張鑫 李偉 喬小兵 謝文才 周勝藍 王保男

（一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，長春 130011）

1 前言

壓鑄工藝因生產(chǎn)效率高，零件表面及尺寸精度好，適合大批量生產(chǎn)等特點，在汽車領域應用廣泛。以往，自主商用車主打性價比，基于成本考慮，鑄鋁件應用較少，鑄鋁件的腐蝕報道也比較少；近些年，隨著國內(nèi)商用車技術及輕量化水平的不斷提升，車身、底盤、動力系統(tǒng)等總成上的鑄鋁件應用比例逐年增加，鑄鋁件腐蝕導致的外觀及可靠性問題也制約整車可靠性，影響市場與客戶的認可度。

目前國內(nèi)汽車行業(yè)對壓鑄鋁件腐蝕方面研究報道較少，對常規(guī)壓鑄鋁合金材料的腐蝕影響因素及其機理分析研究有待加強，不利于壓鑄鋁件可靠性設計開發(fā)及腐蝕防護性能的提升。本文由汽車行業(yè)常用的3 種典型Al-Si-Cu 系壓鑄鋁合金（A380、YL113、YL112）入手，探究上述壓鑄鋁合金在不同中性鹽霧腐蝕時間下的3 種鋁合金腐蝕形貌、典型腐蝕深度、腐蝕產(chǎn)物及力學性能變化，分析Al-Si-Cu 系壓鑄鋁合金的腐蝕機理與腐蝕影響因素。

2 試驗方法

2.1 試樣制備

為規(guī)避壓鑄件尺寸、結(jié)構等因素對壓鑄合金腐蝕程度、力學性能的影響，本文采用力勁D280壓鑄機制備A380、YL113、YL112 3 種合金的壓鑄試棒，代替壓鑄件進行耐腐蝕性能研究。3 種合金的壓鑄試棒成分實測結(jié)果見表1，壓鑄試棒規(guī)格執(zhí)行GB/T 13822—2017《壓鑄有色合金試樣》[1]中的A型拉力試樣，試棒形貌見圖1。

表1 壓鑄試棒成分實測值(質(zhì)量分數(shù)) %

圖1 壓鑄試棒形貌

2.2 試驗方法

A380、YL113、YL112 3 種壓鑄試棒按照GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》[2]要求進行中性鹽霧試驗。試驗條件如下：鹽霧試驗箱溫度35 ℃，空氣飽和器溫度45 ℃，濕度100%，試驗溶液為(50±5) g/L 的NaCl 水溶液，水為去離子水，鹽為分析純的NaCl。試驗總持續(xù)時間為504 h，分別在中性鹽霧試驗的120 h、360 h、504 h 取樣進行3 種試棒腐蝕形貌及力學性能分析。

采用OLYMPUS 金相顯微鏡和ZEISS 場發(fā)射掃描電鏡對不同中性鹽霧時長下的3 種試棒進行腐蝕形貌與腐蝕深度分析；采用稱重法對3 種壓鑄試棒進行平均失重與平均腐蝕速率分析；采用X 射線能譜儀（EDX）對3 種試棒的腐蝕產(chǎn)物元素分布進行分析；采用MTS 拉伸試驗機進行3 種試棒力學性能分析。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 宏觀形貌分析

不同中性鹽霧時長下的3 種壓鑄試棒形貌見圖2 和圖3。具體分析如下，中性鹽霧120 h（圖2a），3 種試棒外表面已由試驗前的壓鑄光亮表面發(fā)生明顯腐蝕，試棒表面局部區(qū)域覆蓋一層蓬松的“白絮狀”腐蝕產(chǎn)物。隨著中性鹽霧時間延長至360 h（圖2b），3 種試棒外表面“白絮狀”腐蝕進一步加劇，但與中性鹽霧504 h（圖2c 和圖3）后的試棒腐蝕形貌差異不明顯。由宏觀形貌觀察，中性鹽霧504 h 后，3 種壓鑄試棒的表面腐蝕程度差異不大。

圖2 中性鹽霧試驗后3種壓鑄試棒外觀

圖3 A380試樣中性鹽霧504 h表面腐蝕形貌

3.2 腐蝕深度與腐蝕速率分析

表2 和圖4 給出了A380、YL113、YL112 壓鑄試棒經(jīng)不同時間中性鹽霧腐蝕后的典型腐蝕深度變化。由表可知，隨中性鹽霧測試時間的延長，3 種壓鑄試棒的典型腐蝕深度逐漸加深。中性 鹽霧504 h 后，YL112 和A380 壓鑄 試 棒 腐蝕 深度分別為212 μm、206 μm，2 種壓鑄試棒的典型腐蝕深度較接近且均腐蝕嚴重；A380 壓鑄試棒腐蝕深為149 μm，腐蝕相對輕微。

