熱軋釬焊鋁板帶材復(fù)合工藝要點與原理.doc

熱軋釬焊鋁板帶材復(fù)合工藝要點及原理徐 濤（東北輕合金有限責(zé)任公司 哈爾濱 150060）摘要：系統(tǒng)的介紹了熱軋釬焊鋁板帶材的復(fù)合工藝流程及控制要點，對釬焊鋁材熱軋復(fù)合基本原理進行了探討。關(guān)鍵詞：釬焊鋁材；熱軋；復(fù)合軋制；復(fù)合機理中圖分類號：TXXX 文獻標識碼：B 文章編號：1xxxxxxxThe main points and principle of the brazing with aluminum strip hot riling conposite proessXu Tao(Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)Abstract: Systematic introduction to thecomposite processand the control pointsofthehot-rolledbrazing sheetstrip,hot-rolledcompositebasic principles ofbrazingaluminum.Key words: brazing aluminum；hot-rolledbrazing；composite brazing； basic principles ofbrazingaluminum.1 引言鋁合金復(fù)合板帶材由于具有強度高、重量輕、耐腐蝕、導(dǎo)熱性、可靠性高、成本低、易回收和釬焊性能優(yōu)良的諸多特性，近年來廣泛應(yīng)用航空、汽車、家用電器、空氣化工和柴油機械制造等領(lǐng)域，尤其是汽車散熱器件，如水箱、冷凝器、蒸發(fā)器和風(fēng)機等均大量使用鋁合金復(fù)合板帶材，其市場發(fā)展空間極為廣闊。熱軋復(fù)合是鋁合金復(fù)合板帶材生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，其工藝過程復(fù)雜，影響控制要素較多，直接影響復(fù)合板帶材的成品品質(zhì)。本文系統(tǒng)的介紹了熱軋釬焊鋁板帶材的復(fù)合工藝流程及控制要點，并對釬焊鋁材熱軋復(fù)合機理進行了深入探討。收稿日期：2012-02-08作者簡介：徐濤（1973-），男，黑龍江鶴崗人，高級工程師2 熱軋釬焊鋁板帶材的生產(chǎn)工藝過程及控制要點2.1 熱軋釬焊鋁材的生產(chǎn)工藝過程 熱軋釬焊鋁箔材的生產(chǎn)工序主要包括鑄錠銑面、均勻化熱處理、芯板熱軋、包覆板熱軋、包覆作業(yè)、加熱、熱復(fù)合粗軋、熱復(fù)合精軋、冷軋、精整至成品。2.2 各工藝過程的控制要點2.2.1 鑄錠表面預(yù)處理為確保熱軋復(fù)合的質(zhì)量，需先對基體合金和包覆層合金鑄錠進行銑面，并確保不存在深溝痕、鋁屑、夾渣、表面裂紋和疏松等缺陷。其表面存在的殘留油污、灰塵和金屬氧化膜等污物，在軋制復(fù)合前必須采用化學(xué)和物理方法清洗，以利于軋制復(fù)合。進行的表面預(yù)處理工藝一般為：堿洗室溫水沖洗中和洗室溫水沖洗熱水沖洗吹干。2.2.2 鑄錠均勻化處理均勻化熱處理的目的是緩解鑄造應(yīng)力，改善鑄造組織，減輕或消除成分偏析，并降低變形抗力。根據(jù)所選取不同的合金牌號，基體鑄錠的均勻化制度一般為590610保溫1012h；包覆層合金的均勻化制度一般為510530保溫1214h1。2.2.3 坯料尺寸控制根據(jù)最終產(chǎn)品尺寸和復(fù)合軋制變形規(guī)律，將處理過的芯板、包覆板鑄錠軋制到需要尺寸待用，注意此時板材的寬度應(yīng)該稍大于成品尺寸，為確保材料包覆層的均勻性，產(chǎn)品單邊切邊量必須大于80mm以上，例如：產(chǎn)品寬度為1200mm,考慮到工藝大生產(chǎn)過程中切邊對中精確度，一般正常情況，選擇基體及全包板寬度為1 400mm?？