不同受热条件下汽车引擎盖高温氧化变色规律研究
张雪宁
（中国人民武装警察部队学院研究生四队，河北 廊坊）
摘要：本文利用一体化程控高温炉对桑塔纳2000引擎盖进行加热，观察其在3种不同变量（时间、温度、冷却环境）下高温氧化变色痕迹。研究表明：经过高温作用的汽车引擎盖，在水的强制冷却下，其氧化变色现象更为明显。汽车引擎盖所形成的氧化变色痕迹，温度的影响效果远强于时间的影响效果。当温度处于300℃以下时，即使延长加热的时间，引擎盖也仅仅是表面漆层受到破坏。当温度达到500℃以上时，引擎盖基体钢板受到破坏，出现锈蚀，随着受热时间的加长，锈蚀面积扩大，颜色加深。
关键词：汽车引擎盖；火灾调查；不同受热条件；氧化变色
1 前言
在经济高速发展的时代，汽车已成为人类生活中必不可少的交通工具，汽车数量在日益增多的同时，汽车火灾的数量也呈上升趋势，无论是国内或是国外，汽车火灾的发生均比较常见，由此带来的经济损失也是巨大的。因此，查明起火原因、预防汽车火灾具有十分重要的意义。
目前，国内外部分学者对于金属高温氧化机理以及汽车涂料均有了不同程度上的研究。西安建筑科技大学冶金工程学院华建社等对钢的高温氧化烧损量与温度和时间的关系进行了实验研究[1]。S.Ozaki和Y.Kobayashi等研究了氟污染对金属氧化膜的影响[2]。2007年，昝丽娜对我国汽车涂料的现状及发展方向进行了论述[3]。同时，也有学者对汽车火灾规律进行了研究，2004年，Peacock R D等在开放空间中，进行了全尺寸汽车火灾实验，得到了热释放速率、温度等随时间的变化曲线[4]。
2 实验设计
2.1 实验原理
2.1.1 表面漆层的变化
本实验采用的实验材料为桑塔纳2000引擎盖，其表面漆层共有三层：底漆、中涂漆、面漆。基体钢板为银白色，底漆为灰白色，中涂漆为深灰色，面漆为黑色。当受到高温作用时，引擎盖表面漆层会发生变色、破裂、起泡、皱缩、脱落等现象。由于不同受热条件下表面喷漆层的破坏层次不同，根据表面漆层的表观特征，即可判断出引擎盖的受热情况。
2.1.2 表面漆层及钢板的变化
当达到一定温度时，经过极短时间，引擎盖表面漆层会发生热分解，导致起泡。当气泡破裂后，分解的可燃气体会燃烧，从而引燃整个涂层，最终使得基体钢板裸露在高温场中，此时引擎盖表面漆层已完全脱落。根据在不同受热条件下，钢板形成的氧化层的表面特征不同，即可判断其受热情况。同时，适度加热会使裸露的钢板的镀层氧化，从而使钢失去保护，无保护的钢处在潮湿环境下一段时间后，会发生锈蚀。
2.2 实验用品
桑塔纳2000引擎盖（5cm×10cm）、一体化程控高温炉sxc-2-12、体视显微镜XTL-340、Canon Power Shot A630 数码照相机。
2.3 实验方法步骤
2.3.1 样品的制备
（1）自然冷却样品的制备。按照“同时间不同温度”和“同温度不同时间”将自然冷却样品分为两组，其中，第一组控制受热时间为5min，将一体化程控高温炉的温度依次设置为300℃、500℃、700℃，分别对引擎盖进行加热。第二组将一体化程控高温炉的温度设置为900℃，受热时间依次设定为5min、15min、30min、45min，分别对引擎盖进行加热。将加热后的引擎盖放置于空气中，在自然条件下冷却。
（2）水冷样品的制备。按照受热温度（300℃、500℃、700℃、900℃）将水冷样品分为四组，每组控制受热时间依次为5min、15min、30min、45min，利用一体化程控高温炉分别对引擎盖进行加热。随后，立即用水冷却。
2.3.2 样品的观察
对样品进行观察，对比相同受热时间、不同受热温度下，样品的氧化锈蚀情况。对比相同受热温度，不同受热时间下，样品的氧化锈蚀情况。对比不同冷却条件下，样品的氧化锈蚀情况。
3 实验结果与讨论
3.1 自然冷却条件下样品的氧化变色规律
