試驗(yàn)環(huán)境對(duì)Al-Si系壓鑄合金腐蝕形態(tài)及力學(xué)性能的影響研究

張?chǎng)?李偉 喬小兵 謝文才 周勝藍(lán)

（一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

Al-Si系合金因具有良好的流動(dòng)性、鑄造收縮性和適宜的力學(xué)性能[1]，在汽車支架、殼體類零件中應(yīng)用廣泛。但隨著鋁壓鑄件應(yīng)用的不斷增多，鑄鋁腐蝕導(dǎo)致的外觀及可靠性問題也逐漸成為汽車行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)。

大氣環(huán)境下，導(dǎo)致鑄鋁發(fā)生腐蝕的環(huán)境因素主要有環(huán)境濕度、溫度和大氣成分等。在較高濕度或大溫變條件下，水滴聚集在鑄鋁件表面，并溶解大氣中的鹽分、SO2、SO3、煤煙和灰塵等，形成酸性試驗(yàn)環(huán)境，侵蝕鑄鋁表面氧化膜，導(dǎo)致腐蝕發(fā)生與加速；與之相對(duì)，在干燥環(huán)境下，鑄鋁件較少發(fā)生腐蝕[2]。因而鑄鋁件在沿海濕熱或內(nèi)陸潮濕地區(qū)更容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

為探究不同試驗(yàn)環(huán)境對(duì)Al-Si系合金腐蝕形態(tài)及力學(xué)性能的影響，本文設(shè)置了中性鹽霧和循環(huán)腐蝕2種試驗(yàn)條件，分別模擬Al-Si系合金在沿海高鹽濕熱、內(nèi)陸潮濕氣候下的腐蝕過程，并對(duì)A380、YL113、YL104 3種典型的Al-Si系壓鑄合金進(jìn)行耐蝕性研究與性能評(píng)價(jià)，研究鑄鋁腐蝕機(jī)理，為鑄鋁腐蝕防護(hù)及鑄件可靠性設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)與理論支撐。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

采用力勁D280壓鑄機(jī)制備壓鑄試樣（GB/T 13822—2017《壓鑄有色合金試樣》中A型試樣），用于不同試驗(yàn)環(huán)境下的耐蝕性試驗(yàn)。制備的A380、YL113、YL104 3種壓鑄試樣成分檢測(cè)結(jié)果見表1，壓鑄試樣形貌見圖1。

圖1 壓鑄試樣形貌

表1 壓鑄試樣成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 試驗(yàn)方法

A380、YL113、YL104 3種壓鑄試樣分別在中性鹽霧和循環(huán)腐蝕條件下進(jìn)行耐蝕性驗(yàn)證。中性鹽霧試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》，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種壓鑄試樣的腐蝕形貌及力學(xué)性能分析。循環(huán)腐蝕試驗(yàn)步驟見表2，分別在循環(huán)試驗(yàn)的第15天、30天、60天取樣，進(jìn)行3種壓鑄試樣的腐蝕形貌及力學(xué)性能分析。

表2 循環(huán)腐蝕試驗(yàn)步驟

采用OLYMPUS金相顯微鏡和ZEISS場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)處在不同時(shí)長(zhǎng)中性鹽霧下的3種壓鑄試樣進(jìn)行腐蝕形貌與腐蝕深度分析。采用X射線能譜儀（EDX）對(duì)3種壓鑄試樣的腐蝕產(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種壓鑄試樣的力學(xué)性能分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)環(huán)境對(duì)試樣腐蝕形貌及腐蝕深度的影響

A380、YL113、YL104壓鑄試樣經(jīng)504 h中性鹽霧和60天循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后的宏觀形貌見圖2。

圖2 壓鑄試樣經(jīng)中性鹽霧與循環(huán)腐蝕后宏觀形貌

從整體腐蝕程度分析，與處于中性鹽霧504 h相比，經(jīng)60天循環(huán)腐蝕后，3種壓鑄試樣外表面的“白色絮狀”腐蝕產(chǎn)物分布更密集且腐蝕層較厚，表明循環(huán)腐蝕60天的試樣腐蝕程度更嚴(yán)重。分析3種壓鑄試樣的腐蝕差異：A380和YL113壓鑄試樣在2種試驗(yàn)環(huán)境下的腐蝕程度相近且均腐蝕嚴(yán)重；YL104壓鑄試樣腐蝕程度輕微，試樣表面僅存在較薄層腐蝕產(chǎn)物（中性鹽霧504 h）或分散點(diǎn)狀腐蝕產(chǎn)物（循環(huán)腐蝕60天）。

