Al-Si釬料和Al-Zn釬料耐蝕性能對比研究

鄭建峰 陳德娟 蔡薔 趙越

(1.浙江衢州大通鍋爐有限責(zé)任公司 浙江衢州 324000;2.中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院 山東青島 266100;3.廣東恒基金屬制品有限公司 廣東佛山 528305)

1 引言

釬焊是常用的鋁合金焊接方法之一，與熔焊相比其特點(diǎn)明顯：加熱溫度一般低于母材熔點(diǎn)，對母材物理化學(xué)性能無明顯的不利影響；釬焊溫度低，易對工件整體均勻加熱等。制冷管路鋁鋁釬焊，特別是感應(yīng)釬焊，已經(jīng)成為制冷行業(yè)為實(shí)現(xiàn)全面鋁代銅而采取的主要焊接方法 。目前所使用的鋁合金釬料品種較多，主要以共晶成分的鋁合金為基礎(chǔ)。根據(jù)釬焊溫度，可以分為Al-Si系高溫釬料和Al-Zn系中溫釬料，前者熔化溫度為577～580℃，接近鋁的熔點(diǎn)，因此釬焊難度較大；后者熔化溫度為382～400℃，焊接工藝難度較小，但是其耐蝕性能較差。隨著新材料科技的發(fā)展，市面上新型Al-Zn釬料層出不窮，制冷行業(yè)有采用中溫釬料Al-Zn系釬料釬焊鋁管接頭和銅鋁管接頭的趨勢。但是由于GB 9237-2001《制冷和供熱用機(jī)械制冷系統(tǒng)安全要求》，對制冷系統(tǒng)中的鋁制構(gòu)件釬焊材料選擇含鋅材料提出了限制性要求，而Al-Zn釬料是否能達(dá)標(biāo)卻令人懷有疑問。本文主要從Al-Si釬料和Al-Zn釬料的抗腐蝕性能方面探究，繼而比較二者的優(yōu)劣，以望在實(shí)際生產(chǎn)中能給予企業(yè)技術(shù)建議。

圖1 電化學(xué)試樣

圖2 鹽霧試驗(yàn)試樣宏觀形貌對比

圖3 鹽霧試驗(yàn)試樣表面微觀組織形貌

2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以1060鋁片為母材，分別選用Al-Si釬料和Al-Zn釬料焊接，焊接工藝為感應(yīng)釬焊，所用電源設(shè)備為EFD公司生產(chǎn)的Minac感應(yīng)釬焊設(shè)備。母材及兩種釬料的化學(xué)成分見表1，焊接工藝參數(shù)見表2。

3 試驗(yàn)方法

3.1 中性鹽霧實(shí)驗(yàn)

采用感應(yīng)釬焊工藝分別使用兩種釬料焊接1060鋁片得到焊接接頭，用丙酮將試件樣品表面油污清理干凈，然后蒸餾水沖洗后晾干稱重。根據(jù)GB/T 10125-1997《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，采用乙酸銅加速鹽霧腐蝕。樣品表面與垂直方向成30°角，腐蝕液采用5%氯化鈉溶液，在溶液中加入氯化銅（CuCl ·2H2O，0.26g /L±0.02g/L)，采用連續(xù)霧化，試驗(yàn)時間為24小時。

實(shí)驗(yàn)后將樣品干燥1h，然后用流動水沖洗以除去表層殘留鹽霧溶液，吹干后稱量，比較試驗(yàn)前后質(zhì)量變化。觀察比較樣品的宏觀形貌，用YJ100-310型金相顯微鏡觀察焊縫處的微觀組織結(jié)構(gòu)。

3.2 電化學(xué)試驗(yàn)

首先將釬料置于鋁板上，加熱使其熔化鋪展，然后在鋪展區(qū)選取1cm×1cm 的區(qū)域進(jìn)行線切割，最后對所得試樣進(jìn)行打磨清洗進(jìn)而得到電化學(xué)試樣，如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用Autolab Pgstat 302N電化學(xué)工作站，采用三電極體系在室溫下的中性3.5%NaCl溶液中對釬料電化學(xué)試樣進(jìn)行極化曲線測試，掃描范圍為-1.4V~0.4V，掃描速率為2mV/s，對得到的極化曲線進(jìn)行擬合并分析試樣的腐蝕行為。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 鹽霧試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1.1 腐蝕失重比較

表3為試樣在中性鹽霧試驗(yàn)后的腐蝕失重?cái)?shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種釬料測試3個樣品，然后取平均值。從表3中我們可以看出，使用Al-Zn釬料焊接的試樣失重量明顯大于Al-Si釬料的，從質(zhì)量損失的角度說明Al-Zn釬料的耐蝕性比Al-Si釬料的耐蝕性要差。

