銅及銅合金材料防腐研究進展

徐育成

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

銅作為一種古老金屬，在歷史和時代發(fā)展的過程中，其冶煉和制作工藝被不斷改善優(yōu)化[1]。由于銅及銅合金材料在冶煉過程中具有較高的強度和導熱性能，以及強大的耐腐性優(yōu)勢，因此被普遍應用與當前各種現(xiàn)代化工業(yè)和工程中，并對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展起著舉足輕重的重要作用。隨著當前現(xiàn)代化建設和發(fā)展，對當前的銅金屬材料的優(yōu)化和改善提出了更高的要求，為了更好的提高銅及銅合金材料的使用效果和質量，對銅及銅合金材料防腐研究現(xiàn)狀與未來的發(fā)展趨勢進行分析，并根據(jù)分析結果提出相關優(yōu)化建議，根據(jù)銅及銅金屬材料特性進行工業(yè)加工，從而提高其防腐性[2]。根據(jù)銅及銅合金材料自身的高強度、硬度和耐磨性特征對其導熱系數(shù)和穩(wěn)定剛度進行改善。

1 銅及銅合金材料防腐研究

對當前銅及銅合金材料受損侵蝕情況進行調查，針對金屬材料的腐蝕現(xiàn)象進行研究發(fā)現(xiàn)，銅及銅合金材料的腐蝕現(xiàn)象主要是受到環(huán)境及化學作用影響所產(chǎn)生的現(xiàn)象，也就是說，金屬材料的腐蝕主要原因在于化學或電化學及外部環(huán)境破壞下產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，其具體受損原來如下圖所示：

圖1 銅及銅合金材料受損原理

根據(jù)上圖不難理解，在銅及銅合金材料的使用過程中，受到外界環(huán)境和材料使用年限等多種因素影響，仍會出現(xiàn)腐蝕性問題。為此，在傳統(tǒng)方法基礎上進行優(yōu)化，對銅及銅合金材料腐蝕情況進行分析，積極采取防腐措施勢在必行。

為了對銅及銅合金材料防腐方法進行研究，首先需要對當前銅及銅合金材料的防腐方法進行分析研究，具體包括：熱噴涂方法、等離子噴焊方法、銅粉保護方法及其他方法。為了更直觀的對當前我國常見的銅及銅合金材料防腐方法的使用率和實用性進行展示，調查并繪制了下圖：

圖2 我國銅及銅合成材料防腐方法占比

根據(jù)上述調查結果進一步進行分析，對傳統(tǒng)的銅及銅合金材料防腐方法進行調查，從而充分吸取傳統(tǒng)方法中的優(yōu)點，摒棄傳統(tǒng)集中防腐方法的不足之處進行防腐研究。

1.1 熱噴涂方法

如圖2所示，在當前常見的銅及銅合金材料防腐方法中，熱噴涂方法所占比重相對較大，其原理為結合涂層的方法對銅及銅合金材料表面進行噴涂或噴焊處理，從而最大限度上避免銅及銅合金材料表面出現(xiàn)熔化，經(jīng)過熱噴處理后的材料涂層會出現(xiàn)基體互熔現(xiàn)象，最終使其重熔面積不斷擴散。其中，銅及銅合金材料熱噴涂方法類型相對比較多，具體包括：

1.1.1 氧—乙炔火焰法

該方法的應用歷史相對較為古老，其原理是利用銅及銅合金材料的特性，結合火焰的高溫對銅材料進行燒制，在高溫熔融下產(chǎn)生粉末或絲狀殘留物，并將殘留物進行金屬表面涂層處理，從而起到對材料的保護作用，該方法具有操作簡單、資源消耗較低等優(yōu)點，但是在氧—乙炔火焰噴涂方法在使用過程中，如果對其火候掌握不好則極易造成金屬表面涂層孔隙率較大的問題，從而導致材料強度降低。

1.1.2 電弧法

電弧噴涂是在兩根絲狀的金屬材料之間產(chǎn)生電弧，電弧產(chǎn)生的熱量使金屬絲熔化，熔化部分由壓縮空氣氣流霧化并噴向基體表面而形成涂層。該工藝也具有設備使用方便、效率高等特點，但噴涂材料必須是導電的金屬及合金絲，因而其應用受到了一定限制，但它的高效率使得它成為對金屬材料進行大面積防腐加工處理方法中的首選工藝。但該方法存在資源損耗過大，操作困難等不足。

1.1.3 爆炸噴涂法

爆炸噴涂方法相對較為古老，它的使用原理為：利用噴涂過程中的壓力差進行噴涂，利用可燃性氣體產(chǎn)生高能量爆破，從而加速材料加熱效果，使金屬材料在快速轟擊下迅速被完成表面涂層處理。爆炸噴涂法通過高超音速風洞的產(chǎn)生原理進行表面涂層處理，具有噴涂緊密，結合強度高等優(yōu)勢，但該方法在實際操作過程中易產(chǎn)生極大的噪音，且操作不當極易發(fā)生危險，威脅操作人員的生命健康安全。

