杨英春,韩 星,李鹏伟,张海涛,崔建忠
(1.辽宁忠旺集团有限公司,辽阳111003;2.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,沈阳110819)
热交换系统(包括水箱、冷凝器、蒸发器、中冷器等)轻量化是车辆轻量化的一个重点领域[1]。其中,散热器用管的轻量化是关键,用铝管代替铜管已成为一大发展趋势[2]。由于工作环境的需要,单一材料的铝合金管材已不能满足散热器用管的需要。铝合金层状复合管材是一种具有新型结构与功能的材料,能有效克服单一材料的缺点,结合其组成材料各自的优点,具有良好的可设计性和较高的力学性能[3]。目前铝合金层状复合管的制备方法主要包括冷成型法[4]、热成型法[5]、爆炸焊接成型法[6]、离心铸造法[7]、高频焊接法[8]等。但是由于工艺繁琐、界面结合强度低、安全系数低、能耗高、成本高、不易连续化生产等问题,这些方法很难有效实现工业化生产。
据此,本研究提出“包覆铸造+挤压拉拔”工艺,并用于制备热交换器用铝合金层状复合管材。本文采用自行设计制造的包覆铸造装置,通过优化工艺参数,完成了4045/3003 包覆铸锭的制备,并对包覆铸锭进行反向热挤压和冷拉拔,得到铝合金层状复合管材,最后进行了钎焊实验。
本研究中的复合管材主要用于制备散热器用冷凝管,其芯材为3003铝合金,是3×××系防锈铝的典型代表,其耐蚀性能很好;表材为4045 铝合金,是4×××系铝合金中常见的合金,熔点低,流动性能良好,因此具有很好的钎焊性能。两种合金成分如表1所示。
本实验设计包覆铸锭尺寸为φ164 mm/φ152 mm,包覆率为7.3%,采用同水平分流方式,以保证液面温度、界面周向温度均匀。包覆铸造装置如图1所示。先将芯材熔体浇入内结晶器,受石墨内套和引锭的冷却作用,迅速凝固形成一定厚度的凝固壳(即固态支撑层),然后将皮材熔体浇入外结晶器,同时启动铸造机。皮材熔体与高温的固态支撑层接触并通过元素扩散实现冶金结合。当铸锭达到预定长度,停止供流,获得包覆铸锭。
图1 包覆铸造结晶器
挤压前,先将铝合金包覆铸锭锯切成350 mm长,然后进行均匀化处理(560 ℃×12 h,空冷至室温),再对表面进行车削处理。包覆铸锭采用2 000 MN反向双动挤压机热挤压成横截面尺寸为φ32 mm×2.5 mm的复合管坯,然后采用拉拔机冷拉成横截面尺寸φ20 mm×1.0 mm的复合管材。
分别在包覆铸锭和复合管材上截取试样,用浓度为120 g/L的NaOH溶液对结合良好的横截面进行腐蚀,观察其宏观形貌。经过机械打磨抛光,用浓度为0.5%的HF 溶液腐蚀30 s 左右,分析界面处的微观组织。通过场发射扫描电镜分析界面处元素分布,并测试界面处显微硬度分布。在复合界面不同位置处取剪切试样若干,在万能试验机上对试样进行剪切测试,测试界面结合强度。
包覆铸锭界面组织如图2 所示。从图2(a)可以看出,铸锭表面质量良好,界面清晰,两种合金未发生混流,界面结合良好,其中外层为4045 合金,芯部为3003 合金。界面处微观组织如图2(b)所示,左侧为4045合金,主要由α-Al和针状的Al-Si 共晶相构成;右侧为3003 合金,由α-Al 和条形的含锰相构成。皮材合金液接触到芯材支撑层后,受激冷作用开始以支撑层为基底非匀质形核,形成初生α-Al 相。初生α-Al 相沿着冷却方向由芯材支撑层向皮材合金液中生长,形成柱状晶,同时向周围熔体中排出Si溶质,随着温度进一步降低,最终形成共晶组织。在皮材以芯材支撑层为基底凝固的过程中,由于芯材支撑层刚出石墨内套,表面温度较高,再加上皮材合金液也具有较高的温度,甚至使支撑层外表面发生微熔,这就促进了芯材中Mn 元素和皮材合金中Si 元素扩散,使两种合金发生熔合扩散结合。
图2 包覆铸锭界面组织
界面处元素分布如图3所示。从图中可以看出在界面处合金元素含量均有一个突变的过程,从4045 合金一侧到3003 合金一侧,Si 元素含量由2.0%减少到0.8%左右,扩散距离大约为15 μm;Mn 元素含量由0.25%增加到1.0%左右,扩散距离约为10 μm,形成大约15 μm的扩散层。
