电冰箱换热器以铝代铜腐蚀特性的实验研究

谷海华，任爱梅，詹予忠

(1.河南新飞电器有限公司，河南新乡453002;2.郑州大学 化工与能源学院，河南郑州450001)

0 引言

铜材以其优良的延展性、导热性和耐蚀性等特点，多年来一直是电冰箱换热器的首选材料.但由于近年来铜价格的不断攀升，给冰箱制造商增加了不少成本压力，因而选择一种材料特性与铜相似，而价格又远低于铜材的替代品，成为制冷业一个新的研究方向和竞争趋势.基于铝有良好的延展性、导电性、导热性及耐腐蚀性，且铝资源较铜丰富，价位也较铜低，再加上铝的密度远低于铜，相同换热面积下所用铝的重量远少于铜材，因此以铝代铜在经济上具有明显的优势［1］.然而，铝是较铜更活泼的金属，作为冰箱换热器材料，其耐腐蚀性对冰箱的正常使用至关重要.另一方面，为了兼顾铜铝的性质，达到高效优质低成本的目的，冰箱中仍部分使用铜材管线，这样铜铝连接结构必不可少，铜铝接头的电偶腐蚀必然成为影响冰箱寿命的重要因素［2－3］.笔者通过实验研究铜、铝的纯腐蚀和铜铝接头的电偶腐蚀，计算了腐蚀速率，用金相显微镜对腐蚀后的试样进行观察，并结合电偶腐蚀机理对实验结果进行比较分析.

1 实验部分

1.1 实验材料

铜材采用T2铜，铝材采用1060工业纯铝，材料的物理性能见表1.R22制冷剂为工业品，其他试剂为分析纯试剂.实验用水为去离子水.

表1 实验用铜和铝的物理性能Tab.1 Physical properties of copper and aluminum used in the experiments

1.2 实验方法

腐蚀介质HCl，H2SO4，NaOH 和 NaCl均配成质量分数为5%的溶液，并盛放在烧杯中静置1 h小时后使用.R22制冷剂用专用制冷剂存放罐密封存放，先将罐口拧开，放入试样，然后密封罐口，用充注机充入1 kg的液态制冷剂.每种介质5份，记录编号.

进行纯腐蚀实验时，每种介质里放3个试样.进行电偶腐蚀实验时，每种介质3份，每份里放1个电偶对.记录每份介质中试样的编号、腐蚀前重量和放入时间.

腐蚀过程在室温条件下进行，经常搅拌或晃动介质以加速腐蚀.对于腐蚀反应不明显的将实验时间设定为240 h，腐蚀反应明显的则将实验时间定为24 h.腐蚀实验结束后，将试样取出，先用清水冲洗，再放入超声波清洗机中，依次用丙酮和酒精清洗5 min，再放入干燥箱内在100℃的恒温条件下干燥30 min后取出，最后仍用精度为0.1 mg的电子天平依次称出腐蚀后的试样重量.腐蚀后的试样用金相显微镜观察.

1.3 腐蚀速度计算

失重法是用金属试样的质量变化计算金属材料的腐蚀速度，该方法简便、直观、可靠，是最广泛采用的评价材料腐蚀性能的实验方法［4］.腐蚀速度失重指标，就是单位时间内单位面积上金属腐蚀损失的质量，可按下式计算：

式中：V－是腐蚀速度失重指标，g/(m2·h);W0是金属初始质量，g;W1是清除腐蚀产物后金属的质量，g;S是金属的表面积，m2;t是腐蚀进行的时间，h.

通常可将腐蚀速度失重指标进一步换算成腐蚀速度深度指标，即每年材料腐蚀掉的厚度，作为材料选择的依据.腐蚀速度深度指标按下式计算：VL=V－×24 ×365 ×10/(10 000ρ)=V－×8.76/ρ.式中：VL是腐蚀速度深度指标，mm/a;ρ是金属的密度，g/cm.

