李 龍，曾祥勇，陳 鑫，高 闖，張小軍，周德敬

(銀邦金屬?gòu)?fù)合材料股份有限公司, 江蘇省金屬層狀復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 無(wú)錫 214145)

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電站空冷系統(tǒng)用預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材的開(kāi)發(fā)

李 龍，曾祥勇，陳 鑫，高 闖，張小軍，周德敬

(銀邦金屬?gòu)?fù)合材料股份有限公司, 江蘇省金屬層狀復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 無(wú)錫 214145)

摘要：將釬料層材料4343鋁合金和包覆層材料4A60鋁合金進(jìn)行熱軋復(fù)合，然后與08Al鋼在張力條件下通過(guò)φ420 mm軋機(jī)進(jìn)行50%的單道次冷軋復(fù)合，隨后在罩式退火爐中進(jìn)行520 ℃×24 h 的退火處理，得到電站空冷系統(tǒng)用預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材，并對(duì)其組織與性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材中08Al鋼的組織為再結(jié)晶鐵素體；復(fù)合帶材的屈服強(qiáng)度大于250 MPa，抗拉強(qiáng)度為305 MPa左右，伸長(zhǎng)率大于30%；在608 ℃保溫20 min釬焊后鋁鋼界面未發(fā)現(xiàn)金屬間化合物，拉剪時(shí)斷裂發(fā)生在4A60鋁合金層上，鋁鋼界面未發(fā)生分層。

關(guān)鍵詞：鋁鋼復(fù)合帶材；預(yù)覆釬料；軋制復(fù)合；組織；力學(xué)性能

0引言

鋁鋼復(fù)合帶材兼具鋁合金優(yōu)良的耐腐蝕性能及導(dǎo)熱性能和鋼良好的力學(xué)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3]，是電站空冷系統(tǒng)核心部件中冷卻管束基管的主要原材料[4-5]。采用鋁鋼復(fù)合帶材制造的電站空冷系統(tǒng)取代水冷系統(tǒng)后，可節(jié)約用水75%以上?；阡X鋼復(fù)合帶材表面質(zhì)量、尺寸精度、性能穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率等方面的考慮，目前工業(yè)上大多采用冷軋復(fù)合法來(lái)生產(chǎn)鋁鋼復(fù)合材料[4]。電站空冷系統(tǒng)用鋁鋼復(fù)合帶材的關(guān)鍵技術(shù)主要有界面控制、冷軋復(fù)合協(xié)調(diào)控制、板形及厚度精度控制、組織性能控制等。我國(guó)是電站空冷系統(tǒng)的制造大國(guó)，但生產(chǎn)電站空冷系統(tǒng)的關(guān)鍵材料鋁鋼復(fù)合帶材一直被德國(guó)壟斷。2011年銀邦股份公司成功開(kāi)發(fā)出了電站空冷系統(tǒng)用兩層鋁鋼復(fù)合帶材，打破了國(guó)外壟斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化翅片制造工藝、降低空冷系統(tǒng)的制造成本并提高空冷系統(tǒng)的整體性能，作者單位在兩層鋁鋼復(fù)合帶材的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材，即通過(guò)熱軋將釬料層(4343鋁合金)預(yù)覆到包覆層(4A60鋁合金)上，然后將預(yù)覆釬料的包覆層冷軋復(fù)合到08Al鋼上，其中主要的關(guān)鍵技術(shù)是大包覆比(包覆率30%～50%)鋁鋁熱軋復(fù)合技術(shù)，在突破關(guān)鍵技術(shù)的前提下開(kāi)發(fā)出了界面熱脆性、厚度精度及力學(xué)性能達(dá)到用戶指標(biāo)要求的預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材。作者介紹了該鋁鋼復(fù)合帶材的生產(chǎn)工藝，研究了其組織與性能。由于目前還沒(méi)有預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要是依據(jù)兩層鋁鋼復(fù)合帶材的YST 289-2012標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定各項(xiàng)指標(biāo)。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用釬料層材料為4343鋁合金，原始厚度為70 mm；包覆層材料為4A60鋁合金，原始厚度為310 mm；基層材料為熱軋態(tài)08Al鋼板，原始厚度為4.0 mm。材料的實(shí)測(cè)化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