3.1.1 不同受热温度下样品的氧化变色规律
当受热时间均为5min时，随着温度的升高，样品表面漆层发生不同程度上的破坏，通过肉眼观察，其表面特征如表1所示。
表1 5min不同受热温度下样品的表观变化
通过研究在相同受热时间、不同受热温度下的样品，可发现当温度达到700℃的高温时，样品未出现锈蚀现象，并且经过一段时间的放置，仍旧未出现锈蚀现象。因而在研究相同受热温度、不同受热时间，放置不同时间样品的氧化变色痕迹时，选择更高的温度，即900℃。
3.1.2 不同受热时间下样品的氧化变色规律
当受热温度均为900℃时，经过观察可发现，样品面漆基本脱落，残余漆层紧紧附着于基体钢板之上，用刀片几乎无法剥落。在不同受热时间下样品的表面特征如表2所示。
表2 900℃不同受热时间下样品表观变化
3.1.3 自然冷却条件下样品的氧化变色痕迹分析
汽车涂装工艺中，要求中涂漆与面漆应具备良好的结合力，当样品受到高温作用时，这种作用力会遭到破坏。在相同受热温度下，随着受热时间的增加，这种作用力会逐渐降低直至丧失。在相同受热时间下，随着受热温度的增加，也会减弱这种作用力，减弱的幅度小于前者。因此，当达到一定温度时，面漆会发生脱落，中涂漆裸露。若温度持续升高，则表面漆层会发生燃烧。
在自然冷却的条件下，无论是控制受热时间或是控制受热温度为变量，样品几乎均是表面漆层受到破坏，基体钢板能够受到良好的保护，不易产生锈蚀。而涂层受热形成的痕迹，在良好的大气条件下是基本保持不变的。因此，在干燥条件下放置一段时间，样品表面的氧化变色痕迹均无明显变化。
综上所述，自然冷却样品产生的氧化变色痕迹，温度的影响效果强于时间的影响效果。
3.2 水冷条件下样品的氧化变色规律
3.2.1 不同受热时间下样品的氧化变色规律
（1）受热温度为300℃时样品的表观变化。当受热温度均为300℃时，随着时间的加长，样品面漆发生不同破坏，其表面特征如表3所示。
表3 300℃不同受热时间下样品表观变化
（2）受热温度为500℃时样品的表观变化。当受热温度为500℃时，样品面漆、中涂漆完全脱落，底漆颜色由灰白色变为白色，出现了不同程度上的黄色锈蚀痕迹。底漆可擦除，擦除后样品变为深灰色，黄色锈蚀痕迹颜色变淡，但不可完全被擦除。样品在不同受热时间下样品表面特征如表4所示。
表4 500℃不同受热时间下样品表观变化
（3）受热温度为700℃时样品的表观变化。由图1可知，当受热温度为700℃时，样品面漆、中涂漆以及底漆完全脱落，基体钢板全部裸露。在水柱的冲击下，基体钢板颜色变化丰富，成片分布，主要为青色、棕色、蓝灰色以及银白色。观察基体钢板表面，水柱直击的位置与周围有明显分界线，直击部位为银白色，表面花纹形态与水柱冲击位置及水柱强
图1 700℃不同受热时间下样品形成的氧化变色痕迹
度有关。通过观察发现，随着受热时间的增加，样品光泽性减弱，表面光滑性减弱。
（4）受热温度为900℃时样品的表观变化。当受热温度均为900℃时，样品面漆完全脱落，残余漆层紧紧附着于基体钢板上，颜色呈灰黑色或黑色，上面有少量白色斑点，用刀片难以刮除。样品在不同受热时间下样品表面特征如表5所示。
表5 900℃不同受热时间下样品表观变化
由表5中的图片对比观察可以看出，随着受热时间的增加，样品锈蚀程度加深，即样品锈蚀量逐渐增加，锈蚀面积逐渐扩大。
3.2.2 不同受热温度下样品的氧化变色规律
当受热时间均为15min时，随着温度的升高，样品表面发生不同程度上的破坏。温度较低时样品仅表面漆层受到破坏，当温度逐渐升高时，样品基体钢板逐渐受到破坏，其表面特征如表6所示。
表6 15min不同受热温度下样品表面变化
