AA3003铝合金散热器连接片表面产生黑斑的原因

AA3003铝合金是铝锰系铝合金，是一种广泛应用的防锈铝合金，具有良好的耐腐蚀性能。这种铝合金的强度不高，只能通过冷加工来提高材料的力学性能。这种铝合金在退火状态下塑性高，半冷加工硬化状态下塑性好，冷加工硬化状态下塑性差，耐蚀性好，焊接性能好[1]。AA3003铝合金主要用于要求塑性高、焊接性好的零件，各种液体容器及其它用深冲工艺加工的负载荷小的零件，也可用于要求成形性好、耐蚀性高、焊接性好的零件，如各种压力容器、散热器翅片等[2]。

暖气片的零件是冲压而成的，但冲压后没有清洗和烘烤。工厂向客户提供冲压零件，客户进一步加工冲压零件。工艺流程为来料→喷钎粉→钎焊。钎焊后，连接件表面出现大面积黑斑。

通过宏观观察、化学成分分析、扫描电镜和能谱分析等手段，对AA3003铝合金散热器连接件进行了检测，分析了连接件表面黑斑产生的原因和形成机理。

1理化检验

1.1宏观观察

1.2化学成分分析

样品取自暖气片连接片，用ARL8860火花放电直读光谱仪检测其化学成分。如表1所示，根据客户提供的AA3003铝合金化学成分技术要求，散热器连接件的化学成分符合技术要求。

1.3扫描电子显微镜和能谱分析

1.3.1暗斑区域的表面分析

用SIGMA 300扫描电镜观察了AA3003铝合金散热器连接件表面的黑斑。如图2所示，暖气片连接件表面暗斑区域有一层不平整的薄层覆盖层，其表面附着一层形状各异的制品；在覆盖层的凸起处可以看到有裂纹和针状的产品，如图2a)；有些暗点的产品是不规则的条状，条状产品的中心区域是撕裂的，如图2b)；一些暗点上附着一层糊状产品，大量球状产品分布其中，如图2c)；没有黑点的区域覆盖有厚度均匀的薄氧化膜。

对散热器表面的黑点区域和非黑点区域进行能谱分析。位置A、B、C为黑点区域，位置D、E为非黑点区域。如图3、表2所示:黑斑区表面的针状、条状、裂纹状产品均含有碳、氧、氟、铝、钾等元素，其中碳、氟、钾含量较高；黑斑区有碳、氧、氟、铝、钾、锰、铜、银等元素，其中碳、氧、氟、钾的含量低于黑斑区，说明黑斑区产品的主要成分是碳、氧、氟、钾、铁[3]。

1.3.2暗斑区域的剖面分析

用SIGMA300扫描电镜观察铝合金散热器连接件黑斑断面。如图4所示，钎焊区外层可见枝晶组织[4]，暗斑区表面存在薄涂层和块状产物，连接件表面附近的基体组织为α(Al)固溶体相+弥散强化相+未溶颗粒相[5]。图4a)中较低的黑色区域是样品制备和研磨过程中嵌入的毛边。

用能谱分析了铝合金散热器连接件黑斑区域的轮廓。暗斑区位于F~G位置，基体的不溶相位于H位置，基体的固溶体相位于I位置..如表3所示:黑点区域含有90%以上(质量分数，下同)的碳元素和少量的氧、氟、钾、铝等元素；大部分不溶相含有超过93%的铝和少量的碳和铜。基质溶液相包含超过94%的铝和少量的碳。结果表明，黑点区域的化学成分主要是碳和少量的氧、氟和钾。

1.4金相检验

使用AxioObserver7m光学显微镜观察铝合金散热器连接件的轮廓。如图6所示，钎焊区显微组织为α(Al)固溶体相+枝晶组织，基体组织为α(Al)固溶体相+弥散强化相+未溶颗粒相；暗斑区表面有一层黑色覆盖层，深度为9 ~ 14 μ m，基体组织为α(Al)固溶体相+弥散强化相+未溶相颗粒，基体组织为铝合金板材经固溶时效处理后的显微组织[6]。

2分析和讨论

钎焊后铝合金散热器连接件表面残留有大面积的黑斑，黑斑表面存在大量的针状、条状和球状产品。暗斑区表面针状和条状产品的碳、氟、钾含量较高，球形产品的碳、氟、钾含量较高，说明暗斑区表面产品的主要化学成分是碳、氧、氟、钾、铁[7]。连接板材不同区域的截面能谱测试结果表明，表面产物含有90%以上的碳，以及少量的氧、氟、钾等元素。连接片黑点区域的表面能谱测试区域存在薄层渗透，测试数据受铝合金基体成分影响[8]。接头黑点区域剖面的能谱测试区域较窄，不会受到铝合金基体成分的影响[9]。

铝合金散热器连接件的基体组织为α(Al)固溶体相+弥散强化相+不溶颗粒相，通过固溶+时效处理获得，具有良好的耐腐蚀性能。钎焊后，连接件的基体组织为α(Al)固溶体相+枝晶组织，耐蚀性明显降低[10]。如果加工现场有环境腐蚀，黑点区域应该首先出现在钎焊层表面，可以推断黑点不是环境腐蚀造成的[11]。暗斑处的粘合剂附着力强，类似于油脂等污垢，富含碳和少量的氧、氟、钾、铁等元素。事故调查中了解到，该车库配备了合成机油，设备定期清洗润滑。不排除在清洁设备时，合成机油会意外滴落。钎焊过程中，连接件表面残留的合成机油被高温烘烤氧化，发生结焦反应，产生黑色碳化物和氧化物，最终在散热器连接件表面形成黑点。合成机油结焦后形成的黑点不仅影响工件的外观质量，还会降低散热器的耐腐蚀性能[12]。

3结论和建议

(1)铝合金散热器连接件表面有大面积黑斑。原因是在清洁和润滑设备时，合成机油不小心滴到了连接件表面。在钎焊过程中，合成机油会发生焦化反应，最终形成黑点。

(2)铝合金散热器连接件加工过程中，要管理好加工现场，保持工作环境整洁，保证工件表面清洁。钎焊前，清洁并烘烤连接件表面，以避免出现黑点。