合金元素的添加對Zn—Al系鋁合金釬料性能的影響

丁寶珠+孫禹沖+王盼盼

摘 要 為了降低汽車水箱及熱交換器釬焊溫度，防止高溫軟化變形并獲得更好的耐蝕性，本文研究了Cu，Ag等合金元素對鋁釬焊用Zn-Al釬料的熔化溫度、鋪展性、耐蝕性及顯微組織的影響。結(jié)果表明，在Zn-Al釬料中通過添加合金元素，可以改善在鋁表面上的鋪展性能，并使其液相點降低。在添加3%Cu，1%Ni，0.5%Ag元素時鋪展面積最大，耐蝕性優(yōu)良并可獲得良好的釬焊溫度，適合釬焊3系鋁合金。

關(guān)鍵詞 熱交換器；Zn-Al釬料；鋪展性；耐蝕性；金相組織

中圖分類號：TG425 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0048-02

目前，汽車用鋁質(zhì)熱交換器，多采用以Al-Mn系合金為芯材，Al-Si系合金為皮材（釬料層）的雙面包覆的3層復(fù)合鋁合金帶作散熱片，與多孔3003合金管（或純鋁管）在600℃～610℃左右高溫下爐內(nèi)釬焊而成[1]。由于釬料與母材熔點過于接近，在釬焊過程中，如工藝因素稍有波動，爐內(nèi)溫度偏高，將造成高溫軟化變形[2]，給生產(chǎn)帶來困難，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量及成材率，并給日后的補焊工作造成極大困難。因此研制出一種新型鋁合金低溫耐蝕釬料，在保證接頭耐蝕性的前提下加大釬料與母材之間的熔點差，防止高溫軟化，降低接頭補焊難度成為現(xiàn)今研究的重點。

本文通過在釬料中加入適量合金元素來降低釬料熔點、改善釬料的潤濕性、提高釬料的耐蝕性能，達到提高釬焊接頭質(zhì)量的目的。利用DSC、電化學(xué)工作站、箱式電阻爐、金相顯微鏡等研究了合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對Zn-85Al釬料熔點、耐蝕性、鋪展性、顯微組織的影響，并選定性能最佳的釬料。

1 釬料的成分設(shè)計及試驗方法

根據(jù)薛松柏、張滿的研究[3]，試驗釬料以85Zn15Al為基體釬料成分，加入Cu、Ag、Ni等元素。具體釬料配方如表1所示。

試驗材料為純鋁，試驗前先對鋁板表面進行化學(xué)處理，去除表面油污、氧化膜等，自然晾干備用。用DSC測量釬料熔點，電化學(xué)工作站測量釬料及母材的電極電位，釬料潤濕性試驗按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11364—2008釬料潤濕性試驗進行，試件尺寸為40 mm*40 mm*3 mm，釬料均取0.2 g，覆蓋釬劑，釬劑采用QJ201以覆蓋住釬料為宜，將箱式電爐溫度設(shè)定為500℃，當(dāng)爐溫達到500℃時，將放好釬料和釬劑的試樣放人電爐中，快速合住爐門，保溫5 min。采用金相試樣制取方法制取7種釬料金相樣品，進行顯微組織觀察。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 合金元素對Zn-Al釬料熔點的影響

根據(jù)對各個試樣的DSC分析可知隨著合金元素含量的增加，釬料的固液相線變化趨勢如表2所示。

由相圖和釬料成分可知，Cu元素的添加與αAl形成低熔點的共晶成分，有助于降低釬料熔點。在研究范圍內(nèi)隨Cu含量增加，釬料的熔點降低。Ni可以無限固溶于Cu中，但是Ni的含量過高時會同時提高釬料的固、液相溫度。4#和5#釬料在加入0.5%和1.0%的Ni之后熔化溫度與2#和3#相比，明顯升高。Ag的添加可以提高釬料的耐蝕性同時增加潤濕性。雖然Ag的熔點為962℃，在釬料中添加Ag將提高其釬料的熔點，但由于其加入量很小，對熔點的影響可以忽略。

