装甲车辆发动机水冷却系统缓蚀剂的研究

Posted 2023-01-13 系统

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张晓云李斌于一川
(北京航空材料研究所，北京 100095)
1 前言
装甲车辆的发动机水冷却系统是由钢、铜及铝等多种金属组成的密闭循环体系。长期以来我军装甲车辆采用根据环境温度的变化灌注防冻液或水作为冷却介质。由于我国地域辽阔，水质条件差别大，因此，车辆发动机水冷却系统的腐蚀、渗漏现象相当普遍，严重影响装备的正常使用，有时甚至造成险情。为了提高装甲车辆对环境的适应性，保证部队的战斗力，对装甲车辆的腐蚀、渗漏加以研究解决是非常必要的。在冷却介质中添加适量的缓蚀剂是一种简便易行的方法，特别是研制一种既可用于防冻液，又可用于普通水的缓蚀剂，就可以克服地区差别，适于不同的环境、水质条件，达到冬夏通用、南北通用，减少物资供应品种，提高部队战斗力的目的。
2 试验过程及方法
2.1 试验材料及方法
试验材料选用装甲车辆冷却水系统常用的金属材料，包括101铸铝、45碳钢、紫铜及黄铜。所有试样表面用砂纸打磨，用去离子水清洗，用无水乙醇脱脂，干燥后待用。
电化学试验用工作面积为1 cm2的试样，镶嵌于环氧树脂中，并用导线与电极连接。所有电化学试验参考ASTM G5—82“静电位和动电位标准测试的参考方法"，由Model
378电化学腐蚀测试系统完成。
半浸及全浸试验用10 mm×50 mm的长方形试样，按照GB 10124—88的有关规定进行，试验持续时间视腐蚀情况而定。
通气腐蚀试验参考ASTM D1384—80，试样为25mm×50 mm的标准试样，在(88±2)℃下进行336h。
2.2 试验过程
一系列系统的试验包括：
(1)单组分缓蚀剂的筛选(阴极型、阳极型和混合型)；
(2)含有阴极型—阳极型缓蚀剂的多功能系统的评选；
(3)考虑了电偶效应及抗离子干扰效果的通气腐蚀试验。大量的配方筛选是用动电位极化技术和失重法进行的。试验溶液用含148mg/LNa2SO4+165
mg/LNaCl+138mg/LNaHCO3的水配制，以增加其腐蚀性。
3 试验结果及讨论
3.1 缓蚀剂配方的初步复配
根据电化学测试试验结果，分别筛选出对钢、铜及铝等金属缓蚀效果良好的缓蚀剂组分，包括由巯基苯并三氮唑(BTA)、脂肪酸盐(OS)、有机膦酸盐(P)、锌盐(Zn2+)等组成的复合配方A，并通过电化学的方法和半浸腐蚀试验的方法考察其对各种材料的缓蚀效果。试验结果表明：pH在7～9的范围内，上述复合缓蚀剂A在常温下对钢、铜、黄铜和铝都有良好的缓蚀效果，但当温度升高时钢试样暴露于气相的部分产生点蚀，而暴露于液相、水线的部分严重腐蚀。因此，必须添加能抑制点蚀的缓蚀剂组分或提高缓蚀剂的用量。经过试验选择了和上述配方有协同作用、并对点蚀有很好的抑制作用的钼酸盐(M)，并通过全浸试验考察添加不同浓度后的缓蚀效果。
3.2 添加不同浓度钼酸盐后的缓蚀效果
全浸腐蚀试验结果列于表1
表1 全浸腐蚀试验结果

由表1可知，由于添加了钼酸盐，钢的缓蚀效果得到了明显的改善，孔蚀被抑制，表面形成了一层均匀可见的钝化膜，并且随着添加量的增加，缓蚀率提高。400mg/L的钼酸盐+A复合缓蚀剂(简称B复合缓蚀剂)能很好地抑制钢、铜及铝等金属的腐蚀。
3.3 通气腐蚀
参照ASTM D1384—80的试验方法进行缓蚀剂对钢、铜、黄铜及铸铝组合件的缓蚀效果的试验，实际上是模拟发动机工作状态下的腐蚀失重试验，该方法注意到了电偶腐蚀效应、温度及介质流动状态等的影响。
3.3.1 通气腐蚀试验结果
通气腐蚀试验结果见表2。
表2 通气腐蚀试验结果

