Ceriumpassivering av aluminiumlegeringar

Nyligen försvarade doktorand Salil Sainis sin licentiatavhandling med den engelska titeln The influence of Al alloy microstructure on conversion coating formation vid Tekniska högskolan i Jönköping (JTH). Forskningen utförs som en del av ett europeiskt doktorandnätverk. BACKGROUND Figur 1

Diskontinuerlig naturlig oxid

Naturlig oxid (3-5 nm)

Skiss över mikrogalvanisk korrosionscell i aluminiumlegering. Al-matris

Al- Pure Al legeringstvärsnitt Intermetalliska partiklar

Anodic reaction: Al → Al

Aluminiumlegeringar består av en heterogen mikrostruktur med sekundrära intermetalliska faser som har andra elektrokemiska egenskaper än aluminium. Intermetalliska faser i ytan bryter den naturliga skyddande oxidfilmen på aluminium. Detta skapar galvaniska mikroelement med aluminium som anod och intermetalliska faser som katod, vilket ger upphov till korrosion. Som skydd mot korrosionsangrepp används ofta anodisering eller ytomvandling.

Vid anodisering omvandlas aluminium till ett skyddande oxidskikt, men intermetalliska faser lämnar svaga punkter i oxiden. Därför har ytomvandling med kromat varit en utbredd metod för skydd av aluminiumlegeringar, men detta är en saga blott på grund av kromets välkända miljöproblem.

Ytomvandlingsskikt på aluminiumlegeringar bildas som ett resultat av ytans mikrogalvaniska element genom lokal pH-ökning runt katodiska intermetalliska faser. Resultatet blir en lokal bildning av en skyddande film som blockerar katoden. När katoden blockeras inhiberas korrosion av aluminium. Detta kan till exempel uppnås med ceriumföreningar som ersättning för kromat.

Användningen av ceriumföreningar blev studerat på en Al-7Si-2Cu-1Fe-legering designad för att innehålla intermetalliska partiklar av Al2Cu och Al5FeSi. Det observerades att det bara bildades ytomvandlingsskikt på Al2Cu men inte på Al5FeSi. Förklaringen är skillnaden i ädelhet. Al2Cu är betydligt mer katodisk mot aluminium än Al5FeSi. Därför uppstår en kraftigare reaktion på Al2Cu som bildar den skyddande filmen. Däremot gick det att bilda en skyddande film på Al5FeSi-partiklar i en Al-7Si-Fe-legering utan koppar och som därför inte samtidigt innehöll Al2Cu-partiklar. En ytterligare observation var att storlek och form på de intermetalliska partiklarna påverkar hur snabbt och effektivt de täcks av en lokal skyddande film.

Man kunde också konstatera att bildningen av ytomvandlingen inte bara är beroende av aluminiumlegeringens sammansättning och mikrostruktur, men också av förbehandlingen innan omvandlingen. Det är först relativt nyligen som förbehandlingens stora betydelse har uppmärksammats i den vetenskapliga litteraturen. Syftet med förbehandlingen är att göra de olika faserna i ytan tillgängliga för de elektrokemiska och kemiska reaktionerna som ligger till grund för bildning av ytomvandlingssskiktet. Det handlar främst om att aktivera den mikrogalvaniska kopplingen mellan intermetalliska partiklar och den angränsande aluminiumfasen. Den typiska förbehandlingen består av en en-stegsetsning eller en kombination av alkalisk etsning följd av en sur behandling. Den alkaliska etsningen görs i natriumhydroxid för att avlägsna den naturliga oxiden och aktivera aluminium. Den sura

Kopparrika partiklar Kopparrika partiklar

Kiselpartiklar Kiselpartiklar Beläggning lokalt Beläggning lokalt på partiklar på partiklar Si-partiklar Utfällning på kanten

Järnrika partiklar 10 μm 10 μm 10 μm

Fe-rik partikel

10 μm

10 μm

Obehandlat (till vänster) Al-7Si-2Cu-1Fe-legering och ytomvandlingsbelagd (mitten) legering med lokal utfällning enbart på kopparrika partiklar. Till höger: Järnrika partiklar Al-7Si-1Fe-legering med omvandlingsbeläggning begränsat till partikelkanten.

a a b b

c

behandlingen i salpetersyra, svavelsyra och/eller fluorvätesyra syftar till att ta bort partiklar av legeringsämnen från ytan som inte lösts upp i alkali.

