CN117900397A - 一种抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，包括步骤：按芯材铝合金质量百分比组分熔炼、静置、除气和过滤，将包覆层铝合金预热至210～290℃，在铸嘴‑铸轧辊形成的三角区内以连续铸轧方式将包覆层铝合金结合在熔融态芯材铝合金板带表面使包覆层铝合金和熔融态芯材铝合金板带在固液两相区间结合，获得铝合金层状复合材料坯料；对铝合金层状复合材料坯料进行扩散退火，再经过冷粗轧、中间退火、冷精轧、成品退火；其中，芯材铝合金的质量百分比组分包括Mn：0.5%～2.0%，Cu：0.3%～0.8%，Si：≤0.5%，Fe：≤0.2%，其余为铝；所述芯材铝合金的浇铸温度为650～665℃，液相比例为65%～80%。本发明可提高材料的抗熔蚀和耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金层状复合材料的制备方法，属于层状合金制备技术领域。
背景技术
轧制复合工艺是应用最为广泛的固⁃固复合法，目前生产水冷板、散热器等换热用钎焊铝板带材主要还是采用轧制复合的工艺生产，对点焊叠放在一起的双金属复合板进行大压下量轧制，使双金属材料发生塑性变形，基层与覆层表面的氧化皮破损，从而在基层与覆层的结合面上产生原子键合。
轧制复合工艺简单成熟，制备成本低廉，但层厚结构参数难以精确控制，特别难以合成高致密度的产品。先点焊后轧制复合的过程易在界面形成缺陷，材料之间不同的膨胀系数易导致界面上的高内应力。在后序生产轧制过程中，随着不均匀内应力的释放，就会显著地影响并改变铝板的外形，从而造成不良板形。形成的界面属于固固结合界面，需要依靠后期的退火及轧制过程中的塑性变形产生原子键合，界面致密度不够，结构上的层层分离使得元素扩散变困难。
这些问题就导致在成品钎焊退火的过程中，较高的钎焊温度和界面的高内应力同时驱动元素扩散和材料的再结晶行为，皮材的熔融、元素的扩散和再结晶伴随钎焊过程同时发生，相互作用。因此，复合钎焊铝板带材产品的最大问题就是钎焊熔蚀严重。同时，熔蚀造成的Si、Cu元素扩散进一步导致材料耐腐蚀性能下降，产生晶间腐蚀，易造成散热器、冷凝器穿孔失效等问题。
现有技术有将铸轧运用于复合钎焊铝板带材制备中，在铝铸轧机上实现铝铝复合，从铸轧卷直接进行薄带冷轧，促使铝铝合金两种金属达到冶金结合。虽然其能够减小产品内应力，但是铸轧组织容易出现表面细小内部极度粗大的不均匀组织，还存在结晶取向性强、成分偏析严重及元素过饱和等缺陷，为钎焊过程中溶蚀提供了路径，形成更多的腐蚀微电池，也更容易导致复合钎焊铝板带箔材后期的熔蚀和腐蚀。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，目的是解决复合钎焊铝板带箔材后期的熔蚀和腐蚀问题。
本发明技术方案如下：一种抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按芯材铝合金质量百分比组分熔炼、静置、除气和过滤，将包覆层铝合金预热至210～290℃，在铸嘴-铸轧辊形成的三角区内以连续铸轧方式将包覆层铝合金结合在熔融态芯材铝合金板带表面使所述包覆层铝合金和所述熔融态芯材铝合金板带在固液两相区间结合，获得铝合金层状复合材料坯料；对铝合金层状复合材料坯料进行扩散退火，再经过冷粗轧、中间退火、冷精轧、成品退火后得到抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料；
其中，所述芯材铝合金的质量百分比组分包括Mn：0.5%～2.0%，Cu：0.3%～0.8%，Si：≤0.5%，Fe：≤0.2%，其余为铝；所述芯材铝合金的浇铸温度为650～665℃，液相比例为65%～80%；
进一步地，所述铸轧辊出口处温度为450～550℃，所述包覆层铝合金和所述熔融态芯材铝合金板带的结合处温度为350～450℃。
进一步地，所述芯材铝合金的熔炼的温度为690～760℃，静置的温度为680～750℃，除气的温度为670～745℃。
进一步地，所述包覆层铝合金是牌号为4045、4343、7072或3003的铝合金或者是牌号为4045、4343、7072或3003的铝合金的改性合金。
进一步地，所述包覆层铝合金位于所述熔融态芯材铝合金板带的上下两面中至少一面，所述熔融态芯材铝合金板带的一面上的所述包覆层铝合金至少设有一层。
