AA3003鋁合金散熱器連接片表面產生黑斑的原因

孟鑫沛,金林奎,方曼婷,林 權,黃儀浩,黎肖輝,何 平

(1.東莞職業技術學院 精密智造技術研究與應用工程中心,東莞 523808;2.廣東省東莞市質量監督檢測中心,東莞 523808;3.國家模具產品質量監督檢驗中心,東莞 523808)

AA3003鋁合金為Al-Mn系鋁合金，是應用較為廣泛的一種防銹鋁合金，耐腐蝕性能較好。這種鋁合金強度不高，只能采用冷加工方法提高材料的力學性能。該類鋁合金在退火態時具有很高的塑性，半冷作硬化態時塑性較好，冷作硬化態時塑性較差、耐腐蝕性能好、焊接性能良好[1]。AA3003鋁合金主要用于要求高塑性和良好焊接性能的零件、各種液體容器以及其他通過深拉工藝加工而成的小負荷零件，還可用于要求良好成形性能、高耐蝕性和焊接性的零部件，如各種壓力容器及散熱器片[2]。

散熱器連接片的零部件經沖壓加工而成，沖壓加工后未進行清洗和烘烤，工廠將沖壓加工件提供給客戶，客戶對沖壓件進行進一步加工生產，工藝流程為來料→噴釬焊粉→釬焊加工，在釬焊加工后，發現連接片表面存在大面積黑斑。

筆者通過宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡及能譜分析等方法，對AA3003鋁合金散熱器連接片進行檢測，分析連接片表面黑斑產生的原因及形成機理。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

如圖1所示，在散熱器連接片背有大面積黑斑，黑斑分布無明顯規律。

圖1 鋁合金散熱器連接片表面黑斑的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

從該散熱器連接片處截取試樣，采用ARL8860型火花放電直讀光譜儀檢測其化學成分。如表1所示，依據客戶提供的AA3003鋁合金化學成分的技術要求，該散熱器連接片的化學成分滿足技術要求。

表1 鋁合金散熱器連接片的化學成分測試結果

1.3 掃描電鏡及能譜分析

1.3.1 黑斑區域表面分析

采用SIGMA 300型掃描電鏡(SEM)，對AA3003鋁合金散熱器連接片表面黑斑進行觀察。如圖2所示：散熱器連接片表面黑斑區域存在凹凸不平的薄層狀覆蓋層，其表面附著了一層形態各異的產物；覆蓋層凸起處可見龜裂狀和針片狀產物，見圖2a)；部分黑斑區域的產物呈不規則條狀，條狀產物中心區域呈現撕裂狀的形貌特征，見圖2b)；部分黑斑區域黏附著一層面糊狀產物，其間分布有大量球狀產物，見圖2c)；無黑斑區域覆蓋著一層厚度均勻的薄層氧化膜，見圖2d)。

圖2 鋁合金散熱器連接片表面黑斑區域產物和無黑斑區域薄層氧化膜的SEM形貌

對圖3中散熱器連接片表面黑斑區域及無黑斑區域進行能譜分析，位置A，B,C處為黑斑區域，位置D，E處為無黑斑區域。如圖3和表2所示：黑斑區域表面針片狀、條狀及龜裂狀產物都含有碳、氧、氟、鋁、鉀等元素，其中碳、氟、鉀元素含量較高；無黑斑區域含碳、氧、氟、鋁、鉀、錳、銅、銀等元素，其中碳、氧、氟、鉀元素含量均低于黑斑區域，表明黑斑區域產物的主要成分為碳、氧、氟、鉀、鐵元素[3]。

表2 圖3中鋁合金散熱器連接片黑斑區域和無黑斑區域的表面能譜分析結果

圖3 鋁合金散熱器連接片黑斑區域和無黑斑區域的表面SEM形貌

1.3.2 黑斑區域剖面分析

采用SIGMA 300型掃描電鏡對該鋁合金散熱器連接片黑斑區域剖面進行觀察。如圖4所示，釬焊區域外層可見枝晶組織[4]，黑斑區域表面存在薄層覆蓋層及塊狀產物，連接片表層附近的基體組織為α(Al)固溶相+彌散強化相+未溶顆粒相[5]。圖4a)中的下側黑色區域為制樣打磨過程中嵌入的飛邊料。

