铝合金在氯化钠溶液中的点蚀及防护

 
一、【实验目的】
1、掌握铝合金在氯化钠溶液中的点蚀作用，以及如何防护。
二、【实验背景及原理】
铝合金综合性能优良，广泛应用于模具制造业、造船业、运输业等，是制作模具、船板、船外壳、燃料储存罐等的重要材料之一。应用于海水环境中的铝合金，长期接触海水极易受到海水中的氯离子侵蚀而发生局部腐蚀。
点蚀是钝性金属，如不锈钢，铝和铝合金，钛和钛合金等在含有氯离子的介质中经常发生的一种局部腐蚀形式。因为有钝化膜保护，钝性金属较一般金属如碳钢有更强的耐腐蚀性能，但是当介质中有氯离子存在时，氯离子会使钝化膜的耐蚀性显著下降。氯离子是一种活性阴离子，它能优先地附着在钝化膜上，同时把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物。点蚀的发生属于随机分布，但是当钝化膜有缺陷，如有划痕，表面的硫化物位置，晶界上有碳化物沉积等，点蚀会优先在这些位置发生。
为了抑制铝合金的腐蚀，目前广泛采用电解氧化或阳极氧化的方法，在铝制品表面制备一层氧化膜，提高铝制品的稳定性。常用的电解液有硫酸、草酸或铬酐溶液等。当铝在上述溶液中电解氧化时，电极上发生如下的过程：阴极析出氢，阳极生成氧化膜。此外，阳极还有铝溶入电解液中并有氧析出。消耗于生成氧化膜的电流，随着氧化膜的增厚而降低。阳极氧化生成的铝膜，具有许多可贵的性质，有高的硬度，在干燥状态下为电的jue缘体，善于吸附许多有机染料，同时因为可被脂肪质浸透，故能很好地使铝免于腐蚀。  
   恒电位正反扫描法是研究点蚀行为较常用的电化学方法，其原理示意图如图1所示。将电极阳极极化到一定电位后电流会突然增加，这个电位称为击穿电位E_b。当电流超过某个设定值后将电位反向扫描，直**极化电流恢复到钝化电流，此时的电位称为保护电位E_p。击穿电位越正，材料的耐点蚀性能越好，击穿电位和保护电位之间的差值越小材料的耐点蚀性能越好。
   
 
 
 
 
