散熱器塑料冷卻水管失效分析

何 健

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散熱器塑料冷卻水管失效分析

何 健

（上?，F(xiàn)代摩比斯汽車零部件有限公司，上海，201615）

某車輛發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生水溫過(guò)高報(bào)警，檢查發(fā)現(xiàn)散熱器冷卻水管接口等部位存在淤泥狀物質(zhì)。針對(duì)此問(wèn)題，采用顯微鏡和傅里葉變換紅外光譜儀等手段對(duì)淤泥狀物質(zhì)及塑料水管進(jìn)行綜合分析。分析表明，淤泥狀物質(zhì)中含有乙二醇、水、PA66和玻璃纖維成分。冷卻水管內(nèi)壁的PA66在水和乙二醇的作用下，發(fā)生水解或醇解反應(yīng)生成低分子化合物，進(jìn)而裸露出玻璃纖維成分，在冷卻液的不斷循環(huán)沖刷下，更多的PA66低分子化合物和玻璃纖維脫落，隨冷卻液循環(huán)進(jìn)入管路中，長(zhǎng)時(shí)間沉積形成淤泥狀物質(zhì)。

散熱器，冷卻水管，失效分析，聚酰胺

1 前言

散熱器是汽車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中不可缺少的重要部件。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)一般由散熱器、節(jié)溫器、水泵、水管、風(fēng)扇等部件組成。其中，散熱器主要負(fù)責(zé)循環(huán)水的冷卻，其散熱片多為鋁制材料。循環(huán)水管、風(fēng)扇、泵葉輪大多采用塑料材料制造。冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行，將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)所產(chǎn)生的高溫?zé)崃考皶r(shí)傳遞出去，從而保障發(fā)動(dòng)機(jī)在正常溫度范圍內(nèi)工作。冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，更影響車輛的安全可靠性。通常冷卻系統(tǒng)的故障有以下幾種：水管破損、散熱器穿孔等導(dǎo)致的漏液，散熱器、缸體水套內(nèi)水垢增多導(dǎo)致冷卻液溫度升高，泵葉損壞等導(dǎo)致水流循環(huán)不暢。本例中故障現(xiàn)象為散熱器循環(huán)水管連接口等部位出現(xiàn)淤泥狀物質(zhì)。

2 故障現(xiàn)象描述

某車輛發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)水溫過(guò)高報(bào)警，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，散熱器循環(huán)水管及連接口等部位存在白色淤泥狀沉積物（圖1），并且冷卻液加注口也存在較多白色物質(zhì)（圖2）。初步判斷為冷卻液雜質(zhì)導(dǎo)致冷卻液循環(huán)不暢造成發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，從而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。因此主要針對(duì)淤泥狀物質(zhì)進(jìn)行分析。

圖1 散熱器水管接口部位

圖2 冷卻液加注口部位

3 分析過(guò)程

3.1 失效部位宏觀、微觀檢查

散熱器水管接口及冷卻液加注口材料均為PA66+GF材料。在散熱器的進(jìn)水管口及出水管口均發(fā)現(xiàn)白色淤泥狀物質(zhì)，出水口附近淤泥狀物質(zhì)較多，白色中透出一點(diǎn)點(diǎn)淡藍(lán)色，并且具有輕微的流動(dòng)性，判斷其中液體成分可能為冷卻液。在冷卻液加注口部位，沒(méi)有淤泥狀物質(zhì)，而是大量白色物質(zhì)附著在管壁上，手指觸摸可明顯感覺(jué)非常粗糙，與正常管壁的光滑表面不同。

將冷卻液加注口管壁上的白色物質(zhì)輕輕取下，然后進(jìn)行灼燒。分別對(duì)原白色物質(zhì)和灼燒后物質(zhì)在顯微鏡下觀察，均發(fā)現(xiàn)玻璃纖維物質(zhì)（圖3、圖4），表明管壁表面的PA66材料及玻璃纖維發(fā)生了脫落。

取出少量散熱器水管接口處白色淤泥物質(zhì)，進(jìn)行灼燒，并對(duì)灼燒后物質(zhì)在顯微鏡下觀察，同樣發(fā)現(xiàn)玻璃纖維物質(zhì)（圖5），表明管壁表面脫落的PA66及玻纖混入冷卻液中隨之循環(huán)于管路中，長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生了沉降淤積。

圖3 冷卻液加注口白色物質(zhì)顯微鏡觀察圖

圖4 冷卻液加注口白色物質(zhì)灼燒后顯微鏡觀察圖

3.2 紅外光譜分析

將散熱器水管接口處淤泥狀異物取出少量，進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果如圖6（1）所示。譜圖顯示在3300 cm-1，1083 cm-1，1038 cm-1，881 cm-1，861 cm-1波數(shù)附近有較強(qiáng)的吸收峰，其譜圖與冷卻液的譜圖[圖6（4）]一致（冷卻液主要成分為乙二醇和水），表明異物中含有冷卻液成分。淤泥狀物質(zhì)具有輕微流動(dòng)性，雖含有脫落的PA66和玻纖，但因冷卻液中的乙二醇和水的成分對(duì)紅外光譜的響應(yīng)度更高，因此其譜圖主要體現(xiàn)出冷卻液中乙二醇和水的特征峰。

