铝合金：卓越的耐腐蚀性与性能表现

在金属铸造厂，铝及其合金因超越其他金属的优势而成为顶级铸造材料。铝合金具备延展性、高铸造性、高强度，尤其是在不同环境和化学介质中的优异耐腐蚀性。

铝的耐腐蚀性源于金属表面形成的惰性氧化膜，提供保护层，阻隔铝表面与周围环境接触。

表面氧化膜因铝表面与氧气和水的化学反应形成。这其实是金属腐蚀的第一阶段。尽管氧化膜仅5-10 nm厚，但一旦暴露于氧化环境（如水）即防止金属生锈。

在大多数环境中，铝合金腐蚀速率随时间降低，部分原因是氧化膜稳定性决定耐腐蚀性，取决于环境pH值。

通常氧化膜在pH 4-8范围稳定。pH<4溶解酸，pH>8溶解碱生成晶体固体即锈蚀。

铸造行业为改善铝铸造性能、减少铸造缺陷，常提高铝合金Si含量，但这增加局部腐蚀倾向，阻碍阳极氧化降低铸铝耐腐蚀性。

为优化铸铝合金耐腐蚀性，需理解铝合金生产工艺与显微组织的关系。因此我们对金属腐蚀总体及铝合金特别是按砂型铸造、低压铸造等几种铝铸造方法进行了全面研究评估。

这是您能找到的关于铝合金腐蚀最详尽、全面、直白的文章，铝合金高活性且具多种优异性能。

让我们——VIC铸造厂——一探究竟！

铝合金腐蚀本质

铝合金在实质环境中腐蚀源于金属表面阴极和阳极反应以同等速率同时发生。

阴极反应是金属氧化过程，阳极反应是环境中物质还原。氧化还原同步，电子在两反应物间转移，故金属导电。

氧化反应：Al → Al³⁺ + 3e

氢氧化还原反应：H⁺ + e → ½ H₂

或氧氧化还原反应：O₂ + 2H₂O + 4e⁻→ 4OH⁻

实质上这些反应发生于合金显微组织。显微组织由合金元素和热力学处理决定。

纯铝合金无金属元素添加，显微组织无金属相位，阴极反应难发生，从而最小化腐蚀可能性。

含合金元素的非均质铝合金形成金属间颗粒，产生1-300 nm直径析出物。析出物具有不同电化学特性，成为腐蚀攻击区域。

铝合金腐蚀极限

铝耐腐蚀性随纯度提高而增强。但因铝高延展性，纯度越高应用越少。

通常添加金属提高铝硬度和铸造性，导致耐腐蚀性下降。

以下分析铝合金耐腐蚀性。

1. 1xx.x系列合金：工业纯铝

1xx.x系列纯度最高，含铝约99.93%，腐蚀率极低，约0.8 µA/cm²至2.3 cm²。

因优异耐腐蚀性，但硬度低，1xx.x系列日常应用不广。

应用包括：100系列用于箔包装和炊具材料；也用于生产二次合金或作为其他系列涂层。

2. 2xx.x系列合金：铝-铜

2xx.x系列含Cu 4-10%，力学性能高，用于结构件，尤其是航空航天建筑。

但加Cu影响耐久性。虽硬度显著提高（约500MPa），但易在潮湿工业环境腐蚀。

200系列易产生铸造缺陷，常限于简单型铸件生产。

0.5M H₂SO₄溶液电化学测试测得腐蚀率约0.45µA/cm²，对比3% NaCl溶液。实验用三种Al-Cu合金（Cu 5%、10%、15%），结论三者腐蚀率相同。