紤]熱軋初期包覆層的變形大于基體，在選擇包覆板長度時應(yīng)稍小于基體長度2。2.2.4 熱軋前的加熱加熱前板材表面仍應(yīng)保持潔凈，表面沒有明顯缺陷存在。包覆作業(yè)先用易揮發(fā)的清潔航空汽油人工擦凈基體料和包覆板，擦凈后的表面不再允許有油痕、乳液痕及其它污跡或異物，待汽油揮發(fā)干凈后，再將包覆板對稱放置于基體料的上下表面，要求兩邊及兩端均放置對稱，然后打緊鋼帶，防止包覆板錯動(熱軋前剪開鋼帶)。將包覆后的復(fù)合板坯裝爐加熱，根據(jù)選擇的不同合金的特性和對軋制復(fù)合的影響，選擇適合的加熱溫度，既降低變形抗力、增加待復(fù)合面金屬原子的能量又不至于增加大量的氧化表面，降低能源的消耗。為了確?；w和包覆板軋制變形時各部位更趨均勻，要求鑄錠出爐溫差102。2.2.5 熱軋復(fù)合在熱軋復(fù)合的第一階段，即自由變形階段，應(yīng)采用小壓下慢速軋制的方式，并采取不同于普通單材的軋制方法，首先應(yīng)在鑄錠的中間施加一定的靜壓后再分別往兩端軋制，其目的在于確保包覆層的厚比和均勻分布，并使包覆與基體間的氣體全部碾出。滾邊厚度及滾邊量的選取對邊部包覆層的厚比影響很大，一方面Al-Si合金包覆板裂邊較大，需要滾邊；另一方面，滾邊使邊部金屬的流動和擴展復(fù)雜化，因為不滾邊時上下表面邊部包覆層金屬朝軋件側(cè)面流動和擴展，而滾邊后軋制使得軋件側(cè)面金屬一部分將朝表層中間方向翻轉(zhuǎn)，這兩種邊部金屬運行狀態(tài)形成了邊部包覆率較中間波動大，且波動程度及寬度直接受滾邊厚度和滾邊量影響。復(fù)合軋制屬于二種不同變形抗力的金屬組元三層迭合軋制，它不同于普通材料軋制，具有獨特的軋制特性和變形規(guī)律。在熱軋復(fù)合過程，隨變形程度的增加，基體材料變形速度(基)和包覆材的變形速度(包)也將發(fā)生變化。圖1-3所示為釬焊板壓下率與合金基/包的變化情況3。 圖1 釬焊板熱軋過程基基/包隨壓下率的變化3 釬焊鋁材熱軋復(fù)合基本原理 3.1 熱軋工序復(fù)合界面的結(jié)合過程合金復(fù)合軋制時由于各工藝參數(shù)的變化引起比較復(fù)雜的界面反應(yīng)，使復(fù)合界面的微觀形貌和組成發(fā)生改變，并對結(jié)合強度產(chǎn)生不同程度的影響。芯材與包覆材復(fù)合前，在一般大氣中，經(jīng)機械或化學(xué)清理后的表面將很快被氧化膜、吸附膜所覆蓋，只有從接觸表面上清除掉這些覆蓋層才能形成實際的物理接觸4,5。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，合金熱軋復(fù)合初期，基材和包覆材表面的覆蓋層和氧化膜在高軋制壓力作用下破裂6,7。當(dāng)軋制加工率達19.5%時，表面裂口達到一定寬度，界面兩側(cè)的新鮮金屬在軋制壓力作用下通過裂紋擠出并相互接觸，開始形成結(jié)合界面。此時，由于軋制時間較短，芯材和覆材剛開始結(jié)合，雖然熱軋溫度高(490)，處于卡軋柯夫所提出的金屬結(jié)合的擴散溫度范圍內(nèi)8，但芯材的主要元素Mn和覆材的主要元素Si都未向?qū)Ψ綌U散。根據(jù)柯肯達爾效應(yīng)理論9，擴散深度值與擴散時間的平方根成正比。因此熱軋初期的擴散現(xiàn)象極其微弱，合金的結(jié)合強度極低。如此低的結(jié)合力，不足以產(chǎn)生表面原子間的牢固連接。要達到金屬界面的冶金結(jié)合，必須使處在金屬界面接觸處的原子或離子具有最低能量級，當(dāng)原子或離子達到這個能量級時，原子鍵的方向性就會減弱，在兩個表面的原子間就會形成金屬鏈，相互接觸的兩金屬表面就開始形成焊合10。 