（材料加工工程专业论文）汽车热交换器用复合钎焊铝箔轧制复合实验研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 汽车热交换器用复合钎焊铝箔轧制复合实验研究 摘要 当前，节能和环保是汽车技术发展的总趋势。降低汽车的燃油消耗、减少向 大气排出c 0 2 和有害气体及颗粒的最有效途径之一是实现汽车自身的轻量化。出 于铝合余具有一系列优良特性，因此实现汽车轻量化的主要途径是提高汽车用材 的铝化程度。例如，汽车热交换器以复合钎焊铝箔代替传统的铜箔，重量可减轻 3 7 - - 4 5 ，同时因为铝的价格比铜低，使得生产成本也相应的减少。因此复合钎 焊铝箔作为汽车热交换器用散热片材料得到了广泛的应用。 在查阅有关文献的基础上，本文对复合钎焊铝箔的各种加工方法及其应用进 行了综述。目前我国复合钎焊铝箔热轧复合技术中存在产品包覆率波动大、抗下 垂性能低的问题：冷轧复合虽具有生产效率高，产品性能稳定等特点，但由于国 内对冷轧复合技术缺乏系统的研究，所以在国内尚未得到广泛应用。针对上述问 题，本论文进行的主要研究内容如下： 采用热轧复合和冷轧复合两种方法生产a 4 0 4 5 1 a 3 0 0 3 1 a 4 0 4 5 三层复合钎焊铝 箔。系统研究了不同表面处理方法、热轧复合和冷轧复合工艺参数对界面结合质 量的影响：热轧复合后的冷轧工艺制度、成品前的退火制度以及最后一道次冷轧 压下率对成品复合铝箔抗下垂性能和力学性能的影响：摸索出热轧温度、压下率 及初始包覆率对热轧复合后包覆率的影响规律。为了解决4 0 4 5 铝硅合金成型困难 问题，以便为冷轧复合提供所需的薄带，本文还重点研究了4 0 4 5 铝硅合金的细化 变质处理对其塑性的影响，摸索出4 0 4 5 铝合金铸锭合理的轧制工艺制度。 实验结果表明：当热轧温度为4 5 0 一5 0 0 ，热轧复合前几道次压下率小于 1 0 时，界面结合良好，复合铝板的包覆层厚度也较均匀。冷轧复合单道次压下率 在2 0 - - 2 5 时就能实现初结合，当压下率达到4 0 - - 4 5 时，可得到令人满意的 结合效果。应该指出，无论是采用热轧复合还是冷轧复合法，只要满足成品前退 火温度为3 6 0 - - 4 0 0 、保温时间4 0 m i n - - 6 0 m i n ，最后一道次冷轧压下率为2 5 一4 0 ，就可得到抗下垂性能最佳，力学性能良好的成品。 关键词：复合钎焊铝箔热轧复合冷轧复合包覆率抗下垂性能 i i 东北大擘硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nr o l l i n g c l a d d i n gt e c h n o l o g yo f c o m p o s i t eb r a z i n g a l u m i n u mf o i lu s e di na u t o m o t i v eh e a te x c h a n g e r a b s t r a c t a t p r e s e n t ，e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c f i o na r et h em a i n d e v e l o p m e n t a lt e n d e n c yo f a u t o m o t i v ei n d u s t r y d e c r e a s i n gt h ec o n s u m p t i o no f f u e l ， r e d u c i n gt h ec 0 2a n da r t i c l et ot h ea i r , o n eo f t h em o s te f f e c t i v ew a y si st om i n i m i z et h e w e i g h to fa u t o m o b i l ei t s e l f o w i n gt oal o to fe x c e l l e n tp e r f o r m a n c e so fa l u m i n u ma l l o y , t h em a i nm e t h o do fr e d u c i n gw e i g h to fa u t o m o b i l e si st oi n c r e a s et h ea m o u n to f a l u m i n u mu s e di na u t o m o b i l e s f o re x a m p l e ，t h ew e i g h to fa u t o m o t i v eh e a te x c h a n g e r w h o s ef i n sw e r em a d eo f c o m p o s i t e b r a z i n ga l u m i n u mf o i li n s t e a do f t r a d i t i o n a lc o p p e r f o i lc a l