一种载气钎焊用高强度铝合金复合板及覆层材料的制作方法

本发明主要涉及一种铝合金板，尤其涉及一种载气钎焊用高强度铝合金复合板及覆层材料。

背景技术：

铝合金具有储量丰富，高比强度，传热系数高和易于加工等优异性能，作为热传输材料广泛应用于热交换器领域。为响应国家的“节能减排”战略，热交换器轻量化的需求日趋强烈，开发更轻更薄的热交换器成为一种趋势，如何在保证强度的前提下实现材料减薄是现阶段研究的重点。

其中3xxx系Al-Mn合金又因其冲压性能好，屈服比低，塑性指标大，厚向异性指数低，通常作为铝质热交换器的芯材。

热交换器使用过程中要经受反复的冷热循环和周期性振动，还要承受来自外界环境(雨水、砂粒、泥浆等)以及车辆排放废气的污染，因此要求其具备良好的腐蚀性能。

根据热交换器部件的实际服役条件，热交换器的耐蚀性，分为内部腐蚀性能与外部腐蚀性能两个方面。内部腐蚀也称触水侧腐蚀，热交换器在使用时，管或板一侧会与水或冷却液接触，使用的冷却液里不可避免会有一些金属离子或其它杂质的进入，一旦发生腐蚀穿孔将导致冷却液泄露，就会使热交换器失效，因此对其腐蚀性提出了很高的要求。为了更有效地防止内部腐蚀，目前通常管板内侧复合一层比芯材合金腐蚀电位较低的合金作为牺牲阳极层来保护作为阴极的芯材。现今最常用的内部腐蚀防护设计为包覆Al-1％Zn层，一般用含1％Zn的7072铝合金。

然而目前，为了防止热交换器内部腐蚀而在触水侧添加的腐蚀电位较低的保护层，一般只考虑其腐蚀性能，但强度较低，对材料的整体强度贡献不大，而在热交换器轻量化的需求下，要求触水侧覆层材料除腐蚀性能外还能对整体有一定的强度贡献；此外热交换器在工作过程中还要承受来自冷却液的冲刷，同样对其强度提出了一定的要求。

将Mg添加到覆层材料中不仅可以改善强度，还可以改善耐腐蚀和耐侵蚀性能。

然而，热交换器进行载气钎焊(CAB)时，为破除氧化膜，增加界面活性，会涂覆一层钎剂，而为提高强度和腐蚀性能而加入的Mg在钎焊过程中会扩散至铝合金表面形成MgO，该MgO在钎剂中的溶解度极低，不易溶解，因此会大大降低钎料的流动性。

此外，Mg与钎剂反应还易使钎剂熔点升高而失去活性。因此，含Mg的零部件一般不适合采用载气钎焊方式进行连接，而采用真空钎焊(VB)方式。然而真空钎焊虽然可以获得高质量的器件，但其生产过程必须在近真空状态的(3.5×10-3Pa)封闭式炉体中升温钎焊，生产效率极低。而载气钎焊则可以在惰性气体保护下，实现连续生产，生产效率高，且钎焊不良品可以进行二次钎焊，成品率高达99％。因此开发可用于载气钎焊的含适当含量Mg的铝合金材料成为新的研究方向。

针对上述问题，有必要开发一种触水侧含Mg的载气钎焊(CAB)用铝合金复合材料，在保证材料腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高合金强度。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提供一种载气钎焊用高强度铝合金复合板及覆层材料，在保证材料腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高覆层材料及铝合金复合板的强度。

本发明提供了一种载气钎焊用高强度铝合金复合板的覆层材料，所述覆层材料为含0.8-1.2％质量的Zn、0.3-0.6％质量的Mg、0.1-0.6％质量的Mn、0.1-0.7％质量的Fe的铝合金。

