（材料加工工程专业论文）汽车热交换器用钎焊铝箔的组织与性能.pdf

摘竖 摘要 近年来由于全球范围的能源危机和环境危机，汽车的轻量化已经成为全1 t t 界范嗣内汽 车：i ：业发展的基本趋势。汽车热交换器作为汽车，【：作部件长期以来一直采用铜箔来生产。而 用钎焊铝箔制造的汽车热交换器的重鼙可减少2 0 4 0 ，并且由于铝的价格比铜低，因此 汽车热交换器的铝化不但可以减轻汽车自重，而且还能降低生产成本。在发达国家汽车热交 换器的铝化率已经相当的普及而在我国才刚起步。因此生产出高质量低成本的汽车热交换 嚣用钎焊铝箔就具有重要的意义 汽车热交换器的加工工艺和工作环境要求焊铝箔必须具有适合的强度，良好的抗下垂性 和导热性能。本文通过分析现有产品3 2 0 3 的组织和性能，得到提高钎焊铝箔性能的组织控 制要素。研究了f e ，s i 、m n 等元素对铸锭组织和性能的影响，中间退火工艺以及成品退火 对材料组织和性能的影响，开发生产出了高质量的汽车热交换器用钎焊铝箔3 2 0 9 。实验结 果表明： 大品粒和细小弥散分布的第二相化合物颗粒有利于钎焊铝箔性能的提高。当f e 含量控 制在0 3 附近，s i 含量控制在1 0 0 , 6 附近，m n 含量控制在1 5 2 o 时合金的铸态组织中 第二相化合物以骨骼状的a ( a l ( f e m n ) s i ) 相为主具有良好的力学性能。半成品箔材在3 2 0 c 中间退火2 小时即发生完全再结晶，且具有大晶粒组织；提高退火温度晶粒尺寸变小，材料 的强度和硬度升高；随着退火时间的延长，铝箔晶粒尺寸和力学性能未有显著变化；在中温 退火，材料内发生了o ( a i ( f e m n ) s i ) 相的析出，以及富辅的p ( a i ( f c m n ) s i ) 相向贫s i 的 a ( a l ( f e m n ) s i ) 相的转变过程。冷轧至h 1 4 状态的成品箔经过中温成品退火后。材料内部亚 晶和位错结构消失，析出大量弥散分布的第二相颗粒，抗下垂性显著提高。新开发出的产品 3 7 _ , 0 9 在成品态( h 1 4 状态) 的抗拉强度达到了1 9 0 m p a 。电导率为5 i 认c s ，6 0 5 保温三 分钟后下垂距离为2 3 r a m 。 关键词：钎焊铝箔，a i m n f e s i ，抗下垂性，中间退火，成品退火，微观组织 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg r o w i n gd e m a n df o rm o r ef u e l - e f f i c i e n tv e h i c l e st or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n d p o l l u t i o ni sac h a l l e n g ef o rt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y a so d eo ft h em a j o ra u t o m o b i l ec o m p o n e n t s ， h e a te x c h a n g e rw a so n c em a d eo fc o o p e r a l u m i n u ma l l o y sh a v eh i 曲t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , c o m p a r e dt oc o o p e r , t h e yh a v el o w e rd e n s i t ya n dl o w e rc o s t s ot h e ya r ec o n s i d e r e dt ob et h ei d e a l c a n d i d a t et or e p l a c ec o o p e ri nh e a te x c h a n g e r i nf a c t , a l u m i n u ma l l o y sa r ew i d e l yu s e df o r m a k i n gh e a te x c h a n g e ri nd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，b u tt h e ya r ef l e wi nc h i n a i t sm e a n i n g f u lt om a k e a l u m i n u mf o i lw i t hh i g hq u a l i t ya n dl o wc o s t u s u a l l yt h eh e a te x c h a n g e r sa t em a n u f a c t u r e du s i n gb r a z i n gm e t h o d ，w h i c hr e q u i r e st h e a l u