新能源汽車控制模塊內腔防腐蝕開發研究

劉強強 黃恩榮

（比亞迪汽車工業有限公司，深圳518118）

1 前言

傳統燃油車開發過程腐蝕試驗包括鋁泵氣穴腐蝕試驗、模擬使用腐蝕試驗、鑄鋁合金腐蝕試驗。目前，國內具備發動機冷卻液腐蝕臺架試驗檢測資質的機構僅有4～5 家，大多存在設備老化、技術落后、結構設計不合理等缺點[1]。發動機冷卻系統的腐蝕主要有金屬熱表面腐蝕、氣穴腐蝕、點蝕、沖蝕、間隙腐蝕等[2]。

與傳統燃油車相比，新能源車上的電機、電池、電控等也需要通過冷卻系統帶出基體熱量。冷卻液在鋁鑄造腔體帶出熱量過程中，會造成鑄造鋁內腔銹蝕。例如，通過正交設計試驗，研究各種添加劑的防腐蝕性能，并通過因子最佳水平分析和因子重要性分析[3]。通過研究鋁制控制模塊系統表面處理工藝，基材腔體流道表面使用化學氧化處理或二次防護處理難以得到令人滿意的結果。通過研究基材自身耐腐蝕性能，若腔體僅依靠材料自身耐腐蝕性能進行防護，需要充分考量材料極限厚度。通過冷卻液的堵塞性驗證，雖然基體采用鑄造加工完成，存在防護處理死角或者不均勻性，導致冷卻液長期運行產生腐蝕產物堵塞流道或者腐蝕破壞流道[4]。

在現有的研究中，對于傳統燃油車，冷卻液銹蝕腔道問題等相關標準[5]、試驗方法[6]、評價方法[7]都比較完善，已經成獨立體系。然而對于新能源系統下腔體內部腐蝕研究卻鮮有耳聞。因此，對新能源控制模塊的內腔防腐蝕開發進行了研究，本研究成果可以形成企業內部標準、試驗規范、評價基準。

2 試驗

2.1 試驗臺架搭建

試驗主要通過變壓設備（型號：JP15100D）對水泵（型號：EWP40，0-13.5V）限制流速，采用FDV45A 設備顯示流速。為了控制溫度的變化，臺架內腔設備部分配備了高低溫試驗箱KU-504。在試驗過程中搭建了控制模塊的臺架，搭建設備及其完整的試驗過程如圖1 所示。

圖1 試驗臺架系統示意

2.2 主要原材料

試驗需要使用的試驗化學試劑見表1。其中鋁粉材料為自制鋁粉。

表1 試驗化學試劑

2.3 試驗方案及目的

產品在使用過程中，需要通過各種不同的方案來進行驗證，正是整個問題的關鍵控制。因而本研究設計了如下3 種不同試驗方案維度，以驗證產品面臨的工況。2.3.1 離子濃度正交試驗

在試驗過程中，配置液按照1∶1∶1∶1 配置其濃度，在100 mL 器皿中混合均勻，然后根據設定的組合梯度配比。單一材料的方案組合序列為逐次遞增分布。如果采用基于單因素變化的全因子試驗，則組合形式有256 種，如表2 所示。對全因子方案試驗進行優化，基于正交試驗的方法將其縮減至26 組。通過試驗甄選出影響基材的關鍵因子，對比傳統試驗等效配方，確認是否再次適用于控制模塊系統。

表2 腐蝕速率各影響因子試驗設計方案

通過等效配方中的各個腐蝕介質離子濃度直接影響基材腐蝕性能。

2.3.2 多工況下基材腐蝕速率的測量

在產品設計過程中，對基材選擇及選擇對應的表面處理方式也會略有不同。如存在6 系鋁、7系鋁，表面存在鍍鋅、鍍鉻、拋光或者不拋光等，在實際產品運行過程中，基體的鋁基材會受到不同的工況影響。在基材表面處理條件下高溫運行時、高溫停止運行時、常溫靜置時、基材腐蝕速率會存在差異。同時在基材表面鍍層腐蝕完成后，高溫運行時、高溫停止時、常溫靜置時，也會出現不同的腐蝕速率。

