434鋁基復合材料關鍵參數的確定

熊 彪

（中色科技股份有限公司，洛陽471039）

0 前言

汽車熱交換器用復合鋁帶箔是一類高附加值產品。隨著我國汽車工業的快速發展，汽車熱交換復合鋁帶箔顯現出勃勃商機[1]。隨著汽車工業的飛速發展，汽車輕量化越來越被關注，而汽車用鋁質散熱器就是輕量化的一個縮影。鋁合金復合釬焊板（箔）因具有優良的抗腐蝕性能和導電導熱性能，被廣泛應用于各種熱交換器中，如汽車水箱散熱器、汽車空調冷凝器、蒸發器等[2]。

汽車熱交換器用復合釬焊鋁箔是以Al-Mn合金（3003合金）為芯材，雙面包覆一定厚度的Al-Si合金（4004合金）釬料（皮材），采用熱軋工藝軋制復合而成。復合釬焊鋁箔制汽車散熱器的質量比銅箔制的同類產品明顯減輕，再加上鋁的價格比銅低，從而極大地促進了汽車輕量化的發展。目前發達國家汽車熱交換器零部件的鋁化率已達95%以上[3]。

據文獻介紹[4]，金屬復合材料的加工方法主要有固-固相復合法、固-液相復合法和液-液相復合法。

本研究的散熱器主要由434復合板、翅片、封條組成，而434復合板的質量基本決定了整個散熱器的質量，是散熱器的關鍵材料之一。該434復合板的制取方法主要是通過三層金屬復合軋制壓延，在軋制壓力的作用下，通過加熱和塑性變形時原子間高度擴散作用實現冶金結合的復合方法。434復合板主要是由三層金屬組成，芯材選用3003合金（該合金具有比較高的強度、較高的熔點、良好的耐蝕性、加工性能及熱傳導性能），雙面包覆4004合金（該合金熔點較低，具有良好的流動性、填充性以及焊接性能）。在一定的溫度介質條件下，芯材不被熔化，而包覆合金熔化，起到焊接作用。

在焊接過程中，434復合板的皮材會熔化成焊接所需的原料，因此外部包覆層的厚度對散熱器的質量有著很大的影響，也就是說包覆率的穩定性是影響鋁合金復合板產品質量以及散熱器性能的一個重要因素。復合板的包覆率就是指單面皮材包覆層厚度占總厚的百分比，這是一個非常重要的性能指標，直接影響焊接過程能否成功。當包覆率過大時，芯材的厚度就相對較小，焊接時往往難以支撐熱交換器的重量以及夾具的壓力，從而發生坍塌；當包覆率過小時，焊接時，充當焊料的皮材就會供應不足，造成漏焊，影響散熱器的性能，嚴重時將導致產品報廢[5-6]。

本文通過對434復合板材料包覆率的研究，確定了皮材和芯材復合前的尺寸；通過對材料的軟化和硬化特性曲線的研究，確定了中間退火時料溫控制范圍和退火后冷軋道次加工率，生產出滿足用戶使用要求的產品。

1 材料要求

1.1 化學成分

434復合板中皮材4004及芯材3003的化學成分見表1。

表1 4004/3003/4004復合材料的化學成分（質量分數/%）

1.2 材料規格及技術參數

產品成品規格：0.8 mm×1 250 mm×2 500 mm。包覆層厚度要求見表2，434復合材料力學性能要求見表3。

表2 包覆層厚度要求

表3 434復合材料力學性能

2 工藝路線

本研究的工藝路線見圖1。

3 試驗過程

3.1 包覆率試驗

本文在理論研究的基礎上，確定了復合材料皮材和芯材的尺寸，并經過實際生產得到驗證。

汽車熱交換器用復合釬焊鋁箔是以Al-Mn合金（3003合金）為芯材，雙面包覆一定厚度的Al-Si合金（4004合金）釬料，芯材在釬焊過程中起支撐作用，雙面復合的釬料作為焊接的原料。如果包覆率不合適會導致散熱器坍塌或者漏焊及焊接脫落，從而致使整塊熱交換器報廢。因此，需要確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證的前提條件。而皮材、芯材厚度的選擇除了受成品包覆率的影響，還與熱軋軋制過程有關。熱軋復合軋制屬于二種不同變形抗力的金屬組成三層迭合軋制，它不同于普通的單材軋制，具有獨特的軋制特性和變形規律。在熱軋復合過程中，隨著變形程度的增加，基體材料變形速度和包覆材的變形速度也將發生變化。熱軋復合過程可分為三個階段：第一階段為熱軋的前幾個道次。該階段的變形特點是兩種材料尚未粘接，各自變形，組元界面有相對滑動，稱為自由變形階段。在此階段，包覆板的變形明顯快于基體；第二階段各組元界面已有部分焊合，不再產生相對滑動，軋制變形量達到了臨界變形量，稱為半約束階段。此階段中包覆板變形速度的增加幅度小于基體的變形速度；第三階段是各組元焊合后的軋制階段，此階段兩組元的變形速度已基本一致[6]。

復合軋制前材料的包覆率應根據成品材料的包覆率進行選擇，成品材料包覆率要求下限為：0.07/0.8×100＝8.75%，上限為：0.14/0.8×100＝17.5%。根據上面的理論，成品材料的包覆率和復合軋制前材料的包覆率不是相等的，而是存在一定的關系的，而且成品材料的包覆率小于復合軋制前材料的包覆率，因此復合軋制前材料的包覆率應選擇在8.75%～17.5%的中上限。根據這一原則，本工藝試驗選用的皮材和芯材尺寸規格見表4。成品切板時，按照5%的頻率取樣檢測成品厚度包覆率，以此來檢驗皮材和芯材尺寸選擇的合理性。

