防锈铝3A21应力腐蚀及涂层防护研究

2015-05-30郑志威

科技创新导报 2015年31期

郑志威

摘要：该文根据晶界腐蚀、剥离腐蚀、应力腐蚀等腐蚀形式的外在表现，通过对防锈铝3A21材料腐蚀后的裂纹形式、表面蚀斑的颜色、形态的研究及防锈铝3A21材料在工程中腐蚀开裂中实例的分析，明确防锈铝3A21材料在实际应用中产生的主要腐蚀形式为应力腐蚀，优化为减小防锈铝3A21材料的应力腐蚀所进行的设计改进，对防锈铝3A21材料进行涂层防护、钢丝绳热浸油脂、接头包裹防护套等工艺方法，增加防锈铝3A21材料对应力腐蚀的耐蚀性，使设计人员在工程中更合理、科学的应用防锈铝3A21材料。

关键词：防锈铝3A21 应力腐蚀开裂防护

中图分类号：TG178 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0005-02

一般来说，铝合金有较高的耐蚀性，它在户外大气环境中的平均年蚀率较低，国家研究院1983—1984年在全国各个大气试验站投放实验材料，10年后得到铝合金在各试验站平均年腐蚀率数据，城市和乡村<0.25μm/a，海洋0.16～0.90μm /a，酸雨地区0.75～1.64μm/a，铜及铜合金0.5～3μm/a，总体印象铝及铝合金比铜及铜合金耐蚀性要好，特别是防锈铝，平均年蚀率更低。若按均匀腐蚀推算，在大气环境中服役30年后其腐蚀平均深度仅为49.2μm左右。从这个腐蚀数据看，完全不影响材料的使用寿命。所以，有些工程人员在做设计方案时，按此计算，认为它完全满足设备使用寿命要求。然而，实际情况差异很大，均匀腐蚀只是表面腐蚀，危害性较小，而晶界腐蚀、剥离腐蚀、应力腐蚀才是危害性大的腐蚀形式，它直接导致材料力学性能下降或丧失。特别是低镁防锈铝，有部分观点认为它对应力腐蚀不敏感，然而，在实际应用中就遇到了防锈铝3A21材料产生应力腐蚀开裂的现象。该文通过对应力腐蚀等腐蚀形式的特点及实例分析，讨论它存在的形式及工艺防护方法。

1 对铝合金危害大的腐蚀形式

晶界腐蚀、剥离腐蚀、应力腐蚀3种形式。

1.1 晶界腐蚀

晶界腐蚀是一种微电解腐蚀，铝合金的晶界腐蚀与晶界析出有关，纯铝不产生晶界腐蚀。Al-Cu系（铸铝）、Al-Cu-Mg系（硬铝）、Al-Zn-Mg系和含Mg高于4.5%的Al-Mg系合金有较大的倾向性。不适当的热处理会导致Al-Cu系、Al-Cu-Mg系晶界处连续析出CuAl2阴极相，晶界贫铜处发生阳极溶解，产生了晶界腐蚀。Al-Zn-Mg系和含Mg高于4.5%的Al-Mg系合金因热处理不当，在晶界连续析出MgZn2或Mg5Al8等阳极相，在潮湿环境中，阳极相会发生溶解而产生晶界腐蚀。

1.2 剥离腐蚀

剥离腐蚀又叫剥层腐蚀，它是形变铝合金的一种特殊形态，腐蚀时像云母一样一层层被剥离。它是沿晶界的快速侧面或沿晶内平行于表面的条文状组织的快速侧面腐蚀。这种定向腐蚀导致分层作用。剥离腐蚀多见于挤压材，挤压材表面因挤压再结晶，表层不再受腐蚀，而表层之下会发生剥离腐蚀。

1.3 应力腐蚀

应力腐蚀也是一种微电解腐蚀。对电解来说，材料应力差即为电解阴、阳两极间的电势差，应力大的为阳极，小的为阴极。在特定的介质环境中会发生阳极溶解。若是拉应力，溶解到一定程度后会出现开裂。