基于上述工況，試驗設置了基材打磨和不打磨狀態。腐蝕介質為冷卻液，外在耦合工況分別為85 ℃，室溫（20～30 ℃）下放置。對比不同試驗組合，得到不同的基材腐蝕速率，試驗設計方案如表3 所示。

表3 腐蝕速率各影響因子試驗設計方案

通過不同基材、不同表面處理方式、在不同溫度的工況影響下，發現基材速率的變化。

2.3.3 不同腐蝕介質對基材腐蝕速率的影響

在異種腐蝕介質試驗中，同種材料之間的不同腐蝕介質的腐蝕性能主要依據腐蝕速率對后續的加速腐蝕試驗的影響進行量化。

基于上述正交試驗僅進行材料的等離子濃度定性分析，對比試驗結果可以優化最終的試驗配方，以滿足配方與冷卻液對基材的腐蝕速率一致，從而找到最優配置方案。異種腐蝕介質的腐蝕速率定量分析為材料后續的腐蝕試驗加速材料選取，系統（臺架）試驗用量提供參考和基礎數據信息。

現有的冷卻液材料基準上，新增3 組試驗材料方案，分別為亞硝酸鹽、亞硝酸鹽+鉬酸鹽以及前期在正交試驗中涉及到的A4+B4+C4+D4 配置材料方案，具體的設計方案如表4 所示。

表4 不同腐蝕介質對基材腐蝕速率設計方案

通過不同腐蝕介質對標冷卻液腐蝕介質，標定各種介質腐蝕速率，尋找各材料差異。

2.4 系統模擬驗證試驗與工程拓展

腔體的模擬試驗在前期試驗數據積累的基礎上，對實車使用過程進行模擬。其中實車使用數據基于客戶試驗過程中的使用年限（壽命）來考量。在控制模塊的冷卻系統上，對控制模塊系統及腐蝕介質繼續模擬是形成一個材料級、系統級、工程級閉環驗證的重要環節。

2.4.1 腔體模擬腐蝕試驗

分析前3 組不同腐蝕介質對基材腐蝕情況。升級2 組試驗方案（硝酸鹽、硝酸鹽+鉬酸鹽）對系統（臺架）進行比對。同步結合實車腔體內部銹蝕、常規耐久控制模塊腔體銹蝕情況以及腔體腐蝕后數據，研判相關腐蝕形貌。

2.4.2 腔體模擬試驗的工況設定

控制模塊不同負載工況下熱能釋放程度不做設定模擬。取最大溫度（85 ℃）情況下產生的熱量，高低溫試驗箱溫度設置如圖2a 所示，其熱量轉換見圖2b，紅外溫度儀器檢測所示。模擬臺架參數設置轉子流速＞9 L/min。

圖2 試驗臺架溫度設定示意圖

2.5 腔體堵塞試驗

經過實踐拆解現有的試驗車，部分車輛零部件仍存在內腔銹蝕嚴重，且存在異物，如圖3 所示。

圖3 零部件腔道異物示意

在基于腐蝕性能的基礎上，異物對控制模塊冷卻系統的主體功能是否會受到影響需要同步關注。銹蝕產物殘留導致主體功能受到影響，后續衍生堵塞試驗?；诮饘俅嬖阡P蝕的前提下，多少銹蝕產物是工程產品設計允許存在，不影響產品主體功能。工程上需要建立對應工程目標、性能參數、試驗規范、評價方法。

2.5.1 堵塞試驗異物

腐蝕介質很大程度上對腔體、管道產生堵塞風險。在本研究中，腔體基體基材為鋁材質，基材鑄造加工過程以及腔體后續工藝加工制造過程中存在鋁屑殘留。另一方面，在實際的腐蝕過程中，鋁屑顆粒在腐蝕介質的影響下，增加了自身的接觸面積，更有利于自身化學腐蝕，容易與腐蝕介質相融，更容易得到腐蝕產物Al(OH)3。其腐蝕反應及平衡方程[1]為：

