白飛飛，王玉超

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 礦用油品分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

目前，我國露天煤礦大型關鍵設備及零配件仍主要依賴進口[1]，但用于進口設備的冷卻液已逐步國產(chǎn)化替代，有效避免國際貿(mào)易供貨周期對露天礦山生產(chǎn)效率的影響。重負荷發(fā)動機冷卻液通常用于露天礦山移動式非公路工程機械上，該類機械發(fā)動機具有功率大、運轉(zhuǎn)負荷高、產(chǎn)熱量高的特點[2]。露天礦常用的大型關鍵設備有裝載機、平路機、電動輪自卸車[3]等，該類車輛長期在滿負荷的工況下運轉(zhuǎn)，若發(fā)動機散熱不及時，會導致行車無力、“拉缸”或“抱瓦”等現(xiàn)象[4]，嚴重縮短其使用壽命[5]，大型設備效率直接關系到礦山的生產(chǎn)效率，為減少設備停工時間，需做好設備的管理和運營維護[6]，用于礦山工程機械的Cummins 發(fā)動機其理想的工作溫度范圍為84～93℃[7]，為保障發(fā)動機處于最佳工作溫度，除新型高效的水箱散熱器外[8]，還需加入冷卻液進行冷卻[9]。GB/T 29743—2013 機動車發(fā)動機冷卻液標準界定了重負荷發(fā)動機冷卻液對金屬的腐蝕范圍和消泡時間等關鍵指標。按添加劑的化學成分可將冷卻液分為無機型和有機型2 類，無機型冷卻液主要依靠氧化膜、沉淀膜對金屬起到保護作用，導致其添加劑消耗量大，需定期補加腐蝕抑制劑，還存在穩(wěn)定性相對較差，產(chǎn)生的部分沉積物覆蓋在金屬表面不利于發(fā)動機散熱的缺點[10]；有機型冷卻液主要依靠吸附膜對金屬起到保護作用，其添加劑消耗量較無機型少，但存在儲備堿度不高和相對容易起泡的缺點。針對上述情況，采用無機和有機復合技術對冷卻液的配方進行調(diào)制，并與市售的其它冷卻液進行性能對比，以期新制備的冷卻液能夠滿足露天礦重負荷發(fā)動機在苛刻條件下的使用要求。

1 實驗部分

1）試樣制備。將適量的去離子水、黑色金屬緩蝕劑（鉬酸鹽）、有色金屬緩蝕劑（咪唑類）和乙二醇均勻混合，得到冷卻液的基礎配方。根據(jù)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)常用6 種金屬（紫銅、黃銅、鋼、鑄鐵、鑄鋁和焊錫）的特性，依次研究不同濃度下二元羧酸、芳香酸鹽、硼酸鹽和阻垢劑對6 種金屬腐蝕的影響，得到各添加劑的適宜添加量，對基礎配方進行調(diào)整，以無機堿調(diào)節(jié)溶液的pH 值，制備出重負荷發(fā)動機冷卻液。參考SH/T 0085 發(fā)動機冷卻液腐蝕測定法（玻璃器皿法）配制腐蝕水，即將分析純的Na2SO4、NaCl、NaHCO3溶解于去離子水中，使水中離子的濃度均為100 mg/L。

2）腐蝕實驗。將上述配制的冷卻液樣品用腐蝕水配成冰點為（18±1）℃的試樣，其中冷卻液體積約占33%，以含基礎配方的腐蝕水作對照實驗。參照SH/T 0085 將金屬試片浸泡在試樣中，實驗溫度（95±2）℃，實驗時間（96±2）h；實驗前金屬試片的質(zhì)量為m1，實驗后金屬試片的質(zhì)量為m2，其中m1－m2的絕對值即為金屬試片的質(zhì)量變化m，每個冷卻液樣品做3 個實驗，取平均值。

