汽車(chē)散熱器耐腐蝕性研究

林興園

湖北雷迪特冷卻系統(tǒng)股份有限公司，湖北 武漢 430109

0 引言

由于燃油燃燒和零部件之間的各種摩擦，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度升高。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度過(guò)高，進(jìn)氣效率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降；還會(huì)造成潤(rùn)滑油變質(zhì)，運(yùn)動(dòng)件間隙減小，零部件磨損加??；發(fā)動(dòng)機(jī)材料的機(jī)械性能隨溫度升高而降低，嚴(yán)重時(shí)可損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。缸體溫度過(guò)低，可造成燃燒遲緩，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，同時(shí)潤(rùn)滑油黏度增加，磨損加劇。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度過(guò)高和過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的使用壽命下降。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，需要使用各種熱交換器對(duì)缸體進(jìn)行降溫，通常車(chē)輛裝配2～5個(gè)熱交換器[1]。散熱器是熱交換器的一種，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)冷卻液進(jìn)行冷卻。

鋁合金導(dǎo)熱性好，密度低，耐腐蝕性良好，機(jī)械性能強(qiáng)，可加工性優(yōu)良，在汽車(chē)熱交換器制造行業(yè)中廣泛應(yīng)用[2]，散熱器通常為鋁合金制造。散熱管腐蝕穿孔是散熱器失效的一個(gè)常見(jiàn)現(xiàn)象，為提高散熱器使用壽命，應(yīng)盡量延長(zhǎng)散熱管腐蝕時(shí)間。本文中通過(guò)分析不同元素成分對(duì)散熱管腐蝕的影響，確定散熱器制造需要選用的合適材料，提高散熱器使用壽命。

1 散熱器構(gòu)造

常見(jiàn)的汽車(chē)散熱器如圖1所示，主要由上水室、芯體和下水室構(gòu)成。上水室和下水室一般是塑料件，與整車(chē)管路連接，是冷卻液進(jìn)、出芯體的過(guò)渡裝置。芯體部分由鋁合金釬焊而成，是冷卻液和環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換的核心裝置。

圖1 汽車(chē)散熱器 圖2 散熱管和散熱帶交疊圖 圖3 傳熱過(guò)程示意圖

管帶式散熱器芯體由多排交疊排列的散熱管和散熱帶釬焊而成，如圖2所示。冷卻液經(jīng)過(guò)水室后，分配到每根散熱管中，通過(guò)散熱管和散熱帶將熱量傳遞到環(huán)境空氣中。

汽車(chē)散熱器的傳熱過(guò)程分為3步[3]：1)冷卻液通過(guò)對(duì)流將發(fā)動(dòng)機(jī)多余的熱量傳遞到散熱管內(nèi)壁；2)傳遞到散熱管的熱量通過(guò)管壁的傳導(dǎo)傳遞到管外壁和散熱帶，散熱管和散熱帶的釬焊接頭可加速熱傳遞；3)散熱管的外壁和散熱帶通過(guò)對(duì)流將熱量散發(fā)到環(huán)境空氣。傳熱過(guò)程示意圖如圖3所示。

散熱器的構(gòu)造和傳熱過(guò)程決定了散熱器必須要有可靠的密封性，保證高溫冷卻液始終在散熱管內(nèi)部流動(dòng)，一旦密封性不良，冷卻液漏出，散熱器散熱功能將會(huì)喪失，影響車(chē)輛正常安全使用。散熱器散熱管腐蝕穿孔是造成冷卻液泄漏的一個(gè)主要原因，如何提高散熱管耐腐蝕性成為一個(gè)重要的研究課題。

2 散熱管腐蝕原理

鋁的化學(xué)活性較強(qiáng)，在大氣中其表面會(huì)迅速氧化形成一層極薄的氧化膜,厚度約0.01～0.02 μm , 疏松多孔,容易滲透，被破壞后又會(huì)迅速形成新的氧化層。為了提高鋁在大氣中的耐蝕性能,一般需進(jìn)行過(guò)陽(yáng)極氧化處理,使其表面形成致密、較厚的氧化層。在含有氯氣的大氣中, 或水溶液中含有雜質(zhì)離子,特別是氯離子時(shí),鋁極易腐蝕。鋁在水中的電離電位為-1156 eV,極易被氫置換。水溫升高,特別在80 ℃以上時(shí),鋁在水中易腐蝕[3]。典型的鋁腐蝕過(guò)程中，鋁發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng)，其他比鋁電位高的物質(zhì)產(chǎn)生陰極反應(yīng)[4]：

3 陰極防腐法

為了避免散熱管腐蝕穿孔造成冷卻液泄漏，常采取措施使散熱帶比散熱管先腐蝕，散熱管表層比散熱管芯層先腐蝕，延長(zhǎng)散熱器的耐腐蝕壽命。由于電位低的材料腐蝕先于電位高的材料，因此通過(guò)調(diào)整散熱器不同部位鋁合金的電化學(xué)電位，可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

