鋁合金復合材料關鍵技術指標與生產(chǎn)工藝概述

王 強，王海彬，徐 洋

(東北輕合金有限責任公司，哈爾濱150060)

鋁合金層狀復合材料大多是利用軋制復合技術，使兩種或兩種以上物理、化學、力學性能不同的金屬，在接觸介面上實現(xiàn)冶金結合而制備的一種新型復合材料。這種新型材料可極大地改變單一金屬材料的諸多特性，如材料的熱膨脹性、強度、密度、伸長率、電性能、磁性能和焊接性能等，因而被廣泛應用于汽車、火車、飛機、船舶、電子、電力、醫(yī)療器械、環(huán)保和化工設備等領域。

鋁基層狀復合材料是眾多金屬基復合材料之一，而且鋁具有密度小、導熱、導電性能好、耐腐蝕、可加工性能好和易回收等諸多特性。因而在各個領域中被廣泛應用。從理論上講，鋁及鋁合金能與低碳鋼、中碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、鎳及鎳合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金、不同牌號的鋁合金等金屬軋制復合成雙金屬或多層金屬新材料。國外在上世紀30年代就開始研究開發(fā)熱傳輸設備用復合釬焊板、帶、箔的生產(chǎn)技術，40年代在西歐等國已獲得了應用。直到上世紀80年代末，世界上也只有美、德、等少數(shù)發(fā)達國家能生產(chǎn)熱傳輸設備用復合釬焊板、帶、箔材料，而且對生產(chǎn)技術高度保密。

1 產(chǎn)品的特點

復合材料除具有被復合單一金屬、合金或非金屬材料的特性外，還具備單一材料不具備的性能和功能特點，包括光、電、聲、磁、力學、可焊、阻尼、耐熱、耐磨、耐蝕等等。釬焊用鋁合金復合材料具有強度高、重量輕、耐腐蝕、導熱性、可靠性高、成本低、易回收和釬焊性能優(yōu)良等諸多特性，近年來廣泛應用航空、汽車、家用電器、空氣化工和柴油機械制造等領域。

釬焊用鋁合金復合材料(以下簡稱復合材料)通常情況下為兩層或三層復合軋制而成，皮材采用熔點低且流動性好的4XXX鋁合金作為焊料、芯層采用具有中等強度的3XXX防銹鋁合金復合軋制而成。雙面包覆釬焊料的鋁合金復合帶材具有良好的加工性能和釬焊性能，釬焊時不需手工施加焊料，易于在爐中實現(xiàn)自動釬焊，大大提高生產(chǎn)效率［1］。目前釬焊用鋁合金復合材料典型產(chǎn)品是厚度為0.07mm～4.5mm不同應用領域的產(chǎn)品，一般情況下，厚度為0.07mm～0.2mm的鋁合金復合箔材，通常以卷帶供貨，主要用于汽車散熱器和汽車空調器的翅片;厚度為0.21mm～4.5mm的鋁合金復合板材，主要用于化工和制氧機行業(yè)的板式散熱器。

2 產(chǎn)品的主要技術指標

復合材料由于其獨有的產(chǎn)品特決定了產(chǎn)品所應具備的主要指標。不同的使用場合同時也對釬焊用鋁合金復合材料產(chǎn)品提出了不同的使用要求。一般情況下，常規(guī)復合材料的主要技術指標包括包覆層厚度(包覆率)、釬焊溫度、尺寸偏差、力學性能、化學成分;高端復合材料除上述要求外，控制指標還包括抗下垂性(抗塌陷性)、釬焊后力學性能等［2］。此外，根據(jù)使用要求的不斷變化，優(yōu)化設計皮層和芯材化學成分配比也是近年來復合材料各主要生產(chǎn)企業(yè)和應用單位研究的熱點之一。下面，簡要介紹復合材料主要的技術指標與控制典型指標。