应力腐蚀主要发生在经过热处理强化的高强度铝合金中。另外，对晶间腐蚀比较敏感的铝合金对应力腐蚀也是比较敏感的。如Al-Cu系（铸铝）、Al-Cu-Mg系（硬铝）和含Mg高于5%的Al-Mg系、Al-Zn-Cu-Mg系（超硬铝）、Al-Zn-Mg系对应力腐蚀比较敏感，随着强度级别的升高应力腐蚀倾向增大。应力腐蚀和晶界腐蚀均为沿晶开裂型。

2 防锈铝3A21应力腐蚀探讨

防锈铝3A21不能通过热处理强化，也不属高强度铝合金，属Al-Mg系，但含镁2.0%～2.8%，小于5%。从上面的应力腐蚀介绍来看，防锈铝3A21材料应该对应力腐蚀不太敏感，应该不会发生应力腐蚀，也很少有资料介绍类似防锈铝3A21等低Mg防锈铝发生过应力腐蚀的事例。从理论上来说，只要具备应力和特定介质，就有可能产生应力腐蚀。至于材料的敏感性，不是必要条件，它只是影响腐蚀速度快慢。假若材料本身应力差非常大，腐蚀介质导电率高，应力腐蚀开裂就会发生，下面举一典型实例证明。

2000年9月份，在广东某海滩架设铁塔，铁塔用三层镀锌钢丝绳三方拉绳拉紧后竖立。钢丝绳接头用3A21铝管压接。使用半年后，约300个接头发生铝管贯穿性轴向开裂，所有铝管开裂的位置基本一样。根据现象分析，排除了以下几种可能：（1）不是直接拉开的，因为拉绳的实际工作拉力为钢丝绳材料破坏力的1/5。（2）不是电偶腐蚀，因为锌、铝的标准电动势接近，也不符合电偶腐蚀的特征。（3）不是晶界腐蚀（从1.1中可以看出，不存在晶界腐蚀的必要要素）。（4）不是剥离腐蚀，因为剥离腐蚀应该是多层或多条裂纹，而使用的铝管均只有一条裂纹。通过对它的压制过程、工作环境、腐蚀特征来进一步分析判断是否是应力腐蚀所致开裂。

按设计要求，接头抗拉强度为钢丝绳材料的98%，接头铝管通过模具冷压成形，压缩后变形量较大，冷加工会导致存在残余应力，拉线在使用时，铝管还承受拉应力。在海洋性大气环境下，空气中盐雾、潮气浓度较大，满足应力腐蚀的条件，产生应力腐蚀。

3 防锈铝3A21铝管接头设计改进及采用涂层防护方法

改进设计，用于压接的铝管增加铝管壁厚（即增加截面面积），在冷加工条件下，可减小应力差，确保不超过应力差阀值。

采用涂层保护的方法避免腐蚀介质接触，防止应力腐蚀，工艺流程：铝管压制前钢丝绳热浸油脂→压制接头→压后铝管表面涂油脂→套保护套→清洁工件。

（1）热浸油脂：防止介质从钢丝绳内部浸入接头内部。

（2）接头表面涂油脂：阻止介质进入铝管表面。

（3）接头套保护套：防止风沙摩擦表面流失油脂及紫外线直射高温熔化油脂。

选取油脂时，耐热、冷性，耐盐、酸、碱性，不对接头产生腐蚀是主要指标。不能因为夏天气温高油脂蒸发流失，冬天气温低冻裂而失去保护。选取了十几种油脂进行高低温、盐、酸、碱试验。经过综合对比，选用了“通用锂基润滑脂”（滴点175℃，适用温度-20℃～+120℃，粘稠度2号）。

选取保护套时，主要考虑耐候性（温度、湿度、日照）高。选用了加炭交联改性聚烯烃热缩套管。

应用上述防护工艺方法加工制造的产品，在沿海、高工业污染地区使用至今，还未发现有应力腐蚀开裂现象发生。

4 结语

防锈铝3A21材料本身对应力腐蚀不敏感，但并不能就此断定它不会产生应力腐蚀和开裂。在特定环境下使用，应防止它可能会产生的应力腐蚀，避免开裂。防止应力腐蚀发生的方法最基本的可分为两种：