熊 彪

（中色科技股份有限公司，洛陽(yáng)471039）

0 前言

汽車熱交換器用復(fù)合鋁帶箔是一類高附加值產(chǎn)品。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車熱交換復(fù)合鋁帶箔顯現(xiàn)出勃勃商機(jī)[1]。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車輕量化越來(lái)越被關(guān)注，而汽車用鋁質(zhì)散熱器就是輕量化的一個(gè)縮影。鋁合金復(fù)合釬焊板（箔）因具有優(yōu)良的抗腐蝕性能和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，被廣泛應(yīng)用于各種熱交換器中，如汽車水箱散熱器、汽車空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器等[2]。

汽車熱交換器用復(fù)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(fù)合而成。復(fù)合釬焊鋁箔制汽車散熱器的質(zhì)量比銅箔制的同類產(chǎn)品明顯減輕，再加上鋁的價(jià)格比銅低，從而極大地促進(jìn)了汽車輕量化的發(fā)展。目前發(fā)達(dá)國(guó)家汽車熱交換器零部件的鋁化率已達(dá)95%以上[3]。

據(jù)文獻(xiàn)介紹[4]，金屬?gòu)?fù)合材料的加工方法主要有固-固相復(fù)合法、固-液相復(fù)合法和液-液相復(fù)合法。

本研究的散熱器主要由434復(fù)合板、翅片、封條組成，而434復(fù)合板的質(zhì)量基本決定了整個(gè)散熱器的質(zhì)量，是散熱器的關(guān)鍵材料之一。該434復(fù)合板的制取方法主要是通過(guò)三層金屬?gòu)?fù)合軋制壓延，在軋制壓力的作用下，通過(guò)加熱和塑性變形時(shí)原子間高度擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的復(fù)合方法。434復(fù)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(qiáng)度、較高的熔點(diǎn)、良好的耐蝕性、加工性能及熱傳導(dǎo)性能），雙面包覆4004合金（該合金熔點(diǎn)較低，具有良好的流動(dòng)性、填充性以及焊接性能）。在一定的溫度介質(zhì)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(guò)程中，434復(fù)合板的皮材會(huì)熔化成焊接所需的原料，因此外部包覆層的厚度對(duì)散熱器的質(zhì)量有著很大的影響，也就是說(shuō)包覆率的穩(wěn)定性是影響鋁合金復(fù)合板產(chǎn)品質(zhì)量以及散熱器性能的一個(gè)重要因素。復(fù)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(gè)非常重要的性能指標(biāo)，直接影響焊接過(guò)程能否成功。當(dāng)包覆率過(guò)大時(shí)，芯材的厚度就相對(duì)較小，焊接時(shí)往往難以支撐熱交換器的重量以及夾具的壓力，從而發(fā)生坍塌；當(dāng)包覆率過(guò)小時(shí)，焊接時(shí)，充當(dāng)焊料的皮材就會(huì)供應(yīng)不足，造成漏焊，影響散熱器的性能，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢[5-6]。

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

1 材料要求

1.1 化學(xué)成分

434復(fù)合板中皮材4004及芯材3003的化學(xué)成分見表1。

表1 4004/3003/4004復(fù)合材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 材料規(guī)格及技術(shù)參數(shù)

產(chǎn)品成品規(guī)格：0.8 mm×1 250 mm×2 500 mm。包覆層厚度要求見表2，434復(fù)合材料力學(xué)性能要求見表3。

表2 包覆層厚度要求

表3 434復(fù)合材料力學(xué)性能

2 工藝路線

本研究的工藝路線見圖1。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 包覆率試驗(yàn)

本文在理論研究的基礎(chǔ)上，確定了復(fù)合材料皮材和芯材的尺寸，并經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)得到驗(yàn)證。

汽車熱交換器用復(fù)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(guò)程中起支撐作用，雙面復(fù)合的釬料作為焊接的原料。如果包覆率不合適會(huì)導(dǎo)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(bào)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(guò)程有關(guān)。熱軋復(fù)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(dú)特的軋制特性和變形規(guī)律。在熱軋復(fù)合過(guò)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(fā)生變化。熱軋復(fù)合過(guò)程可分為三個(gè)階段：第一階段為熱軋的前幾個(gè)道次。該階段的變形特點(diǎn)是兩種材料尚未粘接，各自變形，組元界面有相對(duì)滑動(dòng)，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(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，軋制變形量達(dá)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(fù)合軋制前材料的包覆率應(yīng)根據(jù)成品材料的包覆率進(jìn)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(jù)上面的理論，成品材料的包覆率和復(fù)合軋制前材料的包覆率不是相等的，而是存在一定的關(guān)系的，而且成品材料的包覆率小于復(fù)合軋制前材料的包覆率，因此復(fù)合軋制前材料的包覆率應(yīng)選擇在8.75%～17.5%的中上限。根據(jù)這一原則，本工藝試驗(yàn)選用的皮材和芯材尺寸規(guī)格見表4。成品切板時(shí)，按照5%的頻率取樣檢測(cè)成品厚度包覆率，以此來(lái)檢驗(yàn)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(yàn)