m i n u mf o i lh a st h es u p e r i o rs a g g i n gr e s i s t a n c ei no r d e rt op r o t e c tt h eh e a te x c h a n g e r s d e f o r m a t i o nd u r i n gt h eb r a z i n gp r o c e s s t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n tr e q u i r e st h ea l u m i n u mf o i l s h o u l dh a v eg o o dt e n s i l es t r e n g t ha n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ep r e s e n t c o m m e r c i a lp t o d u c l3 2 0 3a l u m i n u ma l l o y sf o i l ，t h ee f f e c to ff e ，s i ，m nc o n t e n to nt h e3 x x x s e r i e s a l l o y sw a ss t u d i e d t h e e f f e c to fi n t e r m e d i a t ea n n e a l i n ga n df i n a la n n e a l i n gw 船 i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e d i s p e r s i o n i n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d s a n dc o a r s e n s r e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns t r u c t u r ea r ei m p o r t a n tf a c t o r sf o ro b t a i n i n ga no p t i m u mb r a z i n gf o i l t h e c o n s t i t u e n t sf o r m e dd u r i n gc a s t i n go ff e 一0 3 ，s i 1 o ，m n - i 5 2 o a l u m i n u ma u o s sa l e m a i n l ya ( a l ( f e m n ) s i ) ；a l u m i n u ms h e e ti n t e r m e d i a t ea n n e a l i n ga t3 2 0 ( 2k e p t2 hh a sac o a r s e n t e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns t r u c t u r e ，w i t ht h ei n t e r m e d i a t ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e dt h eg r a i n s i z eb e c o m es m a l l e r , t h et e n s i l es t r e n g t ha n dh vi n c r e a s e d ；w i t ht h ei n t e r m e d i a t ea n n e a l i n gt i m e i n c r e a s e dt h e g r i ns i z ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd i d r i o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y , a n dt h e t r a n s f o r m a t i o no fp ( a i ( f e m n ) s i ) t oa ( a l ( f e m n ) s i ) o c c u r s a f t e rf i n a la n n e a l i n gt h es a g g i n g r e s i s t a n c ee n h a n c e d t h en e wp r o d u c t3 2 0 9d e v e l o p e dh e r eh a sat e n s i l es t r e n g t ho f19 0 m p a ； e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f 51 i a c s ；a f t e r6 0 5 ( 2f o r3 m i r i - s a g g i n gd i s t a n c ei s2 3 m r n k e yw o r d s ：b r a z i n gf o i l ；a i m n - - f e - s i ；s a g g i n gr e s i s t a n c e ；i n t e r m e d i a t ea n n e a l i n g ；f i n a l a n n e a l i n g ；m i c r o s t r u c t u r e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材科。