2.1 典型復合材料牌號、狀態(tài)與規(guī)格

典型復合材料牌號、狀態(tài)與規(guī)格見表1。

表1

2.2 包覆層厚度

根據(jù)復合材料使用要求、產(chǎn)品規(guī)格不同，復合材料的包覆層厚度要求也不相同，但是一個普遍的要求就是用戶往往希望包覆層厚度越均一越穩(wěn)定、波動越小越好，包覆層范圍越小、波動越小代表復合材料質量也越高。典型復合材料規(guī)格對應的包覆層厚度見表2。

表2

2.3 化學成分

復合材料中大部分合金的化學成分是按照GB/T 3190標準進行控制，但是近年來隨著復合材料的不斷發(fā)展，使用要求不斷加嚴，專業(yè)復合材料生產(chǎn)廠家陸續(xù)開發(fā)出特殊的化學成分控制的合金與復合材料產(chǎn)品。

2.4 尺寸偏差

復合材料尺寸偏差控制是為了滿足產(chǎn)品最終組裝與釬焊的使用要求，厚度偏差往往是控制釬焊質量的重要影響因素，根據(jù)典型的規(guī)格整理了復合材料厚度、寬度、長度、對角線與側邊彎曲度偏差分別見表3、表4、表5、表6。

表3

表4

表5

表6

2.5 力學性能

復合材料最重要的使用要求是焊接，傳統(tǒng)的復合材料對力學性能的要求并不嚴格，但是隨著使用環(huán)境要求的不斷提升，復合材料的力學性能尤其是釬焊后的力學性能逐步成為近年來復合材料生產(chǎn)企業(yè)的研究的焦點之一。但是不同的用戶對復合材料力學性能要求也不盡相同，要根據(jù)使用用途具體確定。

2.6 釬焊溫度

釬焊溫度是衡量復合材料使用要求的關鍵指標之一，釬焊溫度的選擇直接決定加熱設備的選擇、工藝制定與產(chǎn)品的質量穩(wěn)定性，典型復合材料芯材與皮材及復合材料釬焊的推薦溫度見表7。

表7

3 產(chǎn)品的基本流程

復合材料典型生產(chǎn)流程如圖1。

圖1 復合材料典型生產(chǎn)流程

從典型生產(chǎn)工藝流程可以看出，復合材料的生產(chǎn)涵蓋了板帶材軋制產(chǎn)品所通用的工藝流程，但與普通板帶材不同之處是復合材料需要提前制備包覆板、并且需要進行覆合加熱與熱軋復合，熱軋復合即是復合材料不同于普通產(chǎn)品的工藝區(qū)別，更是生產(chǎn)復合材料要控制的關鍵工序與關鍵過程。

4 生產(chǎn)的技術關鍵

復合材料的使用要求決定了生產(chǎn)過程的關鍵控制環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的使用要求，將復合材料生產(chǎn)關鍵技術歸納為化學成分穩(wěn)定性控制、復合過程控制與包覆層厚度設計。

4.1 化學成分穩(wěn)定性控制

復合材料在釬焊過程中皮材4XXX合金起焊接作用，在復合材料的釬焊過程中，包覆層合金的流動性、潤濕性、間隙填充能力、熔蝕性和接頭強度等代表著釬焊質量的優(yōu)劣。同時4XXX合金中的Si含量決定了釬焊的溫度，一般情況下，要求皮材4XXX合金中Si控制越均勻越穩(wěn)定越有利于焊接過程和釬焊溫度控制，有利于釬焊質量控制。在芯材合金設計和選擇上，主要采用熔點高、高溫強度適宜、釬焊過程中與焊料結合性好、彎曲變形小且焊料對其擴散影響不大，同時在使用中具有適中的強度和耐蝕性的鋁合金［3］。同時為了達到某種特有的性能，一般會控制合金中的Zn與Mg含量。下面簡要介紹Si、Zn、Mg在復合材料使用過程中的作用［4］:

