搜索
AVCConfidentialAluminumCorrosionIntroductionJasonChiu2010/102010AVCConfidentialPage2Agenda•一、鋁及鋁合金腐蝕原因•二、環境與鋁及鋁合金腐蝕的關係•三、鋁及鋁合金防蝕技術2010AVCConfidentialPage3一、鋁及鋁合金腐蝕原因2010AVCConfidentialPage4鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1.1金屬腐蝕的行為產生什麼是腐蝕？腐蝕，是材料和周圍環境發生作用而破壞的現象，發生的主要因素包括材料、環境與反應的種類。材料的腐蝕會顯著降低金屬材料的強度、塑性、韌性等性能，破壞金屬構件的幾何形狀，增加零件間的磨損，惡化電學和光學等物理性能，縮短設備的使用壽命。腐蝕的破壞影響？美國腐蝕工程師協會在2002年的調查分析報告指出，每年因腐蝕造成的直接經濟損失大約占其國內生產毛額的3.17％。日本腐蝕工程學會根據1997年的數據分析，腐蝕造成的直接損失也占國民生產總毛額的1.88％。2010AVCConfidentialPage5鋁及鋁合金腐蝕原因分析1-2何謂電化學腐蝕？腐蝕的發生其實是一種電化學反應，即是會產生電又含有化學反應的一種現象。金屬在電解質溶液中發生的腐蝕稱為電化學腐蝕。譬如，將鐵片投入鹽酸溶液，即發生下列的化學反應：陽極反應（氧化）Fe→Fe2+2e-陰極反應（還原）2H++2e-→H2Fe與HCL接觸時，固/液相界面上發生自由電子參與氧化還原反應，導致接觸面的Fe金屬變為金屬離子而溶解，進而破壞原本的性能，這個過程稱為電化學腐蝕。電解質溶液，就是能夠導電的溶液，它是金屬產生腐蝕的基本條件；雨水、海水、淡水、酸、鹼、鹽的水溶液，以及空氣中的冷凝結露都可以構成電解質溶液。2010AVCConfidentialPage6鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-3鋁及鋁合金的鈍態行為鈍態通常是指金屬表面生成極薄的保護性氧化膜造成腐蝕速度降低。鋁及鋁合金的特性實用耐蝕材料大部分屬於鈍態金屬及合金，例如：鋁、鈦、鋯、不鏽鋼皆為鈍態材料。含有鹵素離子，特別是氯離子的環境則具有破壞鈍化膜的作用，因為氯離子對於氧化膜具有很強的穿透性。氯離子破壞鈍化膜是選擇在膜的最薄或是具有缺陷（defect）的地方。在膜破處的金屬為陽極，而其他未被破壞之處則為陰極，形成鈍性一活性電池（passive-activecell）。因陽極的面積甚小且不隨時間而改變其位置，故有孔蝕的現象。鹽霧試驗目的金屬氧化膜金屬(鋁、不鏽鋼)2010AVCConfidentialPage7鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4鋁及鋁合金的腐蝕型態1.沖蝕腐蝕(ErosionCorrosion)2.孔穴沖蝕3.應力腐蝕(StressCorrosionCracking,SCC)4.氫脆5.孔穴腐蝕(PittingCorrosion)6.伽凡尼腐蝕（GALVANIC）7.脫落腐蝕（ExfoliationCorrosion）8.晶界腐蝕9.均勻腐蝕（UniformCorrosion）2010AVCConfidentialPage8鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4-1沖蝕腐蝕當金屬與腐蝕環境有相對運動時，之間會產生機械摩擦或撞擊，則金屬受到腐蝕破壞速率會加快之現象。沖蝕腐蝕可分為：沖蝕、磨蝕、渦蝕另外，流速對腐蝕有很大的作用，尤其當流體中帶有固體懸浮物時，破壞力更加明顯。水冷板(coldplat)與水冷散熱排(radiator)，其內部因為冷卻液體在裡面流動，因此對於沖蝕腐蝕所造成的破壞需要納入重點評估；若產品內使用扭旋片(spiral)所產生的渦流，亦是造成渦蝕的重要因素。2010AVCConfidentialPage9鋁及鋁合金腐蝕原因分析2010AVCConfidentialPage10鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4-2孔穴沖蝕（或稱泡蝕）空泡腐蝕簡稱空蝕或氣蝕，是磨損腐蝕的一種特殊形態。