摘要: 銅及銅合金具有較好的耐腐蝕性，特別是在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。隨著海洋工業(yè)日益發(fā)展，挖掘銅及銅合金的深度耐腐蝕性能，延長其使用壽命，降低成本，對于銅及銅合金在海洋工業(yè)中的應(yīng)用顯得非常重要。本文對銅及銅合金的腐蝕剝落行為進(jìn)行研究，對比5種銅及銅合金在不同海洋環(huán)境下的腐蝕剝落行為，并對其失重量和表面狀態(tài)進(jìn)行記錄和結(jié)果分析，為提高銅及銅合金的耐腐蝕性提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞: 銅; 銅合金; 耐腐蝕性

中圖分類號: TG146． 11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

引言

銅及銅合金具有較好的耐腐蝕性，特別是在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。

因此銅及銅合金被廣泛用于海洋工業(yè)用材料。

銅合金的化學(xué)成分與其耐腐蝕性息息相關(guān)，根據(jù)相關(guān)研究表明，在銅中添加鎳，并對該合金進(jìn)行電化學(xué)測試，結(jié)果表明，通過該合金的電流明顯要低于通過純銅的電流，說明銅鎳合金能夠有效提高其耐腐蝕性能［1］。另外在純銅中參雜鋅元素、錫元素、鋁元素分別組成高鋅銅、錫青銅、鋁黃銅、鋁青銅均具有優(yōu)越的抗腐蝕性能。銅及銅合金在海洋環(huán)境中能夠產(chǎn)生銅離子，具有殺毒作用，能夠除去海洋生物，具有良好的抗污性能。根據(jù)對材料的不同性能要求，可以添加不同的元素，形成銅合金，以實(shí)現(xiàn)其性能。根據(jù)研究表明，添加一定量的錫，形成的錫青銅具有良好的耐腐蝕性能，在海洋環(huán)境中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，能夠形成致密的錫化合物膜阻止銅合金的進(jìn)一步腐蝕，除此之外錫青銅也具有良好的強(qiáng)度和硬度。鋁黃銅在

海洋工業(yè)中被廣泛用于冷凝管材料，其原因在于鋁黃銅中的鋁能夠先跟氧氣反應(yīng)，形成致密的氧化鋁薄膜，能夠有效阻止鋁黃銅被進(jìn)一步腐蝕。研究表明添加鐵、錳等成分的銅合金不僅具有優(yōu)越的耐腐蝕性能，同時(shí)也具有良好的抗污性能［3］。因此對于銅及銅合金的腐蝕剝落研究將具有重要作用。

海洋腐蝕的發(fā)生主要有以下幾個(gè)方面:

1) 銅及銅合金在海水中發(fā)生的自然腐蝕，這種腐蝕表現(xiàn)為三要素齊全，即空氣、水和被腐蝕材料，也是***常見的腐蝕作用;

2) 銅及銅合金材料本身的缺陷，在銅及銅合金成型過程中難免會(huì)出現(xiàn)材料本身具有的缺陷，例如縫隙、氣孔、表面組織不均勻等，這些缺陷會(huì)造成材料晶間腐蝕、氣孔腐蝕、脫成分腐蝕、應(yīng)力腐蝕等，由此影響銅及銅合金的使用壽命;

3) 形成電化學(xué)腐蝕，電位相差比較大的金屬會(huì)發(fā)生電化學(xué)作用形成腐蝕，這種腐蝕對材料本身造成的傷害也非常大。除此之外還有沖刷腐蝕、疲勞腐蝕等［4 － 5］。在不同海洋環(huán)境中也會(huì)表現(xiàn)出不同的腐蝕作用占主導(dǎo)地位。

本文對銅及銅合金的腐蝕剝落行為進(jìn)行研究，對比 5 種銅及銅合金在不同海洋環(huán)境下的腐蝕剝落行為，并對其失重量和表面狀態(tài)進(jìn)行記錄和結(jié)果分析，為提高銅及銅合金的耐腐蝕性提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1.銅及銅合金耐腐蝕性測試及結(jié)果分析

