幾種鋁合金材料在汽車防凍液中的腐蝕行為

劉奮照

（呂梁學(xué)院化學(xué)化工系，山西呂梁033000）

為了減少廢氣污染、降低能源消耗，汽車工業(yè)目前向著減輕車身重量的方向發(fā)展。隨著輕量化概念的持續(xù)升溫，傳統(tǒng)材料未來將面臨大范圍的更新及替換，而輕質(zhì)材料之間也將掀起新一番的激烈競爭。鋁合金導(dǎo)電性能好，循環(huán)利用率高，是密度較小的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有很大的減重潛力，有望成為汽車輕量化的重要選擇［1-3］。不同的鋁合金材料因成分、組織不同在汽車防凍液中的腐蝕行為相差較大，鋁合金在汽車防凍液中的腐蝕問題更直接影響著汽車零部件的使用安全和使用壽命，制約著其作為汽車發(fā)動機(jī)材料的使用［4］。目前商用汽車防凍液因主要成分及添加劑不同，耐腐蝕性能也差別較大［5-6］，對鋁合金在不同汽車發(fā)動機(jī)防凍液中的腐蝕情況研究報道相對較少，因此本文選擇2024 鋁合金，鋁LY12，鑄鋁ZL101 和鋁鎂合金四種材料作為對比研究材料，將采用靜態(tài)失重法、極化曲線法和交流阻抗法對四種鋁合金在兩種不同成分的市售汽車防凍液中的腐蝕行為進(jìn)行研究，以期尋找鋁合金材料在汽車工業(yè)應(yīng)用中較為適用的汽車防凍液，對其在汽車發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用開發(fā)提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及試劑

1.1.1 腐蝕試片前處理

實驗材料為2024 鋁合金，鋁LY12，鑄鋁ZL101和鋁鎂合金，化學(xué)成分如表1所示。

表1 實驗材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of the experimental materials（wt.%）

由于活潑的鋁合金表面會有一層氧化膜，且表面容易吸附雜質(zhì)，需對幾種鋁合金材料進(jìn)行表面預(yù)處理，除去外界干擾，防止樣品表面被氧化。用型號為400#、600#、800#、1000#和1500#的金相砂紙對腐蝕試片（I 型，50 mm×25 mm×2 mm）進(jìn)行打磨，用酒精沖洗，吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)烘干，備用；另一部分腐蝕試片切割磨制成10 mm×10 mm，用焊錫將非工作面與銅導(dǎo)線相連，并用環(huán)氧樹脂封裝，外暴露面積為1 cm2，用金相砂紙逐級打磨，經(jīng)酒精沖洗，冷風(fēng)吹干，待用。

1.1.2 汽車防凍液的選擇

本實驗所用汽車防凍液為常見市售廣州市標(biāo)榜汽車用品實業(yè)有限公司的16型紅色標(biāo)榜防凍液（主要成分為丙二醇，記為1號）和16型綠色標(biāo)榜防凍液（主要成分為乙二醇，記為2號）。

1.2 實驗方法

1.2.1 靜態(tài)失重法

將處理好的四種鋁合金腐蝕試片（I型，50 mm×25 mm×2 mm）室溫浸泡并懸掛在1 號和2 號汽車防凍液中進(jìn)行失重腐蝕實驗，每組取2個平行樣，腐蝕實驗分別進(jìn)行1 d、3 d、10 d和15 d后取出，用橡皮擦除去表面蓬松腐蝕產(chǎn)物至腐蝕試片表面呈光亮，去離子水沖洗，干燥。用電子分析天平稱量腐蝕前后試片的重量，腐蝕前質(zhì)量記M1，腐蝕后質(zhì)量記M2，腐蝕速率V用公式（1）計算。

式中：M1為腐蝕前金屬的質(zhì)量，g；M2為腐蝕后金屬的質(zhì)量，g；V為腐蝕速率，g·m-2·d-1；t為腐蝕時間，d；S為金屬與腐蝕介質(zhì)接觸的面積，m2。

1.2.2 電化學(xué)測試

幾種鋁合金材料在不同汽車防凍液中的極化曲線和電化學(xué)阻抗譜圖測試采用CS350電化學(xué)工作站（武漢科思特儀器有限公司）。采用三電極體系，工作電極為處理好的鋁合金電極，參比電極選飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。用普林斯頓283A阻抗分析軟件分析電化學(xué)交流阻抗數(shù)據(jù)，頻率范圍0.05～65000 Hz，交流信號幅值±10 mV。采用 Corrtest 電化學(xué)測試系統(tǒng)腐蝕分析軟件測試樣品極化曲線數(shù)據(jù)，掃描區(qū)間-0.5～0.6 V，掃描速度為1 mV/s。采用Tafel 法對極化曲線進(jìn)行了擬合，得到自腐蝕電位和自腐蝕電流等電化學(xué)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 失重腐蝕

