建筑用铝合金挤压型材腐蚀失效的特征及机理

(广东省工业分析检测中心，广州 510650)

自20世纪80年代中期，建筑用锻造铝合金挤压型材(以下称铝合金型材)产品得到了迅速发展，其表面处理技术也由单一的阳极氧化发展到电泳涂漆、粉末喷涂以及氟碳漆喷涂。我国是世界最大的建筑市场，铝合金型材年产量超过全世界产量的二分之一[1]。随着铝合金型材需求的增加，生产装备和技术水平的不断提高，铝合金型材产品的应用范围也不断扩展，如隔热铝合金型材产品在节能环保和新能源领域得到广泛应用，中、高强度的工业铝合金型材在航天航空业、交通运输业、电子电力业和机械制造业得到了迅速发展。

在铝合金型材熔铸、均匀化处理、挤压、表面处理等几大加工过程中，合金成分比例不当、熔铸挤压工艺参数控制不当或者表面处理工艺限制等会使加工型材表面产生夹杂、麻点、气泡、腐蚀、划伤等各种缺陷，严重影响产品的质量。在使用过程中由于载荷、温湿度及介质环境的影响，铝合金型材经常会出现斑点、涂层变色、腐蚀等缺陷。产品一旦出现失效，将造成不同程度的经济损失，影响企业形象，甚至造成人员伤亡和环境污染。

众多研究者[2-8]对生产过程中产生的缺陷进行了大量研究，通过改进产品配方、优化生产工艺提高产品质量。但关于铝合金型材在后期使用过程中出现的腐蚀、表面变色等失效以及铝合金型材失效机理方面的研究鲜有报道。

本工作通过对铝合金型材失效样进行化学成分、力学性能、显微组织、微观组织形貌和腐蚀物成分等理化检验，综合分析了铝合金型材的失效原因，并探讨了其失效机理，为铝合金型材行业的发展提供技术支撑。

1 理化检验与结果

1.1 化学成分

铝合金型材产品通常采用合金牌号为6063系列的铝合金经T5处理后加工而成。选取了10个铝合金型材失效件，对其进行化学成分分析，并与标准规定的6063铝合金成分进行了比较，结果见表1。由表1可以看出：铝合金型材失效件的化学成分均符合产品标准要求。

表1 铝合金型材失效件的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of failed specimens of aluminum alloy profile (mass fraction) %

1.2 力学性能

由表2可以看出:根据GB 5327.1-2008《铝合金建筑型材 第1部分：基材》标准，牌号6063、供应状态T5的铝合金型材失效件的力学性能均满足标准要求。

1.3 显微组织

对铝合金型材失效件进行显微组织观察，结果见图1。由图1可以看到：铝合金型材失效件的显微组织均为α(Al)相+Mg2Si的质点相，出现少量富Fe的质点相。尽管不同铝合金型材失效件在晶粒大小上略有差异，但在同一铝合金型材失效件中其晶粒尺寸、分布都较均匀。

表2 铝合金型材失效件的力学性能Tab.2 Mechanical properties of failed specimens of aluminum alloy profile

1.4 微观腐蚀形貌

采用电子探针观察铝合金型材腐蚀区域的微观形貌。腐蚀区表面形貌表现为两种典型特征：一是腐蚀区表面生成了大量的疏松状或结晶状腐蚀产物，较难观察到基体形貌，如图2所示；二是腐蚀区表面深浅不一，凹凸不平，零散分布着呈龟裂状的腐蚀产物，大多能观察到基体的形貌，如图3 所示。

1.5 腐蚀产物组成

对铝合金型材表面腐蚀产物以及现场收集来的水泥砂浆或异物进行成分分析，结果见表3和表4(其中粉、电和氟碳等分别表示该失效件对应的表面处理方式为粉末喷涂、电泳涂漆和氟碳漆喷涂)。

从表3中可以看出：虽然各铝合金型材的表面处理方式不同，但其表面腐蚀产物的主要元素均为铝和氧，其次为碳、硫、镁、硅等杂质元素以及钙、钾碱性元素；大部分腐蚀区含有氯元素，少量腐蚀区不含氯元素；氟碳漆喷涂型材腐蚀区还出现了此产品表面特有的氟元素。

从表4中可以看出：部分水泥砂浆中氯元素含量并不明显，而部分水泥砂浆中存在明显的氯元素，异物中氯元素的含量更是明显偏高。

两种腐蚀形貌所对应的化学成分显示，由疏松物质为主的腐蚀区无明显的氯离子存在，含有钾、钙元素，而由龟裂状物质为主的腐蚀区中含有明显的氯离子。

(a) 失效件1 (b) 失效件2 (c) 失效件3 (d) 失效件4图1 铝合金型材失效件的显微组织Fig.1 Microstructure of failed specimens of aluminum alloy profile

