CN104215565A - 一种测试冷却液加速腐蚀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却液加速腐蚀的测试方法，特别涉及汽车发动机和水箱扁管的铝合金在冷却液中加速腐蚀的测试方法。所述测试方法包括以下步骤：(1)在容器中加入包含冷却液的测试液；(2)将待测基材浸入所述测试液中；(3)在搅拌下加热所述测试液，使所述测试液的温度保持在100±2℃；和(4)取出所述基材并进行分析，其中，所述容器包括测试液减少速率控制装置，其用于使所述测试液的减少速率保持在5-80mL/天/1L容器。

Description

一种测试冷却液加速腐蚀的方法

技术领域

本发明涉及一种测试冷却液加速腐蚀的方法，特别涉及测试汽车发动机和水箱扁管的铝合金在冷却液中加速腐蚀的方法。

背景技术

冷却液已广泛地应用于各种需制冷或需降低冰点或提高沸点的工业领域，例如汽车工业、石油化工和钢铁制造等行业中。目前普遍使用的乙二醇型冷却液通常是水性冷却液，其沸点一般仅为约107℃，并且表面张力较大，当汽车发动机和水箱处于较低的温度下时能够正常工作，但当冷却液超过80℃时，这种冷却液将开始汽化产生气泡，从而造成冷却液消耗。此外，乙二醇型冷却液在高温下的汽车发动机和水箱中易对发动机体和水箱箱体材料产生气蚀和冲刷腐蚀。因此，对用于汽车发动机和水箱的乙二醇型冷却液的性能存在一定的要求。例如，通常对用于汽车水箱扁管的铝合金材料其内部接触防冻液的一侧的抗腐蚀性能有很高的要求，所以需要对其抗腐蚀性能进行评价。

目前的评价方法主要有两类，一类是采用腐蚀性强的“OY”水溶液对汽车发动机或水箱的原材料或者整体部件进行循环腐蚀试验，这种方法评价在室温-88℃-室温的交替环境下，在含有腐蚀性介质Fe³⁺、Cu²⁺、SO₄ ^2-、Cl^-等离子的溶液中的材料的抗腐蚀性能。另外一类方法是包括ASTMD1384、SH/T0085发动机冷却液腐蚀测定法(玻璃器皿法)等在内的测试方法，在该类测试方法中将基材样片浸没在含有33％的防冻液和含有碳酸氢钠、硫酸钠、氯化钠的水溶液中，使混合液保持在88℃下运行336小时，随后评价基材样片的失重情况。

OY水溶液的腐蚀试验可以评价铝合金在含有腐蚀性离子的水溶液体系中的腐蚀情况，但并不能体现实际使用过程中有机物，如乙二醇发生氧化后所产生的后果。ASTM D1384评价的是在防冻液与腐蚀性离子混合溶液中铝合金的抗腐蚀性能，在此方法中，乙二醇和水经过回流装置在蒸发后又重新回到混合液中，因此有机物成分含量保持相对稳定，但是试验温度为88℃，所以其不能评价实际使用中当发动机和水箱中温度高于该温度时所产生的危害。然而，在亚洲地区的实际使用中经常出现使用质量不合格的冷却液的情况，这些质量不合格的冷却液可能包含较大量的杂质，或其中缺少必要的组分，从而导致冷却液性能不佳。上述这两种旨在测试乙二醇型冷却液的测试方法并不能有效区别质量不合格的冷却液。

因此对于一种快速可靠的使汽车发动机和水箱冷却液加速腐蚀的测试方法存在需求，所述方案应能够模拟实际使用中使用不合格的冷却液和防冻剂不断消耗的情况下的腐蚀。

发明内容

本发明涉及一种测试冷却液加速腐蚀的方法，其包括以下步骤：(1)在容器中加入包含冷却液的测试液；(2)将待测基材浸入测试液中；(3)在搅拌下加热所述测试液，使所述测试液的温度保持在100℃±2℃；和(4)取出所述基材并进行分析，其中所述容器包括测试液减少速率控制装置，其用于使所述测试液的减少速率保持在5-80mL/天/1L容器。