2 结果与讨论

2.1 纯腐蚀速度

实验测得的铜和铝试样在5种介质中的纯腐蚀速度、电偶腐蚀速度见表2，电偶腐蚀速度与纯腐蚀速度之差定义为腐蚀增量也列于表中.由表2可知，铜表现出了相当好的耐蚀性，在5种介质中的纯腐蚀速度都相当低.铝在H2SO4中的腐蚀速度相当低，只有1.172 mm·a－1，表现出相当好的耐H2SO4腐蚀性.

铝是相当活泼的金属，易于与酸反应生成氢气.但是，铝表面通常与空气中氧反应生成一层连续、致密的水合氧化铝膜，该膜可阻止腐蚀介质与金属铝接触，这就是铝具有相当好的抗H2SO4腐蚀性的原因［5］.然而，Cl－半径小，极易穿过并进一步侵蚀Al2O3膜，造成金属铝与酸的直接反应，因此铝在HCl介质中腐蚀非常严重.在NaCl介质中，虽然也存在Cl－的作用，但没有后续的酸反应，腐蚀速度就慢很多.由于使用环境的复杂性，尽管不一定有酸存在，Cl－仍是引起铝材料腐蚀的重要原因［5－6］.通过适当的方式增加氧化膜厚度，避免使用含氯钎焊剂等，可以减少铝的腐蚀.另外，铝还是两性金属，也可与碱反应，而Al2O3膜也溶于碱，因此金属铝不耐NaOH腐蚀［7］.

2.2 电偶腐蚀及加速机理

表2中列出的铜－铝电偶腐蚀结果表明，铝在电偶腐蚀中被加速腐蚀，而铜则被保护，腐蚀过程受到抑制.另外，铜在HCl、NaOH和NaCl中的腐蚀速度为负值，表明由于生成的腐蚀产物与金属基体紧密结合难以清除掉，腐蚀后样品不是失重而是增重.

表2 铜、铝试样的纯腐蚀速度和电偶腐蚀速度Tab.2 Pure corrosion speed and galvano corrosion speed of copper and aluminum (mm·a－1)

电偶腐蚀的过程比较复杂，腐蚀的程度受以下几种因素影响：电极电位、极化现象、电解液、阴阳极面积比、腐蚀产物、接触电阻等.电极电位决定电偶电流的方向，而电偶电流的大小不仅仅由电位差决定，还取决于电极的极化、体系的电阻和阴阳极面积比等因素［8］.

在实际问题中，常用电偶序来判断电偶的极性，电位高的金属是阴极，电位低的金属是阳极.由于在以上5种实验介质中，铝的腐蚀电位较低，而铜的腐蚀电位较高，因而在介质中发生电化学反应时，铜试样作为阴极，在其表面主要是发生以溶氧还原为主的反应.在中性或碱性条件下的电极反应可表示为：

铝作为阳极，在其表面主要是发生氧化为主的反应：

当然，铝阳极在HCl和H2SO4中还会有氢离子参与的还原反应.与未偶接时相比，电位较低的阳极金属铝的溶解速度增加了，即腐蚀加速了，而电位较高的阴极金属铜的腐蚀速度则降低了.

2.3 金相分析

在金相显微镜下放大175倍观察铝试样在5%浓度的HCl溶液中纯腐蚀和电偶腐蚀后表面形貌分别如图1.由图可知纯腐蚀铝的表面较为均匀，但也有蚀坑和孔洞，而电偶腐蚀表面呈剥离状，有明显蚀坑和孔洞，且孔深比纯腐蚀要大得多.

图1 铝在5%HCl中腐蚀后表面形貌Fig.1 Surface morphology of Aluminum a in 5%HCl

3 结论

(1)铝在R22制冷剂中有良好的耐蚀性，可以代替铜作为冰箱换热器材料.

(2)铝的耐蚀性总体较铜差，为保证使用寿命，应适当增加铝材的厚度.

(3)铜－铝接头易产生电偶腐蚀加速铝材破坏，应采取适当的连接方式，并进行必要的表面涂覆处理.

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