插座焊锡表面灰色异味物质形成原因分析

2014-11-28刘小辰范金娟王占彬

失效分析与预防 2014年5期

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。