定量评价铸造铝合金/铝合金铸件耐蚀性的方法

技术领域

本发明涉及耐蚀性评价领域，特别涉及一种定量评价铸造铝合金/铝合金铸件耐蚀性的方法。

背景技术

铸造铝合金在现代工业中的应用非常广泛，根据不同口径统计，全球约20-30％的铝合金产品是用铸造铝合金生产的铝铸件，尤其汽车工业用铝中80％以上都是铸造铝合金。因此高性能的铸造铝合金开发一直是铝基新材料领域的一个研究热点。现代工业的蓬勃发展对新材料提出了更高综合性能的要求。铸造铝合金和其他金属材料一样，在其服役的各种环境中都会遇到腐蚀问题，因此在材料开发之初就要充分考虑到服役环境下的耐腐蚀性能。

那么如何快速准确评价铝合金铸件的耐蚀性就显得十分重要。一方面在新材料开发阶段，耐蚀性评价可以让开发者提前知道所开发的材料是否满足服役工况条件下的耐腐蚀要求，可以与现有成熟材料进行耐蚀性对比；另一方面，耐蚀性的评价结果可作为一款新材料推广应用的选材依据，设计师可以根据耐蚀性评价结果决定是否选用这款材料，用在什么部位，做什么样的防腐处理等。

目前还没有一种定量且便捷的评价铝合金铸件耐蚀性的标准方法。评价金属/合金的耐蚀性通常都是采用腐蚀试验来模拟实际使用条件下的腐蚀破坏。现有的普遍适用金属材料腐蚀试验方法主要包括如下几种：

1、应力腐蚀，具体包括如下试验：

(1)GB/T 15970.2-2000金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第2部分：

弯梁试样的制备和应用；

(2)GB/T 15970.3-1995金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第3部分-U型弯曲试样的制备和应用；

(3)GB/T 15970.4-2000金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第4部分-单轴加载拉伸试样的制备和应用；

(4)GB/T 15970.5-1998金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第5部分_C型环试样的制备和应用；

(5)GB/T 15970.6-2007金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第6部分：恒载荷或恒位移下的预裂纹试样的制备和应用；

(6)GB/T 15970.7-2017金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验；

(7)GB/T 15970.9-2007金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第9部分：渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用。

2、均匀腐蚀

(1)GB/T10124-1988金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法；

(2)JB/T7901-2001金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法。

3、GB/T40338-2021金属和合金的腐蚀铝合金剥落腐蚀试验。

4、GB/T10125-2021人造气氛腐蚀试验盐雾试验。

5、TCSAE 71-2018汽车零部件及材料循环腐蚀试验方法。

若用述标准试验方法评价铝合金铸件的耐蚀性，都不同程度存在一些问题，总结为三个方面：

1、针对铸造铝合金的适用性存在一定问题

现有腐蚀试验的标准方法直接或间接给出的信息都反应了其针对的产品形式主要是压力加工材料。详细分析如下：

(1)在“GB/T 15970.2-2000金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第2部分：弯梁试样的制备和应用”中描述该试验主要适用于轧制的带材、板材或管材。另外在试验加工部分描述了“丝状或棒状试样，以及取自带材、板材及轧制型材的平直试样通常要求保留原始表面进行试验，因为原始表面的结构与金属表层下的结构有所不同”。这些信息都反应该试验方法主要用于变形合金。

(2)在“GB/T 15970.3-1995金属和合金的腐蚀应力腐蚀第3部分：U型弯曲试样的制备和应用”中描述U型试样主要用于能方便提供矩形截面的扁平试样的薄板、厚板或扁平挤压材料，也可用于丝或棒或具有圆形截面的机加工试样，也可以用于焊接部件。在该标准的“5.试样”部分描述试样取具有代表性的材料制作，应考虑轧制方向和热处理等因素。从本标准对试样的类型和要求中未能看到“铸件”的任何信息。

(3)在“GB/T 15970.4-2000金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第4部分-单轴加载拉伸试样的制备和应用”中明确拉伸试样可用于中厚板、棒、丝、薄板和管。

