硝酸含量對(duì)5083-H116鋁合金板材晶間腐蝕的影響

,,,(廣西南南鋁加工有限公司，南寧 530031)

5083鋁合金是一種中等強(qiáng)度、耐蝕性優(yōu)良的高鎂鋁合金，其H116/H321狀態(tài)的板材廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。由于海水中鹽含量高，因此對(duì)5083鋁合金的耐蝕性特別是耐晶間腐蝕性能要求非常嚴(yán)格。國(guó)際通用的晶間腐蝕檢測(cè)方法有質(zhì)量損失法和深度測(cè)量法。與深度測(cè)量法相比，質(zhì)量損失法操作更簡(jiǎn)便，結(jié)果評(píng)價(jià)更客觀，因此用質(zhì)量損失法來評(píng)價(jià)產(chǎn)品的晶間腐蝕敏感性已逐漸成為趨勢(shì)。

我國(guó)執(zhí)行的鋁合金晶間腐蝕質(zhì)量損失法的標(biāo)準(zhǔn)主要有ASTM G67-2013《用硝酸中腐蝕后的質(zhì)量損失來測(cè)定5系鋁合金晶間腐蝕敏感性的試驗(yàn)方法(NAMLT)》和GB/T 26491-2011《5XXX系鋁合金晶間腐蝕試驗(yàn)方法(質(zhì)量損失法)》。這兩個(gè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別在于試驗(yàn)用硝酸含量不一致。ASTM G67-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硝酸含量為70%～72%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，而GB/T 26491-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為65%～68%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。劉國(guó)元等[1]國(guó)內(nèi)學(xué)者就硝酸含量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響做了研究，得出低含量硝酸的腐蝕性更強(qiáng)，試驗(yàn)條件更苛刻的結(jié)論。但他們對(duì)晶間腐蝕敏感性與硝酸含量的規(guī)律沒有進(jìn)一步研究。本工作通過研究晶間腐蝕敏感性與硝酸含量的規(guī)律，為5083-H116鋁合金板材的耐晶間腐蝕性能檢測(cè)提供參考。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為6 mm厚的5083-H116鋁合金板材，該板材經(jīng)過鋸床鋸切、銑床銑平以及打磨試樣邊緣等加工后，試樣最后尺寸為50 mm×6 mm×6 mm，其中50 mm方向與產(chǎn)品縱向平行。

5083-H116鋁合金板材加工工藝主要為：熔鑄→均勻化→熱軋→冷軋→穩(wěn)定化處理。其化學(xué)成分如表1所示。

試驗(yàn)采用ASTM G67-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的晶間腐蝕質(zhì)量損失法。試驗(yàn)用硝酸分別為特定級(jí)硝酸、國(guó)標(biāo)試劑級(jí)硝酸及其四種稀釋液,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71%，68%，63%，51%，42%，32%。每種硝酸含量測(cè)3個(gè)平行試樣。首先將標(biāo)識(shí)好的試樣在80 ℃的5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)NaOH溶液中浸泡1 min，清水沖洗后再浸泡于71%硝酸30 s，再清水沖洗、晾干后，稱取初始質(zhì)量m1；然后，分組浸泡在不同含量硝酸溶液中，溶液溫度為(30±0.1) ℃,通過水浴恒溫槽控制,浸泡時(shí)間為24 h。取出試樣，用細(xì)毛刷重復(fù)刷洗、晾干直到質(zhì)量恒定(m2)，計(jì)算單位面積的質(zhì)量損失(mg/cm2)，結(jié)果取3個(gè)試樣平均值。

表1 5083-H116鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of 5083-H116 Al alloy (mass) %

