高频焊管复合板组织和抗下垂性能的试验研究

2020-09-11张云龙张文静张祥斌

铝加工 2020年4期

张云龙，张文静，张璇，张祥斌，韩颖

（1.东北轻合金有限责任公司，哈尔滨150060；2.中铝材料应用研究院有限公司苏州分公司，苏州215026）

0 前言

随着时代的进步与现代工业技术的发展，汽车轻量化是汽车制造行业新的发展方向，而汽车散热器的轻量化是汽车轻量化的重要途径之一。将厚度较薄的高频焊管复合板应用于汽车散热器上既可以减轻汽车质量、节省能源，又可以提高散热器的使用寿命[1]。

现阶段国产高频焊管复合板的性能仍不稳定，特别是抗下垂性能很不稳定。而抗下垂性能又是衡量复合材料质量好坏的重要指标，它直接影响到汽车散热器的钎焊成型性及散热效果。复合板在高温钎焊过程中，4×××系铝合金皮材会逐渐熔化，硅元素在浓度梯度的作用下沿晶界向芯材扩散、渗透，逐渐熔蚀芯材，导致起支撑作用的芯材变薄，强度降低，抗下垂性能变差。因此，较薄的复合板在600～620℃高温钎焊时容易出现下垂现象[2]。

本文针对自主研制的0.22 mm厚的高频焊管复合板，进行了生产工艺的试验研究，开发出钎焊后具有良好抗下垂性能的高频焊管复合板，满足了用户使用要求。

1 试验材料及方案

本试验工艺路线为：配料→熔炼→成分分析→精炼→铸造→锯切→铣面→焊合→加热→热轧→冷轧→中间退火→冷轧→成品退火→精整→锯切→检测。

研究用复合板采用热轧复合工艺生产，将0359E合金铸锭作为芯材，上、下表面分别包覆4343合金板材；7072合金板材作为皮材，所用合金化学成分的实测值分别列于表1中。

表1 4343/0359E/7072三层复合板化学成分（质量分数/%）

将复合板双面包覆率控制在（10±2）%。先打磨皮材4343合金、7072合金结合面，用航空汽油清洁芯材0359E合金的表面，然后打定位销、打钢带固定后进行加热和轧制，制成厚度为6.0 mm的复合板坯。

将6.0 mm厚的4343/0359E/7072热轧态复合板坯冷轧至1.0 mm，再取样进行试验。在实验室采用400 mm小型冷轧机和纳博热炉开展不同冷轧加工率与不同热处理制度的匹配试验，以研究复合板组织变化对其抗下垂性能的影响，具体工艺优化参数如图1所示。

复合板钎焊抗下垂试验参照日本低温钎焊委员会编制的抗下垂试验方法进行。试验中测量的下垂值用于反映复合板抗下垂性能的好坏，下垂值越小，表明该材料的抗下垂性能越好，即钎焊成型性能越好。图2是下垂值测量示意图，h值表示试样在测试温度下的下垂量。数量为每组3个平行试样，规格为100 mm长、22 mm宽、悬空长度为50 mm。选用VTB 335型铝合金真空钎焊炉进行钎焊试验，钎焊制度为620℃/20 min。对钎焊前和钎焊后的试样进行电解抛光阳极覆膜后，采用蔡司光学显微镜进行组织观察。

2 试验结果与分析

2.1 高频焊管复合板组织形貌分析

图3～图5分别是12%、21.4%及31.3%冷轧加工率高频焊管复合板在不同中间退火温度、不同成品退火温度下的组织形貌。可以看出，复合板在300℃、360℃中间退火、230～270℃成品退火时，芯材为纤维状组织；在420℃、480℃中间退火、230～270℃成品退火时，芯材为长条状晶粒组织。

图6～图8分别是12%、21.4%及31.3%冷轧加工率下的高频焊管复合板在不同中间退火温度、不同成品退火温度下经620℃高温钎焊后的组织形貌。可以看出，不同冷轧加工率与不同热处理制度匹配后制备出的复合板钎焊后晶粒的长径比不同。

