稀土元素Ce对高纯铝腐蚀性能的影响
稀土元素Ce对高纯铝腐蚀性能的影响[20200413193521]
摘要
近年来，随着汽车业的快速发展，高性能、低消耗成为汽车追求的目标，而这又将与汽车用材密切相关。现代化汽车上的热交换器，主要是空调中的冷凝器以及发动机散热器和油冷却器等。汽车散热器位于汽车前端，处于恶劣的工作环境当中，还要承受着反复的冷热循环和周期性振动。这些对于热交换器选材、防腐等提出了严峻挑战。而今铝合金热交换器的综合性能已完全经受得住汽车恶劣的工作环境，目前来说，添加元素是提高散热器抗腐蚀性能的一个重要手段。
本文通过向高纯铝中添加稀土元素Ce制备不同Ce含量的铝合金，采用金相显微镜、电化学测试和力学性能测试等手段，研究稀土元素Ce对Al的微观组织及性能的影响。实验结果表明随着Ce含量的增加，铝合金的开路电位和点蚀电位均变负，同时合金的腐蚀电流也不断降低，说明腐蚀速度变慢，材料的耐腐蚀性能增强。另一方面，析出相Al-Ce化合物逐渐增加且第二相尺寸大小不同，相对于Al基的电位也不同，腐蚀优先在第二相处发生，导致电位负移，且Ce元素的添加能够显著细化晶粒，提高材料硬度。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:汽车散热器稀土元素腐蚀性能
目录
第一章 绪论 1
1.1 散热器概述 1
1.1.1 散热器常用材料 1
1.1.1.1 铜质散热器 1
1.1.1.2 铝制散热器 2
1.1.2 铝制汽车热交换器结构 2
1.2 铝合金散热器材料研究现状 3
1.2.1 铝制散热器的耐蚀性 3
1.2.2 铝制散热器的腐蚀控制 4
1.2.3 铝合金的电化学保护 4
1.2.3.1 牺牲阳极阴极保护法 4
1.2.3.2 外加电流阴极保护法 5
1.3 稀土在铝合金中应用的研究现状 5
1.3.1 稀土元素在铝合金中的作用 6
1.3.2 稀土元素对铝合金综合力学性能的影响 7
1.3.3 稀土元素对铝合金耐腐蚀性能和电化学性能的影响 7
1.4 研究意义和研究内容 7
1.4.1 研究意义 7
1.4.2 研究内容 8
第二章 实验材料、设备及方法 9
2.1 实验基本流程 9
2.2 实验材料准备 9
2.2.1 实验原料 9
2.2.2 实验设备 10
2.3 实验方法和路线 10
2.3.1 试样的熔炼与制备 10
2.3.2 腐蚀性能分析 11
2.3.2.1 试样制备 11
2.3.2.2 开路电位的测量 11
2.3.2.3 点蚀电位的测量 11
2.3.2.4 Tafel极化曲线的测量 12
2.3.3 金相组织和第二相成分分析 12
2.3.3.1 铝合金金相制备腐蚀试剂 12
2.3.3.2 样品制备 12
2.3.3.3 观察与分析 12
2.3.4 硬度测试 12
第三章 Ce元素对高纯铝组织与性能的影响 14
3.1 Ce元素对高纯铝腐蚀性能的影响。 14
3.1.1 开路电位 14
3.1.2 点蚀电位 15
3.1.3 Tafel极化曲线 17
3.2 Ce 元素添加对合金组织的影响 19
3.2.1 Al-Ce合金中第二相的形貌和成分分析 20
3.2.1.1 形貌分析 20
3.2.1.2 成分分析 21
3.3 Ce元素对铝合金力学性能的影响 23
第四章 全文总结 24
参考文献 25
致谢 27
第一章 绪论
1.1 散热器概述
汽车冷却系统中的发动机散热器主要由进水室、出水室、散热器芯等三部分构成。汽车散热器主要有铝制和铜制两种，铝制主要用于一般乘用车，铜制大部分用于大型车、工程车等。随着汽车用散热器材料的不断改善与制造技术的不断发展，相比于铜制散热器，铝制散热器在汽车轻量化上具有明显的优势。在国外，出于对环保的考虑，尤其是欧美国家轿车配套的热交换器多为铝制热交换器。据调查，在现代化的欧洲市场中，铝制散热器在新型轿车中的应用已经相当广泛，占有比例相当高。而我国的汽车市场中铝散热器还不是非常普遍，但是就现在的发展前景来看，硬钎焊生产的铝制散热器将会到广泛的应用。