另用定向凝固法研究冷却速率和Cu含量对Al-4.5%Cu合金影响。从金属-冷却器表面取三个不同位置样品，微观观察显示冷却速率越高耐腐蚀性越好。

3. 3xx.x系列合金：铝-锰

3xx.x系列常为薄板。加硅和约1%锰提高固溶体耐腐蚀性。强度中等约110MPa。

冷加工和退火后，3xxx系列获得优异力学性能。铸造性能高，全球90%铸铝属300系列。故铸铝合金耐腐蚀研究常针对300系列。

3xx.x系列耐腐蚀实验多采用重力铸造和压铸技术。

重力铸造铝合金

研究显Al-8%Cu-3%Si腐蚀电流密度和阻抗参数诱导的耐腐蚀性高于Al-6%Cu-1%Si。

腐蚀测试在铸件横截面位置，距冷铸表面0、10、20mm处进行。

实验显示Si和次生枝晶臂间距（SDAS）相互依赖，影响Al-6%Cu-1%Si耐腐蚀性。

在α铝基体中，铸铝合金易形成金属间化合物。300系列锰的存在补偿Fe在金属间化合物中的阴极效应，降低腐蚀性。

研究者也实验了Sr对铝合金腐蚀影响。

微观观察进一步显示硅共晶从粗细形态向连接纤维形态转变。

a. 无Sr添加

b: Sr 120 ppm

c: Sr 170 ppm

d: Sr 250 ppm

结论：共晶硅键合纤维形态增强铝合金耐腐蚀性。详细耐腐蚀水平见下表：

Sr添加量	添加前	添加后
120 ppm	13.8 µA/cm2	0.42 µA/cm2
150 ppm	10.2 µA/cm2	1.47 µA/cm2

高压压铸（HPDC）铝合金

记录文档显示：实验在三种金属温度（579°C、643°C、709°C）和两种注射压力（35 MPa、70 MPa）下喷射金属。显微组织观察：低温下铝枝晶破碎，高温下枝晶细化。

结论：孔隙率越高，铝合金耐腐蚀性越低。孔隙率随实验结果逐渐增加：

a: 579°C / 35 MPa (3.15%孔隙)

b: 579°C / 70 MPa

c: 643°C / 35 MPa

d: 643°C / 70 MPa

e: 709°C / 35 MPa

f: 709°C / 70 MPa (4.91%孔隙)

