铝合金复合材料关键技术指标与生产工艺概述

2015-08-20王海彬

冶金与材料 2015年6期

王强，王海彬，徐洋

(东北轻合金有限责任公司，哈尔滨150060)

铝合金层状复合材料大多是利用轧制复合技术，使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属，在接触介面上实现冶金结合而制备的一种新型复合材料。这种新型材料可极大地改变单一金属材料的诸多特性，如材料的热膨胀性、强度、密度、伸长率、电性能、磁性能和焊接性能等，因而被广泛应用于汽车、火车、飞机、船舶、电子、电力、医疗器械、环保和化工设备等领域。

铝基层状复合材料是众多金属基复合材料之一，而且铝具有密度小、导热、导电性能好、耐腐蚀、可加工性能好和易回收等诸多特性。因而在各个领域中被广泛应用。从理论上讲，铝及铝合金能与低碳钢、中碳钢、不锈钢、低合金钢、镍及镍合金、铜及铜合金、钛及钛合金、不同牌号的铝合金等金属轧制复合成双金属或多层金属新材料。国外在上世纪30年代就开始研究开发热传输设备用复合钎焊板、带、箔的生产技术，40年代在西欧等国已获得了应用。直到上世纪80年代末，世界上也只有美、德、等少数发达国家能生产热传输设备用复合钎焊板、带、箔材料，而且对生产技术高度保密。

1 产品的特点

复合材料除具有被复合单一金属、合金或非金属材料的特性外，还具备单一材料不具备的性能和功能特点，包括光、电、声、磁、力学、可焊、阻尼、耐热、耐磨、耐蚀等等。钎焊用铝合金复合材料具有强度高、重量轻、耐腐蚀、导热性、可靠性高、成本低、易回收和钎焊性能优良等诸多特性，近年来广泛应用航空、汽车、家用电器、空气化工和柴油机械制造等领域。

钎焊用铝合金复合材料(以下简称复合材料)通常情况下为两层或三层复合轧制而成，皮材采用熔点低且流动性好的4XXX铝合金作为焊料、芯层采用具有中等强度的3XXX防锈铝合金复合轧制而成。双面包覆钎焊料的铝合金复合带材具有良好的加工性能和钎焊性能，钎焊时不需手工施加焊料，易于在炉中实现自动钎焊，大大提高生产效率［1］。目前钎焊用铝合金复合材料典型产品是厚度为0.07mm～4.5mm不同应用领域的产品，一般情况下，厚度为0.07mm～0.2mm的铝合金复合箔材，通常以卷带供货，主要用于汽车散热器和汽车空调器的翅片;厚度为0.21mm～4.5mm的铝合金复合板材，主要用于化工和制氧机行业的板式散热器。

2 产品的主要技术指标

复合材料由于其独有的产品特决定了产品所应具备的主要指标。不同的使用场合同时也对钎焊用铝合金复合材料产品提出了不同的使用要求。一般情况下，常规复合材料的主要技术指标包括包覆层厚度(包覆率)、钎焊温度、尺寸偏差、力学性能、化学成分;高端复合材料除上述要求外，控制指标还包括抗下垂性(抗塌陷性)、钎焊后力学性能等［2］。此外，根据使用要求的不断变化，优化设计皮层和芯材化学成分配比也是近年来复合材料各主要生产企业和应用单位研究的热点之一。下面，简要介绍复合材料主要的技术指标与控制典型指标。

2.1 典型复合材料牌号、状态与规格

典型复合材料牌号、状态与规格见表1。

表1

2.2 包覆层厚度

根据复合材料使用要求、产品规格不同，复合材料的包覆层厚度要求也不相同，但是一个普遍的要求就是用户往往希望包覆层厚度越均一越稳定、波动越小越好，包覆层范围越小、波动越小代表复合材料质量也越高。典型复合材料规格对应的包覆层厚度见表2。

