田國建 劉前換 史明飛 盧建兵

摘要：采用鑄軋坯料組織細化處理技術(shù)及“三步軋制法”在線表面處理-軋制復合-擴散退火處理，實現(xiàn)多層材料界面的冶金結(jié)合并獲得均勻包覆率。通過加工率的合理設(shè)計和退火工藝優(yōu)化，使復合鋁箔具有良好的抗下垂性和較好的耐腐蝕性能。解決了行業(yè)內(nèi)無法用鑄軋法代替熱軋法生產(chǎn)復合鋁箔的難題，突破長期以來熱軋法生產(chǎn)復合鋁箔生產(chǎn)周期長、成材率低的瓶頸。復合鋁箔的生產(chǎn)成本大大降低，節(jié)能降耗明顯，冷軋復合產(chǎn)品市場應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：鑄軋;包覆率;冷軋復合;釬焊

中圖分類號： TG 146.2文獻標志碼： A

Development of "cast rolling-cold cladding" short process production technique for brazing composite foil

TIAN Guojian， LIU Qianhuan， SHI Mingfei， LU Jianbing

（Jiangsu Dingsheng New Materials Joint-stock Co.， Ltd.， Zhenjiang 212141， China）

Abstract： The metallurgical bondingof multi-layer materialinterfaceand uniformclad ratio were obtained by using the casting rolling billet microstructure refinement treatment technology and "three- step rolling method" on-linesurface treatment-rolling compound-diffusionannealing treatment. The composite aluminum foil show good sag resistance and corrosion resistance through the reasonable design of processing rate and optimization of annealing process. It solves the problem that the cast rollingmethodcannotreplacethehotrollingmethodtoproducecompositealuminumfoilinthe industry，and breaksthroughthe bottleneckof long productioncycleandlowyieldof composite aluminum foil produced by hot rolling for a long time. The production cost of composite aluminum foil is greatly reduced， energy saving and consumption reduction are obvious， and the market application prospect of cold-rolled composite products is broad.

Keywords： cast rolling; coating rate ; cold-rolling cladding; brazing

隨著汽車保有量不斷上升及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，全球釬焊式熱交換器用鋁合金及鋁合金復合材料的需求量在逐年上升。目前，國內(nèi)外這種復合材料均多采用熱軋復合法制備，由于熱軋復合需要由半連續(xù)鑄軋生產(chǎn)的厚板錠經(jīng)鋸切銑面及多道次熱軋成復合坯料進而軋制成品，整個過程周期長、效率低、能耗高、成品率損耗大，同時熱軋復合面臨整體設(shè)備投資大、成本高等弊端，使得產(chǎn)品加工成本較高[1]。生產(chǎn)出的復合鋁箔包覆層頭尾及寬度方向均勻性差，影響了下游客戶釬焊質(zhì)量及穩(wěn)定性，產(chǎn)生焊后收縮或倒伏、翅片融蝕、虛焊漏焊等質(zhì)量缺陷。近年來，已有研究對“鑄軋+冷軋復合法”短流程綠色生產(chǎn)工藝進行探究并聯(lián)合企業(yè)將其成功應(yīng)用于高精度窄幅（800 mm 以內(nèi)）異種金屬復合軋制[2]，但將此工藝方法應(yīng)用于寬幅（800～1600 mm）釬焊復合鋁箔生產(chǎn)的工藝技術(shù)尚未公開。開發(fā)出在解決熱軋復合法以上不足的同時，又能夠確保釬焊復合鋁箔成品關(guān)鍵特性指標不低于熱軋法復合產(chǎn)品的工藝意義重大，本文以釬焊式熱交換器用復合翅片制備為例進行分析探討。

1 工藝流程

冷軋復合釬焊復合翅片芯材為 DS301鋁合金，其具體成分標準及本次試樣鑄軋坯料成分實測值如表1所示，皮材為 AA4343鋁合金，復合結(jié)構(gòu)及包覆比例（按質(zhì)量分數(shù)）為10%AA4343/DS301/ 10%AA4343鋁合金，成品合金狀態(tài)為 H16態(tài)，厚度為0.08 mm，釬焊前要求抗拉強度為180～220 MPa，屈服強度≥160 MPa，伸長率≥0.5%。

“鑄軋-冷軋復合”法復合翅片生產(chǎn)工藝及常規(guī)熱軋復合工藝路徑分別如圖 1和圖 2所示。

冷軋復合釬焊復合翅片具體生產(chǎn)工藝流程如下：首先，由連續(xù)鑄軋法生產(chǎn)厚度6～7 mm 的皮材及芯材坯料，坯料分別制備厚度0.5 mm 的皮材及厚度4.0 mm 的芯材，經(jīng)1850冷軋復合機冷復合得到厚度為2.0～2.5 mm 復合坯料，成品前道次采用52%壓下量。對比熱軋復合常規(guī)由芯材鑄錠厚度400～500 mm 搭配厚度50 mm 皮材復合，總軋制道次大大減少，短流程化效率提升，同時，無需熱軋高能源消耗，同時規(guī)避了銑面、熱軋頭尾鋸切等大比例成材率損耗。統(tǒng)計對比來看，冷軋復合翅片生產(chǎn)周期較傳統(tǒng)熱軋生產(chǎn)周期縮短15 d 左右，成材率由傳統(tǒng)熱軋平均成材率73%提升至82%左右，設(shè)備投資由傳統(tǒng)熱軋平均投資4～5億元降低至1.5～1.8億元。

