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：用鎂合金犧牲陽極板減緩（消除）鋁及鋁合金電化學腐蝕方法設計的一種汽車用鋁散熱器防腐芯體，可有效解決因電化學腐蝕造成的材料失效、穿孔、蝕坑等現象，顯著提高鋁散熱器的使用壽命和質量。

關鍵詞：鐵離子濃度;鋁和鋁合金;電化學腐蝕;鎂合金犧牲陽極板;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

對發生腐蝕的鋁散熱器內部（熱側）的防凍液檢測后顯示鐵離子濃度非常高，分析后發現是鋁散熱器的零部件發生了鋁和鋁合金的電化學腐蝕。用鎂合金犧牲陽極板減緩（消除）鋁及鋁合金電化學腐蝕方法設計的一種汽車用鋁散熱器防腐芯體，可有效解決因電化學腐蝕造成的材料失效、穿孔、蝕坑等現象，顯著提高鋁散熱器的使用壽命和質量。

1 鋁散熱器鋁內部（熱側）鋁和鋁合金的電化學腐蝕分析

電化學反應即腐蝕由金屬的活潑性（電位序相對位置）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，鋁的化學性質活潑（電位很負），因此鋁及鋁合金的電化學腐蝕是其特征性腐蝕形態之一，其腐蝕是鋁處于陽極加速腐蝕。腐蝕程度由相對電勢差（活潑性位置）決定，即電勢差越大，電化學反應越劇烈和優先，腐蝕越嚴重。

分析過程解析如下：車輛的冷卻系統中含有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（電位序相對位置）決定而與鋁和鋁合金發生了電化學反應（腐蝕），其反應原理方程如下：

第一步：Al+3 Fe3+=3 Fe2++Al3+

第二步與Fe2+：2Al+3Fe2+ = 3Fe+2Al3+

于是負電子從Al（鋁）原子失去，被電勢極高的Fe3+吸收，Al原子失去電子變為Al3+（三價鋁離子），而Fe3+、Fe2+吸收了電子則轉變為Fe原子，Fe原子又在防凍液催化反應或酸堿反應中轉變為Fe3+、Fe2+，在這個轉變過程中Al原子被無休止的消耗轉變為Al3+，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原子失去負電子為陽極，Fe3+、Fe2+得到電子為陰極，電化學反應形成，體現出來就成為了電化學腐蝕。

2 用鎂合金犧牲陽極板減緩（消除）鋁及鋁合金電化學腐蝕的原理和方法

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

由常見元素活潑性順序表可知，Mg（鎂）及Mg（鎂）合金可作為陽極形成犧牲陽極保護法而保護Al原子，其他比Al電勢低的元素要么無法形成穩定的形態，要么由于電勢過低而活潑性太強無法在溶液中存在。工程及機械行業的保護極學名叫鎂合金犧牲陽極保護板，材料型號主要有ZK系列和AZ系列鎂合金等。

3 用鎂合金犧牲陽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水口位置的主片上鉚接或其他方式連接鎂合金犧牲陽極板，將電勢較低的高電位鎂合金犧牲陽極板作為保護極，與被保護鋁或鋁合金相連構成原電池，電勢較低的鎂合金犧牲陽極板將作為負極發生氧化反應而消耗，被保護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計方案

鋁散熱器芯體主片1和散熱管3的材質為鋁或鋁合金，在主片1與冷卻液接觸一側安裝有鎂合金犧牲陽極板2，鎂合金犧牲陽極板2與主片1直接或間接接觸連接（同鉚接的形式），鎂合金犧牲陽極板2上開孔能保證冷卻液流通進入散熱管3，電勢較低的鎂合金犧牲陽極板2將作為負極發生氧化反應而消耗，被保護的散熱管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QC/T468-2010《汽車散熱器》要求的鋁散熱器總成內腐蝕試驗

1）試驗條件（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：45%的乙二醇防凍液，凍結溫度-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、試驗進行周期：運行76h，靜置6h為一個循環，共進行14個循環。

2）試驗結果

a、使用鎂合金犧牲陽極板的鋁散熱器總成內腐蝕后的主片部分（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，而鎂合金犧牲陽極板由于腐蝕出現缺口是希望想要的結果，它是鎂合金犧牲陽極板被腐蝕的主要依據，也是體現出防護板保護鋁基體的“丟卒保帥”方式的主要依據。

通過解剖可以看出內腐蝕試驗的進水口處橫斷面的情況較好，主片基體金屬完好，鎂合金犧牲陽極板表面由于犧牲陽極而腐蝕嚴重，但從斷面來看其主體金屬扔保持較好的狀態，也說明其強度及狀態可極大的避免在鋁散熱器內部脫落的可能。（一般情況下，內腐蝕試驗是極限狀態下的腐蝕，而實際工況的腐蝕強度相對較小）

b、使用鎂合金犧牲陽極板的鋁散熱器總成內腐蝕后的散熱管部分（圖5）。

根據QC/T468-2010《汽車散熱器》標準要求，使用金相顯微鏡觀察，鋁散熱器散熱管內表面腐蝕深度沒有超過原始材料厚度的10%，故本試驗符合標準要求。

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

（1）試驗條件（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：45%的乙二醇防凍液，凍結溫度-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）試驗進行周期：運行76h，靜置6h為一個循環，共進行14個循環。

（2）試驗結果

1）未使用陽極板的鋁散熱器總成內腐蝕后的主片部分（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）鋁散熱器總成內腐蝕后的散熱管部分（圖7）

根據QC/T468-2010《汽車散熱器》標準要求，使用金相顯微鏡觀察鋁散熱器散熱管內表面腐蝕深度超過原始材料厚度的10%，故本試驗不符合標準要求。

在鋁散熱器總成芯體進水口位置的主片上鉚接或其他方式連接鎂合金犧牲陽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，電勢較低的鎂合金犧牲陽極板作為保護極，與被保護芯體的鋁或鋁合金材料相連構成原電池，鎂合金犧牲陽極板將作為負極發生氧化反應而消耗，被保護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》標準要求的試驗亦確定了其正確性及實用性。這種防腐芯體工藝簡潔，價格低廉，防護可靠，可顯著提高鋁散熱器的使用壽命。

參考文獻

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