某新型洗烘一体滚筒洗衣机铝合金烘道腐蚀分析

2022-04-14韦刚王红强汤志鸣

家电科技 2022年2期

韦刚王红强汤志鸣

惠而浦（中国）股份有限公司安徽合肥 230088

0 引言

铝合金的密度低，比强度、比刚度高，具有良好的塑性体流变特性；其结晶温度范围窄，线收缩率小，易于成型和切削加工，有较高的力学性能及抗蚀性，近年来被广泛应用于航空、汽车、家电等领域；其中，压铸铝合金由于兼具普通铝合金和变形铝合金优异的强度、韧性等力学性能，以及加工工艺简单、易于添加合金元素，成本低廉的特性，因而在航空、汽车、家电等领域备受关注。

压铸工艺是通过将流体或半流体金属在较高压力下以高速填充至压铸模中，在压力作用下成型并凝固，最终获得铸件产品。由于压铸工艺成型的铸件具有尺寸精度高、强度高、材料利用率高等优势，压铸及高强压铸工艺广泛应用于制造形状复杂、承受中度载荷的构件中[1]。在压铸铝合金中加入Si、Cu等元素形成Al-Si-Cu系合金，可显著提高产品的铸造性能、导热性、耐蚀性、抗蠕变性能、强度和硬度等性能[1]。

由于Al-Si-Cu系合金应用广泛，其耐腐蚀性能受到研究者的广泛关注。张莉等采用全浸法和电化学法研究了A380和A360铝合金的耐腐蚀性能，结果表明，含Cu量较高的A380合金更易腐蚀，Cu元素是导致和合金体腐蚀的有害元素，因此从耐腐蚀性角度，应降低合金成分中的Cu元素含量[2]；宛萍芳等采用自来水点滴法和中性盐雾试验法研究了ADC12铝合金的耐腐蚀性能，结果表明，Cu含量对ADC12的耐腐蚀影响很大，同时，由于基体腐蚀经常引起合金成分中的Fe元素提前产生黄斑腐蚀，因此对ADC12制件的外观也有不利影响[3]；张茂勋等研究了ADC12铝合金在高温蒸汽中的腐蚀行为，结果表明，在铸态或固溶处理后的合金，依据不同的状态，其腐蚀与Al-Cu基化合物有关[4]。此外，余学民等指出，潮湿、高温等环境对家电的影响都很大，可能造成严重后果[5]。

1 研究背景

如图1所示，洗烘一体滚筒洗衣机烘干系统，主要由烘道、除湿管、洗衣/烘干筒构成。当滚筒洗衣机处于洗衣状态时，由于洗衣/烘干筒与烘道处于联通状态，筒内的水汽扩散进入烘道内，在烘道内形成常温高湿环境；当滚筒洗衣机处于烘干状态时，烘道内的加热管工作，再通过风扇将热空气送入洗衣/烘干筒，利用水在热空气中饱和蒸气压高的特点，将筒内衣物所含的水分蒸发并带走，进入除湿管中，而除湿管中通有冷水，热空气在此降温成为冷空气，饱和蒸气压降低，所含水汽冷凝析出，排出筒外，此时烘道内处于高温高湿状态。当滚筒洗衣机处于待机状态时，随着水分的蒸发，洗衣/烘干筒-烘道-除湿管系统处于常温常湿状态。因此，就烘道这一部件而言，在滚筒洗衣机不同的工作状态下，其处于高温-高湿-常温-常湿复杂交替的状态，再加上洗涤剂、软化剂等的影响，烘道的腐蚀环境比较严酷。

图1 滚筒洗衣机烘道工作状态示意图

过往的研究均表明，Al-Si-Cu系合金的腐蚀与Cu元素或Fe元素有关，但其试验条件均采用了标准试验方法，与实际使用环境有较大差距。本试验中的烘道部件工作环境处于高温-常温-高湿-常湿复杂交叉叠加状态，更贴近用户实际使用场景，研究该部件的腐蚀行为，对产品的腐蚀控制具有实际的指导意义。

目前，市面上的滚筒洗衣机烘道外壳通常由压铸工艺制造，材料为Al-Si-Cu系合金；某新开发的烘道组件，其材质为ADC12铝合金（日本牌号），成分与国产YL113铝合金（合金牌号YZAlSi11Cu3）接近，其各元素质量百分比为Si：9.6～12 wt%，Cu：1.5～3.5 wt%，Fe＜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（杂质）的成分范围较宽泛。

在针对上述由ADC12铝合金压铸制造而成的新型烘道部件进行耐久测试的过程中，发现该部件在等效正常使用约1年时就已严重腐蚀，表面布满腐蚀产物，严重影响使用体验。为此，本文从微观组织结构、腐蚀产物的成分与结构入手，结合该产品的实际工况，分析了腐蚀机理，并提出改进措施。

2 试验和分析

2.1 新型烘道部件耐久测试

将开发的新型烘道部件安装到洗衣机整机上，模拟用户实际使用的时长和频次进行洗、烘全程序循环耐久测试。单次测试程序一般时长约为5 h，连续测试周期为3500周期，总时长约为等效用户正常使用10年。要求测试完成后，烘道部件结构、功能正常，性能满足使用标准。

在本项测试中，上述烘道组件在等效用户正常使用1年（循环测试约360周期）时已出现严重腐蚀，经研判，无法达到正常使用标准，试验终止。

2.2 腐蚀产物成分分析

耐久试验终止后，在烘道部件较典型的严重腐蚀面上，附着有内外两层灰白色和黑色两种腐蚀产物。分别刮取表面灰白色及内层黑色腐蚀产物，研磨成粉末，采用日本理学D/MAX2500V型X-射线衍射仪（XRD）测试腐蚀产物的物相组成；测试参数：Cu靶（Kα，波长λ=0.154 nm），管电压20 kV，管电流200 mA，衍射角范围2θ=10°～80°，扫描速率3°/min；

