ZnAl、AlSi(X)釬料釬焊鋁/鋼的接頭耐腐蝕性研究

薛弘宇，龍偉民，路全彬，糾永濤，程 戰(zhàn)，薛行燕

（鄭州機(jī)械研究所有限公司新型釬焊材料及技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

0 前言

鋁合金與鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕等方面的綜合優(yōu)勢(shì)，在航空航天、汽車制造及造船等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而鋁和鐵之間固溶度低，熱物理性能差異大，且極易發(fā)生反應(yīng)生成脆性金屬間化合物，鋁/鋼異種金屬的連接是焊接領(lǐng)域中的難點(diǎn)[1-3]。目前常用的鋁/鋼異種金屬焊接方法有擴(kuò)散焊、摩擦焊、熔釬焊和釬焊等[4]。

擴(kuò)散焊是在一定的溫度和壓力下，通過界面原子間相互擴(kuò)散形成連接[5]。鋁/鋼擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，但由于其對(duì)母材表面質(zhì)量、焊接環(huán)境要求高，焊接時(shí)間較長，擴(kuò)散焊不適合進(jìn)行大批量生產(chǎn)[6]。

摩擦焊是利用摩擦、擠壓和表界面滑移有效去除鋁合金表面的氧化膜，較好地控制，兩種材料間脆性化合物層的厚度，焊接過程中無需添加劑，焊合率高、耐蝕性好[7]。摩擦焊使用的焊接工況較為有限，對(duì)管盤類零件的焊接效果出色[8]。

熔釬焊是通過控制熱輸入使鋁合金熔化、鋼材不熔化的半熔化焊接技術(shù)[9]。相較于傳統(tǒng)釬焊，熔釬焊的焊接溫度、生產(chǎn)效率更高，但較高的溫度也導(dǎo)致鋁/鋼熔釬焊中的脆硬金屬間化合物難以控制，且焊接薄壁件時(shí)變形嚴(yán)重[10]。

釬焊技術(shù)因其焊接溫度低、釬縫氣密性好、熱源靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，仍然廣泛應(yīng)用于鋁鋼復(fù)合板式散熱器這種盲焊道多、釬縫密集的器件中[11]。但鋁/釬縫/鋼往往存在電位差，難以徹底清除具有腐蝕性的釬劑，加上散熱器通常在濕熱的環(huán)境下工作，金屬間形成原電池發(fā)生電化學(xué)腐蝕破壞是常見的釬縫失效形式。

在此針對(duì)鋁/鋼釬焊接頭的耐腐蝕性，對(duì)ZnAl2、AlSi12及AlSiNi釬料釬焊鋁/鋼異種金屬的接頭耐腐蝕性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

Ni元素能有效提高合金的電極電位、細(xì)化晶粒，減少發(fā)生電化學(xué)腐蝕的微電池?cái)?shù)目，從而有效提高合金的耐蝕性，但Ni的加入會(huì)提高AlSi釬料的熔點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)用釬料ZnAl2、AlSi12和AlSiNi的化學(xué)成分如表1所示。母材為3003鋁合金和Q235鋼。

表1 釬料的化學(xué)成分%Table 1 Chemical composition of brazing filler metal

1.1 電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)

對(duì)母材、釬縫進(jìn)行電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)分析：①將母材制備成1 cm2工作面的薄片；②采用高頻感應(yīng)釬焊，使用上述3種釬料焊接鋁/鋼搭接接頭后，磨去鋁母材，露出釬縫金屬作為工作面；③用水磨砂紙逐級(jí)打磨母材和釬縫的工作面，然后拋光；④在試樣的非工作面處鉆孔，引出銅導(dǎo)線，使用硅橡膠封閉非工作面，僅留出1 cm2工作區(qū)域。制成的試樣如圖1所示。

圖1 電化學(xué)腐蝕試樣Fig.1 Samples for electrochemical corrosion test

實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，即工作電極、飽和甘汞參比電極和鉑金對(duì)電極。使用世瑞思RST5200電化學(xué)工作站在3.5%NaCl電解液中采集工作電極的電流、電位數(shù)據(jù)，采用設(shè)備附帶的分析軟件繪制Tafel曲線并確定腐蝕電位φcorr和腐蝕電流Jcorr。

