海洋大氣環(huán)境對(duì)鋁合金電連接器殼體腐蝕及電氣性能影響

王玲，趙全成，楊萬(wàn)均

（西南技術(shù)工程研究所 國(guó)防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)研究中心，重慶 400039）

電連接器是電子設(shè)備中重要元器件之一，主要起電信號(hào)傳輸控制以及電氣設(shè)備間的電氣連接作用，廣泛應(yīng)用于航空航天、通信等各個(gè)領(lǐng)域。電連接器殼體材料有不銹鋼、鋁合金、復(fù)合材料等多鐘材料。由于鋁合金具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能較好、加工成形方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是常用的電連接器殼體材料之一。鋁合金殼體材料大多數(shù)采用硬鋁、鍛鋁或鑄鋁，通過(guò)不同的成形工藝制作。電連接器的可靠性和耐環(huán)境能力直接影響電子設(shè)備的可靠使用。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，引起電子系統(tǒng)設(shè)備故障或失效的元器件中，電連接器失效約占40%[1]。目前對(duì)電連接器的研究主要集中在可靠性方面，包括接觸可靠性試驗(yàn)研究、失效機(jī)理、接觸電阻模型、仿真分析等方面[2-9]，對(duì)電連接器的環(huán)境適應(yīng)性，特別是自然環(huán)境下性能影響研究較少。文中研究了2A12硬鋁合金、6061鍛鋁合金兩種殼體材料的電連接器在海南萬(wàn)寧棚下環(huán)境中的腐蝕性能和電氣性能。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為 2A12鋁合金殼體和 6061鋁合金殼體的兩種圓形電連接器，鋁合金殼體表面防護(hù)工藝均為化學(xué)鍍鎳。自然環(huán)境試驗(yàn)在萬(wàn)寧試驗(yàn)站開(kāi)展。萬(wàn)寧試驗(yàn)站屬于典型的海洋大氣環(huán)境，其年平均氣溫24.6 ℃，年平均相對(duì)濕度86%，年降雨量1942 mm，氯離子質(zhì)量濃度約0.018 mg/(100 cm2·d)。采用棚下暴露試驗(yàn)方式，將電連接器垂直懸掛于棚下庫(kù)房的試驗(yàn)架上，試驗(yàn)周期為4 a，性能檢測(cè)周期為1、2、4 a。

定期檢測(cè)電連接器的性能。采用數(shù)碼相機(jī)觀察記錄電連接器殼體表面的宏觀形貌。采用Quanta200環(huán)境掃描電鏡（SEM）觀察殼體表面腐蝕形貌，用SEM附帶的能譜儀分析腐蝕產(chǎn)物元素。采用蔡司Observer.A1m金相顯微鏡觀察殼體截面的腐蝕形態(tài)。將電連接器放置在同一環(huán)境下（溫度25 ℃，相對(duì)濕度小于50%）24 h后進(jìn)行電氣性能測(cè)試，采用GPI735絕緣耐壓測(cè)試儀測(cè)試電連接器的絕緣電阻和耐壓強(qiáng)度（加載頻率為50 Hz，電壓為625 V，維持時(shí)間大于1 s），采用萬(wàn)用表測(cè)試導(dǎo)通性能。根據(jù)電連接器的實(shí)際使用要求，各項(xiàng)電氣性能的使用要求為絕緣電阻要大于50 MΩ，不發(fā)生擊穿和短路，否則判定失效。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 腐蝕形貌

