铝合金、铝钢复合材料以及冷却管束的制作方法

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种制备铝钢复合材料的铝合金、铝钢复合材料以及冷却管束。

背景技术：

铝钢复合材料是一种金属层状结构复合材料，广泛地用于电力、汽车、厨具、装饰等领域。铝钢复合材料兼具铝合金优良的耐腐蚀性能和导热性能以及钢良好的力学性能等诸多优点，是电站空冷系统核心部件中冷却管束的基管的主要原材料。为了增加该基管的冷却强度，在其外表面装备有翅片，两者通常采用钎焊方式进行连接。采用铝钢复合材料制造的电站空冷系统取代水冷系统，可节约用水75％以上。

目前，工业上使用的钎焊用铝钢复合材料为铝：4a60铝合金，钢：08al超低碳钢。其中，铝钢复合材料的成品厚度在1.4～1.6mm之间，作为包覆层的铝层厚度在0.05～0.09mm之间。由于铝层采用si含量为0.8％的4a60铝合金，故而在进行冷却管束的基管和翅片的钎焊时，还需要复合翅片的覆层提供钎料使得该翅片与该铝层焊合。因此，现有技术通常使用4xxx/3xxx/4xxx复合翅片与基管的铝层进行钎焊，单一3xxx合金的翅片在任何条件下均无法与该铝层成功焊接。

此外，由于铝对氧的亲和力大，铝层表面往往存在一层致密的氧化膜，导致钎料不能够很好地在铝层表面铺展开来，阻碍了钎料原子和铝层原子的相互扩散，最终影响钎焊接头质量；而在焊接过程中，复合翅片有可能发生溶蚀现象，发生溶蚀后，复合翅片强度降低，抗塌性能降低，进而影响复合翅片的散热效果。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明首先提供了一种制备铝钢复合材料的铝合金，其组分按重量百分比为：9.0％-10.5％的si，1.0％-2.0％的mg，0.8％以下的fe，0.1％以下的mn，0.25％以下的cu，0.2％以下的zn，其余为al和不可避免的杂质。

本发明还提供了一种铝钢复合材料，其由覆层和基层复合构成，所述覆层的材料为上述铝合金，所述基层的材料为钢。

优选地，所述基层的材料为普碳钢。

更优选地，所述基层的材料中c的重量百分比为小于0.15％且不为零。

再优选地，所述基层的材料为08al钢。

还优选地，所述基层的材料的组分按重量百分比为：c为0.1％以下且不为零，si为0.15％以下，mn为0.3％以下，p为0.02％以下，s为0.02％以下，其余为fe和不可避免的杂质。优选地，所述基层的材料的组分按重量百分比为：0.007％-0.08％的c，0.012％-0.14％的si，0.19％-0.27％的mn，0.015％-0.02％的p，0.004％-0.02％的s，其余为fe和不可避免的杂质。

优选地，所述覆层和所述基层通过轧制复合构成所述铝钢复合材料。

更优选地，所述覆层厚度为80-100μm。

本发明还提供了一种冷却管束，所述冷却管束包括基管和翅片，所述基管至少一部分是由上述的铝钢复合材料制成，所述翅片与所述铝钢复合材料的覆层连接。

优选地，所述翅片的材料为单一铝合金。单一铝合金为3xxx系铝合金。

本发明提供的铝钢复合材料由于覆铝层为含mg的al-si合金，可以实现真空条件下与单一铝合金的翅片料进行焊接，并且焊接强度符合要求，高达50mpa(翅片料断裂)。由于单一合金翅片成材率较复合合金翅片高，且简化了翅片制备工序，因此使用该铝钢复合材料将大大降低翅片成本费用，而且抗塌性能更优，更不会存在溶蚀等问题。

附图说明

图1为实施例4制得产品的焊角金相组织图；

图2为实施例5制得产品的焊角金相组织图；

图3为实施例6制得产品的焊角金相组织图；

图4为实施例4制得产品的拉伸结果图；以及

图5为实施例4制得产品的钎焊接头(铝)和基层(钢)界面扫描图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明公开了一种制备铝钢复合材料的铝合金，其组分如表1所示。