陽極反應：

陰極反應：

平衡方程：

鋁粉顆粒的大小直接影響了本次試驗結果，調研的零部件折彎處的剝離粉末顆粒大小約Φ1.0×2.0 mm。

2.5.2 堵塞材料制作

鋁粉及加注流程見圖4。

圖4 堵塞材料制備示意

鋁粉制備主要分3 步驟。

a.清洗除油，然后進行烘烤；

b.研磨及篩選，篩選的網篩為75 目；

c. 稱重及加注，按照配比稱重后，加注到冷卻液攪拌均勻。

2.5.3 堵塞試驗的方案

試驗臺架過程加注鋁粉后，模擬腔體堵塞過程控制尤為重要。泵的功率、壺容量、實車與試驗臺架的擺放位置均為試驗影響因素。

在各試驗設計方案中，鋁粉濃度梯度變量不宜過大?？刂颇K加工制造本身不會產生大面積的鋁屑，實車使用過程中，鋁粉隨著時間的推移會逐漸減小?？蛻粼趯嶋H使用過程中，更換冷卻液會將鋁屑一起帶出腔體?；谝陨峡剂?，方案設定為：

a.方案1～300 mg/kg，蓋板表面處理1；

b.方案2～200 mg/kg，蓋板表面處理2；

c.方案3～100 mg/kg，蓋板表面處理1。

2.5.4 堵塞試驗的整體工況設定

控制模塊不同負載工況下釋放熱能程度，不做設定模擬。取最大溫度（85 ℃）情況下產生的熱量，臺架運行時間設定為500 h。其泵轉動功率，也接近模擬的實車的轉子功率，設定轉子流速為＞9 L/min。

3 結果與討論

3.1 離子濃度正交試驗

3.1.1 正交試驗結果

實測記錄26 組試驗結果，內容見圖5 及表5。

表5 不同離子濃度下基材失重試驗結果 g

圖5 不同離子濃度下基材失重試驗結果

記錄結果中，識別測量誤差及測量儀器偏差，對某些數值修正或者剔除后進行數據分析。其中，部分檢測數據由于稱重過程中烘烤貼合面粘粘以及天平精度誤差等因素，讀取記錄后失真。當考察因素的取值處于試驗取值范圍時，誤差在可接受范圍內，預測模型可用[2]。

3.1.2 數據及DOE 分析結果

腐蝕速率計算如下，試驗數據符合Y=m·X+b直線擬合數據。

腐蝕后的質量按一階關系等效。

式中：Y為材料質量（第N天質量），K為斜率（腐蝕系數），X為天數，B為初始質量。

根據表6 顯示的結果，其數據曲線擬合之后，26 組試驗的腐蝕速率K值對于后續數據分析以及對腐蝕因子（配方）有很好的指導作用。參考傳統的試驗設計方案，進行DOE 分析，盡管氨酸根離子具有抑制作用。但是現在的亞硝酸鹽以及亞硝酸鹽+鉬酸鹽，不適合作為目前的冷卻液替代品或等效試驗試劑。

3.2 多工況下基材腐蝕速率的測量

金屬腐蝕速率計算公式：

式中：V為腐蝕速率，K為常數，W為腐蝕質量，A為表面積，T為試驗時間，D為試片密度。備注：6系鋁密度為2.63～2.85 g/cm3；7系鋁密度為2.6～2.9 g/cm3。

