加工工藝對(duì)散熱器用鋁合金翅片釬焊熔蝕性能的影響

曹 琦，劉二磊，張 斌，周德敬

（1.銀邦金屬?gòu)?fù)合材料股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214145；2.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

鋁合金由于密度低、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕性能優(yōu)異以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在熱交換器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。散熱器一般位于汽車(chē)前端迎風(fēng)處，所處的工作條件惡劣，不僅要經(jīng)受風(fēng)吹雨淋和汽車(chē)排出的廢氣以及沙土、泥漿的污染，而且還要承受反復(fù)的熱循環(huán)和周期性的振動(dòng)。其次，散熱器內(nèi)長(zhǎng)期流動(dòng)著冷卻液，對(duì)散熱器有銹蝕及腐蝕作用，而且隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的不斷提高，熱負(fù)荷也愈來(lái)愈大，對(duì)散熱器的性能要求也愈來(lái)愈高。

鋁質(zhì)散熱器的主要制造工序是釬焊。在釬焊過(guò)程中，完成板、管、翅片的焊接，充當(dāng)釬料的皮材中的Si 向翅片中擴(kuò)散造成熔蝕。熔蝕是鋁合金散熱器釬焊過(guò)程中常見(jiàn)的現(xiàn)象，Si 擴(kuò)散的深度越深，熔蝕率越大，被熔蝕的翅片厚度越多，剩余支撐散熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的厚度越少，翅片的抗下垂性能越低，造成散熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低，使用壽命越短。由此可見(jiàn)，鋁合金翅片材料的耐熔蝕性能極大地影響著散熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。由于翅片在釬焊過(guò)程中需要承受600 ℃以上的高溫，因此需要具有良好的高溫抗下垂性能，這需要材料具備良好的耐熔蝕性能。Ryu 等研究發(fā)現(xiàn)，粗大的再結(jié)晶晶粒尺寸可以有效阻礙Si 的擴(kuò)散，減少熔蝕的產(chǎn)生，從而提高翅片的抗下垂性能，增加散熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。

1 試 驗(yàn)

鋁合金翅片材料的化學(xué)成分如下表1 所示。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%）Tab.1 Chemical composition (mass fraction/%)

制備工藝共采用兩種方案，冷軋采用連續(xù)鑄軋工藝生產(chǎn)的厚度為6.000 mm 的鋁合金坯料，翅片材料成品厚度為0.070 mm，狀態(tài)為H16，工藝路徑詳見(jiàn)如下：

方案1：鑄軋厚度6.000 mm—冷軋至厚度4.200 mm—冷軋至厚度0.116 mm—中間退火—冷軋至厚度0.070 mm。

方案2：鑄軋厚度6.000 mm—冷軋至厚度4.200 mm—高溫中間退火—冷軋至厚度0.155 mm—中間退火—冷軋至厚度0.070 mm。

其中，高溫中間退火工藝為560 ℃保溫5 h，中間退火工藝為420 ℃保溫5 h。

化學(xué)成分檢測(cè)采用Thermo Fisher America ARL3460 光電直讀光譜儀，力學(xué)性能檢測(cè)采用Zwick/Roell Germany Z020 型拉伸試驗(yàn)機(jī)，模擬釬焊及抗下垂性能數(shù)值檢測(cè)采用KBF11Q 可控氣氛馬弗爐，金相檢測(cè)采用 ZEISS Germany AxioImager.A2m 型金相顯微鏡。拉伸試樣尺寸如圖1 所示。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Dimension of the tensile specimen

圖中：為試樣總長(zhǎng)度；為平行長(zhǎng)度；為原始標(biāo)距；為矩形橫截面試樣平行長(zhǎng)度的原始寬度；為夾持頭部的寬度；為圓弧半徑。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 模擬釬焊前力學(xué)性能

對(duì)兩種方案制備的鋁合金翅片材料進(jìn)行模擬釬焊前的力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2 可以看出，方案2 在冷軋一道次后增加了高溫中間退火，雖然將最后一道次加工率由39.7%提升到了54.8%，但其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相比于無(wú)高溫中間退火的方案1 的仍有明顯降低，抗拉強(qiáng)度降低9.8 MPa，屈服強(qiáng)度降低5.1 MPa。

