1、冷軋復合對鋁合金復合箔組織與性能的影響祖國胤，李 兵，李 鴻，于九明（東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110819）摘 要：研究了采用冷軋復合法生產汽車散熱器用鋁合金復合箔的工藝，主要研究了冷軋首道次壓下率、包覆層厚度及成品前退火制度對復合箔組織與性能的影響。結果表明：皮材A4045和芯材A3003在30%50%的首道次壓下率下可以實現良好的初結合，冷軋工藝生產的復合箔上、下包覆層的厚度基本一致。最后一道次的精軋壓下率在25%35%左右時，復合箔成品的抗下垂性能最佳。復合箔成品前的退火溫度應控制在320400，退火溫度為400時，退火時間以不超過80min為宜。關鍵詞：冷軋復合；復合箔；

2、壓下率；抗下垂性；退火中圖分類號：請查閱中圖分類號 文獻標志碼：AEffect of Cold-Rolling Cladding on Microstructure and Properties of Composite Aluminum Alloy Foil ZU Guo-yin, LI Bing, LI Hong, YU Jiu-ming(School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China. Corresponding author: ZU Guo-yin, E-mail

3、: zugy)Abstract：The cold-rolling cladding process of composite aluminum alloy foil for automobile heat exchanger was investigated, as well as the effects of percentage reduction of first pass, clad sheet thickness and final annealing schedule on the microstructure and properties of the foil. The res

4、ults showed that bonding the clad sheets A4045 to the core material A3003 on both sides succeeds initially when the percentage reduction is 30%50% of first pass during cold rolling, and the thickness of both the clad sheets of the composite foil are basically the same. The best sagging resistance is

5、 available when the percentage reduction of final pass is 25%35%. The annealing temperature should be controlled in the range from 320 to 400 before finish rolling, and the annealing time should control within 80 minutes when annealed at 400. Key words：cold-rolling cladding; composite foil; percenta

6、ge reduction; sagging resistance; annealing世界汽車工業的發展方向為輕量化1，其中，鋁及鋁合金以比強度高、耐腐蝕性佳、熱穩定性好、易成型和簡化結構等特點成為了最理想的汽車輕量化材料2-4。在汽車的諸多部件中，散熱器的鋁化是各國學者研究的熱點5。Al-Si/Al-Mn/Al-Si三層復合箔是汽車鋁散熱器的關鍵材料，這種復合箔現多采用熱軋復合法制備，存在生產效率及成材率低，產品質量不穩定等缺點。相比之下，冷軋復合工藝生產效率高、產品性能穩定，非常適合高精度多層金屬復合軋制。目前，日本、美國等國家已經主要采用冷軋復合法生產汽車鋁散熱器用復合箔6，有效地提高了

7、生產效率和產品質量，而我國在這方面的研究及應用尚處于起步階段7。本實驗中，作者采用冷軋復合工藝完成了A4045/A3003/A4045三層復合箔的實驗室制備，摸索出了合理的軋制規程及退火制度。所制備復合箔材料的抗下垂性、分層厚度等指標均可達到相關標準要求。與熱軋復合箔相比，冷軋復合箔上、下包覆層厚度更為均勻，焊接性能明顯提高。1 實驗材料和實驗方法實驗選用Al-Si合金A4045和Al-Mn合金A3003做為復合原料，A3003為芯材，A4045為包覆層，也稱為皮材，采用雙面包覆復合。A3003的主要化學成分（質量分數/%）為Mn 1.2，Si 0.4，Zn 1.4，Fe 0.6，余量為鋁。A

8、4045的主要化學成分（質量分數/%）為Si 10，Zn 1，Fe 0.5，Cu 0.2，余量為鋁。芯、皮材合金鑄錠分別經均勻化退火、熱軋開坯后冷軋至實驗所需規格。實驗采用傳統的表面清理、軋制復合、退火熱處理三步法復合工藝。首先用丙酮將材料表面的油污洗凈，用清水沖洗，烘干，然后在鋼絲清刷機上打磨至表面形成砂面效果。冷軋復合時，首道次壓下率控制在20%60%，之后的各單道次壓下率控制在20%30%。累積壓下率達到60%70%時，需進行中間退火，中間退火制度為400退火40min。反復循環以上的軋制工藝，直到軋至成品前一道次所需的厚度。成品前道次的退火工藝制度和最后一道次精軋壓下率對成品性能有很重