2 結(jié)果與討論

硝酸含量對(duì)5083-H116鋁合金板材腐蝕質(zhì)量損失的影響如表2所示。由表2可知：硝酸含量對(duì)5083-H116鋁合金板材晶間腐蝕質(zhì)量損失影響很大。隨著硝酸含量的不斷降低，5083-H116鋁合金板材的質(zhì)量損失越來越嚴(yán)重；當(dāng)硝酸稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%時(shí)，質(zhì)量損失平均值為23.6 mg/cm2，高于ASTM B928/B928M-2014《艦船及類似環(huán)境用高鎂鋁合金板材規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于質(zhì)量損失的要求(≤15 mg/cm2)。濃硝酸會(huì)與鋁合金發(fā)生鈍化反應(yīng)，即在其表面生成一層氧化膜將鋁合金與硝酸隔離，阻礙硝酸與鋁合金進(jìn)一步接觸；隨著硝酸含量不斷降低，鈍化現(xiàn)象越來越不明顯，導(dǎo)致鋁合金板材長(zhǎng)時(shí)間與硝酸接觸反應(yīng)。硝酸溶液傾向于優(yōu)先溶解鋁鎂合金的金屬間化合物(β相)，當(dāng)該化合物沿晶界呈網(wǎng)狀析出時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕[1]，使得質(zhì)量損失越來越嚴(yán)重。

表2 硝酸含量對(duì)5083-H116鋁合金板材腐蝕質(zhì)量損失的影響Tab. 2 Influence of nitric acid concentration on mass loss of 5083-H116 Al alloy plates

對(duì)硝酸溶液腐蝕后5083-H116鋁合金板材的宏觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出：隨著硝酸含量降低，樣品表面色澤越來越暗，表面粗糙度等級(jí)越來越高，被腐蝕的傾向越來越明顯，單位面積質(zhì)量損失就越來越嚴(yán)重。

(a) 32% (b) 42%

(c) 51% (b) 63%

(e) 68% (f) 71%圖1 在不同含量硝酸溶液中腐蝕后5083-H116鋁合金板材的宏觀形貌Fig. 1 Macrographs of 5083-H116 Al alloy plates corroded in nitric acid solution with different concentrations

以表2中硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫軸，質(zhì)量損失平均值為縱軸繪制曲線，如圖2所示。根據(jù)曲線擬合得到一個(gè)相關(guān)系數(shù)R2=0.999的數(shù)學(xué)模型，見式(1)。

y=-110.29x2+35.325x+33.586

(1)

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型計(jì)算得5083-H116鋁合金

圖2 5083-H116鋁合金板材的質(zhì)量損失與硝酸含量關(guān)系曲線Fig. 2 Relationship between mass loss of 5083-H116 Al alloy plates and concentration of nitric acid

板材在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的硝酸溶液中的質(zhì)量損失為15.1 mg/cm2。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的硝酸溶液進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果得到5083-H116鋁合金板材的質(zhì)量損失為14.9 mg/cm2。模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，相對(duì)誤差僅為1.3%，說明該數(shù)學(xué)模型可靠。

比較硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%和71%時(shí)的兩組數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：ASTM G67-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用酸量(72%)對(duì)晶間腐蝕的敏感性弱于GB/T 26491-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用酸量(68%)。因此，若依據(jù)GB/T 26491-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果能滿足質(zhì)量損失≤15 mg/cm2的要求，則依據(jù)ASTM G67-2013標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果也必能滿足要求。由此可得，GB/T 26491-2011標(biāo)準(zhǔn)比ASTM G67-2013標(biāo)準(zhǔn)更為苛刻。

3 結(jié)論

(1) 隨著硝酸含量降低，5083-H116鋁合金板材的晶間腐蝕傾向增大；當(dāng)硝酸稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%時(shí)，其質(zhì)量損失已不滿足ASTM B928/B928M-2014標(biāo)準(zhǔn)要求(≤15 mg/cm2)。

(2) 硝酸含量對(duì)5083-H116鋁合金板材晶間腐蝕敏感性影響符合數(shù)學(xué)模型y=-110.29x2+35.325x+33.586。由該模型可推算出5083-H116鋁合金板材在不同含量硝酸溶液中晶間腐蝕后的質(zhì)量損失。

(3) ASTM G67-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用酸量對(duì)晶間腐蝕的敏感性弱于GB/T 26491-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用酸量。當(dāng)按照GB/T 26491-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其結(jié)果未出現(xiàn)晶間腐蝕傾向，則按照ASTM G67-2013標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果也不會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕傾向。GB/T 26491-2011標(biāo)準(zhǔn)比ASTM G67-2013標(biāo)準(zhǔn)更為苛刻。

[1] 劉國(guó)元. 晶間腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G67國(guó)內(nèi)試驗(yàn)條件適應(yīng)性研究[J]. 熱加工技術(shù),2014,43(12):90-91.