2 關(guān)鍵工藝技術(shù)

2.1 坯料組織細化技術(shù)

通過加入 Al-Sr3中間合金相對4系鋁合金凝固組織進行細化處理，鋁液與 Al-Sr3發(fā)生擴散反應(yīng)，形成 Al2-Si2-Sr 金屬化合物，通過中間合金形態(tài)、大小、添加量的調(diào)整，控制其對4系鋁合金鑄軋坯料組織的影響， Sr 的吸收率控制在75%～90%。結(jié)合鑄嘴分布、鑄軋區(qū)、鑄軋速度、溫度的控制，使4系鋁合金皮材變質(zhì)效果良好，無粗大初晶硅產(chǎn)生，如圖 3所示，合金通過鑄軋法穩(wěn)定生產(chǎn)。通過加入 Ti-Al3、Ti-B2中間合金相對3系鋁合金凝固組織進行細化處理。結(jié)合鑄嘴分布、鑄軋區(qū)、鑄軋速度、溫度的控制，降低中心層偏析等缺陷的產(chǎn)生。

2.2 三步法冷軋復合工藝

在線表面處理技術(shù)，采用物理、化學方法對鋁板表面進行處理，去除板材表面油污、氧化膜，形成硬化層，增大結(jié)合表面積，以提高復合板的界面結(jié)合強度，為物理接觸的形成階段創(chuàng)造條件。常用的方法是機械法和化學法，三步法冷軋復合工藝中采用的是機械法，主要是采用特制的鋼刷及砂帶對芯材上下表面進行打磨，對上皮材的下表面進行打磨，對下皮材的上表面進行打磨，并通過毛刷和真空抽吸裝置將鋁粉等表面臟污抽吸干凈，保證結(jié)合面的清潔。在打磨之前，對 AA4343鋁合金（厚度0.5 mm）皮材、DS301鋁合金（厚度4.0 mm）芯材分別進行熱處理以降低金屬變形抗力，熱處理設(shè)備為氮氣保護爐。較低的金屬變形抗力和較小的軋制復合變形程度可以提高產(chǎn)品的復合精度，解決了金屬表面二次氧化污染和軋制復合變形的風險，同時也降低了設(shè)備負荷，并延長了復合軋機和電機的使用壽命。

冷軋復合技術(shù)采用高黏度的潤滑劑對軋輥進行潤滑，避免粘傷，并保證鋁合金板表面質(zhì)量滿足工藝要求。軋輥采用分段多通道冷卻，確保軋輥變形均勻，并最終確保產(chǎn)品板型滿足工藝要求。道次加工率和軋制速度的合理匹配是關(guān)鍵，不同材料臨界變形率不同，銅鋁復合的臨界變形率為37%，鋁合金釬焊復合板的冷軋加工率在50%時最佳[3]。軋制速度是把雙刃劍，速度提升會提高界面溫度，有利于金屬組元的復合，但是速度的提升縮短了界面結(jié)合的有效時間，不利于金屬間的機械結(jié)合。低速復合生產(chǎn)有利于金屬的界面結(jié)合，但顯著降低了生產(chǎn)效率。三步法冷軋復合工藝中，試驗驗證冷軋復合一道次加工率為50%～60%，冷軋復合速度為8～15 m/min 時，復合界面效果最佳，冷復合一道次由三層厚度5 mm 軋至厚度2.0～2.5 mm，宏觀觀察冷軋復合后皮材無脫落，皮材與芯材界面清晰，機械結(jié)合較好，如圖4中掃描電子顯微鏡（scanningelectron microscope，SEM）圖所示。通過圖5中界面成分線掃描觀察主體 Si及 Mn，未發(fā)生界面互擴散，電子背散射圖（electron back scattering diffraction，EBSD）中可見 Si 顆粒成橢圓狀，且均勻、彌散分布。

擴散退火技術(shù)：軋制復合過程分為物理接觸、接觸表面激活和擴散3個階段，軋制復合后的界面結(jié)合屬于機械物理結(jié)合，需要進行退火處理實現(xiàn)機械復合向冶金結(jié)合的轉(zhuǎn)變[4]。這不僅可以消除缺陷（界面空洞、氧化物夾雜）和內(nèi)部殘余應(yīng)力，在兩側(cè)形成一定深度的元素互擴散層，還可以增強界面的結(jié)合強度，如圖 6所示，在擴散退火后，皮材中的 Si 向芯材擴散，芯材中的 Mn 向皮材微量擴散。通過擴散退火后表面發(fā)生變化，對最佳退火溫度和時間進行試驗探究，結(jié)果表明：針對厚度為2.0～2.5 mm 的冷軋復合鋁材，保溫時間設(shè)定為2h 時，擴散退火溫度高于420℃，即會在復合界面產(chǎn)生圖 7中的鼓泡，鼓泡的產(chǎn)生在后續(xù)冷軋過程中會引發(fā)復合層脫落及斷帶問題。