2 金屬腐蝕影響因素

2.1 二元羧酸對金屬腐蝕的影響

二元羧酸濃度與試片質(zhì)量變化的關系見表1。

在基礎配方中添加二元羧酸后，從6 種金屬質(zhì)量變化的合計看，二元羧酸對6 種金屬均具有防腐蝕作用，當二元羧酸的添加量在0.8% 時，各金屬質(zhì)量變化的合計值38.3 mg 相對較小，原因在于二元羧酸能夠在金屬表面形成吸附膜或在腐蝕活化點吸附，因而對各種金屬都有較好的腐蝕抑制作用；二元羧酸對不同金屬的防腐蝕效果有一定的差異，隨著二元羧酸添加量的增大，紫銅、鑄鋁和焊錫的質(zhì)量變化顯著減小，是由于二元羧酸在金屬表面較強的雙吸附位點，聯(lián)合黑色金屬緩蝕劑和有色金屬緩蝕劑共同作用，有效防止金屬腐蝕；當濃度高于0.8%時，各金屬質(zhì)量變化幅度減小，綜合成本考慮，故確定加入二元羧酸的量為0.8%。

表1 二元羧酸濃度與試片質(zhì)量變化的關系

2.2 芳香酸鹽對金屬腐蝕的影響

芳香酸鹽濃度與試片質(zhì)量變化的關系見表2。

表2 芳香酸鹽濃度與試片質(zhì)量變化的關系

由表2 可見，隨芳香酸鹽含量的增加，6 種金屬質(zhì)量變化合計值呈先減小后增大的趨勢，在2%時，合計值62.3 mg 為最小值，說明芳香酸鹽對金屬的防腐蝕性能相對較優(yōu)；隨著芳香酸鹽添加量的繼續(xù)增大，溶液的堿性逐漸增強，因鑄鋁和焊錫金屬活性相對較高，導致其腐蝕量增大；黃銅、鋼和鑄鐵的質(zhì)量變化顯著減小，是由于芳香酸鹽滲透力強和能隔絕腐蝕離子進入金屬內(nèi)部，從而起到防腐蝕作用。綜合各金屬腐蝕情況和冷卻系統(tǒng)鑄鐵含量較高因素，芳香酸鹽的加入量以2%為宜。

2.3 硼酸鹽對金屬腐蝕的影響

硼酸鹽濃度與試片質(zhì)量變化的關系見表3。

表3 硼酸鹽濃度與試片質(zhì)量變化的關系

由表3 可見，隨著硼酸鹽含量的增加，6 種金屬的質(zhì)量變化合計值（最小值42.6 mg）呈先降低后增大的趨勢，主要因為硼酸鹽能夠促進氧氣吸附在金屬表面，加速金屬形成鈍化膜，同時硼酸鹽還能夠在金屬表面形成吸附膜，該膜可以與金屬表面形成的鈍化膜協(xié)同，有效阻止腐蝕性離子向金屬內(nèi)部滲透，減緩金屬發(fā)生電化學反應，使得金屬防腐蝕性能增強；當硼酸鹽的含量在0.4%以上時，6 種金屬中焊錫和鑄鐵的質(zhì)量變化較小，說明其對焊錫和鑄鐵的防腐蝕性能較好；隨著硼酸鹽添加量的增大，鑄鋁和黃銅的質(zhì)量變化量增大，不利于鑄鋁和黃銅的防護，是因為硼酸鹽呈堿性，除中和發(fā)動機冷卻液中醇類物質(zhì)氧化成的酸性物之外，還能夠剝離金屬上的腐蝕產(chǎn)物，防止繼續(xù)腐蝕；綜合6 種金屬腐蝕情況，硼酸鹽的加入量以0.4%為宜。