1.2 鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)

使用ZnAl2、AlSi12、AlSiNi三種釬料焊接3003鋁合金與Q235鋼的對(duì)接試樣各20組，用于測(cè)試腐蝕過程對(duì)釬焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響。由于鋁合金強(qiáng)度較低，為了保證試樣斷于釬縫，實(shí)驗(yàn)采用厚鋁薄鋼的母材搭配方式，如圖2所示，對(duì)橫截面積為3mm×15mm的3003鋁合金和橫截面積為2mm×10mm的Q235鋼進(jìn)行焊接。

圖2 鹽霧腐蝕試樣示意Fig.2 Samples for salt fog corrosion test

觀察腐蝕后釬焊接頭的表面形貌，另制備鋁/鋼的搭接接頭，從釬縫中部切開，將其橫截面鑲嵌后打磨、拋光制成金相試樣后進(jìn)行鹽霧腐蝕。

將試樣放入鹽霧腐蝕箱，使用50 g/L NaCl溶液在35±2℃環(huán)境中進(jìn)行鹽霧腐蝕，并定期吹去試樣表面凝結(jié)的鹽結(jié)晶。

分別在鹽霧實(shí)驗(yàn)開始的第 0 h、24 h、48 h、96 h、168 h、240 h取出3種釬料的焊接試樣各3個(gè)，清洗烘干后使用MTS C45.105萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度；采用Phenom XL掃描電鏡（SEM）及其附帶的能譜分析（EDS）分析接頭金相試樣形貌和微區(qū)成分。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電化學(xué)腐蝕

母材和釬縫金屬電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)后所獲得的Tafel曲線如圖3所示。腐蝕電位φcorr和腐蝕電流Jcorr是材料耐腐蝕能力的重要參考指標(biāo)，表征材料被腐蝕的難度和速度。

圖3 母材及釬縫金屬的Tafel曲線Fig.3 Tafel curve of base metal and brazed metal

分析幾種材料的Tafel曲線后獲得的腐蝕電位φcorr和腐蝕電流Jcorr數(shù)據(jù)如表2所示。材料的腐蝕電位φcorr和腐蝕電流Jcorr自上而下均為遞減趨勢(shì)，表明幾種材料的耐腐蝕性順序由高到低為：Q235鋼、3003鋁合金、AlSiNi釬縫、AlSi12釬縫、ZnAl2釬縫。

表2 母材及釬縫金屬的腐蝕電壓、電流Table 2 φcorrand Jcorrof base metal and brazed metal

由上述順序可知，兩種母材的耐腐蝕性均高于釬縫金屬，表明在釬縫金屬與母材形成的原電池中，釬縫金屬電極電位總是最低，充當(dāng)陽極而最先被腐蝕。ZnAl2釬縫的耐腐蝕性遠(yuǎn)低于AlSiNi、AlSi12釬縫，可能導(dǎo)致ZnAl2接頭的力學(xué)性能在腐蝕過程中迅速下降。

AlSiNi釬縫界面組織形貌如圖4所示，Ni除了在釬縫組織中與Al、Si、Fe結(jié)合，形成淺灰色的金屬間化合物，也會(huì)以固溶形式存于基體中，提高釬縫組織電極電位。因此AlSiNi釬縫耐腐蝕性優(yōu)于AlSi12釬縫。

圖4 AlSiNi釬縫界面組織形貌Fig.4 Microstructure of brazed joint

2.2 鹽霧腐蝕對(duì)釬焊接頭力學(xué)性能的影響

通過對(duì)3種釬料焊接的鋁/鋼異種金屬對(duì)接試樣進(jìn)行10天的鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)，確定腐蝕對(duì)釬焊接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

ZnAl2釬料釬焊溫度低，與鋁、鋼的結(jié)合性良好，無脆硬金屬間化合物生成。ZnAl2接頭的腐蝕前抗拉強(qiáng)度達(dá)到103MPa，高于另外兩種釬料的釬焊接頭。在AlSi12和AlSiNi接頭中，鋼母材與釬縫界面處形成一層脆硬金屬間化合物，限制了接頭的力學(xué)性能。Ni元素的加入改善了釬縫的組織性能，因此AlSiNi釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度更高。腐蝕前，AlSiNi接頭和AlSi12接頭的抗拉強(qiáng)度分別為74MPa和61MPa。