在一个实施方案中，所述测试方法的容器中的测试液减少速率控制装置包括配有塞子的容器开口，其中所述塞子部分地覆盖所述容器开口的表面或截面。

在另一个实施方案中，本发明测试方法中不额外加入腐蚀性介质，其选自含Fe³⁺、Cu²⁺、SO₄ ^2-和Cl^-离子中的一种或多种的盐。

在又一个实施方案中，本发明测试方法中的测试液由冷却液构成，所述冷却液包含乙二醇和至少一种选自二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、1,2-丙二醇、二丙二醇、三丙二醇、四丙二醇、1,3-丙二醇、甲醇、乙醇、盐水和丙三醇的组分。

在又一个实施方案中，本发明测试方法中的基材由选自铝、钢、黄铜、铁、焊料和铝合金中的一种或多种构成。

在又一个实施方案中，本发明测试方法中的基材主要由铝构成。

在又一个实施方案中，本发明测试方法中的其中基材的待测表面面对所述搅拌装置设置。

在又一个实施方案中，本发明测试方法中的所述搅拌装置的末端线速度为0.5-5m/s。

在又一个实施方案中，本发明测试方法中的测试温度设置为100℃±0.2℃。

在又一个实施方案中，本发明测试方法中的测试方法的测试时间为1天-30天。

在又一个实施方案中，本发明测试方法中的测试液的减少速率为15-70mL/天/1L容器的范围。

在又一个实施方案中，本发明测试方法包括以下步骤：(1)将包含冷却液的测试液加入容器中，所述容器包括温度传感器、搅拌装置和测试液减少速率控制装置，所述测试液减少速率控制装置包括配有塞子的容器开口，其中所述塞子部分覆盖所述容器开口的表面或截面，使得所述测试液的减少速率为5-80mL/天/1L容器；(2)将基材插入所述容器中的固定架，并使基材的待测表面面对所述搅拌装置设置；(3)驱动搅拌装置，并加热所述容器，使得所述测试液在100±0.2℃下保持2-20天；(4)取出所述基材进行清洗，并进行分析。

附图说明

图1.用于本发明测试方法的试验装置示意图；

图2.实施例中使用本发明测试方法测试的铝合金材料的(a)显微镜照片和(b)腐蚀形貌；

图3.实际使用后的铝合金材料的(a)显微镜照片和(b)腐蚀形貌；和

图4.对比例中使用OY水溶液腐蚀试验测试的铝合金材料的(a)显微镜照片和(b)腐蚀形貌。

具体实施方式

除非另外定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员通常理解的相同的含义。若存在矛盾，则以本申请提供的定义为准。

当以范围、优选范围、或者优选的数值上限以及优选的数值下限的形式表述某个量、浓度或其它值或参数的时候,应当理解相当于具体揭示了通过将任意一对范围上限或优选数值与任意范围下限或优选数值结合起来的任何范围，而不考虑该范围是否具体揭示。除非另外指出，本文所列出的数值范围旨在包括范围的端点，和该范围之内的所有整数和分数。

当术语“约”和“大约”用于描述数值或范围的端值时，所公开的内容应理解为包括具体值或所涉及的端值。

本文所使用的术语“测试液的减少速率”是指由于本发明的测试容器不彻底密封，在测试过程中因加热搅拌使挥发性物质，例如防冻液成分如乙二醇和水从所述测试液挥发或蒸发等而减少的速率，其单位为mL/天/L容器。

除非另外说明，本文中所有的百分比、份数、比值等均是按重量计。

本文的材料、方法和实施例均是示例性的，并且除非特别说明，不应理解为限制性的。

以下详细描述本发明冷却液加速腐蚀的测试方法。

本发明测试方法包括在如图1中所示的试验装置中进行以下步骤：(1)在容器中加入包含冷却液的测试液；(2)将待测基材浸入所述测试液中；(3)在搅拌下加热所述测试液，使所述测试液的温度保持在100±2℃；和(4)取出所述基材并进行分析。

