趙 洋 蔡 寧 楊 雙 楊蕎慧

（中家院（北京）檢測認證有限公司 北京 100176）

0 引言

當(dāng)前，中國已經(jīng)成為全世界最大的空調(diào)器生產(chǎn)及出口國。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國房間空調(diào)器的總銷量為14146 萬臺，其中內(nèi)銷為8028 萬臺，出口為6118 萬臺，出口比率高達43.2%，巨大產(chǎn)能壓力之下衍生出對換熱器大量需求，2020年家用電器行業(yè)換熱器總銷售額約為588.1 億元，其中翅片管換熱器占比高達98.0%；微通道換熱器占比約為0.7%[1]。然而，目前家用電器尤其是空調(diào)器所使用的換熱器材質(zhì)大多為銅，進一步結(jié)合我國的資源類型發(fā)現(xiàn)，2020年我國銅精礦產(chǎn)量約為168 萬噸，進口精銅礦約為2200 萬噸[2]，同期國內(nèi)原鋁產(chǎn)量高達3731.7 萬噸，占全球總產(chǎn)量的57.2%[3]，由此看見，當(dāng)前我國既是銅資源緊缺國家又是銅資源消耗大國。另一方面，銅價的持續(xù)增長已成為我國制造業(yè)面臨的共性資源問題，部分專家預(yù)測在未來的2022~2025年間，銅價將從1.1875 萬美元/噸進一步增長至1.5 萬美元/噸[4]，因此無論從全空調(diào)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈安全性的角度，還是從空調(diào)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度，進行鋁代銅換熱器的研究和開發(fā)都是勢在必行的。

現(xiàn)階段同類型的空調(diào)換熱器使用鋁材與使用銅材相比仍然存在兩個主要弊端，即：鋁制換熱器的可靠性存疑以及鋁材的換熱性能較低，其中可靠性更是限制鋁代銅換熱器應(yīng)用和發(fā)展的安全性問題。在可靠性測試中，耐腐蝕試驗是考核鋁制換熱器的最主要手段，但是現(xiàn)行國內(nèi)外換熱器標準和科研方案在該方向上所使用的方法參差不齊，大多都是沿用了基礎(chǔ)材料標準中鹽霧試驗的測試方法，并沒有針對換熱器本身研制新的測試標準和科研方案，因此，本研究建立在綜述既往耐腐蝕測試標準和科研成果的同時分析各類檢測方案的優(yōu)劣性，旨在為鋁制換熱器的進一步研發(fā)提供思路。

1 鋁制換熱器耐腐蝕測試標準綜述

1.1 鹽霧試驗標準綜述

目前對于金屬的耐腐蝕測試通常使用的方法為鹽霧試驗和交替浸沒試驗，上述兩者試驗按照溶液的成分、PH 值以及操作方法可以主要分為：中性鹽霧試驗（NSS），酸性鹽霧試驗（AASS）、循環(huán)酸性海水試驗（SWAAT）、銅加速鹽霧試驗（CASS）、中性溶液交替浸沒試驗以及酸性溶液交替浸沒試驗。在鹽霧試驗方法方面美國材料實驗協(xié)會（American Society of Testing Materials, 以下簡稱ASTM）已經(jīng)有了比較多的研究基礎(chǔ)，對于SWAAT、CASS、NSS 等試驗方法都有了比較詳細的介紹，而中國國家標準以及歐盟的IEC、ISO 標準在這方面更加側(cè)重了比較基礎(chǔ)的NSS、AASS 試驗方法的修訂，各類標準對應(yīng)的測試原理基本相同，只是在試驗時間、溶液成分、PH 值等方面有細微的差別，具體標準的試驗條件如表1 所示。

