分享：AA3003铝合金散热器连接片表面产生黑斑的原因

摘 要:AA3003铝合金散热器连接片在加工过程中,表面出现了大面积黑斑。采用宏观观察、 化学成分分析、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了连接片表面产生黑斑的原因。结果表明:在清 洗和润滑设备时,合成机油不慎滴漏在连接片表面,在钎焊加工过程中,合成机油发生焦化反应形 成黑斑。

 关键词:散热器连接片;黑斑;钎焊加工 

中图分类号:TG147                               文献标志码:B                               文章编号:1001-4012(2022)01-0041-04

AA3003铝合金为 Al-Mn系铝合金,是应用较 为广泛的一种防锈铝合金,耐腐蚀性能较好。这种 铝合金强度不高,只能采用冷加工方法提高材料的 力学性能。该类铝合金在退火态时具有很高的塑 性,半冷作硬化态时塑性较好,冷作硬化态时塑性较 差、耐腐蚀性能好、焊接性能良好[1]。AA3003铝合 金主要用于要求高塑性和良好焊接性能的零件、各 种液体容器以及其他通过深拉工艺加工而成的小负 荷零件,还可用于要求良好成形性能、高耐蚀性和焊 接性的零部件,如各种压力容器及散热器片[2]。

散热器连接片的零部件经冲压加工而成,冲压 加工后未进行清洗和烘烤,工厂将冲压加工件提供 给客户,客户对冲压件进行进一步加工生产,工艺流 程为来料→喷钎焊粉→钎焊加工,在钎焊加工后,发 现连接片表面存在大面积黑斑。

笔者通过宏观观察、化学成分分析、扫描电镜及 能谱分析等方法,对 AA3003铝合金散热器连接片 进行检测,分析连接片表面黑斑产生的原因及形成 机理。 

1 理化检验

 1.1 宏观观察 

如图1所示,在散热器连接片背有大面积黑斑, 黑斑分布无明显规律。 

1.2 化学成分分析

 从该散热器连接片处截取试样,采用 ARL8860 型火花放电直读光谱仪检测其化学成分。如表1所 示,依据客户提供的 AA3003铝合金化学成分的技术 要求,该散热器连接片的化学成分满足技术要求。

1.3 扫描电镜及能谱分析

1.3.1 黑斑区域表面分析 

采 用 SIGMA 300 型 扫 描 电 镜 (SEM),对 AA3003铝合金散热器连接片表面黑斑进行观察。 如图2所示:散热器连接片表面黑斑区域存在凹凸 不平的薄层状覆盖层,其表面附着了一层形态各异 的产物;覆盖层凸起处可见龟裂状和针片状产物,见 图2a);部分黑斑区域的产物呈不规则条状,条状产 物中心区域呈现撕裂状的形貌特征,见图2b);部分 黑斑区域黏附着一层面糊状产物,其间分布有大量 球状产物,见图2c);无黑斑区域覆盖着一层厚度均 匀的薄层氧化膜,见图2d)。 

对图3中散热器连接片表面黑斑区域及无黑斑 区域进行能谱分析,位置 A,B,C 处为黑斑区域,位 置 D,E处为无黑斑区域。如图3和表2所示:黑斑 区域表面针片状、条状及龟裂状产物都含有碳、氧、 氟、铝、钾等元素,其中碳、氟、钾元素含量较高;无黑 斑区域含碳、氧、氟、铝、钾、锰、铜、银等元素,其中 碳、氧、氟、钾元素含量均低于黑斑区域,表明黑斑区 域产物的主要成分为碳、氧、氟、钾、铁元素[3]。

1.3.2 黑斑区域剖面分析

 采用SIGMA300型扫描电镜对该铝合金散热 器连接片黑斑区域剖面进行观察。如图4所示,钎 焊区域外层可见枝晶组织[4],黑斑区域表面存在薄 层覆盖层及块状产物,连接片表层附近的基体组织 为α(Al)固溶相+弥散强化相+未溶颗粒相[5]。图 4a)中的下侧黑色区域为制样打磨过程中嵌入的飞 边料。 

