插座焊锡表面灰色异味物质形成原因分析

刘小辰，范金娟，王占彬

(北京航空材料研究院 中航工业失效分析中心，北京 100095)

0 引言

滑油系统是航空发动机机械系统的重要组成部分，滑油系统中组件的故障直接影响到发动机的正常工作，甚至威胁飞机的安全行驶［1］。

在直升机发动机的滑油系统中，磁性屑末信号检测信号器的工作部分(包含螺杆、导套、衬套等3 部分)浸入飞机发动机的滑油系统油路(工作介质为航空滑油4050 或4106)中，检测油路中的金属屑末。滑油的波动压力为0.2～0.3 MPa。当系统机件或后轴承磨损严重(需要检修、更换备件)时，油路中会产生大量金属屑末，并使磁性屑末检测信号器导通，与信号器连接的警告灯亮，发出警告信号，提示飞行员或机械师进行相关检查。其工作原理示意图如图1 所示［2］。

信号检测器的工作环境温度约为70 ℃(夏季约为120 ℃)。末端插座与壳体为非密封接触，壳体内填充硅橡胶SDL-1-43，将插座的插针及导线进行包裹。

该信号检测器工作一段时间后，发现插座搭铁片银铅焊料表面出现灰色、异常臭味生成物。本研究对生成物的成分进行分析，系统分析了其形成以及发臭的原因。

1 试验过程与结果

1.1 外观检查

插座外观如图2 所示，白色物质为密封硅胶，灰色部分为生成物，生成物具有恶臭气味，覆盖于银铅焊料表面。灰色生成物覆盖于搭铁片表面，被包裹于硅胶内部。

图1 磁性屑末信号检测器示意图Fig.1 Diagram of signal detector of magnetic fragments

图2 插座宏观形貌Fig.2 Macro-morphology of socket

1.2 红外分析

采用Bruker 公司的TENSOR 27 型红外光谱仪，对灰色生成物和白色硅胶分别进行红外光谱分析，测试参数分别为:光谱分辨率4 cm-1，样品扫描次数设置为32。光谱扫描范围为4 000～400 cm-1。

图3 所示为灰色生成物的红外谱图，可见，3 417 cm-1处较大吸收峰，为—OH 的吸收峰，分析样品中应含有一定量水分;2 926 cm-1、2 860 cm-1两处应为甲基、亚甲基中C—H 的伸缩振动吸收峰;1 739 cm-1处为酯基中 C=O 的特征吸收峰;1 400～1 420 cm-1为C—N 的强伸缩振动吸收带;1 535 cm-1和1 305 cm-1两处的吸收峰分别为δNH和νC-N之间偶合造成酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅲ带;3 500～3 400 cm-1N—H 的特征吸收带与—OH 吸收峰重合，从图上不能明显区分。因此，从红外光谱分析结果来看，灰色生成物的主要成分应为酯类物质和酰胺类物质。

图3 灰色生成物红外谱图Fig.3 FT-IR of gray resultant

图4 为硅胶的红外谱图，794 cm-1处为Si—CH3极强的伸缩振动峰;1 259 cm-1处为—CH3的变形振动峰;2 963 cm-1处为—CH3的伸缩振动峰;1 000～1 130 cm-1是Si—O—Si 的伸缩振动峰。通过与灰色生成物红外谱图进行对比，二者吸收峰位置不同，生成物中应不含有硅胶成分。

图4 硅胶红外谱图Fig.4 FT-IR of silicon rubber

1.3 X 射线荧光光谱分析

对焊料表面灰色生成物进行X 射线荧光光谱分析，其中C、H、O 占到99.65%。其余为少量P、Cu、Zn、Fe、Ag、Pb 等元素(表1)。从含量来看Pb 的含量远高于其他金属元素。C、H、O 来源于航空滑油，P、Cu、Zn 可能来源于滑油中的添加剂，Ag、Pb 是焊料的主要成分。

表1 灰色生成物荧光光谱测试结果(质量分数/%)Table1 X-ray fluorescence analysis result for gray resultant (mass fraction/%)

1.4 能谱分析

选取灰色生成物表面2 个位置进行了能谱分析，形貌及能谱检测位置见图5，结果见表2。从能谱结果可以看出除Pb 和Ag 来源于银铅焊料外，灰色生成物所含元素主要为C 和O，另外含有少量P 元素，位置2 还含有一定量Cu 和Zn。

