插座焊錫表面灰色異味物質(zhì)形成原因分析

劉小辰，范金娟，王占彬

(北京航空材料研究院 中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095)

0 引言

滑油系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，滑油系統(tǒng)中組件的故障直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，甚至威脅飛機(jī)的安全行駛［1］。

在直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油系統(tǒng)中，磁性屑末信號(hào)檢測(cè)信號(hào)器的工作部分(包含螺桿、導(dǎo)套、襯套等3 部分)浸入飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油系統(tǒng)油路(工作介質(zhì)為航空滑油4050 或4106)中，檢測(cè)油路中的金屬屑末。滑油的波動(dòng)壓力為0.2～0.3 MPa。當(dāng)系統(tǒng)機(jī)件或后軸承磨損嚴(yán)重(需要檢修、更換備件)時(shí)，油路中會(huì)產(chǎn)生大量金屬屑末，并使磁性屑末檢測(cè)信號(hào)器導(dǎo)通，與信號(hào)器連接的警告燈亮，發(fā)出警告信號(hào)，提示飛行員或機(jī)械師進(jìn)行相關(guān)檢查。其工作原理示意圖如圖1 所示［2］。

信號(hào)檢測(cè)器的工作環(huán)境溫度約為70 ℃(夏季約為120 ℃)。末端插座與殼體為非密封接觸，殼體內(nèi)填充硅橡膠SDL-1-43，將插座的插針及導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行包裹。

該信號(hào)檢測(cè)器工作一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)插座搭鐵片銀鉛焊料表面出現(xiàn)灰色、異常臭味生成物。本研究對(duì)生成物的成分進(jìn)行分析，系統(tǒng)分析了其形成以及發(fā)臭的原因。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

插座外觀如圖2 所示，白色物質(zhì)為密封硅膠，灰色部分為生成物，生成物具有惡臭氣味，覆蓋于銀鉛焊料表面?；疑晌锔采w于搭鐵片表面，被包裹于硅膠內(nèi)部。

圖1 磁性屑末信號(hào)檢測(cè)器示意圖Fig.1 Diagram of signal detector of magnetic fragments

圖2 插座宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of socket

1.2 紅外分析

采用Bruker 公司的TENSOR 27 型紅外光譜儀，對(duì)灰色生成物和白色硅膠分別進(jìn)行紅外光譜分析，測(cè)試參數(shù)分別為:光譜分辨率4 cm-1，樣品掃描次數(shù)設(shè)置為32。光譜掃描范圍為4 000～400 cm-1。

圖3 所示為灰色生成物的紅外譜圖，可見(jiàn)，3 417 cm-1處較大吸收峰，為—OH 的吸收峰，分析樣品中應(yīng)含有一定量水分;2 926 cm-1、2 860 cm-1兩處應(yīng)為甲基、亞甲基中C—H 的伸縮振動(dòng)吸收峰;1 739 cm-1處為酯基中 C=O 的特征吸收峰;1 400～1 420 cm-1為C—N 的強(qiáng)伸縮振動(dòng)吸收帶;1 535 cm-1和1 305 cm-1兩處的吸收峰分別為δNH和νC-N之間偶合造成酰胺Ⅱ帶和酰胺Ⅲ帶;3 500～3 400 cm-1N—H 的特征吸收帶與—OH 吸收峰重合，從圖上不能明顯區(qū)分。因此，從紅外光譜分析結(jié)果來(lái)看，灰色生成物的主要成分應(yīng)為酯類(lèi)物質(zhì)和酰胺類(lèi)物質(zhì)。

圖3 灰色生成物紅外譜圖Fig.3 FT-IR of gray resultant

圖4 為硅膠的紅外譜圖，794 cm-1處為Si—CH3極強(qiáng)的伸縮振動(dòng)峰;1 259 cm-1處為—CH3的變形振動(dòng)峰;2 963 cm-1處為—CH3的伸縮振動(dòng)峰;1 000～1 130 cm-1是Si—O—Si 的伸縮振動(dòng)峰。通過(guò)與灰色生成物紅外譜圖進(jìn)行對(duì)比，二者吸收峰位置不同，生成物中應(yīng)不含有硅膠成分。

圖4 硅膠紅外譜圖Fig.4 FT-IR of silicon rubber

1.3 X 射線(xiàn)熒光光譜分析

對(duì)焊料表面灰色生成物進(jìn)行X 射線(xiàn)熒光光譜分析，其中C、H、O 占到99.65%。其余為少量P、Cu、Zn、Fe、Ag、Pb 等元素(表1)。從含量來(lái)看Pb 的含量遠(yuǎn)高于其他金屬元素。C、H、O 來(lái)源于航空滑油，P、Cu、Zn 可能來(lái)源于滑油中的添加劑，Ag、Pb 是焊料的主要成分。

表1 灰色生成物熒光光譜測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table1 X-ray fluorescence analysis result for gray resultant (mass fraction/%)

1.4 能譜分析

選取灰色生成物表面2 個(gè)位置進(jìn)行了能譜分析，形貌及能譜檢測(cè)位置見(jiàn)圖5，結(jié)果見(jiàn)表2。從能譜結(jié)果可以看出除Pb 和Ag 來(lái)源于銀鉛焊料外，灰色生成物所含元素主要為C 和O，另外含有少量P 元素，位置2 還含有一定量Cu 和Zn。

