微量Cu對(duì)Al-2.4Si-0.2Fe-1.2Mn-1.5Zn合金翅片箔耐腐蝕性能的影響

郭飛躍，李 剛，彭東旺，吳佳麗，黃美艷

（乳源東陽(yáng)光優(yōu)艾希杰精箔有限公司，韶關(guān) 512721）

0 前言

熱泵空調(diào)技術(shù)具有高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為未來(lái)新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的主流趨勢(shì)[1]。冷凝器和蒸發(fā)器作為熱泵空調(diào)的重要組成部分，其耐腐蝕性能的優(yōu)良直接影響著熱泵空調(diào)的使用壽命[2-4]。翅片箔用在冷凝器和蒸發(fā)器上主要起散熱和保護(hù)扁管的作用。MONOBRAZE單層翅片箔是一種新型高性能鋁箔產(chǎn)品，與傳統(tǒng)三層復(fù)合翅片箔相比，在600 ℃左右高溫釬焊時(shí)，MONOBRAZE單層翅片表面也可以析出液體，可以起到同樣的釬焊連接效果，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到汽車空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器等產(chǎn)品上。

翅片箔中Cu 含量越高，可以消化越多的釬焊箔高Cu 復(fù)合廢料，降低生產(chǎn)成本，但Cu 的添加，也會(huì)對(duì)翅片的強(qiáng)度、電極電位、耐腐蝕性能產(chǎn)生影響[5]。本文通過(guò)對(duì)三種不同Cu 含量的Al-2.4Si-0.2Fe-1.2Mn-1.5Zn 合金（MONOBRAZE 翅片箔的一種典型成分）翅片箔材料進(jìn)行釬焊前、后力學(xué)性能測(cè)試，并對(duì)三種材料釬焊后的迷你冷凝器芯體進(jìn)行電位檢測(cè)、EPMA（電子探針顯微分析）元素?cái)U(kuò)散分析和SWAAT（循環(huán)酸性海水試驗(yàn)）腐蝕試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比研究不同Cu 含量的Al-2.4Si-0.2Fe-1.2Mn-1.5Zn 合金翅片箔材料的耐腐蝕性能，并對(duì)耐腐蝕機(jī)理進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料制備

采用99.7%普鋁錠、速熔硅、Al-Si 中間合金、Al-Fe中間合金、Al-Cu中間合金、錳劑、99.5%純鋅錠等原材料，鑄軋成6.0 mm 厚鑄軋卷，經(jīng)過(guò)冷軋、中間退火、箔軋、分切等工藝流程制成三種不同Cu 含量的0.07 mm 厚Al-2.4Si-0.2Fe-1.2Mn-1.5Zn合金翅片箔。

MPE 管采用Al-0.4Cu 合金多孔擠壓管，表面噴Zn 濃度（8±2）g/m2。三種不同Cu 含量的Al-2.4Si-0.2Fe-1.2Mn-1.5Zn合金翅片箔的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)材合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)及檢測(cè)項(xiàng)目

將MF01、MF02、MF03 三種翅片箔成品放在小型釬焊爐中模擬釬焊熱處理（600 ℃×3 min），升溫曲線如圖1所示。釬焊前、后拉伸力學(xué)性能測(cè)試在CMT6104萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

圖1 模擬釬焊升溫曲線

將MF01、MF02、MF03 三種翅片箔分別制成波浪帶，與MPE 管進(jìn)行機(jī)械組裝，采用N2保護(hù)釬焊后，得到三種迷你冷凝器芯體，用影像投影儀進(jìn)行釬焊后外觀質(zhì)量檢查。

采用EPMA設(shè)備掃描檢測(cè)釬焊后的冷凝器接頭區(qū)域翅片、焊角和MPE 管等部位的元素分布情況；采用HE-104A 電位計(jì)檢測(cè)釬焊后的冷凝器接頭區(qū)域翅片、焊角、MPE管表層和芯層等部位的電極電位；采用CYP-90A復(fù)合循環(huán)腐蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)釬焊后的迷你冷凝器芯體分別進(jìn)行SWAAT 20 d和40 d腐蝕試驗(yàn)檢測(cè)（按ASTM G85標(biāo)準(zhǔn)）。

分別取三種翅片釬焊后的冷凝器接頭樣品、SWAAT 腐蝕試驗(yàn)清洗后的樣品，經(jīng)鑲嵌、機(jī)械研磨、混合酸侵蝕后，采用基恩士VHX-7000型顯微鏡觀察斷面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸力學(xué)性能

