冷軋復(fù)合工藝對4004/3003/4004鋁合金復(fù)合帶組織和性能的影響*

賓月景，劉 瑩，曾勇謀，曹 宇，胡夢晗

(梧州學(xué)院，機械與資源工程學(xué)院，廣西梧州 543002)

汽車在雨水、灰塵、泥濘等惡劣條件下行駛，其熱交換器頻繁承受熱循環(huán)和振動，因此，汽車熱交換器對材料要求較高，通常選擇鋁合金復(fù)合材料。鋁合金復(fù)合帶的力學(xué)性能、抗下垂性能和包覆率均勻性是汽車熱交換器的關(guān)鍵性能指標，直接決定著熱交換器的質(zhì)量和使用壽命[1,2]。

鋁合金復(fù)合帶是用不同牌號鋁合金經(jīng)過軋制復(fù)合在一起的，其中較厚的鋁合金為芯材，而較薄的鋁合金為皮材，鋁合金復(fù)合帶材兼具芯材和皮材的優(yōu)良性能。鋁合金復(fù)合帶的制備方法主要有熱軋復(fù)合法和冷軋復(fù)合法[3]。熱軋復(fù)合法生產(chǎn)技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，但在熱軋復(fù)合前需進行焊接，且熱軋時復(fù)合面之間易產(chǎn)生氣泡，另外熱軋復(fù)合是在再結(jié)晶溫度上軋制的，軋制過程中材料不斷降溫，材料的包覆率難以控制，面臨成品率低、產(chǎn)品最終性能波動大等困境。冷軋復(fù)合技術(shù)在室溫下軋制，避免了焊接和高溫軋制材料易變形的問題，冷軋復(fù)合帶的性能良好、成品率高、包覆率均勻，已被廣泛應(yīng)用于汽車水箱、油冷箱、散熱器和冷凝管等多個部件，具有廣泛的應(yīng)用前景[4,5]。

眾多學(xué)者對鋁合金復(fù)合材料的組織、力學(xué)性能和抗下垂性能進行了研究。張新明等[6]圍繞中間退火工藝研究鋁合金復(fù)合箔的抗下垂性能。田國建等[7]研究了釬焊復(fù)合箔“鑄軋-冷軋復(fù)合”短流程生產(chǎn)工藝開發(fā)。陳成[8]以冷軋成品道次加工率為變量，研究了成品道次加工率對力學(xué)性能和釬焊時抗下垂性能的影響。上述學(xué)者的研究結(jié)果表明：軋制復(fù)合過程中合理的第一道次加工率、中間退火溫度和成品道次加工率可以提高復(fù)合材料的包覆率均勻性、力學(xué)性能和釬焊性能。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前的復(fù)合帶已不能滿足抗下垂性能和力學(xué)性能的要求[9,10]。為了解決這一問題，本研究先確定第一道次加工率，再以中間退火溫度、成品道次加工率為變量，研究冷軋復(fù)合工藝對鋁合金復(fù)合帶組織、抗下垂性能和力學(xué)性能的影響，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)，為產(chǎn)量化應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗選用鑄錠均為外購，以3003鋁合金作芯材，4004鋁合金作皮材，測得其化學(xué)成分如表1所示。

表1 芯材和皮材的化學(xué)成分(wt%)

1.2 方法

1.2.1 冷軋復(fù)合帶的制備

圖1是冷軋復(fù)合帶的制備流程。首先將400 mm厚的3003鋁合金芯材和4004鋁合金皮材鑄錠在500℃進行預(yù)熱，保溫5 h。然后分別將鑄錠熱軋至厚度約4 mm，得到3003和4004鋁合金坯料卷，空冷備用。接下來在室溫下將4004鋁合金皮材坯料卷冷軋至目標厚度0.86 mm，然后再次對坯料卷分別進行堿洗(堿洗工藝：20% NaOH，5 min，60℃)、60℃的清水沖洗、酸洗(酸洗工藝：20% HNO3，60℃)和60℃的清水沖洗。最后將4004皮材/3003芯材/4004皮材坯料卷復(fù)合在一起得到復(fù)合坯料，并對該復(fù)合坯料冷軋3個道次后得到0.8 mm厚度的4004/3003/4004復(fù)合帶坯料，進行中間退火，消除材料的加工硬化，繼續(xù)冷軋至0.6 mm厚度得到4004/3003/4004層狀復(fù)合帶材。