2.2 高频焊管复合板钎焊抗下垂性能

对不同生产工艺下制备的复合板进行钎焊抗下垂试验，并测量其下垂值，结果如表2所示。

表2 不同生产工艺下复合板钎焊抗下垂试验结果

结合图6～图8与表2可知，不同生产工艺下制备的高频焊管复合板钎焊后的组织形貌与下垂值的测量数据稳定，波动范围小。可以看出，随着中间退火温度的提高，相同冷轧加工率下的复合板钎焊后形成的晶粒长径比越大，下垂值越小。随着冷轧加工率的增大，复合板钎焊后形成的晶粒长径比变小，下垂值变大。彭志辉等人通过对试验数据的比较和分析，认为冷轧加工率是影响复合板钎焊后下垂性能的重要因素，中间退火工艺是影响复合板钎焊后下垂性能的另一因素[3]。另外，为了满足不同用户对产品强度与延伸率的要求，可以优化复合板的成品退火温度。

通过本次实验结果可以看出，当0.22 mm厚的高频焊管复合板的冷轧加工率控制在12%～21.4%，中间退火温度在420～480℃，成品退火温度在230～270℃时，其钎焊后的抗下垂性能较好。

2.3 试验工艺对抗下垂性能的影响

复合板在高温钎焊过程中，皮材中的Si元素沿着晶界向芯材扩散。芯材的晶粒越小，晶界越多，Si元素扩散的通道越多，从而Si元素向芯材扩散的程度越大，复合板的抗下垂性能越差，反之亦然[4]。因此，要想提高复合板的抗下垂性能，就要增大芯材的晶粒尺寸，减少晶界数量，即减少Si元素向芯层扩散的通道。在复合板的各项生产工序中，对抗下垂性能影响显著的因素主要有材料的均匀化、中间退火工艺及冷轧加工率。

（1）均匀化是材料生产的重要工序，主要是为了消除组织、成分偏析等铸造缺陷。在进行均匀化的过程中，芯材合金中的过饱和固溶元素析出形成弥散第二相。随着温度的升高和时间的延长，合金中的第二相尺寸逐渐变大，同时数量减少。这些在均匀化过程中形成的粗大第二相将在后续的再结晶形核阶段充当形核点，增加再结晶形核数量，从而形成细小的再结晶组织，导致加剧熔蚀过程，使材料的抗下垂性能变差。而非均匀化的组织中过饱和的固溶元素将在后续的轧制、退火和钎焊过程中析出，阻碍再结晶过程，从而获得粗大长条状再结晶晶粒组织，有益于提高材料的抗下垂性能。因此，一般3×××系铝合金不进行均匀化处理[5]。

（2）中间退火工艺对复合板的抗下垂性能有一定的影响。经过低温中间退火的复合板，其芯材未发生再结晶，为纤维状组织；经过高温中间退火的复合板，其芯材发生完全再结晶，为长条状晶粒组织，再经过高温钎焊后，长条状晶粒组织进一步增大，长径比明显大于经过低温中间退火的复合板，因此，材料的抗下垂性能提高。

（3）冷轧加工率对复合板抗下垂性能的影响十分显著。在中间退火制度相同的条件下，加工率太小或者太大，复合板的抗下垂性能都会有不同程度的降低。较小的冷轧加工率会减少复合板的变形储能，提高其再结晶温度，使得高温钎焊时芯材中的晶粒再结晶不完全，为亚晶晶粒组织组成的回复组织，存在大量的亚晶界。钎焊过程中，皮材铝合金中的Si原子通过芯材合金亚晶晶面的缺陷扩散，使复合板的抗下垂性能降低。而冷轧加工率过大，冷轧后材料会产生大量变形位错组织，3×××系铝合金芯材的变形储能增加，再结晶的温度降低，经高温钎焊后发生完全再结晶，形成细小的等轴晶粒组织，并且存在大量晶界。钎焊过程中，熔融状态的4×××系铝合金中的Si原子沿着3×××系铝合金的再结晶界面向着芯材中扩散，导致复合板的抗下垂性能降低。

因此，控制晶粒形状与尺寸、减少晶界薄弱环节是提高合金高温性能的关键。而单位体积内较粗大的长条状组织的晶界面积明显少于细小等轴晶组织，有利于提高合金的蠕变性能[6]。本次实验通过冷轧加工率与热处理制度的合理匹配，使高频焊管复合板的晶粒呈长条状，且沿轧制方向分布，减少了高温钎焊下薄弱环节的晶界面积。钎焊后形成粗大的扁长形晶粒可以提高复合板的抗下垂能力。