散熱器用4045/3003鋁合金復合管材的開發

楊英春，韓 星，李鵬偉，張海濤，崔建忠

（1.遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003；2.東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽110819）

0 前言

熱交換系統（包括水箱、冷凝器、蒸發器、中冷器等）輕量化是車輛輕量化的一個重點領域[1]。其中，散熱器用管的輕量化是關鍵，用鋁管代替銅管已成為一大發展趨勢[2]。由于工作環境的需要，單一材料的鋁合金管材已不能滿足散熱器用管的需要。鋁合金層狀復合管材是一種具有新型結構與功能的材料，能有效克服單一材料的缺點，結合其組成材料各自的優點，具有良好的可設計性和較高的力學性能[3]。目前鋁合金層狀復合管的制備方法主要包括冷成型法[4]、熱成型法[5]、爆炸焊接成型法[6]、離心鑄造法[7]、高頻焊接法[8]等。但是由于工藝繁瑣、界面結合強度低、安全系數低、能耗高、成本高、不易連續化生產等問題，這些方法很難有效實現工業化生產。

據此，本研究提出“包覆鑄造+擠壓拉拔”工藝，并用于制備熱交換器用鋁合金層狀復合管材。本文采用自行設計制造的包覆鑄造裝置，通過優化工藝參數，完成了4045/3003 包覆鑄錠的制備，并對包覆鑄錠進行反向熱擠壓和冷拉拔，得到鋁合金層狀復合管材，最后進行了釬焊實驗。

1 實驗材料及方法

本研究中的復合管材主要用于制備散熱器用冷凝管，其芯材為3003鋁合金，是3×××系防銹鋁的典型代表，其耐蝕性能很好；表材為4045 鋁合金，是4×××系鋁合金中常見的合金，熔點低，流動性能良好，因此具有很好的釬焊性能。兩種合金成分如表1所示。

本實驗設計包覆鑄錠尺寸為φ164 mm/φ152 mm，包覆率為7.3%，采用同水平分流方式，以保證液面溫度、界面周向溫度均勻。包覆鑄造裝置如圖1所示。先將芯材熔體澆入內結晶器，受石墨內套和引錠的冷卻作用，迅速凝固形成一定厚度的凝固殼（即固態支撐層），然后將皮材熔體澆入外結晶器，同時啟動鑄造機。皮材熔體與高溫的固態支撐層接觸并通過元素擴散實現冶金結合。當鑄錠達到預定長度，停止供流，獲得包覆鑄錠。

圖1 包覆鑄造結晶器

擠壓前，先將鋁合金包覆鑄錠鋸切成350 mm長，然后進行均勻化處理（560 ℃×12 h，空冷至室溫），再對表面進行車削處理。包覆鑄錠采用2 000 MN反向雙動擠壓機熱擠壓成橫截面尺寸為φ32 mm×2.5 mm的復合管坯，然后采用拉拔機冷拉成橫截面尺寸φ20 mm×1.0 mm的復合管材。

分別在包覆鑄錠和復合管材上截取試樣，用濃度為120 g/L的NaOH溶液對結合良好的橫截面進行腐蝕，觀察其宏觀形貌。經過機械打磨拋光，用濃度為0.5%的HF 溶液腐蝕30 s 左右，分析界面處的微觀組織。通過場發射掃描電鏡分析界面處元素分布，并測試界面處顯微硬度分布。在復合界面不同位置處取剪切試樣若干，在萬能試驗機上對試樣進行剪切測試，測試界面結合強度。

2 實驗結果與分析

2.1 包覆鑄錠界面組織

包覆鑄錠界面組織如圖2 所示。從圖2（a）可以看出，鑄錠表面質量良好，界面清晰，兩種合金未發生混流，界面結合良好，其中外層為4045 合金，芯部為3003 合金。界面處微觀組織如圖2（b）所示，左側為4045合金，主要由α-Al和針狀的Al-Si 共晶相構成；右側為3003 合金，由α-Al 和條形的含錳相構成。皮材合金液接觸到芯材支撐層后，受激冷作用開始以支撐層為基底非勻質形核，形成初生α-Al 相。初生α-Al 相沿著冷卻方向由芯材支撐層向皮材合金液中生長，形成柱狀晶，同時向周圍熔體中排出Si溶質，隨著溫度進一步降低，最終形成共晶組織。在皮材以芯材支撐層為基底凝固的過程中，由于芯材支撐層剛出石墨內套，表面溫度較高，再加上皮材合金液也具有較高的溫度，甚至使支撐層外表面發生微熔，這就促進了芯材中Mn 元素和皮材合金中Si 元素擴散，使兩種合金發生熔合擴散結合。

