高頻焊管復(fù)合板組織和抗下垂性能的試驗(yàn)研究

張?jiān)讫垼瑥埼撵o，張 璇，張祥斌，韓 穎

（1.東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱150060；2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司蘇州分公司，蘇州215026）

0 前言

隨著時(shí)代的進(jìn)步與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，汽車輕量化是汽車制造行業(yè)新的發(fā)展方向，而汽車散熱器的輕量化是汽車輕量化的重要途徑之一。將厚度較薄的高頻焊管復(fù)合板應(yīng)用于汽車散熱器上既可以減輕汽車質(zhì)量、節(jié)省能源，又可以提高散熱器的使用壽命[1]。

現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)高頻焊管復(fù)合板的性能仍不穩(wěn)定，特別是抗下垂性能很不穩(wěn)定。而抗下垂性能又是衡量復(fù)合材料質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，它直接影響到汽車散熱器的釬焊成型性及散熱效果。復(fù)合板在高溫釬焊過(guò)程中，4×××系鋁合金皮材會(huì)逐漸熔化，硅元素在濃度梯度的作用下沿晶界向芯材擴(kuò)散、滲透，逐漸熔蝕芯材，導(dǎo)致起支撐作用的芯材變薄，強(qiáng)度降低，抗下垂性能變差。因此，較薄的復(fù)合板在600～620℃高溫釬焊時(shí)容易出現(xiàn)下垂現(xiàn)象[2]。

本文針對(duì)自主研制的0.22 mm厚的高頻焊管復(fù)合板，進(jìn)行了生產(chǎn)工藝的試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)出釬焊后具有良好抗下垂性能的高頻焊管復(fù)合板，滿足了用戶使用要求。

1 試驗(yàn)材料及方案

本試驗(yàn)工藝路線為：配料→熔煉→成分分析→精煉→鑄造→鋸切→銑面→焊合→加熱→熱軋→冷軋→中間退火→冷軋→成品退火→精整→鋸切→檢測(cè)。

研究用復(fù)合板采用熱軋復(fù)合工藝生產(chǎn)，將0359E合金鑄錠作為芯材，上、下表面分別包覆4343合金板材；7072合金板材作為皮材，所用合金化學(xué)成分的實(shí)測(cè)值分別列于表1中。

表1 4343/0359E/7072三層復(fù)合板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

將復(fù)合板雙面包覆率控制在（10±2）%。先打磨皮材4343合金、7072合金結(jié)合面，用航空汽油清潔芯材0359E合金的表面，然后打定位銷、打鋼帶固定后進(jìn)行加熱和軋制，制成厚度為6.0 mm的復(fù)合板坯。

將6.0 mm厚的4343/0359E/7072熱軋態(tài)復(fù)合板坯冷軋至1.0 mm，再取樣進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室采用400 mm小型冷軋機(jī)和納博熱爐開(kāi)展不同冷軋加工率與不同熱處理制度的匹配試驗(yàn)，以研究復(fù)合板組織變化對(duì)其抗下垂性能的影響，具體工藝優(yōu)化參數(shù)如圖1所示。

復(fù)合板釬焊抗下垂試驗(yàn)參照日本低溫釬焊委員會(huì)編制的抗下垂試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)中測(cè)量的下垂值用于反映復(fù)合板抗下垂性能的好壞，下垂值越小，表明該材料的抗下垂性能越好，即釬焊成型性能越好。圖2是下垂值測(cè)量示意圖，h值表示試樣在測(cè)試溫度下的下垂量。數(shù)量為每組3個(gè)平行試樣，規(guī)格為100 mm長(zhǎng)、22 mm寬、懸空長(zhǎng)度為50 mm。選用VTB 335型鋁合金真空釬焊爐進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，釬焊制度為620℃/20 min。對(duì)釬焊前和釬焊后的試樣進(jìn)行電解拋光陽(yáng)極覆膜后，采用蔡司光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高頻焊管復(fù)合板組織形貌分析