圖3和圖4分別為A380、YL113、YL104壓鑄試樣經(jīng)504 h中性鹽霧和60天循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后的微觀腐蝕形貌。

圖3 504 h中性鹽霧下3種試樣微觀腐蝕形貌

由圖3和圖4可知：腐蝕主要發(fā)生在試樣表面，形成了不連續(xù)的腐蝕坑，腐蝕坑形態(tài)為凹弧狀，向基體中心擴(kuò)展。由部分腐蝕坑內(nèi)殘留的基體組織（圖3a和圖4a）及腐蝕坑底部與基體交匯處界面不平整現(xiàn)象（圖3a和圖3b）推測(cè)，3種壓鑄合金的腐蝕具有一定組織選擇性與優(yōu)先性。2種試驗(yàn)環(huán)境下的試樣微觀腐蝕形貌及腐蝕程度與前述宏觀形貌變化一致。

圖4 60天循環(huán)腐蝕下3種試樣微觀腐蝕形貌

采用金相分析方法，對(duì)2種試驗(yàn)環(huán)境下的試樣典型部位進(jìn)行腐蝕深度分析測(cè)量，進(jìn)而半定量評(píng)估腐蝕時(shí)間、合金種類、試驗(yàn)環(huán)境對(duì)腐蝕程度的影響，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3和圖5。

圖5 中性鹽霧與循環(huán)腐蝕后試樣典型部位的腐蝕深度

表3 中性鹽霧與循環(huán)腐蝕后試樣典型腐蝕深度μm

由圖表可知：在腐蝕時(shí)間影響方面，無論中性鹽霧還是循環(huán)腐蝕，3種壓鑄試樣典型部位的腐蝕深度均隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；在合金種類影響方面，2種試驗(yàn)環(huán)境下，YL104合金均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性，循環(huán)腐蝕60天，其典型腐蝕深度僅為49 μm，與之相比，YL113合金在相同條件下的典型腐蝕深度為306 μm，是YL104合金腐蝕深度的6倍。雖然YL113合金的腐蝕程度較YL104合金嚴(yán)重，但仍優(yōu)于A380合金。因而3種合金耐蝕性為：YL104＞YL113＞A380；在試驗(yàn)環(huán)境影響方面，雖然循環(huán)腐蝕15天與中性鹽霧360 h的試驗(yàn)時(shí)間一樣，均為15天，但循環(huán)腐蝕15天的試樣典型部位的腐蝕深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中性鹽霧360 h下試樣典型部位的腐蝕深度，并與中性鹽霧504 h下試樣典型部位的腐蝕深度相近，表明在相同試驗(yàn)時(shí)間下，循環(huán)腐蝕較中性鹽霧對(duì)合金的腐蝕影響更為嚴(yán)重。

綜上可知，合金耐腐蝕性差異方面，YL104合金具有較好耐蝕性，YL113合金次之，A380合金耐蝕性最差。分析認(rèn)為：上述3種合金耐蝕性差異主要因合金中的Cu、Zn元素含量差異所致，一方面合金中銅元素自腐蝕電位比鋁高，導(dǎo)致合金發(fā)生晶間腐蝕；另一方面合金中固溶的鋅提高了鋁的電極電位，其生成的MgZn2也增加了合金的剝落腐蝕傾向[3]。試驗(yàn)環(huán)境對(duì)合金腐蝕程度影響方面，在相同試驗(yàn)時(shí)間下，循環(huán)腐蝕較中性鹽霧對(duì)合金腐蝕更為嚴(yán)重。推測(cè)認(rèn)為，主要與以下因素有關(guān)：中性鹽霧試驗(yàn)溫度為35℃，循環(huán)腐蝕步驟3中的濕熱試驗(yàn)溫度為40℃，溫度升高有利于加速腐蝕。