HPDC技术因高注射速率产生气泡，导致高孔隙铸件和气孔缺陷。

4. 5xx.x系列合金：铝-镁

5xx.x系列含Mg<6%。镁在铝中溶解增强耐腐蚀性和硬度。500系列硬度>380MPa。

500系列耐海水环境腐蚀，用于船舶工业。

重力铸造和连铸法研究Al-3%Mg-1%Si合金耐腐蚀，在无析出区发现严重腐蚀。

上图显示：重力铸造Al-3Mg-1Si合金腐蚀率高于连铸。连铸冷却速率更快，导致固溶体比例更高。

500系列也有腐蚀问题——高密度无序可能导致>3% Mg合金析出有害β相Mg₂Al₃，长期高温暴露加剧。

5. 6xx.x系列合金：铝-镁-硅

硅基6xx.x系列提高流动性、降低熔点。

硬度强度>300MPa，主要挤压和板材形式。

Si和Mg添加超1.4%时时效强化。

600系列耐腐蚀性良好，广泛用于海洋环境和火车发动机制造。

6. 7xx.x系列合金：铝-锌-镁

7xx.x系列耐久性达580MPa，高强度源于η相（MgZn₂）析出，广泛用于航空航天。

700系列劣势：耐腐蚀性降低，易受环境侵蚀和应力腐蚀开裂。

为平衡耐腐蚀性，采用复杂热处理如二次热处理。

7. 8xx.x系列合金：铝-锂

8xx.x系列加Li，铝中溶解度达16%。

800系列极轻且高刚度，极具航空航天应用潜力。

过去含Li铝合金在所有铝合金中腐蚀率最高；但今加Cu的Al-Li合金克服此限制。

8. 9xx.x系列合金：铝-镍

9xx.x系列加Ni提高硬度但降低延展性和耐腐蚀性。

Al-5%Ni合金研究：取位置P1（距模边缘10mm，冷却率约8°C/s）和P2（距模边缘60mm，冷却0.6°C/s）各一样品。

结果：P2腐蚀率1.5 µA/cm²，P1为3.5 µA/cm²。

了解更多铝型材信息：https://vietnamcastiron.com/types-aluminum/

合金元素对铝合金腐蚀影响

1. Mg影响

Mg加入改善力学性能。Mg在固溶体中降低阴极反应速率（因Mg交换电流密度低），提高耐腐蚀性。

2. Si影响

Si与Mg形成Mg₂Si析出物增强硬度但引起局部腐蚀。过量Si因出现在界限加速阴极反应，导致应力腐蚀开裂。

3. Cu影响

类似Mg，Cu存在导致铝合金形成局部阴极反应引起腐蚀。但600/700系列加Cu主要为强化硬度，非防腐目的。

4. Zn影响

加Zn可能形成τ相Al-Mg-Zn替代β相Al₃Mg₂，导致应力腐蚀开裂。航空航天合金仍用Zn形成强化析出物。

5. Fe影响

生产中铝合金常混入Fe。除Fe成本高。Fe难溶于合金并维持阴极反应，降低耐腐蚀性。Fe与Mn或Cu共存也阻碍耐腐蚀。

6. Mn影响

含锰降低Fe浓度提高耐腐蚀性。但Mn超溶解度限（重量1.25%）会形成Al₆Mn，增加阴极反应引起腐蚀问题。

7. Li影响

Li提高铝合金硬度，Al-Li合金广泛用于航空。但Li沿晶界出现，导致腐蚀率急剧上升和局部腐蚀扩散。

铝合金腐蚀类型

均匀腐蚀

均匀腐蚀常见于pH过高或过低。全合金表面以同等速率侵蚀。氧化膜无法保护金属，逐渐侵蚀。

均匀腐蚀易识别处理，可在允许腐蚀水平用油漆或涂层。

铝合金可用铬酸等缓蚀剂或阴极保护。

电偶腐蚀

电偶腐蚀发生当铝合金连接导电材料，在导电环境反应更强烈。残余铝与金属接触点形成腐蚀攻击。如金属焊缝，腐蚀集中在较不贵金属侧。

含金属间化合物的非均质铝合金也发生电偶腐蚀。如含铜铝合金浸入水或恶劣环境腐蚀显著增加。

铝与不锈钢干燥环境接触腐蚀微增，潮湿环境显著增加。

预防电偶腐蚀需用绝缘材料（如氯丁橡胶）隔开两金属或重新设计避免接触。

缝隙腐蚀

缝隙腐蚀源于间隙或接头，在潮湿环境蔓延至表面区域。

典型例：螺栓与被固定金属接触处，在湿气或水进入间隙时生锈。

点蚀

点蚀是金属表面浸泡在潮湿环境时发生的局部腐蚀形式。

通常发生在合金表面覆盖薄氧化膜时，膜在制造或环境反应中形成。

铝氧化膜形成极快，键合形成屏障。但仍不阻止水分接触金属表面微孔。

局部电池冲击产生表面空洞，若无法机械自愈，将被腐蚀产物填充呈结节状。

晶间腐蚀

晶间腐蚀是沿晶界或邻近晶界的局部腐蚀攻击，形成腐蚀路径。

晶界聚集外来颗粒，偏差使其比内部更活跃，腐蚀速率更快。

腐蚀程度随显微组织变化，组织又取决于热处理。热处理产生析出物，可使晶界更活跃并快速破坏材料。

剥层腐蚀

剥层腐蚀沿平行于金属表面的晶界出现。腐蚀产物比基体重，迫使金属分层导致鼓胀。

常见于Al-Mg-Cu和Al-Zn-Cu合金。

腐蚀程度主要取决于晶界析出物组成和分布。

应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂（SCC）是合金在应力和腐蚀环境双重作用下力学性能劣化。初始机械应力产生微裂纹，腐蚀环境中裂纹快速发展，导致材料迅速破坏。

