一種汽車用鋁散熱器防腐芯體

馮曉剛 陳少龍 姜婭玲 李軒 趙婷婷

摘 要：用鎂合金犧牲陽(yáng)極板減緩（消除）鋁及鋁合金電化學(xué)腐蝕方法設(shè)計(jì)的一種汽車用鋁散熱器防腐芯體，可有效解決因電化學(xué)腐蝕造成的材料失效、穿孔、蝕坑等現(xiàn)象，顯著提高鋁散熱器的使用壽命和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鐵離子濃度;鋁和鋁合金;電化學(xué)腐蝕;鎂合金犧牲陽(yáng)極板;減緩（消除）;鋁散熱器防腐芯體

Abstract： An aluminium radiator anticorrosion core for automobiles based on the design of applying the magnesium alloy sacrifice anode to retard（eliminate） the electrochemical corrosion of aluminium and aluminium alloy can effectively solve the problems like material failure， perforation and corrosion pit caused by the electrochemical corrosion and can remarkably improve the service life and quality of the aluminium radiator.

前言

對(duì)發(fā)生腐蝕的鋁散熱器內(nèi)部（熱側(cè)）的防凍液檢測(cè)后顯示鐵離子濃度非常高，分析后發(fā)現(xiàn)是鋁散熱器的零部件發(fā)生了鋁和鋁合金的電化學(xué)腐蝕。用鎂合金犧牲陽(yáng)極板減緩（消除）鋁及鋁合金電化學(xué)腐蝕方法設(shè)計(jì)的一種汽車用鋁散熱器防腐芯體，可有效解決因電化學(xué)腐蝕造成的材料失效、穿孔、蝕坑等現(xiàn)象，顯著提高鋁散熱器的使用壽命和質(zhì)量。

1 鋁散熱器鋁內(nèi)部（熱側(cè)）鋁和鋁合金的電化學(xué)腐蝕分析

電化學(xué)反應(yīng)即腐蝕由金屬的活潑性（電位序相對(duì)位置）決定，常見元素活潑性順序表為：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）。在這些元素中，鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑（電位很負(fù)），因此鋁及鋁合金的電化學(xué)腐蝕是其特征性腐蝕形態(tài)之一，其腐蝕是鋁處于陽(yáng)極加速腐蝕。腐蝕程度由相對(duì)電勢(shì)差（活潑性位置）決定，即電勢(shì)差越大，電化學(xué)反應(yīng)越劇烈和優(yōu)先，腐蝕越嚴(yán)重。

分析過程解析如下：車輛的冷卻系統(tǒng)中含有Fe3+與Fe2+（還有少量銅離子Cu2+）溶液的參與下由于金屬的活潑性（電位序相對(duì)位置）決定而與鋁和鋁合金發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)（腐蝕），其反應(yīng)原理方程如下：

第一步：Al+3 Fe3+=3 Fe2++Al3+

第二步與Fe2+：2Al+3Fe2+ = 3Fe+2Al3+

于是負(fù)電子從Al（鋁）原子失去，被電勢(shì)極高的Fe3+吸收，Al原子失去電子變?yōu)锳l3+（三價(jià)鋁離子），而Fe3+、Fe2+吸收了電子則轉(zhuǎn)變?yōu)镕e原子，F(xiàn)e原子又在防凍液催化反應(yīng)或酸堿反應(yīng)中轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+、Fe2+，在這個(gè)轉(zhuǎn)變過程中Al原子被無休止的消耗轉(zhuǎn)變?yōu)锳l3+，而Fe原子卻來回變化，并沒有消耗多少，形成了類似催化劑的作用。Al原子失去負(fù)電子為陽(yáng)極，F(xiàn)e3+、Fe2+得到電子為陰極，電化學(xué)反應(yīng)形成，體現(xiàn)出來就成為了電化學(xué)腐蝕。

