CN115449730A - 一种有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于低硅铸造铝合金抗腐蚀领域，特别是一种有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法。铸造铝合金在经过一般的固溶和时效热处理工艺之后，耐腐蚀性能较差，尤其是晶间腐蚀敏感性比较高，在材料的表面至一定深度的区域及其容易产生大范围网格状的腐蚀区域。本发明对固溶和时效热处理工艺之后的铸造铝合金在200‑250℃下保温20‑50h可以有效降低低硅铸造铝合金的晶间腐蚀敏感性，并降低低硅铸造铝合金的腐蚀速率。

Description

一种有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法

技术领域

本发明属于低硅铸造铝合金抗腐蚀领域，特别是一种有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法。

背景技术

铸造Al-Si合金中Si含量低于12％的是亚共晶Al-Si合金，由于其具有较高的比强度和较好的铸造性能等，广泛应用于汽车、航空、航天等领域。低硅铸造铝合金作为一种Si含量更低(3％Si-6％Si)的亚共晶铸造铝合金，具备较好的综合力学性能的同时，也具备较好的加工延展性，有利于一些形状复杂的零部件的后期加工。

目前在铸造Al-Si合金的基础上添加一定量的Mg、Cu、Mn、Cr等元素已成为人们研究的重点，但是合金的抗蚀性能远远低于纯金属的抗蚀性能，Al具有很高的化学活性，容易与合金中的其它元素组成具有不同化学势的异相结构，增加基体组织与各析出相之间的电位差，大大增加铝合金的腐蚀倾向性。因此，各种金属元素的增加，会对低硅铸造铝合金的耐腐蚀性能造成一定的影响。

低硅铸造铝合金通过一般的固溶和时效热处理后可获得优良的力学性能，时效过程中形成的析出相基本决定了铝合金的力学性能和腐蚀特性。但是相关研究表明，固溶热处理强化后的铝合金的点蚀最初从析出强化相颗粒附近开始，经过时效后形成的强化相与基体之间的电位差会再次增大，形成微型原电池，再次使得抗腐蚀能力降低。时效过程中形成的第二相常常作为阴极，铝合金基体则成为原电池的阳极遭到腐蚀性破坏。同时已有试验结果表明，在含有Mg作为合金元素的低硅铸造铝合金中，含有这些元素的第二相是腐蚀最严重的部分，原因是这些析出相中的Mg元素倾向于优先向腐蚀液中溶解，使得析出相分解，从而产生腐蚀现象。第二相Mg₂Si周围是点蚀的高发区域。当Mg含量过高，除去形成强化相Mg₂Si之外还有过量剩余时，剩余的Mg会使得Mg₂Si在合金基体中的溶解度降低，从而增加强化相数量，使得铝合金抗腐蚀能力下降。亦有相关研究认为腐蚀初期低硅铸造铝合金中的Mg₂Si相的电位比α-Al更低，腐蚀中作为阳极相形成点蚀；随着腐蚀进行，Mg2Si相中元素镁优先溶解，元素硅富集，Mg₂Si电位正移，导致铝基体发生阳极溶解。硅颗粒的电位远高于α-Al基体，反应中作为阴极促使基体腐蚀。

因此，低硅铸造铝合金经过一般的固溶和时效热处理后，力学性能较好，但是其耐腐蚀性能较差，尤其是晶间腐蚀敏感性比较高，在材料的表面至一定深度的区域及其容易产生大范围网格状的腐蚀区域。经过实验研究，低硅铸造铝合金在经过一般的固溶和时效热处理后，继续进行热暴露实验可以改变低硅铸造铝合金前期时效过程中的析出相中元素分布，进而改变其力学性能与腐蚀特性。