表2

2.3 化学成分

复合材料中大部分合金的化学成分是按照GB/T 3190标准进行控制，但是近年来随着复合材料的不断发展，使用要求不断加严，专业复合材料生产厂家陆续开发出特殊的化学成分控制的合金与复合材料产品。

2.4 尺寸偏差

复合材料尺寸偏差控制是为了满足产品最终组装与钎焊的使用要求，厚度偏差往往是控制钎焊质量的重要影响因素，根据典型的规格整理了复合材料厚度、宽度、长度、对角线与侧边弯曲度偏差分别见表3、表4、表5、表6。

表3

表4

表5

表6

2.5 力学性能

复合材料最重要的使用要求是焊接，传统的复合材料对力学性能的要求并不严格，但是随着使用环境要求的不断提升，复合材料的力学性能尤其是钎焊后的力学性能逐步成为近年来复合材料生产企业的研究的焦点之一。但是不同的用户对复合材料力学性能要求也不尽相同，要根据使用用途具体确定。

2.6 钎焊温度

钎焊温度是衡量复合材料使用要求的关键指标之一，钎焊温度的选择直接决定加热设备的选择、工艺制定与产品的质量稳定性，典型复合材料芯材与皮材及复合材料钎焊的推荐温度见表7。

表7

3 产品的基本流程

复合材料典型生产流程如图1。

图1 复合材料典型生产流程

从典型生产工艺流程可以看出，复合材料的生产涵盖了板带材轧制产品所通用的工艺流程，但与普通板带材不同之处是复合材料需要提前制备包覆板、并且需要进行覆合加热与热轧复合，热轧复合即是复合材料不同于普通产品的工艺区别，更是生产复合材料要控制的关键工序与关键过程。

4 生产的技术关键

复合材料的使用要求决定了生产过程的关键控制环节，根据不同的使用要求，将复合材料生产关键技术归纳为化学成分稳定性控制、复合过程控制与包覆层厚度设计。

4.1 化学成分稳定性控制

复合材料在钎焊过程中皮材4XXX合金起焊接作用，在复合材料的钎焊过程中，包覆层合金的流动性、润湿性、间隙填充能力、熔蚀性和接头强度等代表着钎焊质量的优劣。同时4XXX合金中的Si含量决定了钎焊的温度，一般情况下，要求皮材4XXX合金中Si控制越均匀越稳定越有利于焊接过程和钎焊温度控制，有利于钎焊质量控制。在芯材合金设计和选择上，主要采用熔点高、高温强度适宜、钎焊过程中与焊料结合性好、弯曲变形小且焊料对其扩散影响不大，同时在使用中具有适中的强度和耐蚀性的铝合金［3］。同时为了达到某种特有的性能，一般会控制合金中的Zn与Mg含量。下面简要介绍Si、Zn、Mg在复合材料使用过程中的作用［4］:

(1)Si元素的作用:Al－Si合金在共晶点附近其熔点最低可达到577℃，这是其作为钎焊材料的优势。复合后，Si元素会因浓度梯度而向基体合金扩散，使基体的Mn元素固溶度随Si含量的增加而降低，并形成富含α［Al(MnFe)Si］弥散体的阳极带，从而改变了基体中Al和第二相之间的电位差，使腐蚀优先发生在基体的亚表面层，同时Si可以改变钎焊料的流动性，组织均匀细密，提高钎焊质量。

(2)Zn元素的作用:一是可使合金的腐蚀电位降低，添加量越大，电位降低越多，冲制后的散热片作为阳极优先腐蚀，从而保护介质通道;二是降低合金表面氧化膜强度，使其表面容易剥落而全面腐蚀，达到抑制点蚀的目的。但是，若Zn含量过高，散热片腐蚀速度过快，会使散热片失去散热效果并降低其使用寿命。

