散热器塑料冷却水管失效分析

何健（上海现代摩比斯汽车零部件有限公司，上海，201615）摘要：某车辆发动机发生水温过高报警，检查发现散热器冷却水管接口等部位存在淤泥状物质。针对此问题，采用显微镜和傅里叶变换红外光谱仪等手段对淤泥状物质及塑料水管进行综合分析。分析表明，淤泥状物质中含有乙二醇、水、PA66和玻璃纤维成分。冷却水管内壁的PA66在水和乙二醇的作用下，发生水解或醇解反应生成低分子化合物，进而裸露出玻璃纤维成分，在冷却液的不断循环冲刷下，更多的PA66低分子化合物和玻璃纤维脱落，随冷却液循环进入管路中，长时间沉积形成淤泥状物质。关键词：散热器，冷却水管，失效分析，聚酰胺1前言散热器是汽车水冷发动机冷却系统中不可缺少的重要部件。汽车发动机的冷却系统一般由散热器、节温器、水泵、水管、风扇等部件组成。其中，散热器主要负责循环水的冷却，其散热片多为铝制材料。循环水管、风扇、泵叶轮大多采用塑料材料制造。冷却系统的正常运行，将发动机工作时所产生的高温热量及时传递出去，从而保障发动机在正常温度范围内工作。冷却系统出现故障不仅影响发动机的正常运行，更影响车辆的安全可靠性。通常冷却系统的故障有以下几种：水管破损、散热器穿孔等导致的漏液，散热器、缸体水套内水垢增多导致冷却液温度升高，泵叶损坏等导致水流循环不畅。本例中故障现象为散热器循环水管连接口等部位出现淤泥状物质。2故障现象描述某车辆发动机出现水温过高报警，经检查发现，散热器循环水管及连接口等部位存在白色淤泥状沉积物（图1），并且冷却液加注口也存在较多白色物质（图2）。初步判断为冷却液杂质导致冷却液循环不畅造成发动机过热，从而发出报警信号。因此主要针对淤泥状物质进行分析。作者简介：何健（1985-），男。上海现代摩比斯汽车零部件有限公司，材料工程师，主要从事汽车零部件材料分析测试及失效分析等工作。图1散热器水管接口部位-9-橡塑资源利用图2冷却液加注口部位3分析过程3.1失效部位宏观、微观检查散热器水管接口及冷却液加注口材料均为PA66+GF材料。在散热器的进水管口及出水管口均发现白色淤泥状物质，出水口附近淤泥状物质较多，白色中透出一点点淡蓝色，并且具有轻微的流动性，判断其中液体成分可能为冷却液。在冷却液加注口部位，没有淤泥状物质，而是大量白色物质附着在管壁上，手指触摸可明显感觉非常粗糙，与正常管壁的光滑表面不同。将冷却液加注口管壁上的白色物质轻轻取下，然后进行灼烧。分别对原白色物质和灼烧后物质在显微镜下观察，均发现玻璃纤维物质（图3、图4），表明管壁表面的PA66材料及玻璃纤维发生了脱落。取出少量散热器水管接口处白色淤泥物质，进行灼烧，并对灼烧后物质在显微镜下观察，同样发现玻璃纤维物质（图5），表明管壁表面脱落的PA66及玻纤混入冷却液中随之循环于管路中，长时间产生了沉降淤积。图3冷却液加注口白色物质显微镜观察图-10-散热器塑料冷却水管失效分析图4冷却液加注口白色物质灼烧后显微镜观察图图5散热器水管接口淤泥状物质灼烧后显微镜观察图3.2红外光谱分析将散热器水管接口处淤泥状异物取出少量，进行红外光谱分析，结果如图6（1）所示。谱图显示在3300cm-1，1083cm-1，1038cm-1，881cm-1，861cm-1波数附近有较强的吸收峰，其谱图与冷却液的谱图[图6（4）]一致（冷却液主要成分为乙二醇和水），表明异物中含有冷却液成分。淤泥状物质具有轻微流动性，虽含有脱落的PA66和玻纤，但因冷却液中的乙二醇和水的成分对红外光谱的响应度更高，因此其谱图主要体现出冷却液中乙二醇和水的特征峰。将少量淤泥状异物进行高温烘干，然后进行红外光谱分析，结果如图6（2）所示。谱图显示在3300cm-1（胺基吸收峰），1632cm-1（酰胺Ⅰ[1]

