MONOBRAZE單層翅片箔與三層復(fù)合翅片箔耐腐蝕性能對(duì)比研究

郭飛躍，盧紫瓊，村瀨崇，陳 成，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

冷凝器是汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，具有換熱效率高、體積小、重量輕、耐高壓、冷媒用量少等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)，隨著汽車(chē)向著輕量化、節(jié)能化的方向發(fā)展，汽車(chē)空調(diào)冷凝器也朝著低成本化、高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展[2]。傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)冷凝器主要采用表面噴Zn 擠壓多孔管（簡(jiǎn)稱(chēng)MPE管）、三層復(fù)合翅片、集流管、邊板等組裝釬焊而成。冷凝器使用壽命很大程度上都取決于復(fù)合翅片，特別是復(fù)合翅片厚度不斷減薄，因而對(duì)材料的釬焊后強(qiáng)度及SWAAT（循環(huán)酸性海水試驗(yàn)）外部腐蝕性能等方面提出了更高的要求[3-5]。2018 年，乳源東陽(yáng)光優(yōu)艾希杰精箔有限公司與UACJ 株式會(huì)社合作開(kāi)發(fā)了可以替代三層復(fù)合翅片的MONOBRAZE單層翅片箔（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MB翅片）產(chǎn)品，并申請(qǐng)了全球?qū)＠Ｗo(hù)，與傳統(tǒng)三層復(fù)合翅片箔相比，在600 ℃左右釬焊溫度條件下，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。

本文通過(guò)對(duì)MB 翅片箔、三層復(fù)合翅片箔兩種材料進(jìn)行釬焊前、后力學(xué)性能測(cè)試，并對(duì)兩種材料釬焊后的冷凝器進(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)比研究了MB 翅片箔、三層復(fù)合翅片箔的耐腐蝕性能，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、錳劑、99.5%純鋅錠等原材料，熔鑄成4343合金釬焊材、Al-Si-Mn-Zn合金芯材等兩種板錠，經(jīng)過(guò)銑面、釬焊材板錠加熱和熱軋切板、焊合成復(fù)合板錠（三層復(fù)合，上、下4343層單面復(fù)合比（10±2）%）、復(fù)合板錠加熱后熱軋成6.0 mm厚輥軋等，再經(jīng)過(guò)冷軋、中間退火、箔軋、分切等工藝流程制成0.07 mm厚的4343/Al-Si-Mn-Zn/4343復(fù)合翅片箔。

MPE 管料采用目前行業(yè)常用的3102 合金多孔擠壓管料，表面噴Zn濃度6 g·m-2。復(fù)合翅片釬焊材和芯材合金、MB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

將復(fù)合翅片、MB 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(xiàn)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(xiàn)

將復(fù)合翅片、MB 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，得到兩種小型微通道冷凝器，用影像投影儀進(jìn)行釬焊后外觀質(zhì)量檢查。

采用EPMA設(shè)備面掃描檢測(cè)釬焊后的冷凝器翅片與MPE 管連接區(qū)域的元素分布情況，并采用HE-104A 電位計(jì)檢測(cè)釬焊后的冷凝器翅片、焊角、MPE管表層和芯層等部位的電極電位；并采用CYP-90A 復(fù)合循環(huán)腐蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)釬焊后的冷凝器分別進(jìn)行SWAAT 40 d腐蝕試驗(yàn)檢測(cè)（按ASTM G85標(biāo)準(zhǔn)）。

分別取兩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

復(fù)合翅片、MB 翅片箔成品釬焊前、后力學(xué)性能結(jié)果如表2所示。

表2 復(fù)合翅片、MB翅片成品釬焊前、后力學(xué)性能

從釬焊前、后力學(xué)性能結(jié)果看，復(fù)合翅片、MB 翅片成品釬焊前、后力學(xué)性能均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，復(fù)合翅片釬焊前、后抗拉強(qiáng)度分別為197 MPa、142 MPa；MB 翅片釬焊前、后抗拉強(qiáng)度分別為205 MPa、155 MPa。

2.2 釬焊后外觀及微觀組織觀察

復(fù)合翅片、MB 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，復(fù)合翅片釬焊完后的焊角長(zhǎng)度約443 μm，MB翅片釬焊完后的焊角長(zhǎng)度約371 μm，MB翅片釬焊完后的焊角長(zhǎng)度略小一些，但均與MPE 管釬焊連接良好（見(jiàn)圖2（a）和圖2（b））。另外，復(fù)合翅片釬焊完后翅片表面有明顯的熔蝕缺陷、局部厚度變薄（見(jiàn)圖2（c）），而MB翅片釬焊完后翅片無(wú)明顯的熔蝕缺陷、厚度未變薄（見(jiàn)圖2（d））。

2.3 釬焊后EPMA面分析及電極電位測(cè)定

復(fù)合翅片、MB翅片箔釬焊后的冷凝器接頭部位EPMA面分析結(jié)果如圖3、圖4所示，檢測(cè)的翅片、焊角、MPE管表層和芯層的電極電位結(jié)果如表3所示。

圖3 復(fù)合翅片釬焊后的冷凝器接頭EMPA面分析

圖4 MB翅片釬焊后的冷凝器接頭EMPA面分析

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

從圖3、圖4中的EPMA面分析結(jié)果看，圖3中采用復(fù)合翅片釬焊后的冷凝器接頭EMPA面分析結(jié)果焊角部位Zn 濃度顏色，與復(fù)合翅片相比非常深。而圖4 中采用MB 翅片釬焊后的冷凝器接頭EMPA 面分析結(jié)果焊角部位Zn 濃度顏色，與MB 翅片相比差異不大。