為測試銅及銅合金的耐腐蝕剝落行為，選取 5種銅及銅合金進(jìn)行耐腐蝕性測試，銅及銅合金的名稱和牌號如表 1 所示。

測試選用的銅及銅合金均需裁剪為長 30 cm，寬 20 cm，厚度為 2 ～ 5 mm 的規(guī)則片狀，平行樣為 3個(gè)，打磨后，分別進(jìn)行除油、去離子水洗滌、堿洗、去離子水洗滌、酸洗、去離子水洗滌、無水乙醇洗滌等步驟，之后吹干稱量備用。

為了能夠準(zhǔn)確地驗(yàn)證海水對于銅及銅合金的腐蝕剝落行為，選取青島作為全浸暴露實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，銅及銅合金分別按照不同的水位高度進(jìn)行放置，測試面需與水面垂直，銅及銅合金的放置高度依據(jù)海洋環(huán)境不同區(qū)分為飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)。具體腐蝕深度如表2 所示。

銅及銅合金在不同海洋環(huán)境下進(jìn)行浸泡，浸泡周期為 4 個(gè)周期 ( 每個(gè)周期 10 天) ，每個(gè)周期觀察記錄樣品狀態(tài)和失重量。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析銅及銅合金

分別在飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過 4 個(gè)周期的觀察和記錄，所得結(jié)果計(jì)算平均值后如表 3 所示。

從銅及銅合金在不同海洋環(huán)境下的失重結(jié)果可知，紫銅在飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)的失重百分比均高于各區(qū)的平均失重百分比，也證明了銅合金的抗腐蝕性能要優(yōu)于銅; 錫青銅在全浸區(qū)和潮差區(qū)的平均失重百分比沒有較大差別，并且平均失重百分比要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他銅合金的平均失重百分比，而在全浸區(qū)，銅合金的平均失重百分比相對而言沒有較大差距，證明了錫合金在潮差區(qū)的耐腐蝕性能要低于其他幾種銅合金的耐腐蝕性能。對比飛濺區(qū)、潮差區(qū)、

全浸區(qū)的平均失重百分比可以得出，在飛濺區(qū)，銅及銅合金的耐腐蝕性從高到低為: 錫青銅、鋁青銅、銅鎳合金、鋁黃銅、紫銅; 潮差區(qū)的耐腐蝕性從高到低為: 銅鎳合金、鋁青銅、鋁黃銅、錫青銅、紫銅; 全浸區(qū)的耐腐蝕性從高到低為: 錫青銅、鋁青銅、鋁黃銅、銅鎳金、紫銅。

銅及銅合金的耐腐蝕性均表現(xiàn)為飛濺區(qū)腐蝕***輕，雖然飛濺區(qū)***接近大氣環(huán)境并且含氧量豐富，為腐蝕提供了良好的環(huán)境，但銅及銅合金在該區(qū)域的腐蝕卻表現(xiàn)出***輕，這可能是由于銅及銅合金接觸空氣時(shí)鈍化，形成致密的氧化膜，該氧化膜的形成能夠有效減弱腐蝕作用。銅及銅合金的耐腐蝕性均表現(xiàn)為全浸區(qū)腐蝕***重，全浸區(qū)的腐蝕除了來自海水本身的腐蝕之外，也來自海水的流速、海水溫度、微生物附著、泥沙的侵蝕等，除此之外，銅及銅合金本身的加工工藝也會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響，在此區(qū)域銅鎳合金以及鋁黃銅的表現(xiàn)要明顯弱于其他銅合金的表現(xiàn)，這很可能是銅鎳合金以及鋁黃銅的抗海洋生物性能不及其他合金的抗海洋生物性能優(yōu)越。

銅及銅合金的耐腐蝕性均表現(xiàn)為潮差區(qū)位于飛濺區(qū)和全浸區(qū)中間，該區(qū)域的腐蝕主要表現(xiàn)為均勻腐蝕，同時(shí)也伴隨有局部腐蝕，該區(qū)域錫黃銅的耐腐蝕性明顯弱于其他銅合金，其他幾種銅合金在該區(qū)的耐腐蝕性明顯優(yōu)于全浸區(qū)的耐腐蝕性。觀察銅及銅合金經(jīng)過試驗(yàn)后的宏觀圖，紫銅表現(xiàn)出坑狀腐蝕，在全浸區(qū)銅合金均表現(xiàn)出局部皮狀疏松，而紫銅出現(xiàn)了坑狀腐蝕。而紫銅的腐蝕情況明顯