注：试验温度(88±2)℃，时间336h。
表2中试验编号3#、4#、5#的结果表明，由于温度的升高及组成电偶以后电化学体育馆的影响，使得腐蚀性质同单一金属存在时不同，特别是钢和铝成为一对相互矛盾、相互影响的因素。这是因为其中任何一种金属腐蚀都将引起溶液pH的升高，而pH的变化对铸铝影响较为显著。因此，必须考虑加强铝的缓蚀剂，为此选择了200mg/L的硅酸盐(S)添加其中。试验结果也表明，添加了200mg/L的硅酸盐的B复合缓蚀剂(定为C复合缓蚀剂)效果良好，使钢、铜、黄铜和铸铝都得到了不同程度的保护。
尽管C复合缓蚀剂的效果已经达到了ASTM D3306所规定的标准值(钢≤0.36mg/cm2，铸铝≤1.00mg/cm2，铜、黄铜≤mg/cm2)，但是铝表面仍存在变色以及轻微的点蚀现象。为了进一步改进，又进行了增大缓蚀剂量、继续寻找铝的特效缓蚀剂等一系列试验。结果表明增大缓蚀剂的量对改善蚀效果不很明显，而另一种缓蚀剂MAP添加其中，并配合适当调整C复合缓蚀剂配方对钢、铜和铝都有很好的缓蚀效果，试片表面光亮无腐蚀。改进后的D复合缓蚀剂配方既可用于普通水体系，又可用于防冻液。
3.3.2 缓蚀剂在防冻液中的缓蚀效果
由于北方地区的车辆根据季节的变化灌注水及防冻液作为冷却介质，因此如果能将此种缓蚀剂用于防冻液，从降低成本以及使用方便等各个方面来说来都是有好处的。为此，进行了上述几种缓蚀剂在590
g/kg乙二醇+410 k/kg去离子水(冰点-50℃)配成的防冻液中的缓蚀效果的试验，结果如表3所示。由此可见，经过改进的9#、10#、11#号配方在防冻液中都得到了令人满意的缓蚀效果。
表3 缓蚀剂在防冻液中的缓蚀效果

3.4 部队现场试验结果(使用的是7#配方)
为了检验复合缓蚀剂在实际使用时的缓蚀效果，选择北京、海南、新疆、大庆等4个具有代表性的地区进行现场实车挂片试验。其中北京和海南的试片从1994年5月～1995年6月一直浸泡于添加了缓蚀剂的水溶液或水中，而新疆和大庆由于冬季比较长、气温低，需换防冻液，所以试片冬季浸泡于防冻液中，其余时间浸泡于添加了缓蚀剂的水溶液或水中，试验时间从1994年6月～1995年7月。结果表明：在水溶液中的试片腐蚀情况要比添加了缓蚀剂的水溶液中的试片严重得多；教练车中的试片要比战备车中的腐蚀严重，这是因为教练车训练时间长，冷却系统经常处于高温工作状态。从试片外观来看添加缓蚀剂后钢和铝的腐蚀大大减缓，特别是北京和海南的铝试片没有添加缓蚀剂非常严重，而添加缓蚀剂后铝试片没有出现剥蚀。由此可见，添加缓蚀剂对于减缓冷却系统金属的腐蚀起到了良好的作用。
4 结论
1)以钼酸盐为基的复合缓蚀剂对钢、铜及铝等多种金属具有良好的缓蚀效果，并且有效地防止了电偶腐蚀及密闭系统的高温腐蚀。经现场试验证明对防止装甲车辆冷却系统的腐蚀有很好的缓蚀作用。
2)该种复合缓蚀剂性能稳定，具有添加浓度低(总浓度<1.5g/kg)、无毒等优点，经现场试验证明既可用于普通水溶液，又可用于防冻液，是一种冬夏通用、南北通用的缓蚀剂。
3)当不同金属材料连接共存时，其腐蚀形态可能与单一金属不同，有时甚至发生逆转。实验室试验必须考虑到电偶效应、温度、介质及流速等影响因素，以求接近实际状态。