2.3 成品前退火及軋制道次設(shè)計

成品前退火工藝及末道次軋制加工率直接決定了成品力學性能及釬焊前后的組織，釬焊后的晶粒組織又影響翅片的抗下垂性及耐腐蝕性，相關(guān)研究表明，高溫釬焊后得到長條狀的晶粒組織才能有效阻礙 Si 的擴散，從而提高抗下垂性，同時長條狀晶粒組織的層數(shù)越多，對翅片發(fā)生橫向腐蝕延長腐蝕穿透時間有利[5]。經(jīng)交叉試驗驗證，搭配中低溫長時間成品前退火制度（330℃金屬到溫后保溫5 h）及大加工率末道次軋制（54%壓下量），成品翅片晶粒呈現(xiàn)扁長軋態(tài)組織，焊后再結(jié)晶后呈現(xiàn)最有利的兩層以上長條狀晶粒組織，如圖8所示。

3 冷復合成品關(guān)鍵特性

3.1 包覆率

取冷軋復合翅片中間厚度0.5 mm 橫幅樣，由以上橫幅全寬樣片從操作側(cè)邊部、1/4處、1/2位置、1/4處、傳動側(cè)邊部取5張樣片進行復合比檢測，冷復合翅片包覆率檢測金相圖如圖9所示，檢測結(jié)果如表2所示，理論設(shè)計值為10%，實際值在10.100%～10.911%波動，極差為0.811%，相比相關(guān)文獻中的熱軋復合翅片復合比極差值4.4%，冷復合翅片包覆率均勻性具有極大優(yōu)勢，有利于提升后續(xù)芯體釬焊質(zhì)量及成品率。

3.2 抗下垂性

采用抗下垂檢測裝置將冷軋復合工藝成品0.08 mm 厚翅片及對標廠家熱軋同規(guī)格復合翅片放置在同一馬弗爐中，根據(jù)以下的升溫制度升高溫度：由室溫20 min 升溫至600℃，保溫10 min 后立刻取出試樣，采用數(shù)顯游標卡尺測量下垂數(shù)據(jù)，對比檢測結(jié)果，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示，冷復合4組平行試樣下垂均值為26.81 mm，熱軋復合翅片4組平行試樣下垂均值為27.60 mm，冷復合翅片抗下垂性能較熱軋復合翅片有提升。

3.3 耐腐蝕性

終端客戶將冷復合翅片及對標同規(guī)格狀態(tài)熱軋復合翅片應(yīng)用于冷凝器芯體，將兩種翅片的芯體放置于相同 SWAAT 鹽霧腐蝕測試條件下進行相同天數(shù)的測試，宏觀觀察整體芯體翅片的腐蝕脫落率相當，如圖10所示。對腐蝕后翅片截面進行金相分析，對比腐蝕后翅片腐蝕坑的形貌、深度及數(shù)量，如圖 1 1所示。從圖 1 1中可見，冷復合翅片腐蝕后腐蝕坑數(shù)量及深度均低于熱軋復合翅片，從腐蝕形貌上判斷，冷軋復合翅片呈現(xiàn)橫向?qū)訝罡g傾向[6-8]，層狀腐蝕的產(chǎn)生可能與芯材中心層偏析有關(guān)。從微觀焊后晶粒組織來看，與冷復合翅片焊后在厚度方向上出現(xiàn)多層晶粒分布的組織結(jié)構(gòu)有相關(guān)聯(lián)的可能。熱軋復合翅片腐蝕表現(xiàn)為點腐蝕，繼而發(fā)生縱向穿透腐蝕，直至失效，產(chǎn)生原因為熱軋復合翅片釬焊后厚度方向上一般呈現(xiàn)為單層晶粒分布。冷復合翅片焊后出現(xiàn)層狀腐蝕有利于提高翅片結(jié)構(gòu)支撐性，并延長使用壽命。

4 結(jié)論

（1）通過鑄軋坯料組織細化處理技術(shù)及“三步軋制法”在線表面處理-冷軋復合-擴散退火工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)多層材料界面的冶金結(jié)合，并獲得均勻穩(wěn)定的包覆率。

（2）采用54%成品道次加工率及金屬330℃到溫保溫5 h 的中低溫長時間成品前退火制度，成品復合箔釬焊后能夠獲得長條狀多層晶粒組織結(jié)構(gòu)，使復合鋁箔具有良好的抗下垂性和較好的耐腐蝕性能。

（3）“鑄軋-冷復合”短流程生產(chǎn)工藝能夠突破熱軋法生產(chǎn)復合鋁箔生產(chǎn)周期長、成材率低的瓶頸，生產(chǎn)成本大大降低，節(jié)能降耗明顯，應(yīng)用前景廣泛。

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