散热器用4045/3003铝合金复合管材的开发

杨英春，韩 星，李鹏伟，张海涛，崔建忠

（1.辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003；2.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室，沈阳110819）

0 前言

热交换系统（包括水箱、冷凝器、蒸发器、中冷器等）轻量化是车辆轻量化的一个重点领域[1]。其中，散热器用管的轻量化是关键，用铝管代替铜管已成为一大发展趋势[2]。由于工作环境的需要，单一材料的铝合金管材已不能满足散热器用管的需要。铝合金层状复合管材是一种具有新型结构与功能的材料，能有效克服单一材料的缺点，结合其组成材料各自的优点，具有良好的可设计性和较高的力学性能[3]。目前铝合金层状复合管的制备方法主要包括冷成型法[4]、热成型法[5]、爆炸焊接成型法[6]、离心铸造法[7]、高频焊接法[8]等。但是由于工艺繁琐、界面结合强度低、安全系数低、能耗高、成本高、不易连续化生产等问题，这些方法很难有效实现工业化生产。

据此，本研究提出“包覆铸造+挤压拉拔”工艺，并用于制备热交换器用铝合金层状复合管材。本文采用自行设计制造的包覆铸造装置，通过优化工艺参数，完成了4045/3003 包覆铸锭的制备，并对包覆铸锭进行反向热挤压和冷拉拔，得到铝合金层状复合管材，最后进行了钎焊实验。

1 实验材料及方法

本研究中的复合管材主要用于制备散热器用冷凝管，其芯材为3003铝合金，是3×××系防锈铝的典型代表，其耐蚀性能很好；表材为4045 铝合金，是4×××系铝合金中常见的合金，熔点低，流动性能良好，因此具有很好的钎焊性能。两种合金成分如表1所示。

本实验设计包覆铸锭尺寸为φ164 mm/φ152 mm，包覆率为7.3%，采用同水平分流方式，以保证液面温度、界面周向温度均匀。包覆铸造装置如图1所示。先将芯材熔体浇入内结晶器，受石墨内套和引锭的冷却作用，迅速凝固形成一定厚度的凝固壳（即固态支撑层），然后将皮材熔体浇入外结晶器，同时启动铸造机。皮材熔体与高温的固态支撑层接触并通过元素扩散实现冶金结合。当铸锭达到预定长度，停止供流，获得包覆铸锭。

图1 包覆铸造结晶器

挤压前，先将铝合金包覆铸锭锯切成350 mm长，然后进行均匀化处理（560 ℃×12 h，空冷至室温），再对表面进行车削处理。包覆铸锭采用2 000 MN反向双动挤压机热挤压成横截面尺寸为φ32 mm×2.5 mm的复合管坯，然后采用拉拔机冷拉成横截面尺寸φ20 mm×1.0 mm的复合管材。

分别在包覆铸锭和复合管材上截取试样，用浓度为120 g/L的NaOH溶液对结合良好的横截面进行腐蚀，观察其宏观形貌。经过机械打磨抛光，用浓度为0.5%的HF 溶液腐蚀30 s 左右，分析界面处的微观组织。通过场发射扫描电镜分析界面处元素分布，并测试界面处显微硬度分布。在复合界面不同位置处取剪切试样若干，在万能试验机上对试样进行剪切测试，测试界面结合强度。

2 实验结果与分析

2.1 包覆铸锭界面组织

包覆铸锭界面组织如图2 所示。从图2（a）可以看出，铸锭表面质量良好，界面清晰，两种合金未发生混流，界面结合良好，其中外层为4045 合金，芯部为3003 合金。界面处微观组织如图2（b）所示，左侧为4045合金，主要由α-Al和针状的Al-Si 共晶相构成；右侧为3003 合金，由α-Al 和条形的含锰相构成。皮材合金液接触到芯材支撑层后，受激冷作用开始以支撑层为基底非匀质形核，形成初生α-Al 相。初生α-Al 相沿着冷却方向由芯材支撑层向皮材合金液中生长，形成柱状晶，同时向周围熔体中排出Si溶质，随着温度进一步降低，最终形成共晶组织。在皮材以芯材支撑层为基底凝固的过程中，由于芯材支撑层刚出石墨内套，表面温度较高，再加上皮材合金液也具有较高的温度，甚至使支撑层外表面发生微熔，这就促进了芯材中Mn 元素和皮材合金中Si 元素扩散，使两种合金发生熔合扩散结合。

图2 包覆铸锭界面组织

2.2 包覆铸锭界面成分分布

界面处元素分布如图3所示。从图中可以看出在界面处合金元素含量均有一个突变的过程，从4045 合金一侧到3003 合金一侧，Si 元素含量由2.0%减少到0.8%左右，扩散距离大约为15 μm；Mn 元素含量由0.25%增加到1.0%左右，扩散距离约为10 μm，形成大约15 μm的扩散层。