(1)Si元素的作用:Al－Si合金在共晶點附近其熔點最低可達到577℃，這是其作為釬焊材料的優(yōu)勢。復合后，Si元素會因濃度梯度而向基體合金擴散，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α［Al(MnFe)Si］彌散體的陽極帶，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Si可以改變釬焊料的流動性，組織均勻細密，提高釬焊質量。

(2)Zn元素的作用:一是可使合金的腐蝕電位降低，添加量越大，電位降低越多，沖制后的散熱片作為陽極優(yōu)先腐蝕，從而保護介質通道;二是降低合金表面氧化膜強度，使其表面容易剝落而全面腐蝕，達到抑制點蝕的目的。但是，若Zn含量過高，散熱片腐蝕速度過快，會使散熱片失去散熱效果并降低其使用壽命。

(3)Mg元素的作用:包覆層合金中的Mg是保證真空釬焊質量必不可少的金屬活化劑、吸氣劑，同時對復合板的耐蝕性產(chǎn)生一定的影響。腐蝕試驗表明，Mg元素的加入使包覆層合金腐蝕電位降低，腐蝕速度加快，有一定的抗點蝕作用［5］。

4.2 復合過程控制與包覆層厚度設計

4.2.1 常規(guī)復合途徑與方法

層狀復合材料的復合途徑和方式多樣，主要包括爆炸復合、鑄造復合、軋制復合、沉積復合、離子噴涂復合和擠壓復合等。目前比較成熟及應用較廣的多采用軋制復合方式生產(chǎn)，是屬于固固相復合。軋制復合是通過強大的軋制壓力和較大的變形量，使兩層或兩層以上的不同合金界面原子相互擴散而形成冶金結合，然后通過多道次的軋制制備成不同厚度的目標合金板、帶、箔材。

4.2.2 新型復合方法

早在2006年美國諾威力公司(Novelis Inc.)對外宣布，經(jīng)過多年的研究開發(fā)，該公司的復合錠鑄造法(Novelis FusionTM Process)已進人商業(yè)化生產(chǎn)，該公司的位于紐約州的奧斯威戈軋制廠(Novelis Os－wego Mill)已鑄造50多種不同規(guī)格的鋁合金錠［6］。我國以東北大學材料學院崔建忠教授為首的科研團隊在鋁合金復合鑄造方面也開展了大量的基礎研究工作，目前已經(jīng)成功鑄造出4045/3004/4045鋁合金扁錠，填補了國家空白。但是據(jù)產(chǎn)業(yè)化仍有許多工作和關鍵技術需要突破。因此，目前生產(chǎn)復合材料的復合過程仍然是傳統(tǒng)的軋制復合［7］。

4.2.3 軋制復合的機理［8］

雙金屬復合機理極為復雜，盡管長期以來人們?yōu)榇俗隽舜罅康难芯刻剿鞴ぷ?，但迄今為止，許多機理仍未被人們所揭示和了解。雖然如此，現(xiàn)在有些理論還是從某些方面解釋了雙金屬的復合機理。

①金屬鍵理論。該理論是N.S.Buton在1954年提出的。其主要內(nèi)容是，雙金屬間的結合是兩組元金屬中的原子在組元金屬接近過程中產(chǎn)生的相互吸引作用的結果。這一理論是從化學角度來解釋雙金屬復合機理的。

②薄膜理論。該理論認為，雙金屬材料的復合性能并不取決于材料本身的性能，而是由金屬材料的表面狀態(tài)決定的。只要除凈雙金屬表面上的油膜和氧化膜，在協(xié)調一致的塑性變形下，使新鮮金屬以裂縫方式裸露出來，雙金屬接近到原子間力的作用范圍內(nèi)，就可以形成雙金屬的結合。此機理要求軋制加工率達到某一臨界值，使裸露金屬達到足以使界面結合的最小面積，否則無法復合。

