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    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

    2012-08-01 02:09:22張新明張靜唐建國周德敬尹林
    關(guān)鍵詞:壓下率芯部芯材

    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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