Salil Sainis jämnförde tre olika förbehandlingar: » Enbart etsning med NaOH » Etsning med NaOH följd av HNO3 » Etsning med NaOH följd av H2SO4

Sammanfattningsvis visade den traditionella förbehandlingen #2 sig vara mycket effektiv för aktivering av kopparhaltiga faser och snabb bildning av ytomvandlingsbeläggning. Dock fungerar förbehandling #2 dåligt för järnhaltiga faser. Salpetersyran passiverar de järnrika partiklarna som rersulterar i en svag galvanisk koppling som knappt kan skapa en omvandlingsutfällning. Om man i stället enbart använder NaOH (förbehandling 1) på järnhaltiga partiklar blir ytomvandlingen mycket bättre.

Intermetalliska partiklar i aluminiumlegeringar som bidrar till att förbättra de mekaniska egenskaperna är svaga punkter för korrosionsegenskaperna. Då partiklarna är en del av mikrostrukturen och inte kan undgås behövs genomtänkta strategier för ytbehandling. Ytomvandling kan vara ett effektivt sätt att inhibera de kritiska intermetalliska partiklarna, men omvandlingsprocessen påverkas av typen av intermetalliska faser, deras form och den förbehandling som används. Det finns alltså inte en enskild optimal process för alla tillgängliga aluminiumlegeringar på marknaden. Istället behövs ett medvetet val av processer anpassat efter legeringen som är aktuell att ytbelägga.

Flera detaljer kan läsas i Salil Sainis licentiatavhandling. I övrigt fortsätter hans forskning vid JTH.

TEXT: SALIL SAINIS, JTH

Specialister på robotiserad ytbehandling

VR + ROBOT = SANT

Att RobNor är specialister på ytbehandling med robot är välkänt för de flesta i branschen. Nu kan vi även hjälpa företag att ta ett stort kliv genom att använda VR vid robotprogrammering. Hör gärna av er för mer information.

RobNor AB Tel: 040 12 69 00 Ventilgatan 6 E‐post: info@robnor.se 212 41 MALMÖ Webb: robnor.se

Dr.-Ing. Max Schlötter ( 1878 - 1946 ), en av pionjärerna bakom dagens högpresterande glanselektrolyter; författare till mer än 100 internationella patent.

Innovation med anor

• Processer • Anläggningar • Vatten/luft rening

PROTEAM Process & Cleantech AB

PROTEAM – För att nordisk industri förtjänar det bästa

Processanläggningar för kemiska och elektrolytiska processer:

• Hänggods • Trumgods • Korg/Pallgods • Kombi

Industrivattenreningar:

•Satsvis behandling •Kontinuerlig behandling •Vakuumindunstare •Jonbytare

Energivattenreningar:

•Skrubbervatten •Kondensvatten

Ombyggnad och optimering av:

•Manuella och automatiska processanläggningar för kemiska och elektrolytiska processer • Industrivattenreningar •Energivattenreningar

Processventilation

• PVC • PP • PP´s • PE

FU-kontrakt

•Förebyggande underhåll •Daglig tillsyn •Veckotillsyn •Akutservice •Reservdelshållning

Tillbehör/reservdelar

•Transportörer •Skrubbers •Droppavskiljare •Behandlingskar/Lameller/Sandfilter •Pumpar/Omrörare •Filter •Badvärmare •Nivåvakter/pT 100 givare/

Termostater •Överhettningsskydd • m.m.

Process-kar i:

• PP • PE • PVC • CPVC • PVDF • GAP •GAP-linade invändigt med termoplast

Process-tankar 100 l till 35m3:

• PP • PE • PVC • GAP •GAP-linade invändigt med termoplast

Konsulttjänster:

•Anläggningsoptimering •Projektledning • Konstruktion •Inköp •Rörmärkning

Proteam Process & Cleantech AB Lokalkontor, Sandviken www.proteam.se Polisvägen 5, 618 30 KOLMÅRDEN +46 11 39 18 00 Centralvägen 40, 812 31 STORVIK +46 (0)70-527 67 71

Är du intresserad av att anlita oss eller veta mer om vad vi kan erbjuda, kontakta:

Roberth Mattsson Mikael Andersson Stefan Turesson Camilla Hess Peter Johansson +46 (0)72-190 18 50 +46 (0)70-385 14 41 +46 (0)72-226 18 50 +46 (0)72-219 18 50 +46 (0)70-527 67 71 roberth.mattsson@proteam.se mikael.andersson@proteam.se stefan.turesson@proteam.se camilla.hess@proteam.se peter.johansson@proteam.se