表2 釬焊前力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties before brazing

2.2 模擬釬焊后力學(xué)性能

將兩種方案制備的翅片材料放入馬弗爐中進(jìn)行模擬釬焊，模擬釬焊工藝為：室溫升至590 ℃用時(shí)35 min，590 ℃保溫5 min，總時(shí)間為40 min。模擬釬焊后對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3 可以看出，方案2 試樣抗拉強(qiáng)度為115.2 MPa，高于方案1 的109.9 MPa；方案2 試樣伸長(zhǎng)率為12.2%，明顯高于方案1 的8.0%，表明方案2 所得試樣的塑性更好，成形性能更優(yōu)；方案2 所得試樣屈服強(qiáng)度為45.2 MPa，略低于方案1 的47.3 MPa。

表3 釬焊后力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties after brazing

2.3 抗下垂性能

首先制作抗下垂性能檢測(cè)的樣片，樣片長(zhǎng)度為100 mm，長(zhǎng)度方向?yàn)椴牧侠滠埖能堉品较?，寬度?2 mm。將樣片固定在試驗(yàn)裝置上，固定端至自由端的長(zhǎng)度為50 mm，測(cè)量此時(shí)試樣端部距平臺(tái)的距離1，然后將試驗(yàn)裝置平穩(wěn)放入馬弗爐中，完成此試驗(yàn)后將試驗(yàn)裝置移出爐外空冷并測(cè)量此時(shí)試樣端部距平臺(tái)的距離2，通過(guò)公式計(jì)算出抗下垂性數(shù)值。

式中：為抗下垂值；1 為模擬釬焊前試樣端部距平臺(tái)的距離；2 為模擬釬焊后試樣端部距平臺(tái)的距離。

抗下垂性能檢測(cè)溫度試驗(yàn)工藝：室溫升至577 ℃用時(shí)10 min，577 ℃升至600 ℃用時(shí)6 min，600 ℃保溫5 min，試驗(yàn)裝置如圖2 所示。抗下垂性能數(shù)值檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖2 抗下垂性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sagging resistance test device

從表4 可以看出，方案2 時(shí)抗下垂值為22.0 mm，大于方案1 的19.5 mm，表明方案1 的抗下垂性能略優(yōu)于方案2 的。

表4 抗下垂性能數(shù)值Tab.4 Sagging resistance values

2.4 釬焊前后金相組織

采用金相顯微鏡分別對(duì)兩種方案制備的0.070 mm 厚的鋁合金翅片材料沿軋制方向的表面、截面進(jìn)行偏振光金相組織檢測(cè)。釬焊前金相組織如圖3 所示，釬焊后金相組織如圖4 所示。

圖3 釬焊前表面、截面金相組織結(jié)果顯示：方案1、方案2 試樣均為未完全破碎的再結(jié)晶晶粒，有明顯的軋制纖維狀組織，為典型的H16 狀態(tài)晶粒；方案1 的晶粒為長(zhǎng)條狀，每個(gè)截面厚度方向分布2 層晶粒，經(jīng)測(cè)算，晶粒尺寸大于800 μm，方案2 的晶粒較為細(xì)小，每個(gè)截面厚度方向分布2～3 層晶粒，經(jīng)測(cè)算，晶粒尺寸為150～300 μm。

圖3 釬焊前金相組織Fig.3 Metallographic structures before brazing

圖4 釬焊后表面、截面金相組織結(jié)果顯示：方案1、方案2 試樣均為明顯的完全再結(jié)晶晶粒；方案1 仍為長(zhǎng)條狀晶粒，與釬焊前相比尺寸無(wú)明顯差異，晶粒尺寸仍然大于800 μm，方案2 試樣則在釬焊后變的更為細(xì)小，大部分厚度方向分布約為3 層晶粒，晶粒尺寸為100～400 μm。

圖4 釬焊后金相組織Fig.4 Metallographic structures after brazing

2.5 釬焊過(guò)程中熔蝕

將兩種方案制備的0.070 mm 厚的鋁合金翅片材料加工成翅片，與帶有釬焊層的折疊管組裝后進(jìn)行釬焊，釬焊工藝同2.2 的模擬釬焊工藝。釬焊后從散熱器上切塊、鑲樣后采用金相顯微鏡進(jìn)行熔蝕形貌檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如圖5 所示。方案2 所得試樣熔蝕情況良好部位的晶粒如圖6 所示。

圖5 結(jié)果顯示：方案1 所得試樣出現(xiàn)了局部貫穿熔蝕，即熔蝕率100%，平均熔蝕率約50%；方案2 所得試樣局部熔蝕率最大為65%，未出現(xiàn)貫穿腐蝕，平均熔蝕率約30%?？傮w來(lái)看，方案2 的耐熔蝕性能優(yōu)于方案1 的。圖6 結(jié)果顯示，厚度方向上晶粒層數(shù)為2～3 層，大小為100～400 μm。將方案2 所得試樣提供給客戶端試用，經(jīng)客戶端試用，熔蝕情況良好，滿足客戶使用要求，與本研究結(jié)果一致。

