鋁合金復(fù)合板熱軋生產(chǎn)及復(fù)合和釬焊機(jī)理淺析

1、鋁合金復(fù)合板熱軋生產(chǎn)及復(fù)合和釬焊機(jī)理淺析B摘要：/B介紹了鋁合金復(fù)合板基體合金與包覆層合金的選擇，以及包覆層合金中各元素的主要作用，同時(shí)介紹了熱軋復(fù)合工藝。對(duì)復(fù)合板熱軋復(fù)合機(jī)理和釬焊機(jī)理進(jìn)行了初步探討。 B關(guān)鍵詞：/B鋁合金復(fù)合扳；釬焊；表面預(yù)處理；基體；包覆層 鋁合金復(fù)合板是空氣分離設(shè)備和汽車(chē)配件熱交換器的關(guān)鍵材料，生產(chǎn)難度大，技術(shù)要求高。它是由包覆層合金單面或雙面包覆基體合金，經(jīng)復(fù)合軋制而成。基體合金和包覆層合金均是根據(jù)熱交換器的不同結(jié)構(gòu)、不同釬焊方式、不同用途等要求而專門(mén)研制的新型合金。熱交換器生產(chǎn)線對(duì)鋁合金復(fù)合板的綜合技術(shù)質(zhì)量要求很?chē)?yán)格，因此，我們首先對(duì)基體合金和包覆層合金的成分進(jìn)行調(diào)

2、整，優(yōu)化控制，其次控制包覆層的均勻性和熱軋復(fù)合技術(shù)。 B1 基體合金、包覆層合金的選擇/B B11 基體合金的選擇/B 基體合金應(yīng)采用熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度適宜、釬焊過(guò)程中與焊料結(jié)合性好、彎曲變形小且焊料對(duì)其擴(kuò)散影響不大，同時(shí)在使用中具有適中的強(qiáng)度和耐蝕性的鋁合金。國(guó)外大多數(shù)采用3xxx系合金和6xxx系合金做基體。鑒于我國(guó)引進(jìn)設(shè)備的釬焊工藝為氣體保護(hù)焊、Nocolok釬焊和真空釬焊三種，考慮到3xxx系合金具有力學(xué)性能優(yōu)良、釬焊性和耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，以及多數(shù)使用單位采用3003合金和加Zn的X313合金基體復(fù)合板，因此，我們選定3003和X313作為基體合金。 B12 包覆層合金的選擇/B 包覆層合

3、金作為包覆基體合金的釬焊料，應(yīng)該是熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、浸潤(rùn)性好。國(guó)外常用的包覆層合金是4xxx系合金，如適于氣體保護(hù)焊和Nocolok釬焊工藝的X414、4343、4045、4047和4N43合金；適于真空釬焊工藝的4004、4104和4N04合金。我們?yōu)闈M足國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)線的要求，選擇4043、4045、4N43、X414、4004和4N04六種合金作為包覆層合金。在復(fù)合板的釬焊過(guò)程中，包覆層合金的流動(dòng)性、潤(rùn)濕性、間隙填充能力、熔蝕性和接頭強(qiáng)度等代表著釬焊質(zhì)量的優(yōu)劣。因此，要嚴(yán)格控制包覆層合金的各主要元素的含量，其主要元素的作用如下： Zn元素的作用：一是可使合金的腐蝕電位降低，添加量越大，電位降

4、低越多，沖制后的散熱片作為陽(yáng)極優(yōu)先腐蝕，從而保護(hù)介質(zhì)通道；二是降低合金表面氧化膜強(qiáng)度，使其表面容易剝落而全面腐蝕，達(dá)到抑制點(diǎn)蝕的目的。但是，若Zn含量過(guò)高，散熱片腐蝕速度過(guò)快，會(huì)使散熱片失去散熱效果并降低其使用壽命。 Si元素的作用：Al-Si合金在共晶點(diǎn)附近其熔點(diǎn)最低可達(dá)到577，這是其作為釬焊材料的優(yōu)勢(shì)。復(fù)合后，Si元素會(huì)因濃度梯度而向基體合金擴(kuò)散，使基體的Mn元素固溶度隨Si含量的增加而降低，并形成富含Al(MnFe)Si彌散體的陽(yáng)極帶，從而改變了基體中Al和第二相之間的電位差，使腐蝕優(yōu)先發(fā)生在基體的亞表面層，同時(shí)Si可以改變釬焊料的流動(dòng)性，組織均勻細(xì)密，提高釬焊質(zhì)量。 Mg元素的作用：