在高速液體中含有空泡，使磨損腐蝕十分嚴重。空泡的形成是由於液體的湍流或溫度變化引起局部壓力下降，空泡內只含少量水汽，存在時間非常短暫,氣泡破裂時產生衝擊波壓力可高達4000atm，使金屬保護膜破壞，並可引起塑性形變，甚至撕裂金屬粒子。膜破口處裸金屬受腐蝕，隨即重新生膜。在同一點上又形成新空泡，又迅即破裂，這個過程反復進行，結果金屬表面生成緻密而深的孔，外表很粗糙。2010AVCConfidentialPage11鋁及鋁合金腐蝕原因分析(1)形成氣泡(4)形成新氣泡(5)氣泡破裂，金屬磨破壞(6)重新成膜(3)重新成膜(2)氣泡破裂，金屬磨破壞2010AVCConfidentialPage12鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4-3應力腐蝕(StressCorrosionCracking,SCC)•應力腐蝕是指在拉應力作用下，金屬在腐蝕介質中引起的破壞。這種腐蝕一般均穿過晶粒，即所謂穿晶腐蝕。應力腐蝕由殘餘或外加應力導致的應變和腐蝕聯合作用產生的材料破壞過程。應力腐蝕導致材料的斷裂稱為應力腐蝕斷裂。•應力腐蝕的特性：(1)應力腐蝕斷裂是時間的函數。拉伸應力越大,則斷裂所需時間越短；斷裂所需應力一般都低於材料的屈服強度。這種應力包括外加載荷產生的應力、殘餘應力…等。發生應力腐蝕前，並沒有明顯的的塑性變形產生。2010AVCConfidentialPage13鋁及鋁合金腐蝕原因分析(2)應力腐蝕只有某些金屬-介質的組合（見右表）情況下，才會發生應力腐蝕斷裂，純金屬很少產生。若無應力，金屬在其特定腐蝕介質中的腐蝕速度是微小的。(3)合金的化學成分、金像組織、熱處理對合金的應力腐蝕破裂有很大的影響。(4)斷裂速度在純腐蝕及純力學破壞之間，斷口一般為脆斷型態。金屬材料腐蝕介質低碳鋼Ca(NO3)2,NH4NO3,NaOH低合金結構鋼NaOH高強度鋼雨水,海水,H2S溶液奧氏體不鏽鋼熱濃的Cl-溶液黃銅NH4+高強度鋁合金氯化物、濕的工業大氣、海洋大氣鈦合金(6Al-4V)液態N2O42010AVCConfidentialPage14鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4-4氫脆氫脆，又稱氫損傷，是一種由於金屬材料中氫引起的材料塑性下降、開裂或損傷的現象。所謂“損傷”，是指材料的力學性能下降。在氫脆情況下會發生“滯後破壞”，因為這種破壞需要經歷一定時間才發生。氫的來源有“內含”的及“外來”的兩種：前者指材料在冶煉及隨後的機械製造（如焊接、酸洗、電鍍等）過程中所吸收的氫；而後者是指材料在含有氫的環境中，使用過程中所吸收的氫。致氫環境既包括含有氫的氣體,如H2、H2S；也包括金屬在水溶液中腐蝕時陰極過程所放出的氫。2010AVCConfidentialPage15鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4-5孔穴腐蝕（PittingCorrosion）孔穴腐蝕，或簡稱孔蝕，是一種極端的局部腐蝕，不易偵測，真正的腐蝕面積非常小，但其破壞的嚴重性往往是災難性的。使用3003鋁合金需要特別注意孔蝕問題！304不銹鋼的孔蝕.2010AVCConfidentialPage16鋁及鋁合金腐蝕原因分析•金屬材料接觸某些溶液，表面上產生點狀局部腐蝕，蝕孔隨時間的延續不斷地加深，甚至穿孔，稱孔蝕。通常點蝕的蝕孔很小，直徑比深度小得多。304不銹鋼在海水中的孔蝕.孔蝕的形態2010AVCConfidentialPage17鋁及鋁合金腐蝕原因分析•蝕孔的最大深度(p)與平均腐蝕深度(d)的比值稱為點蝕係數(p/d)。此值越大，孔蝕越嚴重。2010AVCConfidentialPage18鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4-6伽凡尼腐蝕（GALVANICCorrosion）兩種或兩種以上不同電極電位的金屬處於腐蝕介質內相互接觸而引起的電化學腐蝕﹐又稱接觸腐蝕或雙金屬腐蝕。