3.2 試驗(yàn)環(huán)境對(duì)力學(xué)性能的影響

汽車零件發(fā)生腐蝕后的性能變化，對(duì)整車安全及可靠性具有重要影響。因而分析腐蝕前后合金力學(xué)性能變化具有重要意義。表4和圖6給出了A380、YL113、YL104 3種壓鑄試樣經(jīng)不同時(shí)間的中性鹽霧、循環(huán)腐蝕后的力學(xué)性能變化。

表4 中性鹽霧與循環(huán)腐蝕后試樣力學(xué)性能

圖6 中性鹽霧與循環(huán)腐蝕后試樣力學(xué)性能變化

由圖可知，3種壓鑄試樣的抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率均隨中性鹽霧、循環(huán)腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)下降。其中，A380合金隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，力學(xué)性能降幅最大；YL113合金降幅次之；YL104降幅較低且不明顯。

試驗(yàn)的量化分析：對(duì)于A380合金，試驗(yàn)前其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為320 MPa和2.8%；504 h中性鹽霧試驗(yàn)后，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率為222 MPa和1.2%，相比試驗(yàn)前分別降低31%和57%，性能降低明顯；經(jīng)60天循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率進(jìn)一步降低，分別僅為200 MPa和0.6%，相比試驗(yàn)前降低了38%和79%。YL113合金試驗(yàn)前后性能降幅小于A380合金，試驗(yàn)前其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為335 MPa和2.3%；經(jīng)504 h中性鹽霧試驗(yàn)后，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為291 MPa和1.3%，相比試驗(yàn)前分別降低13%和43%；經(jīng)60天循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率為250 MPa和1.2%，較試驗(yàn)前降低了25%和48%。3種合金中，YL104合金表現(xiàn)出較好的耐蝕性與優(yōu)異的力學(xué)性能保持性，經(jīng)504 h中性鹽霧試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率較試驗(yàn)前僅降低了3.6%和12%，分別為268 MPa和3.8%；經(jīng)60天循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率較試驗(yàn)前降低了1%和26%，分別為275 MPa和3.2%。考慮壓鑄試樣的一致性及測(cè)試誤差，YL104合金在腐蝕試驗(yàn)前后其抗拉強(qiáng)度降幅可以忽略，但其斷后伸長(zhǎng)率存在一定程度下降。

經(jīng)中性鹽霧和循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，3種壓鑄試樣的力學(xué)性能降低趨勢(shì)與前述試樣的典型腐蝕深度變化一致，分析原因在于：隨壓鑄試樣表面腐蝕坑深度及腐蝕區(qū)域的增大，一方面試樣有效承載面積減小，另一方面試樣表面形成的腐蝕坑可作為裂紋源，兩者均會(huì)導(dǎo)致試樣的力學(xué)性能降低。

3.3 腐蝕產(chǎn)物與腐蝕機(jī)理分析

采用掃描電鏡對(duì)中性鹽霧與循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后的“白色絮狀”腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌與能譜分析，腐蝕產(chǎn)物形貌分析結(jié)果見圖7，能譜分析見表5。

表5 3種壓鑄鋁腐蝕產(chǎn)物EDS分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖7 3種壓鑄鋁試樣腐蝕產(chǎn)物形貌

觀察腐蝕產(chǎn)物的微觀形態(tài)，呈現(xiàn)出不規(guī)則塊狀，且塊狀表面存在絮狀形態(tài)。

與3種壓鑄鋁合金基材成分對(duì)比，腐蝕產(chǎn)物中氧元素含量大幅提升，鋁元素含量相對(duì)下降，表明合金主要發(fā)生了鋁的氧化反應(yīng)。經(jīng)計(jì)算，腐蝕產(chǎn)物中氧與鋁元素的質(zhì)量比為（1.6～2.0）∶1，與Al(OH)3中氧、鋁元素質(zhì)量比值1.8∶1相近，推測(cè)試樣表面的“白色絮狀”腐蝕產(chǎn)物主要為Al(OH)3。

為進(jìn)一步探究3種Al-Si系壓鑄合金的腐蝕機(jī)理，對(duì)腐蝕坑進(jìn)行EDS面掃描分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 腐蝕坑形貌及EDS面掃描

