國(guó)產(chǎn)ER 5356與ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭在鹽霧環(huán)境下的腐蝕行為研究

于鈞宇，叢意明，許鴻吉

大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028

0 前言

鋁合金材料普遍具有密度較低的特點(diǎn)，其強(qiáng)度接近甚至超過了部分優(yōu)質(zhì)合金鋼。隨著人們對(duì)軌道交通車體的輕量化、防腐蝕性等要求的不斷提高，鋁合金車身逐漸得到了大力推廣和使用。6XXX系鋁合金是以鎂和硅為主要合金元素并以Mg2Si相為強(qiáng)化相的鋁合金，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金[1-3]，其具有中等強(qiáng)度、耐蝕性高、無應(yīng)力腐蝕破裂傾向、焊接性能良好，焊接區(qū)腐蝕性能不變、成形性和工藝性能良好等優(yōu)點(diǎn)，但耐蝕性較2XXX系鋁合金變差。在大部分有機(jī)酸、無機(jī)酸以及中性介質(zhì)溶液中，鎂鋁合金的耐腐蝕性表現(xiàn)較差，而在去除鎂鋁合金表面氧化膜的情況下，即使是蒸餾水也會(huì)導(dǎo)致鎂鋁合金的腐蝕速度加快。但是當(dāng)鎂鋁合金處于鉻酸溶液中時(shí)，其表面會(huì)形成一定鈍化膜，使其具有較好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。如果溶液中含有Cl-以及SO42-時(shí)，鎂鋁合金表面的腐蝕會(huì)加快，而如果是在含有SiO32-、CrO42-、Cr2O72-等離子的溶液中，鎂鋁合金表面會(huì)與各種離子中的氧原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在其表面形成一層氧化膜，從而具有較高的耐腐蝕性能[4]。

由于鋁合金多應(yīng)用于大氣環(huán)境及鹽霧氣氛下的船體之中，并且焊接接頭更易腐蝕，所以文中選用國(guó)產(chǎn)ER 5356和ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭，進(jìn)行0～1 000 h的鹽霧腐蝕試驗(yàn)，觀察其表面腐蝕形貌并利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)法和質(zhì)量法進(jìn)行評(píng)定，并用掃描電鏡觀察微觀形貌，從而確定其鹽霧狀態(tài)下的腐蝕行為。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為國(guó)產(chǎn)ER 5356和ER 5087鋁合金焊絲，其母材材質(zhì)為6005A-T6鋁合金，這三種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。利用熔化極氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，并且將氬氣作為保護(hù)氣體。

表1 ER 5356、ER 5087鋁合金焊絲及6005A-T6鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of ER 5356 and ER 5087 aluminum alloy welding wires and 6005A-T6 aluminum alloy（wt.%）

表2 ER 5356、ER 5087鋁合金焊絲及6005A-T6鋁合金的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of ER 5356 and ER 5087 aluminum alloy welding wires and 6005A-T6 aluminum alloy

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)—鹽霧試驗(yàn)》的規(guī)定，選用中性鹽霧試驗(yàn)（NSS），按照該標(biāo)準(zhǔn)和JIS Z 2371-2015規(guī)定的中性鹽水噴霧試驗(yàn)（NSS）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)過程中所用儀器設(shè)備主要有：KLT-2008型智能型鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱、氯化鈉（NaCl）晶體、氫氧化鈉、電子天平（精確度0.0001）、游標(biāo)卡尺等。

將國(guó)產(chǎn)ER 5356和ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭加工成圖1所示的中性鹽霧腐蝕試件，然后分別進(jìn)行100 h、250 h 、500 h、750 h 、1 000 h鹽霧腐蝕試驗(yàn)。鑒于腐蝕時(shí)間長(zhǎng)，非腐蝕面室溫硫化硅橡膠涂封保護(hù)層容易脫落，因此，非腐蝕面沒有進(jìn)行保護(hù)。

圖1 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)試件Fig.1 Neutral salt spray corrosion test specimen

將氯化鈉（NaC1）結(jié)晶顆粒溶于蒸餾水或去離子水中，使其溶液濃度為（50±5）g/L（即濃度為5%）；加入氫氧化鈉至用經(jīng)酸度計(jì)校對(duì)過的精密pH試紙測(cè)量溶液的pH值，試驗(yàn)箱內(nèi)鹽霧收集液的pH值為3.2～6.5。試樣放在試驗(yàn)箱內(nèi)的試樣支架上，讓鹽霧自由沉降于試樣表面上。平板試樣的被腐蝕面要求與垂直方向成15°～30°，并盡可能成20°。