ld i m i n i s h3 7 - 4 5 a n db e c a u s ep r i c eo f a l u m i n u mm a t e r i a l si sl o w e rt h a nt h a t o fc o p p e rm a t e r i a l s ，p r o d u c t i o nc o s t sm a ya c c o r d i n g l yb ec u td o w n h e n c e ，t h e c o m p o s i t eb r a z i n ga l u m i n u mf o i lh a sw i d e l yb e e nu s e di na u t o m o t i v eh e a te x c h a n g e n o nt h eb a s eo fs t u d y i n ge x t e n s i v ed o c u m e n t s ，t h i sp a p e rh a se l a r i f i e dt h e a p p l i c a t i o no fc o m p o s i t eb r a z i n ga l u m i n u mf o i l sa n d i t sm a n u f a c t u r i n gm e t h o d s n o w a d a y s ，t h e r ea r et h ep r o b l e m so f t h el o wp e r f o r m a n c eo f s a g g i n gr e s i s t a n c ea n dt h e f l u c t u a t i o no f c l a dr a t i oi nh o tr o i l i n g a n dt h o u g ht h et e c h n o l o g yo f c o l dr o i l i n gh a st h e a d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c ya n dt h es t a b i l i z a t i o no fp r o d u c tp e r f o r m a n c e ，i ti sn o t b r o a d l ya p p l i e di nc h i n a a i m i n ga tt h o s ep r o b l e m s ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h e p a p e rw e r ep u tf o r w a r d t h ea 4 0 4 5 a 3 0 0 3 a 4 0 4 5c o m p o s i t ef o i lw a s p r o d u c e db yh o t - r o l l i n gc l a d d i n ga n d c o l d - r o l l i n gc l a d d i n g 1 1 l ee f f e c tt ot h eb o n ds t r e n g t ho ft h ei n t e r f a c ew a ss t u d i e db y d i f f e r e n tt e c h n i q u e so f r o l l i n gc l a d d i n ga n dm e t h o d so f t h es u r f a c et r e a t m e n t 1 1 1 ee f f e c t t ot h ep e r f o r m a n c eo fs a g g i n gr e s i s t a n c ea n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p r o d u c t sw a s s t u d i e d6 nt h ea r r a y i n gs c h e d u l e ，t h er e d u c t i o ns c h e d u l ei nt h el a s t p a s sa n dt h e t e c h n i q u eo ft h es u b s e q u e n tc o l dr o l l i n g w ea l s os t u d i e dt h ee f f e c tt ot h ec l a dr a t i oo f t h ef i n a lp r o d u c t so nt h et e m p e r a t u r eo f h o t - r o l l i n gc l a d d i n g ，t h er e d u c t i o nr a t i oa n dt h e o r i g i n a lc l a dr a t i o t of i n das o l u t i o nt ot h ep r o