某新型洗烘一體滾筒洗衣機(jī)鋁合金烘道腐蝕分析

韋剛 王紅強 湯志鳴

惠而浦（中國）股份有限公司 安徽合肥 230088

0 引言

鋁合金的密度低，比強度、比剛度高，具有良好的塑性體流變特性；其結(jié)晶溫度范圍窄，線收縮率小，易于成型和切削加工，有較高的力學(xué)性能及抗蝕性，近年來被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、家電等領(lǐng)域；其中，壓鑄鋁合金由于兼具普通鋁合金和變形鋁合金優(yōu)異的強度、韌性等力學(xué)性能，以及加工工藝簡單、易于添加合金元素，成本低廉的特性，因而在航空、汽車、家電等領(lǐng)域備受關(guān)注。

壓鑄工藝是通過將流體或半流體金屬在較高壓力下以高速填充至壓鑄模中，在壓力作用下成型并凝固，最終獲得鑄件產(chǎn)品。由于壓鑄工藝成型的鑄件具有尺寸精度高、強度高、材料利用率高等優(yōu)勢，壓鑄及高強壓鑄工藝廣泛應(yīng)用于制造形狀復(fù)雜、承受中度載荷的構(gòu)件中[1]。在壓鑄鋁合金中加入Si、Cu等元素形成Al-Si-Cu系合金，可顯著提高產(chǎn)品的鑄造性能、導(dǎo)熱性、耐蝕性、抗蠕變性能、強度和硬度等性能[1]。

由于Al-Si-Cu系合金應(yīng)用廣泛，其耐腐蝕性能受到研究者的廣泛關(guān)注。張莉等采用全浸法和電化學(xué)法研究了A380和A360鋁合金的耐腐蝕性能，結(jié)果表明，含Cu量較高的A380合金更易腐蝕，Cu元素是導(dǎo)致和合金體腐蝕的有害元素，因此從耐腐蝕性角度，應(yīng)降低合金成分中的Cu元素含量[2]；宛萍芳等采用自來水點滴法和中性鹽霧試驗法研究了ADC12鋁合金的耐腐蝕性能，結(jié)果表明，Cu含量對ADC12的耐腐蝕影響很大，同時，由于基體腐蝕經(jīng)常引起合金成分中的Fe元素提前產(chǎn)生黃斑腐蝕，因此對ADC12制件的外觀也有不利影響[3]；張茂勛等研究了ADC12鋁合金在高溫蒸汽中的腐蝕行為，結(jié)果表明，在鑄態(tài)或固溶處理后的合金，依據(jù)不同的狀態(tài)，其腐蝕與Al-Cu基化合物有關(guān)[4]。此外，余學(xué)民等指出，潮濕、高溫等環(huán)境對家電的影響都很大，可能造成嚴(yán)重后果[5]。

1 研究背景

如圖1所示，洗烘一體滾筒洗衣機(jī)烘干系統(tǒng)，主要由烘道、除濕管、洗衣/烘干筒構(gòu)成。當(dāng)滾筒洗衣機(jī)處于洗衣狀態(tài)時，由于洗衣/烘干筒與烘道處于聯(lián)通狀態(tài)，筒內(nèi)的水汽擴(kuò)散進(jìn)入烘道內(nèi)，在烘道內(nèi)形成常溫高濕環(huán)境；當(dāng)滾筒洗衣機(jī)處于烘干狀態(tài)時，烘道內(nèi)的加熱管工作，再通過風(fēng)扇將熱空氣送入洗衣/烘干筒，利用水在熱空氣中飽和蒸氣壓高的特點，將筒內(nèi)衣物所含的水分蒸發(fā)并帶走，進(jìn)入除濕管中，而除濕管中通有冷水，熱空氣在此降溫成為冷空氣，飽和蒸氣壓降低，所含水汽冷凝析出，排出筒外，此時烘道內(nèi)處于高溫高濕狀態(tài)。當(dāng)滾筒洗衣機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時，隨著水分的蒸發(fā)，洗衣/烘干筒-烘道-除濕管系統(tǒng)處于常溫常濕狀態(tài)。因此，就烘道這一部件而言，在滾筒洗衣機(jī)不同的工作狀態(tài)下，其處于高溫-高濕-常溫-常濕復(fù)雜交替的狀態(tài)，再加上洗滌劑、軟化劑等的影響，烘道的腐蝕環(huán)境比較嚴(yán)酷。