(4)在“GB/T 15970.5-1998金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第5部分_C型环试样的制备和应用”和“GB T 6892-2006一般工业用铝及铝合金挤压型材”两个标准中分别规定了C型环试样在管、棒和杆、板材及挤压产品、压延产品、锻压产品的C环取样图，而并未提及铸件。换言之拿到一个铸件如果要进行C环试验，试样都不知道怎么选取。

(5)在“GB/T 15970.6-2007金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第6部分：恒载荷或恒位移下的预裂纹试样的制备和应用”中“破裂平面标志”对取样方向与晶粒流向的关系有一定规定，显示该方法对变形合金的适用性，全文未见到关于铸造合金取样的信息。

(6)在“GB/T 15970.7-2017金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验”标准里的适用范围部分中明确规定本标准适用于包括板、棒、丝、带和管及其焊接组合件，但未有适用于铸件的描述。

(7)在“GB/T 15970.9-2007金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第9部分：渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用”同样规定了试样与晶体流向的关系，显示该方法主要用于锻件、轧板、挤压件，铸件很难套用。

(8)在“GB/T40338-2021金属和合金的腐蚀铝合金剥落腐蚀试验”中对剥落腐蚀定义为：有具有高度定向晶粒结构的变形合金轧制产品易受层下应力腐蚀而形成的分层，伴有从材料本体的分层脱离，造成破裂，最后通常导致金属的完全层间分裂。

(9)“GB/T10125-2021人造气氛腐蚀试验盐雾试验”和“TCSAE 71-2018汽车零部件及材料循环腐蚀试验方法”中描述的试样为板状试样，对汽车零部件而言要尽可能代表汽车零部件的状况，即含有表面涂层或漆膜的状态。在TCSAE 71-2018附录A试样划痕的操作规范中也描述的是涂层试样表面划痕。

2、现有试验方法的便利性不足

一方面试样加工比较复杂，比如应力腐蚀的C环试样、预制裂纹试样、U型弯曲试样加工要求比较高，尺寸和形状保证的基础上还希望试样本身无残余应力，以验证试样是真正在外在应力条件下发生了腐蚀破坏而不是材料本身残余应力导致的，另外还需要对试样进行一定的表面处理。这就对试验的成功实施有一定的要求，试样加工不满足要求对试验结果的真实性也就有一定影响。

另一方面加载工装相对而言比较复杂，比如弯梁试验中两点加载、三点加载、四点加载、双梁试样、全支撑试样都需要特定的加载工装，而且要求工装材料应和试样本身相同，意味着做一种材料的腐蚀就得加工一套工装，造成实验的便利性不足。

3、评价结果受人为因素影响

现有试验方法在“结果评价”或者“结果评定”部分是采用现象观察结合相关数值记录，有定性描述的判定结果也有定量判定的结果。观察的和记录内主要包括“裂纹”、“裂纹出现的时间”、“完全破断的时间”、“裂纹数量”、“二次裂纹”等。所采用的手段包括肉眼观察、目视、放大镜、低倍显微镜、金相显微镜等。这样的记录内容和观察手段一定程度上会受到试验人员辨别能力和主观判断的影响。

综上所述，用现有试验方法评价铝合金铸件的耐蚀性主要存在以下问题：

1、针对铝合金铸件的适用性存在一定问题；

2、已有试验方法的便利性不足；

3、评价结果受人为因素影响，尤其结果为定性描述的实验方法。

针对以现有金属材料腐蚀试验方法评价铝合金铸件所存在的问题，本发明提供的方法可快捷、精确的评价铝合金铸锭的耐腐蚀性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定量评价铸造铝合金/铝合金铸件耐蚀性的方法，以克服现有金属材料腐蚀试验方法评价铝合金铸件所存在的问题，本发明方法可快捷、精确的评价铝合金铸锭的耐腐蚀性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