三種不同Cu 含量的翅片箔成品釬焊前、后力學(xué)性能結(jié)果如表2所示。

表2 三種不同Cu含量的翅片箔成品釬焊前、后力學(xué)性能

從釬焊前、后力學(xué)性能結(jié)果看，三種不同Cu含量的Al-2.4Si-0.2Fe-1.2Mn-1.5Zn合金翅片箔成品釬焊前、后力學(xué)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，MF01翅片箔釬焊前、后抗拉強(qiáng)度分別為197 MPa、159 MPa；MF02 翅片箔釬焊前、后抗拉強(qiáng)度分別為203 MPa、167 MPa；MF03翅片箔釬焊前、后抗拉強(qiáng)度分別為209 MPa、178 MPa，遠(yuǎn)高于MF01 和MF02 兩種翅片箔。

2.2 釬焊后外觀及微觀組織觀察

三種不同Cu 含量的翅片箔釬焊后的冷凝器接頭外觀及微觀組織觀察結(jié)果如圖2所示。

圖2 冷凝器接頭釬焊后外觀及微觀組織觀察

從冷凝器接頭釬焊后外觀及微觀組織看，三種翅片均與MPE 管釬焊連接良好（圖2（a），圖2（b），圖2（c）），MF01 翅片釬焊完后的焊角長(zhǎng)度約501 μm（圖2（d）），MF02 翅片釬焊完后的焊角長(zhǎng)度約493 μm（圖2（e）），MF03 翅片釬焊完后的焊角長(zhǎng)度約496 μm（圖2（f）），釬焊完后的焊角長(zhǎng)度基本相近，釬焊完后的翅片表面均無(wú)明顯的熔蝕缺陷、厚度未明顯減?。▓D2（d），圖2（e），圖2（f））。

2.3 釬焊后EPMA分析及電極電位測(cè)定

三種不同Cu 含量的翅片箔釬焊后的冷凝器接頭部位Si、Cu、Mn、Zn 等元素的EPMA 分析結(jié)果見(jiàn)圖3，檢測(cè)的翅片、焊角、MPE管表層和芯層的電極電位結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 三種翅片釬焊后的冷凝器接頭EPMA面分析

表3 釬焊后的冷凝器接頭翅片、焊角、MPE管表層和芯層的電極電位（SCE電位/mV）

從圖3 中的EPMA 分析結(jié)果看，采用MF01 翅片釬焊后的冷凝器接頭EPMA分析結(jié)果焊角部位Zn濃度顏色最深（圖3（a）），采用MF03 翅片釬焊后的冷凝器接頭EPMA 分析結(jié)果焊角部位Cu 濃度顏色最深、Zn濃度顏色最淺（圖3（c））。

從表3中的電極電位測(cè)定結(jié)果看，釬焊后的冷凝器接頭，焊角部位的電極電位最低，MPE管表層部位次之，翅片部位再次之，MPE 管芯層部位最高。MF01 翅片釬焊后的冷凝器接頭翅片與焊角電位差為41 mV；MF02 翅片釬焊后的冷凝器接頭翅片與焊角電位差為48 mV；MF03 翅片釬焊后的冷凝器接頭翅片與焊角電位差為59 mV。

2.5 SWAAT外部腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

三種不同Cu 含量的翅片箔釬焊后的冷凝器迷你芯體SWAAT 20 d 和40 d 腐蝕試驗(yàn)斷面形貌觀察結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 20 d和40 d斷面形貌

從圖4 中的釬焊后冷凝器接頭SWAAT 20 d 和40 d腐蝕試驗(yàn)后的樣品表面形貌看，采用三種不同Cu 含量的翅片釬焊后的冷凝器接頭均優(yōu)先腐蝕翅片、未出現(xiàn)管翅完全分離情況。采用MF01 翅片釬焊后的冷凝器接頭，SWAAT 20 d和40 d腐蝕均比較輕微，管翅大部分區(qū)域連接仍然完好（圖4（a），圖4（d））；采用MF02 翅片釬焊后的冷凝器接頭，SWAAT 20 d 和40 d 試驗(yàn)腐蝕次之（圖4（b），圖4（e））；采用MF03 翅片釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 20 d 和40 d 試驗(yàn)腐蝕程度最厲害，翅片局部已經(jīng)完全腐蝕穿透，與MPE 管也只有少部分連接在一起（圖4（c），圖4（f））。

