張仲榮,謝 宇,李明賀
(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司 天津 300300)
車用發(fā)動機廣泛采用強制循環(huán)水冷冷卻系統(tǒng),散熱器是保護發(fā)動機正常工作的一個重要部件。為了帶走發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生的熱量,通常會添加冷媒介質(zhì),目前乙二醇作為應(yīng)用最普遍的冷媒介質(zhì)之一,由于具有防沸、防凍、防腐、防水垢、流動性等諸多優(yōu) 點[1],得到了廣泛的青睞。乙二醇型的防凍液,通常由防凍劑(乙二醇水溶液)、緩蝕劑、消泡劑、著色劑、防霉劑等組成,而汽車的水冷冷卻系統(tǒng)材質(zhì)一般含有鐵、鋁、銅等元素,乙二醇型的防凍液長期工作會引起金屬材質(zhì)的腐蝕產(chǎn)生不溶性的雜質(zhì),并且如果選擇使用不當(dāng),也會產(chǎn)生腐蝕性的雜質(zhì),嚴(yán)重時堵塞冷卻系統(tǒng),最終影響發(fā)動機的使用。
為了準(zhǔn)確鑒定出故障散熱器中的不溶物成分,并對產(chǎn)生的原因進行分析,提出改進的建議或方案。本文采用熱分析、紅外光譜儀、X射線能譜儀等手段,對散熱器中的不溶物進行化學(xué)成分定性分析。
傅里葉紅外光譜儀(FTIR),型號為IS 50,美國賽默飛世爾公司生產(chǎn);熱重分析儀(TGA),型號為TGA/DSC 3+,美國梅特勒公司;X射線能譜儀(EDS),型號X-Max,牛津公司生產(chǎn)。
①TGA分析條件:初始溫度為30℃,以10℃/min升溫速率至750℃,流量為50mL/min氮氣保護;再從750℃降溫至300℃,切換為流量為50mL/min氧氣,以10℃/min升溫速率升溫至750℃。
②FTIR分析條件:溴化鉀壓片分析,采用透射模式,分辨率為4cm-1,掃描32次,波長范圍400~4000cm-1。
③EDS分析條件:加速電壓為20kV,束流500μA,工作距離6.0mm,樣品噴金處理。
將樣品從發(fā)動機散熱器上刮取下來,樣品呈潮濕黏糊狀態(tài),a樣品呈淺米色,b樣品呈棕紅色,分別置于干凈的玻璃培養(yǎng)皿中,放在加熱板上低溫將防凍液揮發(fā)凈至粉末狀態(tài)備用。
對2款冷凝器的不溶物樣品進行分析,紅外譜圖 如圖1所示。由圖1(a)看出,a樣品和b樣品的主要特征區(qū)域都有3個,分別是4000~2850cm-1、1700~1300cm-1和1200~500cm-1,特征譜圖不同顯示不溶物不是同一類物質(zhì)。對于a樣品,4000~3000cm-1為具有明顯的結(jié)晶水或OH—礦物結(jié)構(gòu)的特征,2957~2850cm-1為—CH2—和—CH3的伸縮振動中強吸收峰;1561cm-1為C=O反對稱振動強吸收峰,1466cm-1為—CH2—的彎曲振動中強吸收峰,1420~1300cm-1為C—O伸縮振動弱峰;1300~900cm-1與800~500cm-1為2個鼓包峰,顯示為硅酸鹽的特征信息。對于b樣品,在4000~2850cm-1與1700~1300cm-1附近的特征與a樣品類似,但在1200~500cm-1區(qū)域明顯不同。圖1(b)和圖1(c)分別顯示2個樣品與硅酸鹽、鐵的氧化物、含結(jié)晶水草酸鹽的特征對比,推測2個樣品并非單一的鹽類, 而是多種成分的混合物,從C=O雙鍵的特征峰推測應(yīng)都含有草酸的成分。
通過對2種不溶物進行EDS能譜分析,從圖2清晰看出,a樣品和b樣品顯然不是同一類物質(zhì)。表1的主要元素含量結(jié)果表明,在2種樣品中檢出的主要成分為含碳、含氧的金屬鹽類:a樣品的成分主要為Al和Zn鹽類,其他鹽類還有K、Ca以及少量的Mg和Fe鹽;而b樣品中主要鹽類為Fe鹽,其他鹽類依次為Al鹽,以及少量的Na、K鹽類,并且b樣品呈鐵磁性,結(jié)合棕紅色推斷主要為鐵的氧化物或羥基化物。另外,2個樣品中都檢出Si元素,結(jié)合Mg、 Al、K等元素,推斷可能為硅酸鹽類物質(zhì)結(jié)構(gòu)。
