（材料学专业论文）al02mn03fe翅片铝箔的组织和性能研究.pdf

摘要 a 1 0 2 m n 0 3 f e 翅片铝箔的组织和性能研究 材料学专业 研究生：蒋显全指导老师：李宁 空调技术进步向着省能源、大功率和小型化方向发展，要求热交换器的高 性能化、小型化和低成本，这就促使空调热交换器用铝箔厚度更薄、综合性能 更高。本文作者采用铸轧工艺开发了新型薄壁高性能a 1 0 2 m n 0 3 f e - h 2 6 铝箔 来替代传统的纯铝系列翅片铝箔，其综合力学性能优于传统纯铝系列翅片铝 箔，可满足变薄拉伸和e c 0 高速冲制等新技术要求，并以每月5 0 0 吨的产量向 市场供货。但生产过程中常出现力学性能波动、晶粒粗大等问蹶。为此，本文 借助t e m 、s e m 、x r d 、0 d f 、伽、d s c 、杯突试验、室温和高低温环境力学性能 铡试等手段，针对铸轧工艺制备a 1 0 2 m n 0 3 f e 合金铝箔的关键工序：铸轧板 坯均匀化处理、铝箔最终退火过程和高低温环境中的力学性能、组织的变化规 律和机理进行了深入研究。揭示了这些工艺方法对翅片铝箔力学性能和组织影 响的规律并从理论上进行了深入的探讨。取得了若干对工程应用有直接指导意 义的研究成果，发现了诸如a 1 0 2 m n 0 3 f e 铝箔在退火过程中存在“临界再结 晶温度现象”、h 1 9 、1 4 2 6 和0 状态铝箔高低温性能变形规律区别较大、铝箔纤 维晶粒在极低温度下转变为细小等轴晶粒等新现象，并对上述现象进行了解 释。主要研究成果如下： 1 、通过对a 1 0 2 1 v l n 0 3 f e - h 1 9 状态最终退火过程中的性能、织构、组织和各 向异性变化规律研究表明： ( 1 ) 、a 1 0 2 1 v l n 0 3 f e - h 2 6 铝箔的最佳退火工艺为：退火温度为2 5 5 x7 2 2 h 。可获得抗拉强度为1 4 0 1 4 5 l v l p a 、伸长率为1 3 1 5 1 、杯突值5 8 m m ， 可满足拉深减薄和e c 0 等高速冲制翅片铝箔的要求。 ( 2 ) 、发现a 1 0 2 m n 0 3 f e 铝箔退火过程中存在。临界再结晶温度现象”： a 1 0 2 m n 0 3 f e 铝箔在低于并靠近再结晶温度退火时，出现综合力学性能过低， 其再结晶晶粒呈现出异常粗大现象，该现象被本文命名为。临界再结晶温度现 象”这种现象是回复和再结晶竞争的结果，回复时间过长，用于再结晶的残 余储存能少，单位体积内再结晶形核数过少。再结晶晶粒长大过程中，纤维晶 jet,wl,- 粒中的残余储存能驱使再结晶晶粒持续长大到再结晶晶粒相互接触时停止长 大。其效应类似于临界冷变形量下出现的粗大晶粒和较低综合力学性能现象； 临界再结晶温度略低于并靠近传统意义上的再结晶温度。 “临界再结晶温度现象”是造成工业生产中最终退火过程中出现综合力学 性能过低，晶粒粗大的主要原因。 ( 3 ) 、发现铝箔退火过程中存在很强的“薄板尺寸效应”：a i o 2 m n o 3 f e 铝箔在再结晶温度以上退火时，较高温度退火比较低温退火后的晶粒更细小， 综合力学性能更优良。其原因是：退火温度越高单位体积中再结晶形核数越多； 晶粒长大过程中由于铝箔厚度 8 0 j l 以上的硬状态 1 1 3 、空谓热交换器用翅片铝箔的发展方向慨4 4 删： ( 1 ) 空调的发展趋势 体积小型化、低耗能、大功率、高效率、环保健康、持久性、低成本 4 第一， 绪论 ( 2 ) 热交换器的发展趋势 翅片更薄、翅片间距更窄小、占用体积更小、热交换速度更快、换热能力 更大、翅片冲制速度越来越快。 ( 3 ) 翅片铝箔的发展趋势 一是铝箔厚度越来越薄，目前翅片厚度为0 i 0 1 2 咖。个剐甚至薄刭 0 0 9 5 咖。预计到2 0 1 0 年翅片铝箔的厚度将向0 0 8 5 m 靠近。 二是翅片铝箔的综合性能越来越高，在提高强度的同时，要求强度波动越 来越小，并且确保伸长率稳中有升，并提高深冲性能。 三是翅片铝箔的生产成本越来越低，其生产将由传统热轧工艺为主向成本 低廉的铸轧工艺转变。 1 2 、翅片铝箔的性能要求 随着技术的进步和人们对空调需求的提高，热交换器制作工艺正在不断改 进，而翅片质量的好坏就直接影响热交换器的效率。 ，。2 。1 、翅片成形方式对铝笾性能的要求 如图1 4 所示，翅片成形方式共有5 种1 “删。最初的方式是简易成型 ( 目前已经淘汰) 和拉拔方式，其成形过程如图1 - 4 a 所示；单件拉拔成型工 l 概 jl f 鬟囊连 _ 二 匕l _ ，；文迎 一ll t m l l _ 2 & 雌 jil = t 瞳 j l _ 鼬- a 简易茂形b 拉拔方式c 战薄方式d 扭伸及战薄i 急合法ee c o 法 图i 一4 翅片成形方式陆“9 删 艺是凸缘用圆锥台进行膨凸，经多道拉伸而成，其成型过程如图1 - 4 b 所示， 一一一一一一一一一 个一水溺小一斗一斗一 一一一一一一一一一一一一 翅片的翻边较高( 0 4 3 o 咖) ，所用铝箔要求厚度不能太薄，且深冲性能较好， 一般采用1 0 6 0 、1 0 5 0 、1 1 0 0 、1 2 0 0 合金的0 状态或 1 2 2 状态，国内在9 0 年代也曾用过k l m 或h 2 2 状态这种方式要求铝箔最小厚度在0 1 2 m 以上， 冲压速度较慢。 