3种典型Al-Si-Cu系压铸铝合金耐腐蚀性能研究

张鑫 李伟 乔小兵 谢文才 周胜蓝 王保男

（一汽解放汽车有限公司商用车开发院，长春 130011）

1 前言

压铸工艺因生产效率高，零件表面及尺寸精度好，适合大批量生产等特点，在汽车领域应用广泛。以往，自主商用车主打性价比，基于成本考虑，铸铝件应用较少，铸铝件的腐蚀报道也比较少；近些年，随着国内商用车技术及轻量化水平的不断提升，车身、底盘、动力系统等总成上的铸铝件应用比例逐年增加，铸铝件腐蚀导致的外观及可靠性问题也制约整车可靠性，影响市场与客户的认可度。

目前国内汽车行业对压铸铝件腐蚀方面研究报道较少，对常规压铸铝合金材料的腐蚀影响因素及其机理分析研究有待加强，不利于压铸铝件可靠性设计开发及腐蚀防护性能的提升。本文由汽车行业常用的3 种典型Al-Si-Cu 系压铸铝合金（A380、YL113、YL112）入手，探究上述压铸铝合金在不同中性盐雾腐蚀时间下的3 种铝合金腐蚀形貌、典型腐蚀深度、腐蚀产物及力学性能变化，分析Al-Si-Cu 系压铸铝合金的腐蚀机理与腐蚀影响因素。

2 试验方法

2.1 试样制备

为规避压铸件尺寸、结构等因素对压铸合金腐蚀程度、力学性能的影响，本文采用力劲D280压铸机制备A380、YL113、YL112 3 种合金的压铸试棒，代替压铸件进行耐腐蚀性能研究。3 种合金的压铸试棒成分实测结果见表1，压铸试棒规格执行GB/T 13822—2017《压铸有色合金试样》[1]中的A型拉力试样，试棒形貌见图1。

表1 压铸试棒成分实测值(质量分数) %

图1 压铸试棒形貌

2.2 试验方法

A380、YL113、YL112 3 种压铸试棒按照GB/T 10125—2021《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》[2]要求进行中性盐雾试验。试验条件如下：盐雾试验箱温度35 ℃，空气饱和器温度45 ℃，湿度100%，试验溶液为(50±5) g/L 的NaCl 水溶液，水为去离子水，盐为分析纯的NaCl。试验总持续时间为504 h，分别在中性盐雾试验的120 h、360 h、504 h 取样进行3 种试棒腐蚀形貌及力学性能分析。

采用OLYMPUS 金相显微镜和ZEISS 场发射扫描电镜对不同中性盐雾时长下的3 种试棒进行腐蚀形貌与腐蚀深度分析；采用称重法对3 种压铸试棒进行平均失重与平均腐蚀速率分析；采用X 射线能谱仪（EDX）对3 种试棒的腐蚀产物元素分布进行分析；采用MTS 拉伸试验机进行3 种试棒力学性能分析。

3 试验结果与讨论

3.1 宏观形貌分析

不同中性盐雾时长下的3 种压铸试棒形貌见图2 和图3。具体分析如下，中性盐雾120 h（图2a），3 种试棒外表面已由试验前的压铸光亮表面发生明显腐蚀，试棒表面局部区域覆盖一层蓬松的“白絮状”腐蚀产物。随着中性盐雾时间延长至360 h（图2b），3 种试棒外表面“白絮状”腐蚀进一步加剧，但与中性盐雾504 h（图2c 和图3）后的试棒腐蚀形貌差异不明显。由宏观形貌观察，中性盐雾504 h 后，3 种压铸试棒的表面腐蚀程度差异不大。

图2 中性盐雾试验后3种压铸试棒外观

图3 A380试样中性盐雾504 h表面腐蚀形貌

3.2 腐蚀深度与腐蚀速率分析

表2 和图4 给出了A380、YL113、YL112 压铸试棒经不同时间中性盐雾腐蚀后的典型腐蚀深度变化。由表可知，随中性盐雾测试时间的延长，3 种压铸试棒的典型腐蚀深度逐渐加深。中性 盐雾504 h 后，YL112 和A380 压铸 试 棒 腐蚀 深度分别为212 μm、206 μm，2 种压铸试棒的典型腐蚀深度较接近且均腐蚀严重；A380 压铸试棒腐蚀深为149 μm，腐蚀相对轻微。

