楊英春，韓 星，李鵬偉，張海濤，崔建忠

（1.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003；2.東北大學(xué)材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110819）

0 前言

熱交換系統(tǒng)（包括水箱、冷凝器、蒸發(fā)器、中冷器等）輕量化是車輛輕量化的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。其中，散熱器用管的輕量化是關(guān)鍵，用鋁管代替銅管已成為一大發(fā)展趨勢(shì)[2]。由于工作環(huán)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(fù)合管材是一種具有新型結(jié)構(gòu)與功能的材料，能有效克服單一材料的缺點(diǎn)，結(jié)合其組成材料各自的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的可設(shè)計(jì)性和較高的力學(xué)性能[3]。目前鋁合金層狀復(fù)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(jié)合強(qiáng)度低、安全系數(shù)低、能耗高、成本高、不易連續(xù)化生產(chǎn)等問(wèn)題，這些方法很難有效實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

據(jù)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(fù)合管材。本文采用自行設(shè)計(jì)制造的包覆鑄造裝置，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，完成了4045/3003 包覆鑄錠的制備，并對(duì)包覆鑄錠進(jìn)行反向熱擠壓和冷拉拔，得到鋁合金層狀復(fù)合管材，最后進(jìn)行了釬焊實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本研究中的復(fù)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(jiàn)的合金，熔點(diǎn)低，流動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(nèi)結(jié)晶器，受石墨內(nèi)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(tài)支撐層），然后將皮材熔體澆入外結(jié)晶器，同時(shí)啟動(dòng)鑄造機(jī)。皮材熔體與高溫的固態(tài)支撐層接觸并通過(guò)元素?cái)U(kuò)散實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。當(dāng)鑄錠達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度，停止供流，獲得包覆鑄錠。

圖1 包覆鑄造結(jié)晶器

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

分別在包覆鑄錠和復(fù)合管材上截取試樣，用濃度為120 g/L的NaOH溶液對(duì)結(jié)合良好的橫截面進(jìn)行腐蝕，觀察其宏觀形貌。經(jīng)過(guò)機(jī)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(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析界面處元素分布，并測(cè)試界面處顯微硬度分布。在復(fù)合界面不同位置處取剪切試樣若干，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行剪切測(cè)試，測(cè)試界面結(jié)合強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)量良好，界面清晰，兩種合金未發(fā)生混流，界面結(jié)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(cè)為4045合金，主要由α-Al和針狀的Al-Si 共晶相構(gòu)成；右側(cè)為3003 合金，由α-Al 和條形的含錳相構(gòu)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(zhì)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(zhǎng)，形成柱狀晶，同時(shí)向周圍熔體中排出Si溶質(zhì)，隨著溫度進(jìn)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(guò)程中，由于芯材支撐層剛出石墨內(nèi)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(fā)生微熔，這就促進(jìn)了芯材中Mn 元素和皮材合金中Si 元素?cái)U(kuò)散，使兩種合金發(fā)生熔合擴(kuò)散結(jié)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(gè)突變的過(guò)程，從4045 合金一側(cè)到3003 合金一側(cè)，Si 元素含量由2.0%減少到0.8%左右，擴(kuò)散距離大約為15 μm；Mn 元素含量由0.25%增加到1.0%左右，擴(kuò)散距離約為10 μm，形成大約15 μm的擴(kuò)散層。

由菲克擴(kuò)散定律可知，如果擴(kuò)散系數(shù)與濃度、距離無(wú)關(guān)，則菲克第二定律可寫成

式中，D0為擴(kuò)散常數(shù)；Q為擴(kuò)散激活能；R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。

