第8章 铝及铝合金的耐蚀性

常用金属材料的耐蚀性第8章铝及铝合金的耐蚀性8.1概述常用金属材料的耐蚀性8.1.1纯铝的物理性质5、无磁性。1、密度小（ρ=2.7），属轻金属（约为铜铁的1/3）；2、导电性好（次于金、银、铜）；3、导热性好；4、熔点低（660.5℃）；常用金属材料的耐蚀性8.1.2纯铝及铝合金的力学性能2、铝合金的强度取决于合金化和加工工艺（超硬铝的强度可达600MP）。1、纯铝的强度低，塑性好（退火状态下伸长率达35%）；常用金属材料的耐蚀性8.1.3纯铝及铝合金的工艺性能1、可进行各种形式的压力加工；3、合金元素的焊接型好，含硅、钛高的焊接性差。2、切削加工性：纯铝的切削加工性差，强度硬的铝合金，切削加工性好常用金属材料的耐蚀性8.2纯铝的耐蚀性铝的标准电极电位很低（-1.663V），在常用的金属材料中是最低的，是一种很活泼的金属，在全部的pH值范围内都可发生析氢腐蚀（在酸性溶液中腐蚀生成Al3+，在碱性溶液中生成AlO22-）。8.2.1电化学特性：常用金属材料的耐蚀性8.2.2氧化膜的特点：4、可以通过化学氧化或阳极氧化的方法生成更厚的氧化膜（化学氧化膜的厚度约为1～3um,阳极氧化膜可达100um，可供装饰、耐蚀等用）。1、致密，并且与基体牢固结合；2、具有较高的稳定性，可保护铝基体不受腐蚀；3、随着时间的延长，特别有水分时，氧化膜会增厚；常用金属材料的耐蚀性8.2.3氧化膜的结构：1、在大气或低于80℃的水溶液中，生成的氧化膜为（Al2O3.3H2O）,是非晶态结构；3、高于200℃水中生成的膜为Al2O3。2、在80℃以上的水溶液中形成的膜为（Al2O3.H2O，AlOOH），是晶态结构；常用金属材料的耐蚀性碱能与铝表面的氧化膜反应生成偏铝酸钠和水。氧化膜破坏后，碱和铝会进一步发生反应，并释放出氢气。腐蚀特点：全面腐蚀。（工业上利用这一点去除表面氧化物以及油污等，称为化学铣切）8.2.4纯铝在不同介质中的腐蚀行为在稀酸中发生的是呈点蚀，在氧化性浓酸中具有很好的耐蚀性（生成钝化膜）。1、在碱中：不耐蚀2、在酸中的腐蚀常用金属材料的耐蚀性⑵当溶液中存在F-,Cl-离子时，纯铝极其不耐蚀，因为这些离子很容易破环氧化膜而产生点蚀。当溶液中存在Cr2O72-,CrO42-等氧化性离子时，能促进钝化。3、在中性盐中的腐蚀⑴其腐蚀行为主要取决于溶液中的阴、阳离子的特性。⑶当溶液中含有电位较正的Fe2+,Ni2+,Cu2+等离子时，会加速铝的腐蚀。常用金属材料的耐蚀性8.2.5铝在几种典型的介质中的腐蚀：1、在酸性介质中的腐蚀速度的顺序为：HF﹥H3PO4﹥HCl﹥HNO3﹥H2SO42、在碱性介质中的腐蚀速度的顺序为：NaOH﹥Na2CO3﹥NH4OH﹥Na2SiO3常用金属材料的耐蚀性8.3铝合金的耐蚀性1、组织特点：8.3.1铝-锰合金主要组织组成物α-MnAl6,FeAl3等。常用金属材料的耐蚀性Si，Fe降低耐蚀性（形成一些杂质相析出）；Mn可以抑制Fe的不利影响（可以控制Mn/Fe比例含量来控制Fe的有害作用）。