抗拉強(qiáng)度的衰減曲線較好地印證了電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。ZnAl2接頭雖然腐蝕前強(qiáng)度最高，但由于耐腐蝕性差，在鹽霧腐蝕的第96 h取樣檢測(cè)時(shí)，其強(qiáng)度已經(jīng)低于AlSiNi接頭而與AlSi12接頭強(qiáng)度相當(dāng)。在鹽霧腐蝕進(jìn)行到第168 h和240 h時(shí)進(jìn)行取樣，分別有1個(gè)和2個(gè)ZnAl2接頭在取樣過程中發(fā)生解體，喪失強(qiáng)度完全失效。

240 h鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，AlSiNi和AlSi12接頭性能分別降低27%和34%，耐腐蝕性遠(yuǎn)好于抗拉強(qiáng)度降低92%的ZnAl2接頭。

圖5 釬焊接頭抗拉強(qiáng)度衰減曲線Fig.5 Decay curve of brazed joint’s tensile sthength

2.3 釬焊接頭的鹽霧腐蝕形貌

ZnAl2釬縫組織腐蝕前后的SEM照片如圖6所示，腐蝕對(duì)釬縫的破壞作用極強(qiáng)。

圖6 ZnAl2釬縫腐蝕前后組織形貌Fig.6 Microstructures of ZnAl2 brazed metal before and after salt fog corrosion

ZnAl2釬縫組織腐蝕前的形貌如圖6a所示，由淺灰色的Zn相和深灰色的鋅鋁相組成。釬縫腐蝕形貌中觀察到大量立體“花狀”組織（見圖6b），通過形態(tài)和測(cè)試點(diǎn)B、C的成分對(duì)比可以確定，腐蝕后的殘留組織即為圖6a中的鋅鋁相。這說明在ZnAl2釬縫中兩種相之間也存在著較大的電極電位差，Zn相由于電極電位較低，在腐蝕過程中會(huì)先被腐蝕。ZnAl2釬焊組織能譜分析如表3所示。

AlSiNi、AlSi12釬縫接頭的腐蝕特征類似，如圖7a、7b所示，試樣經(jīng)過24 h鹽霧腐蝕后釬縫組織內(nèi)部基本未被腐蝕。腐蝕最先出現(xiàn)于電極電位差最大的鋼/釬縫界面處。在鹽霧腐蝕箱的濕熱環(huán)境中，釬縫金屬與鋼母材形成原電池并發(fā)生電化學(xué)腐蝕，釬縫金屬作為陽極先被腐蝕，由圖7c、7d可知，釬縫中深灰色的α-Al基體相已經(jīng)被腐蝕產(chǎn)生凹陷，很難被腐蝕的灰色片狀金屬間化合物凸出于釬縫基體。

表3 ZnAl2釬縫組織能譜分析Table 3 EDS of ZnAl2 brazed metal

3 結(jié)論

（1）電化學(xué)測(cè)試分析表明，母材和釬縫金屬的耐腐蝕性由強(qiáng)至弱的順序是：Q235鋼、3003鋁合金、AlSiNi釬縫、AlSi12釬縫、ZnAl2釬縫，釬縫組織易被腐蝕。

（2）經(jīng)過240h鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)，AlSiNi、AlSi12、ZnAl2接頭抗拉強(qiáng)度分別降低27%、34%和92%，Ni元素可有效提高Al基釬料耐腐蝕性。

（3）ZnAl2接頭中的Zn相會(huì)優(yōu)先被腐蝕，留下立體“花狀”的鋅鋁相；腐蝕最先產(chǎn)生于AlSiNi、AlSi12接頭中母材鋼/釬縫金屬的界面處，α-Al相易被腐蝕。

圖7 AlSiNi、AlSi12釬焊接頭腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphology of AlSiNi and AiSi12 brazed joint

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