釬焊復(fù)合箔“鑄軋-冷軋復(fù)合”短流程生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)

田國(guó)建 劉前換 史明飛 盧建兵

摘要：采用鑄軋坯料組織細(xì)化處理技術(shù)及“三步軋制法”在線表面處理-軋制復(fù)合-擴(kuò)散退火處理，實(shí)現(xiàn)多層材料界面的冶金結(jié)合并獲得均勻包覆率。通過(guò)加工率的合理設(shè)計(jì)和退火工藝優(yōu)化，使復(fù)合鋁箔具有良好的抗下垂性和較好的耐腐蝕性能。解決了行業(yè)內(nèi)無(wú)法用鑄軋法代替熱軋法生產(chǎn)復(fù)合鋁箔的難題，突破長(zhǎng)期以來(lái)熱軋法生產(chǎn)復(fù)合鋁箔生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成材率低的瓶頸。復(fù)合鋁箔的生產(chǎn)成本大大降低，節(jié)能降耗明顯，冷軋復(fù)合產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：鑄軋;包覆率;冷軋復(fù)合;釬焊

中圖分類(lèi)號(hào)： TG 146.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Development of "cast rolling-cold cladding" short process production technique for brazing composite foil

TIAN Guojian， LIU Qianhuan， SHI Mingfei， LU Jianbing

（Jiangsu Dingsheng New Materials Joint-stock Co.， Ltd.， Zhenjiang 212141， China）

Abstract： The metallurgical bondingof multi-layer materialinterfaceand uniformclad ratio were obtained by using the casting rolling billet microstructure refinement treatment technology and "three- step rolling method" on-linesurface treatment-rolling compound-diffusionannealing treatment. The composite aluminum foil show good sag resistance and corrosion resistance through the reasonable design of processing rate and optimization of annealing process. It solves the problem that the cast rollingmethodcannotreplacethehotrollingmethodtoproducecompositealuminumfoilinthe industry，and breaksthroughthe bottleneckof long productioncycleandlowyieldof composite aluminum foil produced by hot rolling for a long time. The production cost of composite aluminum foil is greatly reduced， energy saving and consumption reduction are obvious， and the market application prospect of cold-rolled composite products is broad.

Keywords： cast rolling; coating rate ; cold-rolling cladding; brazing

隨著汽車(chē)保有量不斷上升及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，全球釬焊式熱交換器用鋁合金及鋁合金復(fù)合材料的需求量在逐年上升。目前，國(guó)內(nèi)外這種復(fù)合材料均多采用熱軋復(fù)合法制備，由于熱軋復(fù)合需要由半連續(xù)鑄軋生產(chǎn)的厚板錠經(jīng)鋸切銑面及多道次熱軋成復(fù)合坯料進(jìn)而軋制成品，整個(gè)過(guò)程周期長(zhǎng)、效率低、能耗高、成品率損耗大，同時(shí)熱軋復(fù)合面臨整體設(shè)備投資大、成本高等弊端，使得產(chǎn)品加工成本較高[1]。生產(chǎn)出的復(fù)合鋁箔包覆層頭尾及寬度方向均勻性差，影響了下游客戶(hù)釬焊質(zhì)量及穩(wěn)定性，產(chǎn)生焊后收縮或倒伏、翅片融蝕、虛焊漏焊等質(zhì)量缺陷。近年來(lái)，已有研究對(duì)“鑄軋+冷軋復(fù)合法”短流程綠色生產(chǎn)工藝進(jìn)行探究并聯(lián)合企業(yè)將其成功應(yīng)用于高精度窄幅（800 mm 以?xún)?nèi)）異種金屬?gòu)?fù)合軋制[2]，但將此工藝方法應(yīng)用于寬幅（800～1600 mm）釬焊復(fù)合鋁箔生產(chǎn)的工藝技術(shù)尚未公開(kāi)。開(kāi)發(fā)出在解決熱軋復(fù)合法以上不足的同時(shí)，又能夠確保釬焊復(fù)合鋁箔成品關(guān)鍵特性指標(biāo)不低于熱軋法復(fù)合產(chǎn)品的工藝意義重大，本文以釬焊式熱交換器用復(fù)合翅片制備為例進(jìn)行分析探討。