b l e mt h a t4 0 4 5a l l o yi sh a r dt os h a p ea n d t op r o v i d et h er a ws t r i pt ot h ec o l d r o l l i n gc l a d d i n g ，w es t u d i e dt h ee r e c to nr e f i n e m e n t a n dm e t a m o r p h i s mt ot h ep l a s t i cn a t u r eo f4 0 4 5a l l o ya n dw ef o u n dt h eo p t i m a l p a r a m e t e r so f h o tr o l l i n go f 4 0 4 5i n g o t 1 1 b ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r f a e ec a nb o n dw e l ia n dt h ec l a d t h i c k n e s so ft h ec o m p o s i t ep l a t ei se q u a b l ei nt h ec o n d i t i o n so ft h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e o f4 5 0 一5 0 0 a n dt h er e d u c t i o nr a t i oo fl e s st h a n1 0 i nt h ee a r l yp a s s e s i nc o l d i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l l i n g t h ec o m p o s i t ep l a t eb e g i n st ob o n da tr e d u c t i o nr a t i o0 f2 0 一2 5 a n dt h e e x c e l l e n tb o n ds t r e n g t hc a l lb eo b t a i n e da tr e d u c t i o nr a t i oo f4 0 一4 5 t h e p e r f o r m a n c eo fs a g g i n gr e s i s t a n c ea n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa l ee x c e l l e n t ，n o m a t t e rw h a tw ec h o o s e ，h o tr o l l i n gc l a d d i n go rc o l dr o l l i n gc l a d d i n g ，a sl o n ga si ti si n t h ec o n d i t i o n so ft h ef i n a lp a s sr e d u c t i o nr a t i oo f2 5 一4 0 t h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e o f 3 6 0 4 0 0 a n dt h ea n n e a l i n gt i m eo f 4 0 m i n - 6 0 m i n k e yw o r d s ：c o m p o s i t eb r a z i n ga l u m i n u mf o i l ，h o t - r o l l i n gc l a d d i n g ，c o l d - r o l l i n g c l a d d i n g ，c l a dr a t i o ，s a g g i n gr e s i s t a n c e i v 东北大学硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：趸孑 i ! t 飙彬、衫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流。请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 l 文献综述 1 文献综述 1 1 汽车的发展趋势 1 1 1 现代化汽车的发展方向 汽车工业早己成为发达国家和地区国民经济的支柱产业，并带动了冶金、石 化、机械、电子、城建等相关行业的迅速发展。目前，全世界汽车保有量已逾6 亿辆，并以每年近5 5 0 0 万辆的速度增长。作为社会发达与现代化的标志，汽车给 社会带来了进步和繁荣。但汽车工业的发展和汽车的普及又与能源、环保和安全 这三大问题息息相关。因此，降低燃油消耗、减少向大气排出c 0 2 和有害气体及 颗粒已成为汽车工业界主攻的方向i l 。 