圖4 鋁合金散熱器連接片不同位置處的剖面SEM形貌

對圖5鋁合金散熱器連接片黑斑區域剖面進行能譜分析，位置F～G處為黑斑區域，位置H處為基體未溶相，位置I處為基體固溶相。如表3所示：黑斑區域含90%(質量分數，下同)以上的碳元素以及少量的氧、氟、鉀、鋁等元素；基體未溶相中含93%以上的鋁元素和少量的碳、銅元素；基體固溶相中含94%以上的鋁元素和少量碳元素。結果表明，黑斑區域的化學成分主要為碳元素以及少量氧、氟、鉀元素。

表3 圖5中鋁合金散熱器連接片剖面不同位置處的能譜分析結果

圖5 鋁合金散熱器連接片剖面的能譜分析位置

1.4 金相檢驗

采用Axio Observer 7m型光學顯微鏡，對該鋁合金散熱器連接片剖面進行觀察。如圖6所示：釬焊區域組織為α(Al)固溶相+枝晶組織，基體組織為α(Al)固溶相+彌散強化相+未溶顆粒相；黑斑區域表層存在黑色覆蓋層，深度為9～14 μm，基體組織為α(Al)固溶相+彌散強化相+未溶相顆粒，該基體組織為鋁合金板材固溶+時效處理后得到的顯微組織[6]。

圖6 鋁合金散熱器連接片剖面不同區域的顯微組織

2 分析與討論

鋁合金散熱器連接片經過釬焊加工后，其表面殘留大面積黑斑，黑斑區域表面存在大量的針片狀、條狀及球狀產物。黑斑區域表層針片狀及條狀產物的碳、氟、鉀元素含量偏高，球狀產物碳、氧、鐵元素含量更高，表明碳、氧、氟、鉀、鐵元素是黑斑區域表層產物的主要化學成分[7]。連接片不同區域的剖面能譜測試結果表明，其表層產物含有90%以上碳元素，以及少量的氧、氟、鉀等元素。連接片黑斑區域表面能譜測試區域存在薄層穿透現象，測試數據受鋁合金基體成分影響[8]。連接片黑斑區域剖面能譜測試區較為狹窄，不會受鋁合金基體成分影響[9]。

鋁合金散熱器連接片的基體組織為α(Al)固溶相+彌散強化相+未溶顆粒相，是經固溶+時效處理后得到的，耐腐蝕性能好。經釬焊加工后，連接片的基體顯微組織為α(Al)固溶相+枝晶組織，耐腐蝕性能顯著降低[10]。如果加工現場存在環境腐蝕，黑斑區域應該首先出現在釬焊層表面，由此推斷黑斑不是環境腐蝕造成的[11]。黑斑區域的黏著物附著力強，類似油脂等污垢，富含碳元素以及少量的氧、氟、鉀、鐵等元素。在事故調查過程中了解到，車間現場配備合成機油，定期對設備進行清洗和潤滑，不能排除清洗設備時合成機油會不慎滴漏。在釬焊加工過程中，連接片表面殘留的合成機油經過高溫烘烤和氧化，發生焦化反應，產生黑色碳化物和氧化物，最終在散熱器連接片表面形成黑斑。合成機油焦化后形成的黑斑，不僅影響工件的外觀質量，而且會降低散熱器的耐蝕性[12]。

3 結論及建議

(1)鋁合金散熱器連接片表面存在大面積黑斑，產生的原因是在清洗和潤滑設備時，合成機油不慎滴漏在連接片表面，在釬焊加工過程中，合成機油發生焦化反應，最終形成黑斑。

(2)鋁合金散熱器連接片在加工過程中，必須做好加工現場管理，保持工作環境的整潔，保證工件表面清潔。釬焊加工之前，對連接片表面進行清洗及烘烤，避免黑斑產生。