由圖8b可知：與未發(fā)生腐蝕的基材相比，腐蝕坑處主要發(fā)生以下元素含量變化：鋁元素大幅減少、氧元素明顯富集、銅元素輕微降低；硅、鐵、鋅元素變化不明顯。表明上述鋁合金主要因鋁氧化導(dǎo)致了腐蝕。

圖9為合金基體與腐蝕坑處組織形貌。

圖9 腐蝕坑微觀形貌

其中，白色枝晶為α-Al固溶體，灰色網(wǎng)狀為共晶硅，腐蝕坑內(nèi)的黑色區(qū)域?yàn)楦g產(chǎn)物。由圖9可知：腐蝕坑內(nèi)共晶硅與基體相連，共晶硅未發(fā)生明顯腐蝕。腐蝕坑中的α-Al固溶體因發(fā)生氧化反應(yīng)，形成Al(OH)3腐蝕產(chǎn)物。

研究表明，Al-Si系合金內(nèi)各主要相的電位如下：?jiǎn)钨|(zhì)Si為-0.26 V，CuAl2為-0.73 V，Al-1%Si為-0.81 V，α-Al基體為-0.85 V[3-4]。由上可知，Al-Si系合金中，α-Al基體作為陽極，單質(zhì)Si、Cu-Al2和Al-1%Si作為陰極。因基體內(nèi)各相間存在電位差，在潮濕環(huán)境下，鋁合金表面富集的水膜又提供了電解質(zhì)溶液，構(gòu)成了電化學(xué)腐蝕三要素。此外，若電解質(zhì)溶液中存在氯離子（Cl-）、SO2、SO3、煤煙和灰塵等雜質(zhì)，進(jìn)一步提升了溶液的導(dǎo)電性并降低溶液pH值，加速合金腐蝕。

綜上分析，A380、YL113、YL104 3種壓鑄合金發(fā)生腐蝕根因如下：合金基體內(nèi)各相間電位差及試樣表面的潮濕環(huán)境構(gòu)成電化學(xué)腐蝕條件，導(dǎo)致腐蝕發(fā)生。若電解質(zhì)內(nèi)還溶解氯離子（Cl-）、SO2、SO3、煤煙和灰塵等雜質(zhì)，則會(huì)進(jìn)一步加速腐蝕過程。

4 結(jié)論

a.A380、YL113、YL104合金表面的“白色絮狀”腐蝕產(chǎn)物主要為Al(OH)3。3種合金發(fā)生腐蝕根因如下：合金基體內(nèi)各相間電位差及試樣表面的潮濕環(huán)境構(gòu)成電化學(xué)腐蝕條件，導(dǎo)致腐蝕發(fā)生。若電解質(zhì)內(nèi)還溶解氯離子（Cl-）、SO2、SO3、煤煙和灰塵等雜質(zhì)，則會(huì)進(jìn)一步加速腐蝕過程。

b.在相同腐蝕時(shí)長(zhǎng)下，相對(duì)中性鹽霧，循環(huán)腐蝕對(duì)A380、YL113、YL104合金的腐蝕更為嚴(yán)重。分析認(rèn)為差異原因?yàn)檠h(huán)腐蝕局部試驗(yàn)溫度高于中性鹽霧，溫度升高加速合金腐蝕。

c.無論中性鹽霧還是循環(huán)腐蝕條件，3種壓鑄試樣典型腐蝕深度均隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。相同腐蝕條件下，A380合金腐蝕最為嚴(yán)重，YL113合金次之，YL104合金的典型腐蝕深度最淺。YL104合金表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性能。3種合金典型腐蝕深度差異因主要與合金中Cu、Zn元素含量有關(guān)。

d.A380、YL113、YL104壓鑄試樣的抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率均隨中性鹽霧、循環(huán)腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)下降。其中A380合金腐蝕試驗(yàn)前后性能降幅最大，經(jīng)504 h中性鹽霧和60天循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，其抗拉強(qiáng)度分別較試驗(yàn)前降低31%和38%；YL113合金性能降幅次之，經(jīng)504 h中性鹽霧和60天循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，其抗拉強(qiáng)度分別較試驗(yàn)前降低13%和25%；YL104合金性能降幅最小，經(jīng)504 h中性鹽霧和60天循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，其抗拉強(qiáng)度分別較試驗(yàn)前降低3.6%和1%。