减少燃油消耗可以通过提高发动机效率( 从设计着手) ，减少行驶阻力，改善 传动机构效率及减轻汽车自重等方式来实现，其中最有效的方法就是减轻汽车自 重瓯例如，汽车自重每减轻l 公斤，l 升汽油就可以使汽车多行驶0 o l l 公里， 或者每一万公里运行就可节省汽油o 7 公斤，并且能够减少二氧化碳的排放量( 车 重减少5 0 ，二氧化碳排放将减少1 3 ) 。由此可知，减轻汽车自重既可以节能， 又能够减少环境污染。因此，减小汽车自身质量、提高燃油效率是今后汽车技术 发展的主要方向之一f 刖。例如，美国p n g v 计划要求轿车自身质量减小4 0 ，其 主要目的是尽量降低有害气体的排放并降低能耗。到2 0 0 5 年，美国轿车将达到每 升汽油可行驶约3 4 k m ( 3 倍燃料效率) 。欧洲汽车生产商也承诺6 年后将降低2 5 的能源消耗，并在此期间减少大约5 0 的c 0 2 排放量【6 h ”。r 本大须龙治则较系统 地研究了日本汽车轻量化与燃油经济性之间的关系，指出汽车轻量化可显著提高 燃油经济性。 1 1 2 铝合金与汽车轻量化1 9 1 0 1 减轻汽车自重可以通过两种方法实现，一是改进设计结构，二是选用轻量化 材料。到目前为止，前者己无太大的潜力可挖。因而汽车行业普遍注重于开发利 用新的高强度钢材或铝、镁等轻合金材料。 作为高强度材料，钢板的密度和弹性模量不会有大的改变。因此为了减轻汽 车重量，在采用高强度钢板制造汽车时，需要减小钢板的厚度，但汽车车身零件 大都以零件的刚性为标准来选定钢板厚度，因而实际的板厚减少不能太大。所以 高强度钢扳对汽车轻量化的效果不明显。 东北尢学颠士学位论更1 文献综述 1 文献综述 1 1 汽车的发展趋势 1 1 1 现代化汽车的发展方向 汽车工业早已成为发达国家和地区国民经济的支柱产业。并带动了冶会、石 化、机械、电子、城建等相关行业的迅速发展。目前，全世界汽车保有量已逾6 亿辆，并以每年近5 5 0 0 万辆的速度增长。作为社会发达与现代化的标志，汽车给 社会带来了进步和繁荣。但汽车工业的发展和汽车的普及又与能源、环保和安全 这三大问题息息相关。因此，降低燃油消耗、减少向大气排出c 0 2 和有害气体及 颗粒已成为汽车工业界主攻的方向【i “。 减少燃油消耗可以通过提高发动机效率( 从设计着手) ，减少行驶阻力，改善 传动机构效率及减轻汽车自重等方式来实现，其中最有效的方法就是减轻汽车自 重口i 。例如，汽车自重每减轻l 公斤，l 升汽油就可以使汽车多行驶o 0 1 1 公里 或者每一万公里运行就可节省汽油0 7 公斤，并且能够减少二氧化碳的排放量( 车 重减少5 0 ，二氧化碳挂放将减少1 3 ) 。由此可知，减轻汽车自重既可以节能， 又能够减少环境污染。因此，减小汽车自身质量、提高燃油效率是今后汽车技术 发展的主要方向之一p j 。例如，美国p n g v 计划要求轿车自身质量减小4 0 ，其 主要目的是尽量降低有害气体的排放并降低能耗。到2 0 0 5 年，美国轿车将达到每 升汽油可行驶约3 4 k m ( 3 倍燃料效率) 。欧洲汽车生产商也承诺6 年后将降低2 5 的能源消耗，并在此期间减少大约5 0 的c 0 2 排放量【6 j 【”。日本大须龙治则较系统 地研究了日本汽车轻量化与燃油经济性之间的关系，指出汽车轻量化可显著提高 燃油经济性。 1 1 2 铝合金与汽车轻量化f 9 】【l o j 减轻汽车自重可以通过两种方法实现一是改进设计结构，二是选用轻量化 材料。到目前为止，前者己无太大的潜力可挖。因而汽车行业普遍注重于开发利 用新的高强度钢材或铝、镁等轻台金材料。 作为高强度材料，钢板的密度和弹性模量不会有大的改变。因此为了减轻汽 车重量，在采用高强度铜板制造汽车时，需要减小钢板的厚度，但汽车车身零件 大都以零件的刚性为标准来选定钢板厚度，因而实际的板厚减少不能太大。所以 高强度钢扳对汽车轻量化的效果不明显。 高强度钢扳对汽车轻量化的效果不明显。 东北大学硕士学位论文 1 文献综述 在轻质材料中，树脂基材料在再生方面还存在不足；镁的价格和安全性限制 了它的广泛应用；而铝不仅具有丰富的资源，而且随着电力工业的发展和冶炼方 法的革新，它的产量大增并且成本大幅度下降。同时，铝又具有良好的成型性、 可焊性、抗腐性、密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、高导 电、高导热、易表面着色等优点，并且能够最大限度遗回收利用。目前铝的回收 率约为8 0 ，有6 0 的汽车用铝来自回收的废铝，预计到2 0 1 0 年将上升到9 0 。 因此，铝材是汽车轻量化最理想的材料。另外，铝是在不减少汽车容积的情况下 减轻汽车自重，并且在受到冲击时，铝结构能构吸收和分散更多的能量，因此从 提高汽车行驶性能、乘客的舒适性和安全性来看，汽车铝材化也是必然趋势。例 如车重减轻3 7 ，发动机输出功率可提高4 0 。 汽车用铝合金材料基本上有两大类【】l 】：铸造铝合金和变形铝合金。前者用于 生产各类铸件，后者用于生产各类加工材( 如板、带、箔、型、管、棒、线) 及锻 件。各类铝合金铸件主要应用在发动机以及变速箱、制动器、转向器等部件上。 近年来，发动机缸体、变速箱壳体、轮毂等一批大型铝合金汽车零件的开发和应 用，使得汽车用铸造铝合金材料获得了飞速的发展。