8大铝合金中，2xx.x、5xx.x、7xx.x系列最易发生SCC。

静态拉应力和特定环境诱发晶间或跨晶开裂。SCC突发且进展快。

特定环境是关键因素。极低浓度高活性化学品即可产生裂纹，逐渐导致合金灾难性破坏。

腐蚀疲劳

腐蚀疲劳是材料在应力和循环腐蚀作用下的力学退化。

虽铝表面有天然氧化膜，但循环腐蚀作用可破坏它。

材料疲劳强度随每循环下降，不依赖冶金状态。

NaCl中铝合金耐腐蚀实验：疲劳强度10⁸循环，耐腐蚀性为空气中25%-35%。

丝状腐蚀

丝状腐蚀是缝隙腐蚀特例，细丝呈随机方向无分支的细隧道，含腐蚀产物。

可发生于无保护金属表面或薄保护膜下（约0.1mm）。膜可为涂层或防腐膜。

材料接触水氧导致腐蚀产物渗入涂层与金属表面间隙，尤其是划痕处，逐渐扩展成腐蚀簇。

铝耐腐蚀措施

有效防止铝合金腐蚀需完全隔离金属表面与环境。需用有机涂层如油漆。

但铝面喷漆不易，因铝表面无孔隙。需通过阳极氧化或转化涂层促进表面氧化膜提高漆膜附着力。

1. 形成铝表面涂层

1.1. 阳极氧化技术

铝及其合金防腐最常用方法是阳极氧化。通过电化学在铝表面形成较厚氧化膜防腐。

缓蚀剂可在阳极氧化层形成时加入外层，或形成后添加提高金属防护等级。

阳极氧化类型：

• 铬酸阳极氧化：历史悠久工艺，快速控制表面氧化形成保护性氧化膜。膜薄0.5-18µm，不导电。
• 硫酸阳极氧化：比铬酸法环保。用直流电和硫酸电解液氧化铝表面。电流通过铝表面析氧，形成1.8-25µm氧化层。表面形成致密泡沫层需封闭闭孔。
• 硬质阳极氧化：用铝合金作阳极在含硫酸水环境中电解，电解液选自钼酸盐、钨酸盐、钒酸盐、锰酸盐至少一种。氧化层最大厚度50µm。
• 硬质阳极氧化（另一种）：类似硫酸法但产生更厚氧化层（20-100µm），严格控制避免热变形。

1.2. 化学转化涂层

化学转化涂层又称化学膜或铬酸盐涂层。将铬酸盐施于金属基体形成耐腐蚀、耐用表面并具稳定导电性。

此转化涂层既是缓蚀剂又是面漆底漆。

操作需将金属件浸入含铬化合物化学液数分钟形成适当厚度膜。化学转化涂层干燥硬化。

工艺描述：

铬与铝氧化还原反应：

Cr⁶⁺+ Al⁰ → Cr³⁺ + Al³⁺

再与水中氢氧根反应生成碱性溶液：

Cr³⁺ + 3HO⁻→ Cr(OH)₃

Al³⁺+ 3HO⁻→ Al(OH)₃

碱性溶液干燥硬化形成干燥涂层，主成分Cr₂O₃，厚约0.2-0.3µm。

但铬涂层有毒，现改用自组装单层、溶胶凝胶化学、稀土、钴等替代工艺，旨在保护预先消除金属间颗粒的表面防腐。

2. 有机涂层

铝件经阳极氧化或化学转化后，表面可施有机涂层。有机涂层系统含底漆和面漆。

底漆是主保护层，接触水或金属时抑制腐蚀。面漆提高防护等级并兼顾美观。

铝合金喷漆工艺：https://vietnamcastiron.com/painting-cast-aluminum-process/

结论

基于化学成分、显微组织和环境的铝合金研究，我们掌握铝合金选材开发关键因素。

显微组织决定合金力学强度和耐腐蚀性能。收集腐蚀类型信息并分析耐腐蚀性将提升表面处理研究。

在确保更高合金强度前提下提高耐腐蚀性需要更深入研究测试。单纯析出晶质基体的硬化增强方法已不可行。

阅读最流行铝铸造缺陷：https://vietnamcastiron.com/aluminum-casting-shrinkage/

本文由VIC丁进武先生编译，参考来源：

英国铝业事实文件2：铝与腐蚀（Alfed）。

铸铝合金腐蚀综述（MDPI）。

铝及其合金耐久性与腐蚀：概述、性能空间、技术与发展，作者N. L. Sukiman等。

引用请注明来源。

---