由菲克扩散定律可知，如果扩散系数与浓度、距离无关，则菲克第二定律可写成

式中，D0为扩散常数；Q为扩散激活能；R为气体常数；T为热力学温度。

由此可见，温度是影响扩散系数的主要因素。两种合金刚接触时，皮材合金熔体温度较高，且处于液态，Si原子的振动能较大，因此原子借助于能量起伏而越过势垒进行迁移的概率较大，这样界面处液态皮材中的Si元素向固相的芯材扩散时有相对较大的扩散系数；而与皮材接触的芯材支撑层此时已经凝固，元素在固态中的扩散系数要远远小于液体中。由文献[9]可知，Si 元素和Mn 元素在铝中的扩散常数分别为3.5×10-5m2s-1（344～631 ℃）、2.2×10-5m2s-1（450～650 ℃）。通过式（2）计算可得两者的扩散系数分别为2.64×10-12m2s-1（627 ℃）、2.22×10-12m2s-1（627 ℃），Si 元素大于Mn 元素。另外，在扩散过程中Si 元素的浓度梯度远大于Mn 元素。综合以上原因，在铸造复合过程中合金元素在界面处发生扩散时，Si元素更容易越过界面向芯材扩散，扩散层厚度要大于Mn 元素。图4中硬度测试的结果恰恰反映了合金元素在界面处的扩散规律。

图3 界面处元素分布

2.3 包覆铸锭界面结合强度

层状复合材料界面结合强度主要通过拉伸和剪切进行测试，但由于本研究中包覆层只有6 mm，无法加工拉伸试样。由文献可知，维氏硬度HV与屈服强度σy的关系大致为HV≈3σy，故可通过测试界面处的显微硬度来推算界面结合强度。界面处显微硬度的测试结果如图4 所示。从图中可得，4045 一侧硬度大约80 HV，3003 合金一侧大约为45 HV，界面处为56.4 HV，低于前者而高于后者，这是由界面处元素扩散引起的固溶强化所致。由此可以得出，界面结合强度高于3003 合金屈服强度。

图4 界面显微硬度分布

为了表征界面结合强度，从包覆铸锭上不同位置截剪切试样进行剪切实验，检测结果如图5 所示。平均抗剪切强度为80.2 MPa，高于3003 铝合金基体的抗剪切强度，75.3 MPa，从而保证在后续的挤压过程中两种合金不会发生相对滑动。

图5 不同位置界面结合强度

2.4 复合管材界面组织与性能

包覆铸锭经560 ℃/12 h均匀化退火后，进行反向热挤压，再经565 ℃/15 min 退火后，进行冷拉拔，最终制备成热交换器用冷凝管。复合管材的微观组织如图6所示。挤压与拉拔后的复合管材内表面质量良好，尺寸规整，界面清晰、平直，这说明在反向挤压后，界面两侧合金结合良好，没有熔合或相对滑动现象。从界面微观组织中可以看出，挤压拉拔后复合管材保留了铸态时的层状结构特征，4045 铝合金与3003 铝合金的第二相明显破碎、细化，均匀弥散地分布在基体中。在纵截面上也可以明显观察到挤压后组织的方向性。但是4045 侧的第二相明显比3003 侧的第二相多，这是由于Si 元素在固溶体中的溶解度很小，共晶硅很容易在铸造过程中析出，而3003中主合金元素Mn含量少，且在固溶体中的溶解度比Si大。

将上述工艺制备的铝合金复合管材（作为集流管）与口琴管进行散热器的钎焊实验。钎焊完毕的散热器表面光洁，目测结果合格。

图6 复合管材的微观组织

3 结论

（1）利用自行设计制造的包覆铸造装置，通过优化工艺参数，完成了4045/3003 包覆铸锭的制备，通过反向热挤压和冷拉拔，得到铝合金层状复合管材，并成功进行了钎焊实验。

（2）包覆铸锭界面清晰，曲率规则，无气孔、夹杂，两种合金通过元素扩散结合到一起，合金元素Si 和Mn 垂直于界面，有约15 μm 的扩散层，两种合金实现冶金结合。

（3）界面处显微硬度为56.4 HV，低于4045合金一侧，高于3003 合金一侧；界面抗剪切强度为80.2 MPa，高于3003 铝合金基体，界面结合强度高于3003合金。

（4）在挤压和拉拔过程中，复合管材保持层状结构，界面两侧合金结合良好，没有熔合或相对滑动现象。