3種典型Al-Si-Cu系壓鑄鋁合金耐腐蝕性能研究

張?chǎng)?李偉 喬小兵 謝文才 周勝藍(lán) 王保男

（一汽解放汽車(chē)有限公司商用車(chē)開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)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(diǎn)，在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。以往，自主商用車(chē)主打性價(jià)比，基于成本考慮，鑄鋁件應(yīng)用較少，鑄鋁件的腐蝕報(bào)道也比較少；近些年，隨著國(guó)內(nèi)商用車(chē)技術(shù)及輕量化水平的不斷提升，車(chē)身、底盤(pán)、動(dòng)力系統(tǒng)等總成上的鑄鋁件應(yīng)用比例逐年增加，鑄鋁件腐蝕導(dǎo)致的外觀及可靠性問(wèn)題也制約整車(chē)可靠性，影響市場(chǎng)與客戶的認(rèn)可度。

目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)對(duì)壓鑄鋁件腐蝕方面研究報(bào)道較少，對(duì)常規(guī)壓鑄鋁合金材料的腐蝕影響因素及其機(jī)理分析研究有待加強(qiáng)，不利于壓鑄鋁件可靠性設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及腐蝕防護(hù)性能的提升。本文由汽車(chē)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(shí)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(xué)性能變化，分析Al-Si-Cu 系壓鑄鋁合金的腐蝕機(jī)理與腐蝕影響因素。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

為規(guī)避壓鑄件尺寸、結(jié)構(gòu)等因素對(duì)壓鑄合金腐蝕程度、力學(xué)性能的影響，本文采用力勁D280壓鑄機(jī)制備A380、YL113、YL112 3 種合金的壓鑄試棒，代替壓鑄件進(jìn)行耐腐蝕性能研究。3 種合金的壓鑄試棒成分實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)圖1。

表1 壓鑄試棒成分實(shí)測(cè)值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 壓鑄試棒形貌

2.2 試驗(yàn)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(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》[2]要求進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如下：鹽霧試驗(yàn)箱溫度35 ℃，空氣飽和器溫度45 ℃，濕度100%，試驗(yàn)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(yàn)總持續(xù)時(shí)間為504 h，分別在中性鹽霧試驗(yàn)的120 h、360 h、504 h 取樣進(jìn)行3 種試棒腐蝕形貌及力學(xué)性能分析。

采用OLYMPUS 金相顯微鏡和ZEISS 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)不同中性鹽霧時(shí)長(zhǎng)下的3 種試棒進(jìn)行腐蝕形貌與腐蝕深度分析；采用稱重法對(duì)3 種壓鑄試棒進(jìn)行平均失重與平均腐蝕速率分析；采用X 射線能譜儀（EDX）對(duì)3 種試棒的腐蝕產(chǎn)物元素分布進(jìn)行分析；采用MTS 拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行3 種試棒力學(xué)性能分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 宏觀形貌分析

不同中性鹽霧時(shí)長(zhǎng)下的3 種壓鑄試棒形貌見(jiàn)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(yàn)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(shí)間延長(zhǎng)至360 h（圖2b），3 種試棒外表面“白絮狀”腐蝕進(jìn)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(yàn)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(shí)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(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，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(yán)重；A380 壓鑄試棒腐蝕深為149 μm，腐蝕相對(duì)輕微。

表2 不同中性鹽霧時(shí)長(zhǎng)的3種鑄鋁合金典型腐蝕深度

圖4 不同中性鹽霧時(shí)長(zhǎng)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(qiáng)化相θ（CuAl2），有利于提高合金的機(jī)械強(qiáng)度，但銅元素自腐蝕電位比鋁元素高，容易導(dǎo)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(diǎn)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(jiàn)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(kuò)展的腐蝕。一般來(lái)說(shuō)，鋁合金晶粒與晶界處因存在相組織、化學(xué)成分的不同，導(dǎo)致晶粒與晶界相間存在電位差，且晶界處容易存在低熔點(diǎn)雜質(zhì)富集及內(nèi)應(yīng)力，都會(huì)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(duì)3 種壓鑄試棒進(jìn)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(yīng)試棒表面的腐蝕面積占比，因而相對(duì)典型腐蝕深度而言，采用腐蝕速率評(píng)價(jià)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(duì)中性鹽霧試驗(yàn)后的3 種壓鑄試棒表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，腐蝕產(chǎn)物掃描形貌見(jiàn)圖7，能譜分析見(jiàn)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(yīng)。根據(jù)元素比例推測(cè)，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(xué)性能分析

鑄鋁件腐蝕后的力學(xué)性能變化對(duì)汽車(chē)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(shí)間中性鹽霧腐蝕后的力學(xué)性能變化。

圖8 不同中性鹽霧時(shí)長(zhǎng)的3種試棒力學(xué)性能

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

表5 YL113腐蝕產(chǎn)物EDS分析

對(duì)于Al-Si 系壓鑄鋁合金，Cu 元素加入生成強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度降幅分析，可發(fā)現(xiàn)，504 h 中性鹽霧測(cè)試后，3 種壓鑄試棒抗拉強(qiáng)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(yàn)合金強(qiáng)度降幅與Cu+Zn含量關(guān)系

表7 不同中性鹽霧時(shí)長(zhǎng)的3種試樣力學(xué)性能

3 種壓鑄試棒斷后伸長(zhǎng)率隨中性鹽霧時(shí)長(zhǎng)的變化與抗拉強(qiáng)度類似，均隨中性鹽霧測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。但3 種壓鑄試棒在中性鹽霧360 h 后，斷后伸長(zhǎng)率不再下降，與中性鹽霧504 h時(shí)持平?？赡芘c試棒塑性降到較小數(shù)值后，進(jìn)一步腐蝕對(duì)斷后伸長(zhǎng)率影響較小及試驗(yàn)誤差等因素有關(guān)。

3.5 腐蝕機(jī)理分析

鋁是比較活潑的金屬，其標(biāo)準(zhǔn)電位為-1.67 V，在空氣中極易氧化，生成致密而堅(jiān)固的Al2O3氧化膜。對(duì)于固態(tài)和液態(tài)的純鋁，該氧化膜均有良好的保護(hù)作用[6]。因純鋁組織單一，基體組織內(nèi)無(wú)電位差，當(dāng)其受到損壞時(shí)，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(duì)于壓鑄鋁合金，為提升合金的鑄造工藝性和力學(xué)性能，需添加一定量的Cu、Zn、Fe 等合金元素，形成強(qiáng)化相及富Cu 相。上述強(qiáng)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?yàn)镃l-對(duì)鋁合金表面氧化膜的穿透性較強(qiáng)。Cl-能夠取代Al(OH)3上的OH-并通過(guò)進(jìn)一步的反應(yīng)生成AlCl3。當(dāng)氧化膜被破壞后，Al 基體在膜破損處為陽(yáng)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(jìn)一步加劇合金的腐蝕過(guò)程。

圖10 壓鑄鋁腐蝕機(jī)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(guò)程分析如下[7]。

a.壓鑄鋁合金與環(huán)境中水汽反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(duì)氧化膜的破壞，進(jìn)而提升耐蝕性。

4 結(jié)論

a.中性鹽霧試驗(yàn)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(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，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(qiáng)度也隨之線性下降。中性鹽霧測(cè)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(qiáng)度較試驗(yàn)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(jì)算得到，表征試樣總體腐蝕情況。2 參數(shù)的計(jì)算方法和表征含義有所區(qū)別。因而，相對(duì)典型腐蝕深度，采用腐蝕速率評(píng)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(guān)。