Cu基和非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器对比分析

蒋剑雄,孟祥晨,王典汪

1.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000；2.浙江银轮机械股份有限公司，浙江 天台 317200

0 引言

随着内燃机排放标准的不断升级，尤其是国六排放标准的实施，对发动机排放提出了更高的要求。为了满足国六排放标准，通常采取提升爆压、提高喷射压力、改善燃烧、废气再循环及热管理等措施来降低发动机原排。但提升爆压导致活塞热负荷升高，铝质活塞已经不能满足使用要求，必须使用钢活塞。为了给钢活塞散热，在钢活塞内部设计内冷油道，由活塞冷却喷嘴为内冷油道提供机油，利用机油散热，保证钢活塞的温度不会过高。

机油与高温活塞接触后会出现机油焦化现象，附着在内冷油道表面形成积碳，影响活塞的传热效果[1-2]。试验数据表明，积碳厚度增加100 μm,活塞温度升高约30～40 ℃，所以必须控制积碳的生成[3]。根据相关研究以及发动机试验数据表明，机油中的Cu能够促进钢活塞积碳生成，而机油中Cu主要来源于Cu基钎焊的不锈钢机油冷却器[4]，因此有必要开展对非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器性能的研究。本文中主要从传热性能、可靠性、工艺性、经济性以及市场应用等对Cu基和非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器进行对比分析。

1 钎料的材料及性能对比

1.1 钎料材料

Cu基钎焊不锈钢机油冷却器是指采用以T2铜为钎焊剂的机油冷却器，一般铜钎焊剂采用铜箔片或者铜直接复合在不锈钢板表面。非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器根据钎料的不同，又分为Ni基钎焊不锈钢机油冷却器、Fe基钎焊不锈钢机油冷却器和Mn基钎焊不锈钢机油冷却器。

由于Mn基钎焊钎料成本高昂，主要应用于航空航天领域，所以本文中不对Mn基钎料进行对比分析。Ni基钎料的化学成分及熔化特性见表1[5]，不同生产厂家的Fe基钎料的化学成分及熔化特性见表2[6]。

表1 常用的Ni基钎料的化学成分质量分数及熔化特性

表2 不同生产商的Fe基钎料的化学成分及熔化特性

1.2 力学性能

在高强化柴油机上，机油冷却器是相对薄弱的零部件，考虑到换热效率和轻量化的要求，机油冷却器的力学性能尤为重要[7]。材料和工艺等影响机油冷却器的力学性能，因此对比分析材料和工艺的力学性能具有重要意义[8-9]。

图1为不同钎料的钎焊接头力学性能对比。

a)抗拉强度 b)剪切强度 图1 不同钎料的钎焊接头力学性能对比

由图1a)可知：Cu基钎焊接头的抗拉强度超过350 MPa，而Ni基和Fe基钎焊接头的抗拉强度分别约为225 MPa和215 MPa，Cu基钎焊接头的力学性能最好，优于Ni基和Fe基钎焊接头。由图1b)可知：Cu基钎焊接头剪切强度远大于Ni基钎焊接头和Fe基钎焊接头。此外，焊缝间隙对焊接接头强度的影响不明显。

1.3 换热性能对比

1.3.1 试验方法

大功率强化发动机的热负荷大，必须装备机油冷却器[10-11]。润滑油经滤清器过滤后直接进入冷却器，在冷却器芯内流动，冷却液在冷却芯外流动[12-13]。2种液体在冷却器内进行热交换，使高温润滑油得以冷却降温[14]。

按照文献[15]中的方法进行机油冷却器传热性能试验。热介质为L-ECD15W/40级柴油机润滑油，冷却介质为水；加热方式为电加热，温度采用无级调节装置控制；流量计、温度计及压差计均按照标准执行。

1.3.2 试验设计

机油冷却器的结构形式、试验条件、试验工装、试验设备等均一致，仅钎料不同。试验条件为：进油温度为118 ℃，机油体积流量分别为2.4、3.6、4.8 m3/h，进水温度为85 ℃，水体积流量为27 m3/h。

1.3.3 试验结果

不同钎料的机油冷却器性能试验结果如图2所示。由图2可知：Ni基和Fe基钎焊不锈钢机油冷却器的换热性能基本相同，相比Cu基钎焊不锈钢机油冷却器，Ni基和Fe基钎焊不锈钢机油冷却器的传热性能下降约6%左右，且随机油流量的增大，其差距越大。