圖1 滾筒洗衣機(jī)烘道工作狀態(tài)示意圖

過往的研究均表明，Al-Si-Cu系合金的腐蝕與Cu元素或Fe元素有關(guān)，但其試驗條件均采用了標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，與實際使用環(huán)境有較大差距。本試驗中的烘道部件工作環(huán)境處于高溫-常溫-高濕-常濕復(fù)雜交叉疊加狀態(tài)，更貼近用戶實際使用場景，研究該部件的腐蝕行為，對產(chǎn)品的腐蝕控制具有實際的指導(dǎo)意義。

目前，市面上的滾筒洗衣機(jī)烘道外殼通常由壓鑄工藝制造，材料為Al-Si-Cu系合金；某新開發(fā)的烘道組件，其材質(zhì)為ADC12鋁合金（日本牌號），成分與國產(chǎn)YL113鋁合金（合金牌號YZAlSi11Cu3）接近，其各元素質(zhì)量百分比為Si：9.6～12 wt%，Cu：1.5～3.5 wt%，F(xiàn)e＜0.9 wt%，Mg＜0.3 wt%，Mn＜0.5 wt%，Zn＜1.0 wt%，Ni＜0.5 wt%，Sn≤0.2 wt%，Pb≤0.2 wt%，Al余量，合金元素（雜質(zhì)）的成分范圍較寬泛。

在針對上述由ADC12鋁合金壓鑄制造而成的新型烘道部件進(jìn)行耐久測試的過程中，發(fā)現(xiàn)該部件在等效正常使用約1年時就已嚴(yán)重腐蝕，表面布滿腐蝕產(chǎn)物，嚴(yán)重影響使用體驗。為此，本文從微觀組織結(jié)構(gòu)、腐蝕產(chǎn)物的成分與結(jié)構(gòu)入手，結(jié)合該產(chǎn)品的實際工況，分析了腐蝕機(jī)理，并提出改進(jìn)措施。

2 試驗和分析

2.1 新型烘道部件耐久測試

將開發(fā)的新型烘道部件安裝到洗衣機(jī)整機(jī)上，模擬用戶實際使用的時長和頻次進(jìn)行洗、烘全程序循環(huán)耐久測試。單次測試程序一般時長約為5 h，連續(xù)測試周期為3500周期，總時長約為等效用戶正常使用10年。要求測試完成后，烘道部件結(jié)構(gòu)、功能正常，性能滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。

在本項測試中，上述烘道組件在等效用戶正常使用1年（循環(huán)測試約360周期）時已出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，經(jīng)研判，無法達(dá)到正常使用標(biāo)準(zhǔn)，試驗終止。

2.2 腐蝕產(chǎn)物成分分析

耐久試驗終止后，在烘道部件較典型的嚴(yán)重腐蝕面上，附著有內(nèi)外兩層灰白色和黑色兩種腐蝕產(chǎn)物。分別刮取表面灰白色及內(nèi)層黑色腐蝕產(chǎn)物，研磨成粉末，采用日本理學(xué)D/MAX2500V型X-射線衍射儀（XRD）測試腐蝕產(chǎn)物的物相組成；測試參數(shù)：Cu靶（Kα，波長λ=0.154 nm），管電壓20 kV，管電流200 mA，衍射角范圍2θ=10°～80°，掃描速率3°/min；

2.3 腐蝕部位顯微結(jié)構(gòu)分析

在烘道部件較典型的嚴(yán)重腐蝕面上切取一部分作為樣品，用環(huán)氧樹脂鑲嵌；切割并對切面研磨拋光，再用10 wt%NaOH溶液腐蝕后，使用MR-3000金相顯微鏡觀察腐蝕試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 外觀檢查和初步分析