进一步地，所述包覆层铝合金和所述熔融态芯材铝合金板带在固液两相区间结合时的走坯速度为0.7～1.6 m/min。
进一步地，所述铝合金层状复合材料坯料中芯材铝合金的厚度占比为70%～85%。
进一步地，所述扩散退火是将所述铝合金层状复合材料坯料置于氮气气氛下进行，温度为420～460℃，保温5～15h。
进一步地，所述中间退火是将冷粗轧后材料加热至250～330℃，保温6～16h。
进一步地，所述铝合金层状复合材料坯料的厚度为5～10mm，所述成品退火后得到的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的厚度为0.1～2.0mm。
本发明在铸轧过程中对包覆层铝合金进行整体预热，芯材铝合金浇铸温度较传统铸轧温度降低了约100℃，减小包覆层铝合金与高温铝液的温度差，减少凝固层的产生，避免大量凝固层在高温的铝液作用下重熔进而在此过程中发生剧烈的能量传输和分子扩散，减小了温度梯度和浓度梯度，有助于提高铸轧组织内部均匀性。
制备过程中对芯材铝合金浇铸温度进行控制，以控制适当的液相比例，当浇铸温度较低时，铝液固态含量高，会在铸嘴处凝固，对铸嘴的寿命造成损害并产生轧制区变形不均匀等缺陷；当浇铸温度较高时，铝液完全呈液态，就会产生传统铸轧的缺点。
包覆层铝合金和熔融态芯材铝合金板带在固液两相区间结合有效避免了铸轧过程中铝液结晶条件差异导致的冷却强度不均匀问题，使铝合金层状复合材料具有均匀的显微组织，减少结晶取向性、成分偏析及元素过饱和等缺陷。避免成品钎焊过程中的元素扩散与皮材熔融过程相互作用，从而提高铝合金复合材料的抗熔蚀性和耐腐蚀性能。
另外，在包覆层铝合金和熔融态芯材铝合金板带在固液两相区间结合时控制走坯速度以进一步控制铸轧质量，当走坯速度较快时，会产生熔融的铝漏液的现象；当走坯速度较慢时，铸轧接触时间较长，会引起铝带表面过烧和起泡。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明在提高生产效率、降低成本的同时，形成铝铝合金之间的冶金结合，避免点焊后轧制复合时产生的内应力和体积应力，显著降低内应力，改善铝合金层状复合材料的板形，提高不同层间的结合强度。已经形成的冶金结合大大降低了钎焊过程中皮材熔融、元素扩散和再结晶的相互作用，减少了熔蚀，提高了材料的耐腐蚀性能，提高散热器、冷凝器寿命。本发明获得的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料SAG性≤20mm，SWAAT海水腐蚀50天不穿孔。相比于焊接后轧制，本发明还减少了熔铸、点焊等工艺步骤，大大节约了生产成本，简化生产流程，提高生产效率。
附图说明
图1为包覆层铝合金与芯材铝合金铸轧复合过程示意图。
图2为实施例1制得的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料钎焊前的金相图。
图3为实施例1制得的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料钎焊后的金相图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置芯材铝合金1配方，芯材铝合金1质量百分比组分为Mn：1.0%，Cu：0.5%，Si：0.3%，Fe：≤0.1%，余量为铝，对各原料加热熔炼，静置，除气，过滤，其中熔炼温度720℃，静置温度710℃，除气温度705℃。
（2）包覆层铝合金2选择牌号为4045和7072的铝合金，对包覆层铝合金2板带材进行整体双面预热，预热温度为250℃。
（3）如图1所示，在铸嘴-铸轧辊3形成的三角区内将包覆层合金2通过低温铸造工艺连续铸到熔融态芯材铝合金1上，两种不同牌号的包覆层铝合金2位于芯材铝合金1的上下两面。精确控制铸轧工艺参数，浇铸温度控制为655～660℃，由Jmatpro软件计算可得此时芯材铝合金1的液相比例为65%～80%，使熔融态芯材铝合金1和包覆铝合金2板带在固液两相区间结合，获得三层结构的铝合金层状复合材料坯料。铸轧过程中走坯速度为1.2 m/min，铸轧辊3出口处温度为520℃，控制铝铝复合带界面结合处的温度约为425℃，界面铸轧复合效果良好。获得的铝合金层状复合材料铸轧坯料厚度7.5mm，芯材铝合金占总厚度的80%。
