汽车散热器耐腐蚀性研究

林兴园

湖北雷迪特冷却系统股份有限公司，湖北 武汉 430109

0 引言

由于燃油燃烧和零部件之间的各种摩擦，发动机缸体温度升高。发动机缸体温度过高，进气效率降低，发动机功率下降；还会造成润滑油变质，运动件间隙减小，零部件磨损加剧；发动机材料的机械性能随温度升高而降低，严重时可损坏发动机。缸体温度过低，可造成燃烧迟缓，影响发动机性能，同时润滑油黏度增加，磨损加剧。发动机缸体温度过高和过低都会导致发动机零部件的使用寿命下降。为保证发动机正常工作，需要使用各种热交换器对缸体进行降温，通常车辆装配2～5个热交换器[1]。散热器是热交换器的一种，对发动机循环冷却液进行冷却。

铝合金导热性好，密度低，耐腐蚀性良好，机械性能强，可加工性优良，在汽车热交换器制造行业中广泛应用[2]，散热器通常为铝合金制造。散热管腐蚀穿孔是散热器失效的一个常见现象，为提高散热器使用寿命，应尽量延长散热管腐蚀时间。本文中通过分析不同元素成分对散热管腐蚀的影响，确定散热器制造需要选用的合适材料，提高散热器使用寿命。

1 散热器构造

常见的汽车散热器如图1所示，主要由上水室、芯体和下水室构成。上水室和下水室一般是塑料件，与整车管路连接，是冷却液进、出芯体的过渡装置。芯体部分由铝合金钎焊而成，是冷却液和环境空气进行热交换的核心装置。

图1 汽车散热器 图2 散热管和散热带交叠图 图3 传热过程示意图

管带式散热器芯体由多排交叠排列的散热管和散热带钎焊而成，如图2所示。冷却液经过水室后，分配到每根散热管中，通过散热管和散热带将热量传递到环境空气中。

汽车散热器的传热过程分为3步[3]：1)冷却液通过对流将发动机多余的热量传递到散热管内壁；2)传递到散热管的热量通过管壁的传导传递到管外壁和散热带，散热管和散热带的钎焊接头可加速热传递；3)散热管的外壁和散热带通过对流将热量散发到环境空气。传热过程示意图如图3所示。

散热器的构造和传热过程决定了散热器必须要有可靠的密封性，保证高温冷却液始终在散热管内部流动，一旦密封性不良，冷却液漏出，散热器散热功能将会丧失，影响车辆正常安全使用。散热器散热管腐蚀穿孔是造成冷却液泄漏的一个主要原因，如何提高散热管耐腐蚀性成为一个重要的研究课题。

2 散热管腐蚀原理

铝的化学活性较强，在大气中其表面会迅速氧化形成一层极薄的氧化膜,厚度约0.01～0.02 μm , 疏松多孔,容易渗透，被破坏后又会迅速形成新的氧化层。为了提高铝在大气中的耐蚀性能,一般需进行过阳极氧化处理,使其表面形成致密、较厚的氧化层。在含有氯气的大气中, 或水溶液中含有杂质离子,特别是氯离子时,铝极易腐蚀。铝在水中的电离电位为-1156 eV,极易被氢置换。水温升高,特别在80 ℃以上时,铝在水中易腐蚀[3]。典型的铝腐蚀过程中，铝发生阳极反应，其他比铝电位高的物质产生阴极反应[4]：

3 阴极防腐法

为了避免散热管腐蚀穿孔造成冷却液泄漏，常采取措施使散热带比散热管先腐蚀，散热管表层比散热管芯层先腐蚀，延长散热器的耐腐蚀寿命。由于电位低的材料腐蚀先于电位高的材料，因此通过调整散热器不同部位铝合金的电化学电位，可以实现这一目标。