表2 不同中性鹽霧時長的3種鑄鋁合金典型腐蝕深度

圖4 不同中性鹽霧時長的3種試樣典型腐蝕深度變化

此外，還可發(fā)現(xiàn)3 種壓鑄試棒典型腐蝕深度隨試樣中Cu 元素含量增加而加劇。壓鑄鋁合金中加入Cu 元素主要形成強化相θ（CuAl2），有利于提高合金的機械強度，但銅元素自腐蝕電位比鋁元素高，容易導致金屬發(fā)生晶間腐蝕，降低合金的耐腐蝕性能[3]。

經(jīng)504 h 中性鹽霧腐蝕，A380、YL113、YL112 3種壓鑄試棒的局部表面發(fā)生點狀腐蝕，腐蝕坑呈弧狀向基體中心延伸，如圖5 所示。腐蝕坑與基體相交處放大形貌見圖6。由圖可知，腐蝕坑與基體相交附近的晶粒間存在大量腐蝕孔隙，呈現(xiàn)晶間腐蝕形態(tài)。晶間腐蝕屬于局部腐蝕，是鋁合金在腐蝕環(huán)境中出現(xiàn)沿晶粒分界面向基體內(nèi)部擴展的腐蝕。一般來說，鋁合金晶粒與晶界處因存在相組織、化學成分的不同，導致晶粒與晶界相間存在電位差，且晶界處容易存在低熔點雜質(zhì)富集及內(nèi)應力，都會加快晶界優(yōu)先腐蝕，最終呈現(xiàn)晶間腐蝕形態(tài)[4]。

圖5 中性鹽霧504 h的3種試樣腐蝕形貌

圖6 腐蝕坑形態(tài)

采用稱重法對3 種壓鑄試棒進行平均失重與平均腐蝕速率分析，如表3 所示。504 h 中性鹽霧腐蝕后，A380、YL113、YL112 3 種壓鑄試棒的平均失重分別為85.4 mg、111.4 mg、65.0 mg；其平均腐蝕速率分別為37.00 mg/(m2·h)、48.27 mg/(m2·h)、28.15 mg/(m2·h)。

表3 壓鑄試棒平均腐蝕速率

采用稱重法獲得的3 種壓鑄試棒腐蝕速率與前述合金典型腐蝕深度排序存在差異，分析可能原因如下：典型腐蝕深度代表試棒表面的腐蝕深度情況，并未反應試棒表面的腐蝕面積占比，因而相對典型腐蝕深度而言，采用腐蝕速率評價合金的面腐蝕程度可能更具代表性。

3.3 腐蝕產(chǎn)物分析

對中性鹽霧試驗后的3 種壓鑄試棒表面腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，腐蝕產(chǎn)物掃描形貌見圖7，能譜分析見表4～表6。由圖可知，相比基體，腐蝕產(chǎn)物中Al 元素含量降低明顯，O 元素含量有較大幅度提升，此外，腐蝕產(chǎn)物中還存在Si、Fe、Cu、Zn 元素，表明壓鑄試棒表面主要發(fā)生了鋁的氧化反應。根據(jù)元素比例推測，氧化產(chǎn)物主要為Al(OH)3。

表4 A380腐蝕產(chǎn)物EDS分析

表6 YL112腐蝕產(chǎn)物EDS分析

圖7 中性鹽霧504 h下的3種壓鑄試棒腐蝕產(chǎn)物成分

3.4 力學性能分析

鑄鋁件腐蝕后的力學性能變化對汽車可靠性具有重要影響。表7 和圖8 給出了A380、YL113、YL112 壓鑄試棒經(jīng)不同時間中性鹽霧腐蝕后的力學性能變化。

圖8 不同中性鹽霧時長的3種試棒力學性能

腐蝕試驗前，3 種壓鑄試棒的抗拉強度均在320～335 MPa 之間，斷后延伸率為2.0%～3.0%，力學性能差異不大。中性鹽霧試驗后，3 種壓鑄試棒抗拉強度均有一定幅度下降，并隨中性鹽霧測試時間的延長，3 種壓鑄試棒抗拉強度呈直線下降。其中A380 合金的抗拉強度降幅最大，中性鹽霧120 h、360 h、504 h 后，其抗拉強度較試驗前分別降低6%、21%、31%。YL113 合金抗拉強度降幅次之，中性鹽霧120 h、360 h、504 h 后，其抗拉強度較試驗前分別降低4%、10%、14%。YL112 合金抗拉強度降幅較小，中性鹽霧120 h、360 h、504 h 后，其抗拉強度較試驗前分別降低4%、7%、8%。

表5 YL113腐蝕產(chǎn)物EDS分析

對于Al-Si 系壓鑄鋁合金，Cu 元素加入生成強化相θ（CuAl2）；Zn 元素加入可從飽和的α固溶體中分解出β（Zn）相，同樣起到一定強化效果[5]。但θ（CuAl2）、β（Zn）與α固溶體之間存在電位差，降低合金耐腐蝕性。結(jié)合表1 中3 種壓鑄試棒中的Cu、Zn 元素含量與表7 抗拉強度降幅分析，可發(fā)現(xiàn)，504 h 中性鹽霧測試后，3 種壓鑄試棒抗拉強度降幅與Cu+Zn 元素含量總和成正比（圖9）。

