建筑用鋁合金擠壓型材腐蝕失效的特征及機理

(廣東省工業(yè)分析檢測中心，廣州 510650)

自20世紀80年代中期，建筑用鍛造鋁合金擠壓型材(以下稱鋁合金型材)產品得到了迅速發(fā)展，其表面處理技術也由單一的陽極氧化發(fā)展到電泳涂漆、粉末噴涂以及氟碳漆噴涂。我國是世界最大的建筑市場，鋁合金型材年產量超過全世界產量的二分之一[1]。隨著鋁合金型材需求的增加，生產裝備和技術水平的不斷提高，鋁合金型材產品的應用范圍也不斷擴展，如隔熱鋁合金型材產品在節(jié)能環(huán)保和新能源領域得到廣泛應用，中、高強度的工業(yè)鋁合金型材在航天航空業(yè)、交通運輸業(yè)、電子電力業(yè)和機械制造業(yè)得到了迅速發(fā)展。

在鋁合金型材熔鑄、均勻化處理、擠壓、表面處理等幾大加工過程中，合金成分比例不當、熔鑄擠壓工藝參數(shù)控制不當或者表面處理工藝限制等會使加工型材表面產生夾雜、麻點、氣泡、腐蝕、劃傷等各種缺陷，嚴重影響產品的質量。在使用過程中由于載荷、溫濕度及介質環(huán)境的影響，鋁合金型材經常會出現(xiàn)斑點、涂層變色、腐蝕等缺陷。產品一旦出現(xiàn)失效，將造成不同程度的經濟損失，影響企業(yè)形象，甚至造成人員傷亡和環(huán)境污染。

眾多研究者[2-8]對生產過程中產生的缺陷進行了大量研究，通過改進產品配方、優(yōu)化生產工藝提高產品質量。但關于鋁合金型材在后期使用過程中出現(xiàn)的腐蝕、表面變色等失效以及鋁合金型材失效機理方面的研究鮮有報道。

本工作通過對鋁合金型材失效樣進行化學成分、力學性能、顯微組織、微觀組織形貌和腐蝕物成分等理化檢驗，綜合分析了鋁合金型材的失效原因，并探討了其失效機理，為鋁合金型材行業(yè)的發(fā)展提供技術支撐。

1 理化檢驗與結果

1.1 化學成分

鋁合金型材產品通常采用合金牌號為6063系列的鋁合金經T5處理后加工而成。選取了10個鋁合金型材失效件，對其進行化學成分分析，并與標準規(guī)定的6063鋁合金成分進行了比較，結果見表1。由表1可以看出：鋁合金型材失效件的化學成分均符合產品標準要求。

表1 鋁合金型材失效件的化學成分(質量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of failed specimens of aluminum alloy profile (mass fraction) %

1.2 力學性能

由表2可以看出:根據(jù)GB 5327.1-2008《鋁合金建筑型材 第1部分：基材》標準，牌號6063、供應狀態(tài)T5的鋁合金型材失效件的力學性能均滿足標準要求。

1.3 顯微組織

對鋁合金型材失效件進行顯微組織觀察，結果見圖1。由圖1可以看到：鋁合金型材失效件的顯微組織均為α(Al)相+Mg2Si的質點相，出現(xiàn)少量富Fe的質點相。盡管不同鋁合金型材失效件在晶粒大小上略有差異，但在同一鋁合金型材失效件中其晶粒尺寸、分布都較均勻。

表2 鋁合金型材失效件的力學性能Tab.2 Mechanical properties of failed specimens of aluminum alloy profile

1.4 微觀腐蝕形貌

采用電子探針觀察鋁合金型材腐蝕區(qū)域的微觀形貌。腐蝕區(qū)表面形貌表現(xiàn)為兩種典型特征：一是腐蝕區(qū)表面生成了大量的疏松狀或結晶狀腐蝕產物，較難觀察到基體形貌，如圖2所示；二是腐蝕區(qū)表面深淺不一，凹凸不平，零散分布著呈龜裂狀的腐蝕產物，大多能觀察到基體的形貌，如圖3 所示。

1.5 腐蝕產物組成

對鋁合金型材表面腐蝕產物以及現(xiàn)場收集來的水泥砂漿或異物進行成分分析，結果見表3和表4(其中粉、電和氟碳等分別表示該失效件對應的表面處理方式為粉末噴涂、電泳涂漆和氟碳漆噴涂)。

從表3中可以看出：雖然各鋁合金型材的表面處理方式不同，但其表面腐蝕產物的主要元素均為鋁和氧，其次為碳、硫、鎂、硅等雜質元素以及鈣、鉀堿性元素；大部分腐蝕區(qū)含有氯元素，少量腐蝕區(qū)不含氯元素；氟碳漆噴涂型材腐蝕區(qū)還出現(xiàn)了此產品表面特有的氟元素。