表1覆层铝化学成分(单位：重量％)

本发明公开了一种铝钢复合材料，其由覆层和基层复合构成，所述覆层的材料为上述铝合金，所述基层的材料为钢。

在一种实施方式中，所述基层的材料为普碳钢。优选地，所述基层的材料中c的重量百分比为小于0.15％且不为零。更优选地，所述基层的材料为08al钢。再优选地，所述基层的材料的组分如表2所示。

表2基层钢化学成分(单位：重量％)

在一种实施方式中，所述覆层厚度为80-100μm。

本发明还公开了上述铝钢复合材料的复合方式，所述覆层和所述基层通过轧制复合构成所述铝钢复合材料，其通常为冷轧或温轧。其中，所述冷轧包括以下步骤：

(1)酸碱洗：对覆层和基层进行酸碱洗以去除脏污；

(2)打磨：对基层表面进行打磨以形成硬化层；

(3)冷轧复合：将经过上述步骤(1)-(2)处理后的覆层和基层叠放并固定，采用单道次40％-60％的压下率进行冷轧复合；

(4)扩散退火：将步骤(3)的冷轧复合产物进行扩散退火即可得到本发明所述铝钢复合材料，退火温度为480-520℃，保温时间为20-28h，气氛为氨气(nh3)。

本发明公开了一种冷却管束，所述冷却管束包括基管和翅片，所述基管至少一部分是由上述的铝钢复合材料制成，所述翅片与所述铝钢复合材料的覆层连接。

在一种实施方式中，所述翅片的材料为单一铝合金。

在一种实施方式中，所述翅片的材料为3xxx系铝合金。

本发明还公开了在上述冷却管束中，所述翅片和所述铝钢复合材料的连接方法为真空钎焊。由于本发明的铝钢复合材料的覆层为含mg的al-si合金，其可作为钎料。而在真空钎焊过程中，覆层中的mg蒸发来破氧化膜，亦无需钎剂破膜。因此，所述铝钢复合材料可以实现真空条件下与单一合金的翅片进行焊接，并且焊接强度符合要求，高达50mpa。

具体地，所述连接方法包括：

(a)预处理：用氢氧化钠稀溶液清洗所述翅片和所述铝钢复合材料以去除油污，用5％硝酸酒精中和残留氢氧化钠，清水清洗并烘干；

(b)组装：将烘干后的所述翅片和所述铝钢复合材料组装；

(c)真空钎焊：组装后的所述翅片和所述铝钢复合材料进行真空钎焊。

其中，采用钎焊炉进行真空钎焊。其真空钎焊制度为：首先线性升温8-10min至400-460℃，保温3-5min，再线性升温10-12min至565-585℃，保温8-10min，最后线性升温8-10min至605-615℃，保温6-10min。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。

