鹽水濃度對(duì)鑄造鋁合金腐蝕行為的影響*

陳　林，石偉和，劉春柳

(百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西　百色　533000)

?

鹽水濃度對(duì)鑄造鋁合金腐蝕行為的影響*

陳林，石偉和，劉春柳

(百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西百色533000)

鋁合金材料的表面氧化薄膜很容易受到氯離子的腐蝕從而減少其使用壽命。試驗(yàn)采用浸泡法研究了鑄造鋁合金A356.2在低濃度NaCl溶液中的腐蝕行為，通過(guò)不同濃度NaCl溶液腐蝕情況進(jìn)行對(duì)比，隨著濃度的增加，腐蝕會(huì)逐漸加劇，而在2%～4%NaCl濃度下，腐蝕較為平緩，沒(méi)有因?yàn)闈舛鹊脑黾佣a(chǎn)生明顯的加劇腐蝕，在4%濃度后會(huì)有明顯的腐蝕加劇現(xiàn)象。

鋁合金A356.2；點(diǎn)腐蝕；NaCl濃度

鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和汽車(chē)的發(fā)展息息相關(guān)，如今汽車(chē)鋁化率日益提高，對(duì)鋁合金車(chē)輪的耐腐蝕性能、輕量化要求也邁上了新的臺(tái)階，特別是在中國(guó)[1-2]。腐蝕是一種自發(fā)進(jìn)行的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為材料和周?chē)沫h(huán)境發(fā)生反應(yīng)而被破壞[7]。腐蝕對(duì)我們的經(jīng)濟(jì)有著巨大的危害，帶來(lái)的損失遠(yuǎn)比想象中的多。調(diào)查顯示：腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失是非常嚴(yán)重的，基本上占各國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的1%～5%，是自然災(zāi)害損失總和的6倍。腐蝕就像是金屬材料在“患病”，要想控制或者減少金屬的腐蝕損失，就必須要了解金屬腐蝕行為是如何進(jìn)行的，通過(guò)了解金屬的腐蝕行為從而應(yīng)用防腐蝕知識(shí)和技術(shù)可以將腐蝕的損失減少25%～30%。

環(huán)境污染日益嚴(yán)重，對(duì)汽車(chē)的使用環(huán)境要求也日益提高，汽車(chē)的使用環(huán)境也會(huì)變得較為惡劣，對(duì)于輪轂鋁合金耐腐蝕性能的研究鮮有報(bào)道，因此有必要探究鹽水對(duì)鋁合A356.2的腐蝕行為影響，這將有助于汽車(chē)車(chē)輪在鹽堿地帶、沿海地區(qū)、海洋大氣環(huán)境下使用壽命的評(píng)估,對(duì)保障汽車(chē)的安全使用有重要的意義。

1　實(shí)　驗(yàn)

鋁合金A356.2，主要化學(xué)成分(w%)為：Si 6.5～7.5、Ti 0.10～0.20、Sr 0.01～0.02、Mg 0.25～0.40、余量Al[19]。把試驗(yàn)材料切割成塊，然后用金相打磨機(jī)和拋光機(jī)把材料打磨成試驗(yàn)需要的尺寸8 mm×4 mm×2 mm。鋁合金輪轂腐蝕主要發(fā)生在鹽堿地、海洋氣候、沿海地區(qū)，Cl-離子濃度一般較低，故腐蝕溶液的濃度區(qū)間定為2%～6%(ω)，而微量的雙氧水則是為了加速腐蝕。輪轂在戶外使用過(guò)程中由于摩擦、陽(yáng)光的暴曬等原因，都會(huì)使得車(chē)輪的溫度高于氣溫，所以把腐蝕的溫度定為45℃，腐蝕時(shí)間為48 h。腐蝕試驗(yàn)采用浸泡法，腐蝕介質(zhì)分為5組，由不同濃度的NaCl和一定濃度的H2O2組成，成分含量如表1所示。分別在8 h、16 h、24 h、32 h、40 h和48 h將試樣取出，用超聲波清洗儀清洗腐蝕樣品，然后用電子天平稱(chēng)量質(zhì)量測(cè)量腐蝕損失狀況并用金相顯微鏡觀察腐蝕表面。