定量评价铸造铝合金/铝合金铸件耐蚀性的方法，包括以下步骤：

(1)在铸造铝合金或铝合金铸件上取圆形截面或者矩形截面拉伸试样，同时取相同规格和数量的对照试样；

(2)将步骤(1)中所取的拉伸试样的加持端以及等直段与加持端的过渡圆弧部位采用绝缘层覆盖，仅露出拉伸试样的等直段；

(3)以步骤(2)得到的拉伸试样的等直段表面为对象进行全浸腐蚀试验，测定失重腐蚀速率；

(4)对完成腐蚀试验的拉伸试样进行拉伸性能测试，另外对未进行腐蚀试验的对照试样进行拉伸性能测试，计算拉伸性能的损失率；

(5)以失重腐蚀速率和拉伸性能的损失率定量评价铸造铝合金或铝合金铸件耐蚀性。

进一步地，所述圆形截面的直径d

进一步地，所述绝缘层采用耐水胶带、环氧树脂或者其他既不污染腐蚀介质也不会被腐蚀介质破坏的绝缘涂层。

进一步地，步骤(3)中测定失重腐蚀速率时，以及步骤(4)中计算拉伸性能的损失率时，均取数量≥3的试样进行测试，然后取平均值作为最终的失重腐蚀速率和拉伸性能的损失率。

进一步地，所述失重腐蚀速率的计算公式如下：

式中：Rcorr-失重腐蚀速率，mm/a；M

进一步地，当拉伸试样为圆形截面时：S＝πd

当拉伸试样为矩形截面时：S＝(a

其中，l为等直段的长度。

进一步地，所述拉伸性能的损失率包括抗拉强度损失率、屈服强度损失率和延伸率损失率，具体计算公式如下：

其中，R

进一步地，当横向比较若干种铸造铝合金或铝合金铸件的耐蚀性时，针对每种铸造铝合金或铝合金铸件进行步骤(1)-步骤(5)的操作，得到不同种类铸造铝合金或铝合金铸件的失重腐蚀速率和拉伸性能的损失率，采用两种组合方式使用失重腐蚀速率和拉伸性能的损失率对若干种铸造铝合金或铝合金铸件的耐蚀性进行横向对比，或者对某一种铸造铝合金或铝合金铸件的腐蚀状况进行判断并得出使用条件参考。

进一步地，所述使用两种组合方式中的一种为：使用失重腐蚀速率和拉伸性能的损失率来判断某一种铸造铝合金/铝合金铸件的耐蚀性或者对若干种铸造铝合金或铝合金铸件的耐蚀性进行横向对比，具体为：

以失重腐蚀速率×拉伸性能损失率的数值定量表示某一种铸造铝合金/铝合金铸件的耐蚀性，数值越小耐蚀性越好，数值越大耐蚀性越差；对比若干种铸造铝合金或铝合金铸件的耐蚀性时，则比较这若干种铸造铝合金或铝合金铸件的失重腐蚀速率×强度拉伸性能损失率数值，数值小的耐蚀性优于数值大的。

进一步地，所述使用两种组合方式中的另一种为：使用失重腐蚀速率和拉伸性能的损失率来判断铸造铝合金或铝合金铸件的腐蚀状况和使用条件参考，具体为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(A)准确适用于铝合金铸件基体材料耐蚀性的评价。现有公开的腐蚀方法要不就是明显适用于变形合金，要不就是明确适用于表面涂层或者油漆体系。本发明的方法可以准确适用于评价铸造铝合金基体的耐蚀性。

(B)本发明提供的试验方法接近铝合金结构件腐蚀失效的服役条件。腐蚀失效的本质就是在腐蚀介质或者腐蚀环境中，由于零件表面发生了腐蚀，进而导致力学性能降低直至零件断裂/破裂失效。本发明提供的试验方法既得到了腐蚀速率的结果，也得到了腐蚀对材料力学性能损害的结果，综合起来判断一个合金的耐蚀性更具工程应用的实际意义。

(C)本发明提供的试验方法便捷性高，只要取到拉伸试样就可以用本发明提供的方法进行腐蚀速率结合强度损失来评价一个铸造合金的耐蚀性。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1a为圆形截面标准拉伸试样示意图；

