韋剛 王紅強(qiáng) 湯志鳴

惠而浦（中國(guó)）股份有限公司 安徽合肥 230088

0 引言

鋁合金的密度低，比強(qiáng)度、比剛度高，具有良好的塑性體流變特性；其結(jié)晶溫度范圍窄，線收縮率小，易于成型和切削加工，有較高的力學(xué)性能及抗蝕性，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于航空、汽車(chē)、家電等領(lǐng)域；其中，壓鑄鋁合金由于兼具普通鋁合金和變形鋁合金優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能，以及加工工藝簡(jiǎn)單、易于添加合金元素，成本低廉的特性，因而在航空、汽車(chē)、家電等領(lǐng)域備受關(guān)注。

壓鑄工藝是通過(guò)將流體或半流體金屬在較高壓力下以高速填充至壓鑄模中，在壓力作用下成型并凝固，最終獲得鑄件產(chǎn)品。由于壓鑄工藝成型的鑄件具有尺寸精度高、強(qiáng)度高、材料利用率高等優(yōu)勢(shì)，壓鑄及高強(qiáng)壓鑄工藝廣泛應(yīng)用于制造形狀復(fù)雜、承受中度載荷的構(gòu)件中[1]。在壓鑄鋁合金中加入Si、Cu等元素形成Al-Si-Cu系合金，可顯著提高產(chǎn)品的鑄造性能、導(dǎo)熱性、耐蝕性、抗蠕變性能、強(qiáng)度和硬度等性能[1]。

由于Al-Si-Cu系合金應(yīng)用廣泛，其耐腐蝕性能受到研究者的廣泛關(guān)注。張莉等采用全浸法和電化學(xué)法研究了A380和A360鋁合金的耐腐蝕性能，結(jié)果表明，含Cu量較高的A380合金更易腐蝕，Cu元素是導(dǎo)致和合金體腐蝕的有害元素，因此從耐腐蝕性角度，應(yīng)降低合金成分中的Cu元素含量[2]；宛萍芳等采用自來(lái)水點(diǎn)滴法和中性鹽霧試驗(yàn)法研究了ADC12鋁合金的耐腐蝕性能，結(jié)果表明，Cu含量對(duì)ADC12的耐腐蝕影響很大，同時(shí)，由于基體腐蝕經(jīng)常引起合金成分中的Fe元素提前產(chǎn)生黃斑腐蝕，因此對(duì)ADC12制件的外觀也有不利影響[3]；張茂勛等研究了ADC12鋁合金在高溫蒸汽中的腐蝕行為，結(jié)果表明，在鑄態(tài)或固溶處理后的合金，依據(jù)不同的狀態(tài)，其腐蝕與Al-Cu基化合物有關(guān)[4]。此外，余學(xué)民等指出，潮濕、高溫等環(huán)境對(duì)家電的影響都很大，可能造成嚴(yán)重后果[5]。

1 研究背景

如圖1所示，洗烘一體滾筒洗衣機(jī)烘干系統(tǒng)，主要由烘道、除濕管、洗衣/烘干筒構(gòu)成。當(dāng)滾筒洗衣機(jī)處于洗衣?tīng)顟B(tài)時(shí)，由于洗衣/烘干筒與烘道處于聯(lián)通狀態(tài)，筒內(nèi)的水汽擴(kuò)散進(jìn)入烘道內(nèi)，在烘道內(nèi)形成常溫高濕環(huán)境；當(dāng)滾筒洗衣機(jī)處于烘干狀態(tài)時(shí)，烘道內(nèi)的加熱管工作，再通過(guò)風(fēng)扇將熱空氣送入洗衣/烘干筒，利用水在熱空氣中飽和蒸氣壓高的特點(diǎn)，將筒內(nèi)衣物所含的水分蒸發(fā)并帶走，進(jìn)入除濕管中，而除濕管中通有冷水，熱空氣在此降溫成為冷空氣，飽和蒸氣壓降低，所含水汽冷凝析出，排出筒外，此時(shí)烘道內(nèi)處于高溫高濕狀態(tài)。當(dāng)滾筒洗衣機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，隨著水分的蒸發(fā)，洗衣/烘干筒-烘道-除濕管系統(tǒng)處于常溫常濕狀態(tài)。因此，就烘道這一部件而言，在滾筒洗衣機(jī)不同的工作狀態(tài)下，其處于高溫-高濕-常溫-常濕復(fù)雜交替的狀態(tài)，再加上洗滌劑、軟化劑等的影響，烘道的腐蝕環(huán)境比較嚴(yán)酷。

