空調(diào)關(guān)鍵零部件及材料在熱帶海洋環(huán)境中的腐蝕原因分析

楊陽，陶友季，祁黎，揭敢新，王俊，時(shí)宇，鐘藝強(qiáng)

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663）

引言

空調(diào)是大眾所需的商用和家用電器，其服役的地域遼闊，經(jīng)受多種多樣的氣候環(huán)境條件[1]。我國南海海域具有春秋季短、夏季長、季節(jié)變化小，且常年空氣潮濕、氣溫較高、雨量充沛等典型的熱帶海洋環(huán)境氣候條件特征[2，3]。在熱帶海洋復(fù)雜、惡劣的環(huán)境下，對空調(diào)系統(tǒng)的影響問題已變得十分突出，空調(diào)關(guān)鍵零部件及材料會(huì)容易發(fā)生不同程度的腐蝕和老化現(xiàn)象，從而致使關(guān)鍵零部件及材料腐蝕失效，嚴(yán)重影響空調(diào)的外觀、耐候性和使用壽命[4，5]。國外部分發(fā)達(dá)國家對空調(diào)產(chǎn)品的耐候性都十分重視，且隨著用戶對空調(diào)耐腐蝕性的要求日益嚴(yán)格，促使空調(diào)企業(yè)不斷完善和改進(jìn)已有的防腐措施[6]。我國大多數(shù)空調(diào)企業(yè)在空調(diào)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，并未考慮熱帶海洋環(huán)境的特殊性和嚴(yán)苛度而作特殊處理，用戶在選用時(shí)也并未提出服役環(huán)境條件的特殊性，導(dǎo)致空調(diào)在該環(huán)境下運(yùn)行出現(xiàn)水土不服現(xiàn)象，耐久性下降[7]。

廣東某制冷設(shè)備有限公司一款型號(hào)為KF-23W-L119分體掛壁式空調(diào)樣機(jī)服役于海南三亞某地3年后，由于遭受嚴(yán)重腐蝕致使樣機(jī)無法運(yùn)行直接報(bào)廢。故本研究通過對三亞等地區(qū)空調(diào)服役情況進(jìn)行調(diào)查，展開對該款失效空調(diào)室外機(jī)零部件腐蝕形貌、缺陷和腐蝕產(chǎn)物等進(jìn)行深入分析，研究其關(guān)鍵零部件及材料在該環(huán)境下的腐蝕機(jī)理，找出引起空調(diào)關(guān)鍵零部件及材料腐蝕失效的原因，并提出空調(diào)產(chǎn)品選材及工藝改進(jìn)的建議。

1 空調(diào)服役狀況調(diào)研

針對空調(diào)產(chǎn)品在三亞濕熱海洋環(huán)境下的失效十分突出，對三亞區(qū)域內(nèi)服役空調(diào)展開失效行為調(diào)研，結(jié)果表明，大部分空調(diào)產(chǎn)品壽命只有3年左右，僅達(dá)到正常預(yù)期壽命的1/3（使用10年，保修6年），很多空調(diào)在投入使用初期（約半年左右）就已有腐蝕跡象出現(xiàn)，直至3年后，已完全不能報(bào)廢不能繼續(xù)使用，說明空調(diào)在熱帶海洋環(huán)境下的耐久性下降。調(diào)研發(fā)現(xiàn)空調(diào)主要腐蝕失效現(xiàn)象體現(xiàn)在外機(jī)的散熱翅片、表面涂層，以及附屬的空調(diào)支架等關(guān)鍵部位如圖1所示。圖1（a）和（b）中可見服役空調(diào)翅片已出現(xiàn)粉化且表面有大量結(jié)晶鹽粒子，翅片腐蝕極為嚴(yán)重；圖1（c）為空調(diào)支架，圖中可看出空調(diào)支架表面已完全被一層厚厚的紅色銹層所附著，圖1（d）為空調(diào)外殼腐蝕情況示意圖，可見即便外殼有涂層保護(hù)，但在三亞嚴(yán)酷環(huán)境中，涂層耐久性下降，失去保護(hù)作用，使得基體金屬被腐蝕。