Mn-Al合金具有优良的耐蚀性（是主要的耐蚀铝合金，属于防锈铝）在大气中的耐蚀性和工业纯铝相近；在海水中与纯铝相同；在稀盐酸中的耐蚀性比纯铝好；未发现这类合金有应力腐蚀开裂的倾向。在特定条件下，有剥蚀和晶间腐蚀倾向，发生腐蚀时一般为全面腐蚀，并常伴有点蚀。2、耐蚀性：3、合金元素对耐蚀性的影响：常用金属材料的耐蚀性8.3.2铝-镁合金为固溶体型合金，但固溶强化效果差（难以形成过饱和固溶体），主要通过加工硬化进行强化。有点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和剥蚀倾向。随着镁含量增大，点蚀倾向增加；随着冷加工变形量增大，应力腐蚀和剥蚀敏感性增加。1、组织特点2、耐蚀性常用金属材料的耐蚀性⑴Mg：Mg含量﹤3.5%时，在任何热处理状态或冷加工状态均无应力腐蚀开裂倾向；含Mg量在3.5%～5.0%之间，冷加工状态有应力腐蚀开裂的敏感性；含Mg量﹥5.0%时，在一定退火温度下，也具有应力腐蚀的敏感性；高含镁的铝合金即使在低温放置也有应力腐蚀开裂的倾向。高镁合金在时效状态下的应力腐蚀的敏感性较大。为了改善这一点，可以采用固溶处理的方法，使之形成固溶体。3、合金元素对耐蚀性的影响4、热处理对应力腐蚀的影响⑵Mn、Cr、Zr可以提高抗应力腐蚀的能力。常用金属材料的耐蚀性以锂代替镁。合金密度小；具有高强度、耐热；锂活性大，易氧化和腐蚀。（用于高速飞机的结构材料和蒙皮）。8.3.3铝-铜系合金（硬铝）1、合金特点：⑴Al-Cu-Mg合金（杜拉铝合金）具有良好的力学性能和加工性能（主要用于涡轮喷气发动机中的叶片）。⑵Al-Cu-Mn合金属于耐热合金（主要用于飞机发动机中的叶片及容器等）。⑶Al-Cu-Li合金常用金属材料的耐蚀性2、Al-Cu合金系的耐蚀性⑷有剥蚀现象（特别在海洋大气中）。⑴容易产生“白斑黑心”的点蚀。⑵晶间腐蚀甚为敏感，凡是过饱和固溶体在分解条件下都有晶间腐蚀。⑶有一定应力腐蚀的倾向。常用金属材料的耐蚀性3、合金元素的影响：镁含量﹤2%范围内，随着含镁量的提高，强度提高，4%Cu+2%Mg的合金强度最高，点蚀程度增加。（减少了铜的溶解度，基体上析出了杂质铜）。主要强化元素，提高强度（CuAl2强化相）；但随着含铜量的增加，耐蚀性下降，点蚀性下降，点蚀和晶间腐蚀敏感性增加。⑴铜：⑵镁：常用金属材料的耐蚀性消除铁的有害作用，提高耐蚀性、耐热性和一定的强度，降低塑性。⑶锰：⑷铁，硅：⑸钛，Zr:细化晶粒，减少开裂倾向。是杂质元素，降低耐蚀性和塑性。常用金属材料的耐蚀性8.3.4Al-Zn-Mg-Cu合金1、合金特点：⑴Al-Zn-Mg合金：经适当的热处理后，强度可达500MPa，有优良的焊接性能。⑵Al-Zn-Mg-Cu合金：强度可达600MPa，是铝合金中强度最高的一类（可以称“超硬铝”）常用金属材料的耐蚀性2、耐蚀性：⑵Al-Zn-Mg-Cu合金：应力腐蚀开裂敏感性大，还有晶间腐蚀和剥蚀倾向。⑴Al-Zn-Mg合金：应力腐蚀开裂敏感性大常用金属材料的耐蚀性3、合金元素的影响：Zn/Mg比值过高过低都降低耐蚀性，当Zn+Mg=8.5%，Zn/Mg=2.7～3时，抗应力腐蚀性能最佳。