1.1.1 散热器常用材料
近年来，随着汽车业快速发展， 高性能、低消耗成为汽车追求的目标，散热器的紧凑化和轻量化是汽车散热器行业发展的方向之一。现代社会人们对汽车的要求越来越高，当然包括汽车上的各式各样的散热器，像空调的冷凝器、发动机散热器以及油冷却器等等。汽车散热器承受着不断的反复的冷热循环和周期性振动，使得在热交换器的制造选材上要有很高的要求，其材料不仅要耐腐蚀，还要具备良好的综合机械性能[1]。基于以上原因，卓越的高性能理想散热器的制备材料必须要能满足以下几个要求[2-3]：a) 导热性能要非常优异； b) 机械强度高、耐蚀性能好；c) 加工性和钎焊性优良；d)具有一定的经济性。
1.1.1.1 铜质散热器
纯铜的热导率为401w/m-k，高于铝，略低于银(429w/m-k)，但价格比银便宜很多，且具有良好的加软钎焊性、工成型性以及优异的耐蚀性等优点，因而是汽车散热器长期以来的首选材料。传统的铜散热器是将散热导管和散热片通过钎焊而成 [4-6]。
随着工业的不断发展，铜的消耗量与日俱增，随着铜资源的不断减少以及其昂贵的价格使得铜制散热器的成本一直居高不下。另外，为了进一步提高散热器的耐腐蚀性，延长使用寿命，往往需要在其表面镀上一层锡保护层，锡的导热系数只有（65.7W/(m?K))，大约不到铜的1/5，这就使得散热器的散热效率明显下降。而且，钎焊过程中使用的焊料中通常含有铅，铅是一种重金属，对环境会造成严重污染，对人类的健康也会构成巨大的威胁 [7-8]。而铜硬钎焊散热器抗腐蚀能力比传统铜质散热器高，这使得铜硬钎焊散热器广泛应用于公共汽车、重型卡车以及其他工程设备中[9]。
1.1.1.2 铝制散热器
铝是重要的轻金属材料，密度相对铜来说很小，大概只是铜的1/3左右，是汽车轻量化的首选材料。自然界中铝的含量比铜要多，成本更加低廉。虽然铝合金的对应于散热器来说不是很理想，其热传导值也只有约为铜的2/3，但是铜制散热器的表面需要镀上一层锡，而锡的热导率是非常低的，大概仅仅是铝质散热器所用材料的1/3，这样一来，铝质散热器就会显现出它的优势来，其散热效率往往要高于铜质散热器。
相比其他材质的散热器，具有以下特点[10,11]：1）表面易形成一层致密氧化膜；2）铝的表面易进行各种装饰，可满足人们个性化需求；3）铝合金密度小，成型性好，容易加工，表面处理过程一步到位，节约了安装成本。
80年代后期通过向铝合金中添加不同合金元素来提高抗腐蚀性能，改变腐蚀形式已成主流方法，比如Cu、Ti、Zr、 Sn元素等，其他方法还有多层合金复合或者包覆防腐层合金[12]。
1.1.2 铝制汽车热交换器结构
散热器芯内部的循环流动冷却液和外部高速流过的空气不断在强气流的作用下进行热量的交换，冷却液和空气不。非常多的细冷却管和金属材质的散热片共同构成了散热器芯，这些非常细而多的管材和片材就是为了增加散热器芯总的散热面积[10]，散热器芯有多种多样的构造形式，如果按照结构型式来分，可分为管带式和管片式两种。两种散热器结构如图1-3:
图1-3散热器芯的构造图
如图所示管带式散热器比管片式更为紧凑，管带式散热器在散热带上还开有类似百叶窗的孔，这种类似百叶窗的孔可以扰动表面气流，提高了散热效率[13]。
散热器的结构在不断的更新，从蛇型结构和薄壁并流型结构发展到德朗杯型与单箱型结构等；散热器的材料也在不断更新，例如采用Cu-Mn-Cr-Zr系合金和Al-Al-Mn-Si-Fe系合金，就使得散热器在薄壁化的同时强度得到提高。
1.2 铝合金散热器材料研究现状
目前，具有抗局部腐蚀性的合金成为散热器的管材的首选，铝制散热器还大量采用了多层复合管材，如4343/3003、4045/3003等带有钎料覆层的双金属管材，以及采用4004/3003/7072三层钎焊复合铝箔来制作管材。