釬料層與包覆層的熱軋復(fù)合工藝流程為：先將4343鋁合金與4A60鋁合金疊放在一起，在500 ℃經(jīng)18%的壓下量一道次熱軋復(fù)合成厚度為310 mm的兩層復(fù)合板材，然后再與另一塊4343鋁合金進(jìn)行熱軋復(fù)合，得到了所要求的釬料層與包覆層厚度比例為1∶2的鋁合金復(fù)合板，之后經(jīng)過(guò)20道次熱軋(溫度范圍在400～500 ℃)后形成厚度為7.0 mm的復(fù)合板帶，再經(jīng)5道次(道次壓下量大約40%)冷軋到0.6 mm厚度后切邊，對(duì)切邊后的材料再進(jìn)行一道次冷軋，終軋厚度為0.4 mm，然后進(jìn)行拉矯，之后在375 ℃退火1 h，得到預(yù)覆釬料兩層鋁合金復(fù)合帶材。

預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材(簡(jiǎn)稱鋁鋼復(fù)合帶材)的制備工藝為：利用鋼絲刷對(duì)預(yù)覆釬料兩層鋁合金復(fù)合帶材和08Al鋼板的待復(fù)合表面進(jìn)行打磨(鋁合金的表面粗糙度Ra為1.0 μm、08Al鋼板的表面粗糙度Ra為1.70 μm)，然后在前張力為30 MPa的條件下利用φ420 mm軋機(jī)進(jìn)行單道次壓下量為50%的冷軋復(fù)合，軋制速度為4 m·min-1，終軋厚度為2.2 mm左右。對(duì)制得的預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材進(jìn)行520 ℃×24 h退火處理。實(shí)際使用時(shí)鋁鋼復(fù)合帶材與散熱翅片釬焊連接的工藝為40 min內(nèi)加熱到608 ℃保溫20 min，作者采用相同的釬焊工藝在實(shí)驗(yàn)室的釬焊爐中進(jìn)行了模擬釬焊以研究界面的熱脆性能。

從所制備的鋁鋼復(fù)合帶材上截取試樣，對(duì)橫向(TD)面進(jìn)行機(jī)械拋光，然后用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精腐蝕以顯示08Al鋼的顯微組織，再用體積分?jǐn)?shù)為1%的氫氟酸水溶液腐蝕以顯示鋁合金層的顯微組織。利用Axio Imager A2型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，并采用截線法對(duì)08Al鋼中的鐵素體晶粒進(jìn)行測(cè)量；利用JSM-6480型掃描電鏡(SEM)及附帶的能譜儀(EDS)觀察了試樣的界面特征并分析了元素的分布情況。

拉伸、三點(diǎn)彎曲及拉剪試樣加工及相應(yīng)試驗(yàn)分別按照GB/T 228-2002和GB/T 6396-2008進(jìn)行，試樣的取樣方向?yàn)檐堉品较?RD)。拉伸試樣的長(zhǎng)度為240 mm，標(biāo)距為80 mm，試樣寬度為20 mm；彎曲試樣的長(zhǎng)度為200 mm，寬度為10 mm；拉剪試樣如圖1所示。由于鋁合金層太薄，采用實(shí)際使用的釬焊工藝在復(fù)合帶材的鋁合金層上釬焊一層2 mm厚的3003鋁合金，通過(guò)釬焊后材料的拉剪試驗(yàn)來(lái)對(duì)界面剪切強(qiáng)度進(jìn)行表征。拉伸、彎曲及拉剪試驗(yàn)在CMT7540型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為30 mm·min-1，彎曲壓頭速度為5 mm·min-1，拉剪速度2 mm·min-1。彎曲試驗(yàn)的步驟為先向鋼側(cè)彎曲90°后再反向彎曲180°。采用MHVD-1000AP型維氏硬度計(jì)測(cè)硬度，沿厚度方向取點(diǎn)測(cè)試，載荷為0.98 N，時(shí)間為15 s。

