铝合金复合板热轧生产及复合和钎焊机理浅析

收稿日期:2003-11-29 第一作者简介:刘海江(1970-),男,黑龙江五常人,工程师。

铝合金复合板热轧生产及复合和钎焊机理浅析

A luminium A lloy Complex P late H ot R olling &Compound and

B razing Mech anism

刘海江,刘翠萍

LI U Hai -jiang ,LI U Cui -ping

(东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060)

摘要:介绍了铝合金复合板基体合金与包覆层合金的选择,以及包覆层合金中各元素的主要作用,同时介绍了热轧复合工艺。对复合板热轧复合机理和钎焊机理进行了初步探讨。关键词:铝合金复合板;钎焊;表面预处理;基体;包覆层

中图分类号:TG 146.2;TG 335.85 文献标识码:B 文章编号:1007-7235(2004)03-0023-02

铝合金复合板是空气分离设备和汽车配件热交换器的关键材料,生产难度大,技术要求高。它是由包覆层合金单面或双面包覆基体合金,经复合轧制而成。基体合金和包覆层合金均是根据热交换器的不同结构、不同钎焊方式、不同用途等要求而专门研制的新型合金。热交换器生产线对铝合金复合板的综合技术质量要求很严格,因此,我们首先对基体合金和包覆层合金的成分进行调整,优化控制,其次控制包覆层的均匀性和热轧复合技术。

1　基体合金、包覆层合金的选择

1.1　基体合金的选择

基体合金应采用熔点高、高温强度适宜、钎焊过程中与焊料结合性好、弯曲变形小且焊料对其扩散影响不大,同时在使用中具有适中的强度和耐蚀性的铝合金。国外大多数采用3×××系合金和6×××系合金做基体。鉴于我国引进设备的钎焊工艺为气体保护焊、N ocolok 钎焊和真空钎焊三种,考虑到3×××系合金具有力学性能优良、钎焊性和耐蚀性好等优点,以及多数使用单位采用3003合金和加Zn 的X313合金基体复合板,因此,我们选定3003和X313作为基体合金。1.2　包覆层合金的选择

包覆层合金作为包覆基体合金的钎焊料,应该是熔点低、流动性好、浸润性好。国外常用的包覆层合金是4×××系合金,如适于气体保护焊和N ocolok 钎焊工艺的X414、4343、4045、4047和4N43合金;适

于真空钎焊工艺的4004、4104和4N04合金。我们为

满足国内各生产线的要求,选择4043、4045、4N43、X414、4004和4N04六种合金作为包覆层合金。在复合板的钎焊过程中,包覆层合金的流动性、润湿性、间隙填充能力、熔蚀性和接头强度等代表着钎焊质量的优劣。因此,要严格控制包覆层合金的各主要元素的含量,其主要元素的作用如下:

Zn 元素的作用:一是可使合金的腐蚀电位降低,添加量越大,电位降低越多,冲制后的散热片作为阳极优先腐蚀,从而保护介质通道;二是降低合金表面氧化膜强度,使其表面容易剥落而全面腐蚀,达到抑制点蚀的目的。但是,若Zn 含量过高,散热片腐蚀速度过快,会使散热片失去散热效果并降低其使用寿命。

Si 元素的作用:Al -Si 合金在共晶点附近其熔点最低可达到577℃,这是其作为钎焊材料的优势。复合后,Si 元素会因浓度梯度而向基体合金扩散,使基体的Mn 元素固溶度随Si 含量的增加而降低,并形成富含α[Al (MnFe )Si ]弥散体的阳极带,从而改变了基体中Al 和第二相之间的电位差,使腐蚀优先发生在基体的亚表面层,同时Si 可以改变钎焊料的流动性,组织均匀细密,提高钎焊质量。

Mg 元素的作用:包覆层合金中的Mg 是保证真空钎焊质量必不可少的金属活化剂、吸气剂,同时对复合板的耐蚀性产生一定的影响。腐蚀试验表明,Mg 元素的加入使包覆层合金腐蚀电位降低,腐蚀速度加快,有一定的抗点蚀作用。

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22004,V ol.32,№3轻　合　金　加　工　技　术

2　熔炼铸造与铸锭均匀化

2.1　熔炼铸造

采用煤气反射炉熔炼合金。3×××系合金熔炼温度为710～750℃,精炼和静置后,采用半连续法铸造,铸造温度700～730℃,铸造速度55～65mm/min。4×××系合金的熔炼温度为700～740℃,精炼和静置后,用钠盐进行变质处理,然后以铸造温度690～720℃,铸造速度30～40mm/min进行铸造。因为4×××合金为亚共晶合金,共晶Si呈针状分布,严重影响合金的综合性能,因此必须进行变质处理,改变共晶Si形貌,使之球化,改善其综合性能。