表1 部分標準試驗方法對比Table 1 Comparison of test methods of various standards

從表1 中的對比可以獲知：第一，國內(nèi)外涉及基礎(chǔ)金屬鹽霧試驗所采用的溶液條件大多數(shù)均以5%質(zhì)量分數(shù)的NaCl 溶液為基礎(chǔ)，同時加入銅離子或醋酸用以調(diào)和成不同PH 值的溶液用于霧化。其中具有特殊性的方法是SWAAT 試驗和交替浸沒試驗，前者使用合成海鹽溶液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的NaCl 溶液進一步模擬金屬在高濕度的沿海區(qū)域所面臨的嚴苛狀況；后者考慮到浸沒對金屬可能造成較大損傷程度，故而將NaCl 溶液濃度降低為3.5%。第二，通常酸性鹽霧試驗（包括SWAAT、AASS、CASS），所采用的PH 值基本維持在3 左右，而NSS 一般設(shè)置在6.5-7.2 之間。第三，各個版本鹽霧試驗標準對于試驗時間的設(shè)定存在一定的差異，但考慮到不同溶液對鋁制換熱器的實際腐蝕程度，一般來說時間不建議小于500 小時。第四，對比同等酸度鹽霧試驗和交替浸沒試驗的試驗時間可以得知通常鹽霧時間為連續(xù)試驗，而交替浸沒時間為較短時間浸沒同時輔以較長時間的干燥靜置，故而推測在相同時間下，同等酸度的浸沒環(huán)境嚴苛程度要高于鹽霧環(huán)境。另外，對比SWAAT、CASS 和AASS 試驗發(fā)現(xiàn)，SWAAT 試驗由于存在多種復(fù)合鹽類且溶液PH 值略低于CASS 和AASS 試驗，故而嚴酷等級在三者中最高，其次CASS 試驗中加入的Cu 離子也能夠更加有效的誘發(fā)鋁制換熱器腐蝕，因此認為CASS 試驗的嚴酷程度略高于AASS 試驗，最后NSS 試驗作為最為基礎(chǔ)的鹽霧試驗類型，無論從溶液成分還是酸堿度的層面考量，都被認為是嚴苛程度最低的試驗方法。

1.2 腐蝕考核標準綜述

目前國內(nèi)外對于鹽霧試驗的方法已相對比較成熟，然而對于鹽霧試驗考核方式的統(tǒng)一性卻比較差，ASTM 系列標準僅僅以出具試驗過程中溫濕度及溶液參數(shù)形式的報告確定結(jié)果，對于結(jié)果評估方面采用“根據(jù)買賣雙方的協(xié)議，或根據(jù)被測材料或樣品的規(guī)格進行細致及時的評估”的方式，而考察IEC、ISO 以及中國國家標準發(fā)現(xiàn)主要的評估方式主要分散在視檢、重量測量、電鏡掃描和能譜分析等方式，具體分類如表2 所示。

表2 部分標準評估方式對比Table 2 Comparison for evaluation methods of some standard

從表2 中的對比可以看出，大多數(shù)國內(nèi)外標準中對于腐蝕試驗后的判別方法都集中在視檢，視檢的內(nèi)容主要分為腐蝕面積、腐蝕類型以及無明確規(guī)定的定性檢查。其他一些標準中也分別給出了重量損失、腐蝕深度、電鏡掃描以及溶液分析檢查的思路。另外ISO 9223[22]還給出了一種通過獲取環(huán)境中的硫酸根離子、氯離子、濕度、溫度等參數(shù)對鋁腐蝕等級計算的評估方法。然而對于鋁制換熱器而言，受限于樣品的體積和形狀，采用微觀評價的方式存在操作難度較高、取樣工作量較大、取樣均勻度較差等問題，因此采用視檢和重量測量的方式較為合理。

1.3 換熱器耐腐蝕性標準綜述

國內(nèi)現(xiàn)行的換熱器標準中對于耐腐蝕性方面的試驗要求相對較為簡單，大多數(shù)標準中以引用現(xiàn)行材料行業(yè)的試驗方法為主，換熱器標準中更加側(cè)重對于耐腐蝕試驗后在耐壓、氣密以及性能方面的考核。其中通用性較高的GB/T 151[23]中僅簡單的規(guī)定了耐壓和泄露的試驗方法，房間空調(diào)器用換熱器標準GB/T 23130[24]進一步規(guī)定了耐腐蝕試驗引用GB 10125 中的方法進行，由此可見國家標準中并未針對換熱器尤其是鋁制換熱器設(shè)置單獨的耐腐蝕試驗方法。另外，行業(yè)標準QB/T 4681[25]中針對微通道換熱器設(shè)置了耐腐蝕的鹽霧試驗方法，其方法與既有材料行業(yè)標準類似，但該標準對試驗時間做出了500 小時的明確規(guī)定?？紤]到微通道換熱器應(yīng)用鋁材的情況比較高，進一步調(diào)研相關(guān)標準發(fā)現(xiàn)JB/T 11967[26]、T/ZZB 0815[27]等標準中明確規(guī)定了使用類似SWAAT 的方法對于微通道換熱器進行耐腐蝕試驗，并且將試驗溫度進行了高低溫的分類，然而方法中對于試驗時間卻并未明確。因此，由上述現(xiàn)行的中國標準來看，當(dāng)前國內(nèi)對于鋁制換熱器的耐腐蝕性試驗的方法研究仍然不足，隨著鋁代銅換熱器的逐步發(fā)展，有必要研制專用于鋁制換熱器耐腐蝕測試的國家標準。