圖1 冷軋復(fù)合帶的制備流程

1.2.2 熱軋復(fù)合帶的制備

圖2是熱軋復(fù)合帶的制備流程。首先將4004鋁合金皮材鑄錠按1.2.1節(jié)的加熱條件加熱，然后熱軋至86 mm，得到4004鋁合金皮材坯料板，鋸切成所需的長度，與3003鋁合金芯材鑄錠組合并焊接在一起得到4004皮材坯料板/中間3003芯材鑄錠/4004皮材復(fù)合坯料板(組合前需用工業(yè)酒精對復(fù)合面清洗，以清除材料表面的油污、鋁屑，防止復(fù)合面產(chǎn)生氣泡)，然后將該復(fù)合坯料板分別進行預(yù)熱、熱軋、冷軋、中間退火等工序生產(chǎn)，得到0.6 mm 厚度的4004/3003/4004層狀復(fù)合帶。

圖2 熱軋復(fù)合帶的制備流程

1.2.3 包覆率的選取及測試

對熱軋和冷軋工藝下的復(fù)合帶沿整個寬度取200 mm長的樣品各1塊，再沿寬度方向分別在100 mm、300 mm、500 mm、700 mm、900 mm和1 100 mm處取樣品。將樣品經(jīng)過400 #、1000 #和1200 #金相砂紙打磨、拋光、Keller試劑腐蝕后在YVARMET型光學(xué)顯微鏡下測量其包覆率及其均勻性。

1.2.4 復(fù)合帶顯微組織的分析

眾多學(xué)者的研究結(jié)果表明冷軋復(fù)合帶的第一道次加工率在30%-50%為佳[7]，本研究結(jié)合實際生產(chǎn)成品率和效率選用冷軋第一道次加工率為35%。完成首道次軋制后取樣品1個，在YVARMET型光學(xué)顯微鏡下觀察樣品的微觀組織，若復(fù)合面平直且分界面清晰，則判定此加工率能使復(fù)合面達到良好的初結(jié)合。

中間退火溫度分別選用270℃、320℃、370℃、420℃和480℃，各保溫1.5 h。取不同中間退火工藝下的成品厚度樣品，對樣品進行打磨、拋光、腐蝕后在JSM-5600 LV掃描電鏡下觀察芯材晶粒電子背散射衍射(Electron Backscattered Diffraction，EBSD)大小。

1.2.5 復(fù)合帶下垂值和力學(xué)性能的測試

測量不同中間退火溫度下復(fù)合帶的下垂值，并用 QX-W550 拉伸試驗機檢測成品的力學(xué)性能。

取成品樣15個，將樣品分為5組，每組3個，測試復(fù)合帶在成品前道次加工率分別為15%、25%、35%、45%、55%的下垂值。

不同溫度和加工率的抗下垂試驗參照日本標準裝置測試[11]。將試樣裝置放入(600±3)℃馬弗爐中進行加熱，保溫5 min，然后在爐外空冷。用游標卡尺測量樣品的下垂值，下垂值越小說明抗下垂性能越好[12,13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷軋復(fù)合工藝對包覆率的影響

由圖3和圖4可以看出，兩種復(fù)合工藝生產(chǎn)的復(fù)合帶均是上包覆率大于下包覆率。冷軋復(fù)合帶的上包覆層厚度和下包覆層厚度分別為96-100 μm和87-96 μm，熱軋復(fù)合帶的上包覆層厚度和下包覆層厚度則分別為95-101 μm和93-96 μm。表明冷軋復(fù)合技術(shù)可以使復(fù)合帶獲得更小的包覆層厚度。圖4為冷軋復(fù)合帶和熱軋復(fù)合帶包覆率沿板材寬度方向的變化曲線，可以看出，冷軋復(fù)合帶材的包覆率偏差為0.6%，而熱軋復(fù)合帶的包覆率偏差為1.0%，表明冷軋復(fù)合帶材具有更均勻的包覆率。這是由于冷軋復(fù)合是在室溫下完成的，規(guī)避了熱軋復(fù)合的缺陷。因此兩種生產(chǎn)工藝比較，冷軋復(fù)合技術(shù)更優(yōu)。

