铝合金的腐蚀与防护

一．引言

1.1金属防腐蚀的重要意义

金属材料是现代最重要的工程材料，人类社会的文明和发展与金属材料的使用、发展与进步有着极为密切的联系。但是金属材料及其制品会受到各种不同形式的损坏，其中最重要、最常见的损坏形式腐蚀。

金属腐蚀问题存在于国民经济的各个领域，而且随着经济建设和科学技术的发展，腐蚀的危害越来越严重，对于国民经济的发展的制约作用越来越突出。使得腐蚀科学在国民经济中所处的地位越来越重要。据统计，人们每年冶炼出来的金属约有1/10被腐蚀破坏，相当于每年约有1/10 的冶炼厂因腐蚀的存在而做了无用功；而1/10 被腐蚀破坏的金属所殃及的金属制品的破坏，其损失要远远大于金属本身的价值。据美国国家标准局(NBS)调查，1975年美国因腐蚀造成的损失高达700亿美元，即当年国民经济总产值(GNP)的4.2%;《光明日报》1999年1月20日报道，1997年因腐蚀给我国国民经济带来的损失高达2800亿人民币。

以上所说仅就经济损失而言，在有些领域，尤其在化学工业、石油化工、原子能等工业中，由于金属材料腐蚀造成的跑、冒、滴、漏，不仅造成大量的、宝贵而有限的资源与能源的严重浪费，还能使许多有害物质甚至放射性物质泄漏而污染环境，危害人民的健康，有的甚至会长期造成严重的后果；而由于金属腐蚀所造成的灾难性事故严重地威胁着人们的生命安全；许多局部腐蚀引起的事故，如氧脆和应力腐蚀断裂这一类的失效事故，往往会引起爆炸、火灾等灾难性恶果，在一定程度上威胁着人类的生存与发展，所以对于金属腐蚀问题的研究显得尤为重要。

1.2铝合金及其腐蚀机理

铝合金是近代发展起来的一类重要的金属材料。铝合金具有强度高、密度小、导电导热性强、力学性能优异、可加工性好等优点而广泛应用于化学工业、航空航天工业、汽车制造业、食品工业、电子、仪器仪表业以及海洋船舶工业等领域。但是铝合金与其他金属一样，也面临着严重的腐蚀问题。虽然在自然条件下，铝合金表面容易形成一层厚约4 nm 的自然氧化膜，但是这层膜多孔、不均匀且抗蚀性差，难以抵抗恶劣环境的腐蚀的。

为了解决上述问题，有必要对铝合金的腐蚀机理有所了解。一般而言，金属在满足以下5个基本条件下就会受到腐蚀:(1)阳极;(2)阴极;(3)阴一阳之间存在着连续接触;(4)电解质溶液;(5)阴极反应物(如氧气、水或氢气)。

铝合金的腐蚀电化学反应为：

Al 3++ 3e-( 1)

O2 + 2H20 + 4 e - -(中性/碱性) (2)

2H ++ 2 e-H 2（g）(酸性) (3)

由于原电池作用加速了铝腐蚀，有机或无机阻隔层和钝化剂可避免合金与电解质接触而发生阴极反应，与此同时也抑制腐蚀电子向金属界面的传导;另外钝化剂(如铬酸盐)形成的不溶性氧化物沉积在受腐点，使活性腐蚀点(如晶界、晶族、凹坑、沉淀析出处)减少，从而阻挡水、氧或电解质的进一步渗透，降低腐蚀速率。

二．铝合金的表面防护处理方法

由铝合金的腐蚀机理可知只有把阴极钝化剂和阻挡涂层有机地结合才能很好地控制腐蚀发生。这就需要对铝合金表面进行保护，而涂装涂料是经济有效的方式之一。传统的涂层保护体系包括3层：第一层为转变层，转变涂层主要有4种类型：(1)氢氧化铬或其氧化物所形成的膜;(2)沉淀的重金属磷酸盐或其氧化物膜;(3)合成的各种聚合物膜;(4)用高锰酸所形成的锰氧化物/铝氧化物膜。该层的作用是将金属表面转变为更耐腐蚀的表面层或者使所配套的底漆形成更容易粘附、粘结力更强的表面。转变层的作用就是增加基材与底漆(底胶)间的勃结和防腐作用。第二层是底漆，主要起防腐蚀作用，由环氧树脂包覆的铬酸盐和非铬酸盐颜料组成，其中铬酸盐(如铬酸银)起缓蚀剂的作用，工艺厚度规定为15-25μm。第三层为面漆，是由聚氨醋和环氧树脂组成，厚度约55-80μm。主要起耐环境(如耐候、耐紫外线)腐蚀、耐介质腐蚀和装饰的作用。

以前工业上为了保护铝合金材料通常的处理方法是铬化处理。铬化处理是有色金属铝及其合金、锌及马口铁(镀锌钢板)或镁合金最常用最有效的传统的表面处理方法。通过铬酸盐处理得到的氧化膜具有良好的耐蚀性，但是该膜优越的性能与膜结构中的六价铬有关，由于六价铬具有致癌性，对人体及环境有严重的危害，自1982起，世界环境保护组织就提出了限制使用铬酸盐和其它含铬酸盐的化合物的规定。因此，研制无铬、有效、价格低、环境友好的铬酸盐及缓蚀剂替代品和环境友好的转变层处理工艺是航空涂料工业界所迫切需要解决的问题，也是科技工作者面临的新课题。另外，用传统的涂料材料和新工艺能实现防腐、环境友好、美观并具有伪装功能和耐久性(10年或更长)的涂装技术更是值得研究的课题。

下面就介绍一下一些比较新型的处理方法：

2.1 阴极保护法

阴极保护技术是一项经济效益十分显著的控制腐蚀的电化学保护技术。将被保护的金属进行阴极极化，使电位负移到金属表面阳极的平衡电位，消除其电化学不均匀性所引起的腐蚀电池，使金属免遭腐蚀。它可以成倍地延长被保护件的使用寿命，阴极保护与防护涂料联合使用时，阴极保护使涂层缺陷处和毛细孔处金属构件免遭腐蚀。根据施加阴极极化电流的方法不同，阴极保护方法可分为两大类：外加电流法和牺牲阳极法。其中外加电流阴极保护法是利用一个直流电源，配之以辅助阳极，对被保护的金属通人阴极电流，不过该方法存在电流难以均匀、氢脆、杂散电流等缺点，而牺牲阳极保护法无上述缺点，下面着重介绍这种方法。

牺牲阳极保护法是利用一个腐蚀电位比较负的金属与被保护的金属组成接触腐蚀电偶。由于两者电极电位不同，可以构成腐蚀原电池，所产生的电流便是起阴极保护作用的阴极电流。

这种比被保护金属电位更负的活泼金属电极称为牺牲阳极。牺牲阳极保护最明显的特点是不需要外部供电，安装简单，使用可靠，几乎无需维修管理，电流分布均匀，不会对周围结构引起杂散电流腐蚀。

运用牺牲阳极保护法的关键在于如何选择好合适的牺牲阳极，牺牲阳极在阴极保护中优先溶解.产生足够的电流使金属结构阴极极化到所需要的保护电位。要达到完全保护，必须使被保护的金属结构电位阴极极化到结构表面上最合适的阳极点的平衡电位。所以，牺牲阳极的电位应该比这一平衡电位还要负。