测试液

本发明测试方法中的测试液包含待测试的冷却液或由其构成。此外根据测试目的，所述测试液还可任选地包含额外的腐蚀性介质，其例如可以是汽车发动机和水箱中可能存在的任何腐蚀性介质，可选自Fe³⁺、Cu²⁺、SO₄ ^2-和Cl^-离子中的一种或多种，但在本发明中优选不包含以上所述的额外的腐蚀性介质。此外，特别在待测试的冷却液是浓缩液的情况中，所述测试液还可包含用于稀释浓缩液的稀释剂，例如水等。

本发明所述的冷却液是一种复杂的多组分体系，其主要由防冻剂、缓蚀剂、消泡剂、着色剂、防霉剂和缓冲剂等组分组成，应具有散热、防腐蚀、防冻结、高沸点、防水垢和消泡等作用。特别在汽车发动机和水箱中，作为冷却液主要成分的防冻剂种类可包括甲醇、乙醇、盐水、丙三醇、二乙二醇、乙二醇和丙二醇。随着防冻剂技术的发展，大部分防冻剂种类因各种原因已被淘汰，例如甲醇、乙醇的沸点低，蒸气压大且易燃；盐水混合物易生锈和产生结晶沉淀；丙三醇粘度较高、防冻性不佳且与橡胶不相容；二乙二醇的低温粘度大等。由于热传导性好、冰点低、沸点高、稳定性好、不易分解、粘温性好等优点，目前已广泛采用乙二醇型或丙二醇型冷却液作为汽车发动机和水箱中使用的冷却液。相对于同体积含量的丙二醇水溶液，乙二醇水溶液的冰点更低，成本也更低，因此，乙二醇型冷却液在汽车发动机和水箱中的使用更为普遍。

但在亚洲地区，对于乙二醇型冷却液的使用存在着许多不规范的情况。本发明所述的不规范的乙二醇型冷却液是指不符合例如ASTM D3306-10或SH0521-1999标准中规定的乙二醇型冷却液。合格的乙二醇型冷却液中的防冻剂组分主要包含乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、1,2-丙二醇、二丙二醇、三丙二醇、四丙二醇和1,3-丙二醇。而不合格的乙二醇型冷却液中的防冻剂组分除了包含以上物质之外，还可包含例如甲醇、乙醇、水、盐水和丙三醇等。如果本发明测试的乙二醇型冷却液是浓缩液，则在测试之前应使用稀释剂，例如去离子水或蒸馏水进行稀释，一般情况下，浓缩液的使用浓度为40%-70%(V/V)。本发明中所测试的冷却液可以是经过使用的或未经使用的。

根据本发明的方法主要适用的冷却液是乙二醇型冷却液。

基材

本发明所述的基材主要由一种或多种金属构成，所述金属是指在汽车工业、石油化工和钢铁制造中用于容纳所述冷却液或与其接触的容器材料，其实例包括但不限于：铝合金、铝、钢、黄铜、铁、焊料等。特别地，铝合金的实例例如是AA3003/AA7072、AA3005LL/AA7072、AA3003SLL/AAMod3103等。

测试装置和步骤

本发明所述的测试方法可在如图1所示的测试装置中进行。该测试装置包括1L的具有多个开口的容器，其中一个开口插入温度传感器，一个开口插入搅拌装置，另外一个开口配有塞子，例如玻璃塞或橡胶塞，塞子部分覆盖容器开口表面或截面以保持容器不彻底密封，使得挥发或蒸发的冷却液组分可通过该开口从容器内向外部排出，由此模拟在汽车发动机的实际环境中冷却液组分，例如乙二醇和水的耗散。