2.2 合金元素對Zn-Al釬料鋪展性的影響

合金元素對85Zn15Al釬料在鋁表面鋪展性的影響見表3。從表中可以看出，隨著合金元素的添加，釬料在鋁表面的鋪展面積逐漸增加。Zn-Al釬料在鋁表面鋪展時，由于Zn-Al互溶度大，釬料中的鋅以相當(dāng)快的速度向母材晶間滲透，這就影響了液態(tài)釬料在釬縫中流動的速度，影響了釬料的鋪展性能。[4]在5#釬料中加入銀，銀與鋅親和力大，減緩了鋅向母材晶間的滲透，與沒有添加Ag元素的4#釬料相比鋪展性能大大提高。隨著Cu元素含量的提高，液態(tài)釬料中Zn元素的濃度降低，釬料中的鋅向母材內(nèi)的擴散速度減慢，鋪展性變好，3#釬料的鋪展面積較1#2#有所增大。由于Ni元素?zé)o限固溶于Cu中有利于釬料向母材中擴散，添加了Ni元素的4#釬料與2#釬料相比鋪展面積有極大的增加。

2.3 合金元素對Zn-Al釬料耐蝕性的影響

在CHI660D電化學(xué)工作站測得的能反映各組釬料耐蝕性能的極化曲線如表4所示。在極化曲線中，腐蝕電位越高說明腐蝕電極越難以被腐蝕，表征的是腐蝕的難易程度，而在腐蝕電位上的電流密度越大，說明腐蝕越嚴(yán)重，電流密度表征的是發(fā)生腐蝕時的強烈程度。

將幾組材料的峰值進行對比可以明顯看出隨著合金元素的增加，從1#到7#電流密度逐漸變小，說明發(fā)生電化學(xué)腐蝕時的腐蝕速度隨合金含量的增加逐漸變小。添加合金元素之后腐蝕電位升高，但彼此之間電位差不明顯，與此同時，在腐蝕電位相似的2#、4#的電流密度隨著Ni的增加而變低，3#、5#的電流密度隨著少量Ag元素的添加而明顯降低。因此可以評估，少量Ni，Ag的增加加強了合金的耐蝕性。

2.4 Cu對Zn-Al釬料組織成分的影響

從圖1可以看出，隨著Cu元素在釬料中的添加，光學(xué)顯微照片中呈現(xiàn)出少量的白色小點，以小塊狀在金相組織中彌散分布。從腐蝕后呈現(xiàn)的顏色和狀態(tài)來看，該點狀組織具有優(yōu)于其他成分的耐腐蝕性，且該相隨Cu的增加而增加。

室溫下Zn-Cu合金存在一組穩(wěn)定的金屬間化合物：θ相（A12Cu），η相（AlCu），δ相（A12Cu3），γ相（AlCu2），χ相（A14Cu9）[5]。文獻顯示通過EDS分析并對照Cu-Al二元相圖可知該相主要成分為脆性相Al2Cu相[6]。則有理由推論：釬料中的白色塊狀組織是鋁基固熔體的先析相，塊狀組織周圍黑白相間的是鋅基固溶體與鋁基固溶體混合形成的共晶組織。塊狀組織周圍較亮組織為Zn-Al化合物，且主要成分為Al2Cu相。

由圖可以看出，在釬料中添加銀可以顯著改善釬縫的顯微組織，隨著銀含量的增加，釬縫內(nèi)部塊狀的Al2Cu化合物尺寸明顯變小，引起應(yīng)力集中的傾向減小，鋁基固溶體中的Ag元素含量逐漸增加，固溶強化作用增強，對應(yīng)的釬焊接頭強度隨銀含量增加逐漸提高。endprint