由变形铝合金材料生产的各 类加工材，主要用在汽车的散热系统、车身、底盘等部件上。汽车水箱、汽车空 调器的蒸发器和冷凝器主要使用带箔材及管材；车身各部位( 如发动机罩、行李箱 盖、车身顶板、车身侧板、档泥板、地板等) 以及底盘等则是多用板材、挤压型材。 近年来，由于汽车散热系统和车身的铝合金化进程的加快，使汽车用变形铝合金 材料也在迅速增长。 1 1 3 汽车用热交换器的铝材化 散热器、空调器、冷凝器和蒸发器主要耗用各种规格的板、带、箔和焊接管 材。汽车热交换器的主要功能是散热【i ”。例如，散热器是汽车水冷发动机冷却系 统中不可缺少的重要部件，它是一种将发动机水管内冷却液所携带的多余热量， 经过二次热交换，在外界强制气流的作用下向大气散发的热交换装置【1 3 1 。因此， 散热器的性能直接关系到汽车发动机的性能好坏，乃至关系到汽车能否安全行驶。 为适应汽车轻量化的发展趋势，热交换器正在向轻型、高效、经济方向发展。 由于铜具有优良的导热性、成形性、可钎焊性和耐蚀性，所以长期以来传统 的热交换器大多是采用铜基合金制造。由于汽车热交换器的工作环境比较恶劣， 因此为了延长铜热交换器的使用寿命，往往需要在铜热交换器的散热片表面上覆 上锡保护层。在这种工艺条件下，铜制热交换器的散热效率比铝制热交换器低。 铝制热交换器采用的是抗腐蚀性能良好的防锈铝台金材料。用这种材料制成的铝 制热交换器具有重量轻、散热效果好、节能、耐用、装拆方便、造价低、实用和 东北大学硕士学位论文 1 文献综述 经济等诸多优点。例如轿车散热器以复合钎焊铝箔代替铜箔，其重量可减轻3 7 一4 5 ，热交换率可提高1 2 ，而两者的加工费几乎相当。因此，世界发达国家早 已用铝制热交换器替代了老式的铜制热交换器。目前，日本和美国的汽车空调器 完全采用铝材。散热器的铝化率f 1 4 】，欧洲达到9 0 一1 0 0 ，美国达到6 0 - - 7 0 , 日本达到2 5 - - 3 5 。而我国大多数国产车仍用铜制散热器、铝制散热器还刚刚起 步。 1 2 汽车用铝热交换器 1 2 1 汽车用铝热交换器的结构”l 【1 6 】 汽车用铝制热交换器主要包括散热器和空调器( 冷凝器、蒸发器) 。散热器是 汽车发动机冷却系统的重要部件。它与风扇、水泵等协调工作，共同保证冷却系 统正常工作。铝散热器的核心部件是冷却水管和冷却水管之间的散热翘片。汽车 冷却系统中使用的冷却介质( 水) 在发动机和散热器之间循环流动。从发动机流 过来的高温冷却介质。流入散热器的冷却水管中，将热量通过散热器翘片散出， 从而完成一个循环散热过程。汽车空调的冷却系统主要由压缩机、冷凝器、蒸发 器和各种配管组成。在密闭回路内注入冷却介质使之循环，用蒸发器吸收室内热 量，从冷凝器将热量排出室外，完成一次循环过程。其中，冷凝器的作用是强行 通入由压缩机压缩的高温高压的气体介质，通过与外部空气的热交换，实现使气 体介质液化；蒸发器的作用是将低温低压后的雾状冷却介质与室内空气进行强制 热交换，将冷却的空气吹入车内。无论是散热器还是空调器，最重要的是热交换 能力的大小。对于材质为铝的热交换器来说，热交换能力主要取决于结构和接台 方法。目前，铝制热交换器结构主要有板片式、蛇行式和积层式3 种。但无论结 构为上述哪种形式，其核心结构都如图1 1 所示。其中多孔管大多是由工业纯铝或 铝锰合金( 如a 3 0 0 3 ) 挤压制成，而散热片用材料则根据接合方式的不同而采用 铝合金薄带或复合钎焊铝箔带。 铝制热交换器的按合方法主要有机械装配法和钎焊法两种f 1 3 】。机械装配法是利 用胀管法使多孔管与散热片联接起来。由于接合时不需要进行焊接，所以降低了 生产成本。但将其与相近尺寸的钎焊式铝制热交换器相比，散热片间隔较密，挤 压管壁厚较大，散热能力较低，而且由于汽车的颠簸震动，易使接合处松动，降 低了热交换器的使用寿命且不易维修。钎焊式铝热交换器的关键部位散热片以往 多是用铝箔带滚制成波浪带与钎焊料一起镶嵌在弯制成波浪形的多孔管间隙中经 钎焊而成。该方法相对于机械装配法增强了热交换嚣的抗震性能。但相对来说， 接合过程变得复杂了。随着层状金属复合轧制技术的发展，推动了钎焊式铝制热 3 东北大学硕士学位论文t 文献综述 交换器散热翘片与多孔管的接合。在接合散热越片与多孔管时，可事先将钎焊材 料按一定包覆率包覆在铝基体表面并经轧制复合为一体，再将复合好的板带( 箔) j j n q - 成波浪状。这样的散热翘片不需要另加钎焊料就可以直接与冷却管、侧板和 端头进行钎焊连接。利用这种方法得到的热交换器结构紧凑，散热效率高，抗震 性能好，而且也简化了接合过程。综上所述，复合钎焊铝箔是一种比较理想的热 交换散热翘片材料。目前，这种复合钎焊铝箔散热片已被广泛应用于汽车热交换 器，如轿车空调器、散热器以及轿车水箱中。 3 图1 1 铝热交换器芯部结构图 1 铝侧板；2 多孔管：3 波浪形散热片： f i g 1 1s t r u c t u r es k e t c ho f c o r ep o r t i o no f a l u m i n u mh e a te x c h a n g e r 1 2 2 钎焊式铝热交换器用复合钎焊铝箔 对钎焊式铝热交换器来说，选择的散热片材料除了必须具备良好的耐蚀性、 成形性和高强度等性能外，还要有优良的钎焊性能。 