⑴Zn/Mg：⑵铜改善时效组织，提高强度和塑性，提高抗应力腐蚀能力。⑶Cr,Mn,Zr细化晶粒，提高抗应力腐蚀能力。（原因：提高再结晶温度，阻碍结晶过程进行，阻止晶粒长大。）常用金属材料的耐蚀性8.4铝合金常见的几种腐蚀破坏形式大气、淡水、海水和其他一些中性和近中性水中容易发生点蚀。8.4.1点蚀1、发生点蚀的主要环境常用金属材料的耐蚀性2、引发点蚀的条件（1）水中必须含有能抑制全面腐蚀的离子，即能保持保护膜的离子（如：SO42-，SiO32-，PO43-等）。（2）水中含有能局部破坏钝态的离子，如氯离子。（3）水中必须含有促进阴极反应的氧化剂。常用金属材料的耐蚀性3、点蚀的形成过程一般是认为氯离子等是破坏钝态的离子，局部进入钝化膜，使钝化膜局部变质。金属溶解生成铝离子，释放的电子流到阴极发生阴极反应（主要是H+或氧化剂被还原），生成的铝离子同水中OH-结合生成氢氧化物，使该处pH值局部降低，呈酸性。使氯离子进一步富集，继续破坏钝化膜，形成蚀坑。含铜的铝合金耐点蚀性最差，Al-Mn,Al-Mg合金耐点蚀性较好。4、铝合金的耐点蚀性常用金属材料的耐蚀性5、防止铝合金点蚀的措施⑵尽量减少溶氧，氧化性离子，减弱阴极反应（减弱微电池的腐蚀电流的作用）。⑴提高水质，减少水中活性阴离子（如：Cl-等）的浓度。⑶铜离子是铝发生点蚀的原因之一，应尽量去除。⑷外加电化学保护（外加电流对铝材进行阴极保护）。常用金属材料的耐蚀性8.4.2铝合金的晶间腐蚀1、腐蚀原因2、防止铝合金的晶间腐蚀的措施不适当的热处理造成第二相的析出。通过正确的热处理工艺消除第二相的析出。常用金属材料的耐蚀性8.4.3应力腐蚀开裂应力作用加上晶间腐蚀的因素。⑴近海大气和海水中易发生，氯离子浓度越高，温度和湿度越高，应力腐蚀破裂敏感性越大。1、产生原因2、产生的环境⑵不含氯离子的高温水中和蒸汽中也会发生。常用金属材料的耐蚀性主要是高强度的铝合金。如Al-Cu，Al-Cu-Mg，特别是Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu系列合金。⑵合金化。在高强度的铝合金加微量的Mo、Zr、V、Cu、Cr、Mn等。3、容易产生应力腐蚀开裂的合金4、防止措施⑴适当的热处理。（如固溶处理加时效处理）⑶消除张应力（高温过时效）或赋予表面压应力（喷丸处理）。常用金属材料的耐蚀性高镁合金和Al-Cu-Mg合金，随二次相（β相）增多。变形量增大，晶粒被拉得越长，剥蚀的敏感性越大。8.4.4铝合金的剥蚀使铝合金产生各种形式的层状分离。轻微的剥蚀只产生一些不连续的小裂片、碎末、甚至形成泡疤，严重时会形成大块的、连续的金属片脱离金属本体，甚至以层状分离形式使金属解体。1、剥蚀特征2、剥蚀发生的条件常用金属材料的耐蚀性沿晶界形成阳极网络（β相为阳极网络近道）。（1）加入合金元素细化晶粒。如：Cr,Mn,B等。3、剥蚀发生的原因4、剥蚀防止措施（2）合理选择和控制变形量和热处理工艺。