学文网摘 要 为了降低汽车水箱及热交换器钎焊温度，防止高温软化变形并获得更好的耐蚀性，本文研究了Cu，Ag等合金元素对铝钎焊用Zn-Al钎料的熔化温度、铺展性、耐蚀性及显微组织的影响。结果表明，在Zn-Al钎料中通过添加合金元素，可以改善在铝表面上的铺展性能，并使其液相点降低。在添加3%Cu，1%Ni，0.5%Ag元素时铺展面积最大，耐蚀性优良并可获得良好的钎焊温度，适合钎焊3系铝合金。
关键词 热交换器；Zn-Al钎料；铺展性；耐蚀性；金相组织
中***分类号：TG425 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0048-02
目前，汽车用铝质热交换器，多采用以Al-Mn系合金为芯材，Al-Si系合金为皮材（钎料层）的双面包覆的3层复合铝合金带作散热片，与多孔3003合金管（或纯铝管）在600℃～610℃左右高温下炉内钎焊而成[1]。由于钎料与母材熔点过于接近，在钎焊过程中，如工艺因素稍有波动，炉内温度偏高，将造成高温软化变形[2]，给生产带来困难，严重影响产品质量及成材率，并给日后的补焊工作造成极大困难。因此研制出一种新型铝合金低温耐蚀钎料，在保证接头耐蚀性的前提下加大钎料与母材之间的熔点差，防止高温软化，降低接头补焊难度成为现今研究的重点。
本文通过在钎料中加入适量合金元素来降低钎料熔点、改善钎料的润湿性、提高钎料的耐蚀性能，达到提高钎焊接头质量的目的。利用DSC、电化学工作站、箱式电阻炉、金相显微镜等研究了合金元素质量分数的变化对Zn-85Al钎料熔点、耐蚀性、铺展性、显微组织的影响，并选定性能最佳的钎料。
1 钎料的成分设计及试验方法
根据薛松柏、张满的研究[3]，试验钎料以85Zn15Al为基体钎料成分，加入Cu、Ag、Ni等元素。具体钎料配方如表1所示。
试验材料为纯铝，试验前先对铝板表面进行化学处理，去除表面油污、氧化膜等，自然晾干备用。用DSC测量钎料熔点，电化学工作站测量钎料及母材的电极电位，钎料润湿性试验按国家标准GB/T11364―2008钎料润湿性试验进行，试件尺寸为40 mm*40 mm*3 mm，钎料均取0.2 g，覆盖钎剂，钎剂采用QJ201以覆盖住钎料为宜，将箱式电炉温度设定为500℃，当炉温达到500℃时，将放好钎料和钎剂的试样放人电炉中，快速合住炉门，保温5 min。采用金相试样制取方法制取7种钎料金相样品，进行显微组织观察。
2 试验结果及分析
2.1 合金元素对Zn-Al钎料熔点的影响
根据对各个试样的DSC分析可知随着合金元素含量的增加，钎料的固液相线变化趋势如表2所示。
由相***和钎料成分可知，Cu元素的添加与αAl形成低熔点的共晶成分，有助于降低钎料熔点。在研究范围内随Cu含量增加，钎料的熔点降低。Ni可以无限固溶于Cu中，但是Ni的含量过高时会同时提高钎料的固、液相温度。4#和5#钎料在加入0.5%和1.0%的Ni之后熔化温度与2#和3#相比，明显升高。Ag的添加可以提高钎料的耐蚀性同时增加润湿性。虽然Ag的熔点为962℃，在钎料中添加Ag将提高其钎料的熔点，但由于其加入量很小，对熔点的影响可以忽略。
2.2 合金元素对Zn-Al钎料铺展性的影响
合金元素对85Zn15Al钎料在铝表面铺展性的影响见表3。从表中可以看出，随着合金元素的添加，钎料在铝表面的铺展面积逐渐增加。Zn-Al钎料在铝表面铺展时，由于Zn-Al互溶度大，钎料中的锌以相当快的速度向母材晶间渗透，这就影响了液态钎料在钎缝中流动的速度，影响了钎料的铺展性能。[4]在5#钎料中加入银，银与锌亲和力大，减缓了锌向母材晶间的渗透，与没有添加Ag元素的4#钎料相比铺展性能大大提高。随着Cu元素含量的提高，液态钎料中Zn元素的浓度降低，钎料中的锌向母材内的扩散速度减慢，铺展性变好，3#钎料的铺展面积较1#2#有所增大。由于Ni元素无限固溶于Cu中有利于钎料向母材中扩散，添加了Ni元素的4#钎料与2#钎料相比铺展面积有极大的增加。
2.3 合金元素对Zn-Al钎料耐蚀性的影响
