電冰箱換熱器以鋁代銅腐蝕特性的實(shí)驗(yàn)研究

谷海華，任愛梅，詹予忠

(1.河南新飛電器有限公司，河南新鄉(xiāng)453002;2.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

銅材以其優(yōu)良的延展性、導(dǎo)熱性和耐蝕性等特點(diǎn)，多年來一直是電冰箱換熱器的首選材料.但由于近年來銅價格的不斷攀升，給冰箱制造商增加了不少成本壓力，因而選擇一種材料特性與銅相似，而價格又遠(yuǎn)低于銅材的替代品，成為制冷業(yè)一個新的研究方向和競爭趨勢.基于鋁有良好的延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及耐腐蝕性，且鋁資源較銅豐富，價位也較銅低，再加上鋁的密度遠(yuǎn)低于銅，相同換熱面積下所用鋁的重量遠(yuǎn)少于銅材，因此以鋁代銅在經(jīng)濟(jì)上具有明顯的優(yōu)勢［1］.然而，鋁是較銅更活潑的金屬，作為冰箱換熱器材料，其耐腐蝕性對冰箱的正常使用至關(guān)重要.另一方面，為了兼顧銅鋁的性質(zhì)，達(dá)到高效優(yōu)質(zhì)低成本的目的，冰箱中仍部分使用銅材管線，這樣銅鋁連接結(jié)構(gòu)必不可少，銅鋁接頭的電偶腐蝕必然成為影響冰箱壽命的重要因素［2－3］.筆者通過實(shí)驗(yàn)研究銅、鋁的純腐蝕和銅鋁接頭的電偶腐蝕，計(jì)算了腐蝕速率，用金相顯微鏡對腐蝕后的試樣進(jìn)行觀察，并結(jié)合電偶腐蝕機(jī)理對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

銅材采用T2銅，鋁材采用1060工業(yè)純鋁，材料的物理性能見表1.R22制冷劑為工業(yè)品，其他試劑為分析純試劑.實(shí)驗(yàn)用水為去離子水.

表1 實(shí)驗(yàn)用銅和鋁的物理性能Tab.1 Physical properties of copper and aluminum used in the experiments

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

腐蝕介質(zhì)HCl，H2SO4，NaOH 和 NaCl均配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的溶液，并盛放在燒杯中靜置1 h小時后使用.R22制冷劑用專用制冷劑存放罐密封存放，先將罐口擰開，放入試樣，然后密封罐口，用充注機(jī)充入1 kg的液態(tài)制冷劑.每種介質(zhì)5份，記錄編號.

進(jìn)行純腐蝕實(shí)驗(yàn)時，每種介質(zhì)里放3個試樣.進(jìn)行電偶腐蝕實(shí)驗(yàn)時，每種介質(zhì)3份，每份里放1個電偶對.記錄每份介質(zhì)中試樣的編號、腐蝕前重量和放入時間.

腐蝕過程在室溫條件下進(jìn)行，經(jīng)常攪拌或晃動介質(zhì)以加速腐蝕.對于腐蝕反應(yīng)不明顯的將實(shí)驗(yàn)時間設(shè)定為240 h，腐蝕反應(yīng)明顯的則將實(shí)驗(yàn)時間定為24 h.腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣取出，先用清水沖洗，再放入超聲波清洗機(jī)中，依次用丙酮和酒精清洗5 min，再放入干燥箱內(nèi)在100℃的恒溫條件下干燥30 min后取出，最后仍用精度為0.1 mg的電子天平依次稱出腐蝕后的試樣重量.腐蝕后的試樣用金相顯微鏡觀察.

1.3 腐蝕速度計(jì)算

失重法是用金屬試樣的質(zhì)量變化計(jì)算金屬材料的腐蝕速度，該方法簡便、直觀、可靠，是最廣泛采用的評價材料腐蝕性能的實(shí)驗(yàn)方法［4］.腐蝕速度失重指標(biāo)，就是單位時間內(nèi)單位面積上金屬腐蝕損失的質(zhì)量，可按下式計(jì)算：

式中：V－是腐蝕速度失重指標(biāo)，g/(m2·h);W0是金屬初始質(zhì)量，g;W1是清除腐蝕產(chǎn)物后金屬的質(zhì)量，g;S是金屬的表面積，m2;t是腐蝕進(jìn)行的時間，h.

通?？蓪⒏g速度失重指標(biāo)進(jìn)一步換算成腐蝕速度深度指標(biāo)，即每年材料腐蝕掉的厚度，作為材料選擇的依據(jù).腐蝕速度深度指標(biāo)按下式計(jì)算：VL=V－×24 ×365 ×10/(10 000ρ)=V－×8.76/ρ.式中：VL是腐蝕速度深度指標(biāo)，mm/a;ρ是金屬的密度，g/cm.

2 結(jié)果與討論

2.1 純腐蝕速度

實(shí)驗(yàn)測得的銅和鋁試樣在5種介質(zhì)中的純腐蝕速度、電偶腐蝕速度見表2，電偶腐蝕速度與純腐蝕速度之差定義為腐蝕增量也列于表中.由表2可知，銅表現(xiàn)出了相當(dāng)好的耐蝕性，在5種介質(zhì)中的純腐蝕速度都相當(dāng)?shù)?鋁在H2SO4中的腐蝕速度相當(dāng)?shù)?，只?.172 mm·a－1，表現(xiàn)出相當(dāng)好的耐H2SO4腐蝕性.