如圖2所示，對烘道部件的拆解觀察顯示，該烘道部件在測試過程中，等效正常使用1年左右就已嚴(yán)重腐蝕，表面發(fā)黑，布滿裂紋、腐蝕空洞等缺陷，表面附著有大量灰白色物質(zhì)，腐蝕深度大，嚴(yán)重影響功能和使用體驗，繼續(xù)使用有隨時失效的風(fēng)險。經(jīng)初步分析，其表面附著的灰白色物質(zhì)不溶于水，排除洗衣粉或其它洗滌劑沉積物，確認(rèn)為腐蝕產(chǎn)物。

圖2 某新型烘道部件腐蝕前后形貌對比

3.2 腐蝕產(chǎn)物和腐蝕表面的顯微結(jié)構(gòu)

由于該烘道部件所使用壓鑄合金的平均Si含量為11 wt%，由圖3的Al-Si合金相圖[6]可見，合金為亞共晶成分，與共晶成分（12.6 wt%Si）十分接近，故而該合金的組織應(yīng)為先共晶α-Al+共晶（Al+Si）。但因其中含F(xiàn)e、Cu、Mn等合金成分，該鋁合金中可能含少量Al2Cu及復(fù)雜的Al-Fe-Mn-Si(Cu)相[7-9]。值得注意的是，鑄造Al-Si合金中的富鐵相主要有六方結(jié)構(gòu)的A18Fe2Si相（α-Fe，F(xiàn)e可部分地被Mn、Cr等合金元素替代）及單斜結(jié)構(gòu)的A15FeSi相(β-Fe)[10]。

圖3 Al-Si合金相圖[6]

在腐蝕樣件上分別刮取表層灰白色和內(nèi)層黑色的腐蝕產(chǎn)物，并研磨成粉后（如圖4所示），進(jìn)行XRD測試。

圖4 烘道表面灰白色及黑色腐蝕產(chǎn)物粉末樣品

對圖5 b）的XRD測試結(jié)果進(jìn)行分析可以得到，表層灰白色腐蝕產(chǎn)物絕大多數(shù)為Al(OH)3，另含少量的AlOOH[11]及混入的Al、Si雜質(zhì)。而圖5 a）的測試結(jié)果顯示，內(nèi)層的黑色腐蝕產(chǎn)物，主要是腐蝕殘留的Al及不被腐蝕的Si。

圖5 烘道表面黑色及灰白色腐蝕產(chǎn)物粉末樣品的XRD譜圖

由圖6 a）可見，烘道截面上的部分區(qū)域腐蝕比較嚴(yán)重，形成明顯的腐蝕坑（圖6箭頭所示），腐蝕坑的深度約為55 μm。如果該烘道鋁合金鑄件的結(jié)構(gòu)不致密，內(nèi)含連通的孔洞，則腐蝕液可滲透到基體內(nèi)部，加劇烘道的腐蝕，如圖6 b）所示，在腐蝕坑前沿形成放射狀的腐蝕點，腐蝕前沿距烘道外表面約250 μm。

圖6 烘道腐蝕后鋁合金截面的光學(xué)顯微鏡照片

綜合以上分析，該烘道部件使用過程中所發(fā)生的腐蝕，主要是其中Al基體的腐蝕，形成Al(OH)3、AlOOH等腐蝕產(chǎn)物，在基體內(nèi)部形成大小不一的腐蝕孔洞；同時，腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，分布于腐蝕孔表面及合金表面，又很容易繼續(xù)吸收腐蝕溶液，在上述腐蝕孔洞的基礎(chǔ)上加速向基體內(nèi)部腐蝕。

3.3 腐蝕機(jī)理

ADC12合金成分中，Si含量為9.6～12 wt%，與共晶成分（12.6 wt%Si）十分接近，組織為先共晶α-Al+共晶（Al+Si）。Al的電極電位為-0.85 V，Si的電極電位為-0.26 V，因此共晶（Al+Si）組織中，Al和Si兩相間存在0.59 V電位差[6]，若合金表面附著有含電解質(zhì)的腐蝕介質(zhì)，容易形成微觀腐蝕電池，發(fā)生析氫反應(yīng)，總反應(yīng)式為：