隨著軋制過程的深入，變形程度的不斷增加，兩種合金相互擠入量增加，并形成更多的結(jié)合點。軋制時間的進一步延長，且熱軋時溫度高，界面兩側(cè)元素的擴散不斷加劇，并具有一定擴散深度，使點結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼Y(jié)合。熱粗軋結(jié)束，復(fù)合板界面的縫隙根本看不見，界面只能靠兩邊組織不同來分辨，由于軋制溫度高，軋制時間長，界面Si、Mn元素的相互擴散程度增加，界面冶金結(jié)合情況就越好，從而使界面的結(jié)合強度進一步提高。熱粗軋后，剪切試樣界面斷口上金屬塑性變形帶比較明顯，沒有發(fā)現(xiàn)兩種不同合金機械結(jié)合痕跡。說明結(jié)合面上冶金結(jié)合占主要地位，芯材和包覆材形成了牢固的金屬焊合。3.2 雙金屬熱軋復(fù)合機理探析雙金屬復(fù)合機理極為復(fù)雜，盡管長期以來人們?yōu)榇俗隽舜罅康难芯刻剿鞴ぷ?，但迄今為止，許多機理仍未被人們所揭示和了解。雖然如此，現(xiàn)在有些理論還是從某些方面解釋了雙金屬的復(fù)合機理。金屬鍵理論。該理論是N.S.Buton在1954年提出的。其主要內(nèi)容是，雙金屬間的結(jié)合是兩組元金屬中的原子在組元金屬接近過程中產(chǎn)生的相互吸引作用的結(jié)果。這一理論是從化學(xué)角度來解釋雙金屬復(fù)合機理的。薄膜理論。該理論認為，雙金屬材料的復(fù)合性能并不取決于材料本身的性能，而是由金屬材料的表面狀態(tài)決定的。只要除凈雙金屬表面上的油膜和氧化膜，在協(xié)調(diào)一致的塑性變形下，使新鮮金屬以裂縫方式裸露出來，雙金屬接近到原子間力的作用范圍內(nèi)，就可以形成雙金屬的結(jié)合。此機理要求軋制加工率達到一臨界值，使裸露金屬達到足以使界面結(jié)合的最小面積，否則無法復(fù)合。能量理論。該理論是A.西苗諾夫在1958年提出的。該理論認為，引起金屬間相互結(jié)合的條件，不是金屬原子的擴散，而是金屬原子所具有的能量。再結(jié)晶理論。該理論是L.N.帕克斯在1953年提出的。其根據(jù)是金屬在變形量很大時，再結(jié)晶溫度會顯著下降的事實。該理論認為，雙金屬在高溫加壓條件下形成結(jié)合的主要過程是接觸區(qū)的再結(jié)晶過程。即是說，金屬的變形和變形引起冷作硬化，在高溫的作用下，會使雙金屬接觸面邊緣的晶格原子重新排列，形成同屬于兩組元金屬的共同晶粒，這就使相互接觸的兩組元金屬結(jié)合成一體。再結(jié)晶理論實際上所論證的問題是接觸表面已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)合以后的組織變化過程，而不是雙金屬本身的結(jié)合過程。用這一理論沒法解釋冷軋條件下，雙金屬的復(fù)合過程。擴散理論。該理論是卡扎可夫在70年代提出的。該理論認為，雙金屬在被加熱到0.60.8倍的熔化溫度條件下，其相互接觸區(qū)中存在著一層很薄的互擴散區(qū)。正是這一薄層擴散區(qū)實現(xiàn)了雙金屬的牢固結(jié)合。擴散作用就是使兩金屬原子相互作用的機會增加，進而加強雙金屬間的結(jié)合。位錯理論。該理論認為，當(dāng)兩種相互接觸的金屬產(chǎn)生協(xié)調(diào)一致的塑性變形。位錯遷移到金屬的接觸表面，并使表面的氧化膜破裂，形成了高度只有一個子間距的小臺階。這一方面可以看成是塑性變形阻力的減??；另一方面可以認為是增加了雙金屬接觸表面的不平度，使接觸表面產(chǎn)生比內(nèi)部金屬大得多的塑性變形。