使塞子部分覆盖容器开口表面或截面以保持容器不彻底密封的方法可包括本领域中各种常规方法，对于开口和塞子没有特别限制，其均可具有任意形状和材质，只要能够达到本发明目的。具体地，例如可使用额外的固定装置将塞子固定在开口表面或截面而覆盖部分开口表面或截面，并使气流仍可通过该开口，或者可使用具有特殊构造，例如多孔材料的塞子或特殊形状的塞子，其可自身固定在开口中，并使气流仍可通过该开口。在本发明所述的测试方法中，优选使用圆形截面的玻璃开口和圆形截面的橡胶塞子，但对橡胶塞子与容器开口壁接触的部分进行机械处理，例如使橡胶塞子表面粗糙化而仅覆盖部分开口表面或截面，或在橡胶塞子表面带有一至几条的垂直方向的凹槽；使得与容器开口壁不完全契合，开口表面或截面未被完全覆盖，使得在本发明的测试方法中达到所希望的测试液减少速率。

更具体地，在步骤(1)中，向测试容器，例如玻璃测试容器中加入待测的冷却液。如果待测的冷却液是浓缩液，则将浓缩液预先用去离子水或蒸馏水稀释，待测的冷却液可以是经使用的或未经使用的。

在步骤(2)中，将待测的基材，例如铝合金片竖直插入测试容器中的样品固定架中，并使基材完全浸没于冷却液中。在一个优选实施方案中，基材的尺寸约为长60mm、宽60mm、厚0.2mm-2mm，测试容器为1L的玻璃容器，并且冷却液的液面应高于基材上侧至少5cm，以使测试结束后冷却液的液面仍高于基材上侧。应注意，本领域技术人员可对测试容器的类型、体积、冷却液的液面与基材的相对高度、基材的尺寸等进行常规选择以实现本发明的测试方法。

在另一个优选实施方案中，本发明测试方法还包括在测试前对基材的清洗步骤。特别地，在测试前预先将待测的基材在小苏打溶液中超声清洗5分钟，并用去离子水和无水乙醇依次清洗基材。基材的尺寸可根据测试容器的尺寸确定。

此外，可按照测试目的设置搅拌装置的类型，搅拌装置的类型可包括但不限于磁力搅拌装置、推进式搅拌装置、桨式搅拌装置、旋桨式搅拌装置、涡轮式搅拌装置和锚式搅拌装置。在一个优选实施方案中，本发明采用如图1中所示的桨式搅拌装置，其中桨式搅拌装置包括具有两个中空部分的方形扇面。在本发明的测试方法中使基材的待测表面面对搅拌装置设置，或者使待测面与容器内液体的循环方向垂直，由此模拟汽车水箱和发动机中可能产生的冲刷腐蚀。在使用桨式搅拌装置的情况中，搅拌装置的末端线速度控制在0.5-5m/s，优选0.8-1.2m/s。

在本发明测试方法中，通过加热器和温度传感器使冷却液的温度保持在100℃±2℃，优选为100℃±1℃，更优选为100℃±0.2℃。一般而言，合格的乙二醇型冷却液的沸点约为107℃。在上述的本发明测试方法的温度下，如果观察到冷却液温度尚未达到测试温度就已沸腾的现象，则可直接确定该冷却液不符合对乙二醇型冷却液的要求，将其判定为不合格的冷却液产品。也就是说，本发明的方法也适用于简单判断不合格的乙二醇型冷却液产品。

本发明测试方法的测试时间可根据基材的类型和测试目的确定，例如为了对比不同的实际使用时间下的铝制基材在汽车发动机或水箱中的腐蚀情况，测试时间一般为1天-30天，优选2天-15天，更优选3天-10天。

应注意，本领域技术人员可根据测试目的对例如测试时间和测试装置的上述参数进行常规选择以实现本发明，特别地，在测试完成后应确保冷却液的液面高于基材上侧至少5cm。

测试液的减少速率

为了更好地模拟冷却液的实际使用环境下因受热耗散，本发明的测试容器设计为不彻底密封，其通过上述的配有塞子的容器开口实现。在测试过程中因加热搅拌使挥发性物质，例如冷冻液成分和水从所述测试液挥发、蒸发等而减少。