摘要
近年来，随着汽车业的快速发展，高性能、低消耗成为汽车追求的目标，而这又将与汽车用材密切相关。现代化汽车上的热交换器，主要是空调中的冷凝器以及发动机散热器和油冷却器等。汽车散热器位于汽车前端，处于恶劣的工作环境当中，还要承受着反复的冷热循环和周期性振动。这些对于热交换器选材、防腐等提出了严峻挑战。而今铝合金热交换器的综合性能已完全经受得住汽车恶劣的工作环境，目前来说，添加元素是提高散热器抗腐蚀性能的一个重要手段。
本文通过向高纯铝中添加稀土元素Ce制备不同Ce含量的铝合金，采用金相显微镜、电化学测试和力学性能测试等手段，研究稀土元素Ce对Al的微观组织及性能的影响。实验结果表明随着Ce含量的增加，铝合金的开路电位和点蚀电位均变负，同时合金的腐蚀电流也不断降低，说明腐蚀速度变慢，材料的耐腐蚀性能增强。另一方面，析出相Al-Ce化合物逐渐增加且第二相尺寸大小不同，相对于Al基的电位也不同，腐蚀优先在第二相处发生，导致电位负移，且Ce元素的添加能够显著细化晶粒，提高材料硬度。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:汽车散热器稀土元素腐蚀性能
目录
第一章 绪论 1
1.1 散热器概述 1
1.1.1 散热器常用材料 1
1.1.1.1 铜质散热器 1
1.1.1.2 铝制散热器 2
1.1.2 铝制汽车热交换器结构 2
1.2 铝合金散热器材料研究现状 3
1.2.1 铝制散热器的耐蚀性 3
1.2.2 铝制散热器的腐蚀控制 4
1.2.3 铝合金的电化学保护 4
1.2.3.1 牺牲阳极阴极保护法 4
1.2.3.2 外加电流阴极保护法 5
1.3 稀土在铝合金中应用的研究现状 5
1.3.1 稀土元素在铝合金中的作用 6
1.3.2 稀土元素对铝合金综合力学性能的影响 7
1.3.3 稀土元素对铝合金耐腐蚀性能和电化学性能的影响 7
1.4 研究意义和研究内容 7
1.4.1 研究意义 7
1.4.2 研究内容 8
第二章 实验材料、设备及方法 9
2.1 实验基本流程 9
2.2 实验材料准备 9
2.2.1 实验原料 9
2.2.2 实验设备 10
2.3 实验方法和路线 10
2.3.1 试样的熔炼与制备 10
2.3.2 腐蚀性能分析 11
2.3.2.1 试样制备 11
2.3.2.2 开路电位的测量 11
2.3.2.3 点蚀电位的测量 11
2.3.2.4 Tafel极化曲线的测量 12
2.3.3 金相组织和第二相成分分析 12
2.3.3.1 铝合金金相制备腐蚀试剂 12
2.3.3.2 样品制备 12
2.3.3.3 观察与分析 12
2.3.4 硬度测试 12
第三章 Ce元素对高纯铝组织与性能的影响 14
3.1 Ce元素对高纯铝腐蚀性能的影响。 14
3.1.1 开路电位 14
3.1.2 点蚀电位 15
3.1.3 Tafel极化曲线 17
3.2 Ce 元素添加对合金组织的影响 19
3.2.1 Al-Ce合金中第二相的形貌和成分分析 20
3.2.1.1 形貌分析 20
3.2.1.2 成分分析 21
3.3 Ce元素对铝合金力学性能的影响 23
第四章 全文总结 24
参考文献 25
致谢 27
第一章 绪论
1.1 散热器概述
汽车冷却系统中的发动机散热器主要由进水室、出水室、散热器芯等三部分构成。汽车散热器主要有铝制和铜制两种，铝制主要用于一般乘用车，铜制大部分用于大型车、工程车等。随着汽车用散热器材料的不断改善与制造技术的不断发展，相比于铜制散热器，铝制散热器在汽车轻量化上具有明显的优势。在国外，出于对环保的考虑，尤其是欧美国家轿车配套的热交换器多为铝制热交换器。据调查，在现代化的欧洲市场中，铝制散热器在新型轿车中的应用已经相当广泛，占有比例相当高。而我国的汽车市场中铝散热器还不是非常普遍，但是就现在的发展前景来看，硬钎焊生产的铝制散热器将会到广泛的应用。
