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分類鋁合金的腐蝕行爲

分類鋁合金的腐蝕行爲
鋁合金種類很多,在附錄中列出了國內外常見鋁合金的分類及主要性能和用途。在鋁合金系中,除了純鋁、Al-Mg和Al-Mn外,還有A1-Cu-Mg, AI-Cu-Mn,A1-Mg-Si-Cu, AI-Zn-Mg Cu和Al-Cu-Mg-Fe-Ni等系列。純鋁和鋁合金的腐蝕行爲由于其組織內有不同合金元素和金屬相,而使不同牌號的鋁合金具有不同的耐腐蝕性和腐蝕行爲。本書所討論的化學紋理蝕刻則是利用鋁合金本身具有的某些腐蝕行爲,或通過對腐蝕介質的選擇迫使鋁合金具有特定的腐蝕行爲,而最終完成紋理蝕刻的過程。所以有必要對純鋁及鋁合金的腐蝕行爲作簡要介紹。
一、純鋁的腐蝕行爲
純鋁根據純度又分爲高純鋁和工業純鋁。但從整體來講,純鋁的機械強度都不高,但塑性好、耐腐蝕性能好。特別是純鋁的高可塑性和優良的耐蝕性能在鋁制産品中得到了廣泛應用。本書所介紹的鋁合金表面紋理蝕刻技術中,純鋁的應用占了較大比例,所以對純鋁腐蝕行爲的探討更爲重要。
鋁是一種活潑的兩性金屬,既能和酸發生反應又能和堿發生反應,特別是堿性溶液中,由于OH一的絡合催化作用,使鋁在純堿性溶液中呈均勻腐蝕,並隨pH值的升高或溫高的升高腐蝕速度也相應增大。若提高鋁的純度,在相同條件下其腐蝕速度相應減少。
純鋁的純度對鋁的腐蝕行爲有顯著影響,純度越高均勻腐蝕的傾向越大,也就越難達到所需要的紋理蝕刻效果。純鋁的主要雜質是Fe和Si o Fe, Si雜質含量高時,雖能提高強度但降低了塑性、電導率、抗蝕性並使氧化膜容易破壞。Fe在鋁中的溶解度很小,在共晶溫度(6550C)時只有。.052寫,室溫時爲0.002%o Fe與鋁形成硬而脆的針狀化合物FeAl3 0 Si同鋁不形成化合物,除溶解少量外,過剩的雜質Si均呈遊離狀態存在。由于Si和Fe同時存在于鋁中,因此實際上可把工業純鋁看成是Al-Fe-Si三元合金。在工業純鋁中,除了SiFeA13雜質外,還能形成兩種三元化合物a.尹。當Fe的含量大于Si時形成富鐵的a化合物(SiFe3 A12) ,呈骨架狀或團塊狀。當Si含量大于Fe時,則形成富Si的粗大針狀的盧相(Si2 Fee A19 ),它們對鋁的塑性均不利,尤其是後者。Fe和Si在工業純鋁中大都形成三元化合物,出現FeA13化合物或遊離Si的機會很少。爲了獲得晶粒細小、均勻、沖壓性能好的工業純鋁板材,應使雜質Fe的含量大于Si,以Fe/Si之比大于2-3爲最好。同時,宜添加Al-Ti或AI-Ti-B合金作爲晶粒細化劑。 總的來說,純鋁的紋理蝕刻性能都比較好,不管是用單一的酸性或者是堿性蝕刻液都能得到較好的紋理效果。對于需要粗糙度大的表面效果,用酸一堿二步法亦能得到很不錯的效果。特別是1050和1010,經酸一堿二步法蝕刻後紋理均勻性極好。在常用材料中,韓國材料紋理細;台灣材料紋理細且具有勻細的絲紋;日本住友公司的高光純鋁,經蝕刻後表面容易有明顯的絲紋效果;國産材料質量不很穩定,如是質量好的國産鋁材,紋理蝕刻效果很不錯。國産鋁以L6用得較多,紋理效果和進口鋁材相比也毫不遜色。再加上國産材料占有價格優勢,在生産上可做優先考慮。
二、合金鋁的腐蝕行爲
I.防鏽鋁的腐蝕行爲
(1) Al-Mn防鏽鋁合金的腐蝕Al-Mn合金是變形鋁合金中應用很廣的一種合金材料。它的機械強度較純鋁高,塑性好,焊接性能好,Mn對鋁的電極電位幾乎沒有影響,其抗蝕性能僅比高純鋁略低。
AI-Mn合金的主要相爲MnA16,它的電位幾乎和純鋁相當。Mn一方面是提高強度的元素,另一方面是中和Fe有害作用的元素,可使一部分FeAI:轉變爲(FeMn) A16,當針狀的FeA13轉變爲片狀的(FeMn) Alb以後就構成了一個較弱的陰極相,便不易破壞表面的氧化膜,這些作用改善了合金的腐蝕行爲。
AI-Mn合金的腐蝕特點是容易産生點蝕,特別是合金中Mn/Fe比減小時更易産生較深的點蝕(見圖2-13),這一點對合金的紋理蝕刻有利。合金中隨Mn元素含量增加,晶間腐蝕傾向增大,合金在淬火和退火狀態下,幾乎無晶間腐蝕,但在加熱緩冷條件下,則有晶間腐蝕傾向,這種合金腐蝕後易有晶紋再現,但這種合金沒有應力腐蝕傾向。