吸收峰），1532cm-1（酰胺Ⅱ吸收峰），934cm-1，906cm-1波数附近有明显的吸收峰，其谱图与水管本体的谱图[图6（3）]一致（水管本体材料为PA66和玻纤）。结果表明淤泥状物质中含有管壁脱落的PA66成分。-11-橡塑资源利用图6散热器水管接口异物红外光谱分析(1)散热器管口异物，(2)散热器管口异物高温烘干物，(3)水管本体，(4)冷却液将冷却液加注口的白色异物轻轻取出少量，进行红外光谱分析，结果如图7（1）所示。谱图显示在3300cm-1（胺基吸收峰），1632cm-1（酰胺Ⅰ吸收峰），1532cm-1（酰胺Ⅱ吸收峰）[1]，有明显的吸收峰，在934cm-1附近有一定的吸收峰，这体现出PA66的特征信息[图7（3）]。同时，3300cm-1处的吸收峰比PA66中的胺基吸收峰要宽一些，并且在1083cm-1，1038cm-1，881cm-1，861cm-1波数附近有吸收峰，这表明有冷却液的信息[图7（4）]存在。将少量白色异物高温烘干，进行红外光谱分析，结果如图7（2）所示。谱图显示在3300cm-1（胺基吸收峰），1632cm-1（酰胺Ⅰ吸收峰），1532cm-1（酰胺Ⅱ吸收峰）[1]，有明显的吸收峰，在934cm-1附近有一定的吸收峰，这同样体现出PA66的特征信息[图7（3）]。同时，3300cm-1处的吸收峰变窄，与PA66的胺基吸收峰相类似，并且1083cm-1，1038cm-1，881cm-1，861cm-1波数附近的吸收峰消失，即冷却液的特征信息[图7（4）]消失。由以上分析表明，冷却液加注口的白色异物主要成分应为PA66，含有少量冷却液成分。图7冷却液加注口异物红外光谱分析(1)加注口异物白色异物，(2)加注口异物白色异物高温烘干物，(3)水管本体，(4)冷却液-12-散热器塑料冷却水管失效分析4结果分析淤泥状异物主要成分为水、乙二醇、PA66和玻璃纤维。聚酰胺类材料P66在高温下会发生水解反应，若有醇类物质存在，聚酰胺材料也会发生醇解反应。水解反应或醇解反应使得冷却水管内壁表面的PA66材料在短时异常高温的环境下，降解成短链的低分子化合物。在冷却液的不断循环过程中，降解生成的低分子化合物从管壁表面逐渐被冲刷脱落，然后部分玻璃纤维开始裸露于循环冷却液中。随着高温环境的循环冷却液不断冲刷，PA66材料不断有新的低分子化合物降解生成，同时更加速玻璃纤维脱离束缚被带入循环液进入管路中。因而，被冲刷下来的PA66低分子化合物和玻璃纤维的混合物随冷却液循环进入管路中。由于这些混合物的存在，导致冷却液的流动阻力增大，冷却散热效率下降，并进一步造成发动机工作温度升高。如此形成恶性循环，造成冷却系统故障并发出高温报警信号。5总结玻璃纤维增强聚酰胺材料在汽车轻量化设计中的应用较为广泛，冷却水管、进气歧管、引擎盖、固定支架、油底壳、轮毂盖及后视镜等众多部件都应用到玻纤增强聚酰胺材料。由于聚酰胺材料属于吸水性材料，与液体环境接触的聚酰胺材料对表面质量要求较高，然而玻纤增强材料制品表面浮纤现象一直是较难解决的一个问题。表面浮纤不仅影响制品外观，严重的可能难以满足使用要求。因此，加强玻纤增强及无机物改性塑料制品的应用技术研究，开发满足汽车工业要求的高质量的塑料树脂材料，也是汽车工业及塑料材料研究开发中的一个重要课题。参考文献[1]朱吴兰.红外光谱法鉴别不同种类的聚酰胺[J].塑料,2009,38(3):114-117.[2]邓如生,魏运方,陈步宁.聚酰胺树脂及其应用[M].北京:化学工业出版社,2002.-13-