表4 皮材和芯材尺寸的選擇

3.2 冷軋道次加工率試驗

由于產品的合金狀態為434-H14，在冷軋精整工序生產時，需要通過中間完全軟化退火和退火后的道次加工率來控制434復合材料的力學性能，使材料的力學性能達到要求。因此需要確定材料完全軟化點的溫度和合適的道次加工率，從而確定材料的工藝路線。

3.2.1 軟化試驗

為了掌握材料達到完全再結晶時的軟化溫度，制定出合理的中間退火工藝，在冷軋至2.4 mm厚度時取樣，進行馬弗爐退火試驗。選取試驗溫度為260～350℃，每隔10℃進行一次試驗，保溫1 h。出爐后檢測材料的抗拉強度、屈服強度、延伸率，從而得到材料的軟化曲線。

3.2.2 硬化試驗

為了確定中間退火后冷軋道次加工率，對冷軋至2.4 mm的料卷進行加工硬化試驗。按10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%加工率進行軋制，軋制后取樣檢測材料的抗拉強度、屈服強度、延伸率，從而得到材料的硬化曲線。

4 試驗結果及分析

4.1 包覆層厚度檢測結果及分析

穩定生產時，中間按照5%的頻率取樣進行包覆率檢測，即每20張板取1小片樣，取樣規格：0.8 mm×1 250 mm×50 mm，然后切成25 mm×25mm樣片，同時進行標記。上表面標記為“S”，下表面標記為“X”，傳動側標記為“D”，操作側標記為“W”。

上下表面包覆層厚度檢測曲線見圖2，上表面操作側和傳動側包覆層厚度檢測結果見圖3，下表面操作側和傳動側包覆層厚度檢測結果見圖4。

由圖2、圖3圖4可以看出包覆層厚度在0.08～0.12 mm區間，基本上都在0.10 mm左右。從圖2看，上表面包覆層厚度略大于下表面包覆層厚度，造成這一現象的原因分析如下。首先，在熱軋開始時，上下兩塊包覆板的變形程度不同，由于鑄錠自重導致下包覆板與輥道存在摩擦力的作用，下包覆板的摩擦力要大于上包覆板，使得上包覆層變形速率比下表面包覆層變形速度要快；其次，在軋制過程中，上下兩塊包覆板的冷卻程度不同，上包覆板的冷卻速度略快于下包覆板，變形抗力隨溫度升高而降低，因此下包覆板更易于變形。以上兩點原因導致上表面包覆層厚度略大于下表面包覆層厚度，但都在控制目標范圍內。而圖3和圖4分別從上表面和下表面對比分析了操作側和傳動側的包覆層厚度，結果無明顯規律，都在合格范圍內。

4.2 材料軟化曲線

按上述軟化試驗結果繪制出材料的軟化曲線，如圖5所示。

通過軟化曲線可以看出，隨著退火溫度的升高，材料的抗拉強度和屈服強度逐漸減小，延伸率逐漸變大。此過程可以分為以下三個階段：第一個階段為回復階段。內部為細長的纖維狀冷軋變形組織，晶內位錯逐漸遷移，但其內部還存在大量的位錯，此時強度略有下降，延伸率變化不大。晶內位錯不斷遷移、調整和排布，有序排列完成后形成亞晶織構，為形核創造了有利的條件；第二階段為再結晶組織和纖維組織共存階段，基體內晶核慢慢形成，原細長的纖維狀冷軋變形織構晶粒正逐漸被新的等軸晶粒替代，形成均勻細小的再結晶組織；第三階段為完全再結晶階段，纖維組織完全被再結晶組織替代。

從圖5可以看出，料溫在300℃以上時，材料的力學性能指標趨于穩定，屈強比小于0.5，材料處于完全再結晶狀態。根據這一結果，在生產中制定退火工藝時采取打熱電偶監控料溫的方式進行退火：爐氣定溫380℃，料溫大于300℃時出爐。

4.3 材料硬化曲線

按上述硬化試驗結果繪制出材料的硬化曲線，如圖6所示。

隨著軋制加工率的增大，材料抗拉強度、屈服強度逐漸增大，延伸率逐漸變小。從圖6看，加工率在25%～45%時，可以保證材料力學性能滿足要求。結合實際情況，實際生產時加工率按30%控制，生產出的產品力學性能見表5。

表5 實測力學性能

4.4 金相顯微組織

對成品板材取30mm×30 mm樣片進行打磨拋光，觀察其顯微組織，結果如圖7所示。

從圖7可以看出，包覆層整體比較平直，包覆層和芯層結合均勻、致密，說明材料復合效果較好。同時可以看出，434復合材料在微觀狀態下的組織形貌有所不同，這主要是因為芯層3003和包覆層4004兩者的金相組織存在著不同，3003主要以（FeMn）Al6、（FeMn)3SiAl12為主，而4004主要組織為α（Fe2SiAl8）、Si共晶和β（Al5FeSi）。

5 結論

（1）通過本工藝研究，針對0.8 mm厚度的434復合材料，在對其皮材和芯材鑄錠厚度進行選擇時，包覆率按14.17%進行計算，可以生產出包覆層厚度為0.08～0.12 mm的產品。

（2）434復合材料上下表面包覆率不一致，熱軋時上包覆層厚度略大于下包覆層厚度。

（3）料溫大于300℃時，可以保證材料處于完全再結晶狀態。

（4）中間退火后，冷軋道次加工率在25%～45%時，可以保證材料力學性能滿足要求。