434铝基复合材料关键参数的确定

2020-09-11熊彪

铝加工 2020年4期

熊彪

（中色科技股份有限公司，洛阳471039）

0 前言

汽车热交换器用复合铝带箔是一类高附加值产品。随着我国汽车工业的快速发展，汽车热交换复合铝带箔显现出勃勃商机[1]。随着汽车工业的飞速发展，汽车轻量化越来越被关注，而汽车用铝质散热器就是轻量化的一个缩影。铝合金复合钎焊板（箔）因具有优良的抗腐蚀性能和导电导热性能，被广泛应用于各种热交换器中，如汽车水箱散热器、汽车空调冷凝器、蒸发器等[2]。

汽车热交换器用复合钎焊铝箔是以Al-Mn合金（3003合金）为芯材，双面包覆一定厚度的Al-Si合金（4004合金）钎料（皮材），采用热轧工艺轧制复合而成。复合钎焊铝箔制汽车散热器的质量比铜箔制的同类产品明显减轻，再加上铝的价格比铜低，从而极大地促进了汽车轻量化的发展。目前发达国家汽车热交换器零部件的铝化率已达95%以上[3]。

据文献介绍[4]，金属复合材料的加工方法主要有固-固相复合法、固-液相复合法和液-液相复合法。

本研究的散热器主要由434复合板、翅片、封条组成，而434复合板的质量基本决定了整个散热器的质量，是散热器的关键材料之一。该434复合板的制取方法主要是通过三层金属复合轧制压延，在轧制压力的作用下，通过加热和塑性变形时原子间高度扩散作用实现冶金结合的复合方法。434复合板主要是由三层金属组成，芯材选用3003合金（该合金具有比较高的强度、较高的熔点、良好的耐蚀性、加工性能及热传导性能），双面包覆4004合金（该合金熔点较低，具有良好的流动性、填充性以及焊接性能）。在一定的温度介质条件下，芯材不被熔化，而包覆合金熔化，起到焊接作用。

在焊接过程中，434复合板的皮材会熔化成焊接所需的原料，因此外部包覆层的厚度对散热器的质量有着很大的影响，也就是说包覆率的稳定性是影响铝合金复合板产品质量以及散热器性能的一个重要因素。复合板的包覆率就是指单面皮材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，直接影响焊接过程能否成功。当包覆率过大时，芯材的厚度就相对较小，焊接时往往难以支撑热交换器的重量以及夹具的压力，从而发生坍塌；当包覆率过小时，焊接时，充当焊料的皮材就会供应不足，造成漏焊，影响散热器的性能，严重时将导致产品报废[5-6]。

本文通过对434复合板材料包覆率的研究，确定了皮材和芯材复合前的尺寸；通过对材料的软化和硬化特性曲线的研究，确定了中间退火时料温控制范围和退火后冷轧道次加工率，生产出满足用户使用要求的产品。

1 材料要求

1.1 化学成分

434复合板中皮材4004及芯材3003的化学成分见表1。

表1 4004/3003/4004复合材料的化学成分（质量分数/%）

1.2 材料规格及技术参数

产品成品规格：0.8 mm×1 250 mm×2 500 mm。包覆层厚度要求见表2，434复合材料力学性能要求见表3。

表2 包覆层厚度要求

表3 434复合材料力学性能

2 工艺路线

本研究的工艺路线见图1。

3 试验过程

3.1 包覆率试验

本文在理论研究的基础上，确定了复合材料皮材和芯材的尺寸，并经过实际生产得到验证。

汽车热交换器用复合钎焊铝箔是以Al-Mn合金（3003合金）为芯材，双面包覆一定厚度的Al-Si合金（4004合金）钎料，芯材在钎焊过程中起支撑作用，双面复合的钎料作为焊接的原料。如果包覆率不合适会导致散热器坍塌或者漏焊及焊接脱落，从而致使整块热交换器报废。因此，需要确定皮材和芯材厚度尺寸。

芯材皮材厚度的合理搭配是成品包覆率得到保证的前提条件。而皮材、芯材厚度的选择除了受成品包覆率的影响，还与热轧轧制过程有关。热轧复合轧制属于二种不同变形抗力的金属组成三层迭合轧制，它不同于普通的单材轧制，具有独特的轧制特性和变形规律。在热轧复合过程中，随着变形程度的增加，基体材料变形速度和包覆材的变形速度也将发生变化。热轧复合过程可分为三个阶段：第一阶段为热轧的前几个道次。该阶段的变形特点是两种材料尚未粘接，各自变形，组元界面有相对滑动，称为自由变形阶段。在此阶段，包覆板的变形明显快于基体；第二阶段各组元界面已有部分焊合，不再产生相对滑动，轧制变形量达到了临界变形量，称为半约束阶段。此阶段中包覆板变形速度的增加幅度小于基体的变形速度；第三阶段是各组元焊合后的轧制阶段，此阶段两组元的变形速度已基本一致[6]。