随后在8 0 年代末开发了翅片减薄方式，该方式的成型过程：开孔内缘边 去毛刺一第一次深冲减薄一第二次深冲减薄一向外扩张翻边，见图1 - 4 c 这种方式所用铝合金主要有1 1 0 0 、1 2 0 0 、8 0 0 6 、8 0 1 1 等，所用状态有0 、 h 2 2 、1 t 2 4 、1 t 2 6 和h 1 9 ，铝箔使用厚度与拉拔方式比有所减薄，可以薄到 0 1 1 5 m 以下，翅片翻边凸缘高度在1 o 1 8 m 范围，由于这种方式比较容易 实现翅片材的减薄化，所以较为普遍使用 拉伸减薄兼用混合法是一种新的方法，主要是为适应不需采用冲压油而提 出的。由于环保的要求，翅片冲压润滑油要用三氯乙烷，c f c - 1 1 3 以及三氯乙 烯等有机溶剂来清洗后才能使用，上述清洗剂对大气臭氧层有很大的破坏性， 被禁止使用。其解决方法是免清洗工序，采用挥发性冲压润滑油，然而这种润 滑油与传统润滑油相比润滑性差，在翅片冲压成型过程中易出现粘膜，翻边凸 缘裂口、生产效率底等问题，为防止上述加工成型过程的不良方式，人们又逐 渐开发了拉伸减薄混合成型法，其过程详见图卜4 d 。这种方式虽然工序少，由 于进行膨凸、拉拔减薄并用，翅片翻边凸缘高度可达较高，所以可以实现高速 生产，冲压成形速度在3 5 0 4 5 0 次m i n 以上，使用铝箔厚度通常不大于 0 1 l m 。且要求铝箔不仅有优良深冲性能，而且还要求较高的强度，以抵消由 于减薄厚度引起的抗变形能力下降。 e c o 翅片成型法是一种新的成形法，其特点是成形速度快，生产效率高， 模具磨损小，对铝箔材料的性能要求极为严格，既要求高强度，又要求高的伸 长率和深冲性能。这种方法可减少热交换器的体积，提高热交换效果。其成形 过程详见图1 - 4 e 所示。 1 2 2 、翅片存在的主要缺陷及产生原因 图1 5 所示的是翅片在冲制成形过程中产生的主要缺艏形貌和所处位置，。 、冲制粘模、翅片倒片：如图1 - 5 ( a ) 中的a 点所示，当铝箔强度不够 的时候，在翅片叠片、胀管、弯曲、运输和使用等过程中易发生倒片。倒片极 易造成永桥，增加风阻，改变风速和风向，降低热交换效率，减少空调寿命。 解决办法：提高铝箔强度。 6 第一章 绪论 ( )翅片形貌和缺陷n 唰 ( b )翅片与铜管接触示意图 图1 5铝箔翅片的四种缺陷 、开窗不充分或窗筋断裂：如图卜5 ( a ) 中的b 点所示，当铝箔综合性 能较低的时候，窗筋很容易断裂，当伸长率过高，而强度不够时易出现开窗不 充分，凹凸模之问的问隙调整不适当时也会造成上述缺陷。这些缺陷的后果同 上，解决办法：提高并控制铝箔综合力学性能，经常检查并修理模具。 日本的h i s a o 等人研究了m o 窗筋和波纹断裂与铝箔伸长率的关系，如图 1 6 所示，伸长率越低，在成形过程中变形较大的部位破裂率越高。 葛囊鼍车一 图1 - 6 翅片破碎率与铝箔伸长率之间的关系洲 、翻边凸缘裂口：如图卜5 ( a ) 中的c 点所示，其原因主要是铝箔综合 性能低，深冲性能不好所致。特别要指出：如果翅片铝箔的各向异性较大，立 方织构和铜织构、黄铜织构和s 织构匹配不均匀，导致冲制过程中凸缘翻边前 的制耳率过大，在凸缘翻边时也会产生裂口，这是产生凸缘裂口的最重要原因 之一热交换主要通过翅片凸缘与铜管的紧密结合来进行，相当于铜管对铝箔 7 ”帅雏竹t ，l甄萋 凸缘有一个长期的加载载荷，如图1 - 5 ( b ) 所示，结合越紧密且接触面积越大， 越有利于铜管和铝箔翅片之间的热量传递。如果凸缘产生裂口直接影响凸缘与 铜管的紧密结合，在铜管和铝箔翅片之间产生一个热阻，降低热交换效率，如 果裂口量较大，严重时将造成空调的整机报废。因此要严格限制裂口数量和裂 口长度，而解决裂口的根本办法是提高铝箔的综合力学性能。另外，如果铝箔 的高低温性能不好和织构组合失衡，空调经过反复制冷和制热循环后，凸缘有 可能因热裂和冷脆而产生裂口，因此，研究翅片铝箔在高、低温下以及高、低 温循环处理后的力学性能、织构和各向异性就显得非常重要。 、领台凹陷和不清晰；如图1 - 5 ( a ) 中的d 点所示，铝箔强度不够、废屑 过得，模具严重磨损等都会造成此缺陷，该缺陷也会影响铜管与翅片之间的传 热，降低热交换效率。在设计热交换器时要求设定片形、片距及排列方式，当 加工产生不正常现象时，将导致热交换器的性能大大降低，影响热交换效率， 从而影响到空调的使用效果。解决办法；提高铝箔强度，修理磨具。 1 2 3 、翅片铝箔厚度与空调热交换性能 随着空调的进步，现代空调向着节省能量、节省空间、减轻重量、减少耗 材、降低成本、提高效率方向发展。 