合金元素对汽车散热器用铜合金性能的影响研究

文 超，周 振

（攀枝花学院 交通与汽车工程学院，攀枝花 617000）

合金元素对汽车散热器用铜合金性能的影响研究

文 超，周 振

（攀枝花学院 交通与汽车工程学院，攀枝花 617000）

0 引言

随着汽车工业的飞速发展和汽车性能的不断提升，作为重要零部件之一的汽车散热器的性能要求也越来越严格，现有的汽车散热器用铜合金难以满足不断提高的性能要求，迫切需要人们采用新的技术方法以改善汽车散热器的性能，使其与日新月异发展的汽车工业相适应。在汽车散热器领域，材料改性、形状设计、制造工艺等方面都将对其性能产生影响，而材料改性是其基本的改性方法，对汽车散热器的性能产生重要影响[1,2]。众所周知，合金化是金属材料改性的一种有效方法，人们在汽车散热器用铜合金的合金化方面进行了较多研究，也取得了一定的研究成果，但是难以满足不断提高的性能需求[3～5]。因此，本文在汽车散热器用Cu-Zn系铜合金中添加了不同含量的合金元素锶（Sr）和钇（Y），并测试与分析了合金元素对汽车散热器用铜合金的晶粒尺寸、拉伸性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验的试样为汽车散热器用Cu-Zn系铜合金以及添加了不同含量锶（Sr）和钇（Y）的改性铜合金，试样在GWJ型中频感应熔炼炉中进行制备。合金元素Sr和Y的添加，分别采用Cu-10Sr和Cu-10Y中间合金的方式进行添加。各试样的化学成分，采用EDX3000B型X荧光光谱仪进行测试，测试结果如表1所示。

图1 试样制备的主要工序

表1 试样的化学成分

1.2 试验方法

晶粒尺寸测试：未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1以及添加了不同含量Sr和Y的改性铜合金试样2～4，其晶粒尺寸采用JSM6510型扫描电子显微镜进行测试。

拉伸性能测试：未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1以及添加了不同含量Sr和Y的改性铜合金试样2～4，其拉伸性能采用WD-200D型电子万能试验机进行测试，试验温度为室温，并用JSM6510型扫描电子显微镜对拉伸断口形貌进行观察和拍照。

耐腐蚀性能测试：未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1以及添加了不同含量Sr和Y的改性铜合金试样2～4，其耐腐蚀性能采用PGSTAT 302N型电化学综合测试系统进行测试。测试选用三电极体系，即工作电极为各试样制备的电极、参比电极为甘汞电极、辅助电极为铂黑电极。测试温度为室温、电解液为5wt.%氢氧化钾溶液、扫描速度为0.03mV/s。为了避免合金表面的氧化物对测试产生影响，测试前先在-1.0V恒电位下极化3min。

抗疲劳性能测试：未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1以及添加了不同含量Sr和Y的改性铜合金试样2～4，其抗疲劳性能采用SX2型箱式电阻炉进行测试。首先对试样进行打磨、抛光、清洗和吹干后，将试样放入90℃烘箱中预热30min；然后将试样置于300℃箱式电阻炉中保温3min后快速取出并浸入室温的恒温自来水中保持5s；如此循环重复1000次后，采用BX51M型金相显微镜观察试样上的感应中心位置处的裂纹。

2 试验结果及分析

2.1 晶粒尺寸测试结果及讨论

未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1以及添加了不同含量Sr和Y的改性铜合金试样2～4，其晶粒尺寸测试结果，如图2所示。从图2可以看出，合金元素Sr或Y的添加，减小了铜合金的晶粒尺寸，尤其是复合添加合金元素Sr和Y的试样4的晶粒尺寸减小效果最为明显，使合金的晶粒尺寸较未添加合金元素的试样1从148μm减小至56μm，减小了62.16%。这主要是因为合金元素Sr和Y的复合添加，对合金的晶粒细化起到了协同作用，起到了更好的细化晶粒作用，从而使得添加合金元素Sr或Y的铜合金晶粒得到细化，尤其是复合添加Sr和Y的铜合金晶粒细化效果显著。

图2 试样的晶粒尺寸测试结果

2.2 拉伸测试结果及讨论

未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1以及添加了不同含量Sr和Y的改性铜合金试样2～4，其室温拉伸性能测试结果如图3所示。从图3可以看出，合金元素Sr或Y的添加，提高了汽车散热器用Cu-Zn系铜合金的抗拉强度，尤其是Sr和Y的复合添加对汽车散热器用Cu-Zn系铜合金的拉伸性能提高更为显著。与未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1相比，复合添加合金元素Sr和Y的试样4的室温抗拉强度从397MPa增加至484MPa，增加了87MPa，增加了21.91%，合金的拉伸性能得到了显著改善。

图3 试样的抗拉强度测试结果（室温）

未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1以及复合添加合金元素Sr和Y的改性铜合金试样4的拉伸断口形貌SEM照片，分别如图4～图5所示。从图4可以看出，未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1的拉伸断口由较多的撕裂棱和韧窝组成，呈现出明显的塑性断裂特征。从图5与图4的对比可以看出，复合添加合金元素Sr和Y的汽车散热器用铜合金试样4的拉伸断口也呈现出明显的塑性断裂特征，但撕裂棱数量明显减少、且韧窝更为细小，说明该合金具有更好的拉伸性能。这与试样的抗拉强度测试结果一致。

