6063鋁輥表面異常腐蝕分析

鄧番林，吳冰冰，，樊申騰，張文彬，曾志衛

(1.深圳市美信咨詢有限公司，廣東 深圳 518108；2.深圳市美信檢測技術股份有限公司，廣東 深圳 518108)

0 引言

鋁合金材料制作的輥筒因密度低、易加工、生產方便高效等,在各類行業設備中有著較為廣泛的應用[1]。但鋁合金材料也因為硬度較低,耐腐蝕性差和容易被碰傷等缺點[2],限制了其在不同行業的廣泛應用,故需要相應地進行表面處理以獲得更好的性能。硬質陽極氧化是鋁合金常用的表面處理方式之一,在鋁輥表面進行硬質陽極氧化處理可增加產品表面耐磨、耐腐蝕性[3,4]。然而由于陽極氧化工藝、使用環境等影響[5],輥筒在應用過程中常出現氧化膜破壞引起鋁合金基材腐蝕現象,造成經濟損失,影響鋁合金的使用[6]。

某薄膜生產企業在設備安裝過程中發現生產線上所有鋁輥表面均存在少量白色斑點,白色斑點數量隨使用時間延長而增加。為此,本文對6063鋁輥表面異常腐蝕進行分析。

1 理化檢驗與分析

鋁輥基材為6063鋁合金,陽極氧化工藝簡化流程為:鋁材除油—酸堿洗去自然膜—陽極氧化—封孔—機械拋光。

1.1 外觀檢查

鋁輥表面多處出現白斑,如圖1所示。斑點表面低倍觀察可見粉末狀白色物質分布,呈放射狀向四周擴散,如圖2所示。白色斑點分布無明顯規律,呈彌散分布。

圖1 鋁輥宏觀觀察

1.2 微觀分析

鋁輥表面陽極氧化膜鍍層上白色斑點為腐蝕點,表面可見腐蝕物覆蓋,腐蝕坑內可見碎裂塊狀腐蝕物,腐蝕坑周圍鍍層呈泥紋狀腐蝕物沉積,其微觀形貌如圖3和圖4所示。

圖3 點蝕中心微觀形貌

清洗后腐蝕坑周圍鍍層呈疏松剝落狀,如圖5所示,為典型的“點蝕”形貌。腐蝕坑周邊鍍層可見大量微小點蝕孔洞,如圖6所示。對圖5中三個區域的組織進行能譜分析,清洗后點蝕區能譜圖如圖7所示。由圖7能譜測試結果可知,腐蝕坑及腐蝕坑周邊存在少量腐蝕性Cl元素,鋁輥表面點蝕EDS結果見表1。

表1 鋁輥表面點蝕EDS結果(質量分數) %

圖5 清洗后點蝕中心微觀形貌

圖7 清洗后點蝕區能譜圖

1.3 截面分析

鋁輥基材腐蝕態組織未見明顯組織缺陷,以α相為主,如圖8所示。鋁輥斑點截面呈漏斗形,表面鍍層腐蝕坑孔徑較小,腐蝕坑處陽極氧化膜被腐蝕貫穿,靠近基材內的鍍層可見弧狀腐蝕痕跡,鋁基材也可見腐蝕疏松,均為典型的點腐蝕形貌,如圖9所示。

1.4 成分分析

取鋁輥樣品進行成分分析,使用電感耦合等離子體發射光譜儀與碳硫分析儀對材料進行化學成分檢測,結果如表2所示。鋁輥成分滿足GB/T 3190-2020《變形鋁及鋁合金化學成分》中6063牌號要求。

表2 鋁輥成分分析(質量分數) %

1.5 腐蝕模擬試驗

中性鹽霧試驗是目前應用最廣泛的一種加速腐蝕試驗方法,取鋁輥進行中性鹽霧試驗(NSS)[7]。試驗后鋁輥陽極氧化膜表面及龜裂裂紋處均有可見的腐蝕坑分布。根據HB 5192-81及現代電鍍手冊[8]可知,NSS在腐蝕加速性、再現性、模擬性等方面均弱于周期浸潤腐蝕試驗,然而NSS試驗僅8 h后鍍層表面腐蝕破壞斑點已不滿足周期浸潤腐蝕合格要求,如圖10所示。

圖10 鋁輥模擬試驗后表面觀察

2 分析與討論

鋁輥宏觀可見白色斑點,低倍觀察白點上存在粉末狀腐蝕物,腐蝕物呈粒狀,白點呈彌散分布,腐蝕坑周邊陽極氧化膜可見典型點蝕形貌及泥紋花樣,由EDS可知腐蝕坑周圍疏松鍍層存在元素Cl。腐蝕坑內腐蝕物疏松,基材組織無明顯組織缺陷。由腐蝕模擬試驗可知,鋁輥試樣表面陽極氧化膜耐蝕性較差,不滿足周期浸潤腐蝕合格要求。

工藝良好的鋁合金陽極氧化膜本身具有較高的耐蝕性、耐磨性和很高的硬度,在一般的酸性/中性環境下可長期存在而表面不被嚴重腐蝕破壞[9,10]。陽極氧化膜結構為底層薄且致密、硬度較高的阻擋層;阻擋層上面為疏松的多孔氧化膜層,多孔層幾乎無法阻擋腐蝕介質的侵入,因此必須對其進行封孔處理,若封孔工序存在質量問題將直接降低陽極氧化膜的耐蝕性[11,12]。工藝采用沸水封孔,該工藝簡單且便捷,實際操作需在95 ℃以上才能獲得較好的封孔品質,且對水質要求非常高,微量雜質會毒化水化反應,導致封孔失敗,另外封孔物質在氧化膜孔洞內膨脹也容易導致膜層開裂[13]。以上原因均導致沸水封孔品質難以保證,不良封孔極易導致膜耐蝕性能較差。

鋁輥試樣陽極氧化膜微孔封閉差,抵抗Cl離子滲透的能力降低。被Cl離子滲入的氧化膜可看作是比原始膜導電性強得多的離子導體,可以加速離子的運輸和傳遞,使膜更易溶解。由于金屬離子持續不斷地由基材/氧化膜界面向氧化膜/溶液界面擴散,會在氧化膜和金屬界面產生空位,當空位尺寸達到一定值時則氧化膜就會發生破裂,導致點蝕坑萌生。基材反應產物不斷在蝕孔處積累,蝕孔內氧濃度低于孔外介質中氧濃度,因此形成氧濃差電池,進一步加速了蝕孔內金屬的活性溶解,形成自催化原電池反應,即點蝕孔向四周及底部穩定地擴散腐蝕[14]。腐蝕物密度較基材密度小,體積增加,腐蝕產物積累到一定程度后沿蝕孔向上噴出,形成宏觀可見的白色斑點。

3 結論與建議

(1) 鋁輥表面產生白點的直接原因為陽極氧化膜和基材發生點蝕所致;根本原因為鋁輥陽極氧化膜耐蝕性差,被Cl離子污染后發生電化學腐蝕。

(2) 建議通過沸水封孔時嚴格控制溫度,并采取優化水質、封孔前預清洗陽極氧化膜表面等舉措改善封孔工藝,加強陽極氧化膜表面質量與性能檢驗。