不同元素對(duì)鋁合金電位的影響如圖4所示。添加Mn、Cu、Si可使鋁合金的電位升高，添加Mg、Zn可以使鋁合金的電位降低。通過(guò)在芯材中添加可提高鋁合金電位的元素，在翅片料、犧牲材中添加可降低電位的元素，使芯材和翅片料、犧牲材之間形成適當(dāng)?shù)碾娢徊睿岣吣透g性。

圖4 合金元素對(duì)鋁合金腐蝕電位的影響

根據(jù)陰極腐蝕法，選擇合適的合金，制造1#散熱器。其中，散熱帶合金選擇AA3003Mod，散熱管外層、芯層和內(nèi)層的合金分別選擇AA4343、AA3005Mod、1AA3003Mod，外層、芯層和內(nèi)層的厚度分別為散熱管厚度的10%、75%、15%。散熱帶和散熱管材料各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1、2所示。

表1 散熱帶合金AA3003Mod組成成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 散熱管合金組成成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

由表1、2可知:散熱帶中添加了較多的Zn,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Zn)=1.3%～2.0%；散熱管芯層中添加了較多的Cu和Mn,Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Cu)=0.5%～0.7%,Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Mn)=1.5%～1.9%。

測(cè)量1#散熱器散熱帶和散熱管不同位置的電位，測(cè)點(diǎn)選擇情況如圖5所示，采用飽和甘汞電極的電位測(cè)量結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，散熱帶和散熱管芯層形成了梯度電位差，散熱帶電位最低，為-840 mV(為避免邊界的影響，選取離釬焊處稍遠(yuǎn)的觀測(cè)點(diǎn)1)，散熱管芯層電位最高，為-712 mV，二者電位差為128 mV。

圖5 1#散熱器電位測(cè)點(diǎn)分布 圖6 1#散熱器電位測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證1#散熱器的耐腐蝕性，對(duì)散熱器總成進(jìn)行1200 h循環(huán)酸性海水試驗(yàn)。整車(chē)廠一般要求滿足600 h 循環(huán)酸性海水試驗(yàn)散熱器不泄露，為了提高試驗(yàn)說(shuō)服力，將試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)至1200 h。試驗(yàn)后散熱器總成外觀如圖7所示。由圖7可知，試驗(yàn)后的散熱器總成氣密性良好，未發(fā)生泄漏，表明該散熱器具有良好的耐腐蝕性能，滿足汽車(chē)腐蝕耐久使用要求。

圖7 1200 h 循環(huán)酸性海水試驗(yàn)后散熱器外觀

為進(jìn)一步分析散熱管的腐蝕情況，將散熱器解剖切塊，分別取散熱管左上角③、中間②、右下角①3個(gè)部位的樣塊進(jìn)行金相觀察，并測(cè)量腐蝕深度。經(jīng)測(cè)量，左上角、中間、右下角的腐蝕深度分別為：36.06、27.99、52.21 μm，右下角散熱管腐蝕最嚴(yán)重。

右下角散熱管金相觀察圖片如圖8所示。由圖8可知：散熱管腐蝕發(fā)生在表層，為層狀腐蝕，最大腐蝕深度為52.21 μm。通過(guò)設(shè)置合理的電位差，實(shí)現(xiàn)了犧牲散熱帶和散熱管表層，保護(hù)散熱管芯層的目的。但電位差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致散熱帶過(guò)早腐蝕脫落，不利于散熱器總成的長(zhǎng)期使用。經(jīng)驗(yàn)表明，散熱器散熱帶和散熱管芯層的電位差為(140±30) mV比較合適。

圖8 1#散熱器腐蝕金相觀察照片

近年來(lái)，在環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)和成本約束的推動(dòng)下，汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是小型化和輕量化[5]。通過(guò)減少熱交換器零件厚度實(shí)現(xiàn)輕量化[6]，這對(duì)散熱器材料耐腐蝕性能的要求進(jìn)一步提高。隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，低溫散熱器應(yīng)運(yùn)而生。低溫散熱器一般是給電機(jī)和控制器散熱，布置于機(jī)艙的最前端，因此低溫散熱器表面更容易接觸并富集污染物，同樣需要耐腐蝕性好的材料。

4 長(zhǎng)壽命合金

為了進(jìn)一步提高散熱管耐腐蝕壽命，長(zhǎng)壽命合金材料得以廣泛應(yīng)用。長(zhǎng)壽命合金散熱管材料與普通散熱管材料類(lèi)似，由外層釬焊層(一般為AA4343)、中間芯層(AA3003Mod)和內(nèi)層防水層(AA3003Mod或AA7072)復(fù)合軋制而成。但長(zhǎng)壽命合金材料中間芯層的元素成分有細(xì)微調(diào)整。釬焊后因各元素成分的擴(kuò)散特性，外側(cè)釬焊層和芯層合金之間形成過(guò)渡層，采用長(zhǎng)壽命合金材料制成的散熱器金相圖如圖9所示。在圖9中明顯可見(jiàn)一條棕色層，又可稱為棕色帶(brown band phenomena，BBP)層。BBP層是一種致密的沉淀帶，對(duì)芯層合金起到犧牲保護(hù)作用，克服晶間腐蝕，并限制該層內(nèi)的腐蝕。