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ， 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 亚日 期：a 阳舌王 东南人学坝j j 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 新材料的开发利用与人类文明的进步密切相关，尤其是现代r 业的发展对材料的性能提 出了更高的要求。铝加l ：业是世界j ：业化过程中最具成k 性的产业之一，具有很强的产业关 联性，上游影响交通运输、采矿、酎火材料等产业，下游影响建筑、汽车、造船、金属制品、 机械电子等行业。长期以来铝加工业一直是工业化国家最重要的支柱性产业。 近年来随着汽车工业的迅速发展，以及汽车轻量化的要求，越来越多的汽车零部件开 始采用铝台金材料，铝合金及其加工材料由于具有一系列优良特性，诸如密度小、比强度和 比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好 的加工成型性以及高的回收再生性等，因此在工程领域内铝一直被认为是“机会金属”或岬寺 望金属”，铝工业一直被认为是“朝阳工业”。早期，由于铝的价格昂贵，在汽油既充足又便 宜的时代，它被排斥在汽车工业和其它相关制造行业之外。但是，至1 j1 9 7 3 年，由于石油危机 的影响，这种观点完全改变了。为了节约能源，减轻汽车自重成为汽车工业发展重要方向之 一，铝合金材料才得以迅速地进入汽车领域。目前，汽车零部件的铝合金化程度正在与日俱 增。铝合金材料大量用于汽车工业，无论从汽车制造、汽车运营、废旧汽车回收等方面考虑， 它都带来巨大的经济效益和社会效益。而且随着汽车产量和社会保有量的增加，这种效益将 更加明显1 1 4 1 。 在铝合金加工业中，铝带板箔材的产品水平代表了一个国家铝加工业的技术水平。我国 现已成为铝带板箔的生产与消费大国，年产近6 0 万吨，仅次于美国。但是与我国的钢铁工业 相似，是生产大国却不是技术强国，每年仍需进口大量的高档铝带板箔，特别是用于汽车热 交换器的钎焊铝箔仍需大量进口p , - 6 1 。 在现代工业生产条件下，铝箔的生产技术发展迅速，铝箔厚度趋向于越来越薄，认识原 始材料合金成分，后续形变加工条件及热处理工艺对钎焊铝箔性能和组织的影响就具有重要 的理论和实际意义1 7 - 1 6 1 1 1 铝箔的生产工艺m 町 铝箔是以压力加工方式生产出的厚度为0 2 0 0 0 5 m m 的铝及铝台金板带材。铝箔生产 涉及熔铸、热轧、铸轧、冷轧到箔材的所有轧制工艺和热处理工艺。铝箔的生产水平代表着 铝加工工业的先进程度和发展水平。目前，铝箔生产技术主要有铸锭热轧法和连续铸轧法两 种 东南人学硕 ：学位论文 第一章纬论 1 1 i 铸锭热轧法 铸锭热轧法生产t ：艺流样包括铸锭的熔铸和均匀化板材的热轧乖i 冷轧，中间退火，箔 材轧制，成品退火，二次加i ：等。州热轧法生产箔材的传统一i ：艺是：采_ j 半连续铸造法熔炼 铸造成扁锭，经过热轧和冷轧轧制成0 4 i m m 厚的板材作为铝箔毛料。将这种箔材毛料 通过高于再结晶温度的退火后，置丁钴材轧机上经过若干道次的冷轧轧制成铝箔产品其生 产工艺流程如图所示。 图1 i 铸锭热轧生产工艺流程图 熔炼和铸锭生产是铝箔加工工艺中首要的组成部分，铸锭质量在很大程度上影响后续变 形加工过程和铝箔的质量。熔炼和铸锭的主要目的是：配制合金。通过适当的工艺措施提高 金属纯净度，铸造成型。铝合金在熔炼过程中，熔体中存在气体、各种夹杂物及其它金属杂 质等，影响纯净度，使铸锭产生气泡、气孔、夹杂、疏松等缺陷，对铸锭的加工性能和制品 的强度、塑性、抗蚀性以及外观品质等都有显著影响。熔体净化就是利用物理化学原理和相 应的工艺措施，除掉液态金属中的气体、夹杂和有害元素，以便获得纯净的金属熔体。熔体 中的气体主要是氢、夹杂物则主要是熔融状态的铝与氧、氮等元素化合而生成的氧化物、氮 化物、碳化物、硫化物等非金属夹杂物及氧化膜，其中以氧化夹杂物a 1 2 如对金属的污染最 大。净化处理方法为炉内净化和炉外净化两类。炉内净化如氰气净化、氯气净化，n 2 1 2 混合气体净化、n 2 七1 2 - c o 混合气体净化、熔剂净化等；炉外净化有玻璃丝过滤、陶瓷滤器 过滤、泡沫陶瓷板过滤等。现代铝工业目前普遍采用炉外在线净化处理新技术，如s n i f 法、 a l p u r 法、m i n t 法，d d f 法( 取级除气过滤系统) ，使熔体质量有了进一步提高。 