(a) Cold-rolling composite strip;(b) Hot-rolling composite strip

圖4 不同復(fù)合工藝生產(chǎn)的復(fù)合帶上、下包覆率分布圖

2.2 冷軋復(fù)合工藝對復(fù)合帶組織的影響

圖5是冷軋復(fù)合時，第一道次冷軋35%后的微觀組織形貌。從圖5可以看出，冷軋復(fù)合過程中第一道次加工率為35%時可以完成緊固的界面粘合，復(fù)合界面處分界線明顯且平直。因此，本研究的相關(guān)性能和顯微組織研究均以冷軋第一道次加工率為35%的復(fù)合帶材為對象。

圖5 第一道次軋制后的微觀組織形貌

冷軋復(fù)合時不同退火溫度下芯材3003鋁合金的EBSD形貌如圖6所示，可以看出，當中間退火溫度為270℃和320℃時，芯材的組織仍然是軋制態(tài)的細長纖維狀組織。當中間退火溫度升至370℃時，芯材的組織由軋制態(tài)的纖維狀組織和細小的再結(jié)晶狀組織組成，并且以纖維狀組織為主，說明在該退火溫度下，芯材組織無法完成再結(jié)晶。隨著退火溫度升高至420℃，軋制態(tài)的纖維狀組織幾乎完全消失，芯材的組織全部為再結(jié)晶組織，晶粒尺寸為4-80 μm，但大部分晶粒尺寸小于40 μm。繼續(xù)升高溫度至480℃，芯材的組織仍然為再結(jié)晶組織，晶粒尺寸為10-100 μm，但大部分晶粒尺寸大于40 μm，可見晶粒的尺寸明顯比420℃溫度下的晶粒大，即溫度升高使再結(jié)晶晶粒長大，這也表明中間退火溫度對復(fù)合帶的晶粒尺寸和形貌有重要影響。

2.3 冷軋復(fù)合工藝對抗下垂性能的影響

如圖7所示，冷軋復(fù)合帶的下垂值隨著中間退火溫度的上升呈先降低后升高然后再降低的變化趨勢，退火溫度在370℃之前，復(fù)合帶的下垂值隨著退火溫度的升高急劇下降，其值由30 mm降至6 mm；當退火溫度為370-420℃時，復(fù)合帶的下垂值出現(xiàn)小幅度上升，其值由6 mm變?yōu)?2 mm；當退火溫度由420℃升至480℃時，復(fù)合帶的下垂值略呈下降趨勢，下垂值由12 mm降為7 mm。由此可見，當退火溫度為370℃時復(fù)合帶的下垂值最小，為6 mm，說明此中間退火溫度下復(fù)合帶的抗下垂性能最好，在使用過程中不易發(fā)生塌陷。因此，選擇在該中間退火溫度下研究成品前道次加工率對復(fù)合帶材抗下垂性能的影響。

圖6 冷軋復(fù)合時不同退火溫度下芯材的EBSD圖

圖7 復(fù)合帶下垂值隨中間退火溫度的變化

如圖8所示，當成品前道次加工率為25%時，復(fù)合帶的下垂值最小，說明復(fù)合帶材在成品前道次加工率為25%時擁有最好的抗下垂能力，且加工率為20%-30%時，復(fù)合帶的抗下垂性能均較低，因此，20%-30%均為較理想的成品前道次加工率。

圖8 370℃中間退火溫度下成品前道次加工率對復(fù)合帶下垂值的影響

2.4 冷軋復(fù)合工藝對力學(xué)性能的影響

圖9是復(fù)合帶在不同退火溫度下的力學(xué)性能變化曲線。由圖9可以看出，以成品前道次加工率為25%的成品復(fù)合帶為對象，隨著中間退火溫度不斷升高，復(fù)合帶的抗拉強度和屈服強度先急劇下降，當退火溫度為370℃時趨于平緩，此時復(fù)合帶的抗拉強度及屈服強度分別是120 MPa和58 MPa，而伸長率的變化與抗拉強度和屈服強度的變化則相反，即復(fù)合帶的伸長率隨著退火溫度的上升先急劇上升后趨于平緩，開始趨于平緩的退火溫度為370℃，此時伸長率為34%，當中間退火溫度繼續(xù)升至420℃時，復(fù)合帶的伸長率達到最大值35%，此時復(fù)合帶的綜合力學(xué)性能較優(yōu)。