2 用鎂合金犧牲陽(yáng)極板減緩（消除）鋁及鋁合金電化學(xué)腐蝕的原理和方法

通過提高可鈍化金屬的電位使其進(jìn)入鈍態(tài)而達(dá)到保護(hù)目的的，稱為陽(yáng)極保護(hù)。陽(yáng)極保護(hù)是利用陽(yáng)極極化電流使金屬處于穩(wěn)定的鈍態(tài)，其保護(hù)系統(tǒng)類似于外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，只是極化電流的方向相反。犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法，又稱犧牲陽(yáng)極保護(hù)法。是一種防止金屬腐蝕的方法。具體方法為：將電勢(shì)較低的金屬作為保護(hù)極，與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池，電勢(shì)較低的金屬將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的金屬作為正極就可以避免腐蝕。因這種方法犧牲了陽(yáng)極（原電池的負(fù)極）。保護(hù)了陰極（原電池的正極），因而叫做犧牲陽(yáng)極（原電池的負(fù)極）保護(hù)法。使用犧牲陽(yáng)極保護(hù)法可以有效緩解因電化學(xué)反應(yīng)而被腐蝕的陽(yáng)極，犧牲陽(yáng)極保護(hù)法是用電極電勢(shì)比被保護(hù)金屬更低的金屬或合金做陽(yáng)極，固定在被保護(hù)金屬上，形成原電池，被保護(hù)金屬作為陰極而得到保護(hù)。

由常見元素活潑性順序表可知，Mg（鎂）及Mg（鎂）合金可作為陽(yáng)極形成犧牲陽(yáng)極保護(hù)法而保護(hù)Al原子，其他比Al電勢(shì)低的元素要么無法形成穩(wěn)定的形態(tài)，要么由于電勢(shì)過低而活潑性太強(qiáng)無法在溶液中存在。工程及機(jī)械行業(yè)的保護(hù)極學(xué)名叫鎂合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)板，材料型號(hào)主要有ZK系列和AZ系列鎂合金等。

3 用鎂合金犧牲陽(yáng)極板防腐的汽車用鋁散熱器防腐芯體

在鋁散熱器總成的進(jìn)水口位置的主片上鉚接或其他方式連接鎂合金犧牲陽(yáng)極板，將電勢(shì)較低的高電位鎂合金犧牲陽(yáng)極板作為保護(hù)極，與被保護(hù)鋁或鋁合金相連構(gòu)成原電池，電勢(shì)較低的鎂合金犧牲陽(yáng)極板將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的鋁或鋁合金作為正極就可以避免腐蝕。

（1）鋁散熱器防腐芯體的設(shè)計(jì)方案

鋁散熱器芯體主片1和散熱管3的材質(zhì)為鋁或鋁合金，在主片1與冷卻液接觸一側(cè)安裝有鎂合金犧牲陽(yáng)極板2，鎂合金犧牲陽(yáng)極板2與主片1直接或間接接觸連接（同鉚接的形式），鎂合金犧牲陽(yáng)極板2上開孔能保證冷卻液流通進(jìn)入散熱管3，電勢(shì)較低的鎂合金犧牲陽(yáng)極板2將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的散熱管3和主片1為鋁或鋁合金作為正極就可以避免腐蝕。（如圖1、2）。

（2）根據(jù)QC/T468-2010《汽車散熱器》要求的鋁散熱器總成內(nèi)腐蝕試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件（圖3）

a、混合溶液配比：45%乙二醇防凍液和60%ASTM溶液組成（體積比）;

b、防凍液型號(hào)：45%的乙二醇防凍液，凍結(jié)溫度-30℃;

c、ASTM溶液：由1L蒸餾水與148mg的硫酸鈉、165mg的氯化鈉和138mg的碳酸氫鈉配比而成;

d、混合溶液溫度：90℃±2℃;

e、混合溶液流量：1.3L/s～1.6L/s;

f、試驗(yàn)進(jìn)行周期：運(yùn)行76h，靜置6h為一個(gè)循環(huán)，共進(jìn)行14個(gè)循環(huán)。

2）試驗(yàn)結(jié)果

a、使用鎂合金犧牲陽(yáng)極板的鋁散熱器總成內(nèi)腐蝕后的主片部分（圖4）。

從圖4可看出主片及散熱管顏色較純凈，其他顏色的沉淀較少，而鎂合金犧牲陽(yáng)極板由于腐蝕出現(xiàn)缺口是希望想要的結(jié)果，它是鎂合金犧牲陽(yáng)極板被腐蝕的主要依據(jù)，也是體現(xiàn)出防護(hù)板保護(hù)鋁基體的“丟卒保帥”方式的主要依據(jù)。