由于能譜分析是針對(duì)樣品局部微小區(qū)域元素含量進(jìn)行測(cè)試，X 射線(xiàn)熒光光譜是對(duì)樣品整體元素含量進(jìn)行分析，因此兩種測(cè)試方法的結(jié)果并不一致，但從比例來(lái)看，除C、H、O 外，Pb 含量在兩種測(cè)試結(jié)果中均遠(yuǎn)高于其他元素。

圖5 灰色生成物表面形貌及能譜檢測(cè)位置Fig.5 SEM appearance of gray resultant

表2 灰色生成物能譜結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 EDS Spectrum analysis result for Gray resultant (mass fraction/%)

1.5 裂解氣相色譜-質(zhì)譜分析

采用日本島津公司的GC/MS-QP2010 Ultra熱裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)灰色生成物和航空滑油4050 進(jìn)行分析，熱裂解器型號(hào):EGA/PY-3030D。

測(cè)試條件:色譜柱Ultra-5(30 m ×0.25 mm×0.25 μm);柱流速1.0 mL/min;進(jìn)樣口溫度300℃;進(jìn)樣方式為分流200∶1;升溫程序:40 ℃保持3 min，以15 ℃/min 升至300 ℃保持5 min 再升至600 ℃;采用EI 離子源，溫度為230 ℃;電子倍增器能量為70 eV;采集方式為全掃描;m/z:29～1 000。

灰色生成物的裂解色譜圖如圖6 所示，從含量分析，生成物中主要含有2 類(lèi)物質(zhì)1、2 號(hào)峰主要為酰胺類(lèi)，10～15 號(hào)峰位主要為酯類(lèi)物質(zhì)［3-4］。由表3 生成物裂解結(jié)果來(lái)看，酰胺類(lèi)物質(zhì)含量為13.70%，酯類(lèi)物質(zhì)含量為56.86%。

圖6 灰色生成物600 ℃下的裂解情況Fig.6 Pyrolysis of gray resultant at 600 ℃

表3 灰色生成物裂解結(jié)果Table 3 Pyrolysis analysis result of gray resultant

圖7 所示為航空滑油4050 的裂解色譜圖，1、2 號(hào)峰對(duì)應(yīng)的為酰胺類(lèi)物質(zhì)，8～13 號(hào)峰對(duì)應(yīng)的應(yīng)為酯類(lèi)物質(zhì)。表4 所示為航空滑油4050 的裂解結(jié)果，1、2 號(hào)峰對(duì)應(yīng)的酰胺類(lèi)物質(zhì)含量為2.26%，8～13 號(hào)峰對(duì)應(yīng)的酯類(lèi)物質(zhì)的含量共占80.58%。通過(guò)裂解結(jié)果對(duì)比看出，航空滑油和灰色生成物種主要成分均為酰胺類(lèi)和酯類(lèi)物質(zhì);4050 滑油中酰胺類(lèi)物質(zhì)含量?jī)H為2.26%，而生成物中酰胺類(lèi)物質(zhì)的含量增加至13.70%。

圖7 4050 潤(rùn)滑油600 ℃下裂解情況Fig.7 Pyrolysis of 4050 lubricanting oil at 600 ℃

表4 潤(rùn)滑油4050 裂解結(jié)果Table 4 Pyrolysis analysis result of 4050 lubricating oil

2 分析與討論

通過(guò)紅外光譜分析，灰色生成物中主要成分為酰胺及酯類(lèi)物質(zhì)，白色硅膠中只有Si—O—Si、Si—CH3和—CH3，說(shuō)明灰色生成物中不含有硅膠成分，排除了航空滑油與硅膠反應(yīng)產(chǎn)生灰色生成物的可能性。

通過(guò)X 射線(xiàn)熒光光譜分析，表明灰色生成物中C、H、O 含量達(dá)99.65%，表明生成物的主體成分為有機(jī)物，并含有少量金屬元素Cu、Zn、Fe、Ag、Pb。由于生成物覆蓋于銀鉛焊料表面，因此Ag、Pb 應(yīng)來(lái)源于接觸的焊料，而有機(jī)物等應(yīng)來(lái)源于航空滑油。能譜分析結(jié)果表明，生成物中Pb 含量非常高，推測(cè)應(yīng)為航空滑油與焊料反應(yīng)導(dǎo)致［5］。

裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析顯示，灰色生成物與航空滑油4050 的主要成分相同，均為酰胺類(lèi)與酯類(lèi)物質(zhì)［6］，因此推測(cè)航空滑油與生成物的形成有關(guān)，可能為在使用過(guò)程中O 型密封圈密封效果不佳，導(dǎo)致航空滑油與插座表面銀鉛焊料發(fā)生反應(yīng)，形成灰色生成物［7-8］。

由于Pb 最外層電子數(shù)為4，而航空滑油中酰胺中N 最外層電子數(shù)為5，N 除與C、H 形成共價(jià)鍵之外還保留一對(duì)孤對(duì)電子，可與Pb 形成絡(luò)合，產(chǎn)生絡(luò)合物。

滑油中酰胺含量?jī)H為2.26%，而生成物中酰胺含量高達(dá)13.70%。酰胺類(lèi)物質(zhì)本身帶有異常氣味，且其在生成物中比例較高，因此生成物帶有異常的臭味。

3 結(jié)論

1)灰色生成物主要成分為酰胺類(lèi)及酯類(lèi)物質(zhì)，是航空滑油與銀鉛焊料發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)產(chǎn)生。

2)胺類(lèi)物質(zhì)有令人不愉快或很難聞的氣味，灰色生成物中酰胺類(lèi)物質(zhì)含量很高是導(dǎo)致其具有異常的臭味的主要原因。

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