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[防腐蚀设计] 一种汽车用铝散热器防腐芯体

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发表于 2020-11-4 11:47:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
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【汽车材料网】一种汽车用铝散热器防腐芯体

来源:期刊-《汽车实用技术》;作者:冯晓刚,陈少龙,姜娅玲,李轩,赵婷婷
(陕西嘉和华亨热系统有限公司)

摘 要:用镁合金牺牲阳极板减缓(消除)铝及铝合金电化学腐蚀方法设计的一种汽车用铝散热器防腐芯体,可有效解决因电化学腐蚀造成的材料失效、穿孔、蚀坑等现象,显著提高铝散热器的使用寿命和质量。
:铁离子浓度;铝和铝合金;电化学腐蚀;镁合金牺牲阳极板;减缓(消除);铝散热器防腐芯
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前言
对发生腐蚀的铝散热器内部(热侧)的防冻液检测后显示铁离子浓度非常高,分析后发现是铝散热器的零部件发生了铝和铝合金的电化学腐蚀。用镁合金牺牲阳极板减缓(消除)铝及铝合金电化学腐蚀方法设计的一种汽车用铝散热器防腐芯体,可有效解决因电化学腐蚀造成的材料失效、穿孔、蚀坑等现象,显著提高铝散热器的使用寿命和质量。

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铝散热器铝内部(热侧)铝和铝合金的电化学腐蚀分析
电化学反应即腐蚀由金属的活泼性(电位序相对位置)决定,常见元素活泼性顺序表为:K(-2.931V)、Ca(-2.868 V)、Na(-2.71 V)、Mg(-2.372 V)、Al(-2.069 V)、Mn(-1.185 V)、Zn(-0.7618 V)、Fe(-0.037 V)、Sn(-0.1375 V)、Pb(-0.1262 V)、(H0)、Cu(0.153 V)、Hg、(0.7973 V)、Ag(0.7996 V)、Pt(1.18 V)、Au(1.692 V)。在这些元素中,铝的化学性质活泼(电位很负),因此铝及铝合金的电化学腐蚀是其特征性腐蚀形态之一,其腐蚀是铝处于阳极加速腐蚀。腐蚀程度由相对电势差(活泼性位置)决定,即电势差越大,电化学反应越剧烈和优先,腐蚀越严重。
分析过程解析如下:车辆的冷却系统中含有Fe3+与Fe2+(还有少量铜离子Cu2+)溶液的参与下由于金属的活泼性(电位序相对位置)决定而与铝和铝合金发生了电化学反应(腐蚀),其反应原理方程如下:
第一步:Al+3 Fe3+=3 Fe2++Al3+
第二步与Fe2+:2Al+3Fe2+ = 3Fe+2Al3+
于是负电子从Al(铝)原子失去,被电势极高的Fe3+吸收,Al原子失去电子变为Al3+(三价铝离子),而Fe3+、Fe2+吸收了电子则转变为Fe原子,Fe原子又在防冻液催化反应或酸碱反应中转变为Fe3+、Fe2+,在这个转变过程中Al原子被无休止的消耗转变为Al3+,而Fe原子却来回变化,并没有消耗多少,形成了类似催化剂的作用。Al原子失去负电子为阳极,Fe3+、Fe2+得到电子为阴极,电化学反应形成,体现出来就成为了电化学腐蚀。

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用镁合金牺牲阳极板减缓(消除)铝及铝合金电化学腐蚀的原理和方法

通过提高可钝化金属的电位使其进入钝态而达到保护目的的,称为阳极保护。阳极保护是利用阳极极化电流使金属处于稳定的钝态,其保护系统类似于外加电流阴极保护系统,只是极化电流的方向相反。牺牲阳极的阴极保护法,又称牺牲阳极保护法。是一种防止金属腐蚀的方法。具体方法为:将电势较低的金属作为保护极,与被保护金属相连构成原电池,电势较低的金属将作为负极发生氧化反应而消耗,被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。因这种方法牺牲了阳极(原电池的负极)。保护了阴极(原电池的正极),因而叫做牺牲阳极(原电池的负极)保护法。使用牺牲阳极保护法可以有效缓解因电化学反应而被腐蚀的阳极,牺牲阳极保护法是用电极电势比被保护金属更低的金属或合金做阳极,固定在被保护金属上,形成原电池,被保护金属作为阴极而得到保护。
由常见元素活泼性顺序表可知,Mg(镁)及Mg(镁)合金可作为阳极形成牺牲阳极保护法而保护Al原子,其他比Al电势低的元素要么无法形成稳定的形态,要么由于电势过低而活泼性太强无法在溶液中存在。工程及机械行业的保护极学名叫镁合金牺牲阳极保护板,材料型号主要有ZK系列和AZ系列镁合金等。