 
图1 恒电位正反扫描法示意图
本实验通过恒电位正反扫描方法研究氯离子浓度对铝合金表面钝化膜的影响，并对铝合金电解氧化处理的防护效果进行评价。
三、【仪器与试剂】
（1） 仪器：恒电位仪 1台，铝合金电极4个，饱和甘汞电极（上海雷磁）1支，213型铂电极（上海雷磁）2支，鲁金毛细管1支，烧杯（500mL）5个，配套橡皮塞2个，电子天平1台，磁力搅拌器1台，磁子1个，容量瓶（1000mL 5个），广口试剂瓶（50mL）1个，水磨砂纸（360#-1000#），脱脂棉，镊子，移液管，量筒，温度计，变阻器，线路导线，直流稳压电源，万用电表
（2） 试剂：氯化钠（A.R.），丙酮 ，硫酸溶液（15%），酒精，环氧树脂E-44，蒸馏水，二乙烯三胺，邻苯二甲酸二丁酯，二甲苯
四、【实验步骤】
1. 配制溶液：配置浓度为0.01,0.1,0.6mol/L的氯化钠溶液各1000mL备用。
2. 电极制备：从直径1厘米的铝棒上锯下1厘米长的一段，在其中一个截面上用导电胶粘上一段铜导线，然后用环氧树脂将导线和电极封上，只留一个截面作为工作面。(电极已制备好，待用。)待环氧树脂固化后对铝电极进行打磨处理。
3. 铝电极打磨处理：分别用400#、800#、1200#和1500#金相砂纸将铝电极逐级打磨**表面光亮。用蒸馏水清洗并用酒精擦拭后吹干备用。以后每次电化学实验结束后，都要取出电极打磨。
4. 铝电极的电解氧化：取出处打磨好的铝电极，放入电解槽中做阳极，铂电极做阴极。检验线路后，将硫酸电解液（15%H₂SO₄）倒入，通入冷却水，安装温度计，并接通电源。为了制得均匀的氧化膜，电解过程中电解液要进行搅拌。电解温度20～25℃，电流密度分别取10mA/cm²和20mA/cm²,电解时间为60min。电解结束后，取出氧化的铝电极，放到水中清洗，清洗后吹干备用。
5. 电解池线路连接：将铝电极和工作电极端相连，饱和甘汞电极和参比电极端相连，铂电极与对电极端相连。在电解池中加入0.01M的氯化钠溶液。
6. 测试步骤：运行LK98II,进入主菜单。打开主机电源开关，运行系统自检。自检通过后，先选择“电位随时间变化”，点击运行，对电极在氯化钠溶液中的电位随时间变化进行测试，当电位变化稳定时，一般是5分钟内变化3毫伏以内即视为稳定。然后选择仪器所提供的“线性扫描伏安法”。“参数设定”中依次设定开始电位、回扫电位和终止电位。初始电位设为铝电极的开路电位（实际测定），“回扫电位”设为比开路点位正100毫伏，“扫描速度”设为2毫伏每秒，“等待时间”设为120秒。选择控制菜单中的“开始实验”，记录并保存实验结果。
7. 扫描速度选择：依次降低扫描速度，**所得曲线不再明显变化，保存该曲线为稳态极化曲线。在本实验中扫描速度选择0.5/1/2 mV/s。选定扫描速度后，研究铝电极在其它浓度氯化钠溶液中的极化曲线。
8. 电解氧化后的铝电极性能测试:在选定的扫描速度下，依照测试步骤6，对氧化处理后的铝电极耐点蚀性能进行测试，并与未处理的铝电极进行比较。#p#分页标题#e#
五、【实验数据及结果分析】
(1)不同扫描速度
 
由图像显示，扫描速率越小，极化曲线越稳定。故应选择**适的扫描速度为0.5mv。
 
（2）选取0.5mv/s 时不同浓度的对比图
 
有图中从左往右氯离子浓度依次为0.6mol/L，0.1mol/L，0.01mol/L。可知随着浓度的加大，点蚀电位出现的电位变小。故氯离子浓度越高，越容易发生点蚀现象。
(4)0.01 A  0.6 mol/L   NaCl 溶液以及0.02 A  0.6 mol/L   NaCl 溶液 。
 
由图对比可得处理后的电极比原电**有更大的击穿电压，起到了保护作用，有更强的抗腐蚀性。
 
                     设计实验
        氯离子浓度对不锈钢钝化膜点蚀电位的影响       
一、【实验目的】
1、掌握不锈钢在不同氯离子浓度的溶液中点蚀作用。
二、【实验背景及原理】
    不锈钢由于其优越的耐蚀性被广泛应用于现代社会的各个*域。然而，在许多腐蚀性环境介质中，不锈钢的腐蚀仍经常发生，尤其是容易发生危害较大的局部腐蚀。不锈钢钝化膜的形成、破裂以及点蚀的发生过程可包含各种电子与离子的移动，电荷是在电场驱动下发生迁移，而电场受钝化膜的电子结构的影响，因此钝化膜耐蚀性与半导体的电子特性密切相关[1~2].已有的研究表明，不锈钢的耐蚀性与其表面钝化膜的组成，结构及厚度等有关。
点蚀是钝性金属，如不锈钢，铝和铝合金，钛和钛合金等在含有氯离子的介质中经常发生的一种局部腐蚀形式。因为有钝化膜保护，钝性金属较一般金属如碳钢有更强的耐腐蚀性能，但是当介质中有氯离子存在时，氯离子会使钝化膜的耐蚀性显著下降。氯离子是一种活性阴离子，它能优先地附着在钝化膜上，同时把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物。点蚀的发生属于随机分布，但是当钝化膜有缺陷，如有划痕，表面的硫化物位置，晶界上有碳化物沉积等，点蚀会优先在这些位置发生。 
   恒电位正反扫描法是研究点蚀行为较常用的电化学方法，其原理示意图如图1所示。将电极阳极极化到一定电位后电流会突然增加，这个电位称为击穿电位E_b。当电流超过某个设定值后将电位反向扫描，直**极化电流恢复到钝化电流，此时的电位称为保护电位E_p。击穿电位越正，材料的耐点蚀性能越好，击穿电位和保护电位之间的差值越小材料的耐点蚀性能越好。
   
