MONOBRAZE单层翅片箔与三层复合翅片箔耐腐蚀性能对比研究

2023-05-09郭飞跃卢紫琼村濑崇吴佳丽黄美艳

铝加工 2023年2期

郭飞跃，卢紫琼，村濑崇，陈成，吴佳丽，黄美艳

（乳源东阳光优艾希杰精箔有限公司，韶关 512721）

0 前言

冷凝器是汽车空调系统的重要组成部分，具有换热效率高、体积小、重量轻、耐高压、冷媒用量少等众多优点[1]。近年来，随着汽车向着轻量化、节能化的方向发展，汽车空调冷凝器也朝着低成本化、高强度、长寿命的方向发展[2]。传统汽车空调冷凝器主要采用表面喷Zn 挤压多孔管（简称MPE管）、三层复合翅片、集流管、边板等组装钎焊而成。冷凝器使用寿命很大程度上都取决于复合翅片，特别是复合翅片厚度不断减薄，因而对材料的钎焊后强度及SWAAT（循环酸性海水试验）外部腐蚀性能等方面提出了更高的要求[3-5]。2018 年，乳源东阳光优艾希杰精箔有限公司与UACJ 株式会社合作开发了可以替代三层复合翅片的MONOBRAZE单层翅片箔（以下简称MB翅片）产品，并申请了全球专利保护，与传统三层复合翅片箔相比，在600 ℃左右钎焊温度条件下，MONOBRAZE单层翅片表面也可以析出液体，可以起到同样的钎焊连接效果。

本文通过对MB 翅片箔、三层复合翅片箔两种材料进行钎焊前、后力学性能测试，并对两种材料钎焊后的冷凝器进行电位检测、EPMA（电子探针显微分析）元素扩散分析和SWAAT（循环酸性海水试验）腐蚀试验测试，对比研究了MB 翅片箔、三层复合翅片箔的耐腐蚀性能，并对耐腐蚀机理进行了探讨。

1 试验方案

1.1 材料制备

采用99.7%普铝锭、速熔硅、Al-Si 中间合金、Al-Fe 中间合金、锰剂、99.5%纯锌锭等原材料，熔铸成4343合金钎焊材、Al-Si-Mn-Zn合金芯材等两种板锭，经过铣面、钎焊材板锭加热和热轧切板、焊合成复合板锭（三层复合，上、下4343层单面复合比（10±2）%）、复合板锭加热后热轧成6.0 mm厚辊轧等，再经过冷轧、中间退火、箔轧、分切等工艺流程制成0.07 mm厚的4343/Al-Si-Mn-Zn/4343复合翅片箔。

MPE 管料采用目前行业常用的3102 合金多孔挤压管料，表面喷Zn浓度6 g·m-2。复合翅片钎焊材和芯材合金、MB翅片箔的化学成分见表1。

表1 试验材合金成分（质量分数/%）

1.2 试验及检测项目

将复合翅片、MB 翅片箔成品放在小型钎焊炉中模拟钎焊热处理（600 ℃×3 min），升温曲线如图1 所示。钎焊前、后拉伸力学性能测试在CMT6104万能拉伸试验机上进行。

图1 模拟钎焊升温曲线

将复合翅片、MB 翅片箔分别制成波浪带，与MPE 管进行机械组装，采用N2保护钎焊后，得到两种小型微通道冷凝器，用影像投影仪进行钎焊后外观质量检查。

采用EPMA设备面扫描检测钎焊后的冷凝器翅片与MPE 管连接区域的元素分布情况，并采用HE-104A 电位计检测钎焊后的冷凝器翅片、焊角、MPE管表层和芯层等部位的电极电位；并采用CYP-90A 复合循环腐蚀试验机对钎焊后的冷凝器分别进行SWAAT 40 d腐蚀试验检测（按ASTM G85标准）。

分别取两种翅片钎焊后的冷凝器接头样品、SWAAT 腐蚀试验清洗后的样品，经镶嵌、机械研磨、混合酸侵蚀后，采用基恩士VHX-7000型显微镜观察断面形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 拉伸力学性能

复合翅片、MB 翅片箔成品钎焊前、后力学性能结果如表2所示。

表2 复合翅片、MB翅片成品钎焊前、后力学性能

从钎焊前、后力学性能结果看，复合翅片、MB 翅片成品钎焊前、后力学性能均能满足标准要求，复合翅片钎焊前、后抗拉强度分别为197 MPa、142 MPa；MB 翅片钎焊前、后抗拉强度分别为205 MPa、155 MPa。

2.2 钎焊后外观及微观组织观察

复合翅片、MB 翅片箔钎焊后的冷凝器接头外观及微观组织观察结果如图2所示。

图2 冷凝器接头钎焊后外观及微观组织观察

从冷凝器接头钎焊后外观及微观组织看，复合翅片钎焊完后的焊角长度约443 μm，MB翅片钎焊完后的焊角长度约371 μm，MB翅片钎焊完后的焊角长度略小一些，但均与MPE 管钎焊连接良好（见图2（a）和图2（b））。另外，复合翅片钎焊完后翅片表面有明显的熔蚀缺陷、局部厚度变薄（见图2（c）），而MB翅片钎焊完后翅片无明显的熔蚀缺陷、厚度未变薄（见图2（d））。