2 鋁制換熱器耐腐蝕測試研究綜述

2.1 基礎(chǔ)鋁材耐腐蝕測試研究綜述

當(dāng)以金屬鋁作為換熱器材料的替代方案時，換熱器的耐腐蝕性也必將受到鋁材本身屬性的制約，因此鋁材本身耐腐蝕性的測試和評價方法將成為換熱器測試的有力依據(jù)，在這一領(lǐng)域國際材料行業(yè)的研究成果很多，文獻[28-35]介紹了使用NSS 對2A12 鋁合金、7475 鋁合金、7075 鋁合金、鍍鋅涂層鋁材、汽車專用鋁材以及其他鐵鋁合金進行耐腐蝕測試的方法，試驗時間在96 小時~2520 小時不等；文獻[36-38]介紹了使用包括CASS、AASS 在內(nèi)的酸性鹽霧試驗對6000 系列鋁合金耐腐蝕性以及鋁材陽極氧化的測試方法，試驗時間在700 小時~1440 小時不等；文獻[39]介紹了采用720 小時溶液浸泡的方法測試鋁材涂層耐腐蝕性；文獻[40]采用陰極擊穿的方式測試了2024 鋁合金、7075 鋁合金的耐腐蝕性。綜合來看，國際上仍然多用中性、酸性鹽霧試驗對鋁材的耐腐蝕度進行測試，而試驗結(jié)果的考察多用電鏡掃描（SEM）以及能譜儀（EDS）進行，另外鹽霧試驗的時間通常不小于96小時。

2.2 鋁制換熱器耐腐蝕測試研究綜述

與鋁材腐蝕試驗綜述類似，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者在進行鋁制換熱器耐腐蝕性研究時，使用較多的試驗方法仍為SWAAT、NSS 和CASS 試驗，其中歐美地區(qū)應(yīng)用較多的為SWAAT 試驗；日本應(yīng)用較多為CASS 試驗；國內(nèi)則是以NSS 試驗為主。值得一提是雖然國內(nèi)從科研角度應(yīng)用NSS 試驗較多，然而調(diào)研換熱器企業(yè)可以發(fā)現(xiàn)為了縮短試驗周期、加速新型鋁制換熱的研發(fā)進度，很多廠家也考慮采用SWAAT、AASS 對產(chǎn)品進行耐腐蝕考核。而考核方式與鋁材不同的是對于換熱器除了使用電鏡掃描和能譜儀以外，還加入了重量測試和性能測試作為主要的評價方法。經(jīng)檢索相關(guān)度較高的重點文獻，各研究人員給出的試驗方法、對比方案、考核方式以及主要結(jié)論對比如表3 所示。

表3 部分耐腐蝕測試研究對比Table 3 Comparison of some corrosion resistance tests

續(xù)表3 部分耐腐蝕測試研究對比

從表3 中部分文獻的綜述可以看出在科研層面大多數(shù)研究學(xué)者是基于SWAAT、NSS 以及浸沒試驗的基礎(chǔ)上進行個性化的調(diào)整，以便對鋁制換熱器的不同層面進行考核，其中得出的較為共性的結(jié)論包括：第一，鋁制換熱器在耐腐蝕試驗后較銅制換熱器更易發(fā)生泄露風(fēng)險和性能損失；第二，鋁制微通道換熱器耐腐蝕試驗后較鋁制翅片管換熱器的性能降低幅度更大，泄露風(fēng)險也更高；第三，通常使用酸性鹽霧試驗對于鋁制換熱器考核的方法嚴苛等級要遠高于中性鹽霧試驗，但所需的試驗時間可以大幅縮短；第四，涂層尤其是鍍鋅涂層對于鋁制換熱器的抗腐蝕性能至關(guān)重要。另外，結(jié)合表3 以及其他相關(guān)文獻[58-60]可以對既有研究學(xué)者所使用的試驗和判別方法進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖1、圖2 所示。

圖2 現(xiàn)有研究中考核方法比例Fig.2 Proportion of assessment methods in existing research

通過統(tǒng)計既有研究所使用的方法可以得知當(dāng)前對于換熱器耐腐蝕性考核的最主要方式仍然是NSS 和SWAAT 試驗，而采用的考核方式以電鏡掃描和性能考核為主。然而考慮到標準制定角度以及后期檢測機構(gòu)對于產(chǎn)品批量檢測的便利程度和可操作性，通常認為以SWAAT 或NSS 作為試驗方法，搭配GB/T 6461 中的視檢方式以及GB/T 10125中的重量檢測方式為較為合理的鋁制換熱器耐腐蝕性檢測方案。