2.3 腐蚀部位显微结构分析

在烘道部件较典型的严重腐蚀面上切取一部分作为样品，用环氧树脂镶嵌；切割并对切面研磨抛光，再用10 wt%NaOH溶液腐蚀后，使用MR-3000金相显微镜观察腐蚀试样的显微组织结构。

3 结果与讨论

3.1 外观检查和初步分析

如图2所示，对烘道部件的拆解观察显示，该烘道部件在测试过程中，等效正常使用1年左右就已严重腐蚀，表面发黑，布满裂纹、腐蚀空洞等缺陷，表面附着有大量灰白色物质，腐蚀深度大，严重影响功能和使用体验，继续使用有随时失效的风险。经初步分析，其表面附着的灰白色物质不溶于水，排除洗衣粉或其它洗涤剂沉积物，确认为腐蚀产物。

图2 某新型烘道部件腐蚀前后形貌对比

3.2 腐蚀产物和腐蚀表面的显微结构

由于该烘道部件所使用压铸合金的平均Si含量为11 wt%，由图3的Al-Si合金相图[6]可见，合金为亚共晶成分，与共晶成分（12.6 wt%Si）十分接近，故而该合金的组织应为先共晶α-Al+共晶（Al+Si）。但因其中含Fe、Cu、Mn等合金成分，该铝合金中可能含少量Al2Cu及复杂的Al-Fe-Mn-Si(Cu)相[7-9]。值得注意的是，铸造Al-Si合金中的富铁相主要有六方结构的A18Fe2Si相（α-Fe，Fe可部分地被Mn、Cr等合金元素替代）及单斜结构的A15FeSi相(β-Fe)[10]。

图3 Al-Si合金相图[6]

在腐蚀样件上分别刮取表层灰白色和内层黑色的腐蚀产物，并研磨成粉后（如图4所示），进行XRD测试。

图4 烘道表面灰白色及黑色腐蚀产物粉末样品

对图5 b）的XRD测试结果进行分析可以得到，表层灰白色腐蚀产物绝大多数为Al(OH)3，另含少量的AlOOH[11]及混入的Al、Si杂质。而图5 a）的测试结果显示，内层的黑色腐蚀产物，主要是腐蚀残留的Al及不被腐蚀的Si。

图5 烘道表面黑色及灰白色腐蚀产物粉末样品的XRD谱图

由图6 a）可见，烘道截面上的部分区域腐蚀比较严重，形成明显的腐蚀坑（图6箭头所示），腐蚀坑的深度约为55 μm。如果该烘道铝合金铸件的结构不致密，内含连通的孔洞，则腐蚀液可渗透到基体内部，加剧烘道的腐蚀，如图6 b）所示，在腐蚀坑前沿形成放射状的腐蚀点，腐蚀前沿距烘道外表面约250 μm。

图6 烘道腐蚀后铝合金截面的光学显微镜照片

综合以上分析，该烘道部件使用过程中所发生的腐蚀，主要是其中Al基体的腐蚀，形成Al(OH)3、AlOOH等腐蚀产物，在基体内部形成大小不一的腐蚀孔洞；同时，腐蚀产物结构疏松，分布于腐蚀孔表面及合金表面，又很容易继续吸收腐蚀溶液，在上述腐蚀孔洞的基础上加速向基体内部腐蚀。

3.3 腐蚀机理

ADC12合金成分中，Si含量为9.6～12 wt%，与共晶成分（12.6 wt%Si）十分接近，组织为先共晶α-Al+共晶（Al+Si）。Al的电极电位为-0.85 V，Si的电极电位为-0.26 V，因此共晶（Al+Si）组织中，Al和Si两相间存在0.59 V电位差[6]，若合金表面附着有含电解质的腐蚀介质，容易形成微观腐蚀电池，发生析氢反应，总反应式为：

2Al+6H2O→2Al(OH)3↓+3H2↑

反应形成的反应产物Al(OH)3，可在腐蚀介质中形成胶体，干燥后在铝合金件表面沉积下来，形成灰白色的腐蚀产物层，同时Al(OH)3干燥脱水，形成AlOOH。

滚筒洗衣机的桶系统和烘道系统是一个彼此联通的整体，当洗衣机处于正常洗衣工作状态时，即便烘道不工作，洗衣桶内所含有的洗涤剂、衣物柔顺剂、除菌剂等的溶液也会以蒸气的形式进入烘道内部；洗涤剂和软化剂中含有的碱性物质、表面活性剂，除菌剂中含有的氧化物质等，均易溶于水形成电解质溶液，有利于微观腐蚀电池的形成；此外，洗衣机工作和静止的状态交替，导致包括烘道在内的联通系统内部呈现干湿交替的状态，上述电解质溶液附着在烘道壁上后，随着干态下部分水分的蒸发，溶液的浓度升高，腐蚀进程加剧。此外，烘道在工作过程中，内部温度超过100℃，上述反应在高温下加剧。

铝合金烘道部件表层被腐蚀后，更多的Si及少量的α-Fe、β-Fe及θ-Al2Cu残留下来，这些成分相对于Al基体是电化学反应中的阴极相，且结构疏松，易吸水，在使得铝合金表面呈黑色的同时，更加剧了ADC12基体的腐蚀。