表2 不同中性盐雾时长的3种铸铝合金典型腐蚀深度

图4 不同中性盐雾时长的3种试样典型腐蚀深度变化

此外，还可发现3 种压铸试棒典型腐蚀深度随试样中Cu 元素含量增加而加剧。压铸铝合金中加入Cu 元素主要形成强化相θ（CuAl2），有利于提高合金的机械强度，但铜元素自腐蚀电位比铝元素高，容易导致金属发生晶间腐蚀，降低合金的耐腐蚀性能[3]。

经504 h 中性盐雾腐蚀，A380、YL113、YL112 3种压铸试棒的局部表面发生点状腐蚀，腐蚀坑呈弧状向基体中心延伸，如图5 所示。腐蚀坑与基体相交处放大形貌见图6。由图可知，腐蚀坑与基体相交附近的晶粒间存在大量腐蚀孔隙，呈现晶间腐蚀形态。晶间腐蚀属于局部腐蚀，是铝合金在腐蚀环境中出现沿晶粒分界面向基体内部扩展的腐蚀。一般来说，铝合金晶粒与晶界处因存在相组织、化学成分的不同，导致晶粒与晶界相间存在电位差，且晶界处容易存在低熔点杂质富集及内应力，都会加快晶界优先腐蚀，最终呈现晶间腐蚀形态[4]。

图5 中性盐雾504 h的3种试样腐蚀形貌

图6 腐蚀坑形态

采用称重法对3 种压铸试棒进行平均失重与平均腐蚀速率分析，如表3 所示。504 h 中性盐雾腐蚀后，A380、YL113、YL112 3 种压铸试棒的平均失重分别为85.4 mg、111.4 mg、65.0 mg；其平均腐蚀速率分别为37.00 mg/(m2·h)、48.27 mg/(m2·h)、28.15 mg/(m2·h)。

表3 压铸试棒平均腐蚀速率

采用称重法获得的3 种压铸试棒腐蚀速率与前述合金典型腐蚀深度排序存在差异，分析可能原因如下：典型腐蚀深度代表试棒表面的腐蚀深度情况，并未反应试棒表面的腐蚀面积占比，因而相对典型腐蚀深度而言，采用腐蚀速率评价合金的面腐蚀程度可能更具代表性。

3.3 腐蚀产物分析

对中性盐雾试验后的3 种压铸试棒表面腐蚀产物进行能谱分析，腐蚀产物扫描形貌见图7，能谱分析见表4～表6。由图可知，相比基体，腐蚀产物中Al 元素含量降低明显，O 元素含量有较大幅度提升，此外，腐蚀产物中还存在Si、Fe、Cu、Zn 元素，表明压铸试棒表面主要发生了铝的氧化反应。根据元素比例推测，氧化产物主要为Al(OH)3。

表4 A380腐蚀产物EDS分析

表6 YL112腐蚀产物EDS分析

图7 中性盐雾504 h下的3种压铸试棒腐蚀产物成分

3.4 力学性能分析

铸铝件腐蚀后的力学性能变化对汽车可靠性具有重要影响。表7 和图8 给出了A380、YL113、YL112 压铸试棒经不同时间中性盐雾腐蚀后的力学性能变化。

图8 不同中性盐雾时长的3种试棒力学性能

腐蚀试验前，3 种压铸试棒的抗拉强度均在320～335 MPa 之间，断后延伸率为2.0%～3.0%，力学性能差异不大。中性盐雾试验后，3 种压铸试棒抗拉强度均有一定幅度下降，并随中性盐雾测试时间的延长，3 种压铸试棒抗拉强度呈直线下降。其中A380 合金的抗拉强度降幅最大，中性盐雾120 h、360 h、504 h 后，其抗拉强度较试验前分别降低6%、21%、31%。YL113 合金抗拉强度降幅次之，中性盐雾120 h、360 h、504 h 后，其抗拉强度较试验前分别降低4%、10%、14%。YL112 合金抗拉强度降幅较小，中性盐雾120 h、360 h、504 h 后，其抗拉强度较试验前分别降低4%、7%、8%。

表5 YL113腐蚀产物EDS分析

对于Al-Si 系压铸铝合金，Cu 元素加入生成强化相θ（CuAl2）；Zn 元素加入可从饱和的α固溶体中分解出β（Zn）相，同样起到一定强化效果[5]。但θ（CuAl2）、β（Zn）与α固溶体之间存在电位差，降低合金耐腐蚀性。结合表1 中3 种压铸试棒中的Cu、Zn 元素含量与表7 抗拉强度降幅分析，可发现，504 h 中性盐雾测试后，3 种压铸试棒抗拉强度降幅与Cu+Zn 元素含量总和成正比（图9）。