对铝箔用变形铝合金，熔炼过程中除应保持其纯度外，还应注意各种合金元素含量控制， 以防止裂纹的产生。熔炼温度一般不应超过7 4 5 1 2 ，液态停留时间不超过2 h 。熔炼中多采用 在线加入a i t i b 丝状晶粒细化剂，以得到细小晶粒的铸锭组织。铸锭成型采用直接水冷半 连续铸造法 由于非平衡结晶，铸锭组织中普遍存在枝晶偏析以及一些非平衡相，使得铸锭塑性大大 下降。铸锭均匀化可以消除枝晶偏析，使非平衡相溶解或发生转变( 如聚集、球化或相变) ， 溶质浓度逐渐均匀化，从而获得更均一的组织，同时均匀化还可以消除铸锭因激冷而产生的 内应力，因而明显提高铸锭的塑性，使其冷热加工性能得到改善，降低铸锭热轧开裂的危险， 2 东南人学坝l j 学位论文第一章绪论 改善板材表面质擎，提高耐蚀性。火颦的试验和研究表明铸锭均匀化组织将影响板材经热 轧、冷轧、退火斤的最终组织和性能即铸锭纽织具有遗传性。因此，作为铝箔生产的第一 道热处理。r ：艺，均匀化制度的确定对扁续铝箔毛料的变形加l ：性能和最终铝箔产品的性能起 着_ f 常重要的作刚。 传统的均匀化i ：艺主要考虑非平衡相溶解及晶内偏析消除，由丁温度升高使扩散过程大 大加速，所以为加速均匀化过程，需要尽可能提高均匀化退火温度。而均匀化退火时间则依 据相应温度下非平衡相溶解及晶内偏析消除所需时间来确定，通常情况下按非平衡相完全溶 解时间来估计均匀化完成时间。由于铸锭组织的遗传性以及各个变形加工及热处理工艺之间 的相关性，均匀化制度的确定不仅要考虑均匀化过程中的组织变化，还应综合考虑整个加工 和热处理工艺之间的匹配，这一原则同样适用于铝箔生产的其它工艺。 在铝箔毛料热轧过程中决定热轧板材组织和性能的主要工艺参数是热轧温度范围、压 下制度和轧制速度。热轧温度范围取决于很多因素，如合金化学成分、板坯的体积、加热温 度、压下量和轧制速度、乳液的用量、以及轧件的宽度和厚度等等，热轧应在最高允许温度 下开始；终轧温度应保证产品所要求的性能和晶粒度，温度过高会使晶粒粗大，温度过低会 引起加工硬化，因而使能耗增加，同时导致晶粒大小不均匀及性能不合要求。在热轧过程中 进行着复杂的热交换，加热到一定温度的板带由于塑性变形和摩擦而获得补充的热量，同时 又将部分热量传递给轧辊、乳液和周围空气、板带所获得的热量和传送的热量之差决定了热 轧后板带的温度。在热轧中同时发生着两个相反的过程：金属因变形而强化的过程和因再结 晶而软化的过程，这两个过程的速度关系决定了热轧板材的组织和性能。 压下量是轧制过程中的一个重要指标，它与温度和速度紧密相关，它决定着产品的质量 和轧机的生产效率。铝箔用合金允许施加大的压下量，采用大的压下量可以减少变形的不均 匀性，得到组织均匀和性能稳定的热轧板带，减少铸锭开裂的可能性，保证高的生产率。在 一般情况下，压下量受到极限咬入角、金属对轧辊的压力和轧制力矩的限制。采用少的轧制 道次有助于保持轧制板带的温度，而且有可能在后几道次中采用大的压下量。现代铝箔热轧 生产线普遍配置了板凸度控制系统、板厚自动控制系统等，同时能够精确控制粗轧机出口处 及精轧机卷曲温度，从而实现对热轧板内在组织、结构的控制。 热轧后的板材( 4 7 m m 左右) 经冷轧和中间退火得到厚度为0 4 1 0 r a m 的铝箔毛料。 与热轧相比冷轧可以获得厚度较薄的板带材，而且产品的尺寸精度高，表面质量优良，板形 好，组织性能均匀，同时能配合热处理确保产品符合所要求的力学性能、加工性能和组织。 由于冷轧产生加工硬化，变形能耗增加，所以冷轧需要中间退火，并应与热轧配合，尽量减 少冷轧压下量，以获得必需尺寸、表面质量优良、组织性能合乎要求的铝箔毛料。工业纯铝 箔毛料一般是半硬化状态。通常由再结晶退火的铝材通过控制冷轧加工率的加工硬化而得 到，其供应状态有h 1 4 、h l8 等如用于电力、包装等的工业纯铝箔毛料；而空调箔则通常 通过控制应变硬化后的部分退火得到所需要的强度、塑性等力学性能，其供应状态有h 2 2 、 3 东南人学坝 j 学位论义第一帝纬论 h 2 4 、h 2 6 等。 冷轧l ：艺参鼙主要有总加i ：率、道次压f 擎、冷轧速度、张力等。人压卜量冷轧和高速 轧制是当前世界铝加i ：的发展趋势。现代冷轧机采h j 全油润滑、液压扳厚白动控制系统 一( a g c ) 和板形臼动控制系统( a f c ) 。可以得剑表面质量优良、厚度公差小、板形盘1 f 的铝 箔毛料。 铝箔毛料在冷轧变形之后要经过一次高丁二再结晶温度的中间退火，以消除加i ：硬化和内 应力使得材料的塑性得以恢复。因此中间退火通常义称为再结品退火。再结晶过程除与合 金成分、纯度、变形量、退火时间、退火加热速度等有关外，还受铝箔生产其它工艺参量的 影响如铸造工艺和铸锭均匀化工艺、热轧温度、轧制道次等。铝箔生产工艺的制定不应孤 立考虑某一制度，而应综合考察整个变形加工和热处理过程，注意其间的协调匹配，从而制 定最优化的工艺制度。再结晶温度不仅与杂质含量有关，还与杂质种类有关，同一纯度的试 样再结晶温度可有很大的差别。工业纯铝的再结晶温度在很大程度上与铁、硅所处的状态有 关。 