2.1.1 宏觀腐蝕形貌

兩種電連接器鋁合金殼體在海洋大氣環(huán)境下的腐蝕現(xiàn)象主要為出現(xiàn)白色腐蝕產(chǎn)物（以下稱白霜）、鍍層鼓泡和剝落現(xiàn)象，如圖1所示。從殼體腐蝕發(fā)展來(lái)看，2A12鋁合金殼體在萬(wàn)寧棚下暴露6個(gè)月，表面出現(xiàn)輕微的白霜和鍍層開(kāi)裂。隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，殼體表面早期腐蝕破壞部位的白霜和鍍層剝落面積有所增加，但腐蝕面積擴(kuò)展速度不大。試驗(yàn)4 a后，殼體腐蝕面積約20%（見(jiàn)圖1b），并且腐蝕多集中于殼體的法蘭盤(pán)安裝處和螺紋等部位。6061鋁合金殼體在萬(wàn)寧棚下暴露6個(gè)月出現(xiàn)了較多的點(diǎn)狀白霜、鍍層剝落，之后腐蝕擴(kuò)展迅速。暴露4 a，6061鋁合金殼體表面的鍍層剝落面積已達(dá)50%以上，暴露出的灰白色鋁合金基體出現(xiàn)層狀剝落現(xiàn)象（見(jiàn)圖1d），并且其鄰近部位的化學(xué)鍍鎳層與基體已出現(xiàn)分層，可輕易撕開(kāi)。對(duì)比兩種殼體腐蝕破壞形態(tài)和程度，2A12鋁合金殼體腐蝕面積小于6061鋁合金殼體，并且前者主要是原有腐蝕部位的擴(kuò)展，而后者出現(xiàn)化學(xué)鍍鎳層的大面積脫落，基本失去保護(hù)作用。將電連接器打開(kāi)，觀察到其殼體內(nèi)部的插針與插座均未出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象。

圖1 兩種鋁合金殼體電連接器在萬(wàn)寧海洋大氣環(huán)境中腐蝕形貌

2.1.2 微觀腐蝕形貌

對(duì)兩種電連接器腐蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行微觀形貌觀察，如圖2所示。從圖2a可以看出，2A12鋁合金表面有大量的塊狀腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物較為疏松，并且有大量網(wǎng)狀裂紋。圖2b為6061鋁合金殼體鍍層剝落后的基體腐蝕形貌，可以看出，鋁合金表面呈灰白色，腐蝕產(chǎn)物沿軋制方向呈片層狀，鋁合金層狀腐蝕剝落導(dǎo)致其表面出現(xiàn)臺(tái)階和溝壑。

對(duì)兩種鋁合金殼體表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行 EDS能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表 1。2A12鋁合金殼體的表面腐蝕產(chǎn)物主要含有Al和O元素，以及少量的P和Ni，表明鋁合金基體腐蝕生成了氧化鋁或氫氧化鋁，P和 Ni來(lái)自于表面殘留的化學(xué)鍍鎳層。061鋁合金殼體表面僅含有Al和O元素，表明基體鋁合金發(fā)生腐蝕，生成含氧化合物，而表面化學(xué)鍍鎳層已完全剝落。

2.2 電氣性能

圖2 鋁合金殼體試驗(yàn)4 a后的腐蝕形貌

表1 殼體表面腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)元素及含量

兩種鋁合金殼體電連接器電氣性能的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，在4 a的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，兩種鋁合金殼體電連接器在規(guī)定的電壓加載條件下均未發(fā)生擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)通性能良好，載流導(dǎo)線間及其與殼體之間的絕緣電阻隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)有所下降，但仍然滿足使用要求限值（不小于50 MΩ）。由于測(cè)試儀器的量程限制，未能體現(xiàn)出兩種電連接器試驗(yàn)初期（1 a）的絕緣電阻變化差異。從試驗(yàn)2 a的絕緣電阻量值范圍可知，6061鋁合金電連接器的絕緣電阻比2A12鋁合金電連接器下降要快，試驗(yàn)4 a的絕緣電阻變化差異無(wú)法準(zhǔn)確判斷。

表2 兩種鋁合金電連接器的電氣性能結(jié)果

3 討論

3.1 腐蝕差異分析

從兩種電連接器鋁合金殼體的腐蝕形態(tài)和程度來(lái)看，2A12鋁合金殼體的腐蝕發(fā)展主要以局部白霜、鍍層剝落擴(kuò)展為主，6061鋁合金殼體的腐蝕發(fā)展呈現(xiàn)化學(xué)鍍鎳層大面積剝落及其鋁合金基體剝蝕，并且6061鋁合金殼體的腐蝕及其擴(kuò)展程度較2A12鋁合金殼體更為嚴(yán)重。為探究?jī)煞N鋁合金殼體腐蝕差異的原因，切取電連接器鋁合金殼體腐蝕較嚴(yán)重的區(qū)域制成金相樣品，觀察其截面的腐蝕形貌。兩種電連接器鋁合金殼體腐蝕部位截面的顯微金相圖如圖3所示，可以看出，2A12鋁合金表面的腐蝕特征為點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的混合腐蝕，以點(diǎn)蝕為主，點(diǎn)蝕深度和區(qū)域逐漸向金屬基體內(nèi)部擴(kuò)展，點(diǎn)蝕深度約100 μm。6061鋁合金表面的腐蝕沿著平行于基體表面的層狀晶粒組織上發(fā)展，并且腐蝕逐漸向金屬基體內(nèi)部延伸，是典型的剝層腐蝕，剝蝕層已發(fā)展至基體內(nèi)部100 μm以上。

