釬焊后冷卻對6XXX鋁合金復(fù)合板人工時效性能和組織的影響

摘要：以6XXX鋁合金為芯材，3XXX鋁合金為兩側(cè)中間層，4343鋁合金為皮材，經(jīng)熔煉、鑄造、復(fù)合、熱軋、冷軋及退火制備了厚度為1.20 mm的4層鋁合金復(fù)合板。在605℃下模擬釬焊，并在空冷以及不同冷卻速率之后進(jìn)行人工時效。結(jié)果顯示：空冷方式下，在200℃進(jìn)行人工時效120 min時，試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為253.0 MPa、200.3 MPa，隨著人工時效溫度繼續(xù)升高，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度不斷降低；200℃溫度下保溫時間從20 min增加至150 min時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度呈先增加后降低的變化趨勢；隨著爐門開口的不斷減小，試樣的冷卻速率不斷減小，對應(yīng)的時效強(qiáng)化效果也逐步減弱，爐門打開3 cm時對應(yīng)的冷卻速率為有無時效強(qiáng)化效果的臨界速率；釬焊空冷后以及經(jīng)人工時效之后芯材中不規(guī)則的粗大第二相為AlFeMnSiCu相。

關(guān)鍵詞：釬焊；冷卻；6XXX；鋁合金復(fù)合板；人工時效

中圖分類號：TG 146.2+1；TG 454文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Effect of cooling after brazing on artificial aging properties and microstructure of 6XXX aluminum cladding sheet

CAO Qi1，2，ZHAO Na1，LIU Erlei1，YANAn1，ZHOU Dejing1

（1.Yinbang Clad Material Co.，Ltd.Wuxi 214145，China;2.College of Materials Science and Engineering，CentralSouthUniversity，Changsha 410083，China）

Abstract：Taking 6XXX aluminum alloy as core material，3XXX aluminum alloy as intermediate layer on both sides and 4343 aluminum alloy as brazing layer，four-layer aluminum cladding sheet with thickness of 1.20 mm was prepared through melting，casting，cladding，hotrolling，cold rolling and annealing.Brazing was simulated at 605℃，and artificial aging was carried out after air cooling and different cooling rates.The results showed that in the air cooling mode，when the holding time was 120 minand the artificial aging temperature was 200℃，the tensile strength and yield strength reached the maximum，253.0 MPa and 200.3 MPa，respectively.With the increase in artificial aging temperature，the tensile strength and yield strength decreased continuously.When holding time increases from 20 min to 150 min at 200℃，the tensile strength and yield strength increased first and then decreased.With the decrease of the opening of the furnace door，the cooling rate of the sample decreased，and the aging strength effect also weakened gradually.When the furnace door is opened to 3 cm，the cooling rate is the critical value with or without aging strengthening effect.After brazing and air cooling，the irregular coarse secondary phases are composed of AlFeMnSiCu phase in the core material by artificial aging.

Keywords：brazing;cooling;6XXX;aluminum cladding sheet;artificial aging

我國新能源汽車正處在高速增長階段，到2035年，城市交通將基本擺脫化石燃料[1-2]。據(jù)中汽協(xié)統(tǒng)計(jì)，2022年我國新能源汽車全年銷量為688.7萬輛，同比增長93.4%，連續(xù)8年位居全球第一。2023年前4個月，我國新能源汽車銷量為222.2萬輛，同比增長42.8%，仍然保持著快速增長態(tài)勢。隨著新能源汽車的快速發(fā)展，對強(qiáng)度要求較高的動力電池水冷板用釬焊式層狀鋁合金也將迎來快速發(fā)展。