試驗(yàn)結(jié)束后，按JIS Z 2371-2015規(guī)定的中性鹽水噴霧試驗(yàn)（NSS）標(biāo)準(zhǔn)中的面積法和質(zhì)量法對(duì)試樣進(jìn)行判定。首先，用溫度不高于40℃的蒸餾水清洗試樣，除去其表面殘留的鹽霧溶液，再用吹風(fēng)機(jī)吹干，并第一次稱重和拍照；然后，在90℃的磷酸氧化鉻（50 mL磷酸+20 g氧化鉻（Ⅵ）（CrO3）加蒸餾水至1 000 mL）溶液中浸泡6 min，取出，清水沖洗后在密度1.42 g/mL的濃硝酸中浸泡5 min，去除腐蝕產(chǎn)物后稱重和拍照。并用掃描電子顯微鏡SEM觀察兩種焊絲焊接接頭焊縫、焊接熱影響區(qū)及母材中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)后的微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 質(zhì)量法評(píng)定

對(duì)國(guó)產(chǎn)ER 5356和ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭進(jìn)行了周期分別為100 h、250 h、500 h、750 h和1 000 h的人造氣氛腐蝕試驗(yàn)中性鹽霧試驗(yàn)（NSS），通過質(zhì)量法評(píng)定腐蝕速度和耐蝕性。通過測(cè)定試樣初始面積和試驗(yàn)過程中的質(zhì)量變化即可得到腐蝕速度，計(jì)算公式如下：

式中K為腐蝕速率（單位：g/m2·h）；W0為試件腐蝕前質(zhì)量（單位：g）；W1為試件腐蝕后質(zhì)量（單位：g）；A為試樣初始面積（單位：m2）；T為試驗(yàn)周期（單位：h）。

國(guó)產(chǎn)ER 5356、ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)（NSS）失重及腐蝕速率計(jì)算結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 ER 5356鋁合金焊絲焊接接頭中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)失重及腐蝕速率Table 3 Weight loss and corrosion rate of neutral salt spray corrosion test for welded joints of ER 5356 aluminium alloy wire

表4 ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)失重及腐蝕速率Table.4 Weight loss and corrosion rate of neutral salt spray corrosion test for welded joints of ER 5087 aluminium alloy wire

由表3、表4可知，腐蝕時(shí)間短時(shí)，失重率急劇上升。在100 h時(shí)，焊接接頭的平均失重速率達(dá)到最大；隨著腐蝕時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，失重率反而逐漸減少，750 h后失重率趨于穩(wěn)定；1 000 h后國(guó)產(chǎn)ER 5356及ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭的平均失重速率分別為0.005 1 g/m2h和0.005 0 g/m2h。這是因?yàn)殡S著腐蝕時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，一方面腐蝕產(chǎn)物在試樣的表面堆積越來越多，使得腐蝕介質(zhì)滲入到鋁合金內(nèi)部的阻力越來越大，從而產(chǎn)生位阻效應(yīng)，阻止了腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行；另一方面，剛開始試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)過加工處理的試件表面直接暴露在中性鹽霧中，腐蝕快，失重多，同時(shí)試驗(yàn)氣氛中的氧與試件表面的鋁反應(yīng)生成Al2O3而鈍化，隨著腐蝕時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，鈍化層逐漸增加，這不僅阻止了試件進(jìn)一步的腐蝕，也在一定程度上彌補(bǔ)了試件失重的損失。

2.2 焊接接頭表面形貌

國(guó)產(chǎn)ER 5356和ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭100～1 000 h鹽霧腐蝕試驗(yàn)后的表面形貌分別如圖2、圖3所示。

圖2 國(guó)產(chǎn)ER 5356鋁合金焊絲焊接接頭100～1 000 h中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)腐蝕后表面形貌Fig.2 Surface appearance of welded joints of domestic ER 5356 aluminum alloy welding wire after 100～1 000 h neutral salt spray corrosion test

圖3 國(guó)產(chǎn)ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭100～1 000 h中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)腐蝕后表面形貌Fig.3 Surface appearance of welded joints of domestic ER 5087 aluminum alloy welding wire after 100～1 000 h neutral salt spray corrosion test