下述实施例所用覆层的化学成分如表3所示，所用基层的化学成分如表4所示。

表3实施例1-3的覆层化学成分

表4实施例1-3的基层化学成分

实施例1

本实施例提供一种铝钢复合材料。

制备过程具体如下：

(11)酸碱洗：对覆层和厚度为3.25mm的基层进行酸碱洗以去除脏污；

(12)打磨：对基层表面进行打磨以形成硬化层；

(13)冷轧复合：将经过上述步骤(1)-(2)处理后的覆层和基层叠放并固定，采用单道次40％的压下率进行冷轧复合；

(14)扩散退火：将步骤(13)的冷轧复合产物进行扩散退火即可得到本发明所述铝钢复合材料，退火温度为480℃，保温时间为28h，气氛为氨气。

实施例2

本实施例提供一种铝钢复合材料。

制备过程具体如下：

(21)酸碱洗：对覆层和厚度为3.25mm的基层进行酸碱洗以去除脏污；

(22)打磨：对基层表面进行打磨以形成硬化层；

(23)冷轧复合：将经过上述步骤(1)-(2)处理后的覆层和基层叠放并固定，采用单道次50％的压下率进行冷轧复合；

(24)扩散退火：将步骤(23)的冷轧复合产物进行扩散退火即可得到本发明所述铝钢复合材料，退火温度为500℃，保温时间为26h，气氛为氨气。

实施例3

本实施例提供一种铝钢复合材料。

制备过程具体如下：

(31)酸碱洗：对覆层和厚度为3.25mm的基层进行酸碱洗以去除脏污；

(32)打磨：对基层表面进行打磨以形成硬化层；

(33)冷复合：将经过上述步骤(1)-(2)处理后的覆层和基层叠放并固定，采用单道次60％的压下率进行冷轧复合；

(34)扩散退火：将步骤(33)的冷轧复合产物进行扩散退火即可得到本发明所述铝钢复合材料，退火温度为520℃，保温时间为20h，气氛为氨气。

实施例4

本实施例公开了实施例1制备的铝钢复合材料和3003铝翅片进行钎焊。

具体钎焊过程如下：

(4a)预处理：用氢氧化钠稀溶液清洗所述翅片和所述铝钢复合材料以去除油污，用5％硝酸酒精中和残留氢氧化钠，清水清洗并烘干；

(4b)组装：将烘干后的所述翅片和所述铝钢复合材料组装；

(4c)真空钎焊：组装后的所述翅片和所述铝钢复合材料放入钎焊炉进行真空钎焊，其真空钎焊制度为：首先线性升温10min至460℃，保温3min，再线性升温12min至585℃，保温8min，最后线性升温10min至615℃，保温7min。

钎焊后对所得产物进行金相组织及焊角强度评价，焊角组织如图1，拉伸结果如图4所示，焊接良好，焊角强度较好，翅片断裂而非翅片脱离铝钢复合材料。可见，该铝钢复合材料可满足使用要求。焊后钎焊接头和基层(钢层)扫描结果如图5所示，可见真空钎焊后铝钢界面会有金属间化合物生成，但是该铝钢界面和镀铝钢界面组织类似，其铝钢界面靠近铝侧有feal3中间相，靠近钢侧有fe2al5中间相。镀铝钢界面虽然有金属间化合物的存在，铝钢结合仍然很好，故而经真空钎焊后焊角强度较高。此外，该铝钢复合材料的覆层(铝层)和基层的界面扫描结果也与图4相似，即其铝钢界面和镀铝钢界面类似。

实施例5

本实施例公开了实施例2制备的铝钢复合材料和3003铝翅片进行钎焊。

具体钎焊过程如下：

(5a)预处理：用氢氧化钠稀溶液清洗所述翅片和所述铝钢复合材料以去除油污，用5％硝酸酒精中和残留氢氧化钠，清水清洗并烘干；

(5b)组装：将烘干后的所述翅片和所述铝钢复合材料组装；

(5c)真空钎焊：组装后的所述翅片和所述铝钢复合材料放入钎焊炉进行真空钎焊，其真空钎焊制度为：首先线性升温8min至400℃，保温5min，再线性升温10min至565℃，保温9min，最后线性升温10min至605℃，保温9min。

所得产物的焊角组织如图2。

实施例6

本实施例公开了实施例3制备的铝钢复合材料和3003铝翅片进行钎焊。

具体钎焊过程如下：

(6a)预处理：用氢氧化钠稀溶液清洗所述翅片和所述铝钢复合材料以去除油污，用5％硝酸酒精中和残留氢氧化钠，清水清洗并烘干；

(6b)组装：将烘干后的所述翅片和所述铝钢复合材料组装；

(6c)真空钎焊：组装后的所述翅片和所述铝钢复合材料放入钎焊炉进行真空钎焊，其真空钎焊制度为：首先线性升温9min至430℃，保温4min，再线性升温11min至575℃，保温9min，最后线性升温9min至610℃，保温7min。

所得产物的焊角组织如图3。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。