張斌[2]以3XXX系鋁合金為芯材的復(fù)合材料為研究對象，從合金元素對力學(xué)性能及電位的影響、組分的選擇和搭配設(shè)計(jì)、耐腐蝕性能等方面說明了幾種新的可以滿足新能源汽車的電池水冷板應(yīng)用需求的釬焊復(fù)合鋁合金材料開發(fā)成果。而新型復(fù)合材料在新能源電池冷卻部件上的應(yīng)用，特別是涉及高強(qiáng)度、抗熔蝕的新型復(fù)合材料的研究工作還未見報(bào)道[2]。傳統(tǒng)3XXX系鋁合金釬焊后屈服強(qiáng)度通常為40～100 MPa，由于合金特性，其強(qiáng)度提升空間不大，不能滿足持續(xù)輕量化以及續(xù)航里程提升對高強(qiáng)度的要求。6XXX系鋁合金具有優(yōu)良的強(qiáng)度、優(yōu)異的成形性、可焊性和耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在民用建筑、航空航天以及汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。6XXX系為可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度在傳統(tǒng)3XXX系基礎(chǔ)上大幅提升。但由于其釬焊溫度通常為590～620℃，且保溫時間較短，釬焊過程即為固溶過程，釬焊后的冷卻速率對強(qiáng)度的影響很大，故研究冷卻速率對釬焊后人工時效性能和組織的影響，對獲得高強(qiáng)度水冷板有重要意義。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為4層鋁合金復(fù)合板，芯材為6XXX系A(chǔ)l-0.63Mg-0.73Si-0.38Cu鋁合金，兩側(cè)中間層為3XXX鋁合金Al-1.47Mn-0.71Cu，復(fù)合厚度比例按（12±2）%配比設(shè)計(jì)，單側(cè)釬焊層為4 343鋁合金，復(fù)合厚度比例按（7.5±1.5）%配比設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖1，各層化學(xué)成分詳見表1。

1.2制備工藝

釬焊層、中間層制備：熔煉—半連續(xù)鑄造—鋸切頭尾—銑面—加熱—熱軋—切片—表面處理。

芯材制備：芯材熔煉—半連續(xù)鑄造—鋸切頭尾—銑面—表面處理。

4層鋁合金復(fù)合板制備：釬焊層、中間層、芯材、中間層復(fù)合—捆扎打包—復(fù)合鑄錠加熱—熱軋至6.00 mm—冷粗軋—冷精軋至1.20 mm—完全再結(jié)晶退火。

其中，釬焊層、中間層和芯材的鑄錠銑面后厚度為430 mm，芯材鑄錠寬度為1 620 mm，釬焊層、中間層鑄錠先熱軋至目標(biāo)厚度，然后與芯材鑄錠進(jìn)行復(fù)合，熱軋加熱溫度為500℃保溫4 h，完全再結(jié)晶退火溫度為370℃，保溫時間3 h。

1.3模擬釬焊及人工時效工藝

模擬釬焊工藝：室溫升溫至590℃，保溫1 min，然后升溫至605℃，保溫3 min，整個釬焊過程非真空，無氣氛保護(hù)。模擬釬焊結(jié)束后開始冷卻，然后進(jìn)行人工時效，分別進(jìn)行3種試驗(yàn)：（1）模擬釬焊結(jié)束后，取出試樣進(jìn)行空冷，然后進(jìn)行保溫時間為120 min，溫度分別為160、180、200、210、220℃的人工時效，以驗(yàn)證空冷方式下不同時效溫度對性能的影響；（2）模擬釬焊結(jié)束后，取出樣品進(jìn)行空冷，然后進(jìn)行溫度為200℃，保溫時間分別為20、35、50、60、90、120、150 min的人工時效，以驗(yàn)證空冷方式下相同時效溫度不同保溫時間對性能的影響；（3）模擬釬焊結(jié)束后，采用空冷、爐門分別打開20、8、3 cm以及爐冷等5種不同冷卻速率的方式，然后進(jìn)行200℃保溫120 min的人工時效，以驗(yàn)證不同冷卻速率對人工時效性能的影響。整個模擬釬焊及冷卻過程中，試樣接熱電偶，通過無紙記錄儀每10 s自動記錄一次溫度。