有人对同一台l 匹冷暖空调做过试验删，分别使用0 1 l m m 和0 1 0 m 厚 的铝箔做翅片热交换器时，其空调性能的测试见表卜3 从表1 - 3 可以看出， 用0 1 0 哪厚铝箔替代0 1 l m m 的铝箔，虽然只减少了0 0 1 m 厚度，不但节约 了1 0 的铝材成本，而且空调的制冷制热性能都有所提高。 表卜3同一台空调不同热交换器的空调性能测试结果 ；淤芝 饲冷制热 铝箔厚度能力w 电力能效比能力-电力v能效比 o 1 l m m 翅片 2 6 7 69 3 82 8 5 3 1 8 28 5 1 3 7 4 0 1 0 m m 翅片 2 6 7 09 3 02 8 73 2 1 2 8 4 5 3 8 1 2 4 、翅片铝箔的使用环境 在夏季炎热的时候，要求空调在室内制冷，室外的蒸发器散发热量，特别 是夏天环境温度高达4 0 c 以上，空调在室内持续制冷，室外蒸发器上散热铝箔 翅片持续散热后温度可高达1 0 0 ( 2 以上反之。在冬天寒冷的时候，要求空调 在室内制热，室外的蒸发器变成冷凝器而吸热，经过持续制热后，室外机的铝 8 第一童 绪论 箔翅片的温度可能比环境湿度还要 氐缮多。此时翅片间极易结霜冻冰，产生通 风阻力，影响热交换能力，所以要求空调具有除霜功能。此外，还要求翅片铝 箔能在- i o o y 至1 0 0 ( 2 之间不能产生冷脆和热裂“”，确保空调能正常运行，否 则就会降低热交换效果，影响空调的正常工作。 1 2 5 、翅片铝箔的亲水性 由于热交换器的铝箔翅片表面有进行显热( 分散热量) 和潜热( 吸收热量) 两方面的热交换，一般情况下，铝箔翅片表面温度比空气露点低，所以易凝结 空气中的水分。送冷风时室内热交换器吸燕，该冷凝承星串园形跗着在散热片 表面，或者在翅片之问塔成水桥，堵塞空气循环，使通风阻力增大，噪音增大， 有时导致水花飞溅，降低热交换效率。室内送暖风运转时的室外热交换器，冷 凝水以霜的形式附着在散热翅片的表面上，除霜时残留融解水变成冰块，不仅 增大通风阻力，而且导致暖风运转能力下降，也增大了酴霜时问两”。 在翅片之间形成的水桥有很大的危害性，生要表现在：在铝箔表面容易腐 蚀；增加风阻，加大能源消耗；缩短空调机的使用寿命等水气混合后易在铝 箔表面产生“自粉”，。自粉”的其形成机理如下胍删： 4 a l + 3 02 = 2 a 12 0 3 a l2 0 ，+ h ：o = a 1 t 0 3 h 2 0 自色“粉末”就是a 1 籼h 2 0 ，这种 “粉末”既破坏铝箔，也降低其热交换能 力，同时还污染环境，危害人们身体健康。 为解决上述问题，使附着在翅片表面 的冷凝水和除霜运转时的融解水能沿翅片 表面迅速流下来，日本住友公司在上世纪 9 0 年代开始研究对簸，要满足上述要求的 最好办法是运用无机材辩表面界面润湿特 性发展起来的铝箔表面涂膜技术表面涂 囤1 - 7 铝箔翅片上的水珠 膜分亲水性涂膜( 润湿角o 1 5 。) 和憎水性涂膜( 润湿角0 7 5 。) ，由于憎水 涂料品种少，且生产过程中设备投资多，生产技术难度大，涂料中大量的有机 溶裁易引起暴炫。凫殓性大。珏凌保护设蓝投入多，所以涂膜处理成本很大， 这种方祛很难在实际生产中推广运用。人们主要选择表面界面润湿角8 1 5 的亲水涂膜处理技术，这种方法的生产工艺过程相对简单，设备投资较省，生 9 产过程比较安全，生产技术容易掌握，容易推广应用，但其缺点是涂料固化温 度较高。亲水后水滴与翅片表面的初始接触角e 小于l o 。，如图卜7 所示。 亲水处理工艺流程：铝箔开卷一脱酯处理一烘干一涂耐蚀底层膜处理( 一 次涂膜) 一一次烘干固化一涂亲水膜处理( - - 次涂膜) 一二次烘干固化一收卷 一性能检测。 其烘干固化温度在2 0 0 2 4 5 c ，要求在亲水处理过程中不能改变铝箔的 综合力学性能。 翅片铝箔亲水处理后的主要技术指标要求嘲： ( 1 )膜厚 要求干膜重量：1 - 3 9 m 。 ( 2 )水接触角( 润湿角) 润湿角o 1 5 。，最好在1 2 。以内，并且要求亲水衰减性小，持续润湿角 o 2 5 。，冷热干湿环境处理后润湿角o 3 0 。并稳定下去。 ( 3 )耐腐蚀性 盐水或醋酸喷雾2 0 0 - 5 0 0 小时试验后，不腐蚀。 ( 4 )附着力 强力粘胶试验不剥落。 ( 5 )耐热性 3 5 0 c 加热保温8 小时，涂膜颜色微变黄。 ( 6 )耐油性 润滑油中浸泡无起泡和剥落。 ( 7 )耐酸碱性 在2 0 n a o h 溶液中和在i o h c i 溶液中浸泡2 小时，涂膜无变化。 1 2 6 、翅片铝箔的耐蚀性要求 室内热交换器的铝箔翅片表面，在制冷运行状态时冷凝水处于湿润状态， 而停机时处于干燥状态，在于湿状态交替作用下，尤其是在翅片间的水桥作用 下而形成微电池原理，导致铝箔发生腐蚀，在翅片表面生成l i g p c a a l 石和勃姆 石等组成的水和氧化物层，由于干燥产生泥裂脱落，当空调再次使用时，被风 吹成飞散的白色粉末进入室内空气里，污染环境，有害身体健康。 第一1 舅瞎鲁 两室外热交换器，在海岸地区有海盐粒子引起的翅片腐蚀问题，特别是在热 带海洋地区，由于铜管与翅片凹缘紧密处类似个微电池，因此极易在铜管与翅 片接触处发生严重腐蚀，甚至出现翅片脱落。