摘 要:AA3003鋁合金散熱器連接片在加工過程中,表面出現了大面積黑斑。采用宏觀觀察、 化學成分分析、掃描電鏡及能譜分析等方法,分析了連接片表面產生黑斑的原因。結果表明: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形 成黑斑。

關鍵詞:散熱器連接片;黑斑;釬焊加工

中圖分類號:TG147 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)01-0041-04

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。

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。

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)。

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]。

1.3.2 黑斑區域剖面分析

采用SIGMA300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。

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。

1.4 金相檢驗

采用 AxioObserver7m 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9~14μm,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]。

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。

參考文獻:

[1] 高強.最新有色金屬金相圖譜大全[M].北京:冶金工 業出版社,2005:681-686.

[2] 鄭學坊,邱允新,唐鎮南.金相分析技術[M].上海:上 海科學技術出版社,1987:241-246.

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[5] 高強.最新有色金屬金相圖譜大全[M].北京:冶金工 業出版社,2005:254-258.

[6] 馬愛斌,蔣 建 清,陳 紹 麟.金 屬 熱 處 理 及 質 量 檢 驗 [M].南京:東南大學大學出版社,2001:26-29.

<文章來源>材料與測試網>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>58卷>1期(pp:41-44)>