图4 试样1的拉伸断口形貌SEM照片

图5 试样4的拉伸断口 形貌SEM照片

2.3 耐腐蚀性能测试结果及分析

未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1以及添加了不同含量Sr和Y的改性铜合金试样2～4，在室温的5wt.%氢氧化钾电解液中，以0.03mV/s扫描速度获得的Tafel曲线，如图6所示。从图6可以看出，合金元素Sr或Y的添加，提高了汽车散热器用铜合金的耐腐蚀性能，尤其是Sr和Y的复合添加，显著提高了汽车散热器用铜合金的耐腐蚀性能。与未添加合金元素的合金试样1相比，单独添加合金元素Y的汽车散热器用铜合金试样2的腐蚀电位从-0.971V正移至-0.862V，正移了109mV；单独添加合金元素Y的合金试样3的腐蚀电位从-0.971V正移至-0.763V，正移了208mV；而复合添加合金元素Sr和Y的汽车散热器用铜合金试样4的腐蚀电位从-0.971V正移至-0.613V，正移了358mV。众所周知，当其他条件相同时，材料的腐蚀电位越正则材料的耐腐蚀性能越好，若腐蚀电位越负则表明材料的耐腐蚀性能越差。因此，我们可以认为，合金元素Sr或Y的添加，提高了汽车散热器用Cu-Zn系铜合金的耐腐蚀性能，尤其是复合添加合金元素Sr和Y可使其耐腐蚀性能得到显著改善。这主要是因为合金元素Sr或Y的添加，一方面使合金晶粒得到细化，更好的抵抗电解液的腐蚀；另一方面，合金元素Y的添加，可以在铜合金表面形成保护膜，抑制铜、锌等的溶解，提高合金的耐腐蚀性能。

图6 试样的Tafel曲线

2.4 抗疲劳性能测试结果及分析

未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金试样1以及添加了不同含量Sr和Y的改性铜合金试样2～4，经过1000次冷热循环后，试样表面的疲劳裂纹形貌，如图7所示。从图7可以看出，在汽车散热器用Cu-Zn系铜合金中添加合金元素Sr或Y，尤其是复合添加合金元素Sr和Y，可使其疲劳裂纹数量更少、且更为细小，提高了合金的抗疲劳性能。这主要是由于合金元素Sr的添加，有效提高了合金在冷热循环中抵抗裂纹的能力，另一方面合金元素Y的添加发生了协同作用，更好的发挥了Sr的作用。

图7 试样的疲劳裂纹形貌

3 结论

1）合金元素Sr或Y的添加，尤其是复合添加合金元素Sr和Y，有利于提高汽车散热器用Cu-Zn系铜合金的拉伸性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能。

2）与未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金相比，复合添加合金元素Sr和Y可使铜合金的晶粒尺寸减小62.16%。

3）与未添加合金元素的汽车散热器用Cu-Zn系铜合金相比，复合添加合金元素Sr和Y可使铜合金的室温抗拉强度增加87MPa、腐蚀电位正移358mV、疲劳裂纹更细更少。

[1]张国锋.解读车用散热器行业发展情况——专访中国汽车工业协会车用散热器委员会秘书长王钟柱[J].汽车零部件,2011,21(5):1-5.

[2]姚璐,盛步云,王传佩.汽车散热器的模态分析[J].机械研究与应用,2013,32(5):8-11.

[3]刘梅.汽车散热器用超薄波浪形水箱铜带的研制[J].现代经济信息,2013,(07):220-221.

[4]樊良伟.镧盐型缓蚀剂对Cu-Zn-Ni铜合金在3.5% NaCl溶液中的缓蚀作用[J].腐蚀与防护,2013,18(1):36-41.

[5]廖林,杨成刚,朱锦,郑强,李德风,邓丹平.Ti、Zr对铝铜合金组织和力学性能的影响[J].热加工工艺,2014,(01):28-30.

Effects of alloying elements on the property of copper alloys for automobile radiator

WEN Chao, ZHOU Zhen

在汽车散热器用Cu-Zn系铜合金添加了不同含量的合金元素Sr或Y，并采用不同工艺对其进行了热处理，测试和分析了其进行了晶粒尺寸、拉伸性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能的测试与对比分析。结果表明，合金元素Sr或Y的添加，尤其是复合添加合金元素Sr和Y，有利于提高汽车散热器用Cu-Zn系铜合金的拉伸性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能；与未添加合金元素的铜合金相比，复合添加合金元素Sr和Y可使铜合金的室温抗拉强度增加87MPa、腐蚀电位正移358mV。

合金元素；铜合金；汽车散热器；耐腐蚀性能；抗疲劳性能

文超（1977 -），男，四川岳池人，讲师，硕士，主要从事汽车安全性能和制动性能的研究。

TG156

A

1009-0134(2014)06(上)-0077-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).22

2014-03-05

四川省应用基础研究（2010JY0131）；攀枝花市应用技术研究与开发资金项目（2012CY-G-24(1)）；攀枝花市应用技术研究与开发资金项目（2013TX-8）