圖3～圖5分別是12%、21.4%及31.3%冷軋加工率高頻焊管復(fù)合板在不同中間退火溫度、不同成品退火溫度下的組織形貌?？梢钥闯觯瑥?fù)合板在300℃、360℃中間退火、230～270℃成品退火時(shí)，芯材為纖維狀組織；在420℃、480℃中間退火、230～270℃成品退火時(shí)，芯材為長(zhǎng)條狀晶粒組織。

圖6～圖8分別是12%、21.4%及31.3%冷軋加工率下的高頻焊管復(fù)合板在不同中間退火溫度、不同成品退火溫度下經(jīng)620℃高溫釬焊后的組織形貌。可以看出，不同冷軋加工率與不同熱處理制度匹配后制備出的復(fù)合板釬焊后晶粒的長(zhǎng)徑比不同。

2.2 高頻焊管復(fù)合板釬焊抗下垂性能

對(duì)不同生產(chǎn)工藝下制備的復(fù)合板進(jìn)行釬焊抗下垂試驗(yàn)，并測(cè)量其下垂值，結(jié)果如表2所示。

表2 不同生產(chǎn)工藝下復(fù)合板釬焊抗下垂試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖6～圖8與表2可知，不同生產(chǎn)工藝下制備的高頻焊管復(fù)合板釬焊后的組織形貌與下垂值的測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，波動(dòng)范圍小。可以看出，隨著中間退火溫度的提高，相同冷軋加工率下的復(fù)合板釬焊后形成的晶粒長(zhǎng)徑比越大，下垂值越小。隨著冷軋加工率的增大，復(fù)合板釬焊后形成的晶粒長(zhǎng)徑比變小，下垂值變大。彭志輝等人通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較和分析，認(rèn)為冷軋加工率是影響復(fù)合板釬焊后下垂性能的重要因素，中間退火工藝是影響復(fù)合板釬焊后下垂性能的另一因素[3]。另外，為了滿足不同用戶對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度與延伸率的要求，可以優(yōu)化復(fù)合板的成品退火溫度。

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)0.22 mm厚的高頻焊管復(fù)合板的冷軋加工率控制在12%～21.4%，中間退火溫度在420～480℃，成品退火溫度在230～270℃時(shí)，其釬焊后的抗下垂性能較好。

2.3 試驗(yàn)工藝對(duì)抗下垂性能的影響

復(fù)合板在高溫釬焊過(guò)程中，皮材中的Si元素沿著晶界向芯材擴(kuò)散。芯材的晶粒越小，晶界越多，Si元素?cái)U(kuò)散的通道越多，從而Si元素向芯材擴(kuò)散的程度越大，復(fù)合板的抗下垂性能越差，反之亦然[4]。因此，要想提高復(fù)合板的抗下垂性能，就要增大芯材的晶粒尺寸，減少晶界數(shù)量，即減少Si元素向芯層擴(kuò)散的通道。在復(fù)合板的各項(xiàng)生產(chǎn)工序中，對(duì)抗下垂性能影響顯著的因素主要有材料的均勻化、中間退火工藝及冷軋加工率。

（1）均勻化是材料生產(chǎn)的重要工序，主要是為了消除組織、成分偏析等鑄造缺陷。在進(jìn)行均勻化的過(guò)程中，芯材合金中的過(guò)飽和固溶元素析出形成彌散第二相。隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，合金中的第二相尺寸逐漸變大，同時(shí)數(shù)量減少。這些在均勻化過(guò)程中形成的粗大第二相將在后續(xù)的再結(jié)晶形核階段充當(dāng)形核點(diǎn)，增加再結(jié)晶形核數(shù)量，從而形成細(xì)小的再結(jié)晶組織，導(dǎo)致加劇熔蝕過(guò)程，使材料的抗下垂性能變差。而非均勻化的組織中過(guò)飽和的固溶元素將在后續(xù)的軋制、退火和釬焊過(guò)程中析出，阻礙再結(jié)晶過(guò)程，從而獲得粗大長(zhǎng)條狀再結(jié)晶晶粒組織，有益于提高材料的抗下垂性能。因此，一般3×××系鋁合金不進(jìn)行均勻化處理[5]。