圖2 包覆鑄錠界面組織

2.2 包覆鑄錠界面成分分布

界面處元素分布如圖3所示。從圖中可以看出在界面處合金元素含量均有一個突變的過程，從4045 合金一側到3003 合金一側，Si 元素含量由2.0%減少到0.8%左右，擴散距離大約為15 μm；Mn 元素含量由0.25%增加到1.0%左右，擴散距離約為10 μm，形成大約15 μm的擴散層。

由菲克擴散定律可知，如果擴散系數與濃度、距離無關，則菲克第二定律可寫成

式中，D0為擴散常數；Q為擴散激活能；R為氣體常數；T為熱力學溫度。

由此可見，溫度是影響擴散系數的主要因素。兩種合金剛接觸時，皮材合金熔體溫度較高，且處于液態，Si原子的振動能較大，因此原子借助于能量起伏而越過勢壘進行遷移的概率較大，這樣界面處液態皮材中的Si元素向固相的芯材擴散時有相對較大的擴散系數；而與皮材接觸的芯材支撐層此時已經凝固，元素在固態中的擴散系數要遠遠小于液體中。由文獻[9]可知，Si 元素和Mn 元素在鋁中的擴散常數分別為3.5×10-5m2s-1（344～631 ℃）、2.2×10-5m2s-1（450～650 ℃）。通過式（2）計算可得兩者的擴散系數分別為2.64×10-12m2s-1（627 ℃）、2.22×10-12m2s-1（627 ℃），Si 元素大于Mn 元素。另外，在擴散過程中Si 元素的濃度梯度遠大于Mn 元素。綜合以上原因，在鑄造復合過程中合金元素在界面處發生擴散時，Si元素更容易越過界面向芯材擴散，擴散層厚度要大于Mn 元素。圖4中硬度測試的結果恰恰反映了合金元素在界面處的擴散規律。

圖3 界面處元素分布

2.3 包覆鑄錠界面結合強度

層狀復合材料界面結合強度主要通過拉伸和剪切進行測試，但由于本研究中包覆層只有6 mm，無法加工拉伸試樣。由文獻可知，維氏硬度HV與屈服強度σy的關系大致為HV≈3σy，故可通過測試界面處的顯微硬度來推算界面結合強度。界面處顯微硬度的測試結果如圖4 所示。從圖中可得，4045 一側硬度大約80 HV，3003 合金一側大約為45 HV，界面處為56.4 HV，低于前者而高于后者，這是由界面處元素擴散引起的固溶強化所致。由此可以得出，界面結合強度高于3003 合金屈服強度。

圖4 界面顯微硬度分布

為了表征界面結合強度，從包覆鑄錠上不同位置截剪切試樣進行剪切實驗，檢測結果如圖5 所示。平均抗剪切強度為80.2 MPa，高于3003 鋁合金基體的抗剪切強度，75.3 MPa，從而保證在后續的擠壓過程中兩種合金不會發生相對滑動。

圖5 不同位置界面結合強度

2.4 復合管材界面組織與性能

包覆鑄錠經560 ℃/12 h均勻化退火后，進行反向熱擠壓，再經565 ℃/15 min 退火后，進行冷拉拔，最終制備成熱交換器用冷凝管。復合管材的微觀組織如圖6所示。擠壓與拉拔后的復合管材內表面質量良好，尺寸規整，界面清晰、平直，這說明在反向擠壓后，界面兩側合金結合良好，沒有熔合或相對滑動現象。從界面微觀組織中可以看出，擠壓拉拔后復合管材保留了鑄態時的層狀結構特征，4045 鋁合金與3003 鋁合金的第二相明顯破碎、細化，均勻彌散地分布在基體中。在縱截面上也可以明顯觀察到擠壓后組織的方向性。但是4045 側的第二相明顯比3003 側的第二相多，這是由于Si 元素在固溶體中的溶解度很小，共晶硅很容易在鑄造過程中析出，而3003中主合金元素Mn含量少，且在固溶體中的溶解度比Si大。

將上述工藝制備的鋁合金復合管材（作為集流管）與口琴管進行散熱器的釬焊實驗。釬焊完畢的散熱器表面光潔，目測結果合格。

圖6 復合管材的微觀組織

3 結論

（1）利用自行設計制造的包覆鑄造裝置，通過優化工藝參數，完成了4045/3003 包覆鑄錠的制備，通過反向熱擠壓和冷拉拔，得到鋁合金層狀復合管材，并成功進行了釬焊實驗。

（2）包覆鑄錠界面清晰，曲率規則，無氣孔、夾雜，兩種合金通過元素擴散結合到一起，合金元素Si 和Mn 垂直于界面，有約15 μm 的擴散層，兩種合金實現冶金結合。

（3）界面處顯微硬度為56.4 HV，低于4045合金一側，高于3003 合金一側；界面抗剪切強度為80.2 MPa，高于3003 鋁合金基體，界面結合強度高于3003合金。

（4）在擠壓和拉拔過程中，復合管材保持層狀結構，界面兩側合金結合良好，沒有熔合或相對滑動現象。