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Al-Mn系合金,國産只有LF21一種牌號,對應美國鋁協屬于3003。這種合金經單一堿性紋理蝕刻後表面是“砂”和“絲”的雙重效果,用于銘牌、面板絲網印刷前的底層裝飾處理時,有很好的裝飾性能。對于表面粗糙度要求較高的紋理,用酸一堿二步法蝕刻後,一般都是“砂”、“絲”雙重效果,由于不同加工工藝的差別,部分同類合金經酸一堿二步法蝕刻處理後表面只是“砂”的效果,而“絲”的
效果幾乎沒有。在生産中要注意選擇同一合金加工商所提供的鋁材,這對于保證産品表面效果的一致性很重要。
(2) Al-Mg防鏽鋁合金的腐蝕Mg在鋁中的固溶度較大,隨著合金中Mg含量增加,合金強度增加,塑性則有所降低,但其焊接性能和抗蝕性能卻很優良。Mg降低了鋁合金電位,Al-Mg合金氧化膜的密度,比形成這種膜的金屬大,因此所形成的膜很致密。尤其是當吸收水生成氫氧化物時,合金在鹽水和弱堿性溶液中的抗蝕性能比純鋁的抗蝕性能還高。
當Mg含量超過3%一5腸時,合金會出現晶間腐蝕和應力腐蝕傾向。當Mg含量超過7%時,對應力腐蝕的敏感性尤爲顯著。
熱處理工藝對Al-Mg合金的腐蝕性能有明顯的影響,如圖2-14所示。