由腐蝕后的表面形貌可以看出，100 h時(shí)并未發(fā)生腐蝕，僅有少許污漬殘留；而在250 h時(shí)，熱影響區(qū)和母材區(qū)最先發(fā)生腐蝕，但僅有腐蝕痕跡，未見明顯腐蝕坑；500 h后表面均發(fā)生腐蝕，且熱影響區(qū)、母材區(qū)、焊縫區(qū)腐蝕程度相當(dāng)，在圖中已看不出明顯分界；750～1 000 h時(shí)，焊縫區(qū)腐蝕較為平穩(wěn)，而母材區(qū)發(fā)生較為嚴(yán)重的腐蝕，其次為熱影響區(qū)?？傮w來說，1 000 h鹽霧腐蝕試驗(yàn)后，試件表面（宏觀狀態(tài)）大多僅有腐蝕痕跡，沒有腐蝕坑，其中前500 h時(shí)焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)腐蝕程度差別不大，而500～1 000 h時(shí)母材區(qū)發(fā)生腐蝕最為明顯，有許多紅棕色的腐蝕物暴露在表面由淺入深地發(fā)展，條狀走向十分明顯，符合第二相[5]分布情況。這種紅棕色產(chǎn)物為氧化銅，產(chǎn)生方式是鎂鋁合金中的第二相s相（Au2CuMg）和θ相（CuAl2）發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致陽極發(fā)生溶解[6]，即低電位的銅加速了高電位的鎂和鋁溶解，從而聚集了相當(dāng)規(guī)模的銅，之后中間產(chǎn)物把銅氧化形成氧化銅。國(guó)產(chǎn)ER 5356和ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭經(jīng)過100 h、250 h、500 h、750 h和1 000 h中性鹽霧腐蝕后，其腐蝕面均達(dá)到9.5級(jí)以上。

2.3 焊接接頭微觀形貌

使用掃描電子顯微鏡SEM對(duì)ER 5356鋁合金焊絲焊接接頭100～1 000 h鹽霧腐蝕試驗(yàn)后的焊縫、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖4所示。

圖4 100～1 000 h中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)腐蝕后微觀形貌Fig.4 Microstructures after 100～1 000 h neutral salt spray corrosion test

由圖4可知，100 h時(shí)，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)均發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕，其中以點(diǎn)狀腐蝕居多，三者差別不大，這是因?yàn)?00 h時(shí)發(fā)生腐蝕較為迅速，氧化膜開始脫落，導(dǎo)致基體金屬暴露。而100 h之后母材區(qū)逐步腐蝕，較為嚴(yán)重，其次為熱影響區(qū)，焊縫區(qū)最輕。500 h之后，母材區(qū)基本已被點(diǎn)狀腐蝕所覆蓋，而焊縫區(qū)仍未見明顯腐蝕，750～1 000 h時(shí)可以明顯看出，母材區(qū)、焊縫區(qū)及熱影響區(qū)腐蝕程度已變?nèi)酰w腐蝕呈現(xiàn)快—慢—快—慢的現(xiàn)象，除熱影響區(qū)中線處和母材區(qū)以外，其余的腐蝕行為均良好，未出現(xiàn)大型的腐蝕脫落及腐蝕坑。

3 結(jié)論

（1）國(guó)產(chǎn)ER 5356和ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭失重率隨腐蝕時(shí)間的變化趨勢(shì)為：腐蝕時(shí)間短時(shí)，失重率急劇上升，在100 h時(shí)失重率達(dá)到最大；隨著腐蝕時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，失重率反而逐漸減少，750 h后失重率趨于穩(wěn)定。1 000 h中性鹽霧試驗(yàn)后國(guó)產(chǎn)ER 5356和ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭平均失重速率分別為0.005 1 g/m2h和0.005 0 g/m2·h。

（2）國(guó)產(chǎn)ER 5356和ER 5087鋁合金焊絲焊接接頭100 h、250 h、500 h、750 h和1 000 h中性鹽霧腐蝕后，腐蝕面均平整光滑，僅有腐蝕痕跡，沒有腐蝕坑，其腐蝕面均達(dá)到9.5級(jí)以上。

（3）在掃描電子顯微鏡SEM下觀察焊縫、熱影響區(qū)和母材，均發(fā)生點(diǎn)狀腐蝕，并無大型腐蝕脫落及腐蝕坑。其中，0～100 h時(shí)三個(gè)區(qū)域腐蝕程度相當(dāng)；100～500 h時(shí)，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)腐蝕程度有所減緩，母材區(qū)雖然腐蝕效率變慢，但仍然是三者中腐蝕程度最大的；1 000 h之后，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)三個(gè)區(qū)域的點(diǎn)狀腐蝕趨于穩(wěn)定，微觀形貌變化均不大。