圖1 三亞腐蝕失效空調(diào)的宏觀圖片

圖2 某品牌分體掛壁式空調(diào)樣機(jī)的宏觀形貌圖

表1 被腐蝕的關(guān)鍵零部件列表

2 取樣

廣東某制冷設(shè)備有限公司一款型號(hào)為KF-23W-L119分體掛壁式空調(diào)樣機(jī)服役于海南三亞3年后，發(fā)現(xiàn)室外機(jī)外殼到內(nèi)部已經(jīng)大面積出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象見圖2，該空調(diào)室外機(jī)外殼因腐蝕生成大量以紅色銹蝕為主的腐蝕產(chǎn)物，材質(zhì)明顯脆化，拆開外機(jī)外殼后，內(nèi)部各部件腐蝕老化情況見表1，內(nèi)部除風(fēng)扇等塑料部件未發(fā)生明顯變化，其余金屬零部件均出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，翅片粉化脫落，銅管上生成白色產(chǎn)物和重度銅綠。

3 腐蝕失效分析

本研究采用掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）等材料測試分析方法分析失效空調(diào)關(guān)鍵零部件的腐蝕形貌、腐蝕產(chǎn)物及腐蝕產(chǎn)物成分，找出腐蝕產(chǎn)生的失效原因和探討空調(diào)關(guān)鍵零部件在該環(huán)境下的腐蝕失效行為。選取其中典型代表的腐蝕失效樣品共計(jì)4個(gè)，包括室外機(jī)外殼上蓋、銅管、壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)間擋板和風(fēng)扇支架等。

3.1 室外機(jī)外殼上蓋

圖3為室外機(jī)外殼上蓋微觀形貌圖。圖3（a）為室外機(jī)外殼上蓋基材的金相顯微組織，可知該上蓋基材的組織為均勻的單相鐵素體組織，圖3（b）為上蓋截面圖，從圖3（b）中可見該上蓋表面有一層防腐涂層，該涂層平均厚度約87 μm，由于該涂層的老化失效，失去對基體材料的保護(hù)作用，致使基體金屬與空氣接觸，發(fā)生腐蝕反應(yīng)。圖3（c）為未受腐蝕區(qū)域的基材金屬表面，該基材表面均勻平坦，無明顯腐蝕跡象；圖3（d）為基材腐蝕形貌，與未受腐蝕基材形貌相比，表面已覆蓋一層不規(guī)整的腐蝕銹層。通過EDS分析結(jié)果見表2，從表2中可知外機(jī)上蓋的材質(zhì)為碳鋼，腐蝕產(chǎn)物主要以鐵的氧化物為主，其中Cl元素含量為17.04 %，該元素主要來自于環(huán)境中存在的鹽粒子。

圖3 外殼上蓋顯微分析圖

3.2 銅管

圖4 （a）為銅管材料的金相顯微組織，為單相α組織且有大量孿晶生成，圖4（b）為不同放大倍數(shù)下銅管的表面腐蝕形貌，可見銅管表面因腐蝕生成了一層銅銹附著于銅管表面上，圖4（c）為銅管未受腐蝕部位的截面圖，圖4（d）為腐蝕產(chǎn)物的大量聚集區(qū)，腐蝕產(chǎn)物呈塊狀攀附于銅管基材表面，由于腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部相互擠壓形成裂紋，通過對基材和腐蝕產(chǎn)物EDS能譜分析見表3，結(jié)果表明該銅管材料為純銅，表面腐蝕產(chǎn)物主要由O和Cu元素組成，其中也有Cl元素的存在。

表2 室外機(jī)外殼上蓋EDS能譜分析結(jié)果

圖4 銅管顯微分析圖

表3 銅管EDS能譜分析結(jié)果

圖5 擋板顯微分析圖

3.3 壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)間擋板

圖5 （a）為擋板材料金相顯微組織，為單相鐵素體組織，圖5（b）為擋板的界面形貌圖，可見擋板主要是由防護(hù)涂層和基材組成，涂層厚度約為15.6 μm。圖5（c）和（d）分別為擋板基材和腐蝕產(chǎn)物形貌圖，擋板表面因遭受腐蝕生成連續(xù)的銹層依附于基材表面，EDS結(jié)果見表4，該結(jié)果表明該擋板材質(zhì)為碳鋼，其表面腐蝕產(chǎn)物主要是鐵的氧化物，其中有Cl元素的存在，說明擋板服役環(huán)境中含有Cl元素的腐蝕介質(zhì)存在。

3.4 風(fēng)扇支架

圖6（a）和（b）為風(fēng)扇支架材料的顯微組織，可知其組織為單相鐵素體，圖6（c）和（d）為風(fēng)扇支架不同放大倍數(shù)下的腐蝕形貌，由圖可見支架表面生成的大量腐蝕產(chǎn)物致使其表面凹凸不平。EDS分析結(jié)果（見表5）表明支架材料為碳鋼，腐蝕產(chǎn)物主要以鐵的氧化物為主，其中有Cl元素的存在，該腐蝕產(chǎn)物Cl元素來源于空調(diào)服役環(huán)境中。

