鋁合金散熱器腐蝕失效分析

左玉婷,杜鳳貞,夏 雯,劉淑鳳,劉安生,張智慧

(北京有色金屬研究總院 國標(北京)檢驗認證有限公司,北京 100088)

鋁合金散熱器腐蝕失效分析

左玉婷,杜鳳貞,夏 雯,劉淑鳳,劉安生,張智慧

(北京有色金屬研究總院 國標(北京)檢驗認證有限公司,北京 100088)

采用宏觀檢測、化學成分分析、力學性能試驗、顯微組織觀察等方法，對鋁合金散熱器漏水失效的原因進行了綜合分析。結(jié)果表明：散熱器管內(nèi)漆膜存在涂覆不均勻、堆積、氣泡、鼓泡等質(zhì)量問題，無法有效地隔絕循環(huán)水與鋁合金基體接觸，使鋁合金基體優(yōu)先在內(nèi)漆膜缺陷處發(fā)生局部腐蝕，并在循環(huán)水的沖刷作用下，加速腐蝕，最終造成散熱器管的腐蝕穿孔。

鋁合金；散熱器；腐蝕失效；涂層

鋁合金散熱器以其導熱性優(yōu)良、熱強度高等優(yōu)點成為目前供暖市場上普遍使用的產(chǎn)品，而耐蝕性是其重要的質(zhì)量指標之一。某小區(qū)新安裝的鋁合金散熱器，從供暖季開始使用數(shù)月后，多個散熱器相繼出現(xiàn)漏水，導致散熱器無法使用，檢查發(fā)現(xiàn)其散熱器管已腐蝕穿孔。該鋁合金散熱器采用6063鋁合金熱擠壓管，供應(yīng)狀態(tài)為T5。散熱器管由外涂層、6063鋁合金基材、內(nèi)漆膜三部分組成[1-9]。內(nèi)漆膜為采用機械涂裝工藝浸涂的防腐蝕涂料。新的鋁合金散熱器，在使用僅幾個月就發(fā)生腐蝕失效，屬不正?，F(xiàn)象，為了找出事故原因，防止此類事件再次發(fā)生，本工作對失效散熱器管及供暖循環(huán)水進行了理化檢驗，確定了鋁合金散熱器發(fā)生失效的根本原因,并提出了相應(yīng)的改進措施。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀檢測

將失效散熱器管剖開，對發(fā)生穿孔區(qū)域及整個內(nèi)壁進行宏觀觀察。由圖1可見，散熱器管穿孔區(qū)域尺寸約10 mm×5 mm，穿孔橫管的外漆膜光滑平整；在失效散熱器管內(nèi)壁穿孔區(qū)(圓圈區(qū)域)發(fā)生了嚴重的腐蝕，沿著水流方向出現(xiàn)了一帶狀的腐蝕區(qū)，該區(qū)域表面粗糙，呈灰白色，表面漆膜已經(jīng)剝落，除在外壁上可見的腐蝕孔外，還可見多個僅殘留外漆膜的腐蝕孔。另外，在剖開的失效散熱器管內(nèi)壁其他區(qū)域也存在多處大面積的腐蝕，如圖1(c)所示，該腐蝕區(qū)呈三角狀，其表面腐蝕產(chǎn)物的形態(tài)與穿孔區(qū)的類似。

宏觀檢測結(jié)果表明，散熱器管內(nèi)壁發(fā)生了嚴重腐蝕，腐蝕區(qū)域表面漆膜剝落，附著大量灰白色產(chǎn)物，腐蝕主要沿著下管水線高度向下管彎道底部發(fā)展；三角形腐蝕區(qū)的存在表明，在腐蝕過程中還存在

(a) 外壁整體

(b) 內(nèi)壁穿孔區(qū)

(c) 三角形腐蝕區(qū)圖1 失效散熱器管腐蝕的宏觀形貌Fig. 1 Macrographs of the failed pipe of the radiator:(a) whole out-wall; (b) perforated area in the in-wall;(c) triangle corrosion area