在CHI660D电化学工作站测得的能反映各组钎料耐蚀性能的极化曲线如表4所示。在极化曲线中，腐蚀电位越高说明腐蚀电极越难以被腐蚀，表征的是腐蚀的难易程度，而在腐蚀电位上的电流密度越大，说明腐蚀越严重，电流密度表征的是发生腐蚀时的强烈程度。
将几组材料的峰值进行对比可以明显看出随着合金元素的增加，从1#到7#电流密度逐渐变小，说明发生电化学腐蚀时的腐蚀速度随合金含量的增加逐渐变小。添加合金元素之后腐蚀电位升高，但彼此之间电位差不明显，与此同时，在腐蚀电位相似的2#、4#的电流密度随着Ni的增加而变低，3#、5#的电流密度随着少量Ag元素的添加而明显降低。因此可以评估，少量Ni，Ag的增加加强了合金的耐蚀性。
2.4 Cu对Zn-Al钎料组织成分的影响
从***1可以看出，随着Cu元素在钎料中的添加，光学显微照片中呈现出少量的白色小点，以小块状在金相组织中弥散分布。从腐蚀后呈现的颜色和状态来看，该点状组织具有优于其他成分的耐腐蚀性，且该相随Cu的增加而增加。
室温下Zn-Cu合金存在一组稳定的金属间化合物：θ相（A12Cu），η相（AlCu），δ相（A12Cu3），γ相（AlCu2），χ相（A14Cu9）[5]。文献显示通过EDS分析并对照Cu-Al二元相***可知该相主要成分为脆性相Al2Cu相[6]。则有理由推论：钎料中的白色块状组织是铝基固熔体的先析相，块状组织周围黑白相间的是锌基固溶体与铝基固溶体混合形成的共晶组织。块状组织周围较亮组织为Zn-Al化合物，且主要成分为Al2Cu相。
由***可以看出，在钎料中添加银可以显著改善钎缝的显微组织，随着银含量的增加，钎缝内部块状的Al2Cu化合物尺寸明显变小，引起应力集中的倾向减小，铝基固溶体中的Ag元素含量逐渐增加，固溶强化作用增强，对应的钎焊接头强度随银含量增加逐渐提高。
3 结论
本实验通过制备含不同成分的铝合金钎料，分别对其熔化曲线、金相组织、润湿性能、耐腐蚀性能进行实验研究，讨论添加合金元素后铝合金钎料的综合性能，同时也关注了不同含量的合金元素在合金化过程中对钎料各种性能的影响，在分析讨论本次实验结果后可得出以下结论。
1）Cu元素的添加可以明显的降低钎料熔化温度，Ag的加入使钎料熔点提高，减小了钎料熔点与钎剂熔点的差距，获得更好的铺展性。
2）Zn-Al钎料在铝表面铺展时，Zn-Al互溶度大，钎料中的锌以相当快的速度向母材晶间渗透，影响了钎料在铝板上的铺展.合金元素的加入减缓了锌向母材晶间的渗透，钎料铺展性能提高。
3）通过极化曲线分析各成分钎料的耐蚀性可得知：少量的Cu加入后腐蚀电位升高钎料的耐蚀性有小幅提高。通过金相观察还发现脆性相Al2Cu的耐蚀性优于其他相。少量Ag和Ni元素的添加不仅大大降低了腐蚀电流密度即发生腐蚀时的腐蚀速度还在一定程度上升高了腐蚀电位。
4）6#钎料84%Zn，12%Al，3%Cu，1%Ni，0.5%Ag具有最好的铺展性，且拥有良好的耐蚀性能，钎焊时可获得良好的钎焊温度，适合焊接3系铝合金热交换机的钎焊。
基金项目
合肥工业大学2012年部级大学生创新训练计划项目资助，项目编号为201210359012。
通讯作者：李先芬
参考文献
[1]甘卫平，庞欣，罗春辉，等.锌对汽车热交换器用铝合金钎焊箔腐蚀性能的影响[J].中国有色金属学报，1994，4（增刊）：236.
[2]彭志辉，罗春辉，甘卫平.加工工艺对汽车热交换器复合铝钎焊带抗下垂性能的影响[J].中南矿冶学院学报，1994，25（6）：333.
[3]张满，薛松柏，等.Al元素含量对Zn-Al钎料性能影响[J].焊接学报，2010.
[4]张启运，庄鸿寿.钎焊手册[M].北京：机械工业出版社，2008.
[5]李培.Al基复合钎料的制备与性能研究[D].兰州理工大学，2010.
[6]张满，薛松柏，姬峰，娄银斌，王水庆.CuAl2相对铜铝钎焊接头组织与性能的影响[J].焊接学报，2011.
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