在再结晶温度范围内除发生再结晶以外，还可能存在相变反应，该相变反应无疑将影响 铝箔毛料的内在组织和性能，因此中间退火工艺的制定不仅要考虑再结晶过程，还必须考虑 在该温度范围内的相变，从而根据成品规格和毛料性能要求制定合理的工艺制度。 大部分铝箔是经成品退火后使用。成品退火的目的是为了使铝箔获得需要的力学性能和 组织，而且最终退火可以除掉铝箔表面的残油，使铝箔表面光亮平整并能自由展开。通常轧 制完的卷材应尽快分卷和退火，尽可能减少存放时间。 1 1 2 连续铸轧法 惩! 饔铸轧纭是绍艘明锘撒田日0 稽经保科瞩惩人戳辊碍轧毋l ，铬澈征毅杪冈征轧辊| 日j 笮，j 、 的铸轧区内完成浇铸、凝固、轧制变形这一系列复杂的流变和物理化学过程形成铸轧板材的 过程。铸轧板经过一定道次的冷轧变形成为0 4 - l m m 厚的板材，作为铝箔毛料。其后续的 加工工艺与铸锭热轧法相同，其生产工艺流程如图1 2 所示。 臣正 _ 工亘 臣互 _ 正困+ 图1 2 连续铸轧生产工艺流程图 4 东南人学硕l j 学位论文第一章绪论 叔辊铸轧法按铸轧机的配置可分为：卜铸式：倾斜式；水平式二种。目前常州的主要以 倾斜式铸轧机为主。铸轧区是指供料嘴出口端刮轧辊中心线之间的距离。金属在这仅几十毫 米的区间经2 3 s 的时间要完成凝矧和热变形两个过程。因此铸轧区对铸轧生产稳定过程的 建立是至关重要的。双辊铸轧区的建立与铸轧辊的冷却强度、铸轧述度和铸轧板厚度等r 1 ：艺 参数有直接关系。通常随着铸轧区长度的增加可以提高铸轧速度，还可以增人加：i ：率提高铸 轧板质量。但是铸轧区的长度义受轧制力和轧辊直径的限制，只能达到定的值。连续铸轧 法生产的铸轧板的厚度通常为4 7 m m 左右。 1 2 汽车热交换器铝制化 汽车热交换器是汽车工作部件与外部的热交换元件。汽车热交换器包括汽车空调器、水 箱散热器、油冷却器、中问冷却器和加热器等，汽车热交换器位于汽车前端，经受雨水、路面 挥发的盐分、汽车排出的废气、砂粒、灰尘和泥浆等的污染，还承受着反复冷热循环和周期 性振动。这些对于热交换器选材、防腐和接合技术等提出了严峻挑战。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、经济的方向发展。 由于铜具有优良的导热性、成型性、可焊性和耐腐蚀性，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，往往需要在铜制热交换器散热片表面覆上锡保护层，这就大大降低了铜质热 交换器的散热效率。 从铝的特性看，热交换器是最适用于用铝制造的部件，铝的密度小比强度大，铝的密度 仅为铜的三分之一，用其作为散热片可大大降低热交换器的重量。铝制散热器的质量可以比 铜质散热器的质量减少2 0 4 0 ，并且两者的加工费用相当，而且铝的价格也仅为铜的三 分之一。2 0 世纪8 0 年代真空钎焊技术的发展使得铝制热交换器在汽车的应用上获得了成功， 也为铝制热交换器代替铜质热交换器铺平了道路。铝制热交换器采用的是抗腐蚀性能良好的 防锈铝合金材料，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、实用和经济等诸多优点。 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，欧洲达9 0 0 o - 1 0 0 ， 美国达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 6 , 1 7 - 1 8 l 。 1 2 1 汽车热交换器的结构和加工方法 汽车热交换器中的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 5 东南人学硕l ：学位论文第一章绪论 作，共同保证冷却系统正常i ：作。铝散热器的核心部1 ，1 ：是冷却水管和冷却水管之间的散热翘 片。汽午冷却系统中使川的冷却介质( 水) 在发动机平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，将热域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，心蒸发器吸收室内热量，从冷凝器将热域排出室外，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，实现气体介质液化。 图l - 3 铝热交换器芯部结构图 l 铝侧板；2 多孔管；3 波浪形散热片； 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 3 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，而散热片则采用铝合金箔带。 铝制热交换器的接合方法主要有机械装配法和钎焊法两种。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 铝热交换器的散热片多是用铝箔带滚制成波浪带与钎焊料一起镶嵌在散热管上经钎焊而成。 