1 工藝流程

冷軋復(fù)合釬焊復(fù)合翅片芯材為 DS301鋁合金，其具體成分標(biāo)準(zhǔn)及本次試樣鑄軋坯料成分實(shí)測(cè)值如表1所示，皮材為 AA4343鋁合金，復(fù)合結(jié)構(gòu)及包覆比例（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為10%AA4343/DS301/ 10%AA4343鋁合金，成品合金狀態(tài)為 H16態(tài)，厚度為0.08 mm，釬焊前要求抗拉強(qiáng)度為180～220 MPa，屈服強(qiáng)度≥160 MPa，伸長(zhǎng)率≥0.5%。

“鑄軋-冷軋復(fù)合”法復(fù)合翅片生產(chǎn)工藝及常規(guī)熱軋復(fù)合工藝路徑分別如圖 1和圖 2所示。

冷軋復(fù)合釬焊復(fù)合翅片具體生產(chǎn)工藝流程如下：首先，由連續(xù)鑄軋法生產(chǎn)厚度6～7 mm 的皮材及芯材坯料，坯料分別制備厚度0.5 mm 的皮材及厚度4.0 mm 的芯材，經(jīng)1850冷軋復(fù)合機(jī)冷復(fù)合得到厚度為2.0～2.5 mm 復(fù)合坯料，成品前道次采用52%壓下量。對(duì)比熱軋復(fù)合常規(guī)由芯材鑄錠厚度400～500 mm 搭配厚度50 mm 皮材復(fù)合，總軋制道次大大減少，短流程化效率提升，同時(shí)，無(wú)需熱軋高能源消耗，同時(shí)規(guī)避了銑面、熱軋頭尾鋸切等大比例成材率損耗。統(tǒng)計(jì)對(duì)比來(lái)看，冷軋復(fù)合翅片生產(chǎn)周期較傳統(tǒng)熱軋生產(chǎn)周期縮短15 d 左右，成材率由傳統(tǒng)熱軋平均成材率73%提升至82%左右，設(shè)備投資由傳統(tǒng)熱軋平均投資4～5億元降低至1.5～1.8億元。

2 關(guān)鍵工藝技術(shù)

2.1 坯料組織細(xì)化技術(shù)

通過(guò)加入 Al-Sr3中間合金相對(duì)4系鋁合金凝固組織進(jìn)行細(xì)化處理，鋁液與 Al-Sr3發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，形成 Al2-Si2-Sr 金屬化合物，通過(guò)中間合金形態(tài)、大小、添加量的調(diào)整，控制其對(duì)4系鋁合金鑄軋坯料組織的影響， Sr 的吸收率控制在75%～90%。結(jié)合鑄嘴分布、鑄軋區(qū)、鑄軋速度、溫度的控制，使4系鋁合金皮材變質(zhì)效果良好，無(wú)粗大初晶硅產(chǎn)生，如圖 3所示，合金通過(guò)鑄軋法穩(wěn)定生產(chǎn)。通過(guò)加入 Ti-Al3、Ti-B2中間合金相對(duì)3系鋁合金凝固組織進(jìn)行細(xì)化處理。結(jié)合鑄嘴分布、鑄軋區(qū)、鑄軋速度、溫度的控制，降低中心層偏析等缺陷的產(chǎn)生。

2.2 三步法冷軋復(fù)合工藝

在線表面處理技術(shù)，采用物理、化學(xué)方法對(duì)鋁板表面進(jìn)行處理，去除板材表面油污、氧化膜，形成硬化層，增大結(jié)合表面積，以提高復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度，為物理接觸的形成階段創(chuàng)造條件。常用的方法是機(jī)械法和化學(xué)法，三步法冷軋復(fù)合工藝中采用的是機(jī)械法，主要是采用特制的鋼刷及砂帶對(duì)芯材上下表面進(jìn)行打磨，對(duì)上皮材的下表面進(jìn)行打磨，對(duì)下皮材的上表面進(jìn)行打磨，并通過(guò)毛刷和真空抽吸裝置將鋁粉等表面臟污抽吸干凈，保證結(jié)合面的清潔。在打磨之前，對(duì) AA4343鋁合金（厚度0.5 mm）皮材、DS301鋁合金（厚度4.0 mm）芯材分別進(jìn)行熱處理以降低金屬變形抗力，熱處理設(shè)備為氮?dú)獗Ｗo(hù)爐。較低的金屬變形抗力和較小的軋制復(fù)合變形程度可以提高產(chǎn)品的復(fù)合精度，解決了金屬表面二次氧化污染和軋制復(fù)合變形的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也降低了設(shè)備負(fù)荷，并延長(zhǎng)了復(fù)合軋機(jī)和電機(jī)的使用壽命。