进一步地，所述覆层材料可含有0.1-0.6％质量的Si。

进一步地，所述覆层材料中Cu的质量含量≤0.2％。

进一步地，所述覆层材料中Ti的质量含量≤0.05％。

进一步地，所述覆层材料中Cr的质量含量≤0.05％。

优选地，所述的覆层材料中，Zn的质量含量为0.9-1.1％，Mg的质量含量为0.3-0.45％，Mn的质量含量为0.3-0.5％，Fe的质量含量为0.3-0.6％。

优选地，所述的覆层材料中，Si的质量含量为0.2％-0.5％。

本发明还提供一种利用上述的覆层材料制备成的复合板，所述复合板的芯材为AA3003，所述芯材的一侧复合有所述覆层材料。

上述的复合板，所述芯材的另一侧复合有四系铝合金。

上述的复合板，还可在所述覆层材料的外表面上复合有四系铝合金。

本发明中适量Mg等元素的加入，提高了合金的耐腐蚀性能，同时具有与7072相近的腐蚀电位，与芯材AA3003配合使用提供了牺牲阳极的阴极保护，因而提高了热交换器铝合金复合板触水侧的内部腐蚀性能，延长了热交换器的使用寿命。

此外，在保证触水侧合金具有较低的腐蚀电位、为芯材提供阴极保护的前提下，通过添加Mn、Si、Mg等元素，可在合金热加工、热处理和钎焊过程中通过固溶强化和第二相强化方式产生最佳的强化作用，提高触水侧合金的强度及耐冲刷性能，进而提高复合材料的整体强度，使得其焊后屈服强度不低于60MPa(常规含触水侧的三层复合板焊后屈服强度要求≥45MPa)。

再者，本发明提供的铝合金复合板可用于载气钎焊(CAB)，从而可大大提高钎焊效率和钎焊零部件成品率。由于严格控制了合金中Mg元素的含量(＜0.6％)，不需要使用真空钎焊的方式进行焊接，采用相匹配的新型钎剂，就可以避免Mg在载气钎焊过程中的不利影响，同时防止钎剂饱和的发生。因此该复合板材适合采用CAB钎焊，可实现该材料与其它零部件的载气钎焊生产，具有生产效率高和成品率高的优点。

总之，采用本发明所述的技术方案,通过对触水侧合金成分的调整，在保证材料腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高了覆层材料及铝合金复合板的强度。

附图说明

图1是本发明实施例的三层结构铝合金复合板的结构示意图；

图2是本发明实施例的四层结构铝合金复合板的结构示意图。

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。

本发明提供了一种触水侧含Mg的载气钎焊(CAB)用铝合金复合材料及覆层材料，在保证材料腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，主要是通过对触水侧(即覆层材料)合金成分的调整，来提高合金强度。

本发明中触水侧合金的元素含量范围如下：0.8-1.2％质量的Zn，0.3-0.6％质量的Mg，0.1-0.6％质量的Mn，0.1-0.6％质量的Si，≤0.2％质量的Cu，0.1-0.7％质量的Fe，≤0.05％质量的Ti，≤0.05％质量的Cr，其余为Al和小于0.15％的不可避免杂质。

主要添加元素的说明如下：

1.Zn的质量含量为(0.8-1.2％)

Zn是触水侧合金的主要合金成分之一，能降低触水侧合金的腐蚀电位，为芯材提供阴极保护。但若Zn含量太高，会降低覆层熔点，潜在地使该材料更易碎，加工过程中容易发生剥落脱离，Zn含量太低(低于0.8％)难以与芯材的腐蚀电位相匹配，Zn的添加量为0.8-1.2％，优选为0.9-1.1％。

2.Mg的质量含量为(0.3-0.6％)

Mg主要是以固溶强化的方式提高合金强度，同时还可以与Si配合添加形成Mg₂Si时效强化相，Mg的加入还可以改善腐蚀性能。Mg的添加量为0.3-0.6％，最好为0.3-0.45％，超过0.6％，则CAB钎焊效果不能保证，小于0.3％，强化效果不够。