本发明中的测试液的减少速率在5-80mL/天/1L容器的范围。高于80mL/天/1L容器的测试液减少速率可能造成测试液挥发和/或蒸发过快，使得部分甚至全部基材暴露于空气中，由此测试可能失败。低于5mL/天/1L容器的测试液减少速率可能会造成测试液的减少过慢，无法有效模拟冷却液在汽车发动机或水箱中的实际使用情况。本发明中的测试液的减少速率优选为15-70mL/天/1L容器的范围，更优选为25-50mL/天/1L容器的范围。

本发明中的测试液的减少速率可根据单位时间、单位测试容器体积下的测试液的减少体积，并可参考以下公式：

测试液的减少速率=(测试液初始体积(m³)-测试液最终体积(m³))/测试时间(小时)/测试容器体积(L)。

实施例

本发明的测试方法将AA3003/AA7072复合铝合金材料切成长约60mm、宽约60mm、厚约0.3mm大小的片材，然后将铝合金片在小苏打溶液中超声清洗约5分钟，用去离子水和无水乙醇依次清洗铝合金片。随后将铝合金片插入置于在通风橱内的如图1所示的玻璃容器中的固定架上，以使铝合金片在测试过程中不发生移动，并使铝合金片的待测的一面面对搅拌桨。然后，向玻璃容器中加入市售冷却液(TRUCHEM motorcare T-205，马来西亚)，使液面高于铝合金片上侧约5cm。开启搅拌桨，并控制其线速度为约1m/s，同时开启加热器以加热待测试的冷却液，并保持在100℃±0.2℃。在测试过程中，冷却剂中挥发或蒸发的有机组分如乙二醇和水等物质通过塞有表面经粗糙化处理、且不完全覆盖开口表面的玻璃塞的开口逸出，由此模拟在高温下汽车发动机或水箱中实际发生的有机组分的逐步耗散。8天后结束该测试。经计算，测试液的减少速率约为35mL/天/1L容器。取出铝合金片并在小苏打溶液中超声清洗约5分钟，然后用去离子水和无水乙醇依次清洗铝合金片并干燥。通过电子显微镜分析观察测试铝合金片表面的形貌，其结果如图2所示。

对比例及评价结果

在汽车水箱扁管中进行实际测试，该水箱扁管同样使用AA3003/AA7072复合铝合金制造，其中加入如上所述的市售冷却液(TRUCHEMmotorcare T-205，马来西亚)。在实际使用3个月之后，通过电子显微镜观察与冷却液接触一侧的扁管表面，其结果如图3所示。

如图2和图3所示，两者显示出的腐蚀情况非常相似，均发生的是非常局部的腐蚀，腐蚀坑直径小但深度深。这表明本发明测试方法能够良好地模拟汽车水箱扁管在实际使用中受冷却液腐蚀的情况。

另外，以下使用OY水溶液循环腐蚀试验方法测试AA3003/AA7072复合铝合金材料。

将铝合金材料切成约60mm×60mm大小，然后在小苏打溶液中超声波清洗样品约5分钟，再用去离子水和无水乙醇依次清洗样品，并烘干。使用聚酯膜封住样品背面(非测试部分)，并用指甲油封边。将铝合金片固定于玻璃容器的样品支架中。向玻璃容器中加入OY水溶液，其组成为195ppm Cl^-、60ppm SO₄ ^2-、1ppm Cu²⁺、30ppm Fe³⁺。开启磁力搅拌器和加热器进行测试，搅拌器搅拌冷却液使其沿铝合金片表面循环流动，其线速度控制在约0.6m/s至约0.9m/s。一个测试周期为24小时，包括从室温升至约88℃并在约88℃保温的8小时和随后降温至室温并保持在室温的约16小时。进行14个测试周期即14天。测试结束后，取出铝合金片并在小苏打溶液中超声清洗约5分钟，再用去离子水和无水乙醇依次清洗铝合金片，并干燥。通过电子显微镜观察测试铝合金片表面的形貌，其结果如图4所示。