钎焊式铝热交换器的钎焊方法有钎剂钎焊和无钎剂钎焊【1 3 】。前者主要包括火 焰钎焊、空气炉中钎焊、浸渍钎焊和n o c o l o k 钎焊等。后者包括真空钎焊、v a w 钎焊和b o r gw a m c r 钎焊。目前，普遍采用的钎焊方法是n o c o l o k 钎焊和真空钎焊。 n o e o l o k 钎焊是采用炉内钎焊，使用的焊剂为含氯化物；真空钎焊则是利用包覆层 中含有的m g 元素的蒸发作用( 作为吸气剂) 进行钎焊的。采用这两种方法都可以 使钎焊材料表面上的氧化物破裂并使焊料加速流动，从而促进钎焊过程的进行。 适用于这两种钎焊接合方法的散热片材料如表1 1 所示。 4 东北大学硕士学位论文 l 文献综述 表1 1 钎焊式铝热交换器散热片用台金材料 t a b l e l 1m a t e r i a l so f r a d i a t i n g6 no f a l u m i n u mh e a t i n ge x c h a n g e r 部蝴选 n o e o l o k 法钎焊真空钎焊 4 3 4 3 3 0 0 3 ，4 0 4 5 3 0 0 3 4 0 4 5 3 0 0 3 ，4 0 4 5 3 0 0 6 散热片 4 0 4 5 + z n 3 0 0 34 0 0 4 3 0 0 3 ，4 1 0 4 3 0 0 3 7 0 7 2 ，3 0 0 3 4 0 0 4 4 0 4 7 3 0 0 3 由表1 1 可知，钎焊式铝制热交换器所采用的散热片材料是一种双金属复合箔 材【1 7 l i s l 。它一般是由不同牌号的a 1 s i 系钎料合金单面或双面包覆a 1 m n 系合金 采用复合方法制备而成，厚度一般为o 1 0 r 珊一0 1 5 m m ，断面结构如图1 2 所示。 由于这种复合铝箔具有良好的钎焊性能，所以作为一种新型散热片用材料已被广 泛应用于汽车的各种热交换器，如散热器、空调器和水箱等装置上。 图1 2 复台钎焊铝箔的截面不蒽图 f 嘻1 2 c r o s ss e c t i o n o f c o m p o s i t e a l u m i n u m f o i l 散热器位于汽车前端，经受着雨水和路面挥发的盐份、汽车排出的废气、砂 粒，灰尘和泥浆等的污染。由于这些原因，散热器内冷却水中可能混有腐蚀性成 分，同时散热器还承受着反复热循环和周期性振动。因此，对散热器的核心部件 一散热片材料的选择就提出了特殊的要求。 根据散热器的工作原理、环境和接合方式，要求作为芯材的铝合金具有比较 高的强度、较高的熔点、优秀的耐蚀性、良好的加工性能和热传导性能。在铝台 金体系中，a i - m n 系合金所具有的性能可以满足这方面的要求。因此，目前生产 复合钎焊铝箔所使用的芯材主要是a i - m n 系合金。对于包覆材料来说，需要其具 有较低的熔点，良好的流动性和填充性能以及优良的钎焊性能。a 1 s i 系合金作为 一种钎焊材料，拥有上面提到的所有性能。因此，世界各国生产复合钎焊铝箔所 用的包覆材料大都为舢s i 系合金或一s i m g 系合金。但由于a i s i 系合金或 a i s i m g 系合金中含硅量较多，并且合金中的共晶硅通常呈长针状或长片状，少 量的单晶硅相星粗大针状分布，因而严重影响了合金的机械性能。特别是合金的 塑性。为了改善铸造a 1 - s i 合金的力学性能，使塑性得到大幅度的提高，人们对熔 体的细化机制和变质机制作了深入地研究。经研究发现：细化处理和变质处理可 以明显改变a 1 s i 合金组织形态，使s i 相由层片状转为纤维状，并且细化了晶粒， 材料的力学性能和加工性能得到了显著提高。因此，对于a 1 s i 合金来说，在熔炼 过程中需要进行细化变质处理来改变共晶s i 的形态与大小，改善加工性能。 东北大学硕士学位论文1 文献综述 1 3 复合钎焊铝箔的加工方法 复合钎焊铝箔是一种层状金属复合材料。层状金属复合材料的主要加工方法 有爆炸复合法、轧制复合法( 热轧复合和冷轧复合) 、挤压复合法和反向凝固复合 法等。由于轧制复合法生产复合带材具有连续化生产的特点，所以生产复合钎焊 铝箔主要采用轧制复合法。目前采用反向凝固复合法也可以制各出复合钎焊铝箔。 1 3 1 热轧复合法【1 8 - 2 2 】 复合钎焊铝箔的热轧复合是指包覆材料( 一般为a 1 s i 系合金，如a 4 0 4 5 ) 以 一定的包覆率( 8 1 2 ) 单面或双面包覆芯材( 一般为a 3 0 0 3 铸锭) ，在定温 度和压下率下( 一般5 0 ) 实现二者结合的种加工方法。 在生产过程中，应特别注意结合面的干净程度、焊缝强度、焊缝的完整性、 加热温度、保温时间、首道次的压下量等工艺参数，这些参数对热轧复合的成功 率都有至关重要的影响。 在国外，热轧复合工艺已广泛应用于生产：国内则由于起步较晚，对三层复 合钎焊铝箔的热轧复合工艺虽然进行了很多研究，但是在包覆层厚度均匀性的控 制问题上还存在一定的问题。 