圖1　鋁鋼復(fù)合帶材拉剪試樣Fig.1　Aluminum-steel cladding strip sample for shear test

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　鋁鋼復(fù)合帶材的顯微組織及界面特征

從圖2可以看出，鋁鋼復(fù)合帶材未退火時(shí)，08Al鋼層的顯微組織明顯變形，鐵素體晶粒沿著軋制方向被拉長(zhǎng)。釬料層(4343鋁合金層)的厚度為(60±4) μm，包覆層(4A60鋁合金層)的厚度為(120±4) μm。由圖3(a)可以看出，當(dāng)鋁鋼復(fù)合帶材在520 ℃退火24 h后，08Al鋼的顯微組織大部分為等軸的鐵素體晶粒。對(duì)圖3(a)上位置1和2線段處分別進(jìn)行線掃描，結(jié)果如圖3(b)和(c)所示。由圖3(b)可以看出,在4343鋁合金層中,鋁和硅元素含量有較大的波動(dòng),這些波動(dòng)代表在4343鋁合金中存在鋁-硅共晶相,而基體為硅在鋁中的固溶體;當(dāng)過(guò)渡到4A60鋁合金層時(shí),主要以鋁的固溶體為主;不過(guò)從組織及元素?cái)U(kuò)散的角度很難精確確定釬料層與包覆層的復(fù)合界面。由圖3(c)可知，在包覆層和08Al鋼的界面處存在鐵元素和鋁元素的擴(kuò)散，擴(kuò)散距離大約為(4±0.5) μm。熱處理不但可以促進(jìn)元素的擴(kuò)散，還可以消除界面的殘余應(yīng)力，利于界面結(jié)合強(qiáng)度的提高[7-8]。由于鋁鋼復(fù)合帶材的最終退火溫度為520 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金的再結(jié)晶溫度，導(dǎo)致釬料層和包覆層的再結(jié)晶晶粒尺寸較為粗大(超過(guò)70 μm)，且由于釬料層和包覆層的厚度很薄(大約為0.18 mm)，對(duì)鋁鋼復(fù)合帶材的力學(xué)性能貢獻(xiàn)很小，因此作者主要對(duì)08Al鋼的組織性能進(jìn)行了研究和分析。圖4為鋁鋼復(fù)合帶材退火后08Al鋼的晶粒尺寸的分布，從圖中可知沿軋向(RD)和板面法線方向(ND)的晶粒分布基本符合正態(tài)分布。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，RD方向的晶粒尺寸大部分在7～25 μm之間，有極個(gè)別的大于30 μm，平均晶粒尺寸為18 μm；ND方向的晶粒尺寸基本都在5～25 μm之間，平均晶粒尺寸為13 μm。這說(shuō)明鋁鋼復(fù)合帶材經(jīng)退火處理后并非為絕對(duì)的等軸晶粒，RD方向與ND方向的縱向軸比大約為1.4。

圖2　鋁鋼復(fù)合帶材退火前的顯微組織Fig.2　Microstructure of aluminum-steel cladding strip beforeannealing treatment

圖3　退火處理后的鋁鋼復(fù)合帶材SEM形貌及線掃描結(jié)果Fig.3　SEM morphology (a) of aluminum-steel cladding strip after annealing treatment and EDS spectra at lines 1 (b) and 2 (c)

圖4　退火處理后08Al鋼TD面沿RD和ND方向的晶粒尺寸分布Fig.4　Ferrite grain size distribution along RD (a) and ND (b) of 08Al steel after annealing treatment

圖5　鋁鋼復(fù)合帶材退火后硬度沿厚度方向的分布Fig.5　Vickers Hardness along ND of aluminum-steel cladding stripafter annealing treatment

2.2　鋁鋼復(fù)合帶材的力學(xué)性能

由圖5可以看出，08Al鋼的硬度沿厚度方向分布整體較為均勻，平均硬度大約為87 HV，由于釬料層和包覆層較薄(約為0.18 mm)，只有兩個(gè)硬度值，平均值為35 HV。

從表2可知，鋁鋼復(fù)合帶材的實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為(260±10) MPa，抗拉強(qiáng)度(305±10) MPa，伸長(zhǎng)率為35%±3%，力學(xué)性能達(dá)到了指標(biāo)要求，強(qiáng)度和塑性還有一定的控制空間。表2中尺寸精度的目標(biāo)值為用戶要求，目前沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于08Al鋼中碳含量極低(表1)，成分與純鐵接近，故與純鐵的Hall-Petch公式中的常數(shù)相近[10]。預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材按照指標(biāo)要求經(jīng)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后,鋼側(cè)表面和鋁合金側(cè)表面均未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋，鋁鋼界面也未發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象，說(shuō)明開(kāi)發(fā)的鋁鋼復(fù)合帶材具有較好的界面結(jié)合強(qiáng)度。