对图5铝合金散热器连接片黑斑区域剖面进行 能谱分析,位置 F~G 处为黑斑区域,位置 H 处为 基体未溶相,位置I处为基体固溶相。如表3所示: 黑斑区域含90%(质量分数,下同)以上的碳元素以 及少量 的 氧、氟、钾、铝 等 元 素;基 体 未 溶 相 中 含 93%以上的铝元素和少量的碳、铜元素;基体固溶相 中含94%以上的铝元素和少量碳元素。结果表明, 黑斑区域的化学成分主要为碳元素以及少量氧、氟、 钾元素。

1.4 金相检验 

采用 AxioObserver7m 型光学显微镜,对该铝 合金散热器连接片剖面进行观察。如图6所示:钎 焊区域组织为α(Al)固溶相+枝晶组织,基体组织 为α(Al)固溶相+弥散强化相+未溶颗粒相;黑斑 区域表层存在黑色覆盖层,深度为9~14μm,基体 组织为α(Al)固溶相+弥散强化相+未溶相颗粒, 该基体组织为铝合金板材固溶+时效处理后得到的 显微组织[6]。 

2 分析与讨论 

铝合金散热器连接片经过钎焊加工后,其表面 残留大面积黑斑,黑斑区域表面存在大量的针片状、 条状及球状产物。黑斑区域表层针片状及条状产物 的碳、氟、钾元素含量偏高,球状产物碳、氧、铁元素 含量更高,表明碳、氧、氟、钾、铁元素是黑斑区域表 层产物的主要化学成分[7]。连接片不同区域的剖面 能谱测试结果表明,其表层产物含有90%以上碳元素,以及少量的氧、氟、钾等元素。连接片黑斑区域 表面能谱测试区域存在薄层穿透现象,测试数据受 铝合金基体成分影响[8]。连接片黑斑区域剖面能谱 测试区较为狭窄,不会受铝合金基体成分影响[9]。

铝合金散热器连接片的基体组织为α(Al)固溶 相+弥散强化相+未溶颗粒相,是经固溶+时效处 理后得到的,耐腐蚀性能好。经钎焊加工后,连接片 的基体显微组织为α(Al)固溶相+枝晶组织,耐腐 蚀性能显著降低[10]。如果加工现场存在环境腐蚀, 黑斑区域应该首先出现在钎焊层表面,由此推断黑 斑不是环境腐蚀造成的[11]。黑斑区域的黏着物附 着力强,类似油脂等污垢,富含碳元素以及少量的 氧、氟、钾、铁等元素。在事故调查过程中了解到,车 间现场配备合成机油,定期对设备进行清洗和润滑, 不能排除清洗设备时合成机油会不慎滴漏。在钎焊 加工过程中,连接片表面残留的合成机油经过高温 烘烤和氧化,发生焦化反应,产生黑色碳化物和氧化 物,最终在散热器连接片表面形成黑斑。合成机油 焦化后形成的黑斑,不仅影响工件的外观质量,而且 会降低散热器的耐蚀性[12]。 

3 结论及建议

 (1)铝合金散热器连接片表面存在大面积黑 斑,产生的原因是在清洗和润滑设备时,合成机油不 慎滴漏在连接片表面,在钎焊加工过程中,合成机油 发生焦化反应,最终形成黑斑。 

(2)铝合金散热器连接片在加工过程中,必须 做好加工现场管理,保持工作环境的整洁,保证工件 表面清洁。钎焊加工之前,对连接片表面进行清洗 及烘烤,避免黑斑产生。

参考文献: 

[1] 高强.最新有色金属金相图谱大全[M].北京:冶金工 业出版社,2005:681-686. 

[2] 郑学坊,邱允新,唐镇南.金相分析技术[M].上海:上 海科学技术出版社,1987:241-246. 

[3] 李春胜,黄德彬.金属材料手册[M].北京:化学工业 出版社,2005:262-268. 

[4] 吕德林,李砚珠.焊接金相分析[M].北京:机械工业 出版社,1987:44-53. 

[5] 高强.最新有色金属金相图谱大全[M].北京:冶金工 业出版社,2005:254-258. 

[6] 马爱斌,蒋 建 清,陈 绍 麟.金 属 热 处 理 及 质 量 检 验 [M].南京:东南大学大学出版社,2001:26-29.

<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 1期 (pp:41-44)>