2.3 钎焊后EPMA面分析及电极电位测定

复合翅片、MB翅片箔钎焊后的冷凝器接头部位EPMA面分析结果如图3、图4所示，检测的翅片、焊角、MPE管表层和芯层的电极电位结果如表3所示。

图3 复合翅片钎焊后的冷凝器接头EMPA面分析

图4 MB翅片钎焊后的冷凝器接头EMPA面分析

表3 钎焊后的冷凝器翅片、焊角、MPE管表层和芯层的电极电位（SCE电位/mV）

从图3、图4中的EPMA面分析结果看，图3中采用复合翅片钎焊后的冷凝器接头EMPA面分析结果焊角部位Zn 浓度颜色，与复合翅片相比非常深。而图4 中采用MB 翅片钎焊后的冷凝器接头EMPA 面分析结果焊角部位Zn 浓度颜色，与MB 翅片相比差异不大。

从表3中的电极电位测定结果看，复合翅片钎焊后的冷凝器接头，焊角部位的电极电位最低，翅片部位次之，翅片与MPE 管芯层电位差为113 mV；而MB翅片钎焊后的冷凝器接头刚好相反，翅片部位的电极电位最低，焊角部位次之，翅片与MPE管芯层电位差为176 mV。

2.4 SWAAT外部腐蚀试验结果

复合翅片、MB 翅片箔钎焊后的冷凝器接头SWAAT 40 d 腐蚀试验断面形貌观察结果如图5 所示。

图5 钎焊后的冷凝器接头SWAAT 40天断面形貌

从图5 中的钎焊后冷凝器接头SWAAT 40 d 腐蚀试验后的样品表面形貌看，采用复合翅片钎焊后的冷凝器接头SWAAT 40 d后，复合翅片与MPE管已经分离、焊角处腐蚀严重（见图5（a）和图5（c））；而采用MB 翅片钎焊后的冷凝器接头SWAAT 40 d后，MB 翅片与MPE 管未完全分离，MB 翅片自身腐蚀较严重（见图5（b），图5（d））。

2.5 分析和讨论

拉伸力学性能结果表明，MB 翅片钎焊前、后抗拉强度均明显高于复合翅片，特别是钎焊后抗拉强度较复合翅片高约13 MPa。这是因为，577 ℃时，Si 在铝中的最大溶解度为1.65%，MB 翅片Si含量高，Si 可以与Fe、Mn 等元素形成α-AlFeSi 和Al（Fe，Mn）Si 等强化相，进一步提高铝合金的强度。而复合翅片，只有表面4×××钎焊层含高Si，芯层合金Si 含量不高，钎焊时表面4×××钎焊层Si 熔化后受毛细作用流到翅片与MPE 管的焊角处，导致表面层的Si含量进一步减少。

EPMA面分析及电极电位测定结果表明，采用复合翅片钎焊后的冷凝器接头EMPA 面分析结果焊角部位Zn 浓度颜色最深，说明该接头焊角部位Zn 浓度最高，对应该接头焊角部位电极电位最低，-844 mV；而采用MB 翅片钎焊后的冷凝器接头EMPA 面分析结果焊角部位Zn 浓度颜色，与MB 翅片差异不大，该接头MB 翅片电极电位最低，-875 mV，与复合翅片钎焊后的冷凝器接头焊角部位电极电位最低刚好相反。这是因为，在600 ℃左右温度钎焊时，复合翅片表面4×××钎焊层熔化成液体，复合翅片芯层中的Zn 元素会向Zn浓度低的表面4×××钎料液体层扩散，并随着液体在毛细作用下流向焊角处，同时MPE 管表面层中的Zn 元素也向焊角4×××钎料液体层扩散，最终造成复合翅片钎焊的冷凝器接头焊角处Zn 浓度高、电位最低。而在600 ℃左右高温钎焊时，MB翅片内部较多Si颗粒会熔化成液体，MB翅片中的Zn元素也会向MB翅片中的液体扩散，但最终只有部分液体通过晶界析出到表面并流到冷凝器接头焊角处，MB 翅片中的大部Zn 元素仍保留在翅片中，因此与复合翅片钎焊的冷凝器接头相比，MB翅片钎焊的冷凝器接头焊角处Zn 浓度不是最高，相反钎焊完的冷凝器接头MB翅片自身仍Zn深度较高、对应的电位最低。

从电极电位测定结果还可以看出，采用MB 翅片钎焊后的冷凝器接头翅片与MPE 管表层的电位差76 mV，远高于采用复合翅片钎焊后的冷凝器接头翅片与MPE管表层的电位差113 mV，说明MB翅片可以对MPE 管起到更好的牺牲阳极保护、提高整体冷凝器耐腐蚀性能的作用，这与铝钎焊式热交换器翅片的设计初衷也是非常吻合的。

SWAAT 外部腐蚀试验结果表明，采用复合翅片钎焊后的冷凝器接头SWAAT 40 d 试验，焊角部位被优先腐蚀造成翅片与MPE 管基本分离，翅片已经不能对MPE 管起到阳极保护作用，冷凝器的寿命将大大缩短；而采用MB翅片钎焊后的冷凝器接头SWAAT 40 d试验，MB翅片被优先腐蚀，翅片与MPE管仍然连接良好，MB翅片仍可以对MPE管起到牺牲阳极保护和散热作用，这与EPMA面分析及电极电位测定结果也是非常对应的。