(a) 失效件1

(b) 失效件2图2 铝合金型材失效件腐蚀区的表面形貌(基体不可见)Fig.2 Surface morphology of corroded area on failed specimens of aluminum alloy profile (substrate invisible)

2 失效特征及机理

根据以上分析结果，铝合金型材失效件基体的化学成分、组织及力学性能均符合标准要求。涂层性能检测结果显示，涂层性能指标也达到GB 5327.2-2008《铝合金建筑型材 第2部分：阳极氧化型材》、GB 5327.3-2008《铝合金建筑型材 第3部分：电泳涂漆型材》、GB 5327.4-2008《铝合金建筑型材 第4部分：粉末喷涂型材》和GB 5327.5-2008《铝合金建筑型材 第5部分：氟碳漆喷涂型材》标准中的产品要求。腐蚀形貌结果表明，失效铝合金型材表面附有大量的腐蚀产物或表现为腐蚀坑，呈典型的腐蚀失效特征。铝合金型材的失效主要以腐蚀失效为主，未见断裂、过载变形等失效类型。

据现场调研及资料[9-10]显示，出现腐蚀失效的铝合金型材产品大多安装在沿海地区，如深圳、珠海、湛江以及厦门等地。同时，为了节省成本，目前很多工程将海砂作为水泥砂浆中的砂子使用，建筑行业在某些方面也允许使用海砂，但在相关标准JGJ 52-2012《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》和JGJ 206-2010《海砂混凝土应用技术规范》中规范了海砂使用的技术条件。其中，规定了氯离子质量分数不得超过0.06%或海砂中的水溶性氯离子质量分数≤0.03%。大量铝合金型材失效样的检测结果显示，房屋所用的水泥砂浆中氯含量明显高于标准的限制值，未达到标准要求。

(a) 失效件3 (b) 失效件4 (c) 失效件5 (d) 失效件6图3 铝合金型材失效件腐蚀区的表面形貌(基体可见)Fig.3 Surface morphology of corroded area on failed specimens of aluminum alloy profile (substrate visible)

表3 铝合金型材表面腐蚀产物化学成分(质量分数)Tab.3 Chemical composition of corrosion products on surface of aluminum alloy profile (mass fraction) %

根据以上分析，铝合金型材失效的主要原因是由于铝合金型材在安装使用过程中接触到氯离子含量明显超标的水泥砂浆或者处于沿海地区，周围环境中含有大量的富含氯离子的物质，如海水。当周围介质中含有大量的活性氯离子时，它们吸附在铝合金型材表面的某些部位，对氧化膜及涂层进行破坏，遭到破坏的地方成为阳极，与铝合金型材其他正常部位构成钝化活化电池，形成腐蚀小孔，氯离子不断向腐蚀孔迁移富集，从而在铝合金型材表面形成腐蚀斑点或腐蚀区，最终造成铝合金型材的腐蚀失效，其失效模式如图4所示。

表4 水泥砂浆及异物的化学成分(质量分数)Tab.4 Chemical composition of cement mortar and foreign matter (mass fraction) %

图4 铝合金型材失效模式的示意图Fig.4 Sketch map for failure mode of aluminum alloy profile

少数铝合金型材腐蚀失效是由于碱性物质如混凝土、灰浆的影响和作用。一般情况下，在大气中铝合金表面会产生一层薄薄的致密的氧化铝膜，对铝合金基体起到保护作用，尽管碱性物质对铝合金有一定的腐蚀性，但腐蚀速率极慢，不会造成大面积明显的腐蚀。若安装过程中操作不当，铝合金型材的表面保护膜被建筑砂浆破坏，在潮湿、干燥的交替环境中，铝合金基体就作为阳极与碱性物质发生腐蚀反应，最终引起铝合金型材的穿孔失效。

3 结论

造成铝合金型材腐蚀失效的主要原因有两种：铝合金型材在使用过程中接触到大量的富含氯离子的物质，在周围潮湿的环境中，氯离子对氧化膜及涂层进行破坏，遭到破坏的地方成为阳极，与铝合金型材其他正常部位构成钝化活化电池，造成铝合金型材的腐蚀；在潮湿、干燥的交替环境中，铝合金型材表面保护膜被局部破坏情况下，碱性物质与铝合金基体发生腐蚀反应，最终引起铝合金型材的腐蚀失效。