几种铝合金材料在汽车防冻液中的腐蚀行为

刘奋照

（吕梁学院化学化工系，山西吕梁033000）

为了减少废气污染、降低能源消耗，汽车工业目前向着减轻车身重量的方向发展。随着轻量化概念的持续升温，传统材料未来将面临大范围的更新及替换，而轻质材料之间也将掀起新一番的激烈竞争。铝合金导电性能好，循环利用率高，是密度较小的金属结构材料，具有很大的减重潜力，有望成为汽车轻量化的重要选择［1-3］。不同的铝合金材料因成分、组织不同在汽车防冻液中的腐蚀行为相差较大，铝合金在汽车防冻液中的腐蚀问题更直接影响着汽车零部件的使用安全和使用寿命，制约着其作为汽车发动机材料的使用［4］。目前商用汽车防冻液因主要成分及添加剂不同，耐腐蚀性能也差别较大［5-6］，对铝合金在不同汽车发动机防冻液中的腐蚀情况研究报道相对较少，因此本文选择2024 铝合金，铝LY12，铸铝ZL101 和铝镁合金四种材料作为对比研究材料，将采用静态失重法、极化曲线法和交流阻抗法对四种铝合金在两种不同成分的市售汽车防冻液中的腐蚀行为进行研究，以期寻找铝合金材料在汽车工业应用中较为适用的汽车防冻液，对其在汽车发动机中的应用开发提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料及试剂

1.1.1 腐蚀试片前处理

实验材料为2024 铝合金，铝LY12，铸铝ZL101和铝镁合金，化学成分如表1所示。

表1 实验材料化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of the experimental materials（wt.%）

由于活泼的铝合金表面会有一层氧化膜，且表面容易吸附杂质，需对几种铝合金材料进行表面预处理，除去外界干扰，防止样品表面被氧化。用型号为400#、600#、800#、1000#和1500#的金相砂纸对腐蚀试片（I 型，50 mm×25 mm×2 mm）进行打磨，用酒精冲洗，吹风机冷风烘干，备用；另一部分腐蚀试片切割磨制成10 mm×10 mm，用焊锡将非工作面与铜导线相连，并用环氧树脂封装，外暴露面积为1 cm2，用金相砂纸逐级打磨，经酒精冲洗，冷风吹干，待用。

1.1.2 汽车防冻液的选择

本实验所用汽车防冻液为常见市售广州市标榜汽车用品实业有限公司的16型红色标榜防冻液（主要成分为丙二醇，记为1号）和16型绿色标榜防冻液（主要成分为乙二醇，记为2号）。

1.2 实验方法

1.2.1 静态失重法

将处理好的四种铝合金腐蚀试片（I型，50 mm×25 mm×2 mm）室温浸泡并悬挂在1 号和2 号汽车防冻液中进行失重腐蚀实验，每组取2个平行样，腐蚀实验分别进行1 d、3 d、10 d和15 d后取出，用橡皮擦除去表面蓬松腐蚀产物至腐蚀试片表面呈光亮，去离子水冲洗，干燥。用电子分析天平称量腐蚀前后试片的重量，腐蚀前质量记M1，腐蚀后质量记M2，腐蚀速率V用公式（1）计算。

式中：M1为腐蚀前金属的质量，g；M2为腐蚀后金属的质量，g；V为腐蚀速率，g·m-2·d-1；t为腐蚀时间，d；S为金属与腐蚀介质接触的面积，m2。

1.2.2 电化学测试

几种铝合金材料在不同汽车防冻液中的极化曲线和电化学阻抗谱图测试采用CS350电化学工作站（武汉科思特仪器有限公司）。采用三电极体系，工作电极为处理好的铝合金电极，参比电极选饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。用普林斯顿283A阻抗分析软件分析电化学交流阻抗数据，频率范围0.05～65000 Hz，交流信号幅值±10 mV。采用 Corrtest 电化学测试系统腐蚀分析软件测试样品极化曲线数据，扫描区间-0.5～0.6 V，扫描速度为1 mV/s。采用Tafel 法对极化曲线进行了拟合，得到自腐蚀电位和自腐蚀电流等电化学参数。