1.2 激光熔覆方法

激光熔覆方法是近代工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物，其原理為：通過利用高能密度激光束對銅及銅合金材料表面進行熔融處理，通過激光熔覆，使金屬材料表面產(chǎn)生與基體不同的成分和性能，并快速凝固，從而達到對廉價金屬表面進行高性能合金熔覆的目標。從而實現(xiàn)降低金屬加工成本，提高通及銅合金材料耐磨性、耐腐性和抗氧化性等性能。在對銅及銅金屬材料進行激光熔覆處理的過程中，要對其稀釋率進行科學設置和有效掌控，減少材料內成分不被基體稀釋的可能，避免材料性能受到加工的影響，保證材料在加工后能有效保證其最佳性能狀態(tài)。

針對不同的金屬材料性能和成分，在進行激光熔覆處理的過程中，通常可選擇合金預置法和同步送料法兩種方法進行加工處理。由于同步送料法操作過程相對較為復雜且對處理環(huán)節(jié)等相關影響因素要求極高，因此使用幾率相對較少。在此前提下，主要以合金預置法為主。

該方法通過粘粘、電鍍、預置等方法對需要熔覆的材料進行加工，并利用激光束在金屬表層進行加工處理，使之在激光作用下有效進行熱量傳遞，能量使溫度升高并熔化，同時通過熱傳導將表面熱量向內部傳遞，和融化現(xiàn)象，從而在金屬材料表面產(chǎn)生熔覆層進行防腐蝕保護。但該方法在使用過程中對操作人員的熟練程度和經(jīng)驗要求相對較高，且對資金和環(huán)境要求較高，在選擇的故操作需要其性價比進行計算分析。

1.3 等離子噴焊法

在諸多的銅及銅合金材料防腐方法中，等離子噴焊的方法主要是通過將熱源設置為等離子轉移弧進行噴焊防腐的方法。該方法通常需要整流電源的正負極進行并聯(lián)處理，使之通過電纜產(chǎn)生轉移弧，在轉移弧產(chǎn)生后利用其具有高頻火花點的特征進行噴射。

需要注意的是在對銅及銅合金材料進行等離子噴焊的過程中，一旦具有高頻火花點的轉移弧成功建立，則材料表面即已形成了一定的熔池區(qū)域，因此為避免對材料成分和性能的損傷，在噴焊熔融處理的操作過程中需要不斷對噴槍進行規(guī)律移動，從而使金屬材料表面快速凝固，完成重熔。在選擇等離子噴焊法對銅及銅金屬材料進行噴涂過程中，要注意對弧柱極易出現(xiàn)融化沉積現(xiàn)象。同時在選取等離子噴焊法對銅及銅合金材料進行重熔的過程中，受到高溫加熱環(huán)境影響，材料表面熔融期間若操作不慎則極易落入粉末等雜質對熔池轉移弧產(chǎn)生影響，沖淡陽極區(qū)域的熱量?？偠灾摲椒▽嶋H操作過程中難度相對較大，且對環(huán)境要求相對較高，因此該方法的選取幾率相對較低。

2 銅及銅合金材料防腐研究發(fā)展及展望

在現(xiàn)代化工業(yè)飛速發(fā)展的時代背景下，銅及銅合金材料已經(jīng)成為人們日常生產(chǎn)和生活中不可缺少的重要材料。對我國近十年來的銅及銅合金材料防腐研究情況進行調查分析發(fā)現(xiàn)，相對于60年前而言，我國銅材料的使用和生產(chǎn)相對增加了近600倍，且其防腐性相對于早年有明顯提高。充分說明了當前我國銅產(chǎn)品及相關行業(yè)的發(fā)展趨勢良好，當前我多各行各業(yè)對銅質產(chǎn)品的需求量有增無減。可以說，銅及銅合金材料的使用發(fā)展具有十分良好的市場前景。我國對銅及銅合金材料進行科學防腐處理的需求量也與日俱增。

由于我國對銅及銅合金材料的防腐方法研究時間相對較短，因此可選取方法相對較為有限，但近年來，相關專家學者紛紛開始重視并進行研究，提出了純銅線噴涂、電刷及電極表面噴涂等方法對傳統(tǒng)化防腐方法進行優(yōu)化。

目前提出的相關優(yōu)化方法中仍存在部分不足有待優(yōu)化，但整體相對于傳統(tǒng)方法而言有了極大的改善和進步。結合當前時代發(fā)展趨勢和銅及銅合金材料防腐方法技術現(xiàn)狀，對于銅及銅合金材料的防腐處理后續(xù)研究可從以下幾個方向展開：

（1）研究不同環(huán)境下銅及銅合金材料的腐蝕機理，根據(jù)腐蝕機理選用適用于不同環(huán)境的防腐處理方式。

（2）開發(fā)新型環(huán)保防腐涂層材料，結合先進的涂覆技術進行推廣應用。

（3）加強銅合金零件表面涂層涂覆技術的研究，推進新型微納米碳復合材料、表面超疏水材料在銅及銅合金防腐處理上的應用。

（4）研究熱處理工藝、稀土元素等因素對銅合金材料防腐性能的影響，制備具有較好耐腐蝕性的新型銅合金材料。

3 結語

當前在我國社會各行各業(yè)中對銅及銅金合金材料的應用十分廣泛，直接影響著我國現(xiàn)代化工業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展情況。為了更好的提高銅及銅合金材料防腐性能，對當前常見的防腐方法進行調查和研究，根據(jù)研究結果提出相關的優(yōu)化建議，并結合當前時代發(fā)展趨勢對銅及銅合金材料防腐方法進行優(yōu)化，展望其發(fā)展趨勢，以期更好的促進現(xiàn)代化工業(yè)和經(jīng)濟的健康長遠發(fā)展。