该方法相对于机械装配法增强了热交换器的抗震性能。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，而且也简化了接台过程。综上所述，钎焊式铝箔是一种比较 理想的热交换散热翘片材料。目前，这种钎焊式铝箔散热片己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1 1 9 - 2 2 1 。 6 东南人学坝f j 学位论文第一章绪论 1 2 2 汽车热交换器用钎焊铝箔的性能要求 图1 4 为钎焊法结合的散热器的示意图。图1 5 为钎焊法散热翅片与散热管纬台处之间的 微观形貌照片。 图1 4 钎焊法散热器示意图图1 5 散热翅片与散热管结合处微观形貌 热交换器的加工过程为铝箔制散热带滚成波浪形，在温度为6 0 5 左右的钎焊炉内钎焊 在铝制散热管上。散热带上的小孔是为了破坏空气流在散热带上形成附面层，提高散热能力。 因此，为了保证热交换器在钎焊环境中的加工性能和生产出来的热交换器可靠的发挥作 用，汽车热交换器用钎焊铝箔必须满足具有较高的强度，良好的抗下垂性和热传导性能以及 一定的耐腐蚀性。 由于散热器的散热翅片不仅起到散热作用而且还有对热交换管的支撑作用，因此散热翅 片必须具备较高的强度，以达到提高散热器整体强度的目的。 通常把钎焊铝箔在钎焊过程中抵抗重力自然下垂的能力称为材料的抗下垂性能，自然下 垂的距离称之为下垂值( r a m ) 。材料的抗下垂性能是衡量汽车用热交换器用钎焊铝箔综合 性能的重要指标。在钎焊环境中如果材料的抗下垂性较差，容易造成虚焊和漏焊现象。汽车 用热交换器用铝箔通常是a 1 m n 系变形锅台金，整个铝箔的厚度通常只有1 0 0 1 u n ，为了避免 在焊接过程中产生虚焊或者脱焊，钎焊铝箔应在焊接环境中具有高的抗下垂性。 热交换器的功能决定了散热器材料必须具备优良的导热性能。 汽车热交换器工作的恶劣环境决定了汽车热交换必须具有良好的抗腐蚀性能。为了提高 散热器整体的耐腐蚀性能，通常通过优先腐蚀散热翅片保护散热管来提高散热器的使用寿 命。因为散热管一旦腐蚀就会发生漏液现象造成整个散热器报废。目前常用的方法是通过在 散热翅片材料中通过添加一定的z n 元素来达到牺牲阳极的舫腐作用 2 3 - 2 9 1 1 3 钎焊铝箔的研究现状 汽车热交换器的铝制化首先兴起于国外，钎焊铝箔的研究也主要集中在国外发达国家。 目前钎焊铝箔的生产发式主要以连续铸轧法和铸锭热轧法为主由于欧美国家铝箔的生产方 7 东南人学坝i j 学位论文第一章绪论 法土要以f 连续铸轧法为主瑚j ，其研究的重点主要放在铸轧生产方式上。日本的生产方式 主要以传统的铸锭热轧生产方式为主研究的重点主要的集中在热轧生产上，虽然两种生产 j ：艺各有优缺点，但是各国研究的重点都在丁试图通过在改进成分的基础上优化轧制i ：艺生 产山性能良盘f 的钎焊铝箔。 目前热交换器用钎焊铝箔主要以a a l 0 5 0 纯铝、a a 3 0 0 3 和a a 7 0 7 2 等铝合金制成。纯 铝材导热性能良好，但是强度低，焊接的时候抗f 垂性较差a a 3 0 0 3 等铝锰系合金材料强 度高、抗卜垂性较好，但是抗腐蚀性差，导热性能不及纯铝，a a 7 0 7 2 等铝合金耐腐蚀性能 良好，但是抗下垂性型2 4 矧。因为a a 3 0 0 3 合金具有较高的强度和良好的抗卜垂性，只是腐 蚀性能比较差。因此很多研究者试图在3 0 0 3 合金的基础上添加一定的合金元素来降低其电 极电位使散热带优先腐蚀达到保护散热管的目的，以提高热交换器的使用寿命，常用的添加 元素一般为z n i 琊 捌。但是3 0 0 3 + z n 合金生产出来的材料其他性能并未有提高。 国外也有学者通过以1 1 的a 1 n i 合金来生产钎焊铝箔川，生产出来的产品的微观组 织为大晶粒且具有细小弥散分布的第二相化合物，性能优良。但是由于n i 合金的成本很高， 因此造成产品的生产成本大幅提高。 美国专利介绍了两种不同成分的合金，一种台金成分组成为0 6 - 2 o 的锰，小于0 3 的铁，0 0 5 - 0 6 的硅，0 5 - 2 o 的锌，0 0 5 - 0 2 的铜，其余为铝，另一种台金成分组成 为0 6 0 - 2 o 的锰，0 3 1 m 8 的铁，0 0 5 - 0 6 的硅，0 5 0 0 - 2 o 锌，0 0 5 * 0 - 0 2 的铜，其 余为铝t 3 2 - 3 3 1 目前大家研究的重点从成分上出发。在于通过成分的优化形成细小弥散分布的第二相化 合物，这种细小弥散分布的化合物有利于得到大晶粒组织，并且提高材料的强度。得到的大 晶粒组织有益于减少晶界面积，在高温环境中晶界往往成为钎焊料中s j 元素的扩散通道和 材料滑移变形的开动界面，晶界面积的减少有利于材料抗晶间侵蚀作用的提高。同时也有利 于材料抗下垂性能的改善，不仅如此晶界面积的减少也降低了原子在晶界的散射作用，提高 了材料的导热性能3 1 圳1 i 。 汽车热交换器用钎焊铝箔中的主要合金元素为f e ，s i 和m n ，其含量的配比对材料的组 织和性能具有重要的影响1 4 2 州。