4.1.2 試樣宏觀形貌對比

應(yīng)用Al-Si釬料和Al-Zn釬料進(jìn)行感性釬焊所得焊接接頭在中性鹽霧試驗(yàn)前后的宏觀形貌對比如圖2所示。腐蝕后，試樣母材和焊接接頭均發(fā)生不同程度的腐蝕，而且后者較前者腐蝕更加明顯。圖2中Al-Si釬料填充的焊縫處變化不明顯，腐蝕產(chǎn)物很少。對比看出，Al-Zn釬料填充的焊縫處在腐蝕試驗(yàn)后焊縫清晰可見，表面較光亮，點(diǎn)蝕相互連接擴(kuò)展成團(tuán)簇，并產(chǎn)生大量腐蝕產(chǎn)物，部分腐蝕產(chǎn)物鼓泡剝落。

4.1.3 腐蝕試樣微觀組織形貌

圖3為兩種釬料焊接試樣經(jīng)鹽霧試驗(yàn)后表面金相顯微照片。在圖3A沒有出現(xiàn)明顯的裂紋，只發(fā)現(xiàn)一些因腐蝕產(chǎn)物剝落留下的坑點(diǎn)。而在圖3B中，去除表面腐蝕產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)表面有大量的孔洞，在晶界上已形成大的蝕坑，蝕坑內(nèi)部有小點(diǎn)蝕坑，有的已連接貫通，說明Al-Zn釬料焊接試樣發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕。

4.2 電化學(xué)測試結(jié)果及分析

由中性鹽霧結(jié)果看出Al-Si釬料的抗腐蝕性比Al-Zn釬料的抗腐蝕性要好，為了進(jìn)一步研究這兩種釬料的耐蝕性，本課題組又做了電化學(xué)試驗(yàn)，圖4是 Al-Si釬料和Al-Zn釬料的電化學(xué)極化曲線，表4為極化曲線經(jīng)擬合后得到的腐蝕電位、腐蝕電流。

圖4 Al-Si釬料和Al-Zn釬料的電化學(xué)極化曲線

表1 鋁管、Al-Si釬料和Al-Zn釬料的化學(xué)成分（%）

表2 焊接工藝參數(shù)

表3 腐蝕失重?cái)?shù)據(jù)

表4 Al-Si釬料和Al-Zn釬料極化曲線擬合結(jié)果

從圖4中可以看出，Al-Si釬料的腐蝕電位明顯高于Al-Zn釬料，從擬合結(jié)果（表4）看，兩者的Ecorr相差高達(dá)0.437V，說明Al-Zn釬料更容易發(fā)生腐蝕；另外，Al-Si釬料的腐蝕電流密度也較Al-Zn釬料有很大的降低，分別為0.386μA和20.732μA，這說明Al-Zn釬料有更快的腐蝕速度；極化電阻值是反映材料抗電化學(xué)腐蝕性能的重要指標(biāo)，從極化曲線的擬合結(jié)果看，Al-Zn釬料的極化電阻值約為1.9kΩ，而Al-Si釬料的極化電阻值則高達(dá)227kΩ，進(jìn)一步說明了Al-Si釬料具有更好的抗電化學(xué)腐蝕性能。這主要是由于Zn與Al的互溶度很大，釬料熔化時Zn以相當(dāng)快的速度向Al基體晶間滲透，形成一種高選擇性的晶界沉淀物，加之鋁鋅之間具有較大的電位差，在腐蝕介質(zhì)中晶界迅速遭到侵蝕，發(fā)生較為嚴(yán)重的晶間腐蝕。

5 結(jié)論

(1)中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用Al-Zn釬料感應(yīng)釬焊焊接所得試樣試驗(yàn)后有大量白色腐蝕產(chǎn)物，腐蝕失重量大，金相顯微鏡觀察到明顯的腐蝕裂紋，許多蝕坑分布在晶界上，相比之下，Al-Si釬料感應(yīng)釬焊焊接所得試樣的腐蝕較輕微。

(2)從電化學(xué)極化曲線的測試結(jié)果分析可知Al-Zn釬料比Al-Si釬料更容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕且腐蝕速率更大。

(3)本文試驗(yàn)證明了Al-Zn釬料的耐蝕性遠(yuǎn)不如Al-Si釬料，而在制冷產(chǎn)品中不可避免要接觸腐蝕環(huán)境，因此生產(chǎn)廠家在選用鋁鋁釬焊釬料時要慎重，著重考慮釬料的抗腐蝕性。

[1]左軻，趙亞濤，王昕，等.冰箱前排鋁合金管感應(yīng)釬焊試驗(yàn)研究[J].焊接.2012(4)：51-54.

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊：焊接方法及設(shè)備[M].北京市：機(jī)械工業(yè)出版社.2008：561.

[3]GB 9237-2001.制冷和供熱用機(jī)械制冷系統(tǒng)安全要求.