這等于說，雙金屬的結(jié)合過程就是其接觸區(qū)金屬的塑性流動的結(jié)果。這一理論無法解釋在沒產(chǎn)生塑性變形的條件下，所進行的雙金屬復(fù)合過程。如采用鑄法進行的雙金屬復(fù)合過程1113。雙金屬復(fù)合過程的三階段理論。該理論認為，任何在高溫加壓條件下進行雙金屬復(fù)合過程都包含如下三個階段：第一階段是雙金屬間物理接觸的形成階段，也就是雙金屬中的原子依靠塑性變形，在整個接觸面上相互接近到能夠引起物理作用的距離或足以產(chǎn)生弱化學(xué)作用的距離。第二階段是化學(xué)相互作用階段。雙金屬接觸表面激活并形成化學(xué)鍵，實現(xiàn)雙屬間的結(jié)合。第三階段是擴散階段。雙金屬在完成物理接觸實現(xiàn)初步結(jié)合后，各組元金屬的原子通過結(jié)合面相互擴散，以增進結(jié)合強度。此階段要根據(jù)擴散區(qū)及新相的性質(zhì)控制擴散過程。N.Bay機理14：上述理論各具優(yōu)缺點，也由于實驗手段的限制，它們并不能準確、完整地揭示固相結(jié)合過程的本質(zhì)。進入80年代，丹麥學(xué)者N.Bay運用電鏡技術(shù)對固相結(jié)合表面進行剝離觀察，發(fā)現(xiàn)面上存在大量氧化膜碎片。此后在眾多實驗研究的基礎(chǔ)上，針對表面氧化膜被去除后，金屬一旦與空氣接觸，仍會不同程度地被氧化這一客觀事實，提出了自己的機理。他認為固相結(jié)合主要由以下4部分組成：1)在一定壓力下，覆膜破裂；2)表面擴展導(dǎo)致純凈基材顯露；3)法向壓力將基材擠壓入覆膜裂縫中；4)兩種金屬的活性面在間隙中匯合并形成真實結(jié)合。固相結(jié)合的本質(zhì)在于壓力使接觸面接近至原子間距離，由原子吸附而產(chǎn)生大量結(jié)合點。實驗也證明了結(jié)合強度基本由結(jié)合過程決定。擴散等理論只涉及結(jié)合后的變化，未觸及本質(zhì)，且擴散對結(jié)合強度無大影響。從一系列的研究中15,16不難看出，結(jié)合強度的獲得與結(jié)合表面狀況、結(jié)合表面擴展率及焊后熱處理等方面有著密切聯(lián)系。4 結(jié)束語鋁合金復(fù)合板帶材在新的加工方法、復(fù)合機理和使用性能等方面還需要進行系統(tǒng)的研究，其熱軋復(fù)合原理仍需進一步完善。我們有理由相信，隨著計算機模擬仿真技術(shù)等新技術(shù)的大量應(yīng)用，在鋁合金復(fù)合板帶材的材料設(shè)計、加工工藝參數(shù)優(yōu)化、復(fù)合界面微觀組織結(jié)構(gòu)和材料的各項異性等方面的研究必將取得更大的進展，實現(xiàn)鋁合金復(fù)合板帶材的品質(zhì)提升和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。也必將進一步促進我國汽車運輸、空氣化工和航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，發(fā)揮更大的經(jīng)濟和社會效益。參考文獻：1劉海江, 劉翠萍. 鋁合金復(fù)合板熱軋生產(chǎn)及復(fù)合和釬焊機理淺析J. 輕合金加工技術(shù), 2004, 32(3): 2324, 28.2尹曉輝, 陳新民. 鋁合金釬焊板(箔)熱軋復(fù)合工藝研究J. 鋁加工, 2005, 3:2226, 29.3黃光杰, 汪凌云. 鋁合金復(fù)合板軋制復(fù)合規(guī)律的研究J. 金屬成形工藝, 1998, 16(1): 4143.4Mohaned H A. 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