鋁合金的腐蝕形態(tài)與其組成元素、第二相及其分布等密切相關(guān)，不同的腐蝕形態(tài)進(jìn)一步影響鍍層的剝落面積和防護(hù)作用。2A12（T4狀態(tài)）屬于Al-Cu-Mg系鋁合金，其主要強(qiáng)化相為 S相（Al2CuMg），其次為θ相（Al2Cu）。相對(duì)于基體和其他強(qiáng)化相，S相的電位（約-0.94 V（vs. SCE））較負(fù)，故優(yōu)先發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生S相的點(diǎn)蝕[10]。θ相的電位相對(duì)于基體較正，作為陰極造成附近基體陽(yáng)極溶解，加劇了鋁合金點(diǎn)蝕。此外，S相和θ相與晶界貧銅區(qū)會(huì)形成腐蝕微電池，發(fā)生晶間腐蝕。鋁合金基體點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的聯(lián)合作用造成腐蝕不僅向基體內(nèi)部發(fā)展，還使相鄰點(diǎn)蝕部位的腐蝕進(jìn)一步擴(kuò)展及相連，造成其表面的化學(xué)鍍鎳層剝落面積逐步擴(kuò)大，這與觀察到的電連接器殼體宏觀腐蝕形貌特征相一致。6061鋁合金殼體的剝層腐蝕與其晶間腐蝕敏感性和晶粒特征有關(guān)。6061鋁合金殼體常采用冷擠壓工藝制成，擠壓造成鋁合金內(nèi)部晶粒變形拉長(zhǎng)，使得晶界易于沿同一平面分布而呈層狀。同時(shí)，6061屬于Al-Mg-Si-Cu系合金，主要析出相為Mg2Si和W相，由于析出相Mg2Si的電位（約-0.91 V（vs. SCE））相對(duì)于 6061鋁合金基體電位（3.5%NaCl溶液中約-0.75 V（vs. SCE））更負(fù)[10]，Mg2Si相作為陽(yáng)極則會(huì)優(yōu)先發(fā)生溶解。當(dāng)腐蝕介質(zhì)通過(guò)表層晶間腐蝕形成的通道達(dá)到層狀晶粒后，晶間腐蝕將沿著平行于表面的窄路徑發(fā)展，形成的不溶性產(chǎn)物產(chǎn)生的張應(yīng)力導(dǎo)致尚未腐蝕的鋁合金剝落，連同鋁合金表面的化學(xué)鍍鎳層一并脫落。相反地，化學(xué)鍍鎳層大面積開(kāi)裂剝落進(jìn)一步暴露出基體，加劇鋁合金殼體的腐蝕。

圖3 鋁合金殼體試驗(yàn)4 a后的截面腐蝕形貌

3.2 腐蝕及電氣性能影響分析

從萬(wàn)寧試驗(yàn)站的主要環(huán)境因素量值可知，試驗(yàn)環(huán)境的年平均相對(duì)濕度約86%，全年濕度超過(guò)80%的時(shí)數(shù)占總時(shí)數(shù)的80%左右，年平均氣溫為24.6 ℃，空氣中氯離子的質(zhì)量濃度約0.018 mg/(100 cm2·d)，具有高溫、高濕、高鹽霧的特點(diǎn)，環(huán)境十分嚴(yán)酷[11-13]。從電連接器殼體的腐蝕情況來(lái)看，盡管鋁合金殼體采用了化學(xué)鍍鎳防護(hù)工藝，但在海洋大氣環(huán)境中暴露6個(gè)月后，兩種鋁合金電連接器殼體均出現(xiàn)了不同程度的白霜、鍍層剝落現(xiàn)象。暴露4 a后，6061鋁合金電連接器表面的化學(xué)鍍鎳層已基本失效，表明化學(xué)鍍鎳層在海洋大氣環(huán)境下對(duì)鋁合金基體的保護(hù)作用有限。究其原因，在濕度80%以上的海洋大氣環(huán)境中，殼體表面極易形成薄液膜，同時(shí)空氣中氯離子等腐蝕介質(zhì)會(huì)沉積在表面，而化學(xué)鍍鎳層表面的微孔和裂紋（見(jiàn)圖4）為腐蝕介質(zhì)和溶解氧等提供了腐蝕通道[11]，導(dǎo)致鋁合金基體發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物持續(xù)增加、堆積，造成鍍層鼓泡、開(kāi)裂直至剝落。此外，鍍鎳層屬于陰極性鍍層，鋁合金初期腐蝕引起鍍鎳層的局部破壞，將進(jìn)一步加劇基體腐蝕。