表1　腐蝕溶液化學(xué)成分

2　結(jié)果與討論

圖1中a、b、c分別是e、f、g的腐蝕前的金相圖，e為在2%NaCl濃度下的腐蝕后的金相圖，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕坑點(diǎn)并不是很多，f是在5%NaCl濃度下的腐蝕金相圖，相對(duì)于2%濃度下腐蝕坑點(diǎn)分布得更為廣泛，坑點(diǎn)大小沒(méi)有明顯的區(qū)別，g是在6%NaCl濃度下的腐蝕后金相圖，腐蝕坑點(diǎn)明顯的變大，腐蝕坑得數(shù)目也開(kāi)始變多變密集，說(shuō)明其對(duì)低濃度的鹽水的腐蝕有一定的抵抗能力。由金相圖可以推斷鋁合金A356.2在低濃度Cl-的腐蝕下是以點(diǎn)腐蝕為主，其他腐蝕形態(tài)暫時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)。

圖1　腐蝕前后金相圖

試樣的失重作為評(píng)價(jià)腐蝕程度主要參考標(biāo)準(zhǔn)，并以此標(biāo)準(zhǔn)來(lái)研究溶液對(duì)試樣腐蝕行為的影響，各個(gè)濃度下的試樣失重與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2　失重曲線

由圖2可以看出在32 h前，由于鋁合金表面氧化薄膜的關(guān)系，腐蝕的速率比較緩慢，在32 h以后由于Cl-和Al(OH)3發(fā)生反應(yīng)生成AlCl3，而AlCl3的水解則會(huì)使溶液的pH變?cè)絹?lái)越低，使得腐蝕速率增加。在同一時(shí)間內(nèi)5%和6%濃度下的試樣腐蝕速率明顯高于4%以下的腐蝕速率，說(shuō)明了Cl-的濃度是決定腐蝕速率的關(guān)鍵因素。

經(jīng)過(guò)48 h的腐蝕后，試樣經(jīng)過(guò)處理后稱(chēng)量得到溶液濃度與試樣的腐蝕速率關(guān)系如圖3所示。

圖3　鋁合金A356.2的腐蝕速率曲線

由圖3可以看出來(lái)在4%濃度前腐蝕的速率和腐蝕失重都相差不大，在4%之后腐蝕的速率和腐蝕失重都有明顯的提升，說(shuō)明4%濃度是鋁合金A356.2腐蝕的一個(gè)臨界點(diǎn)。再結(jié)合金相圖e表明鋁合金的氧化薄膜在低濃度鹽水下發(fā)揮出了很好的防腐蝕作用，高于4%之后鋁合金的抗腐蝕能力會(huì)變的相當(dāng)弱，使得鋁合金的基體遭到破壞。

不管是在溶液還是大氣環(huán)境下，鋁合金發(fā)生點(diǎn)腐蝕的主要原因都是和Cl-發(fā)生反應(yīng)，在鋁合金發(fā)生腐蝕的產(chǎn)物中硫酸鹽腐蝕排在第一，而氯化產(chǎn)物就排在第二，足以說(shuō)明Cl-在鋁合金腐蝕中的作用。在大氣環(huán)境下，Cl-主要是通過(guò)氣相的HCl、含氯的的有機(jī)氣體、海鹽等通過(guò)降雨進(jìn)入江水、湖水，然后與鋁合金發(fā)生接觸產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕，如果有應(yīng)力的作用下會(huì)使得點(diǎn)蝕坑內(nèi)產(chǎn)生晶間腐蝕[3]。而鋁合金發(fā)生點(diǎn)腐蝕的最初一步是液膜中Cl-在鋁合金的表面的活性位發(fā)生吸附，在鋁合金氧化膜不完整和缺陷的地方這種現(xiàn)象會(huì)被增強(qiáng)，接下來(lái)吸附的離子會(huì)和氧化膜發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，使得鋁合金的氧化膜被削弱而進(jìn)一步的直接溶解[4]。