冷軋復(fù)合技術(shù)采用高黏度的潤(rùn)滑劑對(duì)軋輥進(jìn)行潤(rùn)滑，避免粘傷，并保證鋁合金板表面質(zhì)量滿足工藝要求。軋輥采用分段多通道冷卻，確保軋輥?zhàn)冃尉鶆?，并最終確保產(chǎn)品板型滿足工藝要求。道次加工率和軋制速度的合理匹配是關(guān)鍵，不同材料臨界變形率不同，銅鋁復(fù)合的臨界變形率為37%，鋁合金釬焊復(fù)合板的冷軋加工率在50%時(shí)最佳[3]。軋制速度是把雙刃劍，速度提升會(huì)提高界面溫度，有利于金屬組元的復(fù)合，但是速度的提升縮短了界面結(jié)合的有效時(shí)間，不利于金屬間的機(jī)械結(jié)合。低速?gòu)?fù)合生產(chǎn)有利于金屬的界面結(jié)合，但顯著降低了生產(chǎn)效率。三步法冷軋復(fù)合工藝中，試驗(yàn)驗(yàn)證冷軋復(fù)合一道次加工率為50%～60%，冷軋復(fù)合速度為8～15 m/min 時(shí)，復(fù)合界面效果最佳，冷復(fù)合一道次由三層厚度5 mm 軋至厚度2.0～2.5 mm，宏觀觀察冷軋復(fù)合后皮材無(wú)脫落，皮材與芯材界面清晰，機(jī)械結(jié)合較好，如圖4中掃描電子顯微鏡（scanningelectron microscope，SEM）圖所示。通過(guò)圖5中界面成分線掃描觀察主體 Si及 Mn，未發(fā)生界面互擴(kuò)散，電子背散射圖（electron back scattering diffraction，EBSD）中可見(jiàn) Si 顆粒成橢圓狀，且均勻、彌散分布。

擴(kuò)散退火技術(shù)：軋制復(fù)合過(guò)程分為物理接觸、接觸表面激活和擴(kuò)散3個(gè)階段，軋制復(fù)合后的界面結(jié)合屬于機(jī)械物理結(jié)合，需要進(jìn)行退火處理實(shí)現(xiàn)機(jī)械復(fù)合向冶金結(jié)合的轉(zhuǎn)變[4]。這不僅可以消除缺陷（界面空洞、氧化物夾雜）和內(nèi)部殘余應(yīng)力，在兩側(cè)形成一定深度的元素互擴(kuò)散層，還可以增強(qiáng)界面的結(jié)合強(qiáng)度，如圖 6所示，在擴(kuò)散退火后，皮材中的 Si 向芯材擴(kuò)散，芯材中的 Mn 向皮材微量擴(kuò)散。通過(guò)擴(kuò)散退火后表面發(fā)生變化，對(duì)最佳退火溫度和時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)探究，結(jié)果表明：針對(duì)厚度為2.0～2.5 mm 的冷軋復(fù)合鋁材，保溫時(shí)間設(shè)定為2h 時(shí)，擴(kuò)散退火溫度高于420℃，即會(huì)在復(fù)合界面產(chǎn)生圖 7中的鼓泡，鼓泡的產(chǎn)生在后續(xù)冷軋過(guò)程中會(huì)引發(fā)復(fù)合層脫落及斷帶問(wèn)題。

2.3 成品前退火及軋制道次設(shè)計(jì)

成品前退火工藝及末道次軋制加工率直接決定了成品力學(xué)性能及釬焊前后的組織，釬焊后的晶粒組織又影響翅片的抗下垂性及耐腐蝕性，相關(guān)研究表明，高溫釬焊后得到長(zhǎng)條狀的晶粒組織才能有效阻礙 Si 的擴(kuò)散，從而提高抗下垂性，同時(shí)長(zhǎng)條狀晶粒組織的層數(shù)越多，對(duì)翅片發(fā)生橫向腐蝕延長(zhǎng)腐蝕穿透時(shí)間有利[5]。經(jīng)交叉試驗(yàn)驗(yàn)證，搭配中低溫長(zhǎng)時(shí)間成品前退火制度（330℃金屬到溫后保溫5 h）及大加工率末道次軋制（54%壓下量），成品翅片晶粒呈現(xiàn)扁長(zhǎng)軋態(tài)組織，焊后再結(jié)晶后呈現(xiàn)最有利的兩層以上長(zhǎng)條狀晶粒組織，如圖8所示。

