合金元素對汽車散熱器用銅合金性能的影響研究

文 超，周 振

（攀枝花學(xué)院 交通與汽車工程學(xué)院，攀枝花 617000）

合金元素對汽車散熱器用銅合金性能的影響研究

文 超，周 振

（攀枝花學(xué)院 交通與汽車工程學(xué)院，攀枝花 617000）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和汽車性能的不斷提升，作為重要零部件之一的汽車散熱器的性能要求也越來越嚴(yán)格，現(xiàn)有的汽車散熱器用銅合金難以滿足不斷提高的性能要求，迫切需要人們采用新的技術(shù)方法以改善汽車散熱器的性能，使其與日新月異發(fā)展的汽車工業(yè)相適應(yīng)。在汽車散熱器領(lǐng)域，材料改性、形狀設(shè)計(jì)、制造工藝等方面都將對其性能產(chǎn)生影響，而材料改性是其基本的改性方法，對汽車散熱器的性能產(chǎn)生重要影響[1,2]。眾所周知，合金化是金屬材料改性的一種有效方法，人們在汽車散熱器用銅合金的合金化方面進(jìn)行了較多研究，也取得了一定的研究成果，但是難以滿足不斷提高的性能需求[3～5]。因此，本文在汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金中添加了不同含量的合金元素鍶（Sr）和釔（Y），并測試與分析了合金元素對汽車散熱器用銅合金的晶粒尺寸、拉伸性能、耐腐蝕性能和抗疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)的試樣為汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金以及添加了不同含量鍶（Sr）和釔（Y）的改性銅合金，試樣在GWJ型中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行制備。合金元素Sr和Y的添加，分別采用Cu-10Sr和Cu-10Y中間合金的方式進(jìn)行添加。各試樣的化學(xué)成分，采用EDX3000B型X熒光光譜儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

圖1 試樣制備的主要工序

表1 試樣的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

晶粒尺寸測試：未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1以及添加了不同含量Sr和Y的改性銅合金試樣2～4，其晶粒尺寸采用JSM6510型掃描電子顯微鏡進(jìn)行測試。

拉伸性能測試：未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1以及添加了不同含量Sr和Y的改性銅合金試樣2～4，其拉伸性能采用WD-200D型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，試驗(yàn)溫度為室溫，并用JSM6510型掃描電子顯微鏡對拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察和拍照。

耐腐蝕性能測試：未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1以及添加了不同含量Sr和Y的改性銅合金試樣2～4，其耐腐蝕性能采用PGSTAT 302N型電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試選用三電極體系，即工作電極為各試樣制備的電極、參比電極為甘汞電極、輔助電極為鉑黑電極。測試溫度為室溫、電解液為5wt.%氫氧化鉀溶液、掃描速度為0.03mV/s。為了避免合金表面的氧化物對測試產(chǎn)生影響，測試前先在-1.0V恒電位下極化3min。

抗疲勞性能測試：未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1以及添加了不同含量Sr和Y的改性銅合金試樣2～4，其抗疲勞性能采用SX2型箱式電阻爐進(jìn)行測試。首先對試樣進(jìn)行打磨、拋光、清洗和吹干后，將試樣放入90℃烘箱中預(yù)熱30min；然后將試樣置于300℃箱式電阻爐中保溫3min后快速取出并浸入室溫的恒溫自來水中保持5s；如此循環(huán)重復(fù)1000次后，采用BX51M型金相顯微鏡觀察試樣上的感應(yīng)中心位置處的裂紋。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 晶粒尺寸測試結(jié)果及討論

未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1以及添加了不同含量Sr和Y的改性銅合金試樣2～4，其晶粒尺寸測試結(jié)果，如圖2所示。從圖2可以看出，合金元素Sr或Y的添加，減小了銅合金的晶粒尺寸，尤其是復(fù)合添加合金元素Sr和Y的試樣4的晶粒尺寸減小效果最為明顯，使合金的晶粒尺寸較未添加合金元素的試樣1從148μm減小至56μm，減小了62.16%。這主要是因?yàn)楹辖鹪豐r和Y的復(fù)合添加，對合金的晶粒細(xì)化起到了協(xié)同作用，起到了更好的細(xì)化晶粒作用，從而使得添加合金元素Sr或Y的銅合金晶粒得到細(xì)化，尤其是復(fù)合添加Sr和Y的銅合金晶粒細(xì)化效果顯著。

圖2 試樣的晶粒尺寸測試結(jié)果

2.2 拉伸測試結(jié)果及討論

未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1以及添加了不同含量Sr和Y的改性銅合金試樣2～4，其室溫拉伸性能測試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，合金元素Sr或Y的添加，提高了汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金的抗拉強(qiáng)度，尤其是Sr和Y的復(fù)合添加對汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金的拉伸性能提高更為顯著。與未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1相比，復(fù)合添加合金元素Sr和Y的試樣4的室溫抗拉強(qiáng)度從397MPa增加至484MPa，增加了87MPa，增加了21.91%，合金的拉伸性能得到了顯著改善。

圖3 試樣的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果（室溫）

未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1以及復(fù)合添加合金元素Sr和Y的改性銅合金試樣4的拉伸斷口形貌SEM照片，分別如圖4～圖5所示。從圖4可以看出，未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1的拉伸斷口由較多的撕裂棱和韌窩組成，呈現(xiàn)出明顯的塑性斷裂特征。從圖5與圖4的對比可以看出，復(fù)合添加合金元素Sr和Y的汽車散熱器用銅合金試樣4的拉伸斷口也呈現(xiàn)出明顯的塑性斷裂特征，但撕裂棱數(shù)量明顯減少、且韌窩更為細(xì)小，說明該合金具有更好的拉伸性能。這與試樣的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果一致。