2 结果与讨论

2.1 失重腐蚀

不同腐蚀时间下几种铝合金材料在不同汽车防冻液中的腐蚀速率曲线如图1所示。

从图1（a）和（b）可以看出，在同一种汽车防冻液中，铝LY12 腐蚀初期速率最大，2024 铝合金的初期腐蚀速率则最小；随着腐蚀时间的延长，四种铝合金材料的腐蚀速率均呈现减小的规律，在10 d 时腐蚀速率达到最小，而后略有浮动。在腐蚀初期，汽车防冻液中的Cl－、H+、OH－等会依附在铝合金氧化膜的缺陷处造成金属腐蚀［7］，因此四种铝合金材料在汽车防冻液中的初期腐蚀速率会较大。一方面由于铝是活泼金属，一旦铝合金表面的疏松层遭到破坏，立即会形成新的钝化膜阻止腐蚀继续进行［8］；另一方面市售汽车防冻液都添加有一定量的缓蚀剂，起到了降低腐蚀速率，保护铝合金的作用。对比图1（a）和图1（b）可以看出，同种铝合金材料在不同汽车防冻液中腐蚀速率存在一定的差异，四种铝合金材料均在2号汽车防冻液中的腐蚀速率要低于1号，说明2 号汽车防冻液中吸附离子的阻力最大，腐蚀较缓慢，铝合金材料的抗腐蚀性能最好。

图1 几种铝合金在不同汽车防冻液中的腐蚀速率曲线Fig.1 Corrosion rate curves of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

2.2 极化曲线

图2 是几种铝合金材料在不同汽车防冻液中的极化曲线。

图2 几种铝合金材料在不同汽车防冻液中的极化曲线Fig.2 Polarization curves of several aluminum alloy materials in different automotive antifreeze solutions

由图2 可见，四种铝合金材料在不同汽车防冻液中的极化曲线走势相似。对各极化曲线进行拟合，拟合参数列于表2。从表2 可知，四种铝合金材料在1 号汽车防冻液中均具有较高的腐蚀电流密度，表明在1 号汽车防冻液中宏观腐蚀速率最大；2号汽车防冻液中腐蚀电位较高，说明四种铝合金材料在2 号汽车防冻液中不容易被腐蚀，抗腐蚀性能好。

表2 铝合金在不同汽车防冻液中的极化曲线参数拟合结果Tab.2 Fitting results of polarization curve parameters of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

2.3 交流阻抗谱图

图3 为几种铝合金材料在不同汽车防冻液中静置0.5 h后测得的交流阻抗谱图。

交流阻抗谱图的低频区反映的是电荷通过双电层的受阻程度，即发生电化学反应的快慢程度，低频区容抗弧越大，表示该溶液中电荷传递的阻力越大，电化学反应的活性也越低。反之，则电荷传递阻力小，电化学反应活性高［9-10］。从图3 中可以看出，四种铝合金材料均在2 号汽车防冻液中，阻抗谱图低频区容抗弧较大，说明在该溶液中电荷传递阻力最大，电化学反应活性最低，因此，四种铝合金材料在2 号防冻液中的宏观腐蚀速率较低，该结论与极化曲线中的腐蚀电流密度所体现的结果一致。

图3 几种铝合金材料在不同汽车防冻液中的阻抗谱图Fig.3 Impedance spectra of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

对几种铝合金材料在不同汽车防冻液中的交流阻抗谱进行拟合，等效电路以及拟合结果如图4 和表3所示。

图4 几种铝合金在不同汽车防冻液中的阻抗谱等效电路图Fig.4 Electrochemical equivalent circuit for EIS fitting of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

表3 几种铝合金在不同汽车防冻液中的阻抗谱拟合结果Tab.3 Fitting results of impedance parameters of several aluminum alloys in different automotive antifreeze solutions

Rs表示处在金属电极与参比电极间的溶液层电阻，CPE 表示金属表面双电层电容，Rt表示溶液电荷传递电阻。

从表3可知，四种铝合金材料均在2号汽车防冻液中的电荷转移电阻Rt较大，电荷转移电阻Rt的大小一定程度上体现了电极表面反应速率大小，与腐蚀电流密度所表征的腐蚀速率一致。

3 结论

本文采用静态失重法、极化曲线法和交流阻抗法考察了2024 铝合金，铝LY12，铸铝ZL101 和铝镁合金等四种铝合金材料在市售两种常见汽车防冻液中的腐蚀行为。

（1）静态失重法结果表明，四种铝合金材料在汽车防冻液中的初期腐蚀速率相差甚远，其中铝LY12最大，2024 铝合金则最小；四种铝合金材料的腐蚀速率会随腐蚀时间的延长而减小，在10 d 时达到最小；四种铝合金材料在2 号汽车防冻液中的腐蚀速率普遍要低于1号，说明在2号汽车防冻液中抗腐蚀性能最好。

（2）极化曲线结果表明，四种铝合金材料在2 号汽车防冻液中腐蚀电流密度更小，腐蚀电位更正，说明铝材在2号汽车防冻液中不易被腐蚀。

（3）交流阻抗谱图结果表明，四种铝合金材料在2 号汽车防冻液中低频区容抗弧更大，电荷通过双电层传递的阻力更大，电化学反应的活性更低，腐蚀速率更小。

综合说明，2 号汽车防冻液对四种铝合金材料的腐蚀最轻，较适宜于铝合金材料的汽车发动机使用。