1.1.1 散热器常用材料
近年来，随着汽车业快速发展， 高性能、低消耗成为汽车追求的目标，散热器的紧凑化和轻量化是汽车散热器行业发展的方向之一。现代社会人们对汽车的要求越来越高，当然包括汽车上的各式各样的散热器，像空调的冷凝器、发动机散热器以及油冷却器等等。汽车散热器承受着不断的反复的冷热循环和周期性振动，使得在热交换器的制造选材上要有很高的要求，其材料不仅要耐腐蚀，还要具备良好的综合机械性能[1]。基于以上原因，卓越的高性能理想散热器的制备材料必须要能满足以下几个要求[2-3]：a) 导热性能要非常优异； b) 机械强度高、耐蚀性能好；c) 加工性和钎焊性优良；d)具有一定的经济性。
1.1.1.1 铜质散热器
纯铜的热导率为401w/m-k，高于铝，略低于银(429w/m-k)，但价格比银便宜很多，且具有良好的加软钎焊性、工成型性以及优异的耐蚀性等优点，因而是汽车散热器长期以来的首选材料。传统的铜散热器是将散热导管和散热片通过钎焊而成 [4-6]。
随着工业的不断发展，铜的消耗量与日俱增，随着铜资源的不断减少以及其昂贵的价格使得铜制散热器的成本一直居高不下。另外，为了进一步提高散热器的耐腐蚀性，延长使用寿命，往往需要在其表面镀上一层锡保护层，锡的导热系数只有（65.7W/(m?K))，大约不到铜的1/5，这就使得散热器的散热效率明显下降。而且，钎焊过程中使用的焊料中通常含有铅，铅是一种重金属，对环境会造成严重污染，对人类的健康也会构成巨大的威胁 [7-8]。而铜硬钎焊散热器抗腐蚀能力比传统铜质散热器高，这使得铜硬钎焊散热器广泛应用于公共汽车、重型卡车以及其他工程设备中[9]。
1.1.1.2 铝制散热器
铝是重要的轻金属材料，密度相对铜来说很小，大概只是铜的1/3左右，是汽车轻量化的首选材料。自然界中铝的含量比铜要多，成本更加低廉。虽然铝合金的对应于散热器来说不是很理想，其热传导值也只有约为铜的2/3，但是铜制散热器的表面需要镀上一层锡，而锡的热导率是非常低的，大概仅仅是铝质散热器所用材料的1/3，这样一来，铝质散热器就会显现出它的优势来，其散热效率往往要高于铜质散热器。
相比其他材质的散热器，具有以下特点[10,11]：1）表面易形成一层致密氧化膜；2）铝的表面易进行各种装饰，可满足人们个性化需求；3）铝合金密度小，成型性好，容易加工，表面处理过程一步到位，节约了安装成本。
80年代后期通过向铝合金中添加不同合金元素来提高抗腐蚀性能，改变腐蚀形式已成主流方法，比如Cu、Ti、Zr、 Sn元素等，其他方法还有多层合金复合或者包覆防腐层合金[12]。
1.1.2 铝制汽车热交换器结构
散热器芯内部的循环流动冷却液和外部高速流过的空气不断在强气流的作用下进行热量的交换，冷却液和空气不。非常多的细冷却管和金属材质的散热片共同构成了散热器芯，这些非常细而多的管材和片材就是为了增加散热器芯总的散热面积[10]，散热器芯有多种多样的构造形式，如果按照结构型式来分，可分为管带式和管片式两种。两种散热器结构如图1-3:
图1-3散热器芯的构造图
如图所示管带式散热器比管片式更为紧凑，管带式散热器在散热带上还开有类似百叶窗的孔，这种类似百叶窗的孔可以扰动表面气流，提高了散热效率[13]。
散热器的结构在不断的更新，从蛇型结构和薄壁并流型结构发展到德朗杯型与单箱型结构等；散热器的材料也在不断更新，例如采用Cu-Mn-Cr-Zr系合金和Al-Al-Mn-Si-Fe系合金，就使得散热器在薄壁化的同时强度得到提高。
1.2 铝合金散热器材料研究现状
目前，具有抗局部腐蚀性的合金成为散热器的管材的首选，铝制散热器还大量采用了多层复合管材，如4343/3003、4045/3003等带有钎料覆层的双金属管材，以及采用4004/3003/7072三层钎焊复合铝箔来制作管材。
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