2.4 阻垢劑對金屬腐蝕的影響

阻垢劑濃度與試片質(zhì)量變化的關系見表4。

表4 阻垢劑濃度與試片質(zhì)量變化的關系

由表4 可見，隨著阻垢劑含量的增加，6 種金屬的質(zhì)量變化合計值呈逐漸降低的趨勢，當添加量在0.08%～0.1%時，對6 種金屬具有良好的防腐蝕作用，主要因為阻垢劑具有一定的活性堿度和較高的pH 緩沖指數(shù)，可中和冷卻液酸化的產(chǎn)物和提高冷卻液的pH 值，使得金屬防腐蝕性能增強；阻垢劑同時具有一定的潤濕和滲透能力，對金屬表面的銹蝕產(chǎn)物和污垢具有去除和乳化作用，促進其分散和懸浮，防止再沉積，保持金屬表面相對光亮。表中顯示其對鑄鋁和焊錫的防腐蝕作用較其它金屬好，因其具有可溶性分散基團，可以改善氧化膜層的質(zhì)量，減小堿性物質(zhì)對鑄鋁、焊錫的腐蝕。當添加量繼續(xù)增大，冷卻液的pH 值繼續(xù)增加，不利于紫銅和黃銅的防護。綜合上述情況，阻垢劑的加入量以0.08%為宜。

2.5 不同冷卻液間的性能比較

通過對二元羧酸、芳香酸鹽、硼酸鹽和阻垢劑的研究，確定了各添加劑的適宜添加量，將其加入到基礎配方后，用適量的無機堿調(diào)節(jié)冷卻液的pH 值，加入適量的酸堿指示劑攪拌均勻后得到重負荷發(fā)動機冷卻液，依據(jù)GB/T 29743—2013 機動車發(fā)動機冷卻液標準對其進行檢驗，并將冷卻液的關鍵性指標與市售的A 和B 2 個品牌重負荷發(fā)動機冷卻液進行比較，不同冷卻液關鍵指標對比見表5。

表5 不同冷卻液關鍵指標對比

表5 顯示自制的發(fā)動機冷卻液對6 種金屬的防腐蝕性能有一定的差異，因單一添加劑與復合添加劑對同一金屬防腐蝕性能存在差異，導致每種金屬均未出現(xiàn)篩選添加劑時質(zhì)量變化的最小值，可能與添加劑間的相互作用有關，如部分添加劑對黑色金屬有防腐蝕作用，而對有色金屬無防腐蝕作用。二元羧酸通過吸附在鑄鋁的表面來實現(xiàn)對鑄鋁的緩蝕，其對鋁表面的附著力較無機鹽型緩蝕劑形成的沉積膜弱，對鋁的防護作用較無機鹽緩蝕劑弱。

由6 種金屬的質(zhì)量變化可知，3 種冷卻液對鑄鋁和焊錫的防護雖然均在標準規(guī)定的±30 mg 之內(nèi)，但防腐蝕均有較大的提升空間，鑄鋁和焊錫容易被腐蝕，與它們自身金屬活性較強有關。對比發(fā)現(xiàn)A和B 2 個品牌冷卻液對6 種金屬質(zhì)量的影響均有增加和減少，而自制冷卻液對6 種金屬質(zhì)量的影響均增加，說明其防腐蝕機理存在一定差異，可能與自制冷卻液采用滲透性強的硼酸鹽和阻垢劑有關。

自制冷卻液的pH 值和B 品牌冷卻液較接近，但其儲備堿度較A 和B 品牌明顯增大，說明其抑制乙二醇進一步酸化的能力較強，維持冷卻液弱堿性的時間更長[11]，更有利于金屬的防腐蝕。自制冷卻液的氯含量較低、消泡時間更短，有利于降低發(fā)動機氣穴腐蝕的風險。

3 結論

1）制備出重負荷發(fā)動機冷卻液，結合鈍化膜和吸附膜實現(xiàn)對6 種金屬防腐蝕的雙重保護，性能指標優(yōu)于GB/T 29743—2013 標準的要求。

2）冷卻液配方因含阻垢分散的添加劑和有機酸鹽，能夠有效防止污垢再沉積，儲備堿度相對較高，緩沖能力強。

3）研制的冷卻液氯含量低，消泡時間短有利于降低發(fā)動機氣穴腐蝕的風險。

4）有機和無機緩蝕劑的復配，有增效作用但不顯著，市售和自制冷卻液鑄鋁和焊錫防護均有提升的空間，配方需進一步加強兩性金屬的腐蝕研究。