流體沖刷。初步判定，該散熱器管腐蝕穿孔為由內(nèi)向外的腐蝕穿孔。

1.2 供暖循環(huán)水分析

對該失效散熱器供暖循環(huán)水的pH、電導率以及水中Cl-、SO4-的含量進行了測試，結(jié)果如表1所示。表1中同時列出了JBD01-619-2004《供熱采暖系統(tǒng)水質(zhì)及防腐技術(shù)規(guī)程》標準對采用鋁質(zhì)散熱器時二次循環(huán)水的要求。由表1可見，供暖循環(huán)水的pH及Cl-、SO4-的含量均符合標準要求。

表1 供暖循環(huán)水分析結(jié)果及標準
Tab. 1 Water quality analysis of the circulating water and standard

項目pHCl-質(zhì)量濃度/(mg·L-1)SO42-質(zhì)量濃度/(mg·L-1)標準值8.5～9≤100≤150測量值8.644.268.0

1.3 化學成分分析

該散熱器管采用的是6063鋁合金，其化學成分分析結(jié)果如表2所示。由表2可見，失效散熱器的實測化學成分符合GB/T 3190-2008《變形鋁

表2 失效散熱器管的化學成分及標準(質(zhì)量分數(shù))Tab. 2 Chemical composition of the failed pipe of the radiator and standard (mass) %

及鋁合金化學成分》標準對6063鋁合金的要求。

1.4 力學性能分析

從失效散熱器第一根橫管處(未發(fā)生腐蝕)取樣，在AG-250KNIS電子萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗。試驗前采用化學方法去除試樣表面的白漆及內(nèi)漆膜，并按GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗方法》標準進行拉伸試驗。由表3可見，失效散熱器管的抗拉強度Rm、規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2、伸長率A以及維氏硬度均符合GB 5237.1-2008標準對6063-T5態(tài)鋁合金建筑型材的力學性能要求。

表3 失效散熱器管的力學性能
Tab. 3 Mechanical properties of the failed pipe of the radiator

試樣及標準Rm/MPaRp0.2/MPaA/%試樣厚度/mm維氏硬度/HV標準≥160≥110≥8≥0.8≥58試樣119518410.51.385試樣22152099.51.382

1.5 顯微組織分析

采用Zeiss Axiovert 200 MAT光學顯微鏡及JEOL JSM-7001F掃描電鏡對失效鋁合金散熱器基材組織進行了觀察。由圖2可見，該失效散熱器管的組織均勻，晶粒呈等軸狀，平均晶粒尺寸約100 μm，該組織中存在大量的短棒狀析出相，長約幾微米，并沿擠壓方向分布。由此可知，該失效散熱器管發(fā)生了明顯的再結(jié)晶，未發(fā)現(xiàn)嚴重的夾雜物等缺陷，可見鋁合金經(jīng)過了熱擠壓加工并進行了固溶時效處理，符合6063-T5態(tài)鋁合金的顯微組織形態(tài)特征。

1.6 腐蝕表面形貌及能譜分析

采用掃描電鏡及能譜儀對腐蝕坑的表面進行了分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，腐蝕區(qū)域表面疏松，內(nèi)漆膜已剝落，表面堆積著不同形態(tài)的腐蝕產(chǎn)物，且發(fā)生了脫水龜裂。采用能譜儀對表面的腐蝕產(chǎn)物進行了微區(qū)成分分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，腐蝕產(chǎn)物主要為富Zn的氧化物或者氫氧化物，同時含有大量的鋁氧化物，產(chǎn)物中還含有少量的Ca、Fe等元素。

(a) OM形貌 (b) SEM形貌圖2 失效散熱器管的顯微組織Fig. 2 Microstructure of the failed pipe of the radiator: (a) OM morphology; (b) SEM morphology

(a) 嚴重腐蝕區(qū)域，高倍(b) 嚴重腐蝕區(qū)域，低倍 (c) 小腐蝕坑，高倍 (d) 小腐蝕坑，低倍圖3 不同腐蝕區(qū)域的表面形貌Fig. 3 The micrographs of the corrosion area: (a) serious corrosion area, high magnification； (b) serious corrosion area, low magnification； (c) corrosion pit, high magnification; (d) corrosion pit, low magnification