近年来，由于环境恶化严重，大气 严重污染，因酸雨引发的翅片腐蚀也日益严重。因此，翅片铝箔的抗腐蚀性成为 亟待解决的问题，其解决，办法除了在选材上选择抗腐蚀性的合金外，还可在合金 中添加一些抗腐蚀的合金元素如等，也可对表面进行防腐蚀涂层处理。 1 2 7 、其它性能 在制造热交换器的过程中，有涂层的翅片要经过冲压成形，胀管、弯曲、 装配、溶剂脱脂清洗和钎焊等工序，因此，翅片铝箔还应具有耐冲压润滑油性， 对模具的不磨损性，耐溶解性等。 综上所述，对翅片铝箔性能的要求归纳为： ， a ) 既要求翅片铝箔具有高强度，又要求翅片铝箔高塑性、高的深冲性 和低的各向异性，这些要求是相互矛盾的； b ) 胀管过程中不发生叠片； c ) 热交换器压弯时不倒片； d ) 生产使用过程中抗磕碰； e ) 良好的耐候性、耐酸碱性和优良的抗腐蚀性。 空调翅片铝箔的生产技术难度在于：一是铝箔的抗拉强度要高，同时要求 强度的波动范围尽可能她b , 因为强度波动过大，易造成翅片? 申专9 过程中出现 切片难断筋、凸缘裂口或箔带断带等现象，降低翅片质量，造成冲制过程中停 机，影响生产效率，因此，高速冲制翅片时都要求强度波动尽可能小。二是保 证强度高的同时，伸长率要尽可能地高，翅片破片率与铝箔伸长率的关系与图 i - 6 是一致的，从图中可见，当律长率低子铺。破片率将大大增掘；丽抗拉强 度和伸长率是一对矛盾，提高强度就会减小伸长率，要求强度和伸长率都高( 本 文称“双高”) 就要求在技术上有所突破。三是很好的深冲性能( 杯突值越高 深冲性能越好) 和较小的各向异性，而深冲性能不仅与力学性能有关，而且也 与织构和各向异性有关，也就是说要求铝箔具有很高的综合性能。此外。还有 板面平直度，表面亲水性，严格的尺寸公差特别是厚度公差应控制在2 p r o , 良好的加工性能等因素1 西弼。空调用翅片铝箔的生产技术水平直接代表了深 冲类铝箔的生产技术水平。 1 3 、翅片铝箔的制备技术及研究状况 1 3 1 、翅片铝箔的制备技术 热交换器用翅片铝箔的生产工艺流程有两种呱“”4 4 抵蜘：一种是热轧 ( h o t - r o l l i n g ) 工艺路线，其流程是： 配料一熔炼一静置处理一在线除气除渣处理一在线细化一铸造成扁锭坯一 铸锭均匀化一铣面一加热一热粗轧开坯一热精轧( 热连轧) 一中间退火一冷轧一 箔轧一分切一最终热处理一亲水涂层处理一验收入库。 另一种是双辊连续轧制铸造( t w i n - r o l lc a s t i n g ) 工艺，也称连铸连轧工 艺( 简称铸轧) 路线。其工艺流程是： 配料一熔炼一静置处理一在线除气除渣处理一在线细化处理一铸轧一坯料 均匀化一冷轧一箔轧一分切一最终热处理一亲水处理一验收入库。 热轧法生产工艺经过国内外多年的研究和不断改进，工艺技术目臻完善，传 统的1 0 6 0 、1 0 5 0 、1 1 0 0 、1 2 0 0 、8 0 0 6 等纯铝系列的翅片铝箔，绝大部分采用热 轧工艺生产。在几年以前，翅片铝箔几乎都是采用热轧工艺生产。热轧工艺路线 较长，其生产周期长，成本比铸轧几乎高一倍。但铝箔的力学性能比较稳定，且 深冲性很好，可满足早期翅片冲床对铝箔高深冲性能的要求，经过多年的研究和 完善，热轧工艺和产品比较成熟。由于铸轧工艺发展相对滞后，因此国外生产翅 片铝箔的工艺路线基本上全部采用热轧。与熟轧工艺相比，铸轧工艺具有投资省、 效率高、成本低的优点。美国h u n t e r 工程公司研究了热轧与铸轧投资和生产成 本的优缺点：生产同样产品铸轧法与热轧法相比可节能4 8 麟，铝加工装备初始 投资仅为热轧的1 0 1 5 ，年吨铝材产能投资仅为热轧法的4 0 4 雕，铸轧法的 综合加工成本比热轧法低3 0 - 5 0 。我国现有用于铝板带铸轧的双辊铸轧机2 4 0 台 以上，是全世界总和( 中国除外) 的两倍。板坯生产能力达2 0 0 万吨年以上， 铸轧供坯比例超过5 0 9 6 ，在国际上，特别是铝加工发达国家，其铸轧供坯能力不 足2 0 9 i 。另一方面，铸轧法在连铸连轧过程中，由于冷却速度远快于热轧用半连 续铸造的大板锭，加之结晶过程有变形。所以其板材的强度比热轧高1 0 - 1 5 ，硬 度高1 0 - 2 0 ，且伸长率相近，还正符合翅片铝箔高强化的趋判隗伽 1 3 2 、国外翅片铝箔现有技术水平 日本的空调用翅片铝箔研究、开发和生产技术水平代表着世界领先水平，其 次是以意大利为代表的欧美国家。国外翅片铝箔的生产工艺大多采用热轧工艺。 热轧工艺生产翅片铝箔的关键技术在于铝合金成分控制、铸锭均匀化处理、坯 料中间热处理和最终成品热处型1 6 , 7 陌- 2 7 , 3 4 - 3 5 ；4 2 , 5 3 , 7 5 9 9 由于近年来翅片铝箔最后 要进行亲水涂层处理，因此选择的翅片铝箔用合金，其再结晶温度要高，确保 最终热处理的温度高于亲水涂层固化的最高温度，否则在亲水处理过程中翅片 第一 簧竹仑 铝箔的性能将发生变化。