由于a ( a d 中能崮溶极少量f e 和少量s i ，对铝基体有一定的 固溶强化作用，故微量杂质可使强度有所提高。但杂质含量稍高时，主要以f e a l h a ( a l ( f e m n ) s i ) 。瞰a l ( f e m n ) s i ) ，s i 等杂质相形式存在1 1 0 + 4 7 i 。铸态合金中的f c a b 和 烈a i ( f e m n ) s i ) 的形貌呈针片状，a ( a l ( f e m n ) s i ) 的形貌具有明显的骨骼状( 或汉字状) 。且随 含量增大，杂质相的数量、尺寸等随之增大，易沿晶界聚集分布。针片状的硬脆相f e a l 3 和 p ( a l ( f e m n ) s i ) 严重割裂基体，影响合金的强度、塑性和物理性制8 2 1 。有学者指出当f e s i 】时析出骨骼状的c t ( a i ( f e m n ) s i ) 相，当f e s i 5 0 v 电流：5 0 m a 液氮冷却，控温 1 5 1 7 东南人学硕1 学位论文 第三苹3 2 0 3 钎忤锚编的组织和性能 第三章3 2 0 3 钎焊铝箔的组织和性能 铝辛古的生产涉及凝吲，轧制变形和热处理等j ：序，各个i ：艺环节都对最终成品的性能有 者至关重要的影响。 本章的主要目的在于对目前常铝铝业股份有限公司生产的3 2 0 3 钎焊铝箔的铸态组织。 中间退火态的组织和力学性能，最终成品( 即h 1 4 状态) 的组织和性能进行分析，研究影 响钎焊铝箔性能的主要因素，探讨性能和组织之问的关系。在此基础上，本章还对成品态的 3 2 0 3 进行了试验性的成品退火处理( 这是在以前的生产工艺中并未有的工艺) ，研究了成品 退火对3 2 0 3 组织和性能的影响。 对现有产品3 7 - , 0 3 的分析，其根本目的在于了解影响汽车热交换器用钎焊铝箔性能的主 要因素，建立材料组织和性能之间的对应关系，为通过控制材料的组织形貌来提高材料的性 能提供指导。整个3 2 0 3 产品的分析和探索性成品退火试验都将对我们后续章节介绍的新产 品3 2 0 9 的开发提供指导。 3 13 2 0 3 铸态组织 3 2 0 3 合金铸锭横截面大小为4 6 0 x 8 4 0m m ，取其横截面的1 4 作为分析对象。先将其 横截面的1 4 按如下图3 1 划分切割，并按图3 1 所示标号。取l 】、2 4 和3 6 号进行组织分 析，其铸态组织的金相照片如图3 2 所示。可以看出从从铸锭中心到边缘。材料的第二相化 合物都为骨骼状。对第二相化台物进行扫面电镜能谱分析，并对照金相图谱进行分析其主要 为a i ( f e m n ) s i 相。图3 3 为第二相化合物的扫描电镜照片及其能谱分析结果，表3 1 为第 二相化合物能谱分析成分表。由于铸锭边缘的冷速大，因此铸锭边缘化合物的尺寸明显小于 铸锭心部的化合物，并且化合物数量上也明显多于铸锭心部。 f 1 l i- j l _ i “ 2 5& i | l t t 。2 4 i tj 一l 图3 1 铸锭横截面试样切割示意图 1 8 东南人学坝f 。学位论j ：第三章3 2 0 3 钎蝌铝帑的组织和性能 图3 23 2 0 3 铸锭金相组织 阻3 - 3 第- 二相化合物s e m 能谱分析图 表3 1 第二相化合物能谱分析成分表 3 23 2 0 3 中间退火态的组织和性能 目前常铝铝业生产的牌号为3 2 0 3 的钎焊箔冷轧至o 1 1 5 r a m 后进行状态控制中间退火， 中间退火温度为3 8 0 ，工业生产采用带卷测温的方法，即中间退火时间由铝箔带卷在退火 1 9 东南人学碘l j 学位论文 第三章3 2 0 3 钎悍锚镉的纠织和忡能 炉内实际剑达设定温度的时间确定。幽3 4 为i ：业生产中间退火后锅钴的金相组织，可以看 出铝辛古已经发生了完全的同复再结晶品粒组织粗人。铝于石强度为l1 0 m p a 。 图3 4 工业炉3 8 0 中间退火后3 2 0 3 的金相组织 3 33 2 0 3 成品的组织和性能 不， 中间退火后的产品经过一个道次的冷轧变形至成品厚度。成品箔的金相组织如图3 5 所 图3 53 2 0 3 成品箔金相组织图3 6 抗下垂试验后金相组织 可以看出经过一个道次的冷变形后成品箔仍旧为大晶粒组织，对成品箔进行抗拉强度测 试，其强度为18 5 m p a ，抗下垂测试后下垂距离为2 6 r a m ，电导率为4 7 i a c s 。 为了研究钎焊工序前后铝箔组织和性能的变化，对抗下垂试验后的样品进行了分析，其 金相组织如图3 6 所示。对比抗下垂试验前的成品箔的金相组织我们可以发现抗下垂试验后 晶粒尺寸略有减小同时我们对抗下垂试验前后材料的性能进行了对比，抗下垂试验前后材 料的性能如表3 2 所示。从表中可以看出，抗下垂试验后材料的强度急剧下降，并且其导电 率也有所下降。 东南人学碗j j 学位论义第三章3 2 0 3 钎焊错箔的组织和性能 表3 2 抗f 碓试验前后材料性能对比 为了进一步了解钎焊铝箔的微观组织，我们对抗卜垂试验前后的样品分别进行了透射电 镜分析，抗下垂试验前后的透射电镜照片如图3 7 所示。 