(3)Mg元素的作用:包覆层合金中的Mg是保证真空钎焊质量必不可少的金属活化剂、吸气剂，同时对复合板的耐蚀性产生一定的影响。腐蚀试验表明，Mg元素的加入使包覆层合金腐蚀电位降低，腐蚀速度加快，有一定的抗点蚀作用［5］。

4.2 复合过程控制与包覆层厚度设计

4.2.1 常规复合途径与方法

层状复合材料的复合途径和方式多样，主要包括爆炸复合、铸造复合、轧制复合、沉积复合、离子喷涂复合和挤压复合等。目前比较成熟及应用较广的多采用轧制复合方式生产，是属于固固相复合。轧制复合是通过强大的轧制压力和较大的变形量，使两层或两层以上的不同合金界面原子相互扩散而形成冶金结合，然后通过多道次的轧制制备成不同厚度的目标合金板、带、箔材。

4.2.2 新型复合方法

早在2006年美国诺威力公司(Novelis Inc.)对外宣布，经过多年的研究开发，该公司的复合锭铸造法(Novelis FusionTM Process)已进人商业化生产，该公司的位于纽约州的奥斯威戈轧制厂(Novelis Os－wego Mill)已铸造50多种不同规格的铝合金锭［6］。我国以东北大学材料学院崔建忠教授为首的科研团队在铝合金复合铸造方面也开展了大量的基础研究工作，目前已经成功铸造出4045/3004/4045铝合金扁锭，填补了国家空白。但是据产业化仍有许多工作和关键技术需要突破。因此，目前生产复合材料的复合过程仍然是传统的轧制复合［7］。

4.2.3 轧制复合的机理［8］

双金属复合机理极为复杂，尽管长期以来人们为此做了大量的研究探索工作，但迄今为止，许多机理仍未被人们所揭示和了解。虽然如此，现在有些理论还是从某些方面解释了双金属的复合机理。

①金属键理论。该理论是N.S.Buton在1954年提出的。其主要内容是，双金属间的结合是两组元金属中的原子在组元金属接近过程中产生的相互吸引作用的结果。这一理论是从化学角度来解释双金属复合机理的。

②薄膜理论。该理论认为，双金属材料的复合性能并不取决于材料本身的性能，而是由金属材料的表面状态决定的。只要除净双金属表面上的油膜和氧化膜，在协调一致的塑性变形下，使新鲜金属以裂缝方式裸露出来，双金属接近到原子间力的作用范围内，就可以形成双金属的结合。此机理要求轧制加工率达到某一临界值，使裸露金属达到足以使界面结合的最小面积，否则无法复合。

③能量理论。该理论是A.Π.西苗诺夫在1958年提出的。该理论认为，引起金属间相互结合的条件，不是金属原子的扩散，而是金属原子所具有的能量。

④再结晶理论。该理论是L.N.帕克斯在1953年提出的。其根据是金属在变形量很大时，再结晶温度会显著下降的事实。该理论认为，双金属在高温加压条件下形成结合的主要过程是接触区的再结晶过程。即是说，金属的变形和变形引起冷作硬化，在高温的作用下，会使双金属接触面边缘的晶格原子重新排列，形成同属于两组元金属的共同晶粒，这就使相互接触的两组元金属结合成一体。再结晶理论实际上所论证的问题是接触表面已经产生结合以后的组织变化过程，而不是双金属本身的结合过程。用这一理论没法解释冷轧条件下，双金属的复合过程。

⑤扩散理论。该理论是卡扎可夫在70年代提出的。该理论认为，双金属在被加热到0.6～0.8倍的熔化温度条件下，其相互接触区中存在着一层很薄的互扩散区。正是这一薄层扩散区实现了双金属的牢固结合。扩散作用就是使两金属原子相互作用的机会增加，进而加强双金属间的结合。