由于產(chǎn)品的合金狀態(tài)為434-H14，在冷軋精整工序生產(chǎn)時(shí)，需要通過(guò)中間完全軟化退火和退火后的道次加工率來(lái)控制434復(fù)合材料的力學(xué)性能，使材料的力學(xué)性能達(dá)到要求。因此需要確定材料完全軟化點(diǎn)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(yàn)

為了掌握材料達(dá)到完全再結(jié)晶時(shí)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(shí)取樣，進(jìn)行馬弗爐退火試驗(yàn)。選取試驗(yàn)溫度為260～350℃，每隔10℃進(jìn)行一次試驗(yàn)，保溫1 h。出爐后檢測(cè)材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率，從而得到材料的軟化曲線。

3.2.2 硬化試驗(yàn)

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

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 包覆層厚度檢測(cè)結(jié)果及分析

穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)，中間按照5%的頻率取樣進(jìn)行包覆率檢測(cè)，即每20張板取1小片樣，取樣規(guī)格：0.8 mm×1 250 mm×50 mm，然后切成25 mm×25mm樣片，同時(shí)進(jìn)行標(biāo)記。上表面標(biāo)記為“S”，下表面標(biāo)記為“X”，傳動(dòng)側(cè)標(biāo)記為“D”，操作側(cè)標(biāo)記為“W”。

上下表面包覆層厚度檢測(cè)曲線見圖2，上表面操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)包覆層厚度檢測(cè)結(jié)果見圖3，下表面操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)包覆層厚度檢測(cè)結(jié)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(qū)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(xiàn)象的原因分析如下。首先，在熱軋開始時(shí)，上下兩塊包覆板的變形程度不同，由于鑄錠自重導(dǎo)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(guò)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(diǎn)原因?qū)е律媳砻姘矊雍穸嚷源笥谙卤砻姘矊雍穸?，但都在控制目?biāo)范圍內(nèi)。而圖3和圖4分別從上表面和下表面對(duì)比分析了操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)的包覆層厚度，結(jié)果無(wú)明顯規(guī)律，都在合格范圍內(nèi)。

4.2 材料軟化曲線

按上述軟化試驗(yàn)結(jié)果繪制出材料的軟化曲線，如圖5所示。

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

從圖5可以看出，料溫在300℃以上時(shí)，材料的力學(xué)性能指標(biāo)趨于穩(wěn)定，屈強(qiáng)比小于0.5，材料處于完全再結(jié)晶狀態(tài)。根據(jù)這一結(jié)果，在生產(chǎn)中制定退火工藝時(shí)采取打熱電偶監(jiān)控料溫的方式進(jìn)行退火：爐氣定溫380℃，料溫大于300℃時(shí)出爐。

4.3 材料硬化曲線

按上述硬化試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度逐漸增大，延伸率逐漸變小。從圖6看，加工率在25%～45%時(shí)，可以保證材料力學(xué)性能滿足要求。結(jié)合實(shí)際情況，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)加工率按30%控制，生產(chǎn)出的產(chǎn)品力學(xué)性能見表5。

表5 實(shí)測(cè)力學(xué)性能

4.4 金相顯微組織

對(duì)成品板材取30mm×30 mm樣片進(jìn)行打磨拋光，觀察其顯微組織，結(jié)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(jié)合均勻、致密，說(shuō)明材料復(fù)合效果較好。同時(shí)可以看出，434復(fù)合材料在微觀狀態(tài)下的組織形貌有所不同，這主要是因?yàn)樾緦?003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(jié)論

（1）通過(guò)本工藝研究，針對(duì)0.8 mm厚度的434復(fù)合材料，在對(duì)其皮材和芯材鑄錠厚度進(jìn)行選擇時(shí)，包覆率按14.17%進(jìn)行計(jì)算，可以生產(chǎn)出包覆層厚度為0.08～0.12 mm的產(chǎn)品。

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

（3）料溫大于300℃時(shí)，可以保證材料處于完全再結(jié)晶狀態(tài)。

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