9、要的影響，實驗采用的成品前退火工藝制度為：400下分別退火20min、40min、60min、80min、100min；320至440每隔20對試樣退火40min。最后一道次精軋壓下率控制在15%60%。將復合箔磨制金相試樣，利用GX-71光學顯微鏡觀察復合界面上皮材與芯材的結合情況，結合熱軋復合箔，對比分析上、下包覆層的厚度變化。由于汽車散熱器用復合箔在工作狀態下需要承受600高溫，因此需要具有良好的抗下垂性能。實驗參照日本低溫焊接委員會的抗下垂性試驗方法測試復合箔的抗下垂性8，下垂量測試裝置示意圖見圖1。50mm下垂值量夾具復合箔末端圖1 下垂量測試裝置示意圖Fig.1 The expla

10、natory views of sag test facility測試時將復合箔一端固定在圖1中的夾具上，另一端懸在支撐架外，外懸長度為50mm，箔帶寬度為22mm。將測試裝置送入加熱爐，在600保溫3min后平穩移至爐外空冷，用游標卡尺測量端點下垂值。2 結果與討論2.1 首道次軋制后復合箔的金相組織分析冷軋復合中，首道次軋制是非常關鍵的環節，只有經首道次軋制形成牢固的初結合，芯材和皮材才有進一步軋制的可能。圖2為首道次軋制后未經退火處理的復合板的金相組織形貌，圖2a的壓下率為30.4%，圖2b的壓下率為44.3%。由圖可見，A3003和A4045兩種母材在30%的首道次壓下率下即可實現理想

11、的初結合，軋制后復合界面較為平整，在整個界面上沒有觀察到明顯的軋制缺陷。綜合后續進行的系統工藝實驗及復合箔性能測試的結果顯示，冷軋中，首道次壓下率應當控制在30%50%之間，壓下率低于30%時，芯材和皮材不能實現良好初結合，壓下率超過50%則易造成軋制后出現嚴重的加工硬化。2.2 包覆率實驗結果分析鋁合金復合箔的包覆率是指單層包覆厚度占總厚度的百分比。包覆率過小會導致復合箔釬焊時釬料供應不足，造成虛焊或假焊，影響熱交換器的傳熱性和牢固性。包覆率過大則會使芯材的厚度相對變小，影響高溫條件下復合箔的抗下垂性能。相關產品質量標準要求，熱交換器用復合箔的包覆率要控制在10%16%之間9。目前，國內、外

12、采用熱軋復合法生產的復合箔都存在包覆層厚度不均勻的問題，圖3為采用冷軋及熱軋工藝制備的成品復合箔的金相組織形貌。由圖可見，圖3a所示的熱軋復合箔不僅存在橫向厚度不均勻的問題，而且上、下包覆層有明顯的厚度差。與熱軋復合箔相比，圖3b顯示冷軋復合箔不僅各包覆層橫向上厚度更為均一，并且上、下包覆層的厚度也趨于一致。(b)(a)A3003A3003A4045A4045100m100m圖2 首道次冷軋后復合板的金相組織形貌Fig.2 Microstructures of composite plates after the first cold rolling熱軋復合箔上、下包覆層存在厚度差的問題主要產

13、生于加熱階段，由于下包覆層直接同加熱爐爐底接觸，因此加熱效果不如上包覆層充分。在軋制階段，坯料在進入軋輥之前，需要在軋機輥道上停留一段時間，而下包覆層在這一階段直接同輥道接觸，溫降非常明顯。以上兩個因素共同作用，使得在進入軋輥時下包覆層的溫度明顯低于上包覆層，在軋制過程中材料的變形抗力隨溫度的升高而降低，因此軋制時變形抗力低的上包覆層更容易在軋制力的作用下發生變形，這就造成了熱軋復合箔下包覆層要厚于上包覆層。上、下包覆層厚度不一致的情況使復合箔的板型變差，并直接影響到材料的抗下垂性能，這也是熱軋工藝的主要技術難題。相比之下，冷軋復合箔由于制備時不存在加熱過程而使這一問題得到了較好解決。40m4