图1b为矩形截面标准拉伸试样示意图；

图2a为处理后只露出等直段表面的圆形拉伸试样示意图；

图2b为处理后只露出等直段表面的矩形截面拉伸试样示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

一种定量评价铸造铝合金/铝合金铸件耐蚀性的方法，包括以下步骤：

(1)在铸造铝合金或铝合金铸件上取圆形截面或者矩形截面拉伸试样，圆形截面d

(2)将步骤(1)中所取的拉伸试样的加持端以及等直段与加持端的过渡圆弧部位用耐水胶带或者环氧树脂或者其他既不污染腐蚀介质也不会被腐蚀介质破坏的绝缘涂层覆盖保护，仅露出拉伸试样的等直段。

(3)以(2)中准备好的拉伸试样的等直段表面为对象，按照《GB 10124-1988失重腐蚀速率测定》和《GB/T 16545-2015金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》开展全浸腐蚀试验，测定失重腐蚀速率。

失重腐蚀速率

式中：M

(4)对完成腐蚀试验的拉伸试样进行拉伸性能测试，记录抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为R

(5)采用两种组合方式组合使用上述试验结果来定量对比两种合金的耐蚀性。例如，第一种组合方式：以“失重腐蚀速率×强度损失率”、“失重腐蚀速率×延伸率损失率”组合来定量对比两种铸造铝合金的耐蚀性。第二种组合方式：以失重腐蚀速率和拉伸性能的损失率列举组合来判断合金的的腐蚀状况并给出使用条件的参考建议。具体如下：

第一种组合方式：以失重腐蚀速率×拉伸性能损失率的数值定量表示某一种铸造铝合金/铝合金铸件的耐蚀性，该数值的单位mm/a，数值越小耐蚀性越好，数值越大耐蚀性越差。对比若干种铸造铝合金或铝合金铸件的耐蚀性则比较这若干种合金的失重腐蚀速率×强度拉伸性能损失率数值，数值小的耐蚀性优于数值大的。

第二种组合方式：

实施例

(1)在铝合金铸件上取拉伸试样，如图1a和图1b所示。

(2)用耐水胶带或者环氧树脂或者其他绝缘涂层把拉伸试样的圆弧过渡段和加持端密封覆盖，如图2a和图2b所示。

(3)以图2a和图2b中标记的腐蚀试验表面为对象，按照《GB 10124-1988失重腐蚀速率测定》和《GB/T 16545-2015金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》开展全浸腐蚀试验，测定腐蚀速率。

(4)对做完成全浸腐蚀试验、测完失重后的拉伸试样进行室温拉伸测试，和对照试样比较得到拉伸性能(强度和延伸率)损失率。

(5)组合使用腐蚀速率和拉伸性能损失率来评价一种铸造铝合金的耐蚀性，或者横向比较几种铸造铝合金的耐蚀性。

本发明对自主开发的3种铸造铝合金(称为A系列合金)采用本发明提供的方法进行了耐蚀性评价，具体过程如下：

三种合金的成分如下：

分别对每种合金取规格d

将上述实际失重量的数据代入公式：

单位：mm/a，480为试验时间480小时，2685为A系列合金的密度2685kg/cm

腐蚀试验结束后对A1、A2、A3腐蚀试棒进行拉伸性能测试，同时也测试对照样的拉伸性能，拉伸性能测试结果如下：

根据上表中腐蚀后试棒的拉伸性能及对照样拉伸性能测试结果计算拉伸性能的损失率如下表：

组合上述数据对A1、A2、A3进行耐腐蚀性能评价：

A1合金：失重腐蚀速率×延伸率损失率＝0.078649175×8.10＝0.637058

A2合金：失重腐蚀速率×延伸率损失率＝0.138177221×29.74＝4.109391

A3合金：失重腐蚀速率×延伸率损失率＝0.210091911×13.78＝2.895067比较可以知道耐蚀性顺序为A1＞A3＞A2

A1合金：失重腐蚀速率×屈服强度损失率＝0.078649175×1.37＝0.107749A2合金：失重腐蚀速率×屈服强度损失率＝0.138177221×4.68＝0.646669A3合金：失重腐蚀速率×屈服强度损失率＝0.210091911×2.14＝0.449597以屈服强速损失率计算得出同样的结果耐蚀性顺序为A1＞A3＞A2

列举比较A1、A2、A2合金的失重腐蚀速率和拉伸性能损失率如下表所示：

/>

最后应说明的是：以上各实施例仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上做出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。