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(wèi)

(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(shù)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(chǎn)方便高效等,在各類行業(yè)設(shè)備中有著較為廣泛的應(yīng)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(yè)的廣泛應(yīng)用,故需要相應(yīng)地進行表面處理以獲得更好的性能。硬質(zhì)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(zhì)陽極氧化處理可增加產(chǎn)品表面耐磨、耐腐蝕性[3,4]。然而由于陽極氧化工藝、使用環(huán)境等影響[5],輥筒在應(yīng)用過程中常出現(xiàn)氧化膜破壞引起鋁合金基材腐蝕現(xiàn)象,造成經(jīng)濟損失,影響鋁合金的使用[6]。

某薄膜生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)備安裝過程中發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線上所有鋁輥表面均存在少量白色斑點,白色斑點數(shù)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(xiàn)白斑,如圖1所示。斑點表面低倍觀察可見粉末狀白色物質(zhì)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(guī)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(nèi)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(qū)域的組織進行能譜分析,清洗后點蝕區(qū)能譜圖如圖7所示。由圖7能譜測試結(jié)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(jié)果見表1。

表1 鋁輥表面點蝕EDS結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

圖5 清洗后點蝕中心微觀形貌

圖7 清洗后點蝕區(qū)能譜圖

1.3 截面分析

鋁輥基材腐蝕態(tài)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(nèi)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(fā)射光譜儀與碳硫分析儀對材料進行化學(xué)成分檢測,結(jié)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(xué)成分》中6063牌號要求。

表2 鋁輥成分分析(質(zhì)量分數(shù)) %

1.5 腐蝕模擬試驗

中性鹽霧試驗是目前應(yīng)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(jù)HB 5192-81及現(xiàn)代電鍍手冊[8]可知,NSS在腐蝕加速性、再現(xiàn)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(nèi)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(huán)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(jié)構(gòu)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(zhì)的侵入,因此必須對其進行封孔處理,若封孔工序存在質(zhì)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(zhì),且對水質(zhì)要求非常高,微量雜質(zhì)會毒化水化反應(yīng),導(dǎo)致封孔失敗,另外封孔物質(zhì)在氧化膜孔洞內(nèi)膨脹也容易導(dǎo)致膜層開裂[13]。以上原因均導(dǎo)致沸水封孔品質(zhì)難以保證,不良封孔極易導(dǎo)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(dǎo)電性強得多的離子導(dǎo)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(xù)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(chǎn)生空位,當空位尺寸達到一定值時則氧化膜就會發(fā)生破裂,導(dǎo)致點蝕坑萌生?；姆磻?yīng)產(chǎn)物不斷在蝕孔處積累,蝕孔內(nèi)氧濃度低于孔外介質(zhì)中氧濃度,因此形成氧濃差電池,進一步加速了蝕孔內(nèi)金屬的活性溶解,形成自催化原電池反應(yīng),即點蝕孔向四周及底部穩(wěn)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(chǎn)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(jié)論與建議

(1) 鋁輥表面產(chǎn)生白點的直接原因為陽極氧化膜和基材發(fā)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(fā)生電化學(xué)腐蝕。

(2) 建議通過沸水封孔時嚴格控制溫度,并采取優(yōu)化水質(zhì)、封孔前預(yù)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(zhì)量與性能檢驗。