本文就鋁及鋁合金的電偶腐蝕機理進行了分析與探討，根據(jù)腐蝕失效機理，并經(jīng)過鋁銅合金的接觸電偶腐蝕實驗，確定如何通過選材和改進結(jié)構(gòu)設(shè)計方式來有效控制電偶腐蝕。

關(guān)鍵詞：電偶腐蝕鋁合金電極極化

0前言我國是世界第一大銅消費國，尤其是在燃氣具熱交換器制造行業(yè)，耗銅量日益增加。而我國銅礦資源相對缺乏，鋁礦資源又相對豐富。因此尋求鋁代銅的應(yīng)用技術(shù)是目前一大趨勢。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膜，具有足夠的穩(wěn)定性，但當介質(zhì)存在有某種陰離子(如CI-)，會產(chǎn)生點蝕等局部腐蝕現(xiàn)象。鋁的電位很低，與正電性金屬(Cu、Pt、Fe、Ni)及其合金接觸會產(chǎn)生電偶腐蝕，最危險的是鋁與銅及銅合金的接觸。

1鋁及鋁合金的電偶腐蝕機理

1.1腐蝕電池一個腐蝕電池必須包括陰極、陽極、電解質(zhì)溶液和連接陰極與陽極的電子導(dǎo)體，它們?nèi)币徊豢?。這幾個組成部分構(gòu)成了腐蝕電池工作的三個基本過程，即陽極過程、陰極過程和電荷的傳遞過程。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，金屬失去電子變?yōu)殡x子進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行的，可用熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)吉布斯(Gibbs)自由能來判斷反應(yīng)的方向和限度。吉布斯自由能用G表示，對于等溫等壓并且沒有非體積功德過程，腐蝕體系的平衡或穩(wěn)定態(tài)對應(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)過程=0平衡(1-1)i為組份i的化學(xué)勢0逆向自發(fā)i為反應(yīng)式中組分i的化學(xué)計數(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)進入低能狀態(tài)，因此金屬的腐蝕有自發(fā)傾向。由式(1-1)來判斷腐蝕反應(yīng)能否自發(fā)進行及腐蝕傾向的大小，△G值的絕對值越大，則該腐蝕的自發(fā)傾向就越大。例如，鋁在25℃時無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算結(jié)果可見，鋁在無氧的純鹽酸中不發(fā)生腐蝕，而在有氧溶解的鹽酸里將被腐蝕。因此，腐蝕條件對金屬的腐蝕傾向有很大的影響。需要指出，通過計算△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，因為具有高負值的△G并不是具有高的腐蝕速率。在△G為負值的情況下，反應(yīng)速率可大可小，這主要取決于各種因素對反應(yīng)過程的影響。

1.3電偶腐蝕的動力學(xué)

1.3.1陽極過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晶格進入溶液，形成溶劑化陽離子，剩余的電子在兩金屬間點位差的作用下進入陰極，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程促進了陽極鋁的持續(xù)溶解。

1.3.2陰極過程鋁陽極溶解后所釋放出來的電子將轉(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存在，或者說陽極過程和陰極過程必須同時進行。

1.3.3電荷的傳遞過程電荷的傳遞在金屬中是依靠電子從陽極流向陰極，在溶液中則是依靠離子的電遷移。這樣，通過陰、陽極的反應(yīng)和電荷的流動使整個電池體系形成一個回路，陽極過程就可以連續(xù)地進行下去，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)F:為法拉第常數(shù)(96500C/mol)

1.3.4.2電極的極化首先看一個實驗，將面積相同的兩塊鋁片和銅片分別浸入3%的NaCl的溶液中，組成一個腐蝕電池，用導(dǎo)線將負載R和開關(guān)k與電流表A串聯(lián)起來，數(shù)字電壓表用來測量負載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，電流為當電池接通時，電流指示的起始電流為0.0034A，電壓表指示的點位差為0.62V，幾分鐘之后，電位差為0.35V，實驗表明，隨著通電時間的延長，兩極的電位差不斷地減少，陰極銅的電位愈來愈負，陽極鋁的電位愈來愈正。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電偶腐蝕機理由電偶腐蝕的動力學(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)動力越大，而電偶腐蝕速率的大小又與電流成正比。當鋁與銅孤立存在于電解質(zhì)溶液中時，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共同的混合電位，這個混合電位就是這個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行陽極，因此它的腐蝕電流密度i，cm1比它單獨存在時的腐蝕電流密度icm1增大了。由于銅作為電偶電池的陰極，從電解質(zhì)輸進的電子參與了其表面的還原反應(yīng)而抑制了其單獨存在時自身溶解的陽極反應(yīng)，因此它的腐蝕電流密度i，cm2比它單獨存在時的腐蝕電流密度icm2減少了。定義金屬鋁作為陽極形成的腐蝕電流密度i，cm1和單獨存在時腐蝕電流密度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，陽極鋁溶解腐蝕速率增加的程度，r越大，電偶腐蝕越嚴重。

2電偶腐蝕的控制2.1異種金屬組成電偶時，它們在電偶序中上下位置相聚越遠，電偶腐蝕越嚴重。因此在構(gòu)件設(shè)計時，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層對于不允許接觸的小零件必須裝配在一起時，還可以采用表面處理的方法，如零件表面的發(fā)藍處理，對鋁合金表面進行陽極氧化。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，陰極與陽極相對面積比對電偶腐蝕速率有重要影響，陰陽極面積比的比值越大，陽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極面積比呈線性關(guān)系。因此為了減少電偶腐蝕，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時切忌形成大陰極小陽極的面積比。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，會引發(fā)電偶腐蝕。3.2電位相對較低的鋁及其合金作為陽極會被腐蝕。

3.3因結(jié)構(gòu)設(shè)計或選材不當，會加速電偶腐蝕。