鋁是相當(dāng)活潑的金屬，易于與酸反應(yīng)生成氫氣.但是，鋁表面通常與空氣中氧反應(yīng)生成一層連續(xù)、致密的水合氧化鋁膜，該膜可阻止腐蝕介質(zhì)與金屬鋁接觸，這就是鋁具有相當(dāng)好的抗H2SO4腐蝕性的原因［5］.然而，Cl－半徑小，極易穿過并進(jìn)一步侵蝕Al2O3膜，造成金屬鋁與酸的直接反應(yīng)，因此鋁在HCl介質(zhì)中腐蝕非常嚴(yán)重.在NaCl介質(zhì)中，雖然也存在Cl－的作用，但沒有后續(xù)的酸反應(yīng)，腐蝕速度就慢很多.由于使用環(huán)境的復(fù)雜性，盡管不一定有酸存在，Cl－仍是引起鋁材料腐蝕的重要原因［5－6］.通過適當(dāng)?shù)姆绞皆黾友趸ず穸龋苊馐褂煤肉F焊劑等，可以減少鋁的腐蝕.另外，鋁還是兩性金屬，也可與堿反應(yīng)，而Al2O3膜也溶于堿，因此金屬鋁不耐NaOH腐蝕［7］.

2.2 電偶腐蝕及加速機(jī)理

表2中列出的銅－鋁電偶腐蝕結(jié)果表明，鋁在電偶腐蝕中被加速腐蝕，而銅則被保護(hù)，腐蝕過程受到抑制.另外，銅在HCl、NaOH和NaCl中的腐蝕速度為負(fù)值，表明由于生成的腐蝕產(chǎn)物與金屬基體緊密結(jié)合難以清除掉，腐蝕后樣品不是失重而是增重.

表2 銅、鋁試樣的純腐蝕速度和電偶腐蝕速度Tab.2 Pure corrosion speed and galvano corrosion speed of copper and aluminum (mm·a－1)

電偶腐蝕的過程比較復(fù)雜，腐蝕的程度受以下幾種因素影響：電極電位、極化現(xiàn)象、電解液、陰陽極面積比、腐蝕產(chǎn)物、接觸電阻等.電極電位決定電偶電流的方向，而電偶電流的大小不僅僅由電位差決定，還取決于電極的極化、體系的電阻和陰陽極面積比等因素［8］.

在實(shí)際問題中，常用電偶序來判斷電偶的極性，電位高的金屬是陰極，電位低的金屬是陽極.由于在以上5種實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中，鋁的腐蝕電位較低，而銅的腐蝕電位較高，因而在介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時，銅試樣作為陰極，在其表面主要是發(fā)生以溶氧還原為主的反應(yīng).在中性或堿性條件下的電極反應(yīng)可表示為：

鋁作為陽極，在其表面主要是發(fā)生氧化為主的反應(yīng)：

當(dāng)然，鋁陽極在HCl和H2SO4中還會有氫離子參與的還原反應(yīng).與未偶接時相比，電位較低的陽極金屬鋁的溶解速度增加了，即腐蝕加速了，而電位較高的陰極金屬銅的腐蝕速度則降低了.

2.3 金相分析

在金相顯微鏡下放大175倍觀察鋁試樣在5%濃度的HCl溶液中純腐蝕和電偶腐蝕后表面形貌分別如圖1.由圖可知純腐蝕鋁的表面較為均勻，但也有蝕坑和孔洞，而電偶腐蝕表面呈剝離狀，有明顯蝕坑和孔洞，且孔深比純腐蝕要大得多.

圖1 鋁在5%HCl中腐蝕后表面形貌Fig.1 Surface morphology of Aluminum a in 5%HCl

3 結(jié)論

(1)鋁在R22制冷劑中有良好的耐蝕性，可以代替銅作為冰箱換熱器材料.

(2)鋁的耐蝕性總體較銅差，為保證使用壽命，應(yīng)適當(dāng)增加鋁材的厚度.

(3)銅－鋁接頭易產(chǎn)生電偶腐蝕加速鋁材破壞，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)倪B接方式，并進(jìn)行必要的表面涂覆處理.

［1］王恭敏.銅鋁產(chǎn)能狀況、結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展趨勢及風(fēng)險控制［J］.中國金屬通報(bào)，2006(09)：3 －5.

［2］徐擁軍，崔增平，呂慧玲，等.銅鋁結(jié)構(gòu)熱交換器的電偶腐蝕及控制［J］.腐蝕與防護(hù)，2004，25(7)：309－310.

［3］張衛(wèi)星，張學(xué)偉.淺談空調(diào)行業(yè)中銅鋁換熱器的腐蝕問題［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2010，31(1)：87－88.

［4］王從曾，劉會亭.材料性能學(xué)［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001：277 －278.

［5］張建堃，陳國宏，王家慶，等.干/濕NaCl鹽霧條件下鋼芯鋁絞(ACSR)導(dǎo)線腐蝕層結(jié)構(gòu)及腐蝕機(jī)理［J］.腐蝕與防護(hù)，2010，331(8)：581 －586，599.

［6］周和榮，馬堅(jiān)，李曉剛，等.純鋁在0.6 mol/LNaCl溶液中腐蝕行為的SECM分析［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2009，29(2)：8 －12.

［7］鄧書端，李向紅，付惠，等.鋁在NaOH中的腐蝕動力學(xué)參數(shù)［J］.清洗世界，2010，26(8)：24 －27.

［8］陳興偉，吳建華，王佳，等.電偶腐蝕影響因素研究進(jìn)展［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2010，22(4)：363 －366.