采用热轧复合法生产三层复合钎焊铝箔时，其成品复合带的包覆层厚度百分 比( 包覆层厚度占总厚度的百分数) 是其关键技术质量指标之一。由于热轧复合 采用的芯材形态为铸锭，原料的原始厚度较大，而成品厚度又很薄，一般在 0 1 0 r a m 一0 1 5 r a m 之间。因此，在轧制过程中，加工道次多而且在加热过程中，铸 锭温度分布容易不均匀，这些因素势必影响成品包覆层的厚度比及其均匀性。而 且由于基体合金与包覆合金的变形抗力不同，所以成品包覆率与原始包覆率会有 所差异；同时由于金属流动不均也会影响包覆层的均匀性。目前，对包覆层厚度 均匀性还需要做大量的实验研究工作，找出其变化规律，进而制定最佳的工艺制 度，控制其厚度均匀性。 1 3 2 冷轧复合法 2 3 。7 1 复合钎焊铝箔的冷轧复合是指包覆材料( 一般为a l 。s i 系合金，如a 4 0 4 5 ) 以 一定的包覆率( 8 1 2 ) 单面或双面包覆芯材( 一般为a 3 0 0 3 铸锭) ，在常温下 凭借大压下量轧制，使两种金属之间的界面产生原子结合或榫扣嵌合，并通过随 后的扩散退火，使之强化的一种加工方法。采用冷轧复合生产复合钎焊铝箔一般 分为三个步骤，即表面处理、冷轧复合和扩散退火。冷轧复合时，首道次变形量 一般在2 5 5 0 左右，组元层之间实现初步结合，结合区的数量与面积的大小除 东北大学硕士学位论文 文献综述 了与材料的性能、表面净化效果、表面粗糙度等因素有关外，主要取决于复合时 的压下率和扩散退火处理。 冷轧复合的优点在于省去了热轧复合的多道次轧制工序可咀从冷轧带坯丌 始生产，能够成卷轧制并且组元层蒯的厚度比较均匀，尺寸精确。性能稳定。 由于其可连续生产，生产率高，成本低，因此是一种多快好省的加工技术。当前， 日、美、法等国正以生产自动化程度高、生产效率高的冷轧复合生产逐步取代热 轧复合法，以提高生产效率和产品质量。但在国内采用冷轧复合方法生产三层复 合铝钎焊箔尚还处于起步阶段。这主要是出于制造复合钎焊铝箔所用的包覆材料 主要是亚共晶a l s i 系合金，硅含量范围约在9 一1 1 之问。由于硅量较多，而 且呈耜大针状分布在铝基体中，致使该类台金的塑性极差，因而不容易获得冷轧 复合所需较薄的包覆带材，从而使复合钎焊铝箔的冷轧复合应用受到了一定程度 的限制。 1 3 3 反向凝固复合法删1 2 8 l 反向凝固工艺是由德国冶金工作者于1 9 8 9 年开发的一种薄带连铸工艺。复合 钎焊铝箔的反向凝固法i l ”是由东北大学的研究人员首次提出的。它采用3 0 0 3 铝合 金带材作为芯材，4 3 4 3 或4 0 4 5 铝合金作为包疆材料，工艺如图1 3 所示。它是让 定厚度韵基材( a 3 0 0 3 ) 从反向凝固器内的a l - s i 合金熔液中通过，使基材表面 附近的铝合金熔液迅速降温，在基材表面凝固形成新生相，并在新生相还处于半 凝固状态时进行轧制，得到表面平整、厚度均匀的热轧薄带。 图1 3 反向凝【趔l ：艺示意幽 f i g 1 3s k e t c ho f i n v e r s i o nc a s t i n gs t r i p 利用反向凝固方法生产复合钎焊铝箔的主要技术参数是铝硅液态合金的温 度，基体带材在液态合金中的浸入时间和原始厚度。这三个主要技术参数对包覆 层厚度及其均匀性有着重要的影响。当a 3 0 9 3 带材浸入铝硅舍余熔液时，液态与 7 东北大学硕士学位论文 1 文献综述 固态铝合金彼此相遇。由于二者之问的温度变化很大，使得基体带材的外层部分 先开始熔化，然后通过自冷却作用，让部分液态合金又快速地凝固在基体带材的 表面，所以基材和包覆材料是通过焊接而成的，而不是简单的覆盖。同时在新鲜 固体金属和液态合金彼此相遇的短暂过程中又使得扩散过程得以进行。因此，通 过选择适当的技术参数，可以获得完美的结合界面，但同时在界面上存在合金元 素的扩散。 为了使新鲜固体金属和液态合金实现良好的焊接复合，有必要在注入液态铝 硅合金之前，用助焊剂处理基体带材的表面。因为助焊剂可以抑制氧化膜的形成 并且可以激活接触界面。同时在电阻炉中熔化a l s i 合金铸锭时，要有氩气保护， 而且在整个焊接复合过程中，也要不断地加入脱氧剂，以防合金氧化，阻碍界面 结合。 反向凝固法具有低成本、低能耗、连续自动化和低污染的优点。但由于在界 面处存在合金元素的扩散，因而会造成成品高温抗下垂性能降低，影响成品的综 合性能。 以上复合钎焊铝箔的生产工艺各有优势，但也都存在着一定的缺陷。为了适 应我国汽车工业的高速、多样化发展，实现汽车铝热交换器用复合钎焊铝箔材料 的国产化，迫切需要解决上述三种生产工艺制度的不完善之处，形成一种简单高 效的工艺制度来制备复合钎焊铝箔。 1 4 国内外关于本课题的研究 汽车为适应现代社会的需要，正朝着轻量化、安全、节能、高速和低公害方 向发展。而铝材是实现汽车轻量化和现代化的关键材料和主要途径。同时，汽车 的轻量化和铝化又与铝质热交换器的应用密切相关。从铝的特性来看，热交换器 是最适于用铝制造的部件。因此，各国政府、企业界和科技界都致力于提高汽车 热交换器的铝化程度的研制开发工作。