③能量理論。該理論是A.Π.西苗諾夫在1958年提出的。該理論認為，引起金屬間相互結合的條件，不是金屬原子的擴散，而是金屬原子所具有的能量。

④再結晶理論。該理論是L.N.帕克斯在1953年提出的。其根據(jù)是金屬在變形量很大時，再結晶溫度會顯著下降的事實。該理論認為，雙金屬在高溫加壓條件下形成結合的主要過程是接觸區(qū)的再結晶過程。即是說，金屬的變形和變形引起冷作硬化，在高溫的作用下，會使雙金屬接觸面邊緣的晶格原子重新排列，形成同屬于兩組元金屬的共同晶粒，這就使相互接觸的兩組元金屬結合成一體。再結晶理論實際上所論證的問題是接觸表面已經(jīng)產(chǎn)生結合以后的組織變化過程，而不是雙金屬本身的結合過程。用這一理論沒法解釋冷軋條件下，雙金屬的復合過程。

⑤擴散理論。該理論是卡扎可夫在70年代提出的。該理論認為，雙金屬在被加熱到0.6～0.8倍的熔化溫度條件下，其相互接觸區(qū)中存在著一層很薄的互擴散區(qū)。正是這一薄層擴散區(qū)實現(xiàn)了雙金屬的牢固結合。擴散作用就是使兩金屬原子相互作用的機會增加，進而加強雙金屬間的結合。

⑥位錯理論。該理論認為，當兩種相互接觸的金屬產(chǎn)生協(xié)調一致的塑性變形。位錯遷移到金屬的接觸表面，并使表面的氧化膜破裂，形成了高度只有一個子間距的小臺階。這一方面可以看成是塑性變形阻力的減小;另一方面可以認為是增加了雙金屬接觸表面的不平度，使接觸表面產(chǎn)生比內(nèi)部金屬大得多的塑性變形。這等于說，雙金屬的結合過程就是其接觸區(qū)金屬的塑性流動的結果。這一理論無法解釋在沒產(chǎn)生塑性變形的條件下，所進行的雙金屬復合過程。如采用鑄法進行的雙金屬復合過程。

⑦雙金屬復合過程的三階段理論。該理論認為，任何在高溫加壓條件下進行雙金屬復合過程都包含如下三個階段:第一階段是雙金屬間物理接觸的形成階段，也就是雙金屬中的原子依靠塑性變形，在整個接觸面上相互接近到能夠引起物理作用的距離或足以產(chǎn)生弱化學作用的距離。第二階段是化學相互作用階段。雙金屬接觸表面激活并形成化學鍵，實現(xiàn)雙屬間的結合。第三階段是擴散階段。雙金屬在完成物理接觸實現(xiàn)初步結合后，各組元金屬的原子通過結合面相互擴散，以增進結合強度。此階段要根據(jù)擴散區(qū)及新相的性質控制擴散過程。

⑧N.Bay機理:上述理論各具優(yōu)缺點，也由于實驗手段的限制，它們并不能準確、完整地揭示固相結合過程的本質。進入80年代，丹麥學者N.Bay運用電鏡技術對固相結合表面進行剝離觀察，發(fā)現(xiàn)面上存在大量氧化膜碎片。此后在眾多實驗研究的基礎上，針對表面氧化膜被去除后，金屬一旦與空氣接觸，仍會不同程度地被氧化這一客觀事實，提出了自己的機理。

他認為固相結合主要由以下4部分組成:1)在一定壓力下，覆膜破裂;2)表面擴展導致純凈基材顯露;3)法向壓力將基材擠壓入覆膜裂縫中;4)兩種金屬的活性面在間隙中匯合并形成真實結合。固相結合的本質在于壓力使接觸面接近至原子間距離，由原子吸附而產(chǎn)生大量結合點。實驗也證明了結合強度基本由結合過程決定。擴散等理論只涉及結合后的變化，未觸及本質，且擴散對結合強度無大影響。從一系列的研究中不難看出，結合強度的獲得與結合表面狀況、結合表面擴展率及焊后熱處理等方面有著密切聯(lián)系。

4.2.4 復合軋制過程控制(包覆層厚度與焊合質量控制)