圖4 試樣1的拉伸斷口形貌SEM照片

圖5 試樣4的拉伸斷口 形貌SEM照片

2.3 耐腐蝕性能測試結(jié)果及分析

未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1以及添加了不同含量Sr和Y的改性銅合金試樣2～4，在室溫的5wt.%氫氧化鉀電解液中，以0.03mV/s掃描速度獲得的Tafel曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，合金元素Sr或Y的添加，提高了汽車散熱器用銅合金的耐腐蝕性能，尤其是Sr和Y的復(fù)合添加，顯著提高了汽車散熱器用銅合金的耐腐蝕性能。與未添加合金元素的合金試樣1相比，單獨(dú)添加合金元素Y的汽車散熱器用銅合金試樣2的腐蝕電位從-0.971V正移至-0.862V，正移了109mV；單獨(dú)添加合金元素Y的合金試樣3的腐蝕電位從-0.971V正移至-0.763V，正移了208mV；而復(fù)合添加合金元素Sr和Y的汽車散熱器用銅合金試樣4的腐蝕電位從-0.971V正移至-0.613V，正移了358mV。眾所周知，當(dāng)其他條件相同時，材料的腐蝕電位越正則材料的耐腐蝕性能越好，若腐蝕電位越負(fù)則表明材料的耐腐蝕性能越差。因此，我們可以認(rèn)為，合金元素Sr或Y的添加，提高了汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金的耐腐蝕性能，尤其是復(fù)合添加合金元素Sr和Y可使其耐腐蝕性能得到顯著改善。這主要是因?yàn)楹辖鹪豐r或Y的添加，一方面使合金晶粒得到細(xì)化，更好的抵抗電解液的腐蝕；另一方面，合金元素Y的添加，可以在銅合金表面形成保護(hù)膜，抑制銅、鋅等的溶解，提高合金的耐腐蝕性能。

圖6 試樣的Tafel曲線

2.4 抗疲勞性能測試結(jié)果及分析

未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金試樣1以及添加了不同含量Sr和Y的改性銅合金試樣2～4，經(jīng)過1000次冷熱循環(huán)后，試樣表面的疲勞裂紋形貌，如圖7所示。從圖7可以看出，在汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金中添加合金元素Sr或Y，尤其是復(fù)合添加合金元素Sr和Y，可使其疲勞裂紋數(shù)量更少、且更為細(xì)小，提高了合金的抗疲勞性能。這主要是由于合金元素Sr的添加，有效提高了合金在冷熱循環(huán)中抵抗裂紋的能力，另一方面合金元素Y的添加發(fā)生了協(xié)同作用，更好的發(fā)揮了Sr的作用。

圖7 試樣的疲勞裂紋形貌

3 結(jié)論

1）合金元素Sr或Y的添加，尤其是復(fù)合添加合金元素Sr和Y，有利于提高汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金的拉伸性能、耐腐蝕性能和抗疲勞性能。

2）與未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金相比，復(fù)合添加合金元素Sr和Y可使銅合金的晶粒尺寸減小62.16%。

3）與未添加合金元素的汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金相比，復(fù)合添加合金元素Sr和Y可使銅合金的室溫抗拉強(qiáng)度增加87MPa、腐蝕電位正移358mV、疲勞裂紋更細(xì)更少。

[1]張國鋒.解讀車用散熱器行業(yè)發(fā)展情況——專訪中國汽車工業(yè)協(xié)會車用散熱器委員會秘書長王鐘柱[J].汽車零部件,2011,21(5):1-5.

[2]姚璐,盛步云,王傳佩.汽車散熱器的模態(tài)分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2013,32(5):8-11.

[3]劉梅.汽車散熱器用超薄波浪形水箱銅帶的研制[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息,2013,(07):220-221.

[4]樊良偉.鑭鹽型緩蝕劑對Cu-Zn-Ni銅合金在3.5% NaCl溶液中的緩蝕作用[J].腐蝕與防護(hù),2013,18(1):36-41.

[5]廖林,楊成剛,朱錦,鄭強(qiáng),李德風(fēng),鄧丹平.Ti、Zr對鋁銅合金組織和力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝,2014,(01):28-30.

Effects of alloying elements on the property of copper alloys for automobile radiator

WEN Chao, ZHOU Zhen

在汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金添加了不同含量的合金元素Sr或Y，并采用不同工藝對其進(jìn)行了熱處理，測試和分析了其進(jìn)行了晶粒尺寸、拉伸性能、耐腐蝕性能和抗疲勞性能的測試與對比分析。結(jié)果表明，合金元素Sr或Y的添加，尤其是復(fù)合添加合金元素Sr和Y，有利于提高汽車散熱器用Cu-Zn系銅合金的拉伸性能、耐腐蝕性能和抗疲勞性能；與未添加合金元素的銅合金相比，復(fù)合添加合金元素Sr和Y可使銅合金的室溫抗拉強(qiáng)度增加87MPa、腐蝕電位正移358mV。

合金元素；銅合金；汽車散熱器；耐腐蝕性能；抗疲勞性能

文超（1977 -），男，四川岳池人，講師，碩士，主要從事汽車安全性能和制動性能的研究。

TG156

A

1009-0134(2014)06(上)-0077-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).22

2014-03-05

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2010JY0131）；攀枝花市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)資金項(xiàng)目（2012CY-G-24(1)）；攀枝花市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)資金項(xiàng)目（2013TX-8）