由表6分析易知，在受热时间为15min的条件下，当受热温度为300℃时，样品面漆受到破坏，出现不平整现象。当受热温度为500℃时，样品面漆及中涂漆受到破坏，仅留有底漆，表面出现黄色锈蚀痕迹。当受热温度为700℃时，样品基体钢板已完全裸露，在水柱的冲击下出现大量花纹，颜色变化丰富。当受热温度为900℃时，样品出现明显锈蚀痕迹。
3.2.3 水冷条件下样品的氧化变色痕迹分析
在高温作用下，样品面漆与中涂漆的结合力逐渐降低。当受热温度为300℃左右时，经水柱冲击，样品面漆破裂，由于迅速降温冷却，样品面漆发生皱缩现象。随着温度的升高，样品面漆与中涂漆的结合力继续降低直至消失，达到一定温度时，样品表面漆层分解燃烧，经水注冲击破坏，表面漆层燃烧后形成的灰烬完全被冲落，基体钢板部分裸露或完全裸露。钢材在高温中会发生高温氧化作用，若赤红的钢材与水接触，则会形成致密的氧化膜，颜色呈蓝黑色，水冷后的样品即出现形式多样的花纹，待样品表面水分完全蒸发后即出现锈蚀现象，由于冷却时温差不同，样品锈蚀的情况不同。
由该组实验观察分析可得，在相同受热温度下，随着受热时间的增加，样品氧化变色程度不断加强。在相同受热时间下，随着受热温度的增加，样品氧化变色程度显著加强。因此，相比于受热时间，受热温度对样品氧化痕迹的影响更加明显。
综上所述，水冷样品产生的氧化锈蚀痕迹，温度的影响效果强于时间的影响效果。相比于自然冷却，水冷时样品表面漆层更易受到破坏，更易产生锈蚀现象。
4 结论
本次实验通过对在不同实验条件下，用一体化程控高温炉加热汽车引擎盖样品后表面特征变化的观察，综合对比分析，得出如下结论。
（1）相同受热温度下，随着受热时间的加长，引擎盖氧化变色程度加深。对于较低温度下表面漆层的破坏，受热5min、15min时面漆仅出现起泡现象，受热30min时面漆破裂，受热45min时面漆皱缩，明显变脆。对于较高温度下基体钢板的破坏，则表现在氧化锈蚀程度逐渐加重，即面积扩大、颜色加深。
（2）相同受热时间下，随着受热温度的升高，引擎盖氧化变色程度加深。当受热温度为300℃时，样品面漆出现气泡、破裂、皱缩等现象。当受热温度为500℃时，样品面漆、中涂漆完全脱落，仅剩底漆，并出现黄色锈蚀痕迹。当受热温度为700℃时，样品表面漆层完全脱落，基体钢板裸露，出现大量蓝黑色花纹、少量锈蚀痕迹。当手热温度为900℃时，样品表面出现大量锈蚀痕迹。
（3）无论是自然冷却或是水冷，温度对引擎盖受热氧化变色的影响效果均强于时间的影响效果。
（4）水的强制冷却对引擎盖氧化变色痕迹有较大影响，主要表现在同种受热条件下，自然冷却未出现锈蚀现象的引擎盖，水冷条件下出现锈蚀现象。自然冷却出现锈蚀现象的引擎盖，水冷条件下锈蚀显著加重。
参考文献
[1] 华建社，周继良. 碳钢高温氧化的实验研究[J]. 铸造技术，2005（26）：821-823.
[2] S. Ozaki，Y. Nakata，Y. Kobayashi，T. nakamura，Y. Iba，S. Fukuyama，H. Watatni. Effect of Fluorine Contamination on Barrier Metal Oxidation[J]. Microelectronic Engineering，2009，87（3）：370-372.
[3] 昝丽娜. 汽车涂料的现状及发展方向[J]. 涂料涂装与电镀，2007（2）：16-19.
[4] Peacock R D，Averill J D，Stroup D W，et al. Fire Safety of Passenger Trains. Phase 3. Evaluation of Fire Hazard Analysis Using Full. Scale Passenger Rail Car Tests，NISTIR 6563[R]. Gaithersburg：National Institute of Standard Technology，2003.