图9 504 h盐雾试验合金强度降幅与Cu+Zn含量关系

表7 不同中性盐雾时长的3种试样力学性能

3 种压铸试棒断后伸长率随中性盐雾时长的变化与抗拉强度类似，均随中性盐雾测试时间的延长呈下降趋势。但3 种压铸试棒在中性盐雾360 h 后，断后伸长率不再下降，与中性盐雾504 h时持平。可能与试棒塑性降到较小数值后，进一步腐蚀对断后伸长率影响较小及试验误差等因素有关。

3.5 腐蚀机理分析

铝是比较活泼的金属，其标准电位为-1.67 V，在空气中极易氧化，生成致密而坚固的Al2O3氧化膜。对于固态和液态的纯铝，该氧化膜均有良好的保护作用[6]。因纯铝组织单一，基体组织内无电位差，当其受到损坏时，只要有足够的氧气存在，还可以“自愈”，在零件表面形成连续的氧化膜，阻止腐蚀向内部发展。因而纯铝具有良好的耐蚀性。但对于压铸铝合金，为提升合金的铸造工艺性和力学性能，需添加一定量的Cu、Zn、Fe 等合金元素，形成强化相及富Cu 相。上述强化相及富Cu相与α固溶体之间存在电位差，降低合金的耐腐蚀性并破坏Al2O3氧化膜的连续性，因而Al-Si-Cu 系合金的耐蚀性能低于纯铝。

此外，铝合金在氯离子（Cl-）环境中更容易发生腐蚀，这是因为Cl-对铝合金表面氧化膜的穿透性较强。Cl-能够取代Al(OH)3上的OH-并通过进一步的反应生成AlCl3。当氧化膜被破坏后，Al 基体在膜破损处为阳极，尚未被腐蚀的位置为阴极，在氧化膜破损位置形成“钝化-活性”电池，进一步加剧合金的腐蚀过程。

图10 压铸铝腐蚀机理示意

A380、YL113、YL112 3 种压铸试棒在中性盐雾环境下的腐蚀过程分析如下[7]。

a.压铸铝合金与环境中水汽反应如下。

Al-3e→Al3+

3/4O2+3/2H2O+3e→3OH

Al3++3OH-→Al(OH)3↓（白絮状腐蚀产物）

b.压铸铝合金与环境中的Cl-反应如下。

Al(OH)3+Cl-→Al(OH)2Cl+OH-

Al(OH)2Cl+Cl-→Al(OH)Cl2+OH

Al(OH)Cl2+Cl-→AlCl3+OH-

综上分析，提升Al-Si-Cu 系压铸合金耐腐蚀性可从减少组织内部各相间电位差、降低合金中Cu和Zn元素含量、减少晶界处杂质元素富集、控制产品应用环境湿度及Cl-离子含量等措施入手[8]，减少铝合金晶间腐蚀与Cl-离子对氧化膜的破坏，进而提升耐蚀性。

4 结论

a.中性盐雾试验后，A380、YL113、YL112 3 种压铸试棒表面局部区域覆盖一层蓬松的“白絮状”腐蚀产物，该产物为铝的氧化物Al(OH)3。

b.随中性盐雾测试时间的延长，3 种Al-Si-Cu系压铸试棒的典型腐蚀深度逐渐加深，且抗拉强度也随之线性下降。中性盐雾测试504 h 后，A380、YL113、YL112 压铸试棒的典型腐蚀深分别约为206 μm、149 μm、212 μm，3 种压铸试棒的抗拉强度较试验前分别降低31%、14%、8%。

c.典型腐蚀深度表征了试样表层的局部腐蚀深度情况；腐蚀速率则根据试样腐蚀产物质量计算得到，表征试样总体腐蚀情况。2 参数的计算方法和表征含义有所区别。因而，相对典型腐蚀深度，采用腐蚀速率评估试样的整体耐蚀性更具代表性。

d.Al-Si-Cu 系压铸合金腐蚀程度主要与组织内部各相间电位差、合金中Cu 和Zn 元素含量、环境湿度及Cl-离子含量等因素有关。