如图2和4所示，使用OY水溶液循环腐蚀试验方法测试后的铝合金片在电子显微镜下的形貌与汽车水箱扁管在实际使用中受冷却液腐蚀的情况完全不同。前者发生的是均匀的点腐蚀，腐蚀坑大且厚度均匀，腐蚀坑深度浅，后者发生的是非常局部的腐蚀，腐蚀坑直径小但深度深。因此，使用OY水溶液循环腐蚀试验方法不能有效地模拟该情况下的冷却液腐蚀情况，因此也难以有效地评价使用该方法测试的冷却液的耐腐蚀性质。

相比之下，本发明测试方法使用较高的测试温度，并在测试过程中模拟测试组分减少的现象，由此可更有效地模拟实际情况下的冷却液腐蚀情况。特别出人意料地是，本发明测试方法不需要使用额外的腐蚀性介质即可达到测试目的，由此可显著减少测试的准备时间、降低测试的劳动负荷以及测试成本。

以上以典型的实施方案示例和描述了本发明，但意图不是将本发明限于所给出的详细说明中，在不背离本发明精神的情况下可存在多种修改和变化。此外，以上仅以一定顺序列出步骤次序不构成对于所述方法的步骤次序的限制。

Claims (14)

1.测试冷却液加速腐蚀的方法，其包括以下步骤：

(1)在容器中加入包含冷却液的测试液；

(2)将待测基材浸入所述测试液中；

(3)在搅拌下加热所述测试液，使所述测试液的温度保持在100±2℃；和

(4)取出所述基材并进行分析，

其中，所述容器包括测试液减少速率控制装置，其用于使所述测试液的减少速率保持在5-80mL/天/1L容器。

2.如权利要求1的方法，其中所述测试液减少速率控制装置包括配有塞子的容器开口，其中所述塞子部分地覆盖所述容器开口表面或截面。

3.如权利要求1或2的方法，其中在所述方法中不额外加入腐蚀性介质，该腐蚀性介质选自含Fe³⁺、Cu²⁺、SO₄ ^2-和Cl^-离子中的一种或多种的盐。

4.如权利要求1-3中任一项的方法，其中所述测试液包含的冷却液包含乙二醇和至少一种选自二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、1,2-丙二醇、二丙二醇、三丙二醇、四丙二醇、1,3-丙二醇、甲醇、乙醇、盐水和丙三醇的组分。

5.如权利要求1-4中任一项的方法，其中所述测试液由冷却液构成，所述冷却液包含乙二醇和至少一种选自二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、1,2-丙二醇、二丙二醇、三丙二醇、四丙二醇、1,3-丙二醇、甲醇、乙醇、盐水和丙三醇的组分。

6.如权利要求1-5中任一项的方法，其中所述基材由选自铝、钢、黄铜、铁、焊料和铝合金中的一种或多种构成。

7.如权利要求1-6中任一项的方法，其中所述基材主要由铝构成。

8.如权利要求1-7中任一项的方法，其中基材的待测表面面对所述搅拌装置设置。

9.如权利要求1-8中任一项的方法，其中所述搅拌装置的末端线速度为0.5-5m/s。

10.如权利要求1-9中任一项的测试方法，其中所述测试温度为100℃±0.2℃。

11.如权利要求1-10中任一项的测试方法，其中所述测试方法的测试时间为1天-30天。

12.如权利要求1-11中任一项的测试方法，其中所述测试方法的测试时间为2天-20天。

13.如权利要求1-12中任一项的测试方法，其中所述测试液的减少速率为15-70mL/天/1L容器的范围。

14.如权利要求1-13中任一项的测试方法，其中所述测试液的减少速率为25-50mL/天/1L容器的范围。