冷轧复合翅片在热传输领域的应用

2020-10-22

世界有色金属 2020年14期

（江苏鼎胜新能源材料股份有限公司，江苏镇江 212141）

热传输领域涉及汽车、工程机械、微通道、PTC、电站空冷、空分、船舶、高铁、新能源、5G、电信传输等领域的空调、换热系统及部分结构件，其中在汽车领域的交换器主要包括空调系统和换热系统，空调系统包括：冷凝器、暖风、蒸发器、PTC加热器等，换热系统包括：中冷器、水箱、油冷器、新能源电池水冷板等，主要材料构成包括[1]：各种规格铝合金及铝合金复合板、带、箔及部分挤压管材。过去行业内热传输领域热交换器用复合翅片铝箔主要采用“半连续铸造+热轧复合”方式，一种新的热传输领域热交换器用复合翅片铝箔生产工艺—“连续铸轧+冷轧复合”短流程生产技术已迅速在热交换器领域显示出其良好的应用前景。

1 连续铸轧+冷轧复合工艺介绍

热传输领域热交换器用复合翅片是以Al-Mn合金为芯层，常见芯层合金如：3003、3003+Cu、3003+Mg、3003+Zn、3003+Zn+Zr等，双面复合6%～14%的Al-Si合金复合层，常见复合层合金如：4343、4045、4004等，其中芯层、上下复合层采用连续铸轧及后续冷轧加工方式生产，然后经过冷轧复合及后续冷轧加工而成，3层复合翅片其断面金相图[4]如图1所示：

图1 复合翅片断面金相示意图

由于热传输领域热交换器用复合翅片需要轧波、装配、钎焊（钎焊温度≥580℃）及焊后测试，因此要求其具备严格的质量控制标准。不仅需要原材料具有良好的表面质量、尺寸公差、端面质量及板型质量，而且要求原材料组织均匀、性能均匀及良好的成型性，尤其对包覆率均匀性、焊后强度、焊点质量、抗下垂性能、SWAAT盐雾试验耐腐蚀性能等指标要求严格。

连续铸轧+冷轧复合翅片生产工艺如图2所示。

图2 连续铸轧+冷轧复合翅片生产工艺流程

1.1 包覆率检测

分别取“连续铸轧+冷轧复合”及“半连续铸造+热轧复合”工艺复合翅片中间厚度0.5mm纵剪切边后取切边时取横幅样，尺寸如下：0.5mm目标厚度×1230mm工序材料宽度*200mm轧制方向长度；以上横幅样片1230mm方向从操作侧至传动侧每隔205mm长度区域中间位置取一样片，总计共六张方形样片，尺寸为20mm（垂直于轧制方向）*40mm（轧制方向）。

对以上各六张样片进行打磨，磨削面应为送检样片的横截面，试样的被检查面用铣刀、锉刀或砂纸去掉1mm～3mm，加工成平面，用600目砂纸垂直磨削方向进行粗磨，待磨掉磨削后，用≥800目的砂纸细磨，磨去所有粗磨痕为止，磨制时采用水、抛光剂进行冷却和润滑，将磨好的试样用水冲洗干净，在抛光机上抛光，垂直于磨痕进行抛光，抛光至磨痕全无且抛面平整光亮无污物。经抛光后的试样，用水冲洗，并用无水乙醇擦干表面后，使用电解抛光，抛光后用水冲洗。用无水乙醇擦干表面后，在显微镜下检测包覆率。“连续铸轧+冷轧复合”包覆率检测图片如图3所示，“半连续铸造+热轧复合”包覆率检测图片如图4所示。