5、包覆層合金中的Mg是保證真空釬焊質(zhì)量必不可少的金屬活化劑、吸氣劑，同時(shí)對(duì)復(fù)合板的耐蝕性產(chǎn)生一定的影響。腐蝕試驗(yàn)表明，Mg元素的加入使包覆層合金腐蝕電位降低，腐蝕速度加快，有一定的抗點(diǎn)蝕作用。 B2 熔煉鑄造與鑄錠均勻化/B B21 熔煉鑄造/B 采用煤氣反射爐熔煉合金。3XXX系合金熔煉溫度為710-750，精煉和靜置后，采用半連續(xù)法鑄造，鑄造溫度700-730，鑄造速度55-65mm/min。4xxx系合金的熔煉溫度為700-740，精煉和靜置后，用鈉鹽進(jìn)行變質(zhì)處理，然后以鑄造溫度690-720，鑄造速度30-40mm/min進(jìn)行鑄造。因?yàn)?XXX合金為亞共晶合金，共晶Si呈針狀分布，嚴(yán)重影

6、響合金的綜合性能，因此必須進(jìn)行變質(zhì)處理，改變共晶Si形貌，使之球化，改善其綜合性能。 4XXX合金的變質(zhì)劑為二元鈉鹽混合物。加鈉鹽變質(zhì)細(xì)化組織的機(jī)理有過(guò)冷和吸附兩種理論。過(guò)冷理論認(rèn)為在過(guò)冷條件下形核數(shù)急劇升高，共晶組織隨之變細(xì)；吸附理論認(rèn)為Si晶體容易沿孿晶(112)方向長(zhǎng)成片狀，長(zhǎng)大速度極快，液態(tài)合金中加入Na后，Na原子迅速吸附在Si晶體表在，限制晶體表面沿孿晶方向異常發(fā)展，結(jié)果使共晶Si球化、變細(xì)。 B22 鑄錠均勻化處理/B 均勻化的目的是緩解鑄造應(yīng)力，改善鑄造組織，減輕或消除成分偏析?；w合金的均勻化制度為590-610保溫10-12h；包覆層合金的均勻化制度為510-530保溫12

7、-14h。 B23 表面預(yù)處理/B 為確保熱軋復(fù)合的質(zhì)量，需先對(duì)基體合金和包覆層合金鑄錠進(jìn)行銑面，并確保不存在深溝痕、鋁屑、夾渣、表面裂紋和疏松等缺陷。在基體合金鑄錠銑面后和包覆層合金鑄錠制成包覆層板坯時(shí)，其表面存在的殘留油污、灰塵和金屬氧化膜等污物，在軋制復(fù)合前必須采用化學(xué)和物理方法清洗，以利于軋制復(fù)合。進(jìn)行的表面預(yù)處理工藝是：堿洗室溫水沖洗中和洗室溫水沖洗熱水沖洗吹干。 B3 熱軋復(fù)合工藝/B B31 基體與包覆層初始包覆率的確定/B 包覆率是指包覆層厚度與復(fù)合板總厚度之比。由于基體為3xxx合金，包覆層為4xxx合金，二者的塑性變形抗力差異較大，致使包覆率的初始設(shè)定值與實(shí)際值之間存在著一

8、定的差異。 經(jīng)過(guò)對(duì)基體、包覆層合金的高溫力學(xué)性能在復(fù)合軋制過(guò)程中的變化規(guī)律及包覆率控制技術(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究，掌握了基體、包覆層合金在不同成分、不同加熱溫度下，其變形杭力和包覆率的變化規(guī)律，從而確定了基體、包覆層的初始設(shè)定值，井將最終包覆率偏差控制在2以內(nèi)。名義包覆率則根據(jù)不同使用單位、不同釬焊工藝和不同熱交換器用途等具體要求確定。 B32 熱軋復(fù)合工藝的確定/B 將符合熱軋復(fù)合要求的3xxx系合金錠坯和4xxx合金板坯疊放整齊，置入加熱爐內(nèi)加熱。為了確定最佳熱軋復(fù)合工藝參數(shù)，采用正交試驗(yàn)法研究了加熱溫度、保溫時(shí)間、熱軋總加工率與熱軋復(fù)合質(zhì)量的關(guān)系。結(jié)果表明：加熱溫度為450-490，保溫時(shí)間2