3.Mn的质量含量为(0.1-0.6％)

Mn可以通过第二相强化及固溶强化提高合金的强度。Mn的添加量为0.1-0.6％，最好为0.3-0.5％。超过0.6％，会使合金电位升高(每增加0.1(wt.％)Mn，合金电位升高5.4mv)，不利于触水侧合金防腐性能的发挥；小于0.1％，则强化效果不足。

4、Fe的质量含量为(0.1-0.7％)

Fe可以和Mn、Si形成亚微米级Al-Mn-Fe-Si相，提高强度。当Fe含量低于0.1％时，制造成本上升；高于0.7％时，则会形成粗大的Al-Fe-Mn-Si初生相，造成加工性能恶化。最优范围为0.3-0.6％。

因而在Zn、Mg、Mn、Fe的含量符合上述要求后，就可实现本发明的目的，即在保证材料腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高覆层材料及复合板合金的强度。下述其它元素的限定对本发明的目的实现会起到更优的技术效果。

5、Si的质量含量为(0.1-0.6％)

Si能和Mn形成亚微米级的Al-Mn-Si弥散相，提高合金强度。Si的含量小于0.1％，则上述效果不足；高于0.6％，则会造成芯材的熔点降低。最优范围为0.2％-0.5％。

6、Cu的质量含量为(≤0.2％)

限制Cu的含量最多为0.2％，Cu增加强度，但也导致更强的正腐蚀电位，因此为配合芯材，触水层的Cu含量应保持足够低。

7、Ti，Cr的质量含量为(≤0.05％)

Ti，Cr作为晶粒细化剂加入，可防止铸造时铸锭开裂。同时在铸锭凝固过程中会形成粗大的化合物，因此最优范围分别为≤0.05％。

本发明铝合金复合材料的结构设计为7072Mod/AA3003/AA4xxx三层结构或AA4xxx/7072Mod/AA3003/AA4xxx四层结构或更多层结构，只要满足覆层材料与芯材直接接触复合以及覆层材料作为触水侧直接外露或上面仅有一层皮材复合。其中四系铝合金AA4xxx作为钎料覆层，在一侧或两侧进行复合。

其中7072Mod是指与7072铝合金相比的改进型铝合金，即本发明限定的至少满足Zn、Mg、Mn含量的覆层铝合金材料。

本发明所涉及的铝合金复合板的加工工艺步骤如下：

合金熔炼铸造：分别按照各自标准熔炼铸造4xxx，3003和7072Mod合金。

铸锭预处理：铸锭切头尾，根据最终成品的应用要求对铸锭进行相应的热处理，并处理至复合所需的厚度。

铣面、复合：铣面后按照一定的顺序以及复合比进行复合固定(复合为三层或四层或更多层结构)。

热轧：将复合后的板料在450-550℃温度范围内进行热轧前的预热，保温2-5h，后将板料热轧至6-10mm，成卷。

冷轧：热轧板在室温下经多道次冷轧至所需的成品厚度。

成品退火：将成品厚度的冷轧板在380±20℃下保温1-4h进行成品退火，获得最终的成品板料。

与背景技术相比，本发明具有以下突出优点：

1、优异的耐腐蚀性能

本发明覆层材料中Zn和少量Mg的加入，提高了合金的耐腐蚀性能，同时Mn的加入可以调和Mg引起的合金电位升高，使其具有与7072铝合金相近的腐蚀电位，与芯材AA3003配合使用后能提供牺牲阳极的阴极保护，进而提高了由复合板制成的热交换器触水侧的内部腐蚀性能，延长了热交换器的使用寿命。

2、高强度

在保证触水侧合金较低的腐蚀电位、为芯材提供阴极保护的前提下，通过添加Mn、Si、Mg、Fe等元素，能够在合金热加工、热处理和钎焊过程中通过固溶强化和第二相强化方式产生最佳的强化作用，提高触水侧合金的强度及耐冲刷性能，进而提高复合材料的整体强度，使得其焊后屈服强度不低于60MPa(常规含触水侧的三层复合板焊后屈服强度要求≥45MPa)。