（4）对铸好得铝合金层状复合材料坯料进行扩散退火；扩散退火在氮气气氛下进行，温度为440℃，保温10小时。
（5）经过冷粗轧、中间退火、冷精轧、成品退火后将铝合金层状复合材料进行分切，得到不同宽度的铝合金板、带，中间退火温度为290℃，保温时间12小时，冷精轧后成品厚度为0.4mm。
本实施例得到的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料成品金相图如图2所示，在钎焊后其金相图如图3所示。抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的SAG性=18 mm，SWAAT海水腐蚀50天不穿孔。
实施例2
抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置芯材铝合金配方，芯材铝合金质量百分比组分为Mn：1.5%，Cu：0.6%，Si：0.5%，Fe：≤0.1%，余量为铝，对各原料加热熔炼，静置，除气，过滤，其中熔炼温度695℃，静置温度685℃，除气温度675℃。
（2）包覆层铝合金选择牌号为4343的铝合金，对包覆层铝合金板带材进行整体双面预热，预热温度为220℃。
（3）在铸嘴-铸轧辊形成的三角区内将包覆层合金通过低温铸造工艺连续铸到熔融态芯材铝合金上，包覆层铝合金位于芯材铝合金的上表面。精确控制铸轧工艺参数，浇铸温度控制为650～655℃，由Jmatpro软件计算可得此时芯材铝合金的液相比例为65%～80%，使熔融态芯材铝合金和包覆铝合金板带在固液两相区间结合，获得两层结构的铝合金层状复合材料坯料。铸轧过程中走坯速度为1.5 m/min，铸轧辊出口处温度为465℃，控制铝铝复合带界面结合处的温度约为370℃，界面铸轧复合效果良好。获得的铝合金层状复合材料铸轧坯料厚度9mm，芯材铝合金占总厚度的85%。
（4）对铸好得铝合金层状复合材料坯料进行扩散退火；扩散退火在氮气气氛下进行，温度为420℃，保温15小时。
（5）经过冷粗轧、中间退火、冷精轧、成品退火后将铝合金层状复合材料进行分切，得到不同宽度的铝合金板、带，中间退火温度为250℃，保温时间16小时，冷精轧后成品厚度为1.0mm。
本实施例得到的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的SAG性=17 mm，SWAAT海水腐蚀50天不穿孔。
实施例3
抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置芯材铝合金配方，芯材铝合金质量百分比组分为Mn：0.7%，Cu：0.6%，Si：0.1%，Fe：0.14%，余量为铝，对各原料加热熔炼，静置，除气，过滤，其中熔炼温度760℃，静置温度750℃，除气温度745℃。
（2）包覆层铝合金选择牌号为4343和7072的铝合金以及增加Zn元素的牌号为3003的铝合金，其中Zn质量百分比为1.2±0.1，对包覆层铝合金板带材进行整体双面预热，预热温度为285℃。
（3）在铸嘴-铸轧辊形成的三角区内将包覆层合金通过低温铸造工艺连续铸到熔融态芯材铝合金上，芯材铝合金的上表面依次为增加Zn元素的牌号为3003的铝合金和牌号为4343铝合金，芯材铝合金的下表面为牌号为7072的铝合金。精确控制铸轧工艺参数，浇铸温度控制为657～665℃，由Jmatpro软件计算可得此时芯材铝合金的液相比例为65%～80%，使熔融态芯材铝合金和包覆铝合金板带在固液两相区间结合，获得两层结构的铝合金层状复合材料坯料。铸轧过程中走坯速度为0.8 m/min，铸轧辊出口处温度为530℃，控制铝铝复合带界面结合处的温度约为420℃，界面铸轧复合效果良好。获得的铝合金层状复合材料铸轧坯料厚度6mm，芯材铝合金占总厚度的75%。
（4）对铸好得铝合金层状复合材料坯料进行扩散退火；扩散退火在氮气气氛下进行，温度为460℃，保温5小时。
（5）经过冷粗轧、中间退火、冷精轧、成品退火后将铝合金层状复合材料进行分切，得到不同宽度的铝合金板、带，中间退火温度为330℃，保温时间6小时，冷精轧后成品厚度为0.27mm。
本实施例得到的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的SAG性=20 mm，SWAAT海水腐蚀50天不穿孔。
实施例4
抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置芯材铝合金配方，芯材铝合金质量百分比组分为Mn：2.0%，Cu：0.8%，Si：0.5%，Fe：≤0.1%，余量为铝，对各原料加热熔炼，静置，除气，过滤，其中熔炼温度690℃，静置温度680℃，除气温度670℃。
（2）包覆层铝合金选择牌号为4343的铝合金，对包覆层铝合金板带材进行整体双面预热，预热温度为210℃。
（3）在铸嘴-铸轧辊形成的三角区内将包覆层合金通过低温铸造工艺连续铸到熔融态芯材铝合金上，包覆层铝合金位于芯材铝合金的上表面。精确控制铸轧工艺参数，浇铸温度控制为650～658℃，由Jmatpro软件计算可得此时芯材铝合金的液相比例为65%～80%，使熔融态芯材铝合金和包覆铝合金板带在固液两相区间结合，获得两层结构的铝合金层状复合材料坯料。铸轧过程中走坯速度为1.6 m/min，铸轧辊出口处温度为520℃，控制铝铝复合带界面结合处的温度约为420℃，界面铸轧复合效果良好。获得的铝合金层状复合材料铸轧坯料厚度9mm，芯材铝合金占总厚度的85%。
（4）对铸好得铝合金层状复合材料坯料进行扩散退火；扩散退火在氮气气氛下进行，温度为450℃，保温8小时。
（5）经过冷粗轧、中间退火、冷精轧、成品退火后将铝合金层状复合材料进行分切，得到不同宽度的铝合金板、带，中间退火温度为310℃，保温时间10小时，冷精轧后成品厚度为1.8mm。
本实施例得到的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的SAG性=19 mm，SWAAT海水腐蚀50天不穿孔。
实施例5
抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置芯材铝合金配方，芯材铝合金质量百分比组分为Mn：0.5%，Cu：0.3%，Si：0.3%，Fe：≤0.1%，余量为铝，对各原料加热熔炼，静置，除气，过滤，其中熔炼温度760℃，静置温度750℃，除气温度745℃。
（2）包覆层铝合金选择牌号为4343的铝合金，对包覆层铝合金板带材进行整体双面预热，预热温度为250℃。
（3）在铸嘴-铸轧辊形成的三角区内将包覆层合金通过低温铸造工艺连续铸到熔融态芯材铝合金上，包覆层铝合金位于芯材铝合金的上表面。精确控制铸轧工艺参数，浇铸温度控制为655～663℃，由Jmatpro软件计算可得此时芯材铝合金的液相比例为65%～80%，使熔融态芯材铝合金和包覆铝合金板带在固液两相区间结合，获得两层结构的铝合金层状复合材料坯料。铸轧过程中走坯速度为1.0 m/min，铸轧辊出口处温度为500℃，控制铝铝复合带界面结合处的温度约为370℃，界面铸轧复合效果良好。获得的铝合金层状复合材料铸轧坯料厚度1.2mm，芯材铝合金占总厚度的85%。
（4）对铸好得铝合金层状复合材料坯料进行扩散退火；扩散退火在氮气气氛下进行，温度为440℃，保温10小时。
（5）经过冷粗轧、中间退火、冷精轧、成品退火后将铝合金层状复合材料进行分切，得到不同宽度的铝合金板、带，中间退火温度为280℃，保温时间13小时，冷精轧后成品厚度为0.2mm。
本实施例得到的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的SAG性=20 mm，SWAAT海水腐蚀50天不穿孔。
对比例
抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置芯材铝合金配方，芯材铝合金质量百分比组分为Mn：1.0%，Cu：0.5%，Si：0.3%，Fe：≤0.1%，余量为铝，对各原料加热熔炼，静置，除气，过滤，其中熔炼温度720℃，静置温度710℃，除气温度705℃。
（2）包覆层铝合金选择牌号为4045和7072的铝合金，对包覆层铝合金板带材进行整体双面预热，预热温度为100℃。
（3）在铸嘴-铸轧辊形成的三角区内将包覆层合金连续铸到熔融态芯材铝合金上，两种不同牌号的包覆层铝合金位于芯材铝合金的上下两面。精确控制铸轧工艺参数，浇铸温度控制为680～690℃，由Jmatpro软件计算可得此时芯材铝合金的液相比例为100 %，获得三层结构的铝合金层状复合材料坯料。铸轧过程中走坯速度为0.9 m/min，铸轧辊出口处温度为530℃，铝铝复合带界面结合处的温度约为470℃，获得的铝合金层状复合材料铸轧坯料厚度7.5mm，芯材铝合金占总厚度的80%。