目前已有的相关技术中提升铝合金的耐腐蚀性能的方法有铝合金表面处理、铝合金表面制备耐腐蚀涂层、热处理工艺优化和铝合金熔炼工艺改善等方法。表面改性方法虽有工艺简单易控制、成本较低等优点，但是对于已经铸造成型的各种复杂结构的铝合金零部件来说并不适用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法，本方法提到的热暴露实验在模拟铝合金实际服役环境的同时，能在一定程度上降低低硅铸造铝合金的晶间腐蚀敏感性，提升低硅铸造铝合金的耐腐蚀性能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法，包括如下步骤：

d、将铸造铝合金进行固溶处理，所述铸造铝合金的硅含量为3-6wt％；

e、将进行过固溶处理的铸造铝合金进行时效热处理；

将经过固溶和时效热处理后的铸造铝合金放入加热炉中，在200-250℃下保温20-50h后取出，空冷至室温。

作为有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法进一步的改进：

优选的，所述固溶处理的具体工艺为：将铸造铝合金在530-545℃下保温1.5-3h后水冷至室温。

优选的，所述时效热处理的具体工艺为：将固溶处理后的铸造铝合金在160-170℃保温6.5-8h后进行空冷至室温。

优选的，所述加热炉的初始温度为室温，升温速度为15-25℃/min。

本发明相比现有技术的有益效果在于：

1)通常铝合金的腐蚀始于点腐蚀，在腐蚀介质的作用下，铝合金表面氧化膜被破坏并发生局部渗透。晶间腐蚀是金属材料腐蚀的一种形式，晶间腐蚀与晶界析出相有关。腐蚀从表面开始并沿晶界向内部发展。目前晶间腐蚀形成的三种理论如下：

(1)晶界析出相与基体形成电位差从而形成电偶腐蚀；

(2)溶质贫乏区和基体形成电位差从而导致晶界腐蚀；

(3)晶界处连续析出相的溶解导致连续的晶界腐蚀。

晶界是金属晶粒间的错接区，是高能区，有更强的化学活性，因而大多数情况下比晶粒本身腐蚀的快，形成晶间腐蚀。晶间腐蚀是一种由电化学不均匀性引起的局部腐蚀，也是沿着晶粒边界发生的选择性腐蚀。在铝合金中，微电池电化学腐蚀是晶间腐蚀常发生的方式。铝合金中的加工工艺、热处理工艺和合金元素都对晶间腐蚀有所影响。铸造铝合金在经过一般的固溶和时效热处理工艺之后，耐腐蚀性能较差，尤其是晶间腐蚀敏感性比较高，在材料的表面至一定深度的区域及其容易产生大范围网格状的腐蚀区域。

2)本发明将经过固溶和失效热处理后的铸造铝合金进行热暴露处理，可以有效降低低硅铸造铝合金的晶间腐蚀敏感性，并降低低硅铸造铝合金的腐蚀速率。

热暴露过程会减轻溶质元素的偏聚程度，能够降低晶间腐蚀敏感性。热暴露一定时间后会使得沿晶界分布的析出相从连续分布变为不连续分布，从而阻碍了沿晶界的腐蚀通道，降低了晶间腐蚀的程度。经一般固溶和时效热处理的铝合金容易在晶界周围形成明显的Mg和Si贫乏区，使得晶界周围元素贫乏区与晶粒内部的电位差较大，增加了铝合金的晶间腐蚀敏感性。低硅铸造铝合金在200℃热暴露过程中晶界附近会析出较多单质Si和Mg₂Si析出相，提高了晶界周围的元素贫乏区的元素含量，缩小了晶粒内部与晶界附近的电位差，降低了合金的腐蚀敏感性，热暴露使得基体的腐蚀电位与晶界周围的元素贫乏区之间达到平衡。

一般相邻晶粒取向差小于15度的称作小角度晶界；大于15度的称作大角度晶界。铝合金组织中晶界的取向差分布对材料的耐腐蚀性能有较大的影响。一般而言，粗大的大角度再结晶晶粒、晶界对合金的腐蚀性能产生不利的影响，而小角度晶界有很强的抗腐蚀能力。腐蚀裂纹优先沿大角度晶界扩展，在小角度晶界或亚晶界处裂纹不易扩展。随着200℃热暴露时间的增加，小角度晶界比例逐渐增加，降低了晶间腐蚀敏感性。同时，铝合金经过热暴露处理后保留大量细小的亚晶组织，亚晶界上的析出相与晶内接近，从而降低了晶间腐蚀的电化学动力，使阳极极化特征减弱，阳极溶解速度减慢，在一定程度上切断了阳极腐蚀的通道，并在最终延缓了腐蚀沿晶界发生。

