防銹鋁3A21應(yīng)力腐蝕及涂層防護(hù)研究

鄭志威

摘 要：該文根據(jù)晶界腐蝕、剝離腐蝕、應(yīng)力腐蝕等腐蝕形式的外在表現(xiàn)，通過(guò)對(duì)防銹鋁3A21材料腐蝕后的裂紋形式、表面蝕斑的顏色、形態(tài)的研究及防銹鋁3A21材料在工程中腐蝕開裂中實(shí)例的分析，明確防銹鋁3A21材料在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的主要腐蝕形式為應(yīng)力腐蝕，優(yōu)化為減小防銹鋁3A21材料的應(yīng)力腐蝕所進(jìn)行的設(shè)計(jì)改進(jìn)，對(duì)防銹鋁3A21材料進(jìn)行涂層防護(hù)、鋼絲繩熱浸油脂、接頭包裹防護(hù)套等工藝方法，增加防銹鋁3A21材料對(duì)應(yīng)力腐蝕的耐蝕性，使設(shè)計(jì)人員在工程中更合理、科學(xué)的應(yīng)用防銹鋁3A21材料。

關(guān)鍵詞：防銹鋁3A21 應(yīng)力腐蝕 開裂 防護(hù)

中圖分類號(hào)：TG178 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（a）-0005-02

一般來(lái)說(shuō)，鋁合金有較高的耐蝕性，它在戶外大氣環(huán)境中的平均年蝕率較低，國(guó)家研究院1983—1984年在全國(guó)各個(gè)大氣試驗(yàn)站投放實(shí)驗(yàn)材料，10年后得到鋁合金在各試驗(yàn)站平均年腐蝕率數(shù)據(jù)，城市和鄉(xiāng)村<0.25μm/a，海洋0.16～0.90μm /a，酸雨地區(qū)0.75～1.64μm/a，銅及銅合金0.5～3μm/a，總體印象鋁及鋁合金比銅及銅合金耐蝕性要好，特別是防銹鋁，平均年蝕率更低。若按均勻腐蝕推算，在大氣環(huán)境中服役30年后其腐蝕平均深度僅為49.2μm左右。從這個(gè)腐蝕數(shù)據(jù)看，完全不影響材料的使用壽命。所以，有些工程人員在做設(shè)計(jì)方案時(shí)，按此計(jì)算，認(rèn)為它完全滿足設(shè)備使用壽命要求。然而，實(shí)際情況差異很大，均勻腐蝕只是表面腐蝕，危害性較小，而晶界腐蝕、剝離腐蝕、應(yīng)力腐蝕才是危害性大的腐蝕形式，它直接導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降或喪失。特別是低鎂防銹鋁，有部分觀點(diǎn)認(rèn)為它對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感，然而，在實(shí)際應(yīng)用中就遇到了防銹鋁3A21材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)象。該文通過(guò)對(duì)應(yīng)力腐蝕等腐蝕形式的特點(diǎn)及實(shí)例分析，討論它存在的形式及工藝防護(hù)方法。

1 對(duì)鋁合金危害大的腐蝕形式

晶界腐蝕、剝離腐蝕、應(yīng)力腐蝕3種形式。

1.1 晶界腐蝕

晶界腐蝕是一種微電解腐蝕，鋁合金的晶界腐蝕與晶界析出有關(guān)，純鋁不產(chǎn)生晶界腐蝕。Al-Cu系（鑄鋁）、Al-Cu-Mg系（硬鋁）、Al-Zn-Mg系和含Mg高于4.5%的Al-Mg系合金有較大的傾向性。不適當(dāng)?shù)臒崽幚頃?huì)導(dǎo)致Al-Cu系、Al-Cu-Mg系晶界處連續(xù)析出CuAl2陰極相，晶界貧銅處發(fā)生陽(yáng)極溶解，產(chǎn)生了晶界腐蝕。Al-Zn-Mg系和含Mg高于4.5%的Al-Mg系合金因熱處理不當(dāng)，在晶界連續(xù)析出MgZn2或Mg5Al8等陽(yáng)極相，在潮濕環(huán)境中，陽(yáng)極相會(huì)發(fā)生溶解而產(chǎn)生晶界腐蝕。

1.2 剝離腐蝕

剝離腐蝕又叫剝層腐蝕，它是形變鋁合金的一種特殊形態(tài)，腐蝕時(shí)像云母一樣一層層被剝離。它是沿晶界的快速側(cè)面或沿晶內(nèi)平行于表面的條文狀組織的快速側(cè)面腐蝕。這種定向腐蝕導(dǎo)致分層作用。剝離腐蝕多見于擠壓材，擠壓材表面因擠壓再結(jié)晶，表層不再受腐蝕，而表層之下會(huì)發(fā)生剝離腐蝕。

1.3 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕也是一種微電解腐蝕。對(duì)電解來(lái)說(shuō)，材料應(yīng)力差即為電解陰、陽(yáng)兩極間的電勢(shì)差，應(yīng)力大的為陽(yáng)極，小的為陰極。在特定的介質(zhì)環(huán)境中會(huì)發(fā)生陽(yáng)極溶解。若是拉應(yīng)力，溶解到一定程度后會(huì)出現(xiàn)開裂。

應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在經(jīng)過(guò)熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度鋁合金中。另外，對(duì)晶間腐蝕比較敏感的鋁合金對(duì)應(yīng)力腐蝕也是比較敏感的。如Al-Cu系（鑄鋁）、Al-Cu-Mg系（硬鋁）和含Mg高于5%的Al-Mg系、Al-Zn-Cu-Mg系（超硬鋁）、Al-Zn-Mg系對(duì)應(yīng)力腐蝕比較敏感，隨著強(qiáng)度級(jí)別的升高應(yīng)力腐蝕傾向增大。應(yīng)力腐蝕和晶界腐蝕均為沿晶開裂型。