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用镁合金牺牲阳极板防腐的汽车用铝散热器防腐芯体
在铝散热器总成的进水口位置的主片上铆接或其他方式连接镁合金牺牲阳极板,将电势较低的高电位镁合金牺牲阳极板作为保护极,与被保护铝或铝合金相连构成原电池,电势较低的镁合金牺牲阳极板将作为负极发生氧化反应而消耗,被保护的铝或铝合金作为正极就可以避免腐蚀。
(1)铝散热器防腐芯体的设计方案
铝散热器芯体主片1和散热管3的材质为铝或铝合金,在主片1与冷却液接触一侧安装有镁合金牺牲阳极板2,镁合金牺牲阳极板2与主片1直接或间接接触连接(同铆接的形式),镁合金牺牲阳极板2上开孔能保证冷却液流通进入散热管3,电势较低的镁合金牺牲阳极板2将作为负极发生氧化反应而消耗,被保护的散热管3和主片1为铝或铝合金作为正极就可以避免腐蚀。(如图1、2)。


图1 铝散热器防腐芯体的设计方案

图2 铝散热器防腐芯体的设计方案一种内部结构

(2)根据QC/T468-2010《汽车散热器》要求的铝散热器总成内腐蚀试验
1)试验条件(图3)

图3 铝散热器总成内腐蚀试验

a、混合溶液配比:45%乙二醇防冻液和60%ASTM溶液组成(体积比);
b、防冻液型号:45%的乙二醇防冻液,冻结温度-30℃;
c、ASTM溶液:由1L蒸馏水与148mg的硫酸钠、165mg的氯化钠和138mg的碳酸氢钠配比而成;
d、混合溶液温度:90℃±2℃;
e、混合溶液流量:1.3L/s~1.6L/s;
f、试验进行周期:运行76h,静置6h为一个循环,共进行14个循环。

2)试验结果
a、使用镁合金牺牲阳极板的铝散热器总成内腐蚀后的主片部分(图4)。

图4 使用阳极板的铝散热器总成内腐蚀试验的主片进水口处

从图4可看出主片及散热管颜色较纯净,其他颜色的沉淀较少,而镁合金牺牲阳极板由于腐蚀出现缺口是希望想要的结果,它是镁合金牺牲阳极板被腐蚀的主要依据,也是体现出防护板保护铝基体的“丢卒保帅”方式的主要依据。
通过解剖可以看出内腐蚀试验的进水口处横断面的情况较好,主片基体金属完好,镁合金牺牲阳极板表面由于牺牲阳极而腐蚀严重,但从断面来看其主体金属扔保持较好的状态,也说明其强度及状态可极大的避免在铝散热器内部脱落的可能。(一般情况下,内腐蚀试验是极限状态下的腐蚀,而实际工况的腐蚀强度相对较小)
b、使用镁合金牺牲阳极板的铝散热器总成内腐蚀后的散热管部分(图5)。

图5 使用阳极板的铝散热器总成内腐蚀试验的散热管横断面金相照片

腐蚀部位尺寸见表1(注:散热管原材料料厚为350um):
表1 使用阳极板的铝散热器总成腐蚀部位尺寸


根据QC/T468-2010《汽车散热器》标准要求,使用金相显微镜观察,铝散热器散热管内表面腐蚀深度没有超过原始材料厚度的10%,故本试验符合标准要求。

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按QC/T468-2010《汽车散热器》要求而未采用镁合金牺牲阳极板防腐的同类型铝散热器总成内腐蚀试验

(1)试验条件(同图3)
1)混合溶液配比:45%乙二醇防冻液和60%ASTM溶液组成(体积比);
2)防冻液型号:45%的乙二醇防冻液,冻结温度-30℃;
3)ASTM溶液:由1L蒸馏水与148mg的硫酸钠、165mg的氯化钠和138mg的碳酸氢钠配比而成;
4)混合溶液温度:90℃±2℃;
5)混合溶液流量:1.3L/s~1.6L/s;
6)试验进行周期:运行76h,静置6h为一个循环,共进行14个循环。

(2)试验结果
1)未使用阳极板的铝散热器总成内腐蚀后的主片部分(图6):


图6 未使用阳极板的铝散热器总成内腐蚀试验的主片腐蚀照片

从图6可看出主片颜色较脏污,沉淀较多,从其外观可看出腐蚀较重。

2)铝散热器总成内腐蚀后的散热管部分(图7)

图7 未使用阳极板的铝散热器总成内腐蚀试验的散热管横断面金相照片

腐蚀部位尺寸见表2(注:散热管原材料料厚为0.4mm):
表2 未使用阳极板的铝散热器总成腐蚀部位尺寸


根据QC/T468-2010《汽车散热器》标准要求,使用金相显微镜观察铝散热器散热管内表面腐蚀深度超过原始材料厚度的10%,故本试验不符合标准要求。
在铝散热器总成芯体进水口位置的主片上铆接或其他方式连接镁合金牺牲阳极板而形成一种汽车用铝散热器防腐芯体。在此防腐芯体中,电势较低的镁合金牺牲阳极板作为保护极,与被保护芯体的铝或铝合金材料相连构成原电池,镁合金牺牲阳极板将作为负极发生氧化反应而消耗,被保护的铝或铝合金作为正极就可以避免腐蚀,通过QC/T468-2010《汽车散热器》标准要求的试验亦确定了其正确性及实用性。这种防腐芯体工艺简洁,价格低廉,防护可靠,可显著提高铝散热器的使用寿命。
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