由于能谱分析是针对样品局部微小区域元素含量进行测试，X 射线荧光光谱是对样品整体元素含量进行分析，因此两种测试方法的结果并不一致，但从比例来看，除C、H、O 外，Pb 含量在两种测试结果中均远高于其他元素。

图5 灰色生成物表面形貌及能谱检测位置Fig.5 SEM appearance of gray resultant

表2 灰色生成物能谱结果(质量分数/%)Table 2 EDS Spectrum analysis result for Gray resultant (mass fraction/%)

1.5 裂解气相色谱-质谱分析

采用日本岛津公司的GC/MS-QP2010 Ultra热裂解气相色谱质谱联用仪对灰色生成物和航空滑油4050 进行分析，热裂解器型号:EGA/PY-3030D。

测试条件:色谱柱Ultra-5(30 m ×0.25 mm×0.25 μm);柱流速1.0 mL/min;进样口温度300℃;进样方式为分流200∶1;升温程序:40 ℃保持3 min，以15 ℃/min 升至300 ℃保持5 min 再升至600 ℃;采用EI 离子源，温度为230 ℃;电子倍增器能量为70 eV;采集方式为全扫描;m/z:29～1 000。

灰色生成物的裂解色谱图如图6 所示，从含量分析，生成物中主要含有2 类物质1、2 号峰主要为酰胺类，10～15 号峰位主要为酯类物质［3-4］。由表3 生成物裂解结果来看，酰胺类物质含量为13.70%，酯类物质含量为56.86%。

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

表3 灰色生成物裂解结果Table 3 Pyrolysis analysis result of gray resultant

图7 所示为航空滑油4050 的裂解色谱图，1、2 号峰对应的为酰胺类物质，8～13 号峰对应的应为酯类物质。表4 所示为航空滑油4050 的裂解结果，1、2 号峰对应的酰胺类物质含量为2.26%，8～13 号峰对应的酯类物质的含量共占80.58%。通过裂解结果对比看出，航空滑油和灰色生成物种主要成分均为酰胺类和酯类物质;4050 滑油中酰胺类物质含量仅为2.26%，而生成物中酰胺类物质的含量增加至13.70%。

图7 4050 润滑油600 ℃下裂解情况Fig.7 Pyrolysis of 4050 lubricanting oil at 600 ℃

表4 润滑油4050 裂解结果Table 4 Pyrolysis analysis result of 4050 lubricating oil

2 分析与讨论

通过红外光谱分析，灰色生成物中主要成分为酰胺及酯类物质，白色硅胶中只有Si—O—Si、Si—CH3和—CH3，说明灰色生成物中不含有硅胶成分，排除了航空滑油与硅胶反应产生灰色生成物的可能性。

通过X 射线荧光光谱分析，表明灰色生成物中C、H、O 含量达99.65%，表明生成物的主体成分为有机物，并含有少量金属元素Cu、Zn、Fe、Ag、Pb。由于生成物覆盖于银铅焊料表面，因此Ag、Pb 应来源于接触的焊料，而有机物等应来源于航空滑油。能谱分析结果表明，生成物中Pb 含量非常高，推测应为航空滑油与焊料反应导致［5］。

裂解气相色谱质谱联用分析显示，灰色生成物与航空滑油4050 的主要成分相同，均为酰胺类与酯类物质［6］，因此推测航空滑油与生成物的形成有关，可能为在使用过程中O 型密封圈密封效果不佳，导致航空滑油与插座表面银铅焊料发生反应，形成灰色生成物［7-8］。

由于Pb 最外层电子数为4，而航空滑油中酰胺中N 最外层电子数为5，N 除与C、H 形成共价键之外还保留一对孤对电子，可与Pb 形成络合，产生络合物。

滑油中酰胺含量仅为2.26%，而生成物中酰胺含量高达13.70%。酰胺类物质本身带有异常气味，且其在生成物中比例较高，因此生成物带有异常的臭味。

3 结论

1)灰色生成物主要成分为酰胺类及酯类物质，是航空滑油与银铅焊料发生络合反应产生。

2)胺类物质有令人不愉快或很难闻的气味，灰色生成物中酰胺类物质含量很高是导致其具有异常的臭味的主要原因。

［1］李国权.航空发动机滑油系统的现状及未来发展［J］.航空发动机，2011，37(6):49-52.

［2］姜涛，刘建平，张兵.航空发动机与装配维修有关的失效问题初探［J］.失效分析与预防，2013，8(5):316-319.

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