SWAAT 20 d 和40 d 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果還表明，三種翅片釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 20 d 后，MPE管表面腐蝕均比較輕微（圖4（a），圖4（b），圖4（c）），但SWAAT 40 d 后，MF01 翅片釬焊后的冷凝器MPE管表面腐蝕仍比較輕微（圖4（d）），但MF02 和MF03 翅片釬焊后的冷凝器MPE 管表面已經(jīng)有明顯腐蝕坑（圖4（e），圖4（f））。

2.6 分析和討論

拉伸力學(xué)性能結(jié)果表明，MF03 翅片釬焊前、后強(qiáng)度最高，MF02 翅片釬焊前、后強(qiáng)度次之，MF01翅片釬焊前、后強(qiáng)度最低。這說(shuō)明，隨著Cu含量的增加，Al-2.4Si-0.2Fe-1.2Mn-1.5Zn 合金翅片箔釬焊前、后強(qiáng)度顯著上升，這與Cu在α-Al基體中析出Al2Cu、析出相可以有效地提高鋁合金的強(qiáng)度是分不開(kāi)的。

EPMA 分析及電極電位測(cè)定結(jié)果表明：采用MF01 翅片釬焊后的冷凝器接頭EPMA 分析結(jié)果焊角部位Zn 濃度顏色最深，說(shuō)明該接頭焊角部位Zn濃度最高，對(duì)應(yīng)該接頭焊角部位電極電位最低，為-840 mV；采用MF03 翅片釬焊后的冷凝器接頭EPMA 分析結(jié)果焊角部位Cu 濃度顏色最深、Zn 濃度顏色最淺，說(shuō)明該接頭焊角部位Cu 濃度最高、Zn 濃度最低，對(duì)應(yīng)該接頭焊角部位電極電位最高，為-830 mV。這是因?yàn)?，焊角處的Zn一部分來(lái)源于高溫釬焊時(shí)翅片中的Zn 元素隨著部分液體通過(guò)晶界析出到表面、并流到冷凝器接頭焊角處，另外高溫釬焊時(shí)MPE 管表層中的Zn 也會(huì)向焊角處擴(kuò)散，MPE 管表層Zn 溶射量的波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致管表層Zn 濃度差異，進(jìn)而影響向焊角處擴(kuò)散的Zn 濃度。焊角處的Cu，則主要來(lái)源于翅片中的Cu 元素隨析出液體流到冷凝器接頭焊角處，MF03翅片Cu含量最高，對(duì)應(yīng)的冷凝器接頭焊角處Cu 濃度也最高，對(duì)應(yīng)的翅片和焊角處電極電位也分別比MF01、MF02釬焊后的冷凝器接頭要高得多。

從電極電位測(cè)定結(jié)果還可以看出：采用MF01翅片釬焊后的冷凝器接頭翅片與焊角處的電位差最小，為41 mV；采用MF02翅片釬焊后的冷凝器接頭翅片與焊角處的電位差次之，為48 mV；采用MF03翅片釬焊后的冷凝器接頭翅片與焊角處的電位差最大，為59 mV。因此MF03翅片釬焊后的冷凝器接頭焊腳處優(yōu)先被腐蝕、最容易優(yōu)先發(fā)生管翅分離。

另外MF03翅片釬焊后的冷凝器翅片與MPE管芯層電位差也最小，為63 mV。因此，MF03 翅片對(duì)MPE 管的犧牲陽(yáng)極保護(hù)作用也最差，SWAAT 40 d 腐蝕結(jié)果表明MPE 管表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯的腐蝕坑。而MF01翅片釬焊后的冷凝器翅片與MPE管芯層電位差最大，為90 mV，MF01 翅片對(duì)MPE 管的犧牲陽(yáng)極保護(hù)作用也最好，SWAAT 40 d 腐蝕結(jié)果表明MPE 管表面腐蝕仍比較輕微。此外，與Zn 在3×××系鋁合金中的平面腐蝕機(jī)理不同的是，Cu會(huì)加速3×××系鋁合金材料的縱向腐蝕傾向，Al-2.4Si-0.2Fe-1.2Mn-1.5Zn 合金翅片箔中的Cu 含量越高，會(huì)加速翅片自身縱向腐蝕，也會(huì)減弱翅片對(duì)MPE管的犧牲陽(yáng)極保護(hù)作用。

3 結(jié)論

對(duì)于Al-2.4Si-0.2Fe-1.2Mn-1.5Zn 合金翅片箔，Cu 含量越高，翅片的釬焊前、后強(qiáng)度也越高，釬焊連接良好，但釬焊后的冷凝器和翅片自身的耐腐蝕性會(huì)變差。當(dāng)Cu 含量比較低時(shí)，釬焊后的冷凝器有著良好的耐腐蝕性能。