在行車過程中，腔體會遇到高溫，常溫等工況?；谋砻娣磸偷妊趸?，或者磨損。對于這個工況進行組合試驗并記錄試驗結果，如表7 所示。

表7 多工況下對鋁基材腐蝕速率 mm/a

3.3 不同腐蝕介質對鋁基材腐蝕速率的測量

在客戶極端情況下，如客戶未更換冷卻液或者冷卻液有其他雜質，腐蝕介質存在變異等可能性，不同等腐蝕介質腐蝕速率見表8。

表8 不同腐蝕介質對鋁基材腐蝕速率 mm/a

3.4 系統模擬驗證試驗與工程拓展結果討論

3.4.1 腔體模擬腐蝕試驗結果與工程應用

由表7 的試驗結果可以看出，在高溫狀態下表面打磨將加速基材的腐蝕速率。各種外表面處理的情況會存在差異。由表8 的試驗結果可知，在現有的不同腐蝕介質下，兩兩腐蝕速率接近，可以作為統一腐蝕介質的替代品。若其替代品腐蝕速率＞冷卻液腐蝕速率，可作為加速腐蝕試驗的腐蝕介質的加速替代品。綜上，從數據分析，硝酸鹽和鉬酸鹽不適合作為等效替代腐蝕因子替代品。

基于零部件開發以及項目上對產品設計，不僅要考慮零部件的外觀表面處理耐腐蝕的壽命，也要考慮鋁基材在脫離保護后的銹蝕壽命，即質量安全層的臨界值，如圖6 所示。在研究中，針對本研究有關的產品安全層，需要考慮的腐蝕量做了假設性預估，進而為后續產品設計做了一個工程的閉環。

圖6 腐蝕壽命模型示意

綜合試驗數據，對控制模塊腔體腐蝕壽命進行預測，預測結果如表9 所示。

表9 控制模塊腔體腐蝕壽命預測 a

3.4.2 腔體模擬腐蝕試驗結果與實車驗證

通過參考腐蝕速率的影響，搭建臺架進行試驗驗證，同步對應市場3 年左右售后樣件。將試驗結果與實車售后件腐蝕深度進行比對。其中圖7 為試驗臺架下拆解的水道腐蝕蓋板和水道腔體。如表10 所示，在失效模式分析中分別對蓋板和基體水道進行分析。其中試驗臺架腔體蓋板位置5 所示測量數值，如圖8、圖9 和圖10 所示。綜合平均數值計算結果，可以查看到理論上的膜厚損失略大于實車平均膜厚，卻小于試驗平均膜厚。對于小于0.5 μm 內偏差，基于檢測工具，測量選取點的偏差，客觀讀取上的誤差，會給數值上帶來波動。綜上所述，材料級與系統級材料腐蝕深度相吻合，該項試驗研究方法有助于工程應用。

表10 腐蝕量分析一覽表 μm

圖7 水道腐蝕蓋板和水道腔體

圖8 水道腐蝕蓋板測點位置示意

圖9 蓋板位置5腐蝕

圖10 腐蝕法向深度示意

3.5 腔體堵塞試驗結果與實車驗證

由3 個試驗結果發現型腔與外界未發生冷卻液外溢，未對腔體產生堵塞。不同的加注量會發生不一樣的點蝕，其效果如圖11 所示，對應單點測量腐蝕深度如圖10 表示，蓋板銹蝕深度統計如表11 所示。

表11 蓋板腐蝕記錄

圖11 水道點蝕位置示意

同時，同步對腔體進行破壞性檢測，對腔體內部記錄腐蝕形貌，如表12。

表12 腔道堵塞試驗點檢位置記錄一覽表

在3 組試驗中，2#在不同表面處理情況下，試驗后蓋板耐腐蝕性能最好，但內腔腔體的水道內壁腐蝕中1#、2#、3#一樣嚴重（圖11）。為此，設計考量腔體耐腐蝕性能指標，參考設計方案，采用100 mg/kg@500 h 運行時即可。

4 結論

通過實際摸底控制模塊鋁基材在不同腐蝕介質下的腐蝕速率，同步研究控制模塊冷卻水道系統抗腐蝕性能和堵塞性能，根據以上研究，獲得結論如下。

a.產品后續研發過程中，現有的硝酸鈉、硝酸鈉+鉬酸鹽的模擬液配方不適合鑄造鋁件的內腔腐蝕試驗或者說類似加速腐蝕試驗。

b.在堵塞試驗過程中，鋁粉添加量100mg/kg@500 h 運行時，臺架試驗對內腔開發時，會加速模擬內腔磨蝕的工況。鋁粉模擬使用量可作為技術要求，或者質量要求的參數指標使用。