3、可用于载气钎焊(CAB)，从而大大提高了钎焊效率和钎焊零部件成品率

由于严格控制了覆层材料中Mg元素的含量(＜0.6％)，能够使得由其复合成的复合板不需要使用真空钎焊的方式进行焊接，采用相匹配的新型钎剂，就可以避免Mg在载气钎焊过程中的不利影响，同时可防止钎剂饱和的发生。因此，本发明提供的复合板材适合采用CAB钎焊，可实现该材料与其它零部件的载气钎焊生产，具有生产效率高和成品率高的优点。

实施例1

本发明提供了一种触水侧含Mg的载气钎焊(CAB)用铝合金复合板及覆层材料，在保证材料腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高合金强度。本实施例为一种三层铝合金复合的热交换器板料，其结构如图1所示，中间芯材2为AA3003Mod合金，上皮材1为AA4045，触水侧覆层材料3为AA7072Mod。其中AA4045合金含有10.4％的Si；芯材AA3003含有1.4％的Mn，0.6％的Si，0.7％的Fe，0.2％的Cu，0.1％的Ti，其余为Al和不可避免的杂质；AA7072Mod合金含有1.2％的Zn，0.5％的Mn，0.45％的Mg，0.2％的Si，0.3％的Fe，0.02％的Ti，其余为Al和不可避免的杂质。

本实施例按以下步骤进行：

1)合金熔铸：采用半连续铸造方式铸造AA4045、AA3003和AA7072Mod，铸锭尺寸为450mm(厚)x1300mm(宽)x5000mm(长)。

2)均匀化：AA3003在600±10℃下保温12-15h进行均匀化处理。

3)复合：经表面处理后的AA4045和AA7072Mod热轧至54±0.5mm，然后均分断成5100mm长，与铣面后厚度约为432mm的AA3003合金按照AA4045、AA3003、AA7072Mod的顺序自上而下叠放并固定。

4)热轧：将复合后的材料加热至500℃并保温2-5h，开轧温度为480±20℃，然后经多道次热轧至8±1mm，成卷。

5)冷轧：经多道次冷轧至成品厚度1.2mm±0.01mm。

6)退火：复合材料冷轧卷在380±20℃退火炉中保温2-4h，空冷即得到本发明所述的可载气钎焊高强度复合板料。

复合后复合板的AA4045、AA3003、AA7072Mod的厚度比为(10±2％):(80±2％)：(10±2％)。

本实施例所制备的铝合金复合板料模拟钎焊检测，模拟钎焊工艺为经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表1所示。成品O态板料的屈服强度可高达75MPa，钎焊后仍保持较高的屈服强度，为63MPa，而普通的AA4045/AA3003/AA7072系钎焊板材屈服强度仅为45-55MPa。成品钎焊后进行盐雾腐蚀试验，获得腐蚀穿孔时间为≥8周，而相同结构、厚度的触水侧为7072的三层复合板料盐雾腐蚀穿孔时间同样为≥8周，因此本发明在保证腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高了合金的成品率及焊后强度。

表1实施例1所制备的铝合金复合板料性能

其中，成品O态指经过退火过后的产品。

实施例2

本实施例为一种四层铝合金复合的热交换器板料，其结构如图2所示，上皮材1为AA4045，中间芯材2为AA3003合金，第三层触水侧覆层材料3为AA7072Mod，下皮材同上皮材1也为AA4045。其中AA4045合金含有10.4％的Si；芯材AA3003含有1.5％的Mn，0.6％的Si，0.5％的Fe，0.2％的Cu，0.15％的Ti，其余为Al和不可避免的杂质；AA7072Mod合金含有1.1％的Zn，0.3％的Mn，0.30％的Mg，0.5％的Si，0.6％的Fe，0.05％的Ti，其余为Al和不可避免的杂质。