由菲克扩散定律可知,如果扩散系数与浓度、距离无关,则菲克第二定律可写成
式中,D0为扩散常数;Q为扩散激活能;R为气体常数;T为热力学温度。
由此可见,温度是影响扩散系数的主要因素。两种合金刚接触时,皮材合金熔体温度较高,且处于液态,Si原子的振动能较大,因此原子借助于能量起伏而越过势垒进行迁移的概率较大,这样界面处液态皮材中的Si元素向固相的芯材扩散时有相对较大的扩散系数;而与皮材接触的芯材支撑层此时已经凝固,元素在固态中的扩散系数要远远小于液体中。由文献[9]可知,Si 元素和Mn 元素在铝中的扩散常数分别为3.5×10-5m2s-1(344~631 ℃)、2.2×10-5m2s-1(450~650 ℃)。通过式(2)计算可得两者的扩散系数分别为2.64×10-12m2s-1(627 ℃)、2.22×10-12m2s-1(627 ℃),Si 元素大于Mn 元素。另外,在扩散过程中Si 元素的浓度梯度远大于Mn 元素。综合以上原因,在铸造复合过程中合金元素在界面处发生扩散时,Si元素更容易越过界面向芯材扩散,扩散层厚度要大于Mn 元素。图4中硬度测试的结果恰恰反映了合金元素在界面处的扩散规律。
图3 界面处元素分布
层状复合材料界面结合强度主要通过拉伸和剪切进行测试,但由于本研究中包覆层只有6 mm,无法加工拉伸试样。由文献可知,维氏硬度HV与屈服强度σy的关系大致为HV≈3σy,故可通过测试界面处的显微硬度来推算界面结合强度。界面处显微硬度的测试结果如图4 所示。从图中可得,4045 一侧硬度大约80 HV,3003 合金一侧大约为45 HV,界面处为56.4 HV,低于前者而高于后者,这是由界面处元素扩散引起的固溶强化所致。由此可以得出,界面结合强度高于3003 合金屈服强度。
图4 界面显微硬度分布
为了表征界面结合强度,从包覆铸锭上不同位置截剪切试样进行剪切实验,检测结果如图5 所示。平均抗剪切强度为80.2 MPa,高于3003 铝合金基体的抗剪切强度,75.3 MPa,从而保证在后续的挤压过程中两种合金不会发生相对滑动。
图5 不同位置界面结合强度
包覆铸锭经560 ℃/12 h均匀化退火后,进行反向热挤压,再经565 ℃/15 min 退火后,进行冷拉拔,最终制备成热交换器用冷凝管。复合管材的微观组织如图6所示。挤压与拉拔后的复合管材内表面质量良好,尺寸规整,界面清晰、平直,这说明在反向挤压后,界面两侧合金结合良好,没有熔合或相对滑动现象。从界面微观组织中可以看出,挤压拉拔后复合管材保留了铸态时的层状结构特征,4045 铝合金与3003 铝合金的第二相明显破碎、细化,均匀弥散地分布在基体中。在纵截面上也可以明显观察到挤压后组织的方向性。但是4045 侧的第二相明显比3003 侧的第二相多,这是由于Si 元素在固溶体中的溶解度很小,共晶硅很容易在铸造过程中析出,而3003中主合金元素Mn含量少,且在固溶体中的溶解度比Si大。
将上述工艺制备的铝合金复合管材(作为集流管)与口琴管进行散热器的钎焊实验。钎焊完毕的散热器表面光洁,目测结果合格。
图6 复合管材的微观组织
(1)利用自行设计制造的包覆铸造装置,通过优化工艺参数,完成了4045/3003 包覆铸锭的制备,通过反向热挤压和冷拉拔,得到铝合金层状复合管材,并成功进行了钎焊实验。
(2)包覆铸锭界面清晰,曲率规则,无气孔、夹杂,两种合金通过元素扩散结合到一起,合金元素Si 和Mn 垂直于界面,有约15 μm 的扩散层,两种合金实现冶金结合。
(3)界面处显微硬度为56.4 HV,低于4045合金一侧,高于3003 合金一侧;界面抗剪切强度为80.2 MPa,高于3003 铝合金基体,界面结合强度高于3003合金。
(4)在挤压和拉拔过程中,复合管材保持层状结构,界面两侧合金结合良好,没有熔合或相对滑动现象。