軋制復合又分為熱軋復合和冷軋復合兩種。熱軋復合時，由于被軋金屬溫度高，變形抗力小，塑性好，所需要的變形力小，較易實現(xiàn)復合。而冷軋復合則需要強大的變形力才能進行，對設備的要求高得多，所以在實際生產(chǎn)中大多采用熱軋復合法。軋制復合技術在20世紀30年代開始就引起了一些材料科學工作者的高度關注，經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，熱軋復合工藝和裝備已較為成熟。此法成本較低、產(chǎn)量高、效益好，因此被廣泛采用。一般在復合軋制過程中需要進行如下幾個方面的關鍵過程控制［9］。

(1)包覆率

包覆率是指單面釬料包覆層厚度占總厚的百分比。這是一個非常重要的性能指標，直接影響釬焊過程能否成功地進行。若包覆率過小，釬焊時釬料就會供應不足，造成虛焊或假焊，影響熱交換器的傳熱性和堅固性，嚴重時產(chǎn)品就得報廢;包覆率過大，芯材的厚度就相對較小。因此，合適的包覆率既能夠保證有充分的釬料供應而又不會出現(xiàn)災難性的坍塌現(xiàn)象，是一個極其重要的問題。除此之外，包覆層厚度的均勻性是衡量釬焊復合材質量的重要指標，它直接影響釬焊材料的釬焊性能和釬焊質量，國內(nèi)外標準對釬料厚度及包覆厚比都作了嚴格的規(guī)定［10］。包覆率在熱軋復合過程中變化如下:

a.包覆率隨粗軋階段隨軋制的進行而逐步下降，而熱精軋過程中則隨軋制的進行而逐步升高;粗軋階段包覆率(%)=12.458－0.0712×總軋制加工率(%);熱軋精階段包覆率(%)=exp［1.741－0.00846×精軋總變形量(%)］。

b.復合釬焊板在熱軋復合后其包覆層的厚度在板帶寬度方向上是不均勻的，在距離板邊處的包覆層厚度變化較大，而板材中間的包覆層厚度大致不變，包覆層最厚出現(xiàn)在靠近板材的邊部。再往中間，包覆層厚度減小直至中間穩(wěn)定。熱粗軋后及熱精軋后其包覆層的厚度變化規(guī)律大體一致，說明其不均勻性有一定的遺傳性。

(2)復合界面的清理。

復合界面的清理質量是軋制復合能否復合成功以及復合質量的好壞影響因素之一。復合界面清理目的是充分去除氧化層、表面油污等雜物，從而得到潔凈的表面，有利于復合時原子間的相互擴散實現(xiàn)冶金結合。表面清理的方法又分為酸堿洗化學清理法和機械刷除物理清除法。

(3)熱軋復合時的道次加工率設計

熱軋復合時的加工工藝中，道次加工率的設計十分重要。熱軋復合開始幾道次的道次加工率設計的原則是:根據(jù)組合坯錠的厚度來進行計算，以保證變形區(qū)在復合界面產(chǎn)生。道次加工率一般為3%～7%，因為太小的道次加工率使塑性變形僅在皮材層產(chǎn)生，從而使皮材延伸向上翹起而不能實現(xiàn)皮材與芯材的結合;過大的道次加工率，使變形區(qū)深人到芯材深處，在復合界面上不能充分暴露新鮮金屬，從而也難于實現(xiàn)皮材與芯材的有效結合。只有在前幾道實現(xiàn)皮材與芯材的有效復合后，才可根據(jù)軋機的能力，加大道次壓下率，使皮材與芯材達到同步延伸。