圖9 不同退火溫度后復(fù)合帶的力學(xué)性能變化

3 討論

3.1 包覆率

包覆率及其穩(wěn)定性是影響復(fù)合帶品質(zhì)的重要指標，因此復(fù)合帶對包覆率有嚴格的規(guī)定。如果包覆率較小，釬焊過程中會出現(xiàn)因釬料少而發(fā)生脫焊或者假焊的現(xiàn)象[14,15]；如果包覆率較大，芯材的厚度減少，會導(dǎo)致散熱器在600℃釬焊時極易發(fā)生塌陷[5]。根據(jù)經(jīng)驗，本研究初定的包覆率是15%，結(jié)合本研究結(jié)果，不論是冷軋復(fù)合還是熱軋復(fù)合生產(chǎn)的復(fù)合帶，均是上包覆率大于下包覆率，與周勁等[16]的研究結(jié)果一致。這可能是由于軋制時下層皮材直接與軋機輥道接觸增加了摩擦力，再加上復(fù)合鑄錠的重量，使得下層皮材更容易變形。目前冷軋復(fù)合和熱軋復(fù)合均會存在包覆率不均勻問題。冷軋復(fù)合帶材的包覆率偏差明顯比熱軋復(fù)合帶材小，這是由于熱軋復(fù)合是在高溫下軋制的，材料在軋制過程中會明顯降溫，導(dǎo)致整個包覆板變形不均，使包覆率偏差更大。而冷軋復(fù)合是在室溫下軋制的，溫度恒定，不存在因降溫而改變軋制條件的現(xiàn)象，因此包覆率更均勻。

3.2 第一道次加工率

冷軋復(fù)合技術(shù)的第一道次加工率至關(guān)重要，直接決定軋制能否成功。若第一道次加工率過小，芯材和皮材未出現(xiàn)緊固結(jié)合的界面；反之，軋制則易出現(xiàn)嚴重的加工硬化。眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)第一道次加工率一般在30%-50%為佳，如陳成[8]研究發(fā)現(xiàn)第一道次加工率為30%-50%時均可以實現(xiàn)良好的界面結(jié)合效果，第一道次加工率越大，軋制的道次越少，生產(chǎn)效率越高；第一道次加工率超過40%后，復(fù)合帶裂變越來越嚴重，切邊量也越大，還易出現(xiàn)板形不良的情況，降低成品率；第一道次加工率低于30%，需要的總軋制道次增多，生產(chǎn)效率慢。孫利娜[17]研究冷軋復(fù)合的機理發(fā)現(xiàn)，界面結(jié)合通過不同層材料間原子互相擴散達到緊密“咬合”，為了實現(xiàn)這一結(jié)合，必須有較大的加工率，加工率為30%-40%時，不但可以獲得良好的界面結(jié)合效果，還可以獲得更均勻的材料厚度，板形也更平直；但加工率超過50%，金屬易出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)變形層破壞的情況。田國建等[7]研究發(fā)現(xiàn)，冷軋復(fù)合軋制時第一道次加工率非常重要，加工率為50%最佳，此時界面結(jié)合效果好，分界面清晰可見；加工率低于50%則不利于結(jié)合面的機械結(jié)合；反之，加工率過大則破壞了材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，無法實現(xiàn)良好的界面結(jié)合。本研究所用材料較薄，采用較大的第一道次加工率會出現(xiàn)嚴重裂邊，大大降低成品率。綜上所述，本研究的第一道次加工率選用35%為宜。