表1 2個不溶物樣品的主要元素含量Tab.1 Main elements content of 2 insoluble matter samples
為了解不溶物的熱穩(wěn)定性特征,對不溶物樣品進行了熱重分析,如圖3所示,可知2個樣品的熱失重曲線不一致。表2和表3分別為2個樣品在不同溫度階段的失重比例。
表2 a樣品的分解溫度及分段失重比例Tab.2 Decomposition temperature and segmented weight loss ratio of sample A
表3 b樣品的分解溫度及分段失重比例Tab.3 Decomposition temperature and segmented weight loss ratio of sample B
在室溫~750℃的升溫區(qū)間內(nèi),a樣品主要失重的溫度區(qū)間范圍為40~535℃,在氮氣氛圍中失重比例為50.8%;在切換為氧氣氛圍后繼續(xù)失重,失重比例為0.85%;a樣品全過程的失重總比例為51.7%,殘余量為48.3%。b樣品的主要失重溫度區(qū)間范圍為270~520℃,在氮氣氛圍中失重比例為70.0%;在切換為氧氣氛圍后出現(xiàn)增重,增重比例為2.03%,共增重表明有物質(zhì)被氧化,結(jié)合EDS的元素分析結(jié)果,推斷可能為部分二價鐵(氧化亞鐵)被氧化變?yōu)槿齼r鐵,從而導(dǎo)致樣品增重;b樣品全過程的失重總比例為70.0%,殘余量為30.0%。
從圖3(b)的DTG溫度曲線看出,2個樣品的熱分解溫度曲線有明顯差異:a樣品含有最大分解溫度為333℃和473℃的物質(zhì),并且在133~280℃沒有出現(xiàn)最大分解溫度的物質(zhì)。而b樣品則含有最大分解溫度為253℃和373℃的物質(zhì),其中在373℃附近峰值比較鈍化不尖銳,推斷可能有多種物質(zhì)混合物。
乙二醇型防凍液在常溫下不會引起金屬材質(zhì)的明顯腐蝕,但隨著溫度升高,乙二醇會被氧化,使得酸度增高,生成多種腐蝕性物質(zhì)[2],乙二醇的腐蝕反應(yīng)如圖4所示。為了延緩防凍液對材質(zhì)的腐蝕,通常會添加一定量的緩蝕劑。不同成分的金屬構(gòu)件需用不同的緩蝕劑,一般其添加量為0.5%~5%,亞硝酸 鈉對鋼、鑄鐵的緩蝕效果好,但對焊料產(chǎn)生孔腐蝕;三乙醇胺、磷酸鹽、有機磷酸鹽對黑色金屬的緩蝕效果好,但對黃銅、紫銅有腐蝕;硅酸鹽是鋁的優(yōu)良緩蝕劑,但極易水解,生成大量絮狀沉淀[3]。
為此對常見的草酸鹽類與2個樣品的分解溫度進行對照分析研究,見圖5。在實驗中,a樣品雖然經(jīng)歷了105℃的脫水過程,但在DTG曲線上看出,在室溫到350℃的范圍內(nèi),仍存在多個譜峰疊加,其中330℃附近有較為突出的尖銳峰,表示存在多個復(fù)雜樣品的脫水或者分解;在360~550℃范圍DTG曲線還有1個明顯的譜峰,正好對應(yīng)于草酸鋅、草酸亞鐵、草酸鈣的分解范圍,因而推斷可能為鋅/鐵/鈣的復(fù)合草酸鹽類;在通氧氣后,a樣品TGA曲線上無增重現(xiàn)象顯現(xiàn);最后坩堝剩余物為灰白色鋅、鋁鹽或者它們的氧化物。
實驗中b樣品經(jīng)歷了120~150℃的2h烘烤脫水過程,導(dǎo)致樣品在TGA曲線上的0~150℃附近的脫水峰未出現(xiàn);但DTG曲線上看出253℃附近有尖銳峰,有可能為鐵鹽α-FeOOH或γ-FeOOH的脫羥基峰,與文獻[4]中2種鐵鹽α-FeOOH與γ-FeOOH失去羥基的吸熱峰溫度249、259℃相接近;在280~500℃有明顯的譜峰,表明該類鹽混合物一直在降解,部分對應(yīng)于草酸亞鐵、草酸鋅的分解范圍;在通氧氣后,b樣品在TGA曲線上反而有增重現(xiàn)象,可能為亞鐵鹽被氧化導(dǎo)致質(zhì)量增加;最后坩堝剩余物為棕色鐵鹽或氧化物。