3 結(jié)論

本實驗通過制備含不同成分的鋁合金釬料，分別對其熔化曲線、金相組織、潤濕性能、耐腐蝕性能進行實驗研究，討論添加合金元素后鋁合金釬料的綜合性能，同時也關(guān)注了不同含量的合金元素在合金化過程中對釬料各種性能的影響，在分析討論本次實驗結(jié)果后可得出以下結(jié)論。

1）Cu元素的添加可以明顯的降低釬料熔化溫度，Ag的加入使釬料熔點提高，減小了釬料熔點與釬劑熔點的差距，獲得更好的鋪展性。

2）Zn-Al釬料在鋁表面鋪展時，Zn-Al互溶度大，釬料中的鋅以相當(dāng)快的速度向母材晶間滲透，影響了釬料在鋁板上的鋪展.合金元素的加入減緩了鋅向母材晶間的滲透，釬料鋪展性能提高。

3）通過極化曲線分析各成分釬料的耐蝕性可得知：少量的Cu加入后腐蝕電位升高釬料的耐蝕性有小幅提高。通過金相觀察還發(fā)現(xiàn)脆性相Al2Cu的耐蝕性優(yōu)于其他相。少量Ag和Ni元素的添加不僅大大降低了腐蝕電流密度即發(fā)生腐蝕時的腐蝕速度還在一定程度上升高了腐蝕電位。

4）6#釬料84%Zn，12%Al，3%Cu，1%Ni，0.5%Ag具有最好的鋪展性，且擁有良好的耐蝕性能，釬焊時可獲得良好的釬焊溫度，適合焊接3系鋁合金熱交換機的釬焊。

基金項目

合肥工業(yè)大學(xué)2012年國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目資助，項目編號為201210359012。

通訊作者：李先芬

參考文獻

[1]甘衛(wèi)平，龐欣，羅春輝，等.鋅對汽車熱交換器用鋁合金釬焊箔腐蝕性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報，1994，4（增刊）：236.

[2]彭志輝，羅春輝，甘衛(wèi)平.加工工藝對汽車熱交換器復(fù)合鋁釬焊帶抗下垂性能的影響[J].中南礦冶學(xué)院學(xué)報，1994，25（6）：333.

[3]張滿，薛松柏，等.Al元素含量對Zn-Al釬料性能影響[J].焊接學(xué)報，2010.

[4]張啟運，莊鴻壽.釬焊手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5]李培.Al基復(fù)合釬料的制備與性能研究[D].蘭州理工大學(xué)，2010.

[6]張滿，薛松柏，姬峰，婁銀斌，王水慶.CuAl2相對銅鋁釬焊接頭組織與性能的影響[J].焊接學(xué)報，2011.endprint

3 結(jié)論

本實驗通過制備含不同成分的鋁合金釬料，分別對其熔化曲線、金相組織、潤濕性能、耐腐蝕性能進行實驗研究，討論添加合金元素后鋁合金釬料的綜合性能，同時也關(guān)注了不同含量的合金元素在合金化過程中對釬料各種性能的影響，在分析討論本次實驗結(jié)果后可得出以下結(jié)論。

1）Cu元素的添加可以明顯的降低釬料熔化溫度，Ag的加入使釬料熔點提高，減小了釬料熔點與釬劑熔點的差距，獲得更好的鋪展性。

2）Zn-Al釬料在鋁表面鋪展時，Zn-Al互溶度大，釬料中的鋅以相當(dāng)快的速度向母材晶間滲透，影響了釬料在鋁板上的鋪展.合金元素的加入減緩了鋅向母材晶間的滲透，釬料鋪展性能提高。

3）通過極化曲線分析各成分釬料的耐蝕性可得知：少量的Cu加入后腐蝕電位升高釬料的耐蝕性有小幅提高。通過金相觀察還發(fā)現(xiàn)脆性相Al2Cu的耐蝕性優(yōu)于其他相。少量Ag和Ni元素的添加不僅大大降低了腐蝕電流密度即發(fā)生腐蝕時的腐蝕速度還在一定程度上升高了腐蝕電位。

4）6#釬料84%Zn，12%Al，3%Cu，1%Ni，0.5%Ag具有最好的鋪展性，且擁有良好的耐蝕性能，釬焊時可獲得良好的釬焊溫度，適合焊接3系鋁合金熱交換機的釬焊。

基金項目

合肥工業(yè)大學(xué)2012年國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目資助，項目編號為201210359012。

通訊作者：李先芬

參考文獻

[1]甘衛(wèi)平，龐欣，羅春輝，等.鋅對汽車熱交換器用鋁合金釬焊箔腐蝕性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報，1994，4（增刊）：236.