圖4 表面腐蝕產(chǎn)物的能譜圖Fig. 4 EDS spectrum of the corrosion products on the surface

1.7 腐蝕截面形貌及能譜分析

采用掃描電鏡及能譜儀對腐蝕坑的截面進行了分析。由圖5(a，b)可見，腐蝕區(qū)域呈滴狀擴大，失效散熱器管的腐蝕由內(nèi)向外發(fā)展，管壁依次減薄直至穿孔；腐蝕坑內(nèi)可見不同形態(tài)的產(chǎn)物。采用能譜儀對坑內(nèi)不同深度處的腐蝕產(chǎn)物(圖中1,2處)進行了成分分析，結(jié)果如圖5(c，d)所示。EDS分析結(jié)果表明，腐蝕坑最下層為鋁基體，深灰色區(qū)域為鋁氧化物，如圖中2處所示。圖中1處的EDS結(jié)果表明，該處富含C、O、Si、Al、Mg、Zn元素，C、O、Si元素為內(nèi)漆膜的主要成分，表明部分區(qū)域的氧化鋁表面仍然殘留著內(nèi)漆膜，而內(nèi)漆膜表面沉積著一層鋅氧化物。

對腐蝕坑相鄰區(qū)域的截面形貌也進行了觀察。由圖6(a，b)可見，腐蝕坑相鄰區(qū)域發(fā)生了輕微腐蝕，該區(qū)域的腐蝕由表面及腐蝕坑向基體內(nèi)部擴展，腐蝕路徑按照一定的鋁合金晶體學方向呈階梯狀擴展[10-16]。對該區(qū)域兩處(圖中3,4處)的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，結(jié)果如圖6(c，d)所示。EDS分析結(jié)果表明，圖中3處存在S元素，4處存在Cl元素。腐蝕坑相鄰的區(qū)域，在內(nèi)漆膜與基材之間存在一深灰色區(qū)域，由圖5的分析結(jié)果可知，該深灰色區(qū)域為鋁氧化物。

從腐蝕產(chǎn)物的分析結(jié)果可知，鋁合金基體發(fā)生腐蝕后主要的腐蝕產(chǎn)物為鋁的氧化物或者氫氧化物。在循環(huán)水的流動作用下發(fā)生腐蝕區(qū)域極易堆積水垢等管道內(nèi)的雜質(zhì)，腐蝕產(chǎn)物主要為富鋅的氧化物或者氫氧化物，還含有少量Ca、Fe等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)主要來源于供暖鋼管道的鐵銹，鍍鋅鋼管的鋅的氧化物或者氫氧化物，以及循環(huán)水中的含鈣雜質(zhì)。

(a) 腐蝕坑截面形貌，低倍 (b) 腐蝕坑截面形貌，高倍

(c) 1處腐蝕產(chǎn)物的能譜圖 (d) 2處腐蝕產(chǎn)物能譜圖圖5 腐蝕坑截面形貌及腐蝕產(chǎn)物能譜圖Fig. 5 Sectional morphology of a corrosion pit at low (a) and high (b) magnifications and EDS spectra of corrosion products in location 1 (c) and location 2 (d)

(a) 腐蝕坑相鄰區(qū)域的截面形貌，低倍 (b) 腐蝕坑相鄰區(qū)域的截面形貌，高倍

(c) 3處腐蝕產(chǎn)物的能譜圖 (d) 4處腐蝕產(chǎn)物的能譜圖圖6 腐蝕坑相鄰區(qū)域的截面形貌及腐蝕產(chǎn)物能譜圖Fig. 6 Sectional morphology of the area near corrosion pit at low (a) and high (b) magnifications and EDS spectra of corrosion products in location 3 (c) and location 4 (d)