住友轻合金公司研究和生产的i v i f 0 3 h 2 6 、f k 0 3 h 2 6 、 f m 0 2 i - l 2 6 等翅片铝箔，主要用于翅片减薄冲制和拉伸减薄混用方式。而日本 神户制钢生产的k s l1 0 0 - o 状态、h 2 2 、h 2 4 和k s l 2 0 0 h 2 6 等翅片铝箔主要用 于翅片拉拨或减薄冲制方式。8 0 1 1 和8 0 0 6 h 2 2 、h 2 4 状态主要是欧美国家采 用的翅片铝箔材料。 表1 - 4日本和欧盟部分翅片铝箔的合金成分( 样品分析值) ( w t ) 、全金元素 状态 s if ec uz nt i l 合金牌亨 o 、h 2 2 和 k s l l 0 0 h 2 4 0 1 6o 6 1o 1 50 0 0 90 0 1 20 0 1 7b a l k s l 2 0 01 1 2 6 o 1 o 7 0 0 10 0 0 8 o 1 10 0 2 4b a l m f 0 3n 2 6 0 0 8 o 1 7 0 0 5o 2 3 0 1 20 0 3 2b a l f k 0 3h 2 6o 0 9o 2 9o 10 0 0 9红n 1 10 0 3 4b a l f m 0 2b 2 60 0 8o 1 40 0 50 1 10 0 3 4b a l 8 0 1 1 ( 欧美) 1 t 2 2 、h 2 4 0 6o 70 10 0 0 8 0 1 00 0 3 5 b a l 8 0 0 6 ( 欧美) 1 1 2 2 、h 2 4 0 2 51 2 5o 30 0 1 0 0 1 00 0 3 3b a l 注：除最后两栏为欧美国家使用的翅片铝箔合金及状态，其余为日本所使用 表卜5日本部分翅片铝箔的力学性能n 矧 、盒金元素 翅片成厚度m 屈服强度 抗拉强度 合金捩态、型方式a o j m p ao m v a 5 膈l i t 1 1 0 0 - 帕o 3 3 5 9 s 4 01 0 5 1 0 5 0 - 2 4拉拨o 1 5 1 1 5 1 2 5 2 67 1 3 5 0 _ _ 0成型0 1 1 5 4 2 1 0 5 3 5 9 8 1 2 0 0 h 2 2 o 1 55 “1 2 0 1 1 0 1 3 0 2 0 6 0 - h 2 4 1 1 2 1 2 5 , - - 1 4 5 1 5 5 5 m f 0 3 h 2 6 减薄成 0 0 9 5 0 - 0 1 1 51 2 0 1 5 01 2 5 - 1 5 5 1 0 5 o 型或拉 i o , 1 6 0 或1 1 8 3 0 - h 2 6拨和减0 1 - o 1 1 5 1 2 5 1 5 5 8 5 o 薄混合 8 13 5 0 h 2 6 成型 1 3 1 6 0 1 2 5 o 日本和欧美国家的翅片铝箔在合金选择、合金成分控制等都有较大区别， 日本翅片铝箔的品种多，对合金成分控制严格，对不同用户需求进行专门合金 设计。注重个体需求。表l - 5 是日本空调用翅片铝箔的力学性能，表1 - 6 是欧 美国家空调用翅片铝箔的力学性能，对比两表可以看出：日本对翅片铝箔力学 性能要求进行了细分，特别是减薄成型或混合成型用h 2 6 状态翅片铝箔，规定 了屈服强度和抗拉强度( 抗拉强度) 波动的上下限，而且波动范围极小只有2 0 3 0 m p a ：而欧美国家空调用翅片铝箔力学性能的要求，只规定了屈服强度的下 限，对抗拉强度也规定了上下限，但波动范围达4 0 5 0 m p a ，综合力学性能要 求较高。h 2 6 状态翅片铝箔的退火温度正好处在退火温度力学性能曲线最敏 感的拐点上，微小温度波动就会引起力学性能的较大波动，因此在工业化大生 产过程中，抗拉强度的波动最难控制。因而波动范围越小，生产难度越大，对 装备和生产工艺技术水平的要求越高，由此可见，日本对翅片铝箔的要求比欧 美要严格得多。 表1 - 6 欧美部分翅片铝箔的力学性能【1 6 , 2 工5 牾】 五黎耋 厚度m m 屈服强度抗拉强度 f r 0 2 ，m p ao b a 6 8 0 l l i t 2 2 7 59 1 5 0 2 0 h 2 4 o 0 8 0 2 0 1 0 01 2 0 1 7 0 1 5 8 0 0 6 1 ：1 2 2 7 01 1 0 1 5 0 2 5 - 1 2 4 9 01 2 0 1 6 0 2 0 1 3 3 、国内翅片铝箔的现有技术水平 1 9 9 2 1 9 9 5 年，本文作者参加了我国最大的铝加工企业一西南铝加工厂开 发我国第一批翅片铝箔，其合金状态为k 。姬，厚度为0 1 5 m ，随后又开发了 l s - y o 2 、i - 1 2 4 、1 - 1 2 6 和i l l 9 等状态，并且获得中国有色金属工业总公司科技进步 三等奖聊1 ；后来又开发了新的合金状态如8 0 1 1 h 2 6 等多个品种的翅片铝箔 9 9 - 1 0 0 1 9 9 7 年我国空调产量和翅片用铝箔消耗量首次超过日本，成为世界空 调第一生产大国，也成为翅片铝箔第一消耗大国。由于技术水平所限，那时所 用翅片铝箔主要靠进口。