(4)加熱工藝和開軋溫度的控制

表面清理好后組裝的復合坯錠送入加熱爐進行加熱，必須根據(jù)不同成分的坯料控制好加熱爐各溫區(qū)的溫度和加熱時間。加熱溫度過高，有時會使皮材熔化。加熱時間過短，坯錠溫度不均勻，有時表面溫度達到了工藝規(guī)定的開軋溫度，而坯錠的中心部位溫度較低，軋制時因溫度差異而使金屬延伸不均勻，嚴重時會出現(xiàn)軋裂現(xiàn)象而報廢。因此，實踐中認為加熱溫度(爐溫)一般設計在低于皮材固相線溫度10～20左右較為理想。開軋溫度根據(jù)不同的皮材控制在420～520℃，加熱時間則根據(jù)加熱爐的性能和坯料的厚度通過實驗確定。

(5)終軋溫度的控制

終軋溫度的控制也十分重要，理論上要求理想的終軋溫度應控制在芯材的再結品溫度以上。實踐認為，對于以3003合金為芯材的三層復合熱軋坯，終軋溫度控制在330～350℃，有利于獲得后續(xù)冷軋加工和成品性能控制的熱軋坯細晶組織，這對于帶雙卷取的熱軋機并不困難。

(6)材料狀態(tài)和性能的控制

復合釬焊板、帶、箔的供貨狀態(tài)一般有H1n狀態(tài)和O狀態(tài)兩種，各客戶的裝機設備有一定的差別，因此對材料的力性能要求有差異。但不管怎樣，同一狀態(tài)下整卷材料性能的一致性十分重要。對于H14狀態(tài)的復合帶材軟硬不一，除了化學成分的不均勻外，成品退火前道次的厚度公差控制尤其重要。這一點往往容易被人忽視，這對于控制材料性能的一致性十分重要，是客戶使用時出現(xiàn)的垛片波峰高度不一致、波密度不一致，導致釬焊時出現(xiàn)虛焊的主要原因之一。

(7)復合釬焊板、帶、箔的力學性能與芯材成分和微觀組織結構的關系

復合釬焊板、帶、箔的力學性能與芯材的成分和微觀組織結構有十分密切的關系。對于O狀態(tài)供貨的深拉復合板，合理的鐵硅比和等軸細晶組織能大幅度提高硬釬焊板的伸長率，減少深拉時的橘皮狀缺陷。為了獲得等軸細晶組織，有必要優(yōu)化退火工藝和成品退火前的冷軋總加工率。退火前的冷軋總加工率一般要控制在75%～85%。過大的冷軋加工率，在成品退火時有可能發(fā)生再結晶長大，形成粗大晶粒，從而降低伸長率;過小的冷軋加工率，在退火時由于再結晶形核能不足，形核率低而不能獲得細晶組織，同樣會降低伸長率。

5 發(fā)展趨勢及展望

隨著熱交換器用鋁合金復合材料應用的普及和發(fā)展，生產(chǎn)技術也將不斷的進步和創(chuàng)新，結合現(xiàn)有研究現(xiàn)狀，預測未來一段時間內(nèi)鋁合金復合材料將朝著如下幾個趨勢進行發(fā)展。

5.1 覆合技術發(fā)生變革

在傳統(tǒng)軋制復合基礎上，國內(nèi)外已經(jīng)有科研院所與單位利用熔鑄技術將不同合金進行覆合鑄造，提高界面結合性能，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。

5.2 層數(shù)將不斷增加

傳統(tǒng)覆合工藝生產(chǎn)的鋁合金復合材料正朝著三層以上乃至更多層方向發(fā)展，綜合發(fā)揮不同層的性能與作用，從而提升產(chǎn)品的綜合性能，滿足高端產(chǎn)品發(fā)展需求。

5.3 芯層合金發(fā)生變化

在傳統(tǒng)的復合材料中芯層一般選擇3系耐蝕性合金為主，隨著復合材料生產(chǎn)技術的發(fā)展，芯層的合金將發(fā)生變化，將陸續(xù)推出具有可時效強化作用的芯層合金，在散熱器高溫釬焊后冷卻時發(fā)揮淬火的作用，然后在室溫下停放出席自然時效的效果，從而提升散熱器打壓強度，促進復合材料產(chǎn)品的升級換代。

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