（2）中間退火工藝對(duì)復(fù)合板的抗下垂性能有一定的影響。經(jīng)過(guò)低溫中間退火的復(fù)合板，其芯材未發(fā)生再結(jié)晶，為纖維狀組織；經(jīng)過(guò)高溫中間退火的復(fù)合板，其芯材發(fā)生完全再結(jié)晶，為長(zhǎng)條狀晶粒組織，再經(jīng)過(guò)高溫釬焊后，長(zhǎng)條狀晶粒組織進(jìn)一步增大，長(zhǎng)徑比明顯大于經(jīng)過(guò)低溫中間退火的復(fù)合板，因此，材料的抗下垂性能提高。

（3）冷軋加工率對(duì)復(fù)合板抗下垂性能的影響十分顯著。在中間退火制度相同的條件下，加工率太小或者太大，復(fù)合板的抗下垂性能都會(huì)有不同程度的降低。較小的冷軋加工率會(huì)減少?gòu)?fù)合板的變形儲(chǔ)能，提高其再結(jié)晶溫度，使得高溫釬焊時(shí)芯材中的晶粒再結(jié)晶不完全，為亞晶晶粒組織組成的回復(fù)組織，存在大量的亞晶界。釬焊過(guò)程中，皮材鋁合金中的Si原子通過(guò)芯材合金亞晶晶面的缺陷擴(kuò)散，使復(fù)合板的抗下垂性能降低。而冷軋加工率過(guò)大，冷軋后材料會(huì)產(chǎn)生大量變形位錯(cuò)組織，3×××系鋁合金芯材的變形儲(chǔ)能增加，再結(jié)晶的溫度降低，經(jīng)高溫釬焊后發(fā)生完全再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸晶粒組織，并且存在大量晶界。釬焊過(guò)程中，熔融狀態(tài)的4×××系鋁合金中的Si原子沿著3×××系鋁合金的再結(jié)晶界面向著芯材中擴(kuò)散，導(dǎo)致復(fù)合板的抗下垂性能降低。

因此，控制晶粒形狀與尺寸、減少晶界薄弱環(huán)節(jié)是提高合金高溫性能的關(guān)鍵。而單位體積內(nèi)較粗大的長(zhǎng)條狀組織的晶界面積明顯少于細(xì)小等軸晶組織，有利于提高合金的蠕變性能[6]。本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)冷軋加工率與熱處理制度的合理匹配，使高頻焊管復(fù)合板的晶粒呈長(zhǎng)條狀，且沿軋制方向分布，減少了高溫釬焊下薄弱環(huán)節(jié)的晶界面積。釬焊后形成粗大的扁長(zhǎng)形晶?？梢蕴岣邚?fù)合板的抗下垂能力。

3 結(jié)論

（1）4343/0359E/7072高頻焊管復(fù)合板的釬焊抗下垂性能與復(fù)合板芯材合金釬焊前、后的組織形貌和晶粒尺寸密切相關(guān)。復(fù)合板釬焊前為長(zhǎng)條狀晶粒組織，釬焊后形成粗大的扁長(zhǎng)形晶粒，晶粒長(zhǎng)徑比越大，其抗下垂性能越好。

（2）冷軋加工率、中間退火工藝均是影響高頻焊管復(fù)合板釬焊抗下垂性能的主要因素。在工業(yè)化條件下，控制冷軋加工率并與熱處理制度合理匹配，可以生產(chǎn)出滿足用戶使用要求的復(fù)合板產(chǎn)品。