2 防銹鋁3A21應(yīng)力腐蝕探討

防銹鋁3A21不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化，也不屬高強(qiáng)度鋁合金，屬Al-Mg系，但含鎂2.0%～2.8%，小于5%。從上面的應(yīng)力腐蝕介紹來(lái)看，防銹鋁3A21材料應(yīng)該對(duì)應(yīng)力腐蝕不太敏感，應(yīng)該不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕，也很少有資料介紹類似防銹鋁3A21等低Mg防銹鋁發(fā)生過(guò)應(yīng)力腐蝕的事例。從理論上來(lái)說(shuō)，只要具備應(yīng)力和特定介質(zhì)，就有可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。至于材料的敏感性，不是必要條件，它只是影響腐蝕速度快慢。假若材料本身應(yīng)力差非常大，腐蝕介質(zhì)導(dǎo)電率高，應(yīng)力腐蝕開裂就會(huì)發(fā)生，下面舉一典型實(shí)例證明。

2000年9月份，在廣東某海灘架設(shè)鐵塔，鐵塔用三層鍍鋅鋼絲繩三方拉繩拉緊后豎立。鋼絲繩接頭用3A21鋁管壓接。使用半年后，約300個(gè)接頭發(fā)生鋁管貫穿性軸向開裂，所有鋁管開裂的位置基本一樣。根據(jù)現(xiàn)象分析，排除了以下幾種可能：（1）不是直接拉開的，因?yàn)槔K的實(shí)際工作拉力為鋼絲繩材料破壞力的1/5。（2）不是電偶腐蝕，因?yàn)殇\、鋁的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)接近，也不符合電偶腐蝕的特征。（3）不是晶界腐蝕（從1.1中可以看出，不存在晶界腐蝕的必要要素）。（4）不是剝離腐蝕，因?yàn)閯冸x腐蝕應(yīng)該是多層或多條裂紋，而使用的鋁管均只有一條裂紋。通過(guò)對(duì)它的壓制過(guò)程、工作環(huán)境、腐蝕特征來(lái)進(jìn)一步分析判斷是否是應(yīng)力腐蝕所致開裂。

按設(shè)計(jì)要求，接頭抗拉強(qiáng)度為鋼絲繩材料的98%，接頭鋁管通過(guò)模具冷壓成形，壓縮后變形量較大，冷加工會(huì)導(dǎo)致存在殘余應(yīng)力，拉線在使用時(shí)，鋁管還承受拉應(yīng)力。在海洋性大氣環(huán)境下，空氣中鹽霧、潮氣濃度較大，滿足應(yīng)力腐蝕的條件，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

3 防銹鋁3A21鋁管接頭設(shè)計(jì)改進(jìn)及采用涂層防護(hù)方法

改進(jìn)設(shè)計(jì)，用于壓接的鋁管增加鋁管壁厚（即增加截面面積），在冷加工條件下，可減小應(yīng)力差，確保不超過(guò)應(yīng)力差閥值。

采用涂層保護(hù)的方法避免腐蝕介質(zhì)接觸，防止應(yīng)力腐蝕，工藝流程：鋁管壓制前鋼絲繩熱浸油脂→壓制接頭→壓后鋁管表面涂油脂→套保護(hù)套→清潔工件。

（1）熱浸油脂：防止介質(zhì)從鋼絲繩內(nèi)部浸入接頭內(nèi)部。

（2）接頭表面涂油脂：阻止介質(zhì)進(jìn)入鋁管表面。

（3）接頭套保護(hù)套：防止風(fēng)沙摩擦表面流失油脂及紫外線直射高溫熔化油脂。

選取油脂時(shí)，耐熱、冷性，耐鹽、酸、堿性，不對(duì)接頭產(chǎn)生腐蝕是主要指標(biāo)。不能因?yàn)橄奶鞖鉁馗哂椭舭l(fā)流失，冬天氣溫低凍裂而失去保護(hù)。選取了十幾種油脂進(jìn)行高低溫、鹽、酸、堿試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，選用了“通用鋰基潤(rùn)滑脂”（滴點(diǎn)175℃，適用溫度-20℃～+120℃，粘稠度2號(hào)）。

選取保護(hù)套時(shí)，主要考慮耐候性（溫度、濕度、日照）高。選用了加炭交聯(lián)改性聚烯烴熱縮套管。

應(yīng)用上述防護(hù)工藝方法加工制造的產(chǎn)品，在沿海、高工業(yè)污染地區(qū)使用至今，還未發(fā)現(xiàn)有應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

防銹鋁3A21材料本身對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感，但并不能就此斷定它不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和開裂。在特定環(huán)境下使用，應(yīng)防止它可能會(huì)產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕，避免開裂。防止應(yīng)力腐蝕發(fā)生的方法最基本的可分為兩種：

（1）減少應(yīng)力差，即減少腐蝕電池電勢(shì)差。存在應(yīng)力的工件選擇材料的截面積應(yīng)相對(duì)較大或厚度均勻，加工后能退火去除應(yīng)力應(yīng)退火去除應(yīng)力；

（2）阻斷腐蝕介質(zhì)介入，使材料無(wú)法發(fā)生電離，如材料表面涂油或涂三防漆。

參考文獻(xiàn)

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