3 鋁制換熱器耐腐蝕性試驗理論探討

房間空調(diào)器用換熱器面臨的主要腐蝕風(fēng)險在于室外機長期暴露在不可控的環(huán)境之中，因此本研究認為對于環(huán)境的合理模擬應(yīng)成為換熱器耐腐蝕試驗的基本前提?？疾飕F(xiàn)有研究成果看出既往學(xué)者均是采用PH 值處于2.9~3.3 之間的SWAAT、CASS以及AASS 或PH 值處于6.5~7.2 之間的NSS 對鋁制換熱器的運行環(huán)境進行模擬，進而選擇不同的試驗時間對其進行測試，但是采用這兩種方法存在的問題在于：中性鹽霧試驗的時間過長且對換熱器的腐蝕程度較小，而酸性鹽霧試驗對于換熱器運行環(huán)境的模擬過于嚴苛，不能反應(yīng)換熱器在真實環(huán)境下的使用狀態(tài)，且對試驗室周邊環(huán)境污染較為嚴重。因此，本研究認為可以建立一種處于二者之間的弱酸性鹽霧試驗，在減少試驗時間、降低試驗污染的同時模擬換熱器的真實運行環(huán)境?；谶@一因素首先考察我國降雨情況可獲知：如圖3 所示，我國2020年雨水的PH 值為4.39~8.43 之間，主要城市中降雨天數(shù)最多的為貴陽（204 天），最少的為銀川（40 天）[61]，取降雨量前20 位的城市進行全年平均降雨天數(shù)的計算為122 天/年，約占全年時間的1/3。因此，為模擬室外側(cè)換熱器最可能面臨的情況，按照PH 值為4.5~5.5 之間的鹽霧試驗與樣品干燥交替進行較為合理。進一步結(jié)合2.1 節(jié)文獻中既有研究所采用的96~2520 小時試驗時間，發(fā)現(xiàn)采用較長時間（1000 小時以上）的研究方向通常是用于考核材質(zhì)的極限能力，而較短時間（200 小時以內(nèi)）所研究的內(nèi)容多在于材質(zhì)的腐蝕機理。但是鋁制換熱器產(chǎn)品檢測認證的角度出發(fā)，試驗周期過長的結(jié)果是產(chǎn)品的腐蝕程度較大，該結(jié)果容易造成試驗數(shù)據(jù)離散性較高、結(jié)果一致性變低，而試驗周期較短則容易發(fā)生腐蝕不明顯、難以進行考核的弊端。因此綜合來看，本研究認為采用QB/T 4681中所設(shè)定總試驗時間500 小時即可滿足鋁制換熱器的考核要求，同時全面考慮試驗操作頻率過高對誤差的影響以及試驗工況交替對真實環(huán)境的模擬，認為合理的試驗?zāi)Ｐ涂梢詾椋?0 分鐘PH 值為4.5~5.5 之間的鹽霧試驗、60 分鐘干燥靜置交替進行不少于350 次。最后，對于試驗結(jié)果的考核方式而言，雖然文獻中所采用較多的方式為電鏡掃描，但各研究大多均基于理論及科研創(chuàng)新的角度，然而從檢測認證的角度而言，一方面電鏡掃描在設(shè)備、人力、周期、成本等方面的投入較大、另一方面電鏡掃描相關(guān)標準中并沒有明確腐蝕程度的劃分方式，因此采用GB/T 6461 中視檢以及GB/T 10125中重量檢查的方式對換熱器的腐蝕程度進行評估對于檢測認證機構(gòu)而言是更合理、更高效的方式。

圖3 中國酸雨分布情況Fig.3 Distribution of acid rain in China

4 結(jié)論

本次主要針對鋁代銅換熱器耐腐蝕性測試標準與測試技術(shù)進行綜述，并得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)前國內(nèi)外標準中涉及的鹽霧試驗方法對于房間空調(diào)器用鋁制換熱器的耐腐蝕測試存在一定的局限性，有必要針對空調(diào)專用的鋁代銅換熱器建立全新的耐腐蝕測試標準。

（2）調(diào)研現(xiàn)有科研成果發(fā)現(xiàn)對于鋁制換熱器的耐腐蝕測試所使用的鹽霧試驗方法主要為NSS 和SWAAT 試驗，二者使用率分別占本次調(diào)研結(jié)果的40%和28%，對于試驗后評價的方法使用較多的為電鏡掃描和性能測試，二者使用率分別占本次調(diào)研結(jié)果的38%和23%。

（3）考察中國雨水狀況并結(jié)合既有調(diào)研結(jié)果可以推斷：以PH 值為4.5~5.5 之間的鹽霧環(huán)境與干燥靜置按時間比1:2 交替運行為較合理且能夠模擬空調(diào)室外側(cè)鋁制換熱器所處環(huán)境的試驗方式。