圖5 釬焊后熔蝕形貌Fig.5 Corrosion morphologies after brazing

圖6 局部晶粒，標(biāo)尺長(zhǎng)度50 μmFig.6 Local grain size,scale length of 50 μm

3 分析與討論

從力學(xué)性能結(jié)果來(lái)看，采用方案2 制備的0.070 mm 厚的鋁合金翅片材料成品道次加工率比方案1 的大15.1%，但其釬焊前抗拉強(qiáng)度仍然低了9.8 MPa，釬焊后抗拉強(qiáng)度反而高了5.3 MPa。這是因?yàn)榉桨? 在4.200 mm 厚度多了一次高溫中間退火，對(duì)成品的再結(jié)晶溫度及強(qiáng)度都有比較明顯的降低作用，但不會(huì)明顯影響釬焊后的強(qiáng)度。

采用方案2 制備的鋁合金翅片材料釬焊后晶粒相對(duì)細(xì)小，故其抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率高于方案1 的，但方案1 的抗下垂性能卻優(yōu)于方案2 的。主要因?yàn)榉桨? 的翅片材料釬焊后晶粒尺寸相對(duì)較大，晶界相對(duì)較少，能更有效地阻礙Si 的擴(kuò)散，造成的熔蝕深度較少，起支撐作用的厚度較多，翅片越不容易塌陷下垂。

從熔蝕情況可以看出，采用方案1 制備的鋁合金翅片材料釬焊后過(guò)大的晶粒組織雖然對(duì)抗下垂性有益，但因?yàn)榫植烤Я３叽邕^(guò)大，造成局部晶界面積過(guò)小，釬焊過(guò)程中Si 擴(kuò)散的通道過(guò)少，過(guò)多的Si 會(huì)集中到個(gè)別晶界，局部擴(kuò)散深度大，造成局部貫穿熔蝕。因?yàn)閿U(kuò)散深度越深，熔蝕程度越大。方案2 制備的翅片材料未出現(xiàn)局部貫穿熔蝕，主要因?yàn)殁F焊后晶粒尺寸相對(duì)較小，釬焊過(guò)程中Si 有合理面積的擴(kuò)散通道，不會(huì)造成局部集中。這表明，對(duì)于鋁合金翅片材料來(lái)說(shuō)，釬焊后過(guò)大或者過(guò)小的晶粒尺寸均不利于材料的耐熔蝕性能，過(guò)小的晶粒尺寸會(huì)造成整體熔蝕程度大，過(guò)大的晶粒尺寸會(huì)造成局部貫穿熔蝕，晶粒尺寸在一定范圍內(nèi)比較合理。通過(guò)兩種方案制備的鋁合金翅片材料釬焊后熔蝕情況的檢測(cè)得出，釬焊后截面晶粒層數(shù)為2～3 層，尺寸在100～400 μm 較為合理，最有利于耐熔蝕性能。

4 結(jié) 論

（1）在鋁合金翅片材料厚度為4.200 mm 時(shí)增加高溫中間退火，會(huì)明顯降低其成品的再結(jié)晶溫度及強(qiáng)度，但不會(huì)明顯影響釬焊后的強(qiáng)度。

（2）釬焊后試樣的晶粒尺寸相對(duì)細(xì)小，晶界分布較分散，釬焊試驗(yàn)顯示未出現(xiàn)貫穿熔蝕現(xiàn)象，總體熔蝕深度低，耐熔蝕能力強(qiáng)，可以延長(zhǎng)散熱器的使用壽命，故在厚度為4.200 mm 時(shí)增加高溫中間退火的加工工藝更加優(yōu)越。

（3）對(duì)鋁合金翅片材料來(lái)說(shuō)，釬焊后晶粒尺寸不是越大越好，也不是越小越好。若晶粒尺寸過(guò)大，雖然晶界少，Si 擴(kuò)散的通道少，但Si 擴(kuò)散通道相對(duì)集中，晶界處易發(fā)生貫穿熔蝕，若晶粒尺寸過(guò)小，晶界多，Si 擴(kuò)散的通道多，則易發(fā)生全面熔蝕造成全面熔蝕程度大。釬焊后晶粒在厚度方向上層數(shù)為2～3 層，晶粒尺寸在100～400 μm，這種晶粒尺寸及分布情況較為合理，可以有效避免局部貫穿熔蝕和全面熔蝕程度大的現(xiàn)象發(fā)生，耐腐蝕性能最優(yōu)。