圖1 滾筒洗衣機(jī)烘道工作狀態(tài)示意圖

過(guò)往的研究均表明，Al-Si-Cu系合金的腐蝕與Cu元素或Fe元素有關(guān)，但其試驗(yàn)條件均采用了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，與實(shí)際使用環(huán)境有較大差距。本試驗(yàn)中的烘道部件工作環(huán)境處于高溫-常溫-高濕-常濕復(fù)雜交叉疊加狀態(tài)，更貼近用戶(hù)實(shí)際使用場(chǎng)景，研究該部件的腐蝕行為，對(duì)產(chǎn)品的腐蝕控制具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

目前，市面上的滾筒洗衣機(jī)烘道外殼通常由壓鑄工藝制造，材料為Al-Si-Cu系合金；某新開(kāi)發(fā)的烘道組件，其材質(zhì)為ADC12鋁合金（日本牌號(hào)），成分與國(guó)產(chǎn)YL113鋁合金（合金牌號(hào)YZAlSi11Cu3）接近，其各元素質(zhì)量百分比為Si：9.6～12 wt%，Cu：1.5～3.5 wt%，F(xiàn)e＜0.9 wt%，Mg＜0.3 wt%，Mn＜0.5 wt%，Zn＜1.0 wt%，Ni＜0.5 wt%，Sn≤0.2 wt%，Pb≤0.2 wt%，Al余量，合金元素（雜質(zhì)）的成分范圍較寬泛。

在針對(duì)上述由ADC12鋁合金壓鑄制造而成的新型烘道部件進(jìn)行耐久測(cè)試的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該部件在等效正常使用約1年時(shí)就已嚴(yán)重腐蝕，表面布滿(mǎn)腐蝕產(chǎn)物，嚴(yán)重影響使用體驗(yàn)。為此，本文從微觀組織結(jié)構(gòu)、腐蝕產(chǎn)物的成分與結(jié)構(gòu)入手，結(jié)合該產(chǎn)品的實(shí)際工況，分析了腐蝕機(jī)理，并提出改進(jìn)措施。

2 試驗(yàn)和分析

2.1 新型烘道部件耐久測(cè)試

將開(kāi)發(fā)的新型烘道部件安裝到洗衣機(jī)整機(jī)上，模擬用戶(hù)實(shí)際使用的時(shí)長(zhǎng)和頻次進(jìn)行洗、烘全程序循環(huán)耐久測(cè)試。單次測(cè)試程序一般時(shí)長(zhǎng)約為5 h，連續(xù)測(cè)試周期為3500周期，總時(shí)長(zhǎng)約為等效用戶(hù)正常使用10年。要求測(cè)試完成后，烘道部件結(jié)構(gòu)、功能正常，性能滿(mǎn)足使用標(biāo)準(zhǔn)。

在本項(xiàng)測(cè)試中，上述烘道組件在等效用戶(hù)正常使用1年（循環(huán)測(cè)試約360周期）時(shí)已出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，經(jīng)研判，無(wú)法達(dá)到正常使用標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)終止。

2.2 腐蝕產(chǎn)物成分分析

耐久試驗(yàn)終止后，在烘道部件較典型的嚴(yán)重腐蝕面上，附著有內(nèi)外兩層灰白色和黑色兩種腐蝕產(chǎn)物。分別刮取表面灰白色及內(nèi)層黑色腐蝕產(chǎn)物，研磨成粉末，采用日本理學(xué)D/MAX2500V型X-射線衍射儀（XRD）測(cè)試腐蝕產(chǎn)物的物相組成；測(cè)試參數(shù)：Cu靶（Kα，波長(zhǎng)λ=0.154 nm），管電壓20 kV，管電流200 mA，衍射角范圍2θ=10°～80°，掃描速率3°/min；

2.3 腐蝕部位顯微結(jié)構(gòu)分析

在烘道部件較典型的嚴(yán)重腐蝕面上切取一部分作為樣品，用環(huán)氧樹(shù)脂鑲嵌；切割并對(duì)切面研磨拋光，再用10 wt%NaOH溶液腐蝕后，使用MR-3000金相顯微鏡觀察腐蝕試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 外觀檢查和初步分析

