中間退火對4343/3003/7072汽車熱交換器用鋁合金復(fù)合箔抗下垂性能的影響

張新明，張靜，唐建國，周德敬，尹林

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 無錫銀邦鋁業(yè)有限公司，江蘇 無錫，214122 )

汽車熱交換器是由流體管道和散熱翅片通過釬焊法裝配而成[1]。在高溫釬焊時，翅片強(qiáng)度降低發(fā)生軟化變形，可能導(dǎo)致導(dǎo)管與散熱翅片焊合不牢固，甚至產(chǎn)生虛焊或脫焊現(xiàn)象，影響水箱的散熱效果。因此，抗下垂性能成為衡量釬焊箔質(zhì)量的重要指標(biāo)，而國內(nèi)復(fù)合釬焊箔的抗下垂性能與國外的相比相對較差[2]。研究表明[3-5]：皮材中的 Si向芯材滲透是導(dǎo)致釬焊下垂的主要原因。在高溫釬焊過程中，當(dāng)溫度加熱至580～610 ℃時，皮材中的Al-Si共晶合金在577 ℃時開始熔化，融化的金屬液體一部分形成釬焊接頭，另一部分沿著晶界向芯部金屬擴(kuò)散，在皮材和芯部金屬界面處形成一層擴(kuò)散帶。國內(nèi)外研究者圍繞釬焊過程中的凝固過程以及釬焊接頭的形成進(jìn)行大量的研究[6-9]，并對軋制成品率也進(jìn)行了大量研究[10-15]。研究表明[5]：皮材中的 Si主要沿著芯材晶界擴(kuò)散形成α(Al)+Si共晶，從而降低芯材的強(qiáng)度，導(dǎo)致高溫時發(fā)生軟化變形。因此，增大晶粒尺寸減少晶界數(shù)量，即減少熔融的皮材向芯部金屬的擴(kuò)散渠道，是提高釬焊箔抗下垂性的關(guān)鍵。再結(jié)晶是調(diào)控鋁合金晶粒尺寸最主要的手段，基于此，本文作者研究冷軋中間退火及隨后冷軋變形量對芯材再結(jié)晶及復(fù)合箔抗下垂性能的影響。

1 實驗材料與方法

以3003合金為芯材，一面包覆4343合金作為皮材，高溫釬焊時熔化成為釬料，另一面包覆7072合金作為皮材，起到犧牲陽極、保護(hù)芯材免受腐蝕的作用[3]。3層材料形成三明治結(jié)構(gòu)，皮材厚度一般占復(fù)合鋁箔厚度的10%左右。

合金設(shè)計成分如表1所示。將4343和7072鑄錠均勻化后熱軋至厚度2.5 mm，用傳統(tǒng)方法對表面進(jìn)行處理后，與均勻化后厚度為25 mm的3003鑄錠熱軋復(fù)合。首道次壓下量為50%，熱軋溫度為500 ℃。最終將復(fù)合材料熱軋至厚度 2 mm，然后，將材料分別冷軋至厚度0.11～0.33 mm，并進(jìn)行中間退火，退火溫度分別為300，370，420和500 ℃，退火時間為1 h。最后進(jìn)行成品軋制，軋制壓下率為10%～85%，成品厚度為0.1 mm。

設(shè)計圖1所示的實驗裝置來檢測、分析成品鋁箔的抗下垂性能。鋁箔的外懸長度為50 mm，箔帶寬度為22 mm。將加熱爐升溫到610 ℃，并穩(wěn)定20 min，再將裝配好的試樣送入爐內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱時間為 5 min。然后，將試驗裝置平穩(wěn)地移出爐外空冷，用游標(biāo)卡尺測量試樣的自由端自然下垂量即下垂值[12]。

表1 芯材和皮材的合金設(shè)計成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of core and filler alloys studied %

圖1 抗下垂實驗裝置示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic of sagging test rig

試樣經(jīng)電解拋光和陽極覆膜后在 POL YVARMET 型光學(xué)顯微鏡(OM)上進(jìn)行顯微組織觀察；透射電鏡觀察在Tecnai G220型透射電鏡上進(jìn)行；在 KYKY2800 型掃描電子顯微鏡(SEM)上進(jìn)行顯微組織觀察及能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 中間退火及冷變形對帶材晶粒尺寸的影響