不同腐蝕時間下幾種鋁合金材料在不同汽車防凍液中的腐蝕速率曲線如圖1所示。

從圖1（a）和（b）可以看出，在同一種汽車防凍液中，鋁LY12 腐蝕初期速率最大，2024 鋁合金的初期腐蝕速率則最??；隨著腐蝕時間的延長，四種鋁合金材料的腐蝕速率均呈現(xiàn)減小的規(guī)律，在10 d 時腐蝕速率達(dá)到最小，而后略有浮動。在腐蝕初期，汽車防凍液中的Cl－、H+、OH－等會依附在鋁合金氧化膜的缺陷處造成金屬腐蝕［7］，因此四種鋁合金材料在汽車防凍液中的初期腐蝕速率會較大。一方面由于鋁是活潑金屬，一旦鋁合金表面的疏松層遭到破壞，立即會形成新的鈍化膜阻止腐蝕繼續(xù)進(jìn)行［8］；另一方面市售汽車防凍液都添加有一定量的緩蝕劑，起到了降低腐蝕速率，保護(hù)鋁合金的作用。對比圖1（a）和圖1（b）可以看出，同種鋁合金材料在不同汽車防凍液中腐蝕速率存在一定的差異，四種鋁合金材料均在2號汽車防凍液中的腐蝕速率要低于1號，說明2 號汽車防凍液中吸附離子的阻力最大，腐蝕較緩慢，鋁合金材料的抗腐蝕性能最好。

圖1 幾種鋁合金在不同汽車防凍液中的腐蝕速率曲線Fig.1 Corrosion rate curves of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

2.2 極化曲線

圖2 是幾種鋁合金材料在不同汽車防凍液中的極化曲線。

圖2 幾種鋁合金材料在不同汽車防凍液中的極化曲線Fig.2 Polarization curves of several aluminum alloy materials in different automotive antifreeze solutions

由圖2 可見，四種鋁合金材料在不同汽車防凍液中的極化曲線走勢相似。對各極化曲線進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)列于表2。從表2 可知，四種鋁合金材料在1 號汽車防凍液中均具有較高的腐蝕電流密度，表明在1 號汽車防凍液中宏觀腐蝕速率最大；2號汽車防凍液中腐蝕電位較高，說明四種鋁合金材料在2 號汽車防凍液中不容易被腐蝕，抗腐蝕性能好。

表2 鋁合金在不同汽車防凍液中的極化曲線參數(shù)擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of polarization curve parameters of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

2.3 交流阻抗譜圖

圖3 為幾種鋁合金材料在不同汽車防凍液中靜置0.5 h后測得的交流阻抗譜圖。

交流阻抗譜圖的低頻區(qū)反映的是電荷通過雙電層的受阻程度，即發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的快慢程度，低頻區(qū)容抗弧越大，表示該溶液中電荷傳遞的阻力越大，電化學(xué)反應(yīng)的活性也越低。反之，則電荷傳遞阻力小，電化學(xué)反應(yīng)活性高［9-10］。從圖3 中可以看出，四種鋁合金材料均在2 號汽車防凍液中，阻抗譜圖低頻區(qū)容抗弧較大，說明在該溶液中電荷傳遞阻力最大，電化學(xué)反應(yīng)活性最低，因此，四種鋁合金材料在2 號防凍液中的宏觀腐蝕速率較低，該結(jié)論與極化曲線中的腐蝕電流密度所體現(xiàn)的結(jié)果一致。

圖3 幾種鋁合金材料在不同汽車防凍液中的阻抗譜圖Fig.3 Impedance spectra of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

對幾種鋁合金材料在不同汽車防凍液中的交流阻抗譜進(jìn)行擬合，等效電路以及擬合結(jié)果如圖4 和表3所示。

圖4 幾種鋁合金在不同汽車防凍液中的阻抗譜等效電路圖Fig.4 Electrochemical equivalent circuit for EIS fitting of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

表3 幾種鋁合金在不同汽車防凍液中的阻抗譜擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of impedance parameters of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

Rs表示處在金屬電極與參比電極間的溶液層電阻，CPE 表示金屬表面雙電層電容，Rt表示溶液電荷傳遞電阻。

從表3可知，四種鋁合金材料均在2號汽車防凍液中的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rt較大，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rt的大小一定程度上體現(xiàn)了電極表面反應(yīng)速率大小，與腐蝕電流密度所表征的腐蝕速率一致。

3 結(jié)論

本文采用靜態(tài)失重法、極化曲線法和交流阻抗法考察了2024 鋁合金，鋁LY12，鑄鋁ZL101 和鋁鎂合金等四種鋁合金材料在市售兩種常見汽車防凍液中的腐蝕行為。

（1）靜態(tài)失重法結(jié)果表明，四種鋁合金材料在汽車防凍液中的初期腐蝕速率相差甚遠(yuǎn)，其中鋁LY12最大，2024 鋁合金則最?。凰姆N鋁合金材料的腐蝕速率會隨腐蝕時間的延長而減小，在10 d 時達(dá)到最??；四種鋁合金材料在2 號汽車防凍液中的腐蝕速率普遍要低于1號，說明在2號汽車防凍液中抗腐蝕性能最好。

（2）極化曲線結(jié)果表明，四種鋁合金材料在2 號汽車防凍液中腐蝕電流密度更小，腐蝕電位更正，說明鋁材在2號汽車防凍液中不易被腐蝕。

（3）交流阻抗譜圖結(jié)果表明，四種鋁合金材料在2 號汽車防凍液中低頻區(qū)容抗弧更大，電荷通過雙電層傳遞的阻力更大，電化學(xué)反應(yīng)的活性更低，腐蝕速率更小。

綜合說明，2 號汽車防凍液對四種鋁合金材料的腐蝕最輕，較適宜于鋁合金材料的汽車發(fā)動機(jī)使用。