圖4 化學(xué)鍍鎳層表面形貌

2A12和6061鋁合金電連接器的電氣性能在萬(wàn)寧試驗(yàn)4 a后仍滿足要求，但隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，其絕緣性能均有不同程度的降低。雖然電連接器絕緣電阻主要取決于所采用絕緣材料的自身特性，但不同環(huán)境下絕緣材料的響應(yīng)特性會(huì)有所差異，即表現(xiàn)出的絕緣性能變化不同。在高濕的海洋大氣環(huán)境中，水汽通過(guò)電連接器接口逐漸侵入其內(nèi)部，并在絕緣體表面吸收與擴(kuò)散，造成電連接器的絕緣性能波動(dòng)或下降。同時(shí)，隨著鋁合金殼體腐蝕的加劇（特別是接口部位），將造成電連接器密封性下降，以及電氣測(cè)試中因插拔接頭將腐蝕產(chǎn)物或磨損殘留金屬屑帶入電連接器內(nèi)部而污染絕緣體，都將導(dǎo)致絕緣電阻下降。

從電連接器殼體腐蝕程度和電氣性能測(cè)試結(jié)果可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)周期中，雖然2A12鋁合金和6061鋁合金殼體電連接器的各項(xiàng)電氣性能均滿足使用要求，但暴露4 a后的電絕緣電阻相對(duì)于原始值已有明顯下降。同時(shí)，從電連接器殼體腐蝕來(lái)看，6061鋁合金的剝蝕已導(dǎo)致其表面鍍層基本失去防護(hù)作用，基體剝蝕的發(fā)展將造成殼體強(qiáng)度下降，以及接口、滾花等部位腐蝕破壞造成接口密封性下降、拆卸困難等問(wèn)題。隨著2A12鋁合金殼體點(diǎn)蝕向基體內(nèi)部持續(xù)深入，即使殼體表面腐蝕面積擴(kuò)展范圍較小，也可能出現(xiàn)電氣性能顯著下降或失效。盡管兩種電連接器鋁合金殼體的腐蝕形態(tài)和腐蝕發(fā)展影響有所差異，但都會(huì)存在電氣性能下降失效或拆卸維護(hù)困難等問(wèn)題，在海洋大氣環(huán)境下長(zhǎng)期使用的設(shè)備不建議選用此類電連接器。

4 結(jié)論

1）6061鋁合金和2A12鋁合金電連接器殼體腐蝕破壞均以鍍層剝落、白霜為主，并且6061鋁合金殼體的腐蝕比2A12鋁合金殼體嚴(yán)重。

2）2A12鋁合金基體發(fā)生點(diǎn)蝕和晶間腐蝕，6061鋁合金基體發(fā)生剝蝕，鋁合金基體腐蝕產(chǎn)物堆積，導(dǎo)致化學(xué)鍍鎳層開(kāi)裂、剝落，進(jìn)而失去防護(hù)作用。

3）相對(duì)于耐壓強(qiáng)度和導(dǎo)通性能，電連接器的絕緣電阻對(duì)海洋大氣環(huán)境更為敏感。

4）化學(xué)鍍鎳層表面存在微孔缺陷，加之鋁合金在海洋大氣環(huán)境下易出現(xiàn)剝蝕、點(diǎn)蝕，使得化學(xué)鍍鎳層對(duì)鋁合金難以起到長(zhǎng)期有效的防護(hù)作用。在海洋大氣環(huán)境下長(zhǎng)期使用的電子設(shè)備，不建議采用鋁合金化學(xué)鍍鎳殼體電連接器。