對人工時效之后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能、微觀形貌、成分等方面的檢測分析。化學(xué)成分檢測采用ARL3460光電直讀光譜儀，力學(xué)性能檢測采用Zwick Z020型拉伸試驗(yàn)機(jī)，金相組織檢測采用ZEISS Axio Imager A2m型顯微鏡，微觀形貌及成分分析采用帶能譜儀（energy dispersive spectroscopy，EDS）功能的Zeiss Sigma熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）。試樣取自4層鋁合金復(fù)合板整個板寬的中間1/3區(qū)域，拉伸試樣尺寸示意圖見圖2。

圖2中：Lt為試樣的總長度；Lc為平行長度；L0為原始標(biāo)距；b0為矩形橫截面平行長度的原始寬度；bt為夾具夾持頭部的寬度；r為圓弧半徑，箭頭方向?yàn)檐堉品较颉?/p>

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1釬焊空冷后人工時效對力學(xué)性能的影響

鋁合金復(fù)合板試樣釬焊空冷后不同人工時效溫度與力學(xué)性能的關(guān)系以及不同保溫時間與力學(xué)性能的關(guān)系見圖3。

由圖3（a）可知，試樣釬焊前（記為O態(tài)）抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為135.6 MPa、63.4 MPa，釬焊空冷后抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別提升到了179.0 MPa、74.2 MPa，分別提升了32.0%、17.0%。人工時效溫度為160℃時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度再次有明顯提高，分別提升到了234.8 MPa、130.2 MPa，相比釬焊后分別大幅提升了31.2%、75.5%，伸長率由20.8%降至20.3%。隨著人工時效溫度的提升，在200℃時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為253.0 MPa、200.3 MPa，相比釬焊后分別大幅提升了41.3%、169.9%，伸長率降至11.6%，之后隨著人工時效溫度的繼續(xù)升高強(qiáng)度不斷降低。

因釬焊空冷后在200℃進(jìn)行人工時效120 min得到了最大的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，故選擇200℃進(jìn)行不同保溫時間的人工時效。由圖3（b）可知，在200℃進(jìn)行人工時效，保溫時間為20 min時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為218.5 MPa、128.8 MPa，相比釬焊空冷后分別提升了21.8%、73.6%，伸長率降至14.5%。之后隨著保溫時間的增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，伸長率逐步降低，保溫時間為120 min時抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到最大，保溫時間進(jìn)一步增加至150 min時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度開始下降，伸長率降至10.7%。

大量研究認(rèn)為[6-8]，6XXX系鋁合金經(jīng)固溶—時效熱處理實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化過程中，析出物的析出序列為：過飽和固溶體（αSSS）→溶質(zhì)原子團(tuán)簇→球狀Guinier-Preston區(qū)（GP）→針狀β、、相→棒狀β、相→片狀β相（Mg2Si）。其中，GP區(qū)形成于時效初期，是溶質(zhì)原子在Al基體中的富集，β、、相是合金時效強(qiáng)度達(dá)到峰值時的主要析出相，為亞穩(wěn)態(tài)，β、相是在過時效中析出的亞穩(wěn)相，與β、、相比，其析出強(qiáng)化的作用稍弱，β相為平衡相，是過時效后期析出的，較為粗大，強(qiáng)化效果最弱[9-11]。一般認(rèn)為，固溶后淬火過程中產(chǎn)生大量的淬火空位，這些空位成為后續(xù)時效過程中形成溶質(zhì)原子團(tuán)簇和GP區(qū)的形核位點(diǎn)，在時效初期產(chǎn)生大量的溶質(zhì)團(tuán)簇和GP區(qū)，隨著時效溫度的提高或時間的延長，空位不斷消耗，溶質(zhì)原子偏聚加劇，GP區(qū)中Mg和Si濃度升高并逐漸長大，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成β、、相，達(dá)到強(qiáng)化效果。由此推斷，釬焊空冷后在200℃進(jìn)行人工時效120 min時的主要的析出強(qiáng)化相為β、、相，隨著溫度的升高或者時間的延長，將逐步演變?yōu)橐驭?、相或者β相為主?/p>

