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摘要:阴极铝箔是否具备良好的抗腐蚀性,不仅直接影响到比电容情况,而且关系到电容器的使用寿命。此次综合运用显微镜分析、腐蚀量试验等方式,在不同的高温退火工艺下,根据第二相粒子在形貌、分布等方面的变化,分析高温退火对阴极铝箔腐蚀性能的影响,在此基础上,基于铝箔抗腐蚀性能的增强,对比分析最佳的高温退火工艺、
关键词:高温退火;阴极铝箔;腐蚀性能;影响
前言:铝电解电容器大致可划分为两部分,分别是阳极与阴极铝箔。通常情况下,阴极铝箔以3003铝合金为主要材料,并对其进行化学腐蚀。在化学腐蚀过程中,合金中铜元素作为腐蚀核心,胞状结构等位错源能为腐蚀过程提供便捷通道。在经过化学腐蚀后,阴极铝箔会表现为海绵状,并使比电容水平得以大幅提升。然而在铝箔实际的腐蚀过程中,时常会发生剥落,通俗而言就是“掉粉现象”,若掉粉较为严重,会妨碍电容器的正常使用。通过剖析剥落现象的发生原因,可以发现该现象与合金晶体腐蚀敏感性存在一定关联。若晶体腐蚀发生于扁平、有方向性的组织中,不溶性产物所占比例偏高、体积较大,进而因楔入效应造成分层剥落。点蚀敏感性一方面与金属间结合能关联密切,另一方面又直接关系到铝合金的腐蚀敏感性,因此在金属件结合能较高的情况下,合金产生点蚀的难度偏高,受此影响,其腐蚀敏感度也会相对偏低。不过目前,有关高温退火与阴极铝箔腐蚀性能的关系,相关研究成果较少,希望本研究能在此方面做出补充。
1 阴极铝箔腐蚀性能的特点
当3003合金处于室温条件下,其中Mn所占比例偏低,通常由MnAl6相析出。在MnAl6中,Fe固溶度较高,主要以(Mn,FE)Al6的形式出现,降低Mn偏析过度的可能性,同时还有利于晶粒大小处于相对均匀的状态。在合金均匀化处理时,若其中含Si,将会使MnAl6发生变化,进而出现α-Al(Mn,Fe)Si相。受到化合物粒子析出过多的影响,合金腐蚀性能将随之改变。在第二相粒子增多的情况下,合金腐蚀敏感性也在相应增强。在多相合金中,受电化学特性差异影响,不同相的腐蚀速度各不相同,而化学均匀性又会影响到其耐腐蚀性,无论是晶内偏析还是化学成分偏析,都会减弱合金腐蚀性。由此可见,第二相的析出往往会对合金腐蚀性产生负面影响[1]。
2 实验设计
表1 试样合金成分表(%)
Cu | Mn | Fe | Si | Mg | Al |
0.18 | 1.20 | 0.55 | 0.60 | 0.05 | Balance |
此次试验中所选试样的主要成分如表1所示,除Al外,还包含Cu、Mn、Si、Fe等成分。在阴极铝箔制备中,通常要先加以熔铸,随后对其进行均匀化处理,为使合金材料成型,需有序进行热轧和冷轧,在中间退火后,再将其冷轧至0.5mm。在得到0.5mm厚的铝带后,将其转移到空气炉中,根据温度与时间条件的不同,分别以6种不同的工艺对其进行高温退火:①600℃,1h;②600℃,2h;③620℃,0.5h;④620℃,1h;⑤620℃,2h;⑥620℃,3h。在完成高温退火后,都将阴极铝箔置于空气中进行冷却。通过显微镜、透射电镜对其进行观察,并做能谱分析。在阴极铝箔的腐蚀过程中:先在35℃条件下,铝箔放置于浓度为0.1mol/L的NaOH中进行30s的预处理,随后同样在35℃环境下,选用浓度为1.0mol/L的HCL和浓度为200g/L的AlCl3进行30s的化学腐蚀,最后通过分析天平测得腐蚀量[2]。
3 结果与讨论
3.1实验前后的阴极铝箔显微组织情况
在未经高温退火而直接进行冷轧的情况下,在厚度为0.05mm的阴极铝箔中,除了Al基体外,还包含许多第二相粒子,通过能谱分析发现,其中以(Mn,Fe)Al6居多,在腐蚀过程中,该相发生较为明显的剥落腐蚀现象,在微观组织成像上,表现为长条形大孔洞。