⑥位错理论。该理论认为，当两种相互接触的金属产生协调一致的塑性变形。位错迁移到金属的接触表面，并使表面的氧化膜破裂，形成了高度只有一个子间距的小台阶。这一方面可以看成是塑性变形阻力的减小;另一方面可以认为是增加了双金属接触表面的不平度，使接触表面产生比内部金属大得多的塑性变形。这等于说，双金属的结合过程就是其接触区金属的塑性流动的结果。这一理论无法解释在没产生塑性变形的条件下，所进行的双金属复合过程。如采用铸法进行的双金属复合过程。

⑦双金属复合过程的三阶段理论。该理论认为，任何在高温加压条件下进行双金属复合过程都包含如下三个阶段:第一阶段是双金属间物理接触的形成阶段，也就是双金属中的原子依靠塑性变形，在整个接触面上相互接近到能够引起物理作用的距离或足以产生弱化学作用的距离。第二阶段是化学相互作用阶段。双金属接触表面激活并形成化学键，实现双属间的结合。第三阶段是扩散阶段。双金属在完成物理接触实现初步结合后，各组元金属的原子通过结合面相互扩散，以增进结合强度。此阶段要根据扩散区及新相的性质控制扩散过程。

⑧N.Bay机理:上述理论各具优缺点，也由于实验手段的限制，它们并不能准确、完整地揭示固相结合过程的本质。进入80年代，丹麦学者N.Bay运用电镜技术对固相结合表面进行剥离观察，发现面上存在大量氧化膜碎片。此后在众多实验研究的基础上，针对表面氧化膜被去除后，金属一旦与空气接触，仍会不同程度地被氧化这一客观事实，提出了自己的机理。

他认为固相结合主要由以下4部分组成:1)在一定压力下，覆膜破裂;2)表面扩展导致纯净基材显露;3)法向压力将基材挤压入覆膜裂缝中;4)两种金属的活性面在间隙中汇合并形成真实结合。固相结合的本质在于压力使接触面接近至原子间距离，由原子吸附而产生大量结合点。实验也证明了结合强度基本由结合过程决定。扩散等理论只涉及结合后的变化，未触及本质，且扩散对结合强度无大影响。从一系列的研究中不难看出，结合强度的获得与结合表面状况、结合表面扩展率及焊后热处理等方面有着密切联系。

4.2.4 复合轧制过程控制(包覆层厚度与焊合质量控制)

轧制复合又分为热轧复合和冷轧复合两种。热轧复合时，由于被轧金属温度高，变形抗力小，塑性好，所需要的变形力小，较易实现复合。而冷轧复合则需要强大的变形力才能进行，对设备的要求高得多，所以在实际生产中大多采用热轧复合法。轧制复合技术在20世纪30年代开始就引起了一些材料科学工作者的高度关注，经过几十年的研究和发展，热轧复合工艺和装备已较为成熟。此法成本较低、产量高、效益好，因此被广泛采用。一般在复合轧制过程中需要进行如下几个方面的关键过程控制［9］。

(1)包覆率

包覆率是指单面钎料包覆层厚度占总厚的百分比。这是一个非常重要的性能指标，直接影响钎焊过程能否成功地进行。若包覆率过小，钎焊时钎料就会供应不足，造成虚焊或假焊，影响热交换器的传热性和坚固性，严重时产品就得报废;包覆率过大，芯材的厚度就相对较小。因此，合适的包覆率既能够保证有充分的钎料供应而又不会出现灾难性的坍塌现象，是一个极其重要的问题。除此之外，包覆层厚度的均匀性是衡量钎焊复合材质量的重要指标，它直接影响钎焊材料的钎焊性能和钎焊质量，国内外标准对钎料厚度及包覆厚比都作了严格的规定［10］。包覆率在热轧复合过程中变化如下:

a.包覆率随粗轧阶段随轧制的进行而逐步下降，而热精轧过程中则随轧制的进行而逐步升高;粗轧阶段包覆率(%)=12.458－0.0712×总轧制加工率(%);热轧精阶段包覆率(%)=exp［1.741－0.00846×精轧总变形量(%)］。

b.复合钎焊板在热轧复合后其包覆层的厚度在板带宽度方向上是不均匀的，在距离板边处的包覆层厚度变化较大，而板材中间的包覆层厚度大致不变，包覆层最厚出现在靠近板材的边部。再往中间，包覆层厚度减小直至中间稳定。热粗轧后及热精轧后其包覆层的厚度变化规律大体一致，说明其不均匀性有一定的遗传性。