（4）对铸好得铝合金层状复合材料坯料进行扩散退火；扩散退火在氮气气氛下进行，温度为460℃，保温10小时。
（5）经过冷粗轧、中间退火、冷精轧、成品退火后将铝合金层状复合材料进行分切，得到不同宽度的铝合金板、带，中间退火温度为255℃，保温时间15小时，冷精轧后成品厚度为0.4mm。
本对比例得到的铝合金层状复合材料的SAG性=26 mm，SWAAT海水腐蚀45天穿孔。
上述实施例和对比例中性能测试说明如下：
SAG性测试方法如下：试样平行于轧制方向制备，试样宽度为22 mm，将试样固定在抗下垂性试验装置上并测量试样自由端在钎焊环境前后的差值。试样固定中心至自由端的长度为50 mm，将马弗炉加热至605 ℃后将试验装置平稳放入炉中，5min后将试验装置移出炉外空冷测量其自由端下垂距离。SWAAT海水测试标准为 ASTM/G 85-1998改性盐雾试验方法。
Claims (10)
1.一种抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：按芯材铝合金质量百分比组分熔炼、静置、除气和过滤，将包覆层铝合金预热至210～290℃，在铸嘴-铸轧辊形成的三角区内以连续铸轧方式将包覆层铝合金结合在熔融态芯材铝合金板带表面使所述包覆层铝合金和所述熔融态芯材铝合金板带在固液两相区间结合，获得铝合金层状复合材料坯料；对铝合金层状复合材料坯料进行扩散退火，再经过冷粗轧、中间退火、冷精轧、成品退火后得到抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料；
其中，所述芯材铝合金的质量百分比组分包括Mn：0.5%～2.0%，Cu：0.3%～0.8%，Si：≤0.5%，Fe：≤0.2%，其余为铝；所述芯材铝合金的浇铸温度为650～665℃，液相比例为65%～80%。
2.根据权利要求1所述的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述铸轧辊出口处温度为450～550℃，所述包覆层铝合金和所述熔融态芯材铝合金板带的结合处温度为350～450℃。
3.根据权利要求1所述的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述芯材铝合金的熔炼的温度为690～760℃，静置的温度为680～750℃，除气的温度为670～745℃。
4.根据权利要求1所述的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述包覆层铝合金是牌号为4045、4343、7072或3003的铝合金或者是牌号为4045、4343、7072或3003的铝合金的改性合金。
5.根据权利要求1所述的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述包覆层铝合金位于所述熔融态芯材铝合金板带的上下两面中至少一面。
6.根据权利要求1所述的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述包覆层铝合金和所述熔融态芯材铝合金板带在固液两相区间结合时的走坯速度为0.7～1.6 m/min。
7.根据权利要求1所述的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝合金层状复合材料坯料中芯材铝合金的厚度占比为70%～85%。
8.根据权利要求1所述的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述扩散退火是将所述铝合金层状复合材料坯料置于氮气气氛下进行，温度为420～460℃，保温5～15h。
9.根据权利要求1所述的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述中间退火是将冷粗轧后材料加热至250～330℃，保温6～16h。
10.根据权利要求1所述的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝合金层状复合材料坯料的厚度为5～10mm，所述成品退火后得到的抗熔蚀高耐蚀铝合金层状复合材料的厚度为0.1～2.0mm。
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