9、-8h，熱軋總加工率大于90，芯層與包覆層之間可以獲得良好的熱軋復(fù)合界面。 需要強(qiáng)調(diào)的是熱軋復(fù)合工藝對(duì)復(fù)合板的質(zhì)量至關(guān)重要，主要有道次、道次加工率及乳液使用。否則將導(dǎo)致各處復(fù)合不上或包覆率不均勻、超差等質(zhì)量缺陷。另外，既要給予充足的乳液，使其充分潤(rùn)滑、冷卻，防止粘輥，又要防止乳液進(jìn)入基體與包覆層的界面，以免影響焊合效果。 B4 復(fù)合機(jī)理和釬焊機(jī)理淺析/B B41 熱軋復(fù)合機(jī)理/B 熱軋復(fù)合時(shí)的界面復(fù)合機(jī)理非常復(fù)雜，現(xiàn)在得到公認(rèn)的機(jī)理有以下幾種： 表面層裂縫機(jī)理：認(rèn)為氧化膜是界面結(jié)合的障礙，界面如要結(jié)合必須破壞氧化膜，使新鮮金屬以裂縫方式裸露出來(lái)。此機(jī)理要求軋制率達(dá)到臨界值，使裸露金屬達(dá)到足以使

10、界面結(jié)合的最小面積，否則無(wú)法復(fù)合。 再結(jié)晶理論：認(rèn)為軋制復(fù)合過(guò)程是接觸區(qū)的再結(jié)晶過(guò)程。即金屬界面的結(jié)合是在高溫下通過(guò)金屬再結(jié)晶的晶格原子重新排列，形成同屬于基體合金和包覆層合金的共同晶粒，使之復(fù)合在一起。 擴(kuò)散機(jī)理：認(rèn)為被軋制復(fù)合的金屬在06-08Tsub熔/sub溫度下，在界面處存在一層很薄的擴(kuò)散區(qū)，它保證了優(yōu)質(zhì)的復(fù)合界面，使復(fù)合得以順利進(jìn)行。 還有位錯(cuò)學(xué)說(shuō)、能量學(xué)說(shuō)等多種復(fù)合機(jī)理學(xué)說(shuō)，這些理論都有不完善之處。我們將其歸納成三階段理論，試圖較科學(xué)合理地描述熱軋復(fù)合時(shí)的界面復(fù)合現(xiàn)象，即第一階段是物理接觸形成階段，此階段可用裂縫機(jī)理解釋；第二階段是接觸表面的激活階段，此階段產(chǎn)生物理和化學(xué)的相互作

11、用，形成化學(xué)鍵使界面復(fù)合，此階段可用位錯(cuò)學(xué)說(shuō)解釋；第三階段是擴(kuò)散階段與再結(jié)晶的合成，使界面牢固地復(fù)合在一起。 B42 釬焊機(jī)理/B 復(fù)合板的釬焊性能體現(xiàn)在流動(dòng)性、潤(rùn)濕性、間隙填充能力、熔蝕性和接頭強(qiáng)度。 通過(guò)試驗(yàn)研究，我們發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：包覆層中Si含量的高低不僅反映出合金熔點(diǎn)的高低，而且，影響到對(duì)基體合金的潤(rùn)濕性、流動(dòng)性和熔蝕性。Si含量高時(shí)，則流動(dòng)性好，間隙填充能力強(qiáng)，但當(dāng)其擴(kuò)散到基體界面，且使固相成分達(dá)到釬焊成分時(shí)，導(dǎo)致固相熔化，產(chǎn)生熔蝕。Si含量越高，濃度梯度越大，對(duì)基體的熔蝕也越嚴(yán)重，故應(yīng)加入限制性元素Fe，F(xiàn)e、Al和Si形成三元化合物，可抑制Si的擴(kuò)散，減輕熔蝕作用；否則，達(dá)不到釬焊的目的。因此針對(duì)不同的釬焊方式，適當(dāng)調(diào)整包覆層Si含量及其他元素的含量，從而得到優(yōu)良的釬焊效果，又不產(chǎn)生釬焊不牢或熔蝕現(xiàn)象。 B5 結(jié)束語(yǔ)/B 通過(guò)對(duì)基體合金和包