而构成铝热交换器( 如汽车水箱散热器、 汽车空调冷凝器、蒸发器) 的关键材料之一：a 1 s i a i m n a t s i 三层复合钎焊铝箔 的材料选择和制各技术更是世界各国复合加工领域内的研究重点。 在制造钎焊式铝热交换器时，如前面章节所述，必须把多孔管和散热翘片加 热到5 9 0 c - - 6 2 0 c 的高温下，使包覆在芯材表面上的钎焊料熔化，实现钎焊联接。 在这种工艺条件下，熔化的钎焊料会扩散到与之相接触的基体合金中，使基体合 金中的s i 含量增多，降低基体合金的强度，最终引起散热翘片在高温钎焊时软化 1 2 9 。为了避免复合钎焊铝箔在钎焊过程中发生塌陷，需要复合钎焊铝箔在钎焊时 具有高的抗变形能力，这一能力通常用抗下垂性来表示。国内外在对复合钎焊铝 箔抗下垂性能的实验研究中发现，复合钎焊铝箔的抗下垂性能与基体合金的成分 东北大学硕士学位论文 l 文献综述 有着密切的关系。 美国专利介绍了两种不同成分的基体合金。一种基体合金成分组成为0 6 一 2 o 的锰，小于0 3 的铁，0 0 5 一o 6 的硅，o 5 一2 o 的锌，0 0 5 o 2 的铜，其余为铝：另一种基体合金成分组成为0 6 - - 2 0 的锰，0 3 l 一o 8 的 铁，0 0 5 一0 6 的硅，0 5 一2 o 的锌，o 0 5 一0 2 的铜。其余为铝。将这两 种基体合金分别与铝硅台金a 4 3 4 3 ( 7 4 s i ，1 z n ) ，a 4 0 4 5 ( 1 0 s i ，1 z n ) 或 a 4 0 0 4 ( 1 0 s i ，1 5 m g ) ，a 4 1 0 4 ( 1 0 s i ，0 1 b i ) 双面包覆，进行轧制复合， 然后进行冷轧和中间完全退火，获得最终冷轧状态的复合钎焊铝箔。对采用该专 利方法制造出来的复合钎焊铝箔进行高温钎焊时，复合铝箔表现出良好的抗下垂 性能和牺牲阳极作用。 日本的住友轻金属公司新近研制成一种制造热交换器散热片用的铝合金p “。 传统上，制造汽车水箱和空调散热片台金为1 0 5 0 ，3 0 0 3 或7 0 7 2 ，它们的不足之处 是，在真空钎焊时的加热过程中会产生变形，挠度大，对散热片的牺牲阳极效果 不佳，而新发明的合金在很大程度上克服了这些缺点。日本古河铝业公司成功的 开发了用于制造热交换散热怒片的复合铝合金薄带，并己商品化用作热交换的散 热翘片。 美、日等国早在上世纪8 0 年代就已采用热轧复合工艺制备出复合钎焊铝箔， 而且该工艺早已被广泛地应用于工业化生产田j 。为了实现复合钎焊铝箔冷轧复合 工业化生产，美、日、法等国也在不断地加大力度研究提高铝硅合金塑性的方法， 并取得了显著的成效。当前，日、美、法等国正以生产自动化程度高、生产效率 商的冷轧复合生产逐步取代热轧复合法，以提高生产效率和产品质量。 我国汽车全铝式散热器的制造始于9 0 年代初【1 2 1 1 b 】。所采用的铝合金箔材以 a 1 s i 、a 1 m g s i 及a 1 s i - z n 合金为包覆层，双面包覆芯材( 铝锰系合金，如a 3 0 0 3 、 a 3 0 0 4 和a 3 2 0 3 ) 热轧复合，轧制后产品的最终厚度为0 1 5 m m - - 0 2 0 m m ，宽度为 2 2 r a m - - 9 9 m m 。因基体合金与高硅包覆层合金的力学性能相差较大，导致复合钎 焊铝箔热轧复合和冷轧加工的难度很大，所以以前几乎全部靠进口。1 9 9 3 年我国 用量为1 0 0 0 吨，1 9 9 4 年为3 0 0 0 吨。近年来，我国汽车工业发展很快，目前汽车 年产量已达到3 0 0 万辆，汽车社会保有量已超过2 0 0 0 万辆，而且对汽车用铝热交 换器的需求也在快速地增加。因此，对复合钎焊铝箔的需求量也与日剧增。目前， 一些铝加工企业如东北轻合金加工厂等极少数厂家在汽车散热器专用铝材的研制 和开发上已取得了一些成果，并且可以通过熟轧复合生产出复合钎焊铝箔。但由 于复合箔的生产工艺复杂、生产难度大，因而仅局限于小批量的供应，仍未形成 大规模生产。上海萨帕铝热传输材料有限公司是瑞典格兰吉斯集团在中国的全资 子公司，在上海建设一条铝复合带生产线。目前，国内汽车所需的复合钎焊铝箔 东北大学硕士学位论文 i 文献综述 部分由该公司供应，但仍无法满足国内汽车对铝热交换器的需求。而且在热轧复 合过程中，由于热轧复合所使用的原料较厚，使得生产出的复合钎焊铝箔的包覆 层厚度波动较大，从而影响了产品的钎焊性能，造成产品的成材率降低。 由于冷轧复合工艺具有生产效率高、产品性能稳定、适合于高精度多层金属 复合轧制。因此我国各大院校和科研单位正在致力于复合钎焊铝箔的冷轧复合技 术，其中中南工业大学等几所高校对复合钎焊铝箔的冷轧复合工艺参数和复合后 箔材的综合性能作了一些研究工作，并取得了一定的成果。但由于包覆材料中的 硅含量较高，使得包覆材料的机械性能，尤其是合金的塑性极差。将其轧制成冷 轧复合用原料所需厚度( 一般为o 5 n u n ) 难度很大，因而限制了冷轧复合的应用。 为此，我国各方面的科技人员正在积极努力研究、开发汽车工业需求量较大的汽 车散热器、蒸发器、冷却器等所耗用的带箔材和管材来满足我国汽车工业发展的 需要。 1 5 本课题的研究目的和内容 统计数据表明，2 0