由此可見(jiàn)，溫度是影響擴(kuò)散系數(shù)的主要因素。兩種合金剛接觸時(shí)，皮材合金熔體溫度較高，且處于液態(tài)，Si原子的振動(dòng)能較大，因此原子借助于能量起伏而越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)行遷移的概率較大，這樣界面處液態(tài)皮材中的Si元素向固相的芯材擴(kuò)散時(shí)有相對(duì)較大的擴(kuò)散系數(shù)；而與皮材接觸的芯材支撐層此時(shí)已經(jīng)凝固，元素在固態(tài)中的擴(kuò)散系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液體中。由文獻(xiàn)[9]可知，Si 元素和Mn 元素在鋁中的擴(kuò)散常數(shù)分別為3.5×10-5m2s-1（344～631 ℃）、2.2×10-5m2s-1（450～650 ℃）。通過(guò)式（2）計(jì)算可得兩者的擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散過(guò)程中Si 元素的濃度梯度遠(yuǎn)大于Mn 元素。綜合以上原因，在鑄造復(fù)合過(guò)程中合金元素在界面處發(fā)生擴(kuò)散時(shí)，Si元素更容易越過(guò)界面向芯材擴(kuò)散，擴(kuò)散層厚度要大于Mn 元素。圖4中硬度測(cè)試的結(jié)果恰恰反映了合金元素在界面處的擴(kuò)散規(guī)律。

圖3 界面處元素分布

2.3 包覆鑄錠界面結(jié)合強(qiáng)度

層狀復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度主要通過(guò)拉伸和剪切進(jìn)行測(cè)試，但由于本研究中包覆層只有6 mm，無(wú)法加工拉伸試樣。由文獻(xiàn)可知，維氏硬度HV與屈服強(qiáng)度σy的關(guān)系大致為HV≈3σy，故可通過(guò)測(cè)試界面處的顯微硬度來(lái)推算界面結(jié)合強(qiáng)度。界面處顯微硬度的測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。從圖中可得，4045 一側(cè)硬度大約80 HV，3003 合金一側(cè)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?cái)U(kuò)散引起的固溶強(qiáng)化所致。由此可以得出，界面結(jié)合強(qiáng)度高于3003 合金屈服強(qiáng)度。

圖4 界面顯微硬度分布

為了表征界面結(jié)合強(qiáng)度，從包覆鑄錠上不同位置截剪切試樣進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如圖5 所示。平均抗剪切強(qiáng)度為80.2 MPa，高于3003 鋁合金基體的抗剪切強(qiáng)度，75.3 MPa，從而保證在后續(xù)的擠壓過(guò)程中兩種合金不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

圖5 不同位置界面結(jié)合強(qiáng)度

2.4 復(fù)合管材界面組織與性能

包覆鑄錠經(jīng)560 ℃/12 h均勻化退火后，進(jìn)行反向熱擠壓，再經(jīng)565 ℃/15 min 退火后，進(jìn)行冷拉拔，最終制備成熱交換器用冷凝管。復(fù)合管材的微觀組織如圖6所示。擠壓與拉拔后的復(fù)合管材內(nèi)表面質(zhì)量良好，尺寸規(guī)整，界面清晰、平直，這說(shuō)明在反向擠壓后，界面兩側(cè)合金結(jié)合良好，沒(méi)有熔合或相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象。從界面微觀組織中可以看出，擠壓拉拔后復(fù)合管材保留了鑄態(tài)時(shí)的層狀結(jié)構(gòu)特征，4045 鋁合金與3003 鋁合金的第二相明顯破碎、細(xì)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(cè)的第二相明顯比3003 側(cè)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(guò)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(fù)合管材（作為集流管）與口琴管進(jìn)行散熱器的釬焊實(shí)驗(yàn)。釬焊完畢的散熱器表面光潔，目測(cè)結(jié)果合格。

圖6 復(fù)合管材的微觀組織

3 結(jié)論

（1）利用自行設(shè)計(jì)制造的包覆鑄造裝置，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，完成了4045/3003 包覆鑄錠的制備，通過(guò)反向熱擠壓和冷拉拔，得到鋁合金層狀復(fù)合管材，并成功進(jìn)行了釬焊實(shí)驗(yàn)。

（2）包覆鑄錠界面清晰，曲率規(guī)則，無(wú)氣孔、夾雜，兩種合金通過(guò)元素?cái)U(kuò)散結(jié)合到一起，合金元素Si 和Mn 垂直于界面，有約15 μm 的擴(kuò)散層，兩種合金實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。

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

（4）在擠壓和拉拔過(guò)程中，復(fù)合管材保持層狀結(jié)構(gòu)，界面兩側(cè)合金結(jié)合良好，沒(méi)有熔合或相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象。