分享：铜含量对304不锈钢在Al-12Si-xCu合金熔体中腐蚀行为的影响及其机理
张潇华１,于思荣２,郭丽娟１,姚 强３
(１．中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院,东营 ２５７０６１;
２．中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛 ２６６５８０;３．中海福陆重工有限公司,珠海 ５１９０００)
摘 要:将３０４不锈钢在６２０ ℃的 AlＧ１２SiＧxCu(x 分别为０,５,１０,１５,质量分数/％)合金熔体中腐蚀１２０h,研究了铜含量对不锈钢腐蚀行为的影响及其机理.结果表明:随铜含量的增加,３０４不锈钢的腐蚀速率和腐蚀层厚度减小;表面腐蚀层可分为内腐蚀层和外腐蚀层,外腐蚀层的显微硬度随铜含量的增加而增大,而内腐蚀层的硬度则降低;腐蚀反应主要在不锈钢中的铁、铬原子和合金熔体中的铝、硅原子之间进行,铜原子没有参与腐蚀反应,但铜的添加降低了腐蚀反应扩散激活能,从而降低了合金熔体的腐蚀能力.
关键词:铜元素;AlＧ１２Si合金;储能材料;腐蚀;３０４不锈钢
中图分类号:TG１７８ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０６Ｇ００２２Ｇ０４
０ 引 言
近年来,随着传统能源的日益紧缺,太阳能得到了大力发展.太阳能的收集、存储,以及蒸汽的产生是太阳能热发电系统的主要环节,其中太阳能的存储需要使用相应的存储介质[１].相变储能是太阳能存储技术的一种,该技术以物质在固液转变时吸收或放出的相变热来进行储能或释能.铝、铜、硅等元素组成的二元或多元铝合金具有相变温度适中、相变潜热大、热导率高等优点[２],是一种比较理想的相变储能介质.铝合金储能介质在储能过程中会有液相产生,该液相必须有容器盛装,且容器材料一般为铁基合金;然而铝合金熔融液(熔体)具有较高的化学活性和一定的腐蚀能力,易使铁基金属容器发生破坏.合金液的腐蚀性越强,与铁基金属容器的相容性也就越差;而与铁基金属容器的相容性是决定铝合金储能材料能否成功应用的关键因素之一[３Ｇ４].
研究表明,铝合金的化学成分对其熔体腐蚀能力的影响很大[５],从而也影响着铝合金熔体与铁基金属容器的相容性[６Ｇ７].马云龙[８]研究发现,在铝合金中加入铜元素后,可降低液态铝合金对 Q２３５钢腐蚀的深度.YOUSAF等[９]研究发现,在铝合金中加入铜元素后,在铝合金液与４５钢的固液界面处会生成Al２Cu和 Al７Cu２Fe相,从而减小其腐蚀层的厚度.
从目前的研究可知,铜元素的添加可降低铝合金液对铁基金属的腐蚀程度,然而却缺乏有关铜元素影响机理的研究.为此,作者以常用的 AlＧ１２Si合金为研究对象,在该合金中加入不同含量的铜元素后,研究了３０４不锈钢在该铝合金熔体中的腐蚀行为,分析了铜元素的影响机理,为储能材料的应用提供参考.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试验原料为铝质量分数为 ９９．３％ 的铝锭、AlＧ２０Si(质量分数/％,下同)中间合金和 AlＧ５０Cu中间合金.容器材料为３０４不锈钢,用线切割机将３０４不锈钢切成尺寸分别为３０mm×２０mm×３mm 和３５mm×２０mm×３mm 的试样.按照名义成分(质 量 分 数/％)为 AlＧ１２SiＧxCu(x 分别为０,５,１０,１５)进行配料,在 SG２Ｇ５Ｇ１２型井式电阻炉中进行熔炼,熔炼温度为７３０ ℃[１０].将熔炼得 到 的 AlＧ１２SiＧxCu 合 金 放 入 石 墨 坩 埚,置 于SX２Ｇ６Ｇ１３型箱式电阻炉内加热到６２０ ℃并保持温度恒定,使合金熔化形成熔体;将不锈钢试样在温度分别为５８０,６００,６２０,６４０,６６０℃的铝合金熔体中浸泡腐蚀１２０h,取出待用.
１．２ 试验方法
采用剥蚀法[３]测定不锈钢试样的腐蚀程度.将腐蚀后的不锈钢试样浸入９０ ℃,质量分数为２０％的氢氧化钠溶液中,待基本无气泡产生时,取出试样,用脱脂棉除去疏松层;再浸入室温浓盐酸中浸泡２min,取出清洗,除去疏松层;再浸入９０℃,质量分数为２０％的氢氧化钠溶液中.如此循环数次,直至试样浸入氢氧化钠溶液中无气泡产生为止.用精度为０．１mg的 AN２６８８型电光分析天平称取腐蚀前及腐蚀并经剥蚀处理后试样的质量,计算腐蚀速率和腐蚀层厚度,计算公式分别为
式中:v 为腐蚀速率,g??mm－２??h－１;Δm 为腐蚀前后试样的质量差,g;A 为试样的表面积,mm２;ρ 为试样的密度,g??mm－３;t为腐蚀时间,h;d 为腐蚀层厚度,mm.
在腐蚀后未经剥蚀处理的不锈钢试样上横向截取金相试样,研磨抛光后,用 MDJ３００型光学显微镜观察截面形貌;使用 HVＧ１０００型显微硬度计在截面上取点测试腐蚀层的显微硬度,载荷为２．９４２N,保载时间为１５s.使用JXAＧ８２３０型电子探针显微分析仪 对 腐 蚀 层 进 行 线 扫 描 分 析.使 用 D/MAXＧ２０００PC型 X射线衍射仪(XRD)对腐蚀层进行物相分析,采用铜靶,Kα 射线,扫描速率为４(°)??min－１,步长为０．０２°.
２ 试验结果与讨论
２．１ 腐蚀速率和腐蚀层厚度
由图１可知:在６２０ ℃的 AlＧ１２SiＧxCu合金熔体中腐蚀后,不锈钢试样的腐蚀速率和腐蚀层厚度均随合金中铜含量(x)的增加而下降,表明铜的添加降低了 AlＧ１２Si合金熔体的腐蚀能力.
因熔融铝合金对铁基金属容器的腐蚀为扩散型腐蚀[９,１１],腐蚀层厚度的计算公式为