不同元素对铝合金电位的影响如图4所示。添加Mn、Cu、Si可使铝合金的电位升高，添加Mg、Zn可以使铝合金的电位降低。通过在芯材中添加可提高铝合金电位的元素，在翅片料、牺牲材中添加可降低电位的元素，使芯材和翅片料、牺牲材之间形成适当的电位差，提高耐腐蚀性。

图4 合金元素对铝合金腐蚀电位的影响

根据阴极腐蚀法，选择合适的合金，制造1#散热器。其中，散热带合金选择AA3003Mod，散热管外层、芯层和内层的合金分别选择AA4343、AA3005Mod、1AA3003Mod，外层、芯层和内层的厚度分别为散热管厚度的10%、75%、15%。散热带和散热管材料各组分的质量分数如表1、2所示。

表1 散热带合金AA3003Mod组成成分的质量分数 %

表2 散热管合金组成成分的质量分数 %

由表1、2可知:散热带中添加了较多的Zn,其质量分数w(Zn)=1.3%～2.0%；散热管芯层中添加了较多的Cu和Mn,Cu的质量分数w(Cu)=0.5%～0.7%,Mn的质量分数w(Mn)=1.5%～1.9%。

测量1#散热器散热带和散热管不同位置的电位，测点选择情况如图5所示，采用饱和甘汞电极的电位测量结果如图6所示。由图6可知，散热带和散热管芯层形成了梯度电位差，散热带电位最低，为-840 mV(为避免边界的影响，选取离钎焊处稍远的观测点1)，散热管芯层电位最高，为-712 mV，二者电位差为128 mV。

图5 1#散热器电位测点分布 图6 1#散热器电位测量结果

为了验证1#散热器的耐腐蚀性，对散热器总成进行1200 h循环酸性海水试验。整车厂一般要求满足600 h 循环酸性海水试验散热器不泄露，为了提高试验说服力，将试验时间延长至1200 h。试验后散热器总成外观如图7所示。由图7可知，试验后的散热器总成气密性良好，未发生泄漏，表明该散热器具有良好的耐腐蚀性能，满足汽车腐蚀耐久使用要求。

图7 1200 h 循环酸性海水试验后散热器外观

为进一步分析散热管的腐蚀情况，将散热器解剖切块，分别取散热管左上角③、中间②、右下角①3个部位的样块进行金相观察，并测量腐蚀深度。经测量，左上角、中间、右下角的腐蚀深度分别为：36.06、27.99、52.21 μm，右下角散热管腐蚀最严重。

右下角散热管金相观察图片如图8所示。由图8可知：散热管腐蚀发生在表层，为层状腐蚀，最大腐蚀深度为52.21 μm。通过设置合理的电位差，实现了牺牲散热带和散热管表层，保护散热管芯层的目的。但电位差过大，会导致散热带过早腐蚀脱落，不利于散热器总成的长期使用。经验表明，散热器散热带和散热管芯层的电位差为(140±30) mV比较合适。

图8 1#散热器腐蚀金相观察照片

近年来，在环保标准加严和成本约束的推动下，汽车市场的发展趋势是小型化和轻量化[5]。通过减少热交换器零件厚度实现轻量化[6]，这对散热器材料耐腐蚀性能的要求进一步提高。随着新能源汽车的发展，低温散热器应运而生。低温散热器一般是给电机和控制器散热，布置于机舱的最前端，因此低温散热器表面更容易接触并富集污染物，同样需要耐腐蚀性好的材料。

4 长寿命合金

为了进一步提高散热管耐腐蚀寿命，长寿命合金材料得以广泛应用。长寿命合金散热管材料与普通散热管材料类似，由外层钎焊层(一般为AA4343)、中间芯层(AA3003Mod)和内层防水层(AA3003Mod或AA7072)复合轧制而成。但长寿命合金材料中间芯层的元素成分有细微调整。钎焊后因各元素成分的扩散特性，外侧钎焊层和芯层合金之间形成过渡层，采用长寿命合金材料制成的散热器金相图如图9所示。在图9中明显可见一条棕色层，又可称为棕色带(brown band phenomena，BBP)层。BBP层是一种致密的沉淀带，对芯层合金起到牺牲保护作用，克服晶间腐蚀，并限制该层内的腐蚀。