1.8 內(nèi)漆膜表面觀察

內(nèi)漆膜對散熱器的基材起到隔離防護作用，因此內(nèi)漆膜的質(zhì)量將影響散熱器的使用壽命。切開該散熱器的多個橫管、豎管觀察發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)漆膜存在較嚴重的漆料堆積、氣泡等缺陷，如圖7所示。同時發(fā)現(xiàn)管壁存在部分漆膜未覆蓋的區(qū)域，如圖8所示，這使得循環(huán)水與鋁合金基體直接接觸，產(chǎn)生了腐蝕，但是腐蝕相對較輕微，因此可看到部分灰白色區(qū)域。

圖7 失效散熱器管漆膜的缺陷Fig. 7 Defects of the interior coating on the failed pipe of the radiator

圖8 管壁內(nèi)漆膜未能完全覆蓋的區(qū)域Fig. 8 The area uncovered by interior coating on the in-wall

2 失效原因分析

失效散熱器管在化學成分、微觀組織、力學性能方面均符合鋁合金散熱器的要求，這表明造成散熱器管穿孔失效的原困并非基體材料的質(zhì)量問題。

該失效該散熱器管內(nèi)漆膜存在明顯的堆積、鼓泡等的現(xiàn)象，不符合質(zhì)量要求。內(nèi)漆膜起到隔絕循環(huán)水與鋁合金基體的作用，在內(nèi)漆膜發(fā)生缺陷的區(qū)域可能存在縫隙，導致循環(huán)水與鋁合金基體直接接觸并發(fā)生腐蝕。宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，鼓泡區(qū)域易堆積水垢，循環(huán)水的沖刷作用下內(nèi)漆膜發(fā)生剝落，導致鋁合金基體與循環(huán)水接觸，發(fā)生腐蝕。腐蝕產(chǎn)生的鋁氧化物覆蓋在腐蝕表面，在堿性循環(huán)水的沖刷作用下，部分區(qū)域腐蝕產(chǎn)物脫落，露出新的鋁合金基體，此區(qū)域成為活性區(qū)域，繼續(xù)在堿性循環(huán)水中發(fā)生腐蝕。在腐蝕坑相鄰的區(qū)域，腐蝕沿著內(nèi)漆膜與基體之間的縫隙進一步擴展，在循環(huán)水的沖刷作用下，腐蝕區(qū)域周圍的內(nèi)漆膜加速脫落，進一步擴大腐蝕的面積，最終造成鋁合金散熱器的腐蝕穿孔[17-20]。

3 結(jié)論與建議

散熱器管內(nèi)漆膜存在涂覆不均勻、堆積、氣泡、鼓泡等質(zhì)量問題，無法有效耐久地隔絕循環(huán)水與鋁合金散熱器，使鋁合金基體優(yōu)先在此處發(fā)生局部腐蝕，并在堿性循環(huán)水的沖刷作用下，加速腐蝕，最終導致鋁合金散熱器在使用幾個月后發(fā)生穿孔失效。建議改進鋁合金內(nèi)漆膜的浸涂工藝，改善內(nèi)漆膜的表面質(zhì)量，消除內(nèi)漆膜堆積、氣泡、鼓包等質(zhì)量缺陷，增加內(nèi)漆膜與基材的結(jié)合力。

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Corrosion Failure Analysis of Aluminum Radiator

ZUO Yu-ting, DU Feng-zhen, XIA Wen, LIU Shu-feng, LIU An-sheng, ZHANG Zhi-hui

(Guo Biao (Beijing) Testing and Certification Co., Ltd., General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China)

Macro inspection, chemical composition analysis, mechanical testing and microstructure observation were conducted in order to analyze the causes of corrosion failure of an aluminum radiator. The results show that the internal coating of the aluminum radiator pipe had some quality problems, such as nonuniform coating, accumulation and bubbles. So the internal coating was unable to effectively isolate circulating water from the aluminum alloy base metal. The aluminum alloy prior corroded in the defect-areas and the corrosion accelerated in the erosion of circulating water, resulting in corrosion perforation of the radiator pipe finally.

aluminum alloy; radiator; corrosion failure; coating

2016-02-26

左玉婷(1986-)，工程師，碩士，從事材料組織分析工作，15810590540，beatleszyt@163.com

10.11973/fsyfh-201612015

TG174.4

B

1005-748X(2016)12-1018-05