(2)复合界面的清理。

复合界面的清理质量是轧制复合能否复合成功以及复合质量的好坏影响因素之一。复合界面清理目的是充分去除氧化层、表面油污等杂物，从而得到洁净的表面，有利于复合时原子间的相互扩散实现冶金结合。表面清理的方法又分为酸碱洗化学清理法和机械刷除物理清除法。

(3)热轧复合时的道次加工率设计

热轧复合时的加工工艺中，道次加工率的设计十分重要。热轧复合开始几道次的道次加工率设计的原则是:根据组合坯锭的厚度来进行计算，以保证变形区在复合界面产生。道次加工率一般为3%～7%，因为太小的道次加工率使塑性变形仅在皮材层产生，从而使皮材延伸向上翘起而不能实现皮材与芯材的结合;过大的道次加工率，使变形区深人到芯材深处，在复合界面上不能充分暴露新鲜金属，从而也难于实现皮材与芯材的有效结合。只有在前几道实现皮材与芯材的有效复合后，才可根据轧机的能力，加大道次压下率，使皮材与芯材达到同步延伸。

(4)加热工艺和开轧温度的控制

表面清理好后组装的复合坯锭送入加热炉进行加热，必须根据不同成分的坯料控制好加热炉各温区的温度和加热时间。加热温度过高，有时会使皮材熔化。加热时间过短，坯锭温度不均匀，有时表面温度达到了工艺规定的开轧温度，而坯锭的中心部位温度较低，轧制时因温度差异而使金属延伸不均匀，严重时会出现轧裂现象而报废。因此，实践中认为加热温度(炉温)一般设计在低于皮材固相线温度10～20左右较为理想。开轧温度根据不同的皮材控制在420～520℃，加热时间则根据加热炉的性能和坯料的厚度通过实验确定。

(5)终轧温度的控制

终轧温度的控制也十分重要，理论上要求理想的终轧温度应控制在芯材的再结品温度以上。实践认为，对于以3003合金为芯材的三层复合热轧坯，终轧温度控制在330～350℃，有利于获得后续冷轧加工和成品性能控制的热轧坯细晶组织，这对于带双卷取的热轧机并不困难。

(6)材料状态和性能的控制

复合钎焊板、带、箔的供货状态一般有H1n状态和O状态两种，各客户的装机设备有一定的差别，因此对材料的力性能要求有差异。但不管怎样，同一状态下整卷材料性能的一致性十分重要。对于H14状态的复合带材软硬不一，除了化学成分的不均匀外，成品退火前道次的厚度公差控制尤其重要。这一点往往容易被人忽视，这对于控制材料性能的一致性十分重要，是客户使用时出现的垛片波峰高度不一致、波密度不一致，导致钎焊时出现虚焊的主要原因之一。

(7)复合钎焊板、带、箔的力学性能与芯材成分和微观组织结构的关系

复合钎焊板、带、箔的力学性能与芯材的成分和微观组织结构有十分密切的关系。对于O状态供货的深拉复合板，合理的铁硅比和等轴细晶组织能大幅度提高硬钎焊板的伸长率，减少深拉时的橘皮状缺陷。为了获得等轴细晶组织，有必要优化退火工艺和成品退火前的冷轧总加工率。退火前的冷轧总加工率一般要控制在75%～85%。过大的冷轧加工率，在成品退火时有可能发生再结晶长大，形成粗大晶粒，从而降低伸长率;过小的冷轧加工率，在退火时由于再结晶形核能不足，形核率低而不能获得细晶组织，同样会降低伸长率。