如圖2所示，對(duì)烘道部件的拆解觀察顯示，該烘道部件在測(cè)試過(guò)程中，等效正常使用1年左右就已嚴(yán)重腐蝕，表面發(fā)黑，布滿(mǎn)裂紋、腐蝕空洞等缺陷，表面附著有大量灰白色物質(zhì)，腐蝕深度大，嚴(yán)重影響功能和使用體驗(yàn)，繼續(xù)使用有隨時(shí)失效的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)初步分析，其表面附著的灰白色物質(zhì)不溶于水，排除洗衣粉或其它洗滌劑沉積物，確認(rèn)為腐蝕產(chǎn)物。

圖2 某新型烘道部件腐蝕前后形貌對(duì)比

3.2 腐蝕產(chǎn)物和腐蝕表面的顯微結(jié)構(gòu)

由于該烘道部件所使用壓鑄合金的平均Si含量為11 wt%，由圖3的Al-Si合金相圖[6]可見(jiàn)，合金為亞共晶成分，與共晶成分（12.6 wt%Si）十分接近，故而該合金的組織應(yīng)為先共晶α-Al+共晶（Al+Si）。但因其中含F(xiàn)e、Cu、Mn等合金成分，該鋁合金中可能含少量Al2Cu及復(fù)雜的Al-Fe-Mn-Si(Cu)相[7-9]。值得注意的是，鑄造Al-Si合金中的富鐵相主要有六方結(jié)構(gòu)的A18Fe2Si相（α-Fe，F(xiàn)e可部分地被Mn、Cr等合金元素替代）及單斜結(jié)構(gòu)的A15FeSi相(β-Fe)[10]。

圖3 Al-Si合金相圖[6]

在腐蝕樣件上分別刮取表層灰白色和內(nèi)層黑色的腐蝕產(chǎn)物，并研磨成粉后（如圖4所示），進(jìn)行XRD測(cè)試。

圖4 烘道表面灰白色及黑色腐蝕產(chǎn)物粉末樣品

對(duì)圖5 b）的XRD測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可以得到，表層灰白色腐蝕產(chǎn)物絕大多數(shù)為Al(OH)3，另含少量的AlOOH[11]及混入的Al、Si雜質(zhì)。而圖5 a）的測(cè)試結(jié)果顯示，內(nèi)層的黑色腐蝕產(chǎn)物，主要是腐蝕殘留的Al及不被腐蝕的Si。

圖5 烘道表面黑色及灰白色腐蝕產(chǎn)物粉末樣品的XRD譜圖

由圖6 a）可見(jiàn)，烘道截面上的部分區(qū)域腐蝕比較嚴(yán)重，形成明顯的腐蝕坑（圖6箭頭所示），腐蝕坑的深度約為55 μm。如果該烘道鋁合金鑄件的結(jié)構(gòu)不致密，內(nèi)含連通的孔洞，則腐蝕液可滲透到基體內(nèi)部，加劇烘道的腐蝕，如圖6 b）所示，在腐蝕坑前沿形成放射狀的腐蝕點(diǎn)，腐蝕前沿距烘道外表面約250 μm。

圖6 烘道腐蝕后鋁合金截面的光學(xué)顯微鏡照片

綜合以上分析，該烘道部件使用過(guò)程中所發(fā)生的腐蝕，主要是其中Al基體的腐蝕，形成Al(OH)3、AlOOH等腐蝕產(chǎn)物，在基體內(nèi)部形成大小不一的腐蝕孔洞；同時(shí)，腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，分布于腐蝕孔表面及合金表面，又很容易繼續(xù)吸收腐蝕溶液，在上述腐蝕孔洞的基礎(chǔ)上加速向基體內(nèi)部腐蝕。

3.3 腐蝕機(jī)理

ADC12合金成分中，Si含量為9.6～12 wt%，與共晶成分（12.6 wt%Si）十分接近，組織為先共晶α-Al+共晶（Al+Si）。Al的電極電位為-0.85 V，Si的電極電位為-0.26 V，因此共晶（Al+Si）組織中，Al和Si兩相間存在0.59 V電位差[6]，若合金表面附著有含電解質(zhì)的腐蝕介質(zhì)，容易形成微觀腐蝕電池，發(fā)生析氫反應(yīng)，總反應(yīng)式為：