從表3中的電極電位測(cè)定結(jié)果看，復(fù)合翅片釬焊后的冷凝器接頭，焊角部位的電極電位最低，翅片部位次之，翅片與MPE 管芯層電位差為113 mV；而MB翅片釬焊后的冷凝器接頭剛好相反，翅片部位的電極電位最低，焊角部位次之，翅片與MPE管芯層電位差為176 mV。

2.4 SWAAT外部腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

復(fù)合翅片、MB 翅片箔釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 40 d 腐蝕試驗(yàn)斷面形貌觀察結(jié)果如圖5 所示。

圖5 釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 40天斷面形貌

從圖5 中的釬焊后冷凝器接頭SWAAT 40 d 腐蝕試驗(yàn)后的樣品表面形貌看，采用復(fù)合翅片釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 40 d后，復(fù)合翅片與MPE管已經(jīng)分離、焊角處腐蝕嚴(yán)重（見(jiàn)圖5（a）和圖5（c））；而采用MB 翅片釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 40 d后，MB 翅片與MPE 管未完全分離，MB 翅片自身腐蝕較嚴(yán)重（見(jiàn)圖5（b），圖5（d））。

2.5 分析和討論

拉伸力學(xué)性能結(jié)果表明，MB 翅片釬焊前、后抗拉強(qiáng)度均明顯高于復(fù)合翅片，特別是釬焊后抗拉強(qiáng)度較復(fù)合翅片高約13 MPa。這是因?yàn)椋?77 ℃時(shí)，Si 在鋁中的最大溶解度為1.65%，MB 翅片Si含量高，Si 可以與Fe、Mn 等元素形成α-AlFeSi 和Al（Fe，Mn）Si 等強(qiáng)化相，進(jìn)一步提高鋁合金的強(qiáng)度。而復(fù)合翅片，只有表面4×××釬焊層含高Si，芯層合金Si 含量不高，釬焊時(shí)表面4×××釬焊層Si 熔化后受毛細(xì)作用流到翅片與MPE 管的焊角處，導(dǎo)致表面層的Si含量進(jìn)一步減少。

EPMA面分析及電極電位測(cè)定結(jié)果表明，采用復(fù)合翅片釬焊后的冷凝器接頭EMPA 面分析結(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，-844 mV；而采用MB 翅片釬焊后的冷凝器接頭EMPA 面分析結(jié)果焊角部位Zn 濃度顏色，與MB 翅片差異不大，該接頭MB 翅片電極電位最低，-875 mV，與復(fù)合翅片釬焊后的冷凝器接頭焊角部位電極電位最低剛好相反。這是因?yàn)椋?00 ℃左右溫度釬焊時(shí)，復(fù)合翅片表面4×××釬焊層熔化成液體，復(fù)合翅片芯層中的Zn 元素會(huì)向Zn濃度低的表面4×××釬料液體層擴(kuò)散，并隨著液體在毛細(xì)作用下流向焊角處，同時(shí)MPE 管表面層中的Zn 元素也向焊角4×××釬料液體層擴(kuò)散，最終造成復(fù)合翅片釬焊的冷凝器接頭焊角處Zn 濃度高、電位最低。而在600 ℃左右高溫釬焊時(shí)，MB翅片內(nèi)部較多Si顆粒會(huì)熔化成液體，MB翅片中的Zn元素也會(huì)向MB翅片中的液體擴(kuò)散，但最終只有部分液體通過(guò)晶界析出到表面并流到冷凝器接頭焊角處，MB 翅片中的大部Zn 元素仍保留在翅片中，因此與復(fù)合翅片釬焊的冷凝器接頭相比，MB翅片釬焊的冷凝器接頭焊角處Zn 濃度不是最高，相反釬焊完的冷凝器接頭MB翅片自身仍Zn深度較高、對(duì)應(yīng)的電位最低。

從電極電位測(cè)定結(jié)果還可以看出，采用MB 翅片釬焊后的冷凝器接頭翅片與MPE 管表層的電位差76 mV，遠(yuǎn)高于采用復(fù)合翅片釬焊后的冷凝器接頭翅片與MPE管表層的電位差113 mV，說(shuō)明MB翅片可以對(duì)MPE 管起到更好的犧牲陽(yáng)極保護(hù)、提高整體冷凝器耐腐蝕性能的作用，這與鋁釬焊式熱交換器翅片的設(shè)計(jì)初衷也是非常吻合的。

SWAAT 外部腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，采用復(fù)合翅片釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 40 d 試驗(yàn)，焊角部位被優(yōu)先腐蝕造成翅片與MPE 管基本分離，翅片已經(jīng)不能對(duì)MPE 管起到陽(yáng)極保護(hù)作用，冷凝器的壽命將大大縮短；而采用MB翅片釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 40 d試驗(yàn)，MB翅片被優(yōu)先腐蝕，翅片與MPE管仍然連接良好，MB翅片仍可以對(duì)MPE管起到犧牲陽(yáng)極保護(hù)和散熱作用，這與EPMA面分析及電極電位測(cè)定結(jié)果也是非常對(duì)應(yīng)的。

3 結(jié)論

（1）與熱軋三層復(fù)合翅片相比，MB單層翅片具有同樣的釬焊連接效果，而且釬焊后強(qiáng)度更高、無(wú)明顯熔蝕、翅片厚度無(wú)明顯減薄，為MB翅片進(jìn)一步減薄、大面積替代復(fù)合翅片降低熱交換器制造成本創(chuàng)造了有利條件。

（2）與熱軋三層復(fù)合翅片相比，采用MB 單層翅片釬焊后的冷凝器有著更優(yōu)良的耐腐蝕性能，MB翅片優(yōu)先被腐蝕，可以對(duì)MPE管起到更好的犧牲陽(yáng)極保護(hù)作用，大幅提高熱交換器整體壽命。