通過解剖可以看出內(nèi)腐蝕試驗(yàn)的進(jìn)水口處橫斷面的情況較好，主片基體金屬完好，鎂合金犧牲陽(yáng)極板表面由于犧牲陽(yáng)極而腐蝕嚴(yán)重，但從斷面來看其主體金屬扔保持較好的狀態(tài)，也說明其強(qiáng)度及狀態(tài)可極大的避免在鋁散熱器內(nèi)部脫落的可能。（一般情況下，內(nèi)腐蝕試驗(yàn)是極限狀態(tài)下的腐蝕，而實(shí)際工況的腐蝕強(qiáng)度相對(duì)較?。?/p>

b、使用鎂合金犧牲陽(yáng)極板的鋁散熱器總成內(nèi)腐蝕后的散熱管部分（圖5）。

根據(jù)QC/T468-2010《汽車散熱器》標(biāo)準(zhǔn)要求，使用金相顯微鏡觀察，鋁散熱器散熱管內(nèi)表面腐蝕深度沒有超過原始材料厚度的10%，故本試驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 按QC/T468-2010《汽車散熱器》要求而未采用鎂合金犧牲陽(yáng)極板防腐的同類型鋁散熱器總成內(nèi)腐蝕試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)條件（同圖3）

1）混合溶液配比：45%乙二醇防凍液和60%ASTM溶液組成（體積比）;

2）防凍液型號(hào)：45%的乙二醇防凍液，凍結(jié)溫度-30℃;

3）ASTM溶液：由1L蒸餾水與148mg的硫酸鈉、165mg的氯化鈉和138mg的碳酸氫鈉配比而成;

4）混合溶液溫度：90℃±2℃;

5）混合溶液流量：1.3L/s～1.6L/s;

6）試驗(yàn)進(jìn)行周期：運(yùn)行76h，靜置6h為一個(gè)循環(huán)，共進(jìn)行14個(gè)循環(huán)。

（2）試驗(yàn)結(jié)果

1）未使用陽(yáng)極板的鋁散熱器總成內(nèi)腐蝕后的主片部分（圖6）：

從圖6可看出主片顏色較臟污，沉淀較多，從其外觀可看出腐蝕較重。

2）鋁散熱器總成內(nèi)腐蝕后的散熱管部分（圖7）

根據(jù)QC/T468-2010《汽車散熱器》標(biāo)準(zhǔn)要求，使用金相顯微鏡觀察鋁散熱器散熱管內(nèi)表面腐蝕深度超過原始材料厚度的10%，故本試驗(yàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在鋁散熱器總成芯體進(jìn)水口位置的主片上鉚接或其他方式連接鎂合金犧牲陽(yáng)極板而形成一種汽車用鋁散熱器防腐芯體。在此防腐芯體中，電勢(shì)較低的鎂合金犧牲陽(yáng)極板作為保護(hù)極，與被保護(hù)芯體的鋁或鋁合金材料相連構(gòu)成原電池，鎂合金犧牲陽(yáng)極板將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的鋁或鋁合金作為正極就可以避免腐蝕，通過QC/T468-2010《汽車散熱器》標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)亦確定了其正確性及實(shí)用性。這種防腐芯體工藝簡(jiǎn)潔，價(jià)格低廉，防護(hù)可靠，可顯著提高鋁散熱器的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 王元蘭.無機(jī)化學(xué)[M].北京;化學(xué)工業(yè)出版社，2008;ISBN 978-7-? 122-02595-1.

[2] 張寶宏.金屬電化學(xué)腐蝕與防護(hù)[M].北京;化學(xué)工業(yè)出版社，2011; ISBN 7-5025-7389-5.

[3] 楊輝，盧文慶.應(yīng)用電化學(xué)[M] .北京;科學(xué)出版社，2001;ISBN 978-7- 03-008959-5.

[4] 李荻.電化學(xué)原理（修訂版）[M].北京;北京航空航天大學(xué)出版社， 1999;ISBN7-81012-886-8.