2Al+6H2O→2Al(OH)3↓+3H2↑

反應(yīng)形成的反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)3，可在腐蝕介質(zhì)中形成膠體，干燥后在鋁合金件表面沉積下來(lái)，形成灰白色的腐蝕產(chǎn)物層，同時(shí)Al(OH)3干燥脫水，形成AlOOH。

滾筒洗衣機(jī)的桶系統(tǒng)和烘道系統(tǒng)是一個(gè)彼此聯(lián)通的整體，當(dāng)洗衣機(jī)處于正常洗衣工作狀態(tài)時(shí)，即便烘道不工作，洗衣桶內(nèi)所含有的洗滌劑、衣物柔順劑、除菌劑等的溶液也會(huì)以蒸氣的形式進(jìn)入烘道內(nèi)部；洗滌劑和軟化劑中含有的堿性物質(zhì)、表面活性劑，除菌劑中含有的氧化物質(zhì)等，均易溶于水形成電解質(zhì)溶液，有利于微觀腐蝕電池的形成；此外，洗衣機(jī)工作和靜止的狀態(tài)交替，導(dǎo)致包括烘道在內(nèi)的聯(lián)通系統(tǒng)內(nèi)部呈現(xiàn)干濕交替的狀態(tài)，上述電解質(zhì)溶液附著在烘道壁上后，隨著干態(tài)下部分水分的蒸發(fā)，溶液的濃度升高，腐蝕進(jìn)程加劇。此外，烘道在工作過(guò)程中，內(nèi)部溫度超過(guò)100℃，上述反應(yīng)在高溫下加劇。

鋁合金烘道部件表層被腐蝕后，更多的Si及少量的α-Fe、β-Fe及θ-Al2Cu殘留下來(lái)，這些成分相對(duì)于Al基體是電化學(xué)反應(yīng)中的陰極相，且結(jié)構(gòu)疏松，易吸水，在使得鋁合金表面呈黑色的同時(shí)，更加劇了ADC12基體的腐蝕。

4 改進(jìn)措施

通過(guò)分析測(cè)試的結(jié)果，結(jié)合上述腐蝕機(jī)理，可以得出結(jié)論，由于存在較大的電位差，較多的Si元素和Fe元素容易和Al基體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成腐蝕，對(duì)烘道部件的耐腐蝕性能不利。因此，為烘道部件重新調(diào)整合金材料的元素比例，適當(dāng)降低Si元素和Fe元素的含量，可能提高烘道部件的耐腐蝕性能。

此外，氣孔、組織疏松等工藝缺陷，加劇了腐蝕液的滲透和沉積，也容易造成烘道部件的加速腐蝕。因此，有必要對(duì)壓鑄工藝提出更高要求，控制單位面積工藝缺陷，也有利于提高烘道部件的耐腐蝕性能。

洗衣機(jī)的烘干系統(tǒng)，由于常年封閉且處于高低溫和干濕雙重交替狀態(tài)，對(duì)其耐腐蝕性能要求很高，有針對(duì)性地調(diào)整合金材料的元素比例并嚴(yán)格把控生產(chǎn)工藝是十分必要的。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)某新型壓鑄鋁合金烘道部件開(kāi)發(fā)過(guò)程中所遇到的早期腐蝕失效現(xiàn)象，分析了腐蝕產(chǎn)物組成、顯微組織結(jié)構(gòu)，討論了腐蝕機(jī)理，探究腐蝕形成的原因。

（2）ADC12鋁合金烘道為近共晶Al-Si合金，由先共晶α-Al及（Al+Si）共晶構(gòu)成。

（3）鋁合金烘道的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，Al為陽(yáng)極，Si及富Fe相為陰極，反應(yīng)形成反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)3，部分干燥脫水后，形成AlOOH，呈灰白色。而腐蝕后的Al合金表層主要是殘留的Si等其它雜質(zhì)，呈黑色，結(jié)構(gòu)疏松，易開(kāi)裂、破碎。

（4）適當(dāng)降低鋁合金烘道原料中的Si、Fe含量，同時(shí)優(yōu)化壓鑄工藝，避免氣孔、疏松等缺陷的形成，可以減緩腐蝕溶液滲入的速度，提高鋁合金壓鑄烘道部件的使用壽命。