14、0m(a)(b)圖3 不同工藝制備的鋁合金復合箔的金相組織形貌Fig.3 Microstructures of composite aluminum alloy foil at different processes2.3 成品抗下垂實驗及其分析實驗中取不同厚度的成品前試樣在400的溫度下退火40min，然后采用不同的精軋壓下率軋至目標厚度為0.15mm的復合箔成品，圖4反映了精軋壓下率對成品復合箔抗下垂性能的影響。由圖4可見，當壓下率在25%35%左右時，復合箔具有良好的抗下垂性能。壓下率太低或者太高，其下垂性能都會不同程度地降低。這是由于壓下率過小會提高成品復合箔的再結晶溫度，使得高溫釬焊

15、時在皮材熔化前再結晶過程進行得不完全，皮材中的Si元素會沿著未完成再結晶區域的晶界大量擴散到芯層，使復合箔的抗拉強度以及抗下垂性能急劇降低。如果壓下率過高，則會造成晶粒尺寸變細，晶界增多。復合箔釬焊時，高溫狀態下大量的晶界會產生蠕變，從而使復合箔的抗下垂性能迅速惡化。 圖4 精軋壓下率對復合箔抗下垂性能的影響Fig.4 Effect of the finish rolling reduction rates on sagging resistance of composite foil成品前退火制度對復合箔抗下垂性能也有明顯影響。取兩組厚度均為0.21mm的試樣，一組試樣在不同溫度下退火40m

16、in，另一組在400的溫度下進行不同時間退火，然后將兩組試樣均冷軋至0.15mm的成品。圖5顯示出退火溫度和成品復合箔抗下垂性能的關系，由圖5可見，隨退火溫度的升高，成品復合箔的下垂值增加，抗下垂性變壞。這是由于在精軋壓下率一定的條件下，影響成品抗下垂性能的主要因素是冷軋前芯材的晶粒尺寸和皮材中Si元素的擴散情況。當成品具有尺寸較大的長條狀的晶粒時，其抗下垂性能較好；另外成品皮材中的Si元素向芯材擴散越少，其下垂性能越好10。圖5 退火溫度對復合箔抗下垂性能的影響Fig.5 Effect of annealing temperature on sagging resistance of com

17、posite foil在退火過程中，再結晶、晶粒長大過程和擴散行為同時發生。隨著退火溫度升高，再結晶的晶粒逐漸長大，同時皮材A4045中的Si元素向芯材A3003中進行擴散。由于Si向芯材中的擴散對抗下垂性能的影響要大于再結晶的作用，所以成品復合箔下垂性能隨溫度的升高而降低。圖中數據顯示，退火溫度低于400時，復合箔的下垂值可以保持在8mm的產品標準之下，而只有在320以上退火，復合箔才能夠實現充分軟化。因此，復合箔成品前退火適宜的溫度范圍是320400。圖6反映了退火時間對成品復合箔抗下垂性能的影響。由圖中數據可見，在400下改變退火時間時，復合箔的下垂值隨退火時間的增加呈先降低后增加的趨勢

18、。這是由于隨退火時間的延長，基體通過再結晶實現了晶粒長大，而擴散作用也隨之加劇，在退火時間短于80min時，晶粒長大對下垂性能提高的影響占主導作用，因此復合箔的下垂值減小。退火時間超過80min后，由于晶粒長大已基本停止，而皮材中的Si元素依然向芯材中進行大量擴散，結果造成復合箔抗下垂性能降低。圖6 退火時間對復合箔抗下垂性能之間的影響Fig.6 Effect of annealing time on sagging resistance of composite foil3 結 論1)冷軋復合中，30%50%的首道次壓下率即可實現皮材A4045和芯材A3003牢固的初結合。與熱軋復合箔相比，

19、冷軋復合箔包覆層的橫向厚度更為均勻，上、下包覆層的厚度也趨于一致。2)精軋壓下率在25%35%時，復合箔的抗下垂性能最佳。3)復合箔成品前退火的溫度應控制在320400。400退火時，延長退火時間可提高復合箔的抗下垂性能，但超過80min后，復合箔抗下垂性變差。參考文獻1 Kimberley W. Lighter weight leads to fuel savingsJ. Automotive Engineer，2004，29(9)：30-31.2 Hayashi H. Trend of weight reduction of automobile and expectation for a

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