3.3 抗下垂性能

冷軋復(fù)合帶的成品前道次加工率和中間退火溫度會影響復(fù)合帶的抗下垂性能，而抗下垂性能也是衡量復(fù)合帶品質(zhì)的重要指標。眾多學(xué)者對復(fù)合帶材的抗下垂性能進行了研究，高旭東等[18]發(fā)現(xiàn)抗下垂性能與芯材再結(jié)晶晶粒尺寸有一定關(guān)聯(lián)。芯材的晶粒越大，復(fù)合帶材的抗下垂性能越好。靳丹萍等[19]發(fā)現(xiàn)，再結(jié)晶晶粒尺寸增大可以顯著提高材料的抗下垂性能。晶粒尺寸越大，單位面積內(nèi)晶粒個數(shù)越少，晶界越少，元素向芯材擴散的通道變少，從而提高復(fù)合帶的抗下垂性能。這是由于在退火過程中，復(fù)合帶材會同時發(fā)生再結(jié)晶和Si元素擴散，且Si元素向芯材的擴散對材料抗下垂性能的影響大于再結(jié)晶。這就是復(fù)合帶的下垂值隨著退火溫度的上升先降低后增加然后再降低的原因。成品前道次加工率也會影響復(fù)合帶材的抗下垂性能，陳成[8]研究發(fā)現(xiàn)，當成品前道次加工率小于20%時，芯材晶粒細小，數(shù)量較多，分布不均，材料的抗下垂性能明顯降低。張新明等[6]研究發(fā)現(xiàn)，當前道次加工率變大時，變形量增加，儲能也隨之增加，使得晶粒尺寸越小，晶界越多，在釬焊時增加了Si元素向芯層材料擴散的通道，從而使復(fù)合帶的抗下垂能力變差。本研究的復(fù)合帶下垂值隨著成品前道次加工率的增大呈先降低后增加的變化趨勢，當加工率為20%-30%時，下垂值較小，抗下垂性能較好。

3.4 力學(xué)性能

成品前中間退火溫度對復(fù)合帶力學(xué)性能有著顯著影響：即隨著退火溫度不斷上升，其抗拉強度和屈服強度先急劇下降后趨于平緩，這是復(fù)合帶在退火過程中其內(nèi)應(yīng)力逐步釋放而使材料軟化所致。當退火溫度為420℃時，復(fù)合帶的伸長率最大，其力學(xué)性能更穩(wěn)定，但復(fù)合帶的抗下垂性能較差。結(jié)合2.2節(jié)的分析結(jié)果，370℃和480℃時芯材晶粒尺寸雖然較大，但在這兩種溫度下材料的抗下垂性能較好，力學(xué)性能僅比420℃時稍低一點，兼顧實際生產(chǎn)效率，370℃的退火溫度較為理想。

綜上，本文通過研究不同的冷軋復(fù)合工藝參數(shù)對鋁合金復(fù)合帶組織和性能的影響，得出最優(yōu)工藝參數(shù)為成品道次加工率20%-30%和中間退火溫度370℃，可為工業(yè)化大生產(chǎn)冷軋復(fù)合帶提供技術(shù)參考。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，冷軋復(fù)合工藝對4004/3003/4004鋁合金復(fù)合帶組織和性能有重要影響?？傮w來說，與熱軋復(fù)合帶相比，冷軋復(fù)合帶的包覆率更加均勻，冷軋復(fù)合時第一道次加工率是復(fù)合的關(guān)鍵，本研究發(fā)現(xiàn)第一道次加工率為35%時可以實現(xiàn)緊固黏合。中間退火溫度對復(fù)合帶材的力學(xué)性能影響較明顯，復(fù)合帶材的抗拉強度和屈服強度隨著中間退火溫度的升高先急劇下降后趨于穩(wěn)定，而伸長率則呈現(xiàn)相反趨勢。此外中間退火溫度對芯材的晶粒也有較明顯影響，隨著中間退火溫度的升高，芯材晶粒先后發(fā)生再結(jié)晶和長大，芯材晶粒較粗大，有利于提高復(fù)合帶材的抗下垂性能。隨著成品前道次加工率的增加，復(fù)合帶的抗下垂性能先增加后降低。本研究結(jié)果為深入探索更合適的復(fù)合工藝打下基礎(chǔ)，有助于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。