MONOBRAZE單層翅片箔與三層復合翅片箔耐腐蝕性能對比研究

郭飛躍，盧紫瓊，村瀨崇，陳 成，吳佳麗，黃美艷

（乳源東陽光優艾希杰精箔有限公司，韶關 512721）

0 前言

冷凝器是汽車空調系統的重要組成部分，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點[1]。近年來，隨著汽車向著輕量化、節能化的方向發展，汽車空調冷凝器也朝著低成本化、高強度、長壽命的方向發展[2]。傳統汽車空調冷凝器主要采用表面噴Zn 擠壓多孔管（簡稱MPE管）、三層復合翅片、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合翅片，特別是復合翅片厚度不斷減薄，因而對材料的釬焊后強度及SWAAT（循環酸性海水試驗）外部腐蝕性能等方面提出了更高的要求[3-5]。2018 年，乳源東陽光優艾希杰精箔有限公司與UACJ 株式會社合作開發了可以替代三層復合翅片的MONOBRAZE單層翅片箔（以下簡稱MB翅片）產品，并申請了全球專利保護，與傳統三層復合翅片箔相比，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。

本文通過對MB 翅片箔、三層復合翅片箔兩種材料進行釬焊前、后力學性能測試，并對兩種材料釬焊后的冷凝器進行電位檢測、EPMA（電子探針顯微分析）元素擴散分析和SWAAT（循環酸性海水試驗）腐蝕試驗測試，對比研究了MB 翅片箔、三層復合翅片箔的耐腐蝕性能，并對耐腐蝕機理進行了探討。

1 試驗方案

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，經過銑面、釬焊材板錠加熱和熱軋切板、焊合成復合板錠（三層復合，上、下4343層單面復合比（10±2）%）、復合板錠加熱后熱軋成6.0 mm厚輥軋等，再經過冷軋、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復合翅片箔。

MPE 管料采用目前行業常用的3102 合金多孔擠壓管料，表面噴Zn濃度6 g·m-2。復合翅片釬焊材和芯材合金、MB翅片箔的化學成分見表1。

表1 試驗材合金成分（質量分數/%）

1.2 試驗及檢測項目

將復合翅片、MB 翅片箔成品放在小型釬焊爐中模擬釬焊熱處理（600 ℃×3 min），升溫曲線如圖1 所示。釬焊前、后拉伸力學性能測試在CMT6104萬能拉伸試驗機上進行。

圖1 模擬釬焊升溫曲線

將復合翅片、MB 翅片箔分別制成波浪帶，與MPE 管進行機械組裝，采用N2保護釬焊后，得到兩種小型微通道冷凝器，用影像投影儀進行釬焊后外觀質量檢查。

采用EPMA設備面掃描檢測釬焊后的冷凝器翅片與MPE 管連接區域的元素分布情況，并采用HE-104A 電位計檢測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 復合循環腐蝕試驗機對釬焊后的冷凝器分別進行SWAAT 40 d腐蝕試驗檢測（按ASTM G85標準）。

分別取兩種翅片釬焊后的冷凝器接頭樣品、SWAAT 腐蝕試驗清洗后的樣品，經鑲嵌、機械研磨、混合酸侵蝕后，采用基恩士VHX-7000型顯微鏡觀察斷面形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 拉伸力學性能

復合翅片、MB 翅片箔成品釬焊前、后力學性能結果如表2所示。

表2 復合翅片、MB翅片成品釬焊前、后力學性能

從釬焊前、后力學性能結果看，復合翅片、MB 翅片成品釬焊前、后力學性能均能滿足標準要求，復合翅片釬焊前、后抗拉強度分別為197 MPa、142 MPa；MB 翅片釬焊前、后抗拉強度分別為205 MPa、155 MPa。

2.2 釬焊后外觀及微觀組織觀察

復合翅片、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，復合翅片釬焊完后的焊角長度約443 μm，MB翅片釬焊完后的焊角長度約371 μm，MB翅片釬焊完后的焊角長度略小一些，但均與MPE 管釬焊連接良好（見圖2（a）和圖2（b））。另外，復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（見圖2（c）），而MB翅片釬焊完后翅片無明顯的熔蝕缺陷、厚度未變薄（見圖2（d））。

2.3 釬焊后EPMA面分析及電極電位測定

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

圖3 復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面分析結果看，圖3中采用復合翅片釬焊后的冷凝器接頭EMPA面分析結果焊角部位Zn 濃度顏色，與復合翅片相比非常深。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中的電極電位測定結果看，復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外部腐蝕試驗結果

復合翅片、MB 翅片箔釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 40 d 腐蝕試驗斷面形貌觀察結果如圖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 腐蝕試驗后的樣品表面形貌看，采用復合翅片釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 40 d后，復合翅片與MPE管已經分離、焊角處腐蝕嚴重（見圖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 翅片自身腐蝕較嚴重（見圖5（b），圖5（d））。

2.5 分析和討論

拉伸力學性能結果表明，MB 翅片釬焊前、后抗拉強度均明顯高于復合翅片，特別是釬焊后抗拉強度較復合翅片高約13 MPa。這是因為，577 ℃時，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 等強化相，進一步提高鋁合金的強度。而復合翅片，只有表面4×××釬焊層含高Si，芯層合金Si 含量不高，釬焊時表面4×××釬焊層Si 熔化后受毛細作用流到翅片與MPE 管的焊角處，導致表面層的Si含量進一步減少。

EPMA面分析及電極電位測定結果表明，采用復合翅片釬焊后的冷凝器接頭EMPA 面分析結果焊角部位Zn 濃度顏色最深，說明該接頭焊角部位Zn 濃度最高，對應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。這是因為，在600 ℃左右溫度釬焊時，復合翅片表面4×××釬焊層熔化成液體，復合翅片芯層中的Zn 元素會向Zn濃度低的表面4×××釬料液體層擴散，并隨著液體在毛細作用下流向焊角處，同時MPE 管表面層中的Zn 元素也向焊角4×××釬料液體層擴散，最終造成復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，MB翅片內部較多Si顆粒會熔化成液體，MB翅片中的Zn元素也會向MB翅片中的液體擴散，但最終只有部分液體通過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、對應的電位最低。

從電極電位測定結果還可以看出，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，遠高于采用復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，說明MB翅片可以對MPE 管起到更好的犧牲陽極保護、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計初衷也是非常吻合的。

SWAAT 外部腐蝕試驗結果表明，采用復合翅片釬焊后的冷凝器接頭SWAAT 40 d 試驗，焊角部位被優先腐蝕造成翅片與MPE 管基本分離，翅片已經不能對MPE 管起到陽極保護作用，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，MB翅片被優先腐蝕，翅片與MPE管仍然連接良好，MB翅片仍可以對MPE管起到犧牲陽極保護和散熱作用，這與EPMA面分析及電極電位測定結果也是非常對應的。

3 結論

（1）與熱軋三層復合翅片相比，MB單層翅片具有同樣的釬焊連接效果，而且釬焊后強度更高、無明顯熔蝕、翅片厚度無明顯減薄，為MB翅片進一步減薄、大面積替代復合翅片降低熱交換器制造成本創造了有利條件。

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