Cl-的存在會(huì)使氧化膜被滲透，氧化膜會(huì)被破壞，因此Al3+會(huì)向外遷移。鋁合金的表面活化，點(diǎn)腐蝕從此開(kāi)始。在點(diǎn)腐蝕坑處，陽(yáng)極會(huì)溶解為Al3+，而在電力場(chǎng)的作用下Cl-會(huì)進(jìn)一步向合金內(nèi)部遷移。腐蝕產(chǎn)物中以AlCl3為主，其只要原因是Al(OH)3經(jīng)過(guò)一系列的綠化步驟形成的，Al(OH)nCl3-n則是OH-和Cl-在鋁合金表面的氧化膜競(jìng)爭(zhēng)吸附形成的產(chǎn)物，其反應(yīng)情況如下：

(1)

腐蝕產(chǎn)物AlCl3的水解會(huì)使得腐蝕坑中的pH降低，使得腐蝕作用進(jìn)一步的增強(qiáng)[5]。雙氧水的加入則是考慮到了實(shí)驗(yàn)時(shí)間的問(wèn)題，雙氧水會(huì)和鋁合金發(fā)生以下反應(yīng)：

(2)

而Al(OH)3則會(huì)和Cl-上述式(1)的反應(yīng)，故而會(huì)加速鋁合金的腐蝕，從而縮短實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，因?yàn)殇X合金的的鹽水腐蝕實(shí)驗(yàn)想要得出比較明顯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月甚至上年的時(shí)間，在有雙氧水的條件下時(shí)間要短上很多。

3　結(jié)　論

鑄造鋁合金A365.2在較低濃度的NaCl溶液中的腐蝕程度很小，具有一定的抵抗能力；但是當(dāng)鹽水濃度高于4%時(shí)，合金的腐蝕速率會(huì)快速的增長(zhǎng)，這說(shuō)明鋁合金的點(diǎn)腐蝕行為受

Cl-濃度增加影響，當(dāng)Cl-離子濃度達(dá)到一個(gè)極限值后其抵抗腐蝕的能力幾乎被完全破壞，使得合金組織被腐蝕。

[1]宋鴻武,李昌海,常海平,等.高強(qiáng)韌鋁合金輪轂的輕量化鑄旋新工藝[J].稀有金屬,2012,4(5):630-635.

[2]姜玉波.鋁合金材料在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用分析[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī),2004,44(3):31-34.

[3]徐火平,劉慧叢,朱立群,等.鹽水環(huán)境下高強(qiáng)鋁合金暴露面積對(duì)腐蝕行為的影響[J].材料工程,2010(05):41-46.

[4]陳文敬.高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力條件下的腐蝕行為及其電化學(xué)行為研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2008.

[5]Nguyen T H,Foley R T.chemical nature of aluminum corrosion -3.the dissolution mechanism of aluminum oxide and aluminum powder in various electrolytes.[J].Journal of the Electrochemical Society,1980,127(12):2563-2566.

Effect of Salt Concentration on the Corrosion of Cast Aluminium Alloy*

CHEN Lin,SHI Wei-he,LIU Chun-liu

(School of Materials Science and Engineering,Baise University,Guangxi Baise 533000,China)

The performance of surface oxide film of aluminum alloy is susceptible to corrosion of chlorine ion and reduced the service life of aluminum alloy.Alloy A356.2 were immersion in different concentrations of NaCl,the corrosion rate increased with the concentration,when the NaCl concentration was 2%to 4%,the corrosion was gentle,but when the concentration ≥4%,the phenomenon of corrosion were very evident.

A356.2 aluminum alloy; corrosion; NaCl concentration

廣西高校科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2013ZD070)；廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(YB2014387、KY2015LX384)；白色學(xué)院校級(jí)一般項(xiàng)目(2015KBN04);2015 年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510609004)。

陳林(1987-)，男，碩士，主要研究方向高性能鋁合金材料。

TG172.6+3

A

1001-9677(2016)06-0040-03