首先,通過對2個廠家的發(fā)動機散熱器中產(chǎn)生的 2種不溶物分析,發(fā)現(xiàn)相同點為其中都含有大量的碳和氧元素,不同點為2種鹽類主要金屬元素不一致或者說鹽類形態(tài)不同,a樣品主要元素為鋁、鈣、鋅、鉀,且為白色狀,b樣品的主要元素為鐵和鋁,且呈紅棕色。其次從防凍液來看,2種防凍液都是乙二醇型的防凍液,都是乙二醇型防凍液造成的腐蝕。無添加劑的乙二醇對金屬材質(zhì)的具有腐蝕性,文陳等[5]研究認(rèn)為3A21鋁合金焊接件浸泡在乙二醇水溶液中30d后,表面膜破裂脫落,并產(chǎn)生了點蝕現(xiàn)象,表面膜脫落形成腐蝕微電池,使得基體發(fā)生溶解。陳曉 東[6]認(rèn)為在一定溫度和壓力下,乙二醇防凍液對304和316不銹鋼均有腐蝕性,并且是一個復(fù)雜而緩慢的過程,相同條件下,304的腐蝕速率高于316L。劉麗明等[7]認(rèn)為汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)宜采用復(fù)合型緩蝕劑減緩箱體金屬腐蝕,并且防凍液的pH值也應(yīng)處于一定的范圍(6.5~9.0),否則容易造成冷卻系統(tǒng)的 腐蝕。
與鋁質(zhì)散熱器連接的一部分管件為鐵質(zhì)類、鍍鋅件,都有與防凍液接觸的機會。A類散熱器中產(chǎn)生的a樣品量相對較少,基本呈凝膠狀態(tài),附著在散熱薄片間,其原因可能是硅酸鹽類的緩蝕劑造成了鋁材質(zhì)以及鍍鋅類材質(zhì)的腐蝕。這是由于在a樣品中檢測有Mo元素,推斷為鉬酸鹽的緩蝕劑,雖然減緩了鋁合金材質(zhì)的腐蝕,但還是會產(chǎn)生一定的腐蝕,腐蝕物呈白色絮凝狀。B類散熱產(chǎn)生的b樣品量較多,在散熱薄片中明顯可以刮出紅棕色固體粉末物質(zhì),可能原因一是防凍液缺少緩沖劑致使其pH值偏酸性,管道一旦有未防腐或防腐不到位的鐵質(zhì)材料暴露在防凍液中,則很容易造成鐵材質(zhì)的嚴(yán)重腐蝕,其次也有少量鋁質(zhì)的腐蝕;另一個原因可能是防凍液的緩蝕劑失效或者沒有緩蝕劑,造成了鐵及鋁材質(zhì)的嚴(yán)重腐蝕。
為了減緩防凍液對散熱器系統(tǒng)管道的腐蝕,防凍液應(yīng)盡量選用正規(guī)合格的產(chǎn)品以減緩對散熱器腐蝕,或是添加具有緩釋成分、緩沖成分的產(chǎn)品,不建議自行配制或使用不良產(chǎn)品。這主要是因為不良防凍液產(chǎn)品達不到良好的防腐效果,而正規(guī)商品化的防凍液產(chǎn)品具有減緩腐蝕的作用。通常為了減緩金屬材質(zhì)的腐蝕,商家除了防凍劑外一般還會添加多種助劑,如水、緩蝕劑(減緩腐蝕)、防霉劑(抑菌)、緩沖劑(調(diào)節(jié)pH值)、消泡劑(消泡)、著色劑(提醒添加或更換)等。再有,在使用更換防凍液時,應(yīng)根據(jù)原防凍液顏色更換,或根據(jù)實際情況選擇,將原來的防凍液徹底清洗干凈,防止不良反應(yīng)加速腐蝕冷卻器。
①散熱器系統(tǒng)中2款不溶物不同,a樣品不溶物呈現(xiàn)為鋁鋅金屬草酸鹽、硅酸類,b樣品呈現(xiàn)為鐵的氧化物或羥基氧化物、草酸鹽。
②防凍液在不同環(huán)境條件下使用對腐蝕產(chǎn)物也有影響,缺少緩蝕劑、緩沖劑會造成散熱器系統(tǒng)金屬材質(zhì)的腐蝕產(chǎn)物不同。
③為了減少防凍液對散熱器系統(tǒng)的腐蝕,應(yīng)選購正規(guī)合格的防凍液產(chǎn)品,不建議采用自行配制的防凍液或不良產(chǎn)品,避免導(dǎo)致嚴(yán)重腐蝕散熱系統(tǒng)乃至損壞發(fā)動機。