 
 
 
 
 
图1 恒电位正反扫描法示意图
本实验通过恒电位正反扫描方法研究氯离子浓度对不锈钢表面钝化膜的影响，并对铝合金电解氧化处理的防护效果进行评价。
三、【仪器与试剂】
（1） 仪器：恒电位仪 1台，不锈钢电极4个，饱和甘汞电极（上海雷磁）1支，213型铂电极（上海雷磁）2支，鲁金毛细管1支，烧杯（500mL）5个，配套橡皮塞2个，电子天平1台，磁力搅拌器1台，磁子1个，容量瓶（1000mL 5个），广口试剂瓶（50mL）1个，水磨砂纸（360#-1000#），脱脂棉，镊子，移液管，量筒，温度计，变阻器，线路导线，直流稳压电源，万用电表
（2） 试剂：氯化钠，丙酮 ，硝酸溶液，酒精，蒸馏水。
四、【实验步骤】
1. 配制溶液：配置浓度为0.01,0.1,0.6mol/L的氯化钠溶液各1000mL备用。
2. 电极制备：从直径1厘米的不锈钢棒上锯下1厘米长的一段，在其中一个截面上用导电胶粘上一段铜导线，然后用环氧树脂将导线和电极封上，只留一个截面作为工作面。待环氧树脂固化后对不锈钢电极进行打磨处理。
3. 不锈钢电极打磨处理：分别用400#、800#、1200#和1500#金相砂纸将不锈钢电极逐级打磨**表面光亮。用蒸馏水清洗并用酒精擦拭后吹干备用。以后每次电化学实验结束后，都要取出电极打磨。
4. 不锈钢电极的电解氧化：取出处打磨好的不锈钢电极，放入电解槽中做阳极，铂电极做阴极。检验线路后，将硝酸电解液倒入，通入冷却水，安装温度计，并接通电源。为了制得均匀的氧化膜，电解过程中电解液要进行搅拌。电解温度20～25℃，电流密度为20mA/cm²,电解时间为60min。电解结束后，取出氧化的不锈钢电极，放到水中清洗，清洗后吹干备用。
5. 电解池线路连接：将不锈钢电极和工作电极端相连，饱和甘汞电极和参比电极端相连，铂电极与对电极端相连。在电解池中分别加入0.01,0.1,0.6M的氯化钠溶液。
6. 测试步骤：运行LK98II,进入主菜单。打开主机电源开关，运行系统自检。自检通过后，先选择“电位随时间变化”，点击运行，对电极在氯化钠溶液中的电位随时间变化进行测试，当电位变化稳定时，一般是5分钟内变化3毫伏以内即视为稳定。然后选择仪器所提供的“线性扫描伏安法”。“参数设定”中依次设定开始电位、回扫电位和终止电位。初始电位设为不锈钢电极的开路电位（实际测定），“回扫电位”设为比开路点位正100毫伏，“扫描速度”设为2毫伏每秒，“等待时间”设为120秒。选择控制菜单中的“开始实验”，记录并保存实验结果。#p#分页标题#e#
7. 电解氧化后的不锈钢电极性能测试:在选定的扫描速度下，依照测试步骤6，对氧化处理后的不锈钢电极耐点蚀性能进行测试，并将三组不同氯离子浓度中不锈钢电极进行比较。