图3 7 抗下垂试验前后的透射电镜照片 从透射电镜分析结果可以看出，成品箔由于在中间退火后经过了一定量的冷变形，存 在着大量的亚晶和位错，这也是其强度较高的原因，经过抗下垂试验后，材料内的亚晶结构 和位错基本消失，只存在完整的大角度晶界。由于抗下垂试验是在6 0 5 的高温环境下进行 的，消除了轧制变形产生的加工硬化，所以材料的强度有较大幅度的下降。导致材料电导率 下降的原因，主要是抗下垂试验后材料的晶粒尺寸相应的有所减小，这相当于增加了材料整 体的晶界面积，由于晶界是原子排列的混乱区，因此电子沿晶界的散射作用增强，导电率下 降，虽然抗下垂试验后材料内部的亚晶结构和位错消除，有利于材料导电率的提高。但是由 于晶粒变小所引起的电导率下降占据主导地位，所咀材料整体的电导率有所下降。 由于在高温的钎焊环境下材料主要以沿着晶界的滑移变形为主，同时晶界和位错还成 为钎焊环境下焊料元素的侵蚀扩散通道1 3 1 删，这两者都是引起材料下垂的主要因素。从抗下 垂试验后材料的微观组织结构我们可以看出经过高温处理后材料内的亚晶结构和位错消失， 这相当于减少了滑移变形开动的界面和侵蚀扩散的通道，因此我们尝试对成品箔在一定温度 下再进行一道成品退火处理工艺，以研究成品退火处理对材料最终性能的提高是否具有帮 助。因此我们对成品箔取小样，分别在3 8 0 c 、4 0 0 c 、4 2 0 c ，4 4 0 进行两小时的退火处 理，观察分析其组织和性能的变化。图3 8 为未经过成品退火处理和经不同温度两小时成品 退火处理材料的金相组织照片， 2 l 东南人学碘l 学位论文第三章3 ：乃0 3 钎焊锚端的组织和悱能 图3 8 、未经成品退火处理以及经不同温度成品退火后材料的金相组织 从图中可以看出与未经成品退火处理的试样相比，经不同温度成品退火处理后材料的晶 粒尺寸并未有显著的变化。 图3 9 为未经成品退火处理和经4 4 0 c 成品退火处理后的材料的t e m 照片。从图中可 以看出与未经成品退火处理的试样相比，经过4 4 0 成品退火处理后的试样，其第二相化合 物颗粒明显增多。未经成品退火处理的试样内存在大量的亚晶结构，而经“o 成品退火处 理后的试样主要以大角度完整晶界为主 东南人学碘j j 学位论文第二章3 2 0 3 钎焊铝箔的组织和性能 图3 9 未经成品退火处理和经4 4 0 1 2 成品退火2 h 退火后材料的t e m 照片 图3 1 0 为未经成品退火处理以及经成品退火后材料的抗下垂试验结果，从图中可以看 出材料经成品退火后抗下垂性明显提高，并且随着退火温度的升高抗下垂性也相应的提高。 图3 1 l 为经成品退火后材料的抗拉强度随退火温度变化曲线，从图中可以看出随着退 火温度的升高材料的强度缓慢下降，在4 4 0 c 退火2 小时后其抗拉强度仍旧高达1 6 5 m p a 。 东南人学颂l j 学位论文第三章3 2 0 3 钎蝌锚箔的纽织和能 帅帕酣8 1 1 4 1 e a l e d 曩舯慷蕾翻蕾钔呻舢鲥重a n n e ：a | e d 重 锄旧4 0 0 4 2 0 4 4 0 图3 1 0 未经成品退火处理以及经成品退火后材料的抗下垂试验结果 & 堇 暑 罟 星 星 宅 声 冀时柏04 2 04 4 0 a n 哺圳呻t e m p e r a t u r ei ) 图3 1 1 抗拉强度随成品退火温度变化曲线 从成品小样退火的热处理的结果可以看出，经过成品退火后虽然材料的强度有所下降但 是其抗下垂性却有显著提高，并且经成品退火后材料的强度仍旧高于目前客户的要求标准。 小样成品退火热处理同时也证明了晶界面积的减少有助于材料抗下垂性的提高。同时我们观 察到经过成品退火处理后材料内第二相颗粒明显增多，细小弥散分布的第二相化合物颗粒的 增多增强了对晶界的钉扎作用，使得沿晶界的滑移变形变得困难，也有助于材料抗下垂性的 提高。 器 = 2 仲 5 o ee一8cml皇ip口4西 两阳的诣眄拍为寻侣伸皓 东南人学坝f ：学位论文第二章3 2 0 3 钎焊铝锅的组织和性能 3 4 本章小结 本章对目前常铝铝业股份有限公司生产的3 2 0 3 钎焊铝箔从铸态刮成品态的组织和力学 性能进行了分析。韩 据钎焊铝箔的性能要求试图找出性能与组织之间的对应关系，为后续试 验开发出高性能低成本的汽车热交换器用钎焊铝箔提供理论上的指导。根据对3 2 0 3 产品的 分析我们得出以f 结论： 1 、铸锭边缘由于冷却速度大，化合物的形貌明显小于铸锭心部，铸锭中的第二相化台物主 要以骨骼状的a i ( f e m n ) s i 相为主。 2 、中间退火后铝箔已发生了完全的再结晶晶粒粗大。 3 、成品态( h 1 4 状态) 的铝箔晶粒粗大，微观组织存在着位错和亚晶结构。抗下垂试验后 铝箔的强度和电导率下降亚晶和位错结构消失，晶粒尺寸减小。经中温成品退火后， 晶粒尺寸未有显著变化，位错和亚晶结构消失，析出大量细小弥散分布的第二相颗粒， 抗下垂性显著提高。 东南人学碗 j 学位论文第p q 章台金含量对钎僻铝箔铸态l 儿织和抖能的影响 第四章合金含量对钎焊铝箔铸态组织和性能的影响 前文通过对3 2 0 3 钎焊铝箔组织的分析我们得出细小弥散