2010AVCConfidentialPage19鋁及鋁合金腐蝕原因分析•GALVANIC系列金屬/合金在海水中的活性大小位階：所形成的電偶間的電極電位差：兩金屬之間的電極電位差愈大、電流愈大，則腐蝕愈快。2010AVCConfidentialPage20鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4-7脫落腐蝕（ExfoliationCorrosion）鋁合金經過滾軋之後，順方向的晶粒被拉長，其晶界遇到海邊的鹽分以及污染空氣中的硫化物時，很容易為其腐蝕。2010AVCConfidentialPage21鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4-8晶界腐蝕高強度鋁合金需要依賴金屬化合物(metalliccompound)來增加強度，但也因為這些金屬化合物的沈積，造成伽凡尼耦合，進而促使晶界腐蝕。2010AVCConfidentialPage22鋁及鋁合金腐蝕原因分析•1-4-9均勻腐蝕（UniformCorrosion）這是最單純的一種腐蝕，金屬表面出現一層均勻的腐蝕產物，一般鋼鐵在大氣中的生銹即為均勻腐腐。2010AVCConfidentialPage23二、環境與鋁及鋁合金腐蝕的關係2010AVCConfidentialPage24環境與鋁及鋁合金腐蝕的關係•沒有一種金屬能適用於任何環境及任何條件下而不發生腐蝕，但是腐蝕工程師應能立即就某種特定使用環境，選定可相容之金屬。•鋁合金腐蝕環境：大氣環境土壤海水淡水酸鹼有機酸無機酸自然環境工業環境2010AVCConfidentialPage25環境與鋁及鋁合金腐蝕的關係•2-1大氣環境中各類金屬之腐蝕速率平均腐蝕速率（微米/年）金屬種類暴露時間（年）大氣環境鄉村性工業性海洋性碳鋼3.514.624414碳鋼7.510.113.9碳鋼15.57.68.7灰鑄鐵6-1261102304不鏽鋼5-150.10.03鎳200.22.60.2鋁10-300.12.53.8熱浸鍍鋁鋅鋼130.40.30.6銅（ETP）200.41.41.3黃銅200.53.10.2化學級鉛200.30.40.5錫200.51.72.9鎂3132527鋅201.16.31.52010AVCConfidentialPage26環境與鋁及鋁合金腐蝕的關係•2-2大氣腐蝕因子•由於水、氧在水膜間的擴散率、大氣中的氯離子含量、以及空氣中的污染物質如SO2、灰塵等，均會影響金屬在大氣中的腐蝕速率。2010AVCConfidentialPage27三、鋁及鋁合金防蝕技術2010AVCConfidentialPage28鋁及鋁合金防蝕技術•鋁的化學活性強，但表面易於形成一層連續而緻密的氧化鋁，具有保護作用，可以防止鋁繼續腐蝕。•鋁合金的分類及抗蝕性如下表：合金代號合金元素抗蝕性一般孔蝕晶界應力1XXX（純鋁）99.9%優優優2XXX（鋁銅）銅可差差差3XXX（鋁錳）錳，錳-鎂優差可佳4XXX（鋁矽）矽可佳佳佳5XXX（鋁鎂）錳，鎂，鉻優佳佳佳6XXX（鋁鎂矽）鎂，矽優佳優7XXX（鋁鋅）鋅，鎂，錳，銅可可佳佳2010AVCConfidentialPage29鋁及鋁合金防蝕技術•3-1完善的防蝕設計1.以焊接取代鉚釘可避免孔蝕2.避免設計死角或易積水之處3.注意儲存槽和容器的排水問題，底部最好傾斜至排水口4.需常取換得零件必須設計在意於裝解的地方5.避免應力過分集中或造成殘存應力6.避免不同性質金屬的直接接觸，以免伽凡尼腐蝕發生7.急流管路需避免大轉彎，轉彎處的管壁需加強8.配合腐蝕環境選擇材料9.避免設計有過分震動，以防止磨損腐蝕10.儲存槽和容器暫時不用時，應充以乾燥空氣或惰性氣體11.避免局部過熱，否則容易發生一般腐蝕和應力腐蝕2010AVCConfidentialPage30鋁及鋁合金防蝕技術•3-2陰極防蝕法（cathodicprotection）陰極防蝕是一種伽凡尼腐蝕，利用犧牲一種金屬使得另一種金屬獲得更好的保護。陰極防蝕法可分為犧牲陽極法與外加電流法兩種；如今，這些技術已經廣泛地被應用。3-2-1犧牲陽極法：如果輔助電極的化學性比被保護的結構物更活潑，兩者連接的結果即成一對伽凡尼耦合；則輔助電極成為陽極，犧牲本身而使結構物得到防蝕的保護，故稱為犧牲陽極法。Metal犧牲陽極2010AVCConfide