圖9 504 h鹽霧試驗合金強度降幅與Cu+Zn含量關系

表7 不同中性鹽霧時長的3種試樣力學性能

3 種壓鑄試棒斷后伸長率隨中性鹽霧時長的變化與抗拉強度類似，均隨中性鹽霧測試時間的延長呈下降趨勢。但3 種壓鑄試棒在中性鹽霧360 h 后，斷后伸長率不再下降，與中性鹽霧504 h時持平?？赡芘c試棒塑性降到較小數(shù)值后，進一步腐蝕對斷后伸長率影響較小及試驗誤差等因素有關。

3.5 腐蝕機理分析

鋁是比較活潑的金屬，其標準電位為-1.67 V，在空氣中極易氧化，生成致密而堅固的Al2O3氧化膜。對于固態(tài)和液態(tài)的純鋁，該氧化膜均有良好的保護作用[6]。因純鋁組織單一，基體組織內(nèi)無電位差，當其受到損壞時，只要有足夠的氧氣存在，還可以“自愈”，在零件表面形成連續(xù)的氧化膜，阻止腐蝕向內(nèi)部發(fā)展。因而純鋁具有良好的耐蝕性。但對于壓鑄鋁合金，為提升合金的鑄造工藝性和力學性能，需添加一定量的Cu、Zn、Fe 等合金元素，形成強化相及富Cu 相。上述強化相及富Cu相與α固溶體之間存在電位差，降低合金的耐腐蝕性并破壞Al2O3氧化膜的連續(xù)性，因而Al-Si-Cu 系合金的耐蝕性能低于純鋁。

此外，鋁合金在氯離子（Cl-）環(huán)境中更容易發(fā)生腐蝕，這是因為Cl-對鋁合金表面氧化膜的穿透性較強。Cl-能夠取代Al(OH)3上的OH-并通過進一步的反應生成AlCl3。當氧化膜被破壞后，Al 基體在膜破損處為陽極，尚未被腐蝕的位置為陰極，在氧化膜破損位置形成“鈍化-活性”電池，進一步加劇合金的腐蝕過程。

圖10 壓鑄鋁腐蝕機理示意

A380、YL113、YL112 3 種壓鑄試棒在中性鹽霧環(huán)境下的腐蝕過程分析如下[7]。

a.壓鑄鋁合金與環(huán)境中水汽反應如下。

Al-3e→Al3+

3/4O2+3/2H2O+3e→3OH

Al3++3OH-→Al(OH)3↓（白絮狀腐蝕產(chǎn)物）

b.壓鑄鋁合金與環(huán)境中的Cl-反應如下。

Al(OH)3+Cl-→Al(OH)2Cl+OH-

Al(OH)2Cl+Cl-→Al(OH)Cl2+OH

Al(OH)Cl2+Cl-→AlCl3+OH-

綜上分析，提升Al-Si-Cu 系壓鑄合金耐腐蝕性可從減少組織內(nèi)部各相間電位差、降低合金中Cu和Zn元素含量、減少晶界處雜質(zhì)元素富集、控制產(chǎn)品應用環(huán)境濕度及Cl-離子含量等措施入手[8]，減少鋁合金晶間腐蝕與Cl-離子對氧化膜的破壞，進而提升耐蝕性。

4 結(jié)論

a.中性鹽霧試驗后，A380、YL113、YL112 3 種壓鑄試棒表面局部區(qū)域覆蓋一層蓬松的“白絮狀”腐蝕產(chǎn)物，該產(chǎn)物為鋁的氧化物Al(OH)3。

b.隨中性鹽霧測試時間的延長，3 種Al-Si-Cu系壓鑄試棒的典型腐蝕深度逐漸加深，且抗拉強度也隨之線性下降。中性鹽霧測試504 h 后，A380、YL113、YL112 壓鑄試棒的典型腐蝕深分別約為206 μm、149 μm、212 μm，3 種壓鑄試棒的抗拉強度較試驗前分別降低31%、14%、8%。

c.典型腐蝕深度表征了試樣表層的局部腐蝕深度情況；腐蝕速率則根據(jù)試樣腐蝕產(chǎn)物質(zhì)量計算得到，表征試樣總體腐蝕情況。2 參數(shù)的計算方法和表征含義有所區(qū)別。因而，相對典型腐蝕深度，采用腐蝕速率評估試樣的整體耐蝕性更具代表性。

d.Al-Si-Cu 系壓鑄合金腐蝕程度主要與組織內(nèi)部各相間電位差、合金中Cu 和Zn 元素含量、環(huán)境濕度及Cl-離子含量等因素有關。