3)相比较于表面处理等提升方法来说，热暴露实验不会破坏铝合金的表面与原有的结构，能够直接从材料的微观角度进行结构调节，可以从源头上提升铝合金整体的耐腐蚀性能。而通过改善熔炼工艺来提升铝合金耐腐蚀性能的方法，对熔炼环境与设备要求较高，控制晶粒尺寸易受人为因素影响，结果不确定性较大。

热暴露实验方法本质上也属于热处理工艺优化的一种，与其它热处理工艺优化方法相比，热暴露实验更加简单便捷，当低硅铸造铝合金经过一般的固溶和时效热处理后，耐腐蚀性能不佳，可以直接进行热暴露实验，进而提升耐腐蚀性能。与此相比，相当多的热处理工艺优化方法需要在铸态或者固溶态后进行工艺优化，极大地限制了应用范围。因此通过热暴露实验来提升低硅铸造铝合金的耐腐蚀性能的方法具备不会对材料造成破坏、方法与操作步骤较为便捷、在材料铸造成型后进行相关操作、不需要在熔炼工艺与成分配比上花费较多时间等优点，对于企业生产来说，工艺更加简单实用。适用范围较广，操作工艺较为简单，无论是在低硅铸造铝合金零部件材料加工成型前和加工成型后均适用，对提升低硅铸造铝合金零部件材料的耐腐蚀性能有着重要的作用。

附图说明

图1是本发明经对比例1和实施例1处理后不同硅含量的铝合金试样的平均腐蚀速率；

图2是本发明经对比例1和实施例1处理后不同硅含量的铝合金试样的极化曲线；

图3(a)、(b)分别是本发明对比例1中未进行热暴露和实施例1中热暴露50h的低硅B-3.5Si铝合金试样的电子背散射衍射图；图3(c)为本发明经对比例1未进行热暴露和实施例1热暴露50h处理后低硅B-3.5Si铝合金试样的取向差范围分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例1，对本发明进行进一步详细说明，基于本发明中的实施例1，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例1，都属于本发明保护的范围。如果没有特别交待，本申请中的含量均为质量含量。

下述对比例1和实施例1中低硅B-3Si铝合金试样的生产厂家为实验室自制，其中低硅B-3Si铝合金试样的成分为(3％Si+0.6％Mg+Al)，低硅B-3.5Si铝合金试样的成分为(3.5％Si+0.66％Mg+Al)，低硅B-4.5Si铝合金试样的成分为(4.5％Si+0.57％Mg+Al)，低硅B-5.8Si铝合金试样的成分为(5.8％Si+0.56％Mg+Al)。

对比例1

本对比例1提供一种低硅铸造铝合金的处理方法，具体包括如下步骤：

S1、取低硅B-3Si铝合金试样、低硅B-3.5Si铝合金试样、低硅B-4.5Si铝合金试样、低硅B-5.8Si铝合金试样，进行固溶处理，具体工艺如下：将YFX7/10Q-GC电阻炉升温至540℃，将4种铝合金试样放置在电阻炉中保温2h，随后将试样放入常温水中进行水冷。

S2、将上述进行固溶处理的试样进行时效热处理，具体工艺如下：将YFX7/10Q-GC电阻炉升温至170℃，将4种铝合金试样放置在炉中保温8h，随后将试样取出在室温下进行空冷。

实施例1

本实施例1提供一种有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法，具体包括如下步骤：

S1、取低硅B-3Si铝合金试样、低硅B-3.5Si铝合金试样、低硅B-4.5Si铝合金试样、低硅B-5.8Si铝合金试样，进行固溶处理，具体工艺如下：将YFX7/10Q-GC电阻炉升温至540℃，将4种铝合金试样放置在炉中保温2h，随后将试样放入常温水中进行水冷。

S2、将上述进行固溶处理的试样进行时效热处理，具体工艺如下：将YFX7/10Q-GC电阻炉升温至170℃，将4种铝合金试样放置在炉中保温8h，随后将试样取出在室温下进行空冷。