圖9 長(zhǎng)壽命合金散熱管金相圖

3系普通合金主要由α-Al(Mn，F(xiàn)e)Si的錳鋁分散體組成，并由Al6(Mn，F(xiàn)e)沉淀形成，Al6(Mn，F(xiàn)e)在熱處理期間經(jīng)歷了從(Mn，F(xiàn)e)到α-Al(Mn，F(xiàn)e)Si的部分共析轉(zhuǎn)變[7-8]。文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)，3系普通合金中鐵和錳在鋁中的溶解度極限較低，鐵的溶解極限為0.052%，錳為1.82%，錳主要以Mn-Al分散體或金屬間化合物的形式存在。在釬焊過(guò)程中，散熱管材料釬焊層中大量的Si元素向芯層擴(kuò)散，同時(shí)芯層的Mn元素向表層擴(kuò)散，釬焊前、后各元素在材料厚度方向上的分布情況如圖10所示。

a) 釬焊前 b) 釬焊后圖10 釬焊前、后元素成分分布

由圖10可清楚地觀察到釬焊后的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象。釬焊后的元素?cái)U(kuò)散導(dǎo)致錳在固溶體中的溶解度降低，誘發(fā)了沉淀現(xiàn)象[10]。這些沉淀(或分散體)直徑很小，約為30～100 nm，主要由鋁、錳、硅和微量鐵組成，為呈立方形的α-AlMnSi。由于這種沉淀，BBP層中Al-Mn固溶體的Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，降低了該區(qū)域的腐蝕電位，有利于BBP層優(yōu)先腐蝕[11]。

大量研究數(shù)據(jù)表明，需要控制芯層的Si、Mn、Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，才能在釬焊后形成明顯的BBP層，一般認(rèn)為Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.12%，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～2%，鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%，這與普通3003型合金中這些元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不相同。

采用長(zhǎng)壽命合金材料制造2#散熱器。散熱帶材料牌號(hào)不變，仍為AA3003Mod，但改為由另一供應(yīng)商提供。在釬焊后散熱帶和散熱管上選取9個(gè)位置，進(jìn)行飽和甘汞電極電位測(cè)試，結(jié)果如圖11所示。

圖11 2#散熱器電位測(cè)量結(jié)果

由圖11可知：2#散熱器散熱帶電位為-822 mV，與1#散熱器散熱帶測(cè)試結(jié)果有差異，可能是不同供應(yīng)商供應(yīng)的材料元素成分有差異造成的；2#散熱器散熱管電位為-707 mV(選擇更有代表性的中間點(diǎn)，即觀測(cè)點(diǎn)8)，散熱帶和散熱管電位差為115 mV，比1#散熱器電位差略小。

對(duì)2#散熱器進(jìn)行1200 h循環(huán)酸性海水試驗(yàn)。試驗(yàn)后散熱器總成氣密性良好，未發(fā)生泄漏。進(jìn)一步對(duì)2#散熱器進(jìn)行解剖和金相分析，分析位置同樣選擇散熱管左上角、中間、右下角3個(gè)區(qū)域。經(jīng)測(cè)量，散熱管左上角、中間、右下角的腐蝕深度分別為30.8、22.1、36.9 μm。

2#散熱器散熱管腐蝕深度最深處同樣位于右下角，對(duì)散熱管右下角進(jìn)行金相分析，金相分析照片如圖12所示。

圖12 2#散熱器腐蝕金相觀察照片

由圖12可知：2#散熱器同樣存在明顯的BBP層，與1#散熱器循環(huán)酸性海水試驗(yàn)的腐蝕深度對(duì)比，2#散熱器腐蝕深度較小。在2#散熱器散熱帶和散熱管電位差偏小的情況下，腐蝕深度更小，表明采用長(zhǎng)壽命散熱管材料的散熱器擁有更好的耐腐蝕性。

5 結(jié)語(yǔ)

鋁合金散熱器容易發(fā)生腐蝕，采用陰極防腐法，設(shè)計(jì)合適的散熱帶和散熱管電位差，可以有效避免散熱管發(fā)生腐蝕泄漏，滿足整車(chē)腐蝕耐久要求。在維持適當(dāng)?shù)碾娢徊钕?，采用長(zhǎng)壽命合金散熱管材料的散熱器擁有更優(yōu)異的耐腐蝕性能。本文可為散熱管和散熱帶的材料選擇提供參考。

本文中僅針對(duì)散熱器的耐腐蝕性能進(jìn)行了研究，材料的機(jī)械性能也是影響散熱器使用壽命的一個(gè)重要特性，構(gòu)成元素的含量變化對(duì)材料耐腐蝕性能和機(jī)械性能同時(shí)產(chǎn)生影響，如何平衡材料耐腐蝕性能和機(jī)械性能可以作為進(jìn)一步研究的方向。