圖2所示為中間退火后芯材的晶粒組織。從圖2可以看出：在300 ℃退火時，芯部金屬未發(fā)生再結(jié)晶；在370 ℃退火時，部分晶粒發(fā)生再結(jié)晶；在420 ℃退火時，晶粒全部發(fā)生再結(jié)晶；當(dāng)退火溫度升高至500 ℃時，晶粒發(fā)生粗化。

圖2 成品前不同中間退火溫度下芯材的顯微組織Fig.2 Microstructure of clad sheet intermediate-annealed at different temperatures

圖3所示為抗下垂實驗前芯部金屬的金相顯微組織。從圖3可以看出：模擬釬焊后，Al-Si共晶熔化，并沿著芯部金屬的晶界擴(kuò)散，并在晶界形成 Al-Si共晶，嚴(yán)重降低芯部金屬的強(qiáng)度。

圖3 抗下垂實驗前芯部金屬的顯微組織Fig.3 Microstructure of core material after brazing

高溫釬焊后不同退火溫度和軋制壓下率條件下的金相組織如圖4～5所示。從圖4可以看出：在相同的退火溫度下，隨著軋制壓下率的增大，芯部金屬的晶粒減小。從圖5可以看出：在軋制壓下率相同的情況下，在370 ℃和500 ℃中間退火時，經(jīng)過高溫釬焊后芯部金屬的晶粒尺寸最粗大，其次是420 ℃中間退火，不退火和300 ℃中間退火的晶粒最細(xì)小。

圖6所示為中間退火溫度為 500 ℃、壓下率為10%時，抗下垂試驗后芯部金屬的TEM組織。從圖6可以看出：芯部金屬中位錯密度較大，存在大角度晶界。這說明在610 ℃模擬釬焊時，芯部金屬并沒有完全發(fā)生再結(jié)晶。

圖7所示為變形程度和晶粒尺寸之間的關(guān)系。由圖7可見：當(dāng)變形程度達(dá)到εc時，晶界大規(guī)模遷移發(fā)生再結(jié)晶，且再結(jié)晶晶粒比較粗大，隨著變形程度增大，再結(jié)晶晶粒不斷細(xì)化。

2.2 中間退火及隨后冷變形對抗下垂性能的影響

抗下垂實驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出：無論在何種中間退火制度下，當(dāng)成品壓下率超過50%時，抗下垂性能很差；若不經(jīng)過中間退火，無論壓下率為多少，抗下垂性能都很差?？瓜麓剐阅茌^好的工藝條件是 370 ℃/10%～35%，420 ℃/10%～20%和 500 ℃/20%～35%。

圖4 在中間退火溫度為370 ℃時、不同的軋制壓下率下抗下垂實驗后芯材的顯微組織Fig.4 Microstructures of post-brazing alloys after annealing at 370 ℃ through different reductions

圖5 在軋制壓下率為20%、不同退火溫度下抗下垂實驗后芯材的顯微組織Fig.5 Microstructures of post-brazing alloy after 20% cold rolling at different intermediate annealing temperatures

圖6 中間退火溫度為500 ℃、成品壓下率為10%時，抗下垂實驗后芯部金屬的TEM組織Fig.6 TEM image of core specimen intermediate-annealed at 500 ℃ after 10% cold-rolling

圖7 500 ℃中間退火時變形程度對釬焊后晶粒尺寸的影響Fig.7 Effect of cold-rolling reduction on grain size after brazing at intermediate annealing temperature of 500 ℃

圖8 不同中間退火和成品軋制壓下率對抗下垂性的影響Fig.8 Sagging distance vs cold rolling reduction at different intermediate annealing temperatures