2.2釬焊后冷卻速率對人工時效性能的影響

鋁合金復(fù)合板試樣釬焊后采用了空冷、爐門分別打開20、8、3 cm以及爐冷等5種不同方式的冷卻，然后在200℃進(jìn)行人工時效120 min。冷卻速率曲線見圖4，試樣人工時效后的力學(xué)性能見表2。

由圖4及表2可知，隨著爐門開口度的減小，冷卻速率不斷減小，對應(yīng)的人工時效之后試樣的強(qiáng)度也不斷減小。主要因?yàn)?XXX系鋁合金固溶熱處理之后，冷卻速度越大，越能防止過飽和固溶體的脫溶轉(zhuǎn)變，因此越容易通過時效獲得更高的強(qiáng)度[12-16]。空冷方式冷卻速率最快，經(jīng)200℃人工時效120 min后試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)最大，分別為253.0 MPa、200.3 MPa。爐門分別打開20、8、3 cm時，經(jīng)200℃人工時效120 min后試樣的抗拉強(qiáng)度分別為220.6、166.4、137.0 MPa，屈服強(qiáng)度分別為155.1、71.3、67.3 MPa，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均不斷降低。爐冷方式冷卻速率最慢，10 min爐溫只從605℃降低至544℃，經(jīng)200℃人工時效120 min后試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)最低，分別為93.4 MPa、33.1 MPa，大幅低于O態(tài)的。由此推斷，釬焊后冷卻采用爐門打開3 cm的方式時其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與O態(tài)的135.6 MPa、63.4 MPa較為接近，可將該方式對應(yīng)的冷卻速率作為有無時效強(qiáng)化效果的臨界冷卻速率，即釬焊后采用爐門開口大于3 cm進(jìn)行冷卻，則試樣會具有時效強(qiáng)化效果，強(qiáng)度會比O態(tài)的有所提高，采用爐門開口小于3 cm進(jìn)行冷卻，則無時效強(qiáng)化效果，強(qiáng)度甚至?xí)陀贠態(tài)的。

2.3芯材SEM及EDS分析

對鋁合金復(fù)合板釬焊空冷后、以及經(jīng)160、200、220℃人工時效120 min后的試樣芯材第二相進(jìn)行SEM及EDS分析，結(jié)果見圖5及表3。

由圖5及表3的SEM檢測和EDS分析結(jié)果可知，試樣釬焊后以及經(jīng)人工時效之后標(biāo)識出的第二相為不規(guī)則的AlFeMnSiCu相。由圖5（a）可以看出，AlFeMnSiCu相尺寸最大約10μm，可能是由于釬焊過程中保溫時間較短，僅有3 min，溶質(zhì)原子來不及完全固溶到基體中，基體中粗大的AlFeMnSiCu相沒有充分的時間進(jìn)行完全溶解而殘留下來。

3結(jié)論

（1）鋁合金復(fù)合板釬焊空冷后，在200℃進(jìn)行人工時效120 min時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為253.0 MPa、200.3 MPa，相比釬焊后分別提升了41.3%、169.9%，隨著人工時效溫度的不斷升高，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度不斷降低。

（2）人工時效溫度為200℃，時間從20 min增加至150 min時，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，在120 min時達(dá)到最大值，之后開始下降。

（3）釬焊后采用空冷、爐門分別打開20、8、3 cm以及爐冷等5種方式對鋁合金復(fù)合板進(jìn)行冷卻，隨著爐門開口度的減小，冷卻速率不斷減小，對應(yīng)人工時效之后其強(qiáng)度也不斷減小?？绽浞绞嚼鋮s速率最快，經(jīng)200℃人工時效120 min后其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最大；爐冷方式冷卻速率最慢，經(jīng)200℃人工時效120 min人工時效后其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最小，分別為93.4 MPa、33.1 MPa。

（4）釬焊后采用爐門打開3 cm時鋁合金復(fù)合板對應(yīng)的冷卻速率為有無時效強(qiáng)化效果的臨界冷卻速率，即采用爐門開口大于3 cm冷卻時，則其會具有時效強(qiáng)化效果，采用爐門開口小于3 cm冷卻時，則其無時效強(qiáng)化效果。

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（編輯：何代華）