從表4中可以看出：部分水泥砂漿中氯元素含量并不明顯，而部分水泥砂漿中存在明顯的氯元素，異物中氯元素的含量更是明顯偏高。

兩種腐蝕形貌所對應的化學成分顯示，由疏松物質為主的腐蝕區(qū)無明顯的氯離子存在，含有鉀、鈣元素，而由龜裂狀物質為主的腐蝕區(qū)中含有明顯的氯離子。

(a) 失效件1 (b) 失效件2 (c) 失效件3 (d) 失效件4圖1 鋁合金型材失效件的顯微組織Fig.1 Microstructure of failed specimens of aluminum alloy profile

(a) 失效件1

(b) 失效件2圖2 鋁合金型材失效件腐蝕區(qū)的表面形貌(基體不可見)Fig.2 Surface morphology of corroded area on failed specimens of aluminum alloy profile (substrate invisible)

2 失效特征及機理

根據(jù)以上分析結果，鋁合金型材失效件基體的化學成分、組織及力學性能均符合標準要求。涂層性能檢測結果顯示，涂層性能指標也達到GB 5327.2-2008《鋁合金建筑型材 第2部分：陽極氧化型材》、GB 5327.3-2008《鋁合金建筑型材 第3部分：電泳涂漆型材》、GB 5327.4-2008《鋁合金建筑型材 第4部分：粉末噴涂型材》和GB 5327.5-2008《鋁合金建筑型材 第5部分：氟碳漆噴涂型材》標準中的產品要求。腐蝕形貌結果表明，失效鋁合金型材表面附有大量的腐蝕產物或表現(xiàn)為腐蝕坑，呈典型的腐蝕失效特征。鋁合金型材的失效主要以腐蝕失效為主，未見斷裂、過載變形等失效類型。

據(jù)現(xiàn)場調研及資料[9-10]顯示，出現(xiàn)腐蝕失效的鋁合金型材產品大多安裝在沿海地區(qū)，如深圳、珠海、湛江以及廈門等地。同時，為了節(jié)省成本，目前很多工程將海砂作為水泥砂漿中的砂子使用，建筑行業(yè)在某些方面也允許使用海砂，但在相關標準JGJ 52-2012《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》和JGJ 206-2010《海砂混凝土應用技術規(guī)范》中規(guī)范了海砂使用的技術條件。其中，規(guī)定了氯離子質量分數(shù)不得超過0.06%或海砂中的水溶性氯離子質量分數(shù)≤0.03%。大量鋁合金型材失效樣的檢測結果顯示，房屋所用的水泥砂漿中氯含量明顯高于標準的限制值，未達到標準要求。

(a) 失效件3 (b) 失效件4 (c) 失效件5 (d) 失效件6圖3 鋁合金型材失效件腐蝕區(qū)的表面形貌(基體可見)Fig.3 Surface morphology of corroded area on failed specimens of aluminum alloy profile (substrate visible)

表3 鋁合金型材表面腐蝕產物化學成分(質量分數(shù))Tab.3 Chemical composition of corrosion products on surface of aluminum alloy profile (mass fraction) %

根據(jù)以上分析，鋁合金型材失效的主要原因是由于鋁合金型材在安裝使用過程中接觸到氯離子含量明顯超標的水泥砂漿或者處于沿海地區(qū)，周圍環(huán)境中含有大量的富含氯離子的物質，如海水。當周圍介質中含有大量的活性氯離子時，它們吸附在鋁合金型材表面的某些部位，對氧化膜及涂層進行破壞，遭到破壞的地方成為陽極，與鋁合金型材其他正常部位構成鈍化活化電池，形成腐蝕小孔，氯離子不斷向腐蝕孔遷移富集，從而在鋁合金型材表面形成腐蝕斑點或腐蝕區(qū)，最終造成鋁合金型材的腐蝕失效，其失效模式如圖4所示。

表4 水泥砂漿及異物的化學成分(質量分數(shù))Tab.4 Chemical composition of cement mortar and foreign matter (mass fraction) %

圖4 鋁合金型材失效模式的示意圖Fig.4 Sketch map for failure mode of aluminum alloy profile

少數(shù)鋁合金型材腐蝕失效是由于堿性物質如混凝土、灰漿的影響和作用。一般情況下，在大氣中鋁合金表面會產生一層薄薄的致密的氧化鋁膜，對鋁合金基體起到保護作用，盡管堿性物質對鋁合金有一定的腐蝕性，但腐蝕速率極慢，不會造成大面積明顯的腐蝕。若安裝過程中操作不當，鋁合金型材的表面保護膜被建筑砂漿破壞，在潮濕、干燥的交替環(huán)境中，鋁合金基體就作為陽極與堿性物質發(fā)生腐蝕反應，最終引起鋁合金型材的穿孔失效。

3 結論

造成鋁合金型材腐蝕失效的主要原因有兩種：鋁合金型材在使用過程中接觸到大量的富含氯離子的物質，在周圍潮濕的環(huán)境中，氯離子對氧化膜及涂層進行破壞，遭到破壞的地方成為陽極，與鋁合金型材其他正常部位構成鈍化活化電池，造成鋁合金型材的腐蝕；在潮濕、干燥的交替環(huán)境中，鋁合金型材表面保護膜被局部破壞情況下，堿性物質與鋁合金基體發(fā)生腐蝕反應，最終引起鋁合金型材的腐蝕失效。