AA3003铝合金散热器连接片表面产生黑斑的原因

孟鑫沛,金林奎,方曼婷,林 权,黄仪浩,黎肖辉,何 平

(1.东莞职业技术学院 精密智造技术研究与应用工程中心,东莞 523808;2.广东省东莞市质量监督检测中心,东莞 523808;3.国家模具产品质量监督检验中心,东莞 523808)

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。

图1 铝合金散热器连接片表面黑斑的宏观形貌

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。

表1 铝合金散热器连接片的化学成分测试结果

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)。

图2 铝合金散热器连接片表面黑斑区域产物和无黑斑区域薄层氧化膜的SEM形貌

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]。

表2 图3中铝合金散热器连接片黑斑区域和无黑斑区域的表面能谱分析结果

图3 铝合金散热器连接片黑斑区域和无黑斑区域的表面SEM形貌

1.3.2 黑斑区域剖面分析

采用SIGMA 300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。

图4 铝合金散热器连接片不同位置处的剖面SEM形貌

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。

表3 图5中铝合金散热器连接片剖面不同位置处的能谱分析结果

图5 铝合金散热器连接片剖面的能谱分析位置

1.4 金相检验

采用Axio Observer 7m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9～14 μm，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]。

图6 铝合金散热器连接片剖面不同区域的显微组织

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。