图2 不同钎料的机油冷却器性能结果

2 可靠性及耐久试验对比

2.1 可靠性试验

2.1.1 试验方法

按照文献[16]中的方法进行机油冷却器可靠性试验。机油冷却器的结构形式、试验条件、试验工装、试验设备等均一致，仅机油冷却器的钎料不同。

2.1.2 试验内容及要求

1)静压爆破试验

在2.5 MPa压力下，保压时间不少于5 min，机油冷却器不泄漏、不变形、不破损;保压完成后，继续加大压力(加压速率为50 kPa/s)，直到爆破，要求其爆破压力不小于5.5 MPa。

2)压力脉冲试验

先施加0.17～1.79 MPa压力，脉冲频率为2 Hz，经100万次压力循环；然后施加0.05～3.10 MPa压力，脉冲频率为2 Hz，经5000次压力循环后，无泄漏和零件损坏。

3)振动试验

机油冷却器油腔和水腔内均充满油，模拟冷却器在使用情况下的安装方式，在5～1000 Hz扫描共振频率，以共振频率作为试验频率，在x、y、z3个方向分别施加10g(g为自由落体加速度)加速度载荷，分别试验12 h，无泄漏和零件损坏。

4)热冲击试验

经过3000次120 ℃—20 ℃—120 ℃温度交变循环后，无泄露、开焊和其它损坏。

2.1.3 试验结果

按照上述试验方法进行可靠性试验，结果表明3种不同钎料的不锈钢机油冷却器均满足可靠性试验要求。其中静压爆破试验分别制作了8组样件进行对比测试，结果如图3所示。由图3可知：3种不同钎料的机油冷却器的爆破压力相差不大，但Cu基钎焊机油冷却器的爆破压力最大，其次是Ni基钎焊的，Fe基钎焊的最低。

图3 静压爆破试验结果

2.2 耐久试验

对发动机进行初期耐久试验，试验结果如图4所示。由图4可知：Cu基钎焊机油冷却器的机油中Cu含量较高，超过250 μg/g；Ni基和Fe基钎焊机油冷却器的机油中Cu含量较低，低于50 μg/g。

图4 不同钎料机油冷却器在对机油中Cu含量的影响

3 工艺及经济性对比

3.1 生产工艺

Ni基和Fe基不锈钢机油冷却器生产工艺一致，而Cu基的不锈钢机油冷却器生产工艺不同[17-18]。

1)Cu基钎焊机油冷却器

Cu基钎焊不锈钢机油冷却器的生产工艺为：冲压—清洗—合片—压边—叠片—装夹—钎焊—压平—静压—泄漏测试—终检—打标—防锈—打包。

2)Ni基、Fe基钎焊机油冷却器

Ni基、Fe基钎焊机油冷却器不锈钢机油冷却器的生产工艺为：

相比Cu基钎焊机油冷却器，Ni基和Fe基钎焊机油冷却器的钎焊工艺缺点为：1)增加了涂膏(点膏)工艺；2)焊接工艺性差，导致涂层较厚，钎料的质量比Cu基高50%及以上；3)钎焊剂单价成本更高；4)无压平工艺，由于Ni基和Fe基冷却器压平会导致焊缝开裂，所以不允许压平；为保证平面度，一般采用不锈钢底板来控制焊接变形或碳钢底板和机加工工艺，2种工艺的成本均比压平工艺高。

3.2 经济性

以某13 L柴油发动机所采用WC202×97H15规格的不锈钢机油冷却器为例，钎料成本对比分析见表3。

表3 不同钎料的材料成本

由表3可知：Cu基钎焊不锈钢机油冷却器的钎料成本最低，Ni基和Fe基钎焊不锈钢机油冷却器的钎料成本是Cu基的数倍。再考虑工艺性带来的差异，Ni基和Fe基机油冷却器产品的最终成本比Cu基钎焊机油冷却器高70%以上。

3.3 市场应用

根据统计，迄今为止，在国内柴油内燃机市场上，仅有康明斯和无锡柴油机厂的部分机型批量应用非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器，其余内燃机生产企业均未在市场上推出装配非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器的机型。

4 结论

1)Cu基和非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器的力学性能及可靠性等均满足内燃机的使用需求。

2)Cu基钎焊不锈钢机油冷却器在力学性能、换热性能、可靠性等方面均优于非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器。

3)Cu基钎焊不锈钢机油冷却器制造工艺相对非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器的简单，原材料及制造成本低。

4)Cu基钎焊不锈钢机油冷却器在国内外内燃机市场上占主导地位；如果不解决成本问题，非Cu基钎焊不锈钢机油冷却器的推广应用将受到限制。