3.2高温退火与第二相粒子形貌、分布的关系
在基体中,合金中元素的热稳定性,与其溶解度、扩散率关联较大。而在铸态组织中,含有各种析出相。经图像分析,发现3003合金经高温退火后,其中的第二相不仅会在大小、形状等方面发生变化,分布情况也会较之前有所不同。如在600℃条件下退火2h,会有许多粒子变为球状,粒子分布并不均匀。而在620℃条件下退火2h,由于粒子扩散加快,球形粒子数量更多,粒子更加分散。若保持温度不变,将退火时间延长至3h,绝大多数粒子变为球状,粗大第二相明显减少,粒子总数也在下降。在铝合金中,已溶解的第二相在经空气冷却后,以细小的形貌再次析出,且在基体中呈不规则分布[3]。
3.2第二相形貌、分布与阴极铂腐蚀的关系
在Al-Mn合金中,随着Mn溶于基体并转变为固溶体,在化合物与基体之间,二者的电位差会明显下降,受此影响,基体抗腐蚀性也会增强。但在3003合金中,Mn固溶度相对偏低,而且在析出时多表现为MnAl6,在化学腐蚀过程中,受到周围铝基体溶解的影响,第二相很可能会发生脱落,而且脱落情况与第二相数目正向关联。而在退火温度较高、退火时间较长的情况下,铝箔中第二相数量会明显降低,以此来促进铝箔抗蚀性的增强
[4]。
若未经高温退火处理,在1.0mol/L的HCL和浓度为200g/L的AlCl3混合液中,铝箔会在短时间内被腐蚀,尤其是在第二相尖角部位。然而在同时段内,周围基体尚未出现腐蚀迹象。究其原因,主要是因基体晶格有所变化,使得畸变部位的能量升高。另外在冷轧环节中,第二相尖角周围基体易出现裂纹,并因此减弱铝箔的抗腐蚀性。
而在试样中,在620℃退火3h后,第二相粒子变为球状,而且其周围错密度差异不大。实验过程中,试样第二相尖角部位最先被腐蚀,由此能够较为直观地发现其腐蚀规律,即错密度越高,往往越先发生腐蚀。另外,由于第二相粒子相对较大,位错作用力会加剧合金基体的形变,使得腐蚀敏感性升高。
表2 不同退火工艺下的阴极铝箔腐蚀速率(kg·m2/h)
编号 | 600℃,1h | 600℃,2h | 620℃,1h | 620℃,2h | 620℃,3h |
腐蚀速率 | 2.5 | 2.2 | 2.4 | 2.0 | 0.5 |
通过质量损失法能够测量得知铝箔腐蚀速率,如表2所示,在经过高温退火后,随着金属抗腐蚀性增强,腐蚀质量损失量有所下降,受此影响,腐蚀速度减慢。经对比能够直观发现,在以上各组退火工艺中,在620℃,3h的退火工艺下,铝箔的抗腐蚀性最佳。
3 结论
在3003合金中,高温退火会从形状、分布等方面,使第二相粒子发生改变,进而影响到铝箔的腐蚀性能。若第二相粒子呈条状,由于位错密度较高,其尖角部位会更早发生腐蚀,而且发生剥落腐蚀的可能性较高;但在粒子呈球状时,由于腐蚀均匀性好,铝箔不易出现剥落腐蚀的情况。
由此表明,在第二相粒子形貌有所差异、分布有所不同的情况下,铝箔腐蚀性能也会发生较为显著的变化,二者间关联相对较高。经过高温退火后,原子加快扩散,粒子变为球状且分布弥散。尤其是在620℃,3h工艺下,第二相溶解后再经空气冷却析出,第二相数量下降,由此使铝箔腐蚀性能增强。
参考文献:
[1]王会一.铝箔表面抗菌涂层的制备及性能研究[D].东南大学,2021.
[2]易章毅.1A80阴极铝箔热处理工艺及其组织性能的研究[D].中南大学,2014.
[3]李荣平.退火和轧制变形对3003阴极电子铝箔显微组织的影响[D].郑州大学,2011.
[4]贾一.热处理对电解铝液直接铸轧3003阴极铝箔组织及性能的影响[D].郑州大学,2010.