4×××合金的变质剂为二元钠盐混合物。加钠盐变质细化组织的机理有过冷和吸附两种理论。过冷理论认为在过冷条件下形核数急剧升高,共晶组织随之变细;吸附理论认为Si晶体容易沿孪晶(112)方向长成片状,长大速度极快,液态合金中加入Na 后,Na原子迅速吸附在Si晶体表在,限制晶体表面沿孪晶方向异常发展,结果使共晶Si球化、变细。2.2　铸锭均匀化处理

均匀化的目的是缓解铸造应力,改善铸造组织,减轻或消除成分偏析。基体合金的均匀化制度为590～610℃保温10～12h;包覆层合金的均匀化制度为510～530℃保温12～14h。

2.3　表面预处理

为确保热轧复合的质量,需先对基体合金和包覆层合金铸锭进行铣面,并确保不存在深沟痕、铝屑、夹渣、表面裂纹和疏松等缺陷。在基体合金铸锭铣面后和包覆层合金铸锭制成包覆层板坯时,其表面存在的残留油污、灰尘和金属氧化膜等污物,在轧制复合前必须采用化学和物理方法清洗,以利于轧制复合。进行的表面预处理工艺是:碱洗—室温水冲洗—中和洗—室温水冲洗—热水冲洗—吹干。

3　热轧复合工艺

3.1　基体与包覆层初始包覆率的确定

包覆率是指包覆层厚度与复合板总厚度之比。由于基体为3×××合金,包覆层为4×××合金,二者的塑性变形抗力差异较大,致使包覆率的初始设定值与实际值之间存在着一定的差异。

经过对基体、包覆层合金的高温力学性能在复合轧制过程中的变化规律及包覆率控制技术的对应关系的研究,掌握了基体、包覆层合金在不同成分、不同加热温度下,其变形抗力和包覆率的变化规律,从而确定了基体、包覆层的初始设定值,并将最终包覆率偏差控制在2%以内。名义包覆率则根据不同使用单位、不同钎焊工艺和不同热交换器用途等具体要求确定。

312　热轧复合工艺的确定

将符合热轧复合要求的3×××系合金锭坯和4×××合金板坯叠放整齐,置入加热炉内加热。为了确定最佳热轧复合工艺参数,采用正交试验法研究了加热温度、保温时间、热轧总加工率与热轧复合质量的关系。结果表明:加热温度为450～490℃,保温时间2～8h,热轧总加工率大于90%,芯层与包覆层之间可以获得良好的热轧复合界面。

需要强调的是热轧复合工艺对复合板的质量至关重要,主要有道次、道次加工率及乳液使用。否则将导致各处复合不上或包覆率不均匀、超差等质量缺陷。另外,既要给予充足的乳液,使其充分润滑、冷却,防止粘辊,又要防止乳液进入基体与包覆层的界面,以免影响焊合效果。

4　复合机理和钎焊机理浅析

4.1　热轧复合机理

热轧复合时的界面复合机理非常复杂,现在得到公认的机理有以下几种:

表面层裂缝机理:认为氧化膜是界面结合的障碍,界面如要结合必须破坏氧化膜,使新鲜金属以裂缝方式裸露出来。此机理要求轧制率达到一临界值,使裸露金属达到足以使界面结合的最小面积,否则无法复合。

再结晶理论:认为轧制复合过程是接触区的再结晶过程。即金属界面的结合是在高温下通过金属再结晶的晶格原子重新排列,形成同属于基体合金和包覆层合金的共同晶粒,使之复合在一起。

扩散机理:认为被轧制复合的金属在016～0.8 T熔温度下,在界面处存在一层很薄的扩散区,它保证了优质的复合界面,使复合得以顺利进行。

还有位错学说、能量学说等多种复合机理学说,这些理论都有不完善之处。我们将其归纳成三阶段理论,试图较科学合理地描述热轧复合时的界面复合现象,即第一阶段是物理接触形成阶段,此阶段可用裂缝机理解释;第二阶段是接触表面的激活阶段,此阶段产生物理和化学的相互作用,形成化学键使界面复合,此阶段可用位错学说解释;第三阶段是扩散阶段与再结晶的合成,使界面牢固地复合在一起。

4.2　钎焊机理

复合板的钎焊性能体现在流动性、润湿性、间隙填充能力、熔蚀性和接头强度。

通过试验研究,我们发现以下规律:包覆层中Si

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