蚀一般具有选择性，这种选择性腐蚀在腐蚀界面向金属基体的方向上，靠近腐蚀界面的合金中铬铁的含量比基体中的低。去掉表面氧化层后，金属表面呈网状结构。金属材料的抗腐蚀能力比较差，特别是在高温铝溶液中比在空气中腐蚀更加严重。

不锈钢电极材料在高温动态铝液中的腐蚀一般有两种形式，第一是在固-液发生的化学反应，进而腐蚀金属表面;第二种是合金浸润与液态金属发生的反应，而且与固态金属表面形成内反应而发生的腐蚀现象。在共晶温度下，铁在铝液中的极限浓度为0.03%。铁基合金在铝溶液中发生浸润现象，经过化学吸附作用，化学反应伊始会形成FeAl3，穿过FeAl3分子层时会生成合金扩散，在这种环境下铝原子与铁发生相应的反应，这时扩散层也会发生相应变化，铝原子在浓度、梯度的作用下穿过扩散层，FeAl3会转变成Fe2Al5。当溶液中的铝与固态的铁基接触时，会产生互扩散现象，而且随着铝溶液中铁量的上升，形成FeAl3，而后铁及附近的温度会下降，FeAl3会停止向铝生长并附集在铁基表面。而形成的Fe2Al5结构比较特殊，会形成柱状晶体，与此同时它会沿铁基快速生长，通过FeAl3向铝液中扩散，在这种环境下铝的的固溶体区域消失，这种流动加速腐蚀。下面我们以实验的方式进行具体分析。

2 实验分析

2.1 实验方法

选用1Crl8Ni9Ti作为实验要研究的已经被腐蚀的不锈钢电机材料，利用SEM组织观察方式对其进行研究、分析。

2.1.1 泵的电极结构分析

电磁泵的电极结构比较简单，主要有极柄、极芯、耐火材料、电极套等几部分组成，极柄左端与导线相连，必要时接散热片，处于室温区。右端与电极套相连处于高温区。导电胶层材料具有良好的导电性高温抗热震性;耐火材料的作用是将高温与电极套隔离，从而起到保护电极的作用。

2.1.2 实验方法

材料的准备工作，首先准备一些废弃的不锈钢电极材料，利用线切割下一段半圆柱的试样;再对试样做一些加工处理，研磨、抛光、腐蚀剂，腐蚀剂有水、氯化氢、三氯化铁等。腐蚀后进行扫描观察。

2.2 结果

金属材料的铝液腐蚀实质上是铁与铝原子的相互作用，如果忽略温度不计，这种腐蚀环境可以视为在平衡条件下进行。如图一。

分析图中各个变量之间的关系，不难发现，随着铝量的增加，铝原子会在a-Fe溶解中的的溶解度随着温度的变化也会发生相应的变化，在一定的温度下铁原子会发生变化，在不同的温度下，铝原子在铁中以不同的形态存在。铝量增加到一定的程度，溶液会出现双相区和液相区。在温度为665摄氏度的环境下铝与铁形成共晶，在共晶温度下，铁在铝液中极限浓度为0.03%，这时铁原子在铝液中的溶解度比较小，所以，铁原子在铝液中扩散不应视为铝腐蚀的主要原因。

而在平衡状态下会发生浸润现象。然后铝原子化学吸附并产生化学反应，在铁铝化合物中形成一种热最低现象，然后溶液中的铁铝原子通过FeAl3，而且他们在分子层相互作用，在这种情况下扩散层发生相变。而又因为FeAl3相的不均匀性，所以在相变的过程中使得部分地方的铁基体暴露于铝液环境下而再次受到腐蚀。

2.3 SEM组织观察

通过SEM组织观察，我们可以发现铁基的腐蚀界面为一条直线，腐蚀界面是一个区域，这个区域比较窄，不锈钢中发黑的地方为硫化夹杂物，颜色较浅的铝掩盖住颜色较深的不锈钢，从这个现象中我们不难看出不锈钢是在铝液浸入时发生腐蚀反应的。在电极材料的SEM组织进行能谱分析，发现铝基体到不锈钢机体的过程中，不锈钢被腐蚀，并在铝中存在富铁区域，从此现象中我们可以分析得出该点处于被铝液腐蚀掉的不锈钢周围，这一小块还没有被完全腐蚀的不锈钢，在铝铝溶液中发生反应;另外一个点位于不锈钢比较深的部位，这就说明不锈钢的腐蚀不是一蹴而就的，而是一个缓慢的过程。

3 腐蚀机理分析

假设腐蚀过程只发生在固液环境下，不锈钢表面应该被铝液逐渐腐蚀掉，铝液界面应该是平坦的，而且在过渡层不锈钢的扩散下呈均匀分布。通过SEM分析得知不锈钢电极材料在高温动态铝液中的腐蚀现象需要一个缓慢的化学反应周期，他不会一接触到铝溶液就迅速腐蚀，它是在不锈钢跑落掉入铝液中缓慢腐蚀。再结合铝-铁腐蚀研究分析，加上热力学的影响，铝液逐渐侵蚀不锈钢，并慢慢包围它。在此过程中会发生固溶效应，随着固溶效应深入而发生化合反应，进而生成Fe2Al5。

4 结语

通过实验我们发现不锈钢在铝溶液中受铬元素的抑制以及动态铝液的冲涮，产生较薄的金属间化合物膜。然后根据不锈钢在铝液中的腐蚀机理找到不锈钢抗铝溶液腐蚀的主要思路是在不锈钢和铝溶液间加一层屏蔽层，比如涂层、镀层等，这种屏蔽层和金属材料基体之间的结合强度高，能够阻止高温下铝液腐蚀。

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