電站空冷系統(tǒng)用預覆釬料鋁鋼復合帶材的開發(fā)

李 龍，曾祥勇，陳 鑫，高 闖，張小軍，周德敬

(銀邦金屬復合材料股份有限公司, 江蘇省金屬層狀復合材料重點實驗室， 無錫 214145)

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電站空冷系統(tǒng)用預覆釬料鋁鋼復合帶材的開發(fā)

李 龍，曾祥勇，陳 鑫，高 闖，張小軍，周德敬

(銀邦金屬復合材料股份有限公司, 江蘇省金屬層狀復合材料重點實驗室， 無錫 214145)

摘要：將釬料層材料4343鋁合金和包覆層材料4A60鋁合金進行熱軋復合，然后與08Al鋼在張力條件下通過φ420 mm軋機進行50%的單道次冷軋復合，隨后在罩式退火爐中進行520 ℃×24 h 的退火處理，得到電站空冷系統(tǒng)用預覆釬料鋁鋼復合帶材，并對其組織與性能進行了研究。結(jié)果表明：預覆釬料鋁鋼復合帶材中08Al鋼的組織為再結(jié)晶鐵素體；復合帶材的屈服強度大于250 MPa，抗拉強度為305 MPa左右，伸長率大于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，拉剪時斷裂發(fā)生在4A60鋁合金層上，鋁鋼界面未發(fā)生分層。

關鍵詞：鋁鋼復合帶材；預覆釬料；軋制復合；組織；力學性能

0引言

鋁鋼復合帶材兼具鋁合金優(yōu)良的耐腐蝕性能及導熱性能和鋼良好的力學性能等諸多優(yōu)點[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)上大多采用冷軋復合法來生產(chǎn)鋁鋼復合材料[4]。電站空冷系統(tǒng)用鋁鋼復合帶材的關鍵技術主要有界面控制、冷軋復合協(xié)調(diào)控制、板形及厚度精度控制、組織性能控制等。我國是電站空冷系統(tǒng)的制造大國，但生產(chǎn)電站空冷系統(tǒng)的關鍵材料鋁鋼復合帶材一直被德國壟斷。2011年銀邦股份公司成功開發(fā)出了電站空冷系統(tǒng)用兩層鋁鋼復合帶材，打破了國外壟斷，填補了國內(nèi)空白。

為了進一步簡化翅片制造工藝、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合帶材的基礎上開發(fā)了預覆釬料鋁鋼復合帶材，即通過熱軋將釬料層(4343鋁合金)預覆到包覆層(4A60鋁合金)上，然后將預覆釬料的包覆層冷軋復合到08Al鋼上，其中主要的關鍵技術是大包覆比(包覆率30%～50%)鋁鋁熱軋復合技術，在突破關鍵技術的前提下開發(fā)出了界面熱脆性、厚度精度及力學性能達到用戶指標要求的預覆釬料鋁鋼復合帶材。作者介紹了該鋁鋼復合帶材的生產(chǎn)工藝，研究了其組織與性能。由于目前還沒有預覆釬料鋁鋼復合帶材的相關標準，主要是依據(jù)兩層鋁鋼復合帶材的YST 289-2012標準來確定各項指標。

1試樣制備與試驗方法

試驗用釬料層材料為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。材料的實測化學成分見表1。

表1　試驗材料的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

釬料層與包覆層的熱軋復合工藝流程為：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合成厚度為310 mm的兩層復合板材，然后再與另一塊4343鋁合金進行熱軋復合，得到了所要求的釬料層與包覆層厚度比例為1∶2的鋁合金復合板，之后經(jīng)過20道次熱軋(溫度范圍在400～500 ℃)后形成厚度為7.0 mm的復合板帶，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，對切邊后的材料再進行一道次冷軋，終軋厚度為0.4 mm，然后進行拉矯，之后在375 ℃退火1 h，得到預覆釬料兩層鋁合金復合帶材。

預覆釬料鋁鋼復合帶材(簡稱鋁鋼復合帶材)的制備工藝為：利用鋼絲刷對預覆釬料兩層鋁合金復合帶材和08Al鋼板的待復合表面進行打磨(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軋機進行單道次壓下量為50%的冷軋復合，軋制速度為4 m·min-1，終軋厚度為2.2 mm左右。對制得的預覆釬料鋁鋼復合帶材進行520 ℃×24 h退火處理。實際使用時鋁鋼復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驗室的釬焊爐中進行了模擬釬焊以研究界面的熱脆性能。

