冷復合長壽命釬焊板材的腐蝕機制研究

田國建，劉前換，史明飛，胡劉飛

（江蘇鼎勝新能源材料股份有限公司，江蘇 鎮江 212141）

隨著汽車輕量化的不斷發展，對釬焊熱交換復合鋁材的要求日趨提高，在要求原材料不斷減薄的同時還需要保持更高的強度和更優異的耐腐蝕性能[1]。在此背景下，傳統通過半連續鑄造加熱軋復合生產釬焊熱交換用復合鋁材的方式，由于受其工藝流程復雜、能耗高、成品率低等因素制約，已逐步被更節約化綠色短流程的通過連續鑄軋加冷軋復合的方式替代[3]。

該工藝生產的復合鋁箔能夠大大降低成本10%～30%，且在同樣厚度條件下較熱軋料強度高并具備長壽命的耐腐蝕性能特征，已經逐步取代熱軋復合產品成為市場主流，但針對其腐蝕機制的研究尚未見有相關報道。本文通過SWAAT模擬海水鹽霧腐蝕試驗探究了冷復合長壽命釬焊板材的腐蝕機制。

1 試驗材料與方法

冷復合釬焊鋁板材合金芯材為DS304，其具體成分標準及本次選用試樣實測值如表1所示，皮材為AA4343合金，復合結構及包覆比例為10%4343/DS304/10%4343，成品合金狀態為O態，厚度為0.3mm。

表1 DS304合金化學成分（wt./%）

冷復合釬焊鋁板材生產工藝流程如下：連鑄軋法生產6.5mm厚度皮材及芯材坯料→坯料分別制備0.5mm皮材及4.0mm芯材→經冷復合得到2.5mm～2.8mm復合坯料→420℃/3h擴散退火→軋至成品0.3mm厚度→380℃/5h成品退火。

成品復合板材先進行模擬釬焊，釬焊工藝：15分鐘升至600℃（40℃/min），600℃保溫5分鐘出爐。焊后樣片參照ASTM G85-A3標準進行SWAAT模擬海水鹽霧腐蝕試驗，每隔5天取腐蝕后樣片，肉眼觀察腐蝕相對嚴重處切取開作金相分析，標識腐蝕坑深度并進行腐蝕形貌觀察和成分檢測。主要采用OLYMPUS光學顯微鏡、FEI Sirion場發射掃描電鏡、Oxford EDS能譜儀、EPMA-8050G電子探針等設備檢測表征設備。

2 試驗結果與討論

2.1 SWAAT腐蝕試驗結果

成品復合板材焊后樣片參照ASTM G85-A3標準進行SWAAT模擬海水鹽霧腐蝕試驗，每隔5天取腐蝕后樣片，對應實物宏觀樣片如圖1所示，可見在5天腐蝕后，樣片表面出現少量鼓泡，在第10天時鼓泡增多且少量鼓泡出現破裂，在第15天時鼓泡增大且大部分均破裂，在第20天時鼓泡連成片狀且腐蝕殘留物在表面積聚較明顯，在第25天時局部已發現大小不等的腐蝕孔洞。

對每次取樣作腐蝕速率（失重）分析并對樣片腐蝕坑最大深度進行標識，其中：腐蝕速率=失重重量/（樣片表面積＊間隔天數）×100%，g/dm2·day。在前期5～15天內腐蝕速率增長均較為平緩，腐蝕坑最大深度僅由28.6μm增長至73.8μm；在15～20天內腐蝕速度大幅升高，同時在第20天時腐蝕坑最大深度達到228.3μm；在20天～25天內腐蝕速度提升不大，直至25天時檢測到穿透。總體可以判斷腐蝕深度的變化與腐蝕速率呈現一致性規律，腐蝕在15天～20天期間發生較迅速的侵蝕，腐蝕穿透產生在20天～25天之間。

2.2 模擬釬焊過程中皮材芯材元素互擴散分析

對釬焊前后皮材和芯材元素的互擴散進行了研究，分別選取釬焊前后材料從皮材共晶相邊部位置至芯材受擴散影響區作EPMA線掃描成分分析，主要關注主要Cu、Mn、Si、Ti主要合金化元素，釬焊前皮材實際檢測厚度約28μm，釬焊后由于部分皮材的流失，殘留皮材約為20μm。