复合轧制前材料的包覆率应根据成品材料的包覆率进行选择，成品材料包覆率要求下限为：0.07/0.8×100＝8.75%，上限为：0.14/0.8×100＝17.5%。根据上面的理论，成品材料的包覆率和复合轧制前材料的包覆率不是相等的，而是存在一定的关系的，而且成品材料的包覆率小于复合轧制前材料的包覆率，因此复合轧制前材料的包覆率应选择在8.75%～17.5%的中上限。根据这一原则，本工艺试验选用的皮材和芯材尺寸规格见表4。成品切板时，按照5%的频率取样检测成品厚度包覆率，以此来检验皮材和芯材尺寸选择的合理性。

表4 皮材和芯材尺寸的选择

3.2 冷轧道次加工率试验

由于产品的合金状态为434-H14，在冷轧精整工序生产时，需要通过中间完全软化退火和退火后的道次加工率来控制434复合材料的力学性能，使材料的力学性能达到要求。因此需要确定材料完全软化点的温度和合适的道次加工率，从而确定材料的工艺路线。

3.2.1 软化试验

为了掌握材料达到完全再结晶时的软化温度，制定出合理的中间退火工艺，在冷轧至2.4 mm厚度时取样，进行马弗炉退火试验。选取试验温度为260～350℃，每隔10℃进行一次试验，保温1 h。出炉后检测材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率，从而得到材料的软化曲线。

3.2.2 硬化试验

为了确定中间退火后冷轧道次加工率，对冷轧至2.4 mm的料卷进行加工硬化试验。按10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%加工率进行轧制，轧制后取样检测材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率，从而得到材料的硬化曲线。

4 试验结果及分析

4.1 包覆层厚度检测结果及分析

稳定生产时，中间按照5%的频率取样进行包覆率检测，即每20张板取1小片样，取样规格：0.8 mm×1 250 mm×50 mm，然后切成25 mm×25mm样片，同时进行标记。上表面标记为“S”，下表面标记为“X”，传动侧标记为“D”，操作侧标记为“W”。

上下表面包覆层厚度检测曲线见图2，上表面操作侧和传动侧包覆层厚度检测结果见图3，下表面操作侧和传动侧包覆层厚度检测结果见图4。

由图2、图3图4可以看出包覆层厚度在0.08～0.12 mm区间，基本上都在0.10 mm左右。从图2看，上表面包覆层厚度略大于下表面包覆层厚度，造成这一现象的原因分析如下。首先，在热轧开始时，上下两块包覆板的变形程度不同，由于铸锭自重导致下包覆板与辊道存在摩擦力的作用，下包覆板的摩擦力要大于上包覆板，使得上包覆层变形速率比下表面包覆层变形速度要快；其次，在轧制过程中，上下两块包覆板的冷却程度不同，上包覆板的冷却速度略快于下包覆板，变形抗力随温度升高而降低，因此下包覆板更易于变形。以上两点原因导致上表面包覆层厚度略大于下表面包覆层厚度，但都在控制目标范围内。而图3和图4分别从上表面和下表面对比分析了操作侧和传动侧的包覆层厚度，结果无明显规律，都在合格范围内。

4.2 材料软化曲线

按上述软化试验结果绘制出材料的软化曲线，如图5所示。

通过软化曲线可以看出，随着退火温度的升高，材料的抗拉强度和屈服强度逐渐减小，延伸率逐渐变大。此过程可以分为以下三个阶段：第一个阶段为回复阶段。内部为细长的纤维状冷轧变形组织，晶内位错逐渐迁移，但其内部还存在大量的位错，此时强度略有下降，延伸率变化不大。晶内位错不断迁移、调整和排布，有序排列完成后形成亚晶织构，为形核创造了有利的条件；第二阶段为再结晶组织和纤维组织共存阶段，基体内晶核慢慢形成，原细长的纤维状冷轧变形织构晶粒正逐渐被新的等轴晶粒替代，形成均匀细小的再结晶组织；第三阶段为完全再结晶阶段，纤维组织完全被再结晶组织替代。

从图5可以看出，料温在300℃以上时，材料的力学性能指标趋于稳定，屈强比小于0.5，材料处于完全再结晶状态。根据这一结果，在生产中制定退火工艺时采取打热电偶监控料温的方式进行退火：炉气定温380℃，料温大于300℃时出炉。

4.3 材料硬化曲线

按上述硬化试验结果绘制出材料的硬化曲线，如图6所示。

随着轧制加工率的增大，材料抗拉强度、屈服强度逐渐增大，延伸率逐渐变小。从图6看，加工率在25%～45%时，可以保证材料力学性能满足要求。结合实际情况，实际生产时加工率按30%控制，生产出的产品力学性能见表5。

表5 实测力学性能

4.4 金相显微组织

对成品板材取30mm×30 mm样片进行打磨抛光，观察其显微组织，结果如图7所示。

从图7可以看出，包覆层整体比较平直，包覆层和芯层结合均匀、致密，说明材料复合效果较好。同时可以看出，434复合材料在微观状态下的组织形貌有所不同，这主要是因为芯层3003和包覆层4004两者的金相组织存在着不同，3003主要以（FeMn）Al6、（FeMn)3SiAl12为主，而4004主要组织为α（Fe2SiAl8）、Si共晶和β（Al5FeSi）。