硝酸含量对5083-H116铝合金板材晶间腐蚀的影响

,,,(广西南南铝加工有限公司，南宁 530031)

5083铝合金是一种中等强度、耐蚀性优良的高镁铝合金，其H116/H321状态的板材广泛应用于船舶领域。由于海水中盐含量高，因此对5083铝合金的耐蚀性特别是耐晶间腐蚀性能要求非常严格。国际通用的晶间腐蚀检测方法有质量损失法和深度测量法。与深度测量法相比，质量损失法操作更简便，结果评价更客观，因此用质量损失法来评价产品的晶间腐蚀敏感性已逐渐成为趋势。

我国执行的铝合金晶间腐蚀质量损失法的标准主要有ASTM G67-2013《用硝酸中腐蚀后的质量损失来测定5系铝合金晶间腐蚀敏感性的试验方法(NAMLT)》和GB/T 26491-2011《5XXX系铝合金晶间腐蚀试验方法(质量损失法)》。这两个检测标准的主要区别在于试验用硝酸含量不一致。ASTM G67-2013标准规定硝酸含量为70%～72%(质量分数)，而GB/T 26491-2011标准规定为65%～68%(质量分数)。刘国元等[1]国内学者就硝酸含量对试验结果的影响做了研究，得出低含量硝酸的腐蚀性更强，试验条件更苛刻的结论。但他们对晶间腐蚀敏感性与硝酸含量的规律没有进一步研究。本工作通过研究晶间腐蚀敏感性与硝酸含量的规律，为5083-H116铝合金板材的耐晶间腐蚀性能检测提供参考。

1 试验

试验材料为6 mm厚的5083-H116铝合金板材，该板材经过锯床锯切、铣床铣平以及打磨试样边缘等加工后，试样最后尺寸为50 mm×6 mm×6 mm，其中50 mm方向与产品纵向平行。

5083-H116铝合金板材加工工艺主要为：熔铸→均匀化→热轧→冷轧→稳定化处理。其化学成分如表1所示。

试验采用ASTM G67-2013标准规定的晶间腐蚀质量损失法。试验用硝酸分别为特定级硝酸、国标试剂级硝酸及其四种稀释液,其质量分数分别为71%，68%，63%，51%，42%，32%。每种硝酸含量测3个平行试样。首先将标识好的试样在80 ℃的5%(质量分数，下同)NaOH溶液中浸泡1 min，清水冲洗后再浸泡于71%硝酸30 s，再清水冲洗、晾干后，称取初始质量m1；然后，分组浸泡在不同含量硝酸溶液中，溶液温度为(30±0.1) ℃,通过水浴恒温槽控制,浸泡时间为24 h。取出试样，用细毛刷重复刷洗、晾干直到质量恒定(m2)，计算单位面积的质量损失(mg/cm2)，结果取3个试样平均值。

表1 5083-H116铝合金的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of 5083-H116 Al alloy (mass) %

2 结果与讨论

硝酸含量对5083-H116铝合金板材腐蚀质量损失的影响如表2所示。由表2可知：硝酸含量对5083-H116铝合金板材晶间腐蚀质量损失影响很大。随着硝酸含量的不断降低，5083-H116铝合金板材的质量损失越来越严重；当硝酸稀释至质量分数为51%时，质量损失平均值为23.6 mg/cm2，高于ASTM B928/B928M-2014《舰船及类似环境用高镁铝合金板材规范》标准中对于质量损失的要求(≤15 mg/cm2)。浓硝酸会与铝合金发生钝化反应，即在其表面生成一层氧化膜将铝合金与硝酸隔离，阻碍硝酸与铝合金进一步接触；随着硝酸含量不断降低，钝化现象越来越不明显，导致铝合金板材长时间与硝酸接触反应。硝酸溶液倾向于优先溶解铝镁合金的金属间化合物(β相)，当该化合物沿晶界呈网状析出时，就会出现晶间腐蚀[1]，使得质量损失越来越严重。

表2 硝酸含量对5083-H116铝合金板材腐蚀质量损失的影响Tab. 2 Influence of nitric acid concentration on mass loss of 5083-H116 Al alloy plates

对硝酸溶液腐蚀后5083-H116铝合金板材的宏观形貌进行观察，结果如图1所示。由图1可以看出：随着硝酸含量降低，样品表面色泽越来越暗，表面粗糙度等级越来越高，被腐蚀的倾向越来越明显，单位面积质量损失就越来越严重。

(a) 32% (b) 42%

(c) 51% (b) 63%

(e) 68% (f) 71%图1 在不同含量硝酸溶液中腐蚀后5083-H116铝合金板材的宏观形貌Fig. 1 Macrographs of 5083-H116 Al alloy plates corroded in nitric acid solution with different concentrations

以表2中硝酸质量分数为横轴，质量损失平均值为纵轴绘制曲线，如图2所示。根据曲线拟合得到一个相关系数R2=0.999的数学模型，见式(1)。

y=-110.29x2+35.325x+33.586

(1)

根据上述数学模型计算得5083-H116铝合金

图2 5083-H116铝合金板材的质量损失与硝酸含量关系曲线Fig. 2 Relationship between mass loss of 5083-H116 Al alloy plates and concentration of nitric acid

板材在质量分数为60%的硝酸溶液中的质量损失为15.1 mg/cm2。用质量分数为60%的硝酸溶液进行试验验证，结果得到5083-H116铝合金板材的质量损失为14.9 mg/cm2。模型计算结果和试验结果基本吻合，相对误差仅为1.3%，说明该数学模型可靠。

比较硝酸质量分数为68%和71%时的两组数据，结果表明：ASTM G67-2013标准规定的用酸量(72%)对晶间腐蚀的敏感性弱于GB/T 26491-2011标准规定的用酸量(68%)。因此，若依据GB/T 26491-2011标准进行试验时，试验结果能满足质量损失≤15 mg/cm2的要求，则依据ASTM G67-2013标准进行的试验结果也必能满足要求。由此可得，GB/T 26491-2011标准比ASTM G67-2013标准更为苛刻。

3 结论

(1) 随着硝酸含量降低，5083-H116铝合金板材的晶间腐蚀倾向增大；当硝酸稀释至质量分数为51%时，其质量损失已不满足ASTM B928/B928M-2014标准要求(≤15 mg/cm2)。

(2) 硝酸含量对5083-H116铝合金板材晶间腐蚀敏感性影响符合数学模型y=-110.29x2+35.325x+33.586。由该模型可推算出5083-H116铝合金板材在不同含量硝酸溶液中晶间腐蚀后的质量损失。

(3) ASTM G67-2013标准规定的用酸量对晶间腐蚀的敏感性弱于GB/T 26491-2011标准规定的用酸量。当按照GB/T 26491-2011标准进行试验时，其结果未出现晶间腐蚀倾向，则按照ASTM G67-2013标准进行试验的结果也不会出现晶间腐蚀倾向。GB/T 26491-2011标准比ASTM G67-2013标准更为苛刻。

[1] 刘国元. 晶间腐蚀评价标准ASTM G67国内试验条件适应性研究[J]. 热加工技术,2014,43(12):90-91.