图9 长寿命合金散热管金相图

3系普通合金主要由α-Al(Mn，Fe)Si的锰铝分散体组成，并由Al6(Mn，Fe)沉淀形成，Al6(Mn，Fe)在热处理期间经历了从(Mn，Fe)到α-Al(Mn，Fe)Si的部分共析转变[7-8]。文献[9]研究发现，3系普通合金中铁和锰在铝中的溶解度极限较低，铁的溶解极限为0.052%，锰为1.82%，锰主要以Mn-Al分散体或金属间化合物的形式存在。在钎焊过程中，散热管材料钎焊层中大量的Si元素向芯层扩散，同时芯层的Mn元素向表层扩散，钎焊前、后各元素在材料厚度方向上的分布情况如图10所示。

a) 钎焊前 b) 钎焊后图10 钎焊前、后元素成分分布

由图10可清楚地观察到钎焊后的元素扩散现象。钎焊后的元素扩散导致锰在固溶体中的溶解度降低，诱发了沉淀现象[10]。这些沉淀(或分散体)直径很小，约为30～100 nm，主要由铝、锰、硅和微量铁组成，为呈立方形的α-AlMnSi。由于这种沉淀，BBP层中Al-Mn固溶体的Mn元素质量分数下降，降低了该区域的腐蚀电位，有利于BBP层优先腐蚀[11]。

大量研究数据表明，需要控制芯层的Si、Mn、Fe元素的质量分数，才能在钎焊后形成明显的BBP层，一般认为Si的质量分数小于0.12%，Mn的质量分数为1%～2%，铁的质量分数小于0.3%，这与普通3003型合金中这些元素的质量分数并不相同。

采用长寿命合金材料制造2#散热器。散热带材料牌号不变，仍为AA3003Mod，但改为由另一供应商提供。在钎焊后散热带和散热管上选取9个位置，进行饱和甘汞电极电位测试，结果如图11所示。

图11 2#散热器电位测量结果

由图11可知：2#散热器散热带电位为-822 mV，与1#散热器散热带测试结果有差异，可能是不同供应商供应的材料元素成分有差异造成的；2#散热器散热管电位为-707 mV(选择更有代表性的中间点，即观测点8)，散热带和散热管电位差为115 mV，比1#散热器电位差略小。

对2#散热器进行1200 h循环酸性海水试验。试验后散热器总成气密性良好，未发生泄漏。进一步对2#散热器进行解剖和金相分析，分析位置同样选择散热管左上角、中间、右下角3个区域。经测量，散热管左上角、中间、右下角的腐蚀深度分别为30.8、22.1、36.9 μm。

2#散热器散热管腐蚀深度最深处同样位于右下角，对散热管右下角进行金相分析，金相分析照片如图12所示。

图12 2#散热器腐蚀金相观察照片

由图12可知：2#散热器同样存在明显的BBP层，与1#散热器循环酸性海水试验的腐蚀深度对比，2#散热器腐蚀深度较小。在2#散热器散热带和散热管电位差偏小的情况下，腐蚀深度更小，表明采用长寿命散热管材料的散热器拥有更好的耐腐蚀性。

5 结语

铝合金散热器容易发生腐蚀，采用阴极防腐法，设计合适的散热带和散热管电位差，可以有效避免散热管发生腐蚀泄漏，满足整车腐蚀耐久要求。在维持适当的电位差下，采用长寿命合金散热管材料的散热器拥有更优异的耐腐蚀性能。本文可为散热管和散热带的材料选择提供参考。

本文中仅针对散热器的耐腐蚀性能进行了研究，材料的机械性能也是影响散热器使用寿命的一个重要特性，构成元素的含量变化对材料耐腐蚀性能和机械性能同时产生影响，如何平衡材料耐腐蚀性能和机械性能可以作为进一步研究的方向。