從所制備的鋁鋼復合帶材上截取試樣，對橫向(TD)面進行機械拋光，然后用體積分數(shù)為4%硝酸酒精腐蝕以顯示08Al鋼的顯微組織，再用體積分數(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型光學顯微鏡進行顯微組織觀察，并采用截線法對08Al鋼中的鐵素體晶粒進行測量；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、三點彎曲及拉剪試樣加工及相應試驗分別按照GB/T 228-2002和GB/T 6396-2008進行，試樣的取樣方向為軋制方向(RD)。拉伸試樣的長度為240 mm，標距為80 mm，試樣寬度為20 mm；彎曲試樣的長度為200 mm，寬度為10 mm；拉剪試樣如圖1所示。由于鋁合金層太薄，采用實際使用的釬焊工藝在復合帶材的鋁合金層上釬焊一層2 mm厚的3003鋁合金，通過釬焊后材料的拉剪試驗來對界面剪切強度進行表征。拉伸、彎曲及拉剪試驗在CMT7540型電子萬能試驗機上進行，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型維氏硬度計測硬度，沿厚度方向取點測試，載荷為0.98 N，時間為15 s。

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

2試驗結(jié)果與討論

2.1　鋁鋼復合帶材的顯微組織及界面特征

從圖2可以看出，鋁鋼復合帶材未退火時，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。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，當鋁鋼復合帶材在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。對圖3(a)上位置1和2線段處分別進行線掃描，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,這些波動代表在4343鋁合金中存在鋁-硅共晶相,而基體為硅在鋁中的固溶體;當過渡到4A60鋁合金層時,主要以鋁的固溶體為主;不過從組織及元素擴散的角度很難精確確定釬料層與包覆層的復合界面。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散，擴散距離大約為(4±0.5) μm。熱處理不但可以促進元素的擴散，還可以消除界面的殘余應力，利于界面結(jié)合強度的提高[7-8]。由于鋁鋼復合帶材的最終退火溫度為520 ℃，遠遠高于鋁合金的再結(jié)晶溫度，導致釬料層和包覆層的再結(jié)晶晶粒尺寸較為粗大(超過70 μm)，且由于釬料層和包覆層的厚度很薄(大約為0.18 mm)，對鋁鋼復合帶材的力學性能貢獻很小，因此作者主要對08Al鋼的組織性能進行了研究和分析。圖4為鋁鋼復合帶材退火后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。這說明鋁鋼復合帶材經(jīng)退火處理后并非為絕對的等軸晶粒，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　鋁鋼復合帶材的力學性能

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)，只有兩個硬度值，平均值為35 HV。

從表2可知，鋁鋼復合帶材的實測屈服強度為(260±10) MPa，抗拉強度(305±10) MPa，伸長率為35%±3%，力學性能達到了指標要求，強度和塑性還有一定的控制空間。表2中尺寸精度的目標值為用戶要求，目前沒有相關標準。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]。預覆釬料鋁鋼復合帶材按照指標要求經(jīng)三點彎曲試驗后,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，說明開發(fā)的鋁鋼復合帶材具有較好的界面結(jié)合強度。

表2　鋁鋼復合帶材的性能指標要求及實測值

由圖6可知，鋁鋼復合帶材在拉剪試驗中，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，抗剪強度平均值為60 MPa，這說明鋁鋼界面的結(jié)合強度超過了60 MPa。

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

通過熱處理雖然可以改善界面的結(jié)合質(zhì)量，但溫度過高容易在鋁鋼界面形成脆性化合物，反而會降低鋁鋼的界面結(jié)合強度[11-12]。表2中界面熱脆性試驗結(jié)果表明，鋁鋼復合帶材經(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，通過占據(jù)鋁-鐵相結(jié)構中的空位可阻礙原子的移動，可抑制界面金屬間脆性化合物的形成。但當硅質(zhì)量分數(shù)超過1.62%后，硅的加入會降低鋁合金的熔點，使鋁合金側(cè)元素的擴散速率增加，反而會促進界面金屬間化合物的長大。因此，采用硅質(zhì)量分數(shù)為0.83%的鋁合金作為包覆層后，鋁鋼復合帶材釬焊后，鋁鋼界面無脆性化合物存在。

3結(jié)論

(1) 通過熱軋結(jié)合冷軋復合制備了預覆釬料鋁鋼復合帶材，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) 預覆釬料鋁鋼復合帶材在520 ℃×24 h退火處理后，在鋁鋼界面的鐵、鋁元素存在一定的擴散，擴散距離大約為(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) 預覆釬料鋁鋼復合帶材的屈服強度大于250 MPa，抗拉強度在305 MPa左右，伸長率超過了30%；其他各項性能也滿足指標要求。

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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：TG335.8

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)10-0021-04

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

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863)項目(2013AA031301)；國家國際科技合作專項資助項目(2013DFB50170)；江蘇省重點實驗室資助項目(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.