Recycled Aluminium Alloys and their Models: Role and Behaviour of Alloying Elements during Alkaline Etching

Alkaline etching is a common pretreatment for aluminum surfaces. Etching behavior was compared between an alloy based on post-consumer scrap (PCS) and several model alloys of rolled AA3005 and extruded AA6060 with systematically varied amounts of Mn, Cu and Ni. Analysis of concentrations of alloy elements in the etching solution by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) shows that significant fractions of the investigated elements Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, and Zn dissolve. Surface analysis of samples in different stages of the etching process show (i) an increase in oxide layer thickness with etching time, (ii) an enrichment of important alloy elements and impurities (Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Si) near the metal/oxide interface, and (iii) the deposition of Mg, Fe, Si-containing aluminum hydroxide on the surface. A comparison with open circuit potential measurements and time-resolved electrochemical polarization resistance measurements enables a detailed analysis of the etching mechanism. The aluminum dissolution rate during etching is limited by the transport of species through the oxide precursor layer, thus is potential-independent. Differences in etching rates between different alloy classes, evidenced by mass loss measurements, are related to differences in the cathodic or anodic reaction mechanisms (hydrogen evolution or metal dissolution) during etching.publishedVersio

Mechanistic investigation of the pretreatment of AA6060 with varying Ni and Cu content

Aluminium er et allsidig materiale på grunn av metallets høye styrke-til-vekt-forhold, duktilitet og gode korrosjonsbestandighet. Økt bruk av resirkulert aluminium krever at det resirkulerte produktet oppnår de samme egenskapene som primært aluminium. Ved resirkulering kan økte nivåer av urenheter eller sporelementer samle seg i legeringen; videre kan det hende at sammensetningsvinduet til legeringselementer må justeres. Elementer som er mer edle enn aluminium-matriksen, som for eksempel Cu eller Ni, kan føre til flere katodiske punkter på overflaten, som potensielt kan føre til økt risiko for lokaliserte korrosjonsangrep, slik som filiform korrosjon, FFC. For å forhindre FFC utføres en over- flatebehandlingsprosess for å fjerne det aktive overflatelaget og for å forbedre vedheften til det p åførte organiske belegget. Denne forbehandlingsprosessen best år typisk av avfetting, etsing, avsmutsing og konverteringsbelegg. Målet med denne oppgaven var å undersøke effekten av forbehandlingsstegene på overflatesammensetningen og egenskapene til AA6060-legeringer med et Ni-innhold som varierte fra 28 ppm til 456 ppm. I tillegg ble det analysert en legering med et høyt Cu-innhold på 895 ppm. For å undersøke overflatesammensetningen etter hvert steg, ble overflaten karakterisert ved bruk av Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS). Den alkaliske etseprosessen ble studert in situ ved elektrokjemiske målinger, ved bruk av en roterende skiveelektrode (RDE). Videre ble konsentrasjonen av oppløste legeringse- lementer analysert ved hjelp av Inductively Coupled Ion Mass Spectrometry (ICP-MS). Effekten av økte nivåer av etseprodukter i etseløsningen ble også undersøkt ved elektrokjemisk og komposisjonsanalyse av etsede og avsmutsede prøver. Overflatekomposisjonen ble analysert ved Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES) og Scanning Electron Microscopy (SEM). Videre ble de elektrokjemiske egenskapene undersøkt ved elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) og potensiodynamisk polarisering i 0,9M NaCl. Konverteringsbelagte prøver ble studert ved GD-OES og potensiodynamisk polarisering i 0,9M NaCl. I denne analysen ble et kommersielt og laboratorielaget konvert- eringsbelegg sammenlignet, begge basert p ̊a zirkoniumoksid. Overflatekarakterisering ved ToF-SIMS indikerte at det var variasjoner i oksidlagsammensetningen til de etsede prøvene. En høyere sammensetning av Al- og Mg-oksider/ hydroksider og CuO ble funnet i sammenheng med intermetalliske partikler, noe som tyder på at oksidsammensetningen varierer avhengig av legeringssammensetningen under oksidlaget. Elektrokjemiske målinger under etsing viste at den katodiske reaksjonen hovedsakelig domineres av hydrogenutviklingsreaksjonen (HER), som er aktiveringskontrollert. Ni-innholdet hadde ingen effekt på Tafel-helningen, men et økt Ni-innhold førte til en liten økning i utvekslingsstrømtettheten. ICP-MS analysen av etseløsningen viste at både aluminium og betydelige mengder legeringselementer løses opp i løsningen under etsing. Prøver etset i en forurenset etseløsning viste en høyere overflateanrikning av edle elementer, inkludert Fe, Mg, Mn og Ni, sammenlignet med prøver etset i en fersk etseløsning. I tillegg hadde prøvene som var etset i den forurensede løsningen en høyere katodisk aktivitet, som ble tilskrevet økte nivåer av edle legeringselementer i smutslaget dannet på overflaten under etsing. Etter avsmutsing i konsentrert salpetersyre ble det imidlertid ikke observert forskjeller i sammensetning eller elektrokjemisk oppførsel mellom prøver etset i det forurensede og ferske etsebadet. Overflatekarakterisering av de konverteringsbelagte prøvene indikerte at konverteringsbelegget var heterogent ettersom høyere nivåer av Zr- og Zr-oksider ble påvist av ToF-SIMS i nærheten av intermetalliske partikler på overflaten. Økte nivåer av Zr-oksid ble tilskrevet den katodiske oppførselen til de intermetalliske partiklene. En sammenligning av et laboratoriefremstilt og kommersielt konverteringsbelegg viste at den katodiske aktiviteten ble økt for det kommersielle konverteringsbelegget. Dette ble tilskrevet Cu-tilsetningsstoffer i belegget som ble avsatt p ̊a overflaten. En anrikning av Ni ble observert for begge konverteringsbehandlingene, men årsaken til denne anrikningen ble ikke avklart. Uansett hadde Ni-innholdet i legeringen ingen effekt på overflateanrikningen eller den elektrokjemiske oppførselen til de konverteringsbelagte prøvene