較其他銅合金嚴(yán)重，由此可以得出在海洋環(huán)境下，銅合金的耐腐蝕性能優(yōu)于銅的耐腐蝕性能。根據(jù)表面腐蝕情況，全浸區(qū)的腐蝕程度由低到高為: 錫青銅、鋁青銅、鋁黃銅、銅鎳合金、紫銅，該結(jié)果與平均失重百分比得到的結(jié)果一致。圖 1 為全浸區(qū)試驗(yàn)后銅及銅合金的宏觀圖 ( 1，2，3，4，5 分別代表紫銅、銅鎳合金、鋁黃銅、鋁青銅、錫青銅) 。

海洋腐蝕多種多樣，除了有電化學(xué)腐蝕外，還包括氯離子腐蝕、沖擊腐蝕、海洋微生物腐蝕等等。海洋腐蝕主要表現(xiàn)為局部腐蝕，除此之外還有點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕及疲勞腐蝕等。預(yù)防腐蝕并阻止腐蝕作用進(jìn)一步發(fā)生的關(guān)鍵在于材料的選用，銅及銅合金正是能夠滿足海洋用材料的要求。但是銅及銅合金同樣能夠產(chǎn)生腐蝕，這些因素多種多樣。首先是海洋生物附著，海洋生物能夠附著在銅及銅合金表面，產(chǎn)生的硫化物能夠進(jìn)一步促進(jìn)銅及銅合

金的腐蝕作用［6］; 再者是泥沙的沖擊腐蝕，泥沙沖刷過程中會(huì)使銅及銅合金表面的氧化膜脫落，造成再次腐蝕; 銅及銅合金的成型工藝對銅及銅合金的耐腐蝕性能也有很大影響，因加工工藝不同會(huì)造成銅及銅合金表面應(yīng)力狀態(tài)不同，由此會(huì)產(chǎn)生表面組織不同，從而影響銅及銅合金的耐腐蝕性能。海水中的泥沙對于銅及銅合金的腐蝕剝落也有很大影響，泥沙的沖刷能夠加快銅及銅合金的被侵蝕速度，會(huì)形成點(diǎn)腐蝕、局部腐蝕等。海水的 p H 也會(huì)對銅及銅合金的腐蝕造成影響，一般而言，銅及銅合金在酸性環(huán)境中更易于發(fā)生腐蝕，在堿性環(huán)境中較難發(fā)生腐蝕，這可能是由于銅及銅合金中的金屬更易于在酸性條件下反應(yīng)，特別是銅及銅合金表面致密的氧化膜易于在酸性環(huán)境中反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)一步的腐蝕作用。除此之外，海水中的離子也會(huì)對銅及銅合金的耐腐蝕性產(chǎn)生影響，例如硫酸根、氯離子等，都會(huì)對銅及銅合金在海洋環(huán)境中的腐蝕行為產(chǎn)生影響。對于復(fù)雜的海洋環(huán)境而言，影響銅及銅合金腐蝕剝落行為的原因多種多樣有待進(jìn)一步探索。

3.結(jié)語

通過對銅及銅合金的腐蝕剝落行為研究，可得出如下結(jié)論:

1) 銅合金的耐腐蝕性優(yōu)于銅的耐腐蝕性;

2) 潮差區(qū)，錫青銅的耐腐蝕性較其他銅合金而言，其耐腐蝕性表現(xiàn)比較差;

3) 銅及銅合金在海洋環(huán)境中的耐腐蝕性表現(xiàn)為，飛濺區(qū)優(yōu)于潮差區(qū)，潮差區(qū)優(yōu)于全浸區(qū)。

影響海洋腐蝕的原因非常復(fù)雜，本文建立在對銅及銅合金腐蝕剝落行為的基礎(chǔ)研究之上，雖然證明了銅合金在飛濺區(qū)、全浸區(qū)、潮差區(qū)的耐腐蝕性能明顯高于銅的耐腐蝕性能，但是銅在海洋環(huán)境中能夠產(chǎn)生較多銅離子，并具有殺毒作用，能夠有效減弱海洋生物帶來的腐蝕，但其全浸區(qū)、潮差區(qū)的耐腐蝕性仍舊低于銅合金，其作用原理有待進(jìn)一步研究。

來源：中國知網(wǎng)   作者：關(guān)蒙恩