2Al+6H2O→2Al(OH)3↓+3H2↑

反應(yīng)形成的反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)3，可在腐蝕介質(zhì)中形成膠體，干燥后在鋁合金件表面沉積下來，形成灰白色的腐蝕產(chǎn)物層，同時Al(OH)3干燥脫水，形成AlOOH。

滾筒洗衣機(jī)的桶系統(tǒng)和烘道系統(tǒng)是一個彼此聯(lián)通的整體，當(dāng)洗衣機(jī)處于正常洗衣工作狀態(tài)時，即便烘道不工作，洗衣桶內(nèi)所含有的洗滌劑、衣物柔順劑、除菌劑等的溶液也會以蒸氣的形式進(jìn)入烘道內(nèi)部；洗滌劑和軟化劑中含有的堿性物質(zhì)、表面活性劑，除菌劑中含有的氧化物質(zhì)等，均易溶于水形成電解質(zhì)溶液，有利于微觀腐蝕電池的形成；此外，洗衣機(jī)工作和靜止的狀態(tài)交替，導(dǎo)致包括烘道在內(nèi)的聯(lián)通系統(tǒng)內(nèi)部呈現(xiàn)干濕交替的狀態(tài)，上述電解質(zhì)溶液附著在烘道壁上后，隨著干態(tài)下部分水分的蒸發(fā)，溶液的濃度升高，腐蝕進(jìn)程加劇。此外，烘道在工作過程中，內(nèi)部溫度超過100℃，上述反應(yīng)在高溫下加劇。

鋁合金烘道部件表層被腐蝕后，更多的Si及少量的α-Fe、β-Fe及θ-Al2Cu殘留下來，這些成分相對于Al基體是電化學(xué)反應(yīng)中的陰極相，且結(jié)構(gòu)疏松，易吸水，在使得鋁合金表面呈黑色的同時，更加劇了ADC12基體的腐蝕。

4 改進(jìn)措施

通過分析測試的結(jié)果，結(jié)合上述腐蝕機(jī)理，可以得出結(jié)論，由于存在較大的電位差，較多的Si元素和Fe元素容易和Al基體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成腐蝕，對烘道部件的耐腐蝕性能不利。因此，為烘道部件重新調(diào)整合金材料的元素比例，適當(dāng)降低Si元素和Fe元素的含量，可能提高烘道部件的耐腐蝕性能。

此外，氣孔、組織疏松等工藝缺陷，加劇了腐蝕液的滲透和沉積，也容易造成烘道部件的加速腐蝕。因此，有必要對壓鑄工藝提出更高要求，控制單位面積工藝缺陷，也有利于提高烘道部件的耐腐蝕性能。

洗衣機(jī)的烘干系統(tǒng)，由于常年封閉且處于高低溫和干濕雙重交替狀態(tài)，對其耐腐蝕性能要求很高，有針對性地調(diào)整合金材料的元素比例并嚴(yán)格把控生產(chǎn)工藝是十分必要的。

5 結(jié)論

（1）針對某新型壓鑄鋁合金烘道部件開發(fā)過程中所遇到的早期腐蝕失效現(xiàn)象，分析了腐蝕產(chǎn)物組成、顯微組織結(jié)構(gòu)，討論了腐蝕機(jī)理，探究腐蝕形成的原因。

（2）ADC12鋁合金烘道為近共晶Al-Si合金，由先共晶α-Al及（Al+Si）共晶構(gòu)成。

（3）鋁合金烘道的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，Al為陽極，Si及富Fe相為陰極，反應(yīng)形成反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)3，部分干燥脫水后，形成AlOOH，呈灰白色。而腐蝕后的Al合金表層主要是殘留的Si等其它雜質(zhì)，呈黑色，結(jié)構(gòu)疏松，易開裂、破碎。

（4）適當(dāng)降低鋁合金烘道原料中的Si、Fe含量，同時優(yōu)化壓鑄工藝，避免氣孔、疏松等缺陷的形成，可以減緩腐蝕溶液滲入的速度，提高鋁合金壓鑄烘道部件的使用壽命。