S3、将进行过固溶处理和时效热处理的4种铸造铝合金放入YFX7/10Q-GC箱式电阻炉中，加热升温时间设置为10分钟，初始温度为室温，随炉加热到200℃，保温50h后，取出空冷至室温。

1)将对比例1中步骤S2处理后的试样和实施例1中步骤S3处理后的试样进行平均腐蚀速率测试，具体测试过程如下：

各组试样切成5mm×10mm×10mm的小试样，将试样所有面均依次用200至1500目砂纸打磨，经超声清洗烘干后，称量试样质量并测量试样表面积，再用细线对试样进行绑定，放入3.5％NaCl腐蚀液中进行悬空浸泡4天；采用CP225D电子天平称重，最大值为220g，仪器精度为0.01mg。

浸泡结束取出后立刻将试样放入浓HNO₃中去除表面腐蚀产物，再用软毛刷在清水下冲洗，最后将试样放入无水乙醇中进行超声波清洗，烘干称重并计算腐蚀速率，结果如图1中所示。

根据GB10124《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》得出浸泡腐蚀各试样的腐蚀速率的计算公式如下：

式中：R为腐蚀速率，mm/a(每年)；M为腐蚀前试样重量，g；M₁为腐蚀后试样重量，g；S为试样的表面积，cm²；T为腐蚀时间，h；D为试样的密度，kg/m³。

由图1的测试结果可知，低硅铸造铝合金试样热暴露50h之后的平均腐蚀速率均比热暴露之前的浸泡腐蚀失重较少，腐蚀速率明显降低。

2)将对比例1中步骤S2处理后的铝合金试样和实施例1中步骤S3处理后的铝合金试样，分别作为工作电极在标准电化学工作站(Gamry Reference600)和三电极体系下进行电化学测试，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂电极作为辅助电极；

处理相关数据得到表示电极电位与极化电流或极化电流密度之间的关系曲线-极化曲线，如图2所示。电化学测试电解液为的3.5％NaCl溶液，电极电位从-500mV扫描至1500mV相对于Eoc电位，电位扫描速度为1mV/s。

由图2的测试结果可知，低硅铸造铝合金试样的自腐蚀电位在200℃热暴露50h后增加，自腐蚀电位增加，表明其发生腐蚀的倾向小，表现为低硅铸造铝合金各表面区域发生腐蚀的概率降低，发生腐蚀的区域数量较少，进而总体腐蚀速率较低。

3)将对比例1中S2处理后的低硅B-3.5Si铝合金试样和实施例1中步骤S3处理后的低硅B-3.5Si铝合金试样进行电子背散射衍射(EBSD，Electron BackscatteredDiffraction)测试，结果分别如图3(a)、(b)所示；采用机械抛光制样，经测试分析处理得到不同晶界角度所占比例，结果如图3(c)所示。

由图3可知，经过200℃热暴露之后的低硅铸造铝合金组织中的小角度晶界比例增加，降低了晶间腐蚀敏感性。一般而言，粗大的大角度再结晶晶粒、晶界对合金的腐蚀性能产生不利的影响，而小角度晶界有很强的抗腐蚀能力。腐蚀裂纹优先沿大角度晶界扩展，在小角度晶界或亚晶界处裂纹不易扩展，降低了晶间腐蚀的电化学动力，使阳极极化特征减弱，阳极溶解速度减慢，可以在一定程度上切断了阳极腐蚀的通道，延缓腐蚀沿晶界发生。

本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例1。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、将铸造铝合金进行固溶处理，所述铸造铝合金的硅含量为3-6wt％；

b、将进行过固溶处理的铸造铝合金进行时效热处理；

c、将经过固溶和时效热处理后的铸造铝合金放入加热炉中，在200-250℃下保温20-50h后取出，空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法，其特征在于，所述固溶处理的具体工艺为：将铸造铝合金在530-545℃下保温1.5-3h后水冷至室温。

3.根据权利要求1或2所述的有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法，其特征在于，所述时效热处理的具体工艺为：将固溶处理后的铸造铝合金在160-170℃保温6.5-8h后进行空冷至室温。

4.根据权利要求1所述的有效降低低硅铸造铝合金腐蚀速率的方法，其特征在于，所述加热炉的初始温度为室温，升温速度为15-25℃/min。

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