將少量淤泥狀異物進(jìn)行高溫烘干，然后進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果如圖6（2）所示。譜圖顯示在3300 cm-1（胺基吸收峰），1632 cm-1（酰胺Ⅰ吸收峰），1532 cm-1（酰胺Ⅱ吸收峰）[1]，934 cm-1，906 cm-1波數(shù)附近有明顯的吸收峰，其譜圖與水管本體的譜圖[圖6（3）]一致（水管本體材料為PA66和玻纖）。結(jié)果表明淤泥狀物質(zhì)中含有管壁脫落的PA66成分。

圖6 散熱器水管接口異物紅外光譜分析

(1) 散熱器管口異物， (2) 散熱器管口異物高溫烘干物， (3) 水管本體，(4) 冷卻液

將冷卻液加注口的白色異物輕輕取出少量，進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果如圖7（1）所示。譜圖顯示在3300cm-1（胺基吸收峰），1632 cm-1（酰胺Ⅰ吸收峰），1532 cm-1（酰胺Ⅱ吸收峰）[1]，有明顯的吸收峰，在934 cm-1附近有一定的吸收峰，這體現(xiàn)出PA66的特征信息[圖7（3）]。同時(shí)，3300cm-1處的吸收峰比PA66中的胺基吸收峰要寬一些，并且在1083 cm-1，1038 cm-1，881 cm-1，861 cm-1波數(shù)附近有吸收峰，這表明有冷卻液的信息[圖7（4）]存在。

將少量白色異物高溫烘干，進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果如圖7（2）所示。譜圖顯示在3300 cm-1（胺基吸收峰），1632 cm-1（酰胺Ⅰ吸收峰），1532cm-1（酰胺Ⅱ吸收峰）[1]，有明顯的吸收峰，在934 cm-1附近有一定的吸收峰，這同樣體現(xiàn)出PA66的特征信息[圖7（3）]。同時(shí)，3300 cm-1處的吸收峰變窄，與PA66的胺基吸收峰相類似，并且1083 cm-1，1038 cm-1，881 cm-1，861 cm-1波數(shù)附近的吸收峰消失，即冷卻液的特征信息[圖7（4）]消失。由以上分析表明，冷卻液加注口的白色異物主要成分應(yīng)為PA66，含有少量冷卻液成分。

圖7 冷卻液加注口異物紅外光譜分析

(1) 加注口異物白色異物， (2) 加注口異物白色異物高溫烘干物， (3) 水管本體，(4) 冷卻液

4 結(jié)果分析

淤泥狀異物主要成分為水、乙二醇、PA66和玻璃纖維。

聚酰胺類材料P66在高溫下會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，若有醇類物質(zhì)存在，聚酰胺材料也會(huì)發(fā)生醇解反應(yīng)。水解反應(yīng)或醇解反應(yīng)使得冷卻水管內(nèi)壁表面的PA66材料在短時(shí)異常高溫的環(huán)境下，降解成短鏈的低分子化合物。在冷卻液的不斷循環(huán)過(guò)程中，降解生成的低分子化合物從管壁表面逐漸被沖刷脫落，然后部分玻璃纖維開(kāi)始裸露于循環(huán)冷卻液中。隨著高溫環(huán)境的循環(huán)冷卻液不斷沖刷，PA66材料不斷有新的低分子化合物降解生成，同時(shí)更加速玻璃纖維脫離束縛被帶入循環(huán)液進(jìn)入管路中。因而，被沖刷下來(lái)的PA66低分子化合物和玻璃纖維的混合物隨冷卻液循環(huán)進(jìn)入管路中。由于這些混合物的存在，導(dǎo)致冷卻液的流動(dòng)阻力增大，冷卻散熱效率下降，并進(jìn)一步造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度升高。如此形成惡性循環(huán)，造成冷卻系統(tǒng)故障并發(fā)出高溫報(bào)警信號(hào)。

5 總結(jié)

玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺材料在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用較為廣泛，冷卻水管、進(jìn)氣歧管、引擎蓋、固定支架、油底殼、輪轂蓋及后視鏡等眾多部件都應(yīng)用到玻纖增強(qiáng)聚酰胺材料。由于聚酰胺材料屬于吸水性材料，與液體環(huán)境接觸的聚酰胺材料對(duì)表面質(zhì)量要求較高，然而玻纖增強(qiáng)材料制品表面浮纖現(xiàn)象一直是較難解決的一個(gè)問(wèn)題。表面浮纖不僅影響制品外觀，嚴(yán)重的可能難以滿足使用要求。因此，加強(qiáng)玻纖增強(qiáng)及無(wú)機(jī)物改性塑料制品的應(yīng)用技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)滿足汽車工業(yè)要求的高質(zhì)量的塑料樹(shù)脂材料，也是汽車工業(yè)及塑料材料研究開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要課題。

[1] 朱吳蘭. 紅外光譜法鑒別不同種類的聚酰胺[J]. 塑料, 2009,38(3):114-117.

[2] 鄧如生, 魏運(yùn)方, 陳步寧. 聚酰胺樹(shù)脂及其應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

何健（1985-），男。上?，F(xiàn)代摩比斯汽車零部件有限公司，材料工程師，主要從事汽車零部件材料分析測(cè)試及失效分析等工作。