随着技术水平的不断提高和铝箔加工装备的不断完 善，到目前为止，国产翅片铝箔占绝大部分，仅少量技术水平要求较高的翅片 铝箔还需要进口 国内初期的翅片铝箔几乎都采用热轧工艺生产，主要依靠西南铝加工厂和 东北轻合金加工厂两家供应，后来由于空调生产企业快速增加和翅片铝箔市场 成长较快，对铝箔需求量大大增加，加之降低成本的需要，华北铝业有限公司 采用铸轧工艺开发了以m 嘶合金为代表的翅片铝箔，并首先采用铸轧坯料生产 空调用翅片铝箔。随后一大批中小企业加入了空调用翅片铝箔的生产行业中 表1 - 7 是国内行业翅片铝箔专用标准y s t 9 5 - 1 9 9 6 规定的力学性能值。与 1 4 第叫t绪论 表1 巧和i - 6 比较可见，国内翅片铝箔对力学性能的要求不如欧美国家，与日 本相比差距更大，特别对描述深冲性能的伸长率和杯突值的要求比日本低得 多，并且没有要求屈服强度。更重要的是在翅片铝箔实际生产过程中存在许多 问题，翅片铝箔的生产厂家除了2 4 家大型铝加工厂的装备较先进，生产手段 鞍齐全外，很多小型铝加工厂装备落后，缺少检测手段，因恧生产的翅片铝箔 问题更多。特别是对于h 2 2 、1 1 2 4 和h 2 6 状态的翅片铝箔，生产难度大，退火 温度处在退火曲线的拐点上，退火温度范围很窄，在工业生产的退火炉装备要 求较高炉内温差3 ，炉子控温精度0 5 ，每批铝箔退火前都要事先进 行小试验，根据小试验结果才能进行工业生产，琢使这样退火过程中也常出现 批量报废。 。 表1 - 7 国内翅片铝箔专用标准y s t 9 5 - 1 9 9 6 规定的力学性能阻卿 合金元素抗拉强度 合金状态 供货状态厚度m a b ， d p a 6 ， f i r 1 0 6 0 ，1 0 5 0 ，00 1 加2 7 5 1 45 5 1 2 3 5 、1 1 4 5h 2 4 9 0 2 6 4 1 1 0 0o o 1 j 吼28 札1 0 5 1 6 6 。 1 2 0 0h 2 2 0 i , - 0 1 5 9 5 1 3 0 1 3 4 8 0 1 1h 2 4 1 1 0 1 4 0 l o 3 5 h 2 61 2 0 1 6 0 6 3 o 1 3 4 、 国内外对翅片铝箔及其机理的研究 ( 1 ) 合金元素及其作用 日本的y s a t o h 研究了s i 沉淀物易引起铸轧铝箔的拉伸断裂渊。王强松研究 了锰含量对8 0 1 1 铸轧空调铝箔性能的影响嘲，他认为锰含量可提高8 0 1 1 空调铝 箔最终退火再结晶温度，显著细化再结晶颗粒，但屈服强度降低。王学峰等人嘲 认为蜘可以提高1 1 3 3 0 1 1 2 6 空调铝箔的工艺和性能，并通过蚍1 弥散质点阻碍最 终退火过程的再结晶晶粒长大。潘青林等人嘲认为：微量妇可阻止铝合金热加工 过程中的再结晶，并使铝合金获得较好的强塑性配合。刘楚明等人嘲认为：f e 的 存在减少再结晶中的立方织构。文献嘛栅认为：控制f e s i 比可细化晶粒，要控制 f e s i 3 时，翅片铝箔中的第二相分布均匀、弥散，当f e s i 1 5 03 - 93 5 0 - 5 0 开裂 2 7 0 3 5 0 方案2 1 4 2 - 1 4 81 2 1 - 1 2 71 2 1 65 7 0 - 6 2 优良 2 6 0 3 4 0 方案3 1 2 7 - 1 3 51 1 5 - 1 2 58 o - 1 35 1 - 5 6 倒片 2 1 0 2 8 0 方案4 1 2 2 1 1 26 o - 1 14 1 - 5 3开熬饲片1 9 5 2 3 5 从四种不同化学成分的综合性能和使用情况来看，在加工工艺完全相同的情 况下，第二种试验方案结果最佳，性能指标匹配较好，能满足空调箔性能要求。由 此可见，方案2 的合金较优。a 1 0 2 m n o 3 f e 合金优化后的成份如表1 - 1 1 所示。 表1 - 1 1a 1 0 2 m n 0 3 f e 翅片铝箔化学成份 i 合金元素 f es it i 珏c ua 1 l 含量( i i t o n 1 7 电2 4m 2 6 - - 0 3 5m0 s - n 1 5 也o 卜n l 也1 n 1 q 1余量 其内控成分每种合金元素的波动在0 0 5 以内 作者研究开发”蚓的m o 2 n o 3 f e 一1 t 2 6 状态翅片铝箔厚度可薄至 0 0 9 5 m ，在室温下的力学性能是：抗拉强度o - ：1 3 4 1 4 2 m p a ，屈服强度o 删 1 2 5 1 3 4 m p a ，伸长率6 ：1 2 8 1 5 6 ，杯突值趾为：5 7 5 5 9 6 m ；对照 表1 - 7 可以看出，与传统纯铝系列翅片铝箔1 t 2 6 状态的性能( 抗拉强度o - ：1 2 0 1 6 0 k i p a ，伸长率6 6 ，杯突值陆3 o 哪) 要求相比大大提高，特别是与深冲 性能密切相关的伸长率和杯突值相比要高出很多，具有良好的综合力学性能， 能满足拉伸减薄混合法和e c o 法等高速冲制工艺要求。另外，该合金的再结晶 温度较高，可确保h 2 6 状态的最终退火温度亲水处理过程涂料的最高固化温 度( 2 4 5 ) ，有利于亲水处理过程中的性能稳定。