對抗下垂實驗后的復(fù)合箔截面進(jìn)行能譜分析，以檢測皮材中的Si元素在芯材中的擴(kuò)散結(jié)果。圖9所示為420 ℃中間退火、成品壓下率分別為20%和50%時，沿鋁箔橫截面相同面積內(nèi)Si元素的分布情況。從圖9可見：隨著到復(fù)合箔表面距離的增加，當(dāng)壓下率為20%時，Si元素的含量下降比50%壓下率時的快，說明壓下率為20%時Si元素的擴(kuò)散較壓下率為50%時的少。

從圖8(a)可以看出：不經(jīng)過中間退火時，壓下率對下垂距離影響不大，且抗下垂性能都很差。這是由于不經(jīng)過中間退火的箔材在釬焊前已具有非常大的變形量，因此，在經(jīng)過高溫釬焊后，再結(jié)晶晶粒非常細(xì)小(見圖5(a))。因此，Si元素沿晶界的擴(kuò)散增大，導(dǎo)致抗下垂性能下降。

圖9 在370 ℃中間退火、成品壓下率為20%和50%時，經(jīng)過抗下垂實驗后芯部金屬中Si含量的分布Fig.9 Si content of brazed core specimen annealed at 370 ℃,then 20% and 50% cold-rolled

從圖8(b)可見：在300 ℃退火且壓下率為10%時下垂距離很大；壓下率為20%～35%時，下垂距離略有所減?。蝗缓螅S壓下率的增大，下垂距離不斷增大，性能變差。但相對于其他退火溫度，各個變形量下的下垂距離都比較大。通過觀察此退火溫度后的金相組織(圖2(a)所示)可以看出：在300 ℃下，芯部金屬并未發(fā)生再結(jié)晶，冷軋過程中儲存的能量并未完全釋放，導(dǎo)致在釬焊過程中，再結(jié)晶晶粒比較細(xì)小，如圖5(b)所示。

從圖8(c)可見：在370 ℃退火、壓下率為10%～20%時，抗下垂性能較好；隨著變形量的繼續(xù)增大，下垂距離越來越大；370 ℃中間退火后，芯部金屬中只有部分晶粒再結(jié)晶完成，所以，中間退火后還保留一部分儲能。因此，在最后一道次變形量為10%時，變形量已經(jīng)超過了臨界變形量，使芯部金屬發(fā)生再結(jié)晶，且晶粒較大(如圖4(a)所示)，下垂距離較小，抗下垂性能較好。但隨變形量的增大，儲能也不斷增大，因此，高溫釬焊后，晶粒也不斷變小，如圖4所示。因此，下垂距離增大。

420 ℃退火后，晶粒已全部發(fā)生再結(jié)晶(如圖3(c)所示)，之前冷軋的儲能全部釋放，但再結(jié)晶晶粒尺寸非常小。由于原始晶粒尺寸非常小，原有大角度界面增多，因此，經(jīng)過變形和高溫釬焊以后的再結(jié)晶晶粒比500 ℃退火時的小，如圖5(d)所示；在10%～35%時，下垂距離變化不大，且下垂距離相對較大，如圖8(d)所示。

在500 ℃退火、壓下率為10%時，由于變形程度較小，變形后的變形儲能很小，在高溫釬焊時，并未達(dá)到臨界變形程度εc，經(jīng)過高溫釬焊后的芯部金屬仍然保留了較多的位錯和大角度晶界，如圖6所示。皮材熔化后，沿著位錯密度較大的區(qū)域進(jìn)行滲透，因此，下垂距離較大。而當(dāng)變形程度達(dá)到臨界變形程度20%時，高溫釬焊時發(fā)生了再結(jié)晶，且晶粒較大(如圖5(e)所示)，下垂距離較小。之后，隨著變形程度的不斷增大，晶粒也越來越小，下垂距離隨之增大。

3 結(jié)論

(1) 抗下垂性能與芯部金屬再結(jié)晶程度有密切關(guān)系，而芯部金屬的再結(jié)晶受壓下率和中間退火溫度控制。

(2) 4343/3003/7072鋁合金復(fù)合箔中間退火溫度與成品壓下率在 370 ℃/10%～35%以及 500 ℃/20%～35%時，芯部金屬再結(jié)晶晶粒較大，限制了皮材中的Si向芯材的滲透，抗下垂性能較好。

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