表4 擋板EDS能譜分析結(jié)果

3.5 失效原因及機(jī)理分析

將上述分析結(jié)果進(jìn)行歸納見表6。由表6可知，腐蝕的空調(diào)零部件及材料主要是2種材質(zhì)，分別是純銅和普通碳鋼。碳鋼的腐蝕產(chǎn)物主要以鐵的氧化物為主，銅管的腐蝕產(chǎn)物主要以銅的氧化物以及氯化物為主。所有的腐蝕樣品中均檢測到Cl元素， Cl元素是典型的導(dǎo)致金屬材料發(fā)生局部腐蝕的元素，也是促進(jìn)腐蝕加劇的主要元素，主要是由于空調(diào)所在環(huán)境大氣中鹽粒子含量較高，鹽粒子吸附于材料表面所致。空調(diào)發(fā)生失效的主要原因是由于其關(guān)鍵零部件及材料被腐蝕所致，大氣中高Cl-濃度進(jìn)一步促進(jìn)了腐蝕反應(yīng)。

圖6 風(fēng)扇支架顯微分析圖

表5 風(fēng)扇支架EDS能譜分析結(jié)果

表6 腐蝕零部件及材料的SEM+EDS分析結(jié)果匯總

從腐蝕機(jī)理來，空調(diào)零部件及材料的腐蝕實(shí)質(zhì)上為金屬在液膜下的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，而空氣濕度過大或者降雨會(huì)使金屬表面形成一層薄液膜，液膜為金屬材料腐蝕提供電離環(huán)境，且在海洋大氣環(huán)境中，由于海風(fēng)的作用會(huì)在表面沉積海鹽粒子。海鹽粒子不僅具有很強(qiáng)的吸濕性，可以延長表面的潤濕時(shí)間，還可在液膜中形成Cl-濃度很大的強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，對金屬材料具有極強(qiáng)的侵略性，大大加速腐蝕過程。室外機(jī)外殼上蓋、壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)間擋板以及支架均因戶外溫度、濕度、暴曬、淋雨等因素影響，保護(hù)涂層發(fā)生嚴(yán)重老化，失去對基材碳鋼的保護(hù)作用，讓基材碳鋼直接暴露在空氣中，發(fā)生腐蝕反應(yīng)如下：

在潤濕條件下：

基材碳鋼表面生成的銹層產(chǎn)物是γ-FeOOH，α-FeOOH和

銅管表面生成的腐蝕產(chǎn)物主要為Cu2O,這是由于銅在熱帶海洋大氣環(huán)境中，首先發(fā)生氧化，生成Cu2O[9]，Cu2O溶解與Cl-反應(yīng)形成CuCl，溶解后通過離子配對和再沉積等步驟形成

4 結(jié)論與建議

1）通過對熱帶海洋環(huán)境下空調(diào)失效行為調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在該環(huán)境中空調(diào)服役壽命只能達(dá)到3年左右，僅為設(shè)計(jì)使用壽命的1/3，受腐蝕程度較重的主要分布在散熱翅片、表面防護(hù)涂層以及附屬支架等關(guān)鍵部件。

2）失效空調(diào)關(guān)鍵零部件及材料主要是由碳鋼和銅材組成，兩種材料均出現(xiàn)腐蝕較為嚴(yán)重的現(xiàn)象，腐蝕產(chǎn)物均以Fe和Cu氧化物為主，且均出現(xiàn)Cl元素，給涂層和基材造成腐蝕，導(dǎo)致空調(diào)出現(xiàn)失效行為。

3）空調(diào)在熱帶海洋環(huán)境中的耐久性較差，需針對性的改善現(xiàn)有空調(diào)在熱帶海洋環(huán)境中的耐久性。

由于熱帶海洋環(huán)境高溫、高濕和高鹽霧等典型氣候特征，對空調(diào)關(guān)鍵零部件及材料的耐腐蝕性能要求也高，需要選擇或更換耐蝕性更好的材料和工藝來對空調(diào)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，選擇抗Cl-侵蝕能力強(qiáng)的金屬材料以及涂層材料能更好的改善和提高空調(diào)在熱帶海洋環(huán)境下的耐久性能，達(dá)到預(yù)期使用壽命。