鋁及鋁合金的腐蝕主要有點蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕開裂、層狀腐蝕等。6000系合金在變形鋁合金中是產量最大的,它的抗腐蝕性能雖不如1000系、3000系、5000系鋁合金,但卻比2000系及7000系鋁合金要高得多。6000系合金的晶間傾向也比較大,對重要結構用的6000系鋁合金材料應進行晶間腐蝕敏感性評估。
晶間腐蝕腐蝕是在晶粒或晶體本身未受到明顯侵蝕情況下,發生在金屬或合金晶界處的一種選擇性腐蝕,會使材料力學性能劇降,以致造成結構損壞或事故。
6000系合金的晶間腐蝕
在當今應用的變形鋁合金中,應用最廣的是熱處理可強化的6000系合金,它們是一類Al-Mg-Si系與Al-Mg-Si-Cu系合金。2018年在美國鋁業協會(The Aluminum Association,Inc.)公司注冊的常用及非常用合金共706個,其中6000系合金最多,有126個,占18%,在建筑工業、結構領域與交通運輸裝備方面獲得了廣泛的應用,因為它們具有良好的加工成形性能、適中的強度與優秀的抗腐蝕性能。但如果合金成分配比不恰當,或熱處理參數選擇不合適,或加工成形欠妥,那么在含氯的環境中就會出現晶間腐蝕。
在多數情況下,晶間腐蝕出現于含少量銅和Si/Mg高的合金中,通常大多數含銅合金的銅含量都不大于0.4%,只有6013、6113、6056、6156等4個合金的銅含量高達1.1%,向Al-Mg-Si合金加銅是為提高合金的力學性能。研究發現,凡是有晶間腐蝕敏感性的合金,用高分辨率掃描透射電鏡觀察時,往往發現有富銅的偏析層和陰極性Q相沉淀物。Q相是一種四元金屬間相,分子式為Cu2Mg8Si5Al4,沿著晶界析出,使鄰近的固溶體發生陽極溶解,形成無析出物帶(spancipitate free zone)。
晶間腐蝕敏感性檢驗
確定鋁合金的晶間腐蝕敏感性常用的檢驗方法有兩種:現場(野外)試驗(fieldtest)與加速沉浸試驗。在加速試驗時,為了加快腐蝕進行,往往采用含有鹽酸的氯化鉀溶液(ISO 11846 Method B)或加有過氧化氫的氯化鉀溶液(ASTM G110)。試驗后對試樣橫截面進行金相觀察或測定其力學性能損失。
ISO 11846加速試驗結果與海洋氣氛現場試驗結果有著高度的一致性,但晶間腐蝕敏感性鋁材在加速試驗時,在靠近試樣表面的幾乎所有晶界都發生嚴重的腐蝕(均勻晶間腐蝕),而現場試驗試樣表面僅在有限的地區發生腐蝕(局部腐蝕)。盡管如此,加速試驗仍是能準確地判斷材料是否有晶界腐蝕的標準方法。
汽車工業常按ISO 11846 Method B標準判斷6000系鋁合金是否有晶間腐蝕。按此標準試驗時,首先將小試樣(表面積<20cm2)全浸于室溫酸性氯化鈉溶液(pH=1)中24小時,然后進行金相檢驗,以確定腐蝕類型(點蝕還是晶間腐蝕),另外還需確定腐蝕破壞表面百分數和最大腐蝕深度。
最近的研究顯示,允許對試驗條件做一些較大的變動,不會對試驗結果再現性有大的影響。特別是標準規定電解質體積對試樣表面積之比不得小于5mL/cm 2,否則對晶間腐蝕速度的影響很大。
試樣表面發生腐蝕的條件是必須存在陰極反應(析出氫,氧減少),試驗溶液的pH值隨著時間延長而上升,使電解質腐蝕下降。
在8系列變形鋁合金中,6000系合金是一類Al-Mg-Si(Cu,Zn)系合金,是最易發生晶間腐蝕的合金之一,也就是說該系合金有相當強的晶間腐蝕敏感性。
為了檢驗6000系合金晶間腐蝕傾向,一個最有效的方法是在ISO 11846標準試驗后進行堿液浸蝕再進行除污處理,除污處理用濃硝酸液。不過在溫度50~60℃、質量分數5%~10%的NaOH溶液中浸蝕2~5min,對試驗結果會有所影響。
一種有效的替代堿浸蝕的工藝是用硝酸/氫氟酸溶液,能有效地清除表面上富鐵原生質點上的鋁。大家知道,鋁質點能加速鋁合金在氯化物溶液的腐蝕,因為它們是局部的顯微陰極,同時這些質點還是晶間腐蝕的發源地。與在堿液中的腐蝕相比,合金在硝酸/氟化物液中的腐蝕要緩慢一些。
在當今應用的變形鋁合金中,應用最廣的是熱處理可強化的6000系合金,它們是一類Al-Mg-Si系與Al-Mg-Si-Cu系合金。2018年在美國鋁業協會(The Aluminum Association,Inc.)公司注冊的常用及非常用合金共706個,其中6000系合金最多,有126個,占18%,在建筑工業、結構領域與交通運輸裝備方面獲得了廣泛的應用,因為它們具有良好的加工成形性能、適中的強度與優秀的抗腐蝕性能。但如果合金成分配比不恰當,或熱處理參數選擇不合適,或加工成形欠妥,那么在含氯的環境中就會出現晶間腐蝕。
在多數情況下,晶間腐蝕出現于含少量銅和Si/Mg高的合金中,通常大多數含銅合金的銅含量都不大于0.4%,只有6013、6113、6056、6156等4個合金的銅含量高達1.1%,向Al-Mg-Si合金加銅是為提高合金的力學性能。研究發現,凡是有晶間腐蝕敏感性的合金,用高分辨率掃描透射電鏡觀察時,往往發現有富銅的偏析層和陰極性Q相沉淀物。Q相是一種四元金屬間相,分子式為Cu2Mg8Si5Al4,沿著晶界析出,使鄰近的固溶體發生陽極溶解,形成無析出物帶(spancipitate free zone)。
6000系合金既是一類應用廣、產量大、品種(牌號)多的變形鋁合金,也是晶間腐蝕敏感性大的變形合金之一,但是只要生產中嚴格遵守工藝規范,特別是熱處理工藝,結構設計合理,制造精良,這種腐蝕完全可以避免。6000系鋁合金結構、零部件的晶間腐蝕敏感性還與其工作環境密切相關,在設計結構時,宜給予充分注意。
涉及測試:晶間腐蝕