3 冷復(fù)合成品關(guān)鍵特性

3.1 包覆率

取冷軋復(fù)合翅片中間厚度0.5 mm 橫幅樣，由以上橫幅全寬樣片從操作側(cè)邊部、1/4處、1/2位置、1/4處、傳動(dòng)側(cè)邊部取5張樣片進(jìn)行復(fù)合比檢測(cè)，冷復(fù)合翅片包覆率檢測(cè)金相圖如圖9所示，檢測(cè)結(jié)果如表2所示，理論設(shè)計(jì)值為10%，實(shí)際值在10.100%～10.911%波動(dòng)，極差為0.811%，相比相關(guān)文獻(xiàn)中的熱軋復(fù)合翅片復(fù)合比極差值4.4%，冷復(fù)合翅片包覆率均勻性具有極大優(yōu)勢(shì)，有利于提升后續(xù)芯體釬焊質(zhì)量及成品率。

3.2 抗下垂性

采用抗下垂檢測(cè)裝置將冷軋復(fù)合工藝成品0.08 mm 厚翅片及對(duì)標(biāo)廠家熱軋同規(guī)格復(fù)合翅片放置在同一馬弗爐中，根據(jù)以下的升溫制度升高溫度：由室溫20 min 升溫至600℃，保溫10 min 后立刻取出試樣，采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量下垂數(shù)據(jù)，對(duì)比檢測(cè)結(jié)果，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示，冷復(fù)合4組平行試樣下垂均值為26.81 mm，熱軋復(fù)合翅片4組平行試樣下垂均值為27.60 mm，冷復(fù)合翅片抗下垂性能較熱軋復(fù)合翅片有提升。

3.3 耐腐蝕性

終端客戶(hù)將冷復(fù)合翅片及對(duì)標(biāo)同規(guī)格狀態(tài)熱軋復(fù)合翅片應(yīng)用于冷凝器芯體，將兩種翅片的芯體放置于相同 SWAAT 鹽霧腐蝕測(cè)試條件下進(jìn)行相同天數(shù)的測(cè)試，宏觀觀察整體芯體翅片的腐蝕脫落率相當(dāng)，如圖10所示。對(duì)腐蝕后翅片截面進(jìn)行金相分析，對(duì)比腐蝕后翅片腐蝕坑的形貌、深度及數(shù)量，如圖 1 1所示。從圖 1 1中可見(jiàn)，冷復(fù)合翅片腐蝕后腐蝕坑數(shù)量及深度均低于熱軋復(fù)合翅片，從腐蝕形貌上判斷，冷軋復(fù)合翅片呈現(xiàn)橫向?qū)訝罡g傾向[6-8]，層狀腐蝕的產(chǎn)生可能與芯材中心層偏析有關(guān)。從微觀焊后晶粒組織來(lái)看，與冷復(fù)合翅片焊后在厚度方向上出現(xiàn)多層晶粒分布的組織結(jié)構(gòu)有相關(guān)聯(lián)的可能。熱軋復(fù)合翅片腐蝕表現(xiàn)為點(diǎn)腐蝕，繼而發(fā)生縱向穿透腐蝕，直至失效，產(chǎn)生原因?yàn)闊彳垙?fù)合翅片釬焊后厚度方向上一般呈現(xiàn)為單層晶粒分布。冷復(fù)合翅片焊后出現(xiàn)層狀腐蝕有利于提高翅片結(jié)構(gòu)支撐性，并延長(zhǎng)使用壽命。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)鑄軋坯料組織細(xì)化處理技術(shù)及“三步軋制法”在線表面處理-冷軋復(fù)合-擴(kuò)散退火工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)多層材料界面的冶金結(jié)合，并獲得均勻穩(wěn)定的包覆率。

（2）采用54%成品道次加工率及金屬330℃到溫保溫5 h 的中低溫長(zhǎng)時(shí)間成品前退火制度，成品復(fù)合箔釬焊后能夠獲得長(zhǎng)條狀多層晶粒組織結(jié)構(gòu)，使復(fù)合鋁箔具有良好的抗下垂性和較好的耐腐蝕性能。

（3）“鑄軋-冷復(fù)合”短流程生產(chǎn)工藝能夠突破熱軋法生產(chǎn)復(fù)合鋁箔生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成材率低的瓶頸，生產(chǎn)成本大大降低，節(jié)能降耗明顯，應(yīng)用前景廣泛。

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