表2　鋁鋼復(fù)合帶材的性能指標(biāo)要求及實(shí)測(cè)值

由圖6可知，鋁鋼復(fù)合帶材在拉剪試驗(yàn)中，斷裂位置并非出現(xiàn)在鋁鋼界面，而是出現(xiàn)在4A60鋁合金層上，抗剪強(qiáng)度平均值為60 MPa，這說(shuō)明鋁鋼界面的結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)了60 MPa。

圖6　鋁鋼復(fù)合帶材試樣的拉剪斷裂形貌Fig.6　Tensile shear fracture morphology of aluminum-steelcladding strip sample

通過(guò)熱處理雖然可以改善界面的結(jié)合質(zhì)量，但溫度過(guò)高容易在鋁鋼界面形成脆性化合物，反而會(huì)降低鋁鋼的界面結(jié)合強(qiáng)度[11-12]。表2中界面熱脆性試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁鋼復(fù)合帶材經(jīng)40 min加熱到608 ℃保溫20 min后未發(fā)現(xiàn)有金屬間化合物的存在。Springer[11]等發(fā)現(xiàn)在鋁中添加硅，通過(guò)占據(jù)鋁-鐵相結(jié)構(gòu)中的空位可阻礙原子的移動(dòng)，可抑制界面金屬間脆性化合物的形成。但當(dāng)硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.62%后，硅的加入會(huì)降低鋁合金的熔點(diǎn)，使鋁合金側(cè)元素的擴(kuò)散速率增加，反而會(huì)促進(jìn)界面金屬間化合物的長(zhǎng)大。因此，采用硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.83%的鋁合金作為包覆層后，鋁鋼復(fù)合帶材釬焊后，鋁鋼界面無(wú)脆性化合物存在。

3結(jié)論

(1) 通過(guò)熱軋結(jié)合冷軋復(fù)合制備了預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材，其中釬料層4343鋁合金的厚度約為60 μm，包覆層4A60鋁合金的厚度約為120 μm。

(2) 預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材在520 ℃×24 h退火處理后，在鋁鋼界面的鐵、鋁元素存在一定的擴(kuò)散，擴(kuò)散距離大約為(4±0.5) μm;包覆層的平均晶粒尺寸為72 μm，08Al鋼的顯微組織基本為等軸的鐵素體，軋制方向的平均晶粒尺寸為18 μm；板法線方向的平均晶粒尺寸為13 μm。

(3) 預(yù)覆釬料鋁鋼復(fù)合帶材的屈服強(qiáng)度大于250 MPa，抗拉強(qiáng)度在305 MPa左右，伸長(zhǎng)率超過(guò)了30%；其他各項(xiàng)性能也滿足指標(biāo)要求。

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Development of Aluminum-Steel Cladding Strip with Pre-Cladded

Brazing Layer Used in Air Cooling System of Power Plants

LI Long, ZENG Xiang-yong, CHEN Xin, GAO Chuang, ZHANG Xiao-jun, ZHOU De-jing

(Yin Bang Clad Material Company Limited, Jiangsu Province Key Lab for Clad Materials, Wuxi 214145, China)

Abstract:The brazing layer of 4343 aluminum alloy was hot rolled with cladding layer of 4A60 aluminum alloy. The as-rolled sheet and 08Al steel were cold rolled at a single-pass deformation of 50% by the rolling mill with diameter of 420 mm and annealing treated at 520 ℃ for 24 h, then the aluminum-steel cladding strip with pre-cladded brazing layer, used in air cooling system, was prepared and the microstructure and mechanical properties were studied. The results show that the microstructure of 08Al steel layer was consisted of recrystallized ferrite. The yield strength of the cladding strip was above 250 MPa，the tensile strength was 305 MPa and the elongation was more than 30%. After the cladding strip was brazed at 608 ℃ for 20 min, IMC (Intermetallic Compound) at aluminum-steel interface was not found. The brazed cladding strip was fractured in the layer of 4A60 aluminum alloy in tensile-shear test and the delamination was not observed at the interface between 4A60 aluminum alloy and 08Al steel.

Key words:aluminum-steel cladding strip; pre-cladded brazing layer; roll bonding; microstructure; mechanical property

中圖分類號(hào)：TG335.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)10-0021-04

作者簡(jiǎn)介：李龍(1977-)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，高級(jí)工程師，博士。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2013AA031301)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013DFB50170)；江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(BM2014006)

收稿日期:2014-09-28；

修訂日期:2015-07-13

DOI:10.11973/jxgccl201510005 10.1088/1468-6996/9/2/023001.