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冷加工量對抗應力腐蝕性能影響較大,隨冷加工量增大,破裂腐蝕壽命縮短,如圖2-15所示。 Al-Mg合金的金屬相化合物爲Mgt A13,是一個陽極相,當合金呈單相的過飽和固溶體時,其主要腐蝕形式是點蝕,無晶間腐蝕和應力腐蝕傾向。當時效處于聚集狀態時,合金也沒有晶間腐蝕和應力腐蝕傾向,當時效相呈彌散連續狀態時,合金對晶間腐蝕和應力腐蝕具有一定的敏感性。
該系合金有多個牌號,國産牌號以LF2用得較多,對應美鋁協50520這類合金經紋理蝕刻後其表面效果和Al-Mn合金相當。但通過單一堿性紋理蝕刻後,其表面粗糙度較AI-Mn合金爲低。
2.硬鋁合金的腐蝕行爲
向鋁中添加Cu後,合金強度得到提高,化合物中Cu元素降低了鋁的電極電位,同時也降低了抗蝕性能。如在Al-Cu合金中添加Mg,便構成了Al-Cu-Mg合金(如LY11, LY12等),也稱杜拉鋁合金。在AI-Cu合金中加人Mn,便構成了AI-Cu-Mn合金(如LY16, LY17等)。還有Al-Cu-Mg-Fe-Ni, AI-Cu-Li, Al-Cu-Mg-Si和A1-Zn-Mg-Cu等系列Al-Cu合金。
在各系Al-Cu合金中,都有不同的金屬間化合物。Al-Cu-Mg系合金中主要有CuAI2, CuMgAl:等。Al-Cu-Mn系合金中主要有CuAl2, CuMn2 Al:等。Al-Cu-Li系合金中主要有CuAI2, LiCuAI12, Lie Cub All:等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金主要有CuMgA12, FeNiAls等。A1-Mg-Si-Cu系合金中主要有CuA12, Mgt Si,Cu4 Mg5 S14 AI二等。在AI-Zn-Mg-Cu系合金中主要有MgZn2, Mg3 Zn3 Al:等。在這些相中,除M$2 Si, MgZn2 , Mg3 Zn3 Al:等屬于陽極相外,其余都是陰極相。

Al-Cu系合金都有共同的腐蝕行爲,這一系列的多元鋁合金都有點蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕和剝蝕傾向,特別是晶間腐蝕敏感性最大。該系合金的晶間腐蝕幾乎無法避免,當晶間析出相呈細小、連續的鏈狀分布,構成一條腐蝕通道時,合金晶間腐蝕傾向更爲嚴重。該系合金的紋理蝕刻往往是以晶間腐蝕爲主,點蝕的均勻性較難控制,特別是在使用酸一堿二步法進行較高粗糙度蝕刻時更明顯。
該系合金中使用得較多的是LY12(美國鋁協2024)。該合金硬狀態牌號(LY12-Y)經單一堿性紋理蝕刻後其表面粗糙度可達R。二1.5以上,且光亮度和均勻性都極佳。而另一自然時效牌號(LY12-CZ)經單一堿性紋理蝕刻處理後其表面效果和Al-Mn系合金相當。
3.鍛造鋁合金的腐蝕行爲
(1) Al-Mg-Si系鍛鋁合金的腐蝕這種合金的國産牌號LD31,對應美國鋁協牌號6063。該系合金具有中等強度、良好的塑性、優良的可焊性和抗腐蝕性能。

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特別是6063具有極好的熱塑性,可加工成結構複雜、薄壁、中空的各種零件,並具有優良的焊接性能,且無應力開裂腐蝕現象。這種合金經加工後表面十分光潔,易于進行陽極氧化和著色。該系合金具有很好的紋理蝕刻性,經蝕刻後的合金表面紋理均勻,粗糙度易于調整,特別是在高粗糙度時紋理效果很好。
(2) AI-Mg-Si-Cu系鍛鋁合金的腐蝕這種合金的國産牌號LD30,對應美國鋁協牌號6061。該系合金是在6063的基礎上添加Cu強化而得,因此比6063有更好的強度.紋理蝕刻性能和6063相當,但氧化性能略低于6063,超硬鋁合金目俞較少使用紋理蝕刻技術,這是由于其紋理蝕刻效果不是太理想,特別是粗糙度要求較高的情況下效果更差,有待進一步研究。
對于鑄造鋁合金,由于合金中含Si量較大,經紋理蝕刻後的表面爲灰色,且不能用常用的化學/電化學抛光方法進行光澤處理,所以不適用于裝飾性紋理蝕刻。
但用于電鍍的底層及塗裝底層對于提高結合力是很不錯的前處理方法。如果鑄造鋁合金中工件的Si含量不高,經紋理蝕刻後有較好的表面效果。如要求高粗糙度,用酸一堿二步法蝕刻並增光,其紋理效果也不錯。

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