目前重庆银鸿铝业有限公司 每月生产该合金铝箔超过5 0 0 吨，实现了批量化生产，深受客户欢迎。 但是我们在实际生产过程中发现：退火后a i o 2 - l n 0 3 f e - h 2 6 状态翅片铝 箔有时出现晶粒异常粗大，强度和伸长率偏低，深冲性能较低等现象，偶尔因 性能不合格出现整炉报废现象等问题。归纳起来有两个方面的问题：、h 2 6 状态箔材最终退火温度波动较大，造成铝箔力学性能和各向异性波动较大，给 工业化生产带来困难；、退火过程和亲水处理过程中都容易造成翅片铝箔的 第一章 绪论 晶粒粗大，有时同批铝箔性能不均匀，甚至在同张铝箔小范围内局部性能不合 格，造成翅片铝箔在冲制过程中易开裂，影响铝箔冲制过程的连续生产。此外， 所有翅片铝箔存在共同缺点：不同地域、不同季节、不同厂家测试同一翅片铝 箔的力学性能有较大差异，由此引发诸多商业纠纷，造成较大经济损失。 我们从a l o 2 1 4 n 0 3 f e 翅片铝箔的工艺流程来分析上述问题产生的原因： 圆一圜一豳一圆一圈一圆一匦一 一陵终热处到一陪水处到一险硎一i 包割一队剧 影响a i o 2 k l n o 3 f e 翅片铝箔力学性能和深冲性能的因素很多，包括化学 成分，晶粒组织和形状，第二相的大小、形貌和分布，织构和各向异性等因素， 而这些因素又受到整个生产过程工艺( 包括技术和参数) 的影响。其中生产过 程中最重要的两大关键技术是铸轧坯科的均匀化处理和最终热处理过程，这是 决定产品最终性能的关键过程。本文认为这两个过程中翅片铝箔性能和组织的 变化机理没有完全弄清楚，才造成在实际中力学性能时而很好，时而又不合格。 另一方面，由于翅片铝箔长期处于高低温交变的恶劣工作环境中，空调的制冷 制热性能衰减较快，这种忽高忽低变化的工况温度可能对翅片铝箔的各种性能 和组织造成破坏。翅片铝箔在高低温状态下的力学性能、组织、第二相大小、 形貌和分布方砸究竟有什么变化2 要弄清并解决上述问题，就需要对新型合金 1 0 2 m n o 。3 f e - h 2 6 状态翅片铝箔进行机理研究。 研究a 1 0 2 m n o 3 f e 翅片铝箔铸轧板坯均匀化处理过程中第二相交化规 律，以及最终热处理过程中和高低温下的组织、织构、力学性能和各向异性的 变化规律和机理，不仅具有较大的学术意义，而且具有重要的工程意义，对解 决 i 0 2 1 4 n 0 3 f e 翅片铝箔生产过程中的技术和产品质量问题，推动其产业化， 提高铸轧铝板带箔的生产技术水平都具有重要的现实意义。 1 4 4 、研究目的和内容 本文以新型高性能 i 0 2 1 l n o 3 f e - h 2 6 状态翅片铝箔为研究对象，重点研 究热处理过程和高低温下该箔材的性能、组织、织构和各向异性的变化规律及 其机理，为翅片铝箔生产技术水平的进一步提高提供理论依据主要研究的内 容如下： 1 ) ，铸轧坯料均匀化过程中的组织变化规律研究 a i o 2 1 t n o 3 f e 合金在铸轧过程中容易在晶内形成、f e 过饱和固溶体、 成分偏析、区域偏析和粗大a l l r i f e 金属间化合物，以及过饱和内应力等。而 这些化合物属斜方晶系。一般都呈针状、棒状、枝晶状等形貌，棱角等部位比 较尖锐，在后续冷轧和热处理中难以改变这种形貌，它破坏铝箔的综合力学性 能。均匀化处理的主要目的就是消除这种非平衡组织，在改善铸轧铝板带的组 织和性能方面有着不可替代的作用。合金成分不同，均匀化温度和保温时间有 很大的区别，因此很有必要对a i o 2 m n o 3 f e 铸轧板坯在均匀化过程前后第二 相的析出和固溶情况以及第二相形貌、大小和分布等的变化规律进行研究。 2 ) 、最终退火过程中的性能和组织变化规律研究 a d o 2 k l n o 3 f e 是属于不可热处理强化铝合金，最终性能主要通过两种方式 来获得，一种途径是在充分冷变形后通过不同程度的退火软化来获得所需性 能；第二种途径是，通过不同程度的冷变形量来控制性能。由于1 - 1 2 6 状态的最 终退火温度处在退火温度一力学性能曲线的拐点上，不同合金退火温度不同， 退火温度有效范围也不同，且退火温度极为敏感，很难控制，这是实际生产中 最容易出问题的工序，常常造成铝箔批量报废。因此，研究翅片铝箔经冷变形 后最终退火过程中的力学性能、组织、织构和各向异性的变化规律和机理是本 文的核心部分，研究成果有重要的现实意义。 3 ) 、 1 0 2 m n o 3 f e 铝箔高低温性能研究 铝箔的性能和组织对温度比较敏感，因此翅片铝箔在不同温度下的力学性 能与室温下不同。国内外现有铝合金标准只提供了室温( 2 0 2 5 ) 下的力 学性能，但是，不同地方、不同季节温差很大，据作者对亲水空调铝箔的研究， 因我国南北冬夏温差较大，同一材料不同地方所测试的性能会有很大差异田。 所以研究翅片铝箔在不同温度的力学性能变化规律，为翅片铝箔生产工艺制定 和商业活动提供理论指导，同时通过对铝舍金高低温性能的研究，建立不同合 金、状态的温度与力学性能的关系曲线或数学模型，为制定铝合金不同测试温 度下力学性能标准提供基础数据和理论依据。 