釬焊中Cu、Mn、Ti均向皮材有少量擴散，擴散距離較短均5μm左右，此階段擴散主要產生于板材冷復合工序之后的長時間擴散退火過程。

樣片經600℃釬焊后，在殘留的20μm皮材內，Cu含量比例大大提升且高于相近芯材區域，Mn含量在距皮材表面20μm～50μm的芯材區域內形成了較大的濃度梯度但未檢測到皮材中Mn含量明顯提高，Si含量比例在殘留皮材外側較高且向內大幅降低。

可見在釬焊過程中，與皮材結合區域附近芯材中Mn大量脫溶且Cu向皮材中發生大量擴散，同時皮材在釬焊融化后凝固時在表層形成了Al-Si共晶導致皮材外側Si富集程度較高。

2.3 皮材腐蝕過程及機理分析

Cu在Al-Si共晶相中的富集導致Ai-Si共晶相電位升高，從而與電位相對較低的塊狀α-Al相形成原電池，塊狀α-Al相作為陽極優先發生點蝕，點蝕發生后間隙和表面的Ai-Si共晶相同時一起發生脫落，進而皮材整體發生脫落，這與2.2節中SWAAT腐蝕實驗中前期5Day～10Day觀察到皮材腐蝕過程較吻合。

表2 釬焊后皮材區域能譜分析（wt/%）

2.4 芯材腐蝕過程及機理分析

由SWAAT腐蝕試驗結果可見，焊后材料殘余皮材局部脫落之后，會繼續延芯材外延部分先發生橫向腐蝕。

根據膜遷移理論（LFM理論），釬焊溫度下，皮材呈熔融狀態，液態皮材以液膜的形式（Al-Si共晶為主）延晶界向芯材侵入，高比例Si的滲入降低界面附近芯材區域的熔點，液膜向芯材內遷移并使芯材中的成分發生改變，過多的Si使基體中過飽和的Mn及Fe脫溶析出形成Al-Mn-Fe-Si及Al-Mn-Si等彌散細小析出相。參照本文焊后材料電子探針線掃描分析，Mn含量在距皮材表面20～50μm的芯材區域內形成了較大的濃度梯度且殘留皮材中Mn含量并未檢測出升高現象，可見Mn在此線性距離區域內發生脫溶且此影響區域寬度約30μm。

根據以上分析，由于焊后Mn的脫溶導致此帶狀棕褐色的密集沉淀相區域的產生，這便使得該區域電位相對于內側芯材更低，同時此區域Cu向皮材的擴散更加大了此區域與內側芯材的電位差，因此芯材在SWAAT腐蝕測試中會優先延此區域發生橫向腐蝕。

結合圖1可以判斷，腐蝕在5天～15天內發展較為平緩的原因正是沉淀析出帶區域起到了陽極犧牲保護作用，同時15天之后腐蝕速率大大提升正是由于此沉淀析出帶的消失而產生了芯材快速的晶間腐蝕。

相比于傳統半連續鑄造并通過均質后熱軋復合方式生產的長壽命板材，由于鑄軋具備更快的冷卻速度(約100K/S～1000K/S)使得凝固過程中一次析出相相對較少而基體中Mn的固溶度相對更高，在后續擴散熱處理和釬焊過程中，Mn的析出傾向性更強使得更易形成明顯寬度的、電位差更大的密集沉淀析出帶，更加有利于芯材在焊后腐蝕中先發生橫向腐蝕從而延長使用壽命，因此鑄軋料通過冷軋復合工藝生產的釬焊復合板具有更優異的耐腐蝕性能。

3 結論

（1）釬焊時芯材中Cu向殘留皮材Al-Si共晶相中的擴散使其電位升高，導致腐蝕從焊后殘留皮材中α-Al相的點蝕開始并同時伴隨Al-Si共晶相的脫落；

（2）在冷復合后的擴散退火和釬焊過程中，皮材和芯材元素的互擴散在皮材芯材結合區域形成了一條電位較低的沉淀析出帶，芯材的腐蝕延此析出帶優先發生橫向腐蝕，最終延芯材發生晶界腐蝕直至穿透；

（3）與傳統半連續鑄造鑄錠通過均質加熱軋復合生產釬焊板材的工藝相比，鑄軋料通過冷軋復合工藝生產的釬焊復合板具有更優異的耐腐蝕性能。