通过“连续铸轧+冷轧复合”包覆率检测与“半连续铸造+热轧复合”包覆率检测结果，综合数据如下表1所示。

图3 连续铸轧+冷轧复合翅片包覆率检测金相图

图4 半连续铸造+热轧复合翅片包覆率检测金相图

表1 “连续铸轧+冷轧复合”与“半连续铸造+热轧复合”工艺包覆率检测结果

通过表1数据可以看出，“连续铸轧+冷轧复合”较“半连续铸造+热轧复合”工艺实测包覆率较平均值最大偏差、实际最大偏差小，包覆率均匀。

1.2 力学性能检测

取“连续铸轧+冷轧复合”工艺复合翅片成品样片，在样片轧制方向（RD）和横向方向（TD）的平面内，沿轧制方向取长度为180mm，沿横向方向取长度为25mm，按照拉伸试样标准，加工成拉伸式样。客户要求抗拉强度为180MPa～220MPa，延伸率大于0.5，检测结果数据如下表2所示。

表2 “连续铸轧+冷轧复合”工艺复合翅片成品力学性能检测结果

1.3 抗下垂值检测

取“连续铸轧+冷轧复合”工艺复合翅片成品样片，在样片轧制方向（RD）和横向方向（TD）的平面内，沿轧制方向取长度为100mm，沿横向方向取长度为22mm，即实验样片规格为100mmx22mmx0.08mm，实验装置为图5所示，横梁长度为250mm，宽度为50mm，高度为105mm，夹放式样的位置高度为97.7mm。样品编号为01～05#。

图5 抗下垂试验装置图

将该装置放置在马弗炉中，根据以下的升温制度升高温度：室温20℃～400℃/25min+400℃保温5min+400℃～600℃/13min+600℃保温10min，在600℃的最终热处理后，立刻取出样片，采用数显游标卡尺测量下垂数据，检测结果数据汇总如下表3所示。

表3 “连续铸轧+冷轧复合”工艺复合翅片成品抗下垂值检测结果

“连续铸轧+冷轧复合”翅片生产过程中，关键点在于原材料制备、复合前表面处理、复合过程、成品前退火及道次加工率。在原材料制备方面，我司具有国内外领先的连续铸轧生产技术，可根据客户要求定制开发新合金。目前，行业内金属表面处理技术已非常成熟，如：钢铁、铜表面打磨装置可有效消除金属表面氧化膜，而铝合金表面硬度远低于钢铁、铜表面硬度。在冷轧复合方面[2]，经过大量试验研究，我司完全掌握了不同材料的冷轧复合参数，如：轧辊磨削工艺、在线加热技术、冷轧复合工艺参数、复合效果检验办法、轧辊表面润滑技术等。在成品前退火工艺及道次加工率方面，利用先进的检测设备如：蔡司金相显微镜、扫描电镜（SEM）等，结合钎焊原理及热轧复合翅片工艺，对大小角度晶界、晶粒尺寸、钎焊后翅片熔蚀点及熔蚀深度、扩散层深度及扩散量等指标进行了大量研究，得到了最佳的复合翅片成品前退火工艺及道次加工率[3]。因此，通过以上工艺研究、过程控制及行业经验借鉴，得到了与热轧复合翅片性能指标相当的“连续铸轧+冷轧复合”翅片材料，保证了“连续铸轧+冷轧复合”技术的先进性和可靠性。

中国铝加工产业发展经历了60多年的发展历史，特别是近20年在国家制造业大发展的背景下，铝加工产业快速发展，但同时环保问题也异常突出。采用“连续铸轧+冷轧复合”短流程技术生产钎焊用复合翅片材料不会出现环境污染问题。首先连续铸轧过程中，配备了先进的烟气回收系统、铝灰二次利用系统、废水回收循环利用系统等，确保连续铸轧过程中对环境无污染。冷轧复合过程中，配备了砂带、钢丝刷、尼龙刷三级表面系统，并配备了在线负压抽吸装置，确保打磨过程中产生的铝粉100%回收，并送熔炼回炉重新利用，确保对环境无污染。同时由于“铸轧+冷轧复合”短流程技术流程短、能耗低，顺应国家节能降耗政策，确保企业可持续发展。

不断收紧的汽车油耗及排放法规，不仅造就了火热的新能源汽车市场，同样捧热了一批汽车轻量化材料[5]，“连续铸轧+冷轧复合”短流程技术顺应了汽车行业的发展，拓展了铝合金材料在汽车轻量化中的应用。