i 4 5 、技术路线 技术路线详见图1 - 1 0 。 第一章翻啼每 圃 1 匿圃 工 图卜1 0 技术路线 参考文献 【1 】刘正生家用电器发展史t 的最早发明【j 】世；陂明，2 0 0 0 ，( 4 ) ：2 9 - 3 0 2 】青禾美昭( 日) 空蝴斋眭能小型热交换器自归院 j 】机电淡雏1 9 9 0 ，：2 8 - 3 1 【3 】c c 飘b n 吕w s 工熙，w r j s l h 蜒吐a m p a l i s o f m e 面殖d c p e l 蠡m i l 撇。册b 慨螂缸嘣c 0 删晒釉砌w 胁t 坶姗硎蝴姆糊 凰瞰n a i 勘疵霞面韶0 0 盟1 2 0 ) 2 蚴 【4 】j 腼i u 撇c h b c 向s 妇缸i 舢驰拗姆d f a 城c 脾。衄叮o f d d 蚰谢曲堍h e a t 甑d l m g 郾、) l 姐d 嘶n 吐坶血l t 皿c c 0 蕊 卿l 处滩r a e 面璐a d 蚴l ，1 0 7 ：2 6 8 - 2 7 0 【5 1 宴d 兴洲家用空调器空调管和空调箔【j 】有色套属加工。1 9 9 6 ，2 3 ( 1 ) ：2 6 - 2 8 【6 】涂光锭朱恒忠，关旭空调用表面换热器的评价方法及对国产设备的评价【j 1 流体 工程1 9 9 0 ( 2 ) ：3 9 - 4 2 【7 】耿惠彬用凹坑管提高空调用热交换器的性能i f 制冷空调技术，2 0 0 1 ，( 1 ) ：3 9 - - 4 6 【8 】邓明又孟晦空调器室内热交换器结构的研究【j 】家用电器科| 陡，2 0 0 1 ，回：7 2 - 7 4 i 【9 】奔辉，陈旭田杰热交换器布置方式对家用空调器噪声影响的理论分析【j 】流体机 械2 0 0 3 ，3 1 忉：4 3 - 4 6 【1 0 】石建中空调用空气一水热交换器最佳结构参数的确定口】武汉科技学院学 抿2 0 0 3 ，1 6 ( 3 ) ：6 8 - 7 0 【1 1 】i _ l 越嗡s 蹦畸y i h d x 咄d d 鼬l d y o f 蟹商阻曲u 咖e 鲻峋g 丘0 m b 艘耐 曲删自血n m 疵蒯s 删缸l l e 缸既c b 卸硎m 疵渤l s s c i a n d b 喧自或莉唱 a , 2 0 0 5 ，( 4 1 3 - 4 1 4 ) 3 1 7 - 3 2 1 【1 2 】蒋显垒张秀铱复台钎焊铝箔l q 3 1 的威品包覆辱与原始包覆率的关系 j j 轻舍佥 加工技术，2 0 0 0 ，2 8 圆：1 2 1 5 【1 3 】c r a r d a m a 删c - c i n g a r a , t 嘛1 kr n i a 【髓u 咖e 例0 h 五i m d l i n g k 豳9 0 f 赳血功蛐胍矾o y s 细砌咖碰v e 叩! 曲咖唧删d m 哟! 1 0 鹛1 帆3 4 圆：5 6 - 7 0 【1 4 】e d c b r a t 虹a s t u d y o f l h e 船d i 越吐l 】耐舒曲锄寥w 岫缸a 蛐向l 。d _ 劬n 啕出骺如啦卿 h e a t t n m s f e r 删, 2 1 5 5 - 6 4 【1 5 】清谷康明( e 1 ) 空调器热交换器用铝翅片材开发现状【j 】住友轻佥罱技拓。1 9 9 4 3 5 ( 1 2 ) ：1 - 1 5 【1 6 】管连他空调铝箔威夥陆研究及翅片冲压缺陷分析唧长犹中南大我2 0 0 2 1 7 】崔国栋空调器散热片铝箔的开发与质量控制【j 】家用电嚣科i 曳2 0 0 0 ( 1 1 ) ：4 9 - 5 2 i s 】k i d ota , s a t oy b k 曲妇yt h ee f f e c to fs h e e tc 岫, e d a i c so nd i 剐嘲呷蛐谢o f a l u m i n i u m 血h 位h e a t 既出吲o f l 0 0 0 1 斑c o r 蚓j 如珊n a lo f j a p a nt m i t u t eo f i j 班m 由晦2 0 吆5 0 圆：弭6 9 【1 9 蒋显佥李宁张伟等高性能翅片铝箔3 1 0 2 1 - 1 2 6 的耐楱陆研究【j 】轻合金加工技 术2 0 0 6 3 4 ( 4 l4 2 - 4 6 2 0 1 丰濑喜久郎热交换器用铝散热器材嗍日本昭6 0 - 1 0 3 1 9 1 。1 9 8 5 ，6 2 1 】l d e r d s 蝴妇咣d a l l k e f 融0 f a 嗍妇l 矾a n d 嘲疵0 0 缅g m 第一簟 绪论 t h ed 即机) d 均删b c 蛔i 厦o f8 0 0 6a n d8 0 7 9 细衄面面m 俎o y s p n d 拶瞬i n0 四面 c 0 醯晶2 0 嗽蛳1 5 3 - l m 【2 2 1h r l 岛m 腿s i 】由c l 蘧l a i 屿血o f 鲫蠡o e 聃l g l n 璐0 f