[2]彭志輝，羅春輝，甘衛(wèi)平.加工工藝對汽車熱交換器復(fù)合鋁釬焊帶抗下垂性能的影響[J].中南礦冶學(xué)院學(xué)報，1994，25（6）：333.

[3]張滿，薛松柏，等.Al元素含量對Zn-Al釬料性能影響[J].焊接學(xué)報，2010.

[4]張啟運，莊鴻壽.釬焊手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5]李培.Al基復(fù)合釬料的制備與性能研究[D].蘭州理工大學(xué)，2010.

[6]張滿，薛松柏，姬峰，婁銀斌，王水慶.CuAl2相對銅鋁釬焊接頭組織與性能的影響[J].焊接學(xué)報，2011.endprint

3 結(jié)論

本實驗通過制備含不同成分的鋁合金釬料，分別對其熔化曲線、金相組織、潤濕性能、耐腐蝕性能進行實驗研究，討論添加合金元素后鋁合金釬料的綜合性能，同時也關(guān)注了不同含量的合金元素在合金化過程中對釬料各種性能的影響，在分析討論本次實驗結(jié)果后可得出以下結(jié)論。

1）Cu元素的添加可以明顯的降低釬料熔化溫度，Ag的加入使釬料熔點提高，減小了釬料熔點與釬劑熔點的差距，獲得更好的鋪展性。

2）Zn-Al釬料在鋁表面鋪展時，Zn-Al互溶度大，釬料中的鋅以相當(dāng)快的速度向母材晶間滲透，影響了釬料在鋁板上的鋪展.合金元素的加入減緩了鋅向母材晶間的滲透，釬料鋪展性能提高。

3）通過極化曲線分析各成分釬料的耐蝕性可得知：少量的Cu加入后腐蝕電位升高釬料的耐蝕性有小幅提高。通過金相觀察還發(fā)現(xiàn)脆性相Al2Cu的耐蝕性優(yōu)于其他相。少量Ag和Ni元素的添加不僅大大降低了腐蝕電流密度即發(fā)生腐蝕時的腐蝕速度還在一定程度上升高了腐蝕電位。

4）6#釬料84%Zn，12%Al，3%Cu，1%Ni，0.5%Ag具有最好的鋪展性，且擁有良好的耐蝕性能，釬焊時可獲得良好的釬焊溫度，適合焊接3系鋁合金熱交換機的釬焊。

基金項目

合肥工業(yè)大學(xué)2012年國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目資助，項目編號為201210359012。

通訊作者：李先芬

參考文獻

[1]甘衛(wèi)平，龐欣，羅春輝，等.鋅對汽車熱交換器用鋁合金釬焊箔腐蝕性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報，1994，4（增刊）：236.

[2]彭志輝，羅春輝，甘衛(wèi)平.加工工藝對汽車熱交換器復(fù)合鋁釬焊帶抗下垂性能的影響[J].中南礦冶學(xué)院學(xué)報，1994，25（6）：333.

[3]張滿，薛松柏，等.Al元素含量對Zn-Al釬料性能影響[J].焊接學(xué)報，2010.

[4]張啟運，莊鴻壽.釬焊手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5]李培.Al基復(fù)合釬料的制備與性能研究[D].蘭州理工大學(xué)，2010.

[6]張滿，薛松柏，姬峰，婁銀斌，王水慶.CuAl2相對銅鋁釬焊接頭組織與性能的影響[J].焊接學(xué)報，2011.endprint