本实施例按以下步骤进行：

1)合金熔铸：采用半连续铸造方式铸造AA4045、AA7072和AA3003，铸锭尺寸均为450×1120×5100mm。

2)均匀化：AA3003在600±10℃下保温12-15h进行均匀化处理。

3)复合热轧：经表面处理后的AA4045热轧至30±0.5mm，AA7072Mod热轧至150±1.0mm，然后均分断成7850mm长，经均匀化及铣面后的AA3003合金热轧至290±1.0mm，按照AA4045、AA3003、AA7072Mod、AA4045的顺序自上而下叠放并固定。

4)热轧：将复合后的材料加热至500℃并保温2-5h，开轧温度为480±20℃，然后经多道次热轧至8±1mm，成卷。

5)冷轧：经多道次冷轧至成品厚度1.5±0.01mm。

6)退火：复合材料冷轧卷在380±20℃退火炉中保温2-4h，空冷即得到本发明所述的可载气钎焊高强度复合管料。

复合后复合板的AA4045、AA3003、AA7072Mod、AA4045的厚度比为(6±1％):(58±2％)：(30±2％)：(6±1％)。

本实施例所制备的铝合金复合板料模拟钎焊检测，模拟钎焊工艺为经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表2所示。成品屈服强度达到71MPa，钎焊后屈服强度为61MPa。成品钎焊后的盐雾腐蚀穿孔时间为≥8周，具有优异的耐腐蚀性能。

表2实施例2所制备的铝合金复合板料性能

实施例3

本发明提供了一种触水侧含Mg的载气钎焊(CAB)用铝合金复合板及覆层材料，在保证材料腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高合金强度。本实施例为一种三层铝合金复合的热交换器板料，其结构如图1所示，中间芯材2为AA3003合金，上皮材1为AA4045，触水侧覆层材料3为AA7072Mod。其中AA4045合金含有10.4％的Si；芯材AA3003含有1.4％的Mn，0.6％的Si，0.7％的Fe，0.2％的Cu，0.1％的Ti，其余为Al和不可避免的杂质；AA7072Mod合金含有0.8％的Zn，0.6％的Mn，0.6％的Mg，0.6％的Si，0.7％的Fe，0.05％的Cr，其余为Al和不可避免的杂质。

本实施例按以下步骤进行：

1)合金熔铸：采用半连续铸造方式铸造AA4045、AA3003和AA7072Mod，铸锭尺寸为450mm(厚)x1300mm(宽)x5000mm(长)。

2)均匀化：AA3003Mod在600±10℃下保温12-15h进行均匀化处理。

3)复合：经表面处理后的AA4045和AA7072Mod热轧至54±0.5mm，然后均分断成5100mm长，与铣面后厚度约为432mm的AA3003合金按照AA4045、AA3003、AA7072Mod的顺序自上而下叠放并固定。

4)热轧：将复合后的材料加热至500℃并保温2-5h，开轧温度为480±20℃，然后经多道次热轧至8±1mm，成卷。

5)冷轧：经多道次冷轧至成品厚度1.2mm±0.01mm。

6)退火：复合材料冷轧卷在380±20℃退火炉中保温2-4h，空冷即得到本发明所述的可载气钎焊高强度复合板料。

复合后复合板的AA4045、AA3003、AA7072Mod的厚度比为(10±2％):(80±2％)：(10±2％)。

本实施例所制备的铝合金复合板料模拟钎焊检测，模拟钎焊工艺为经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表1所示。成品O态板料的屈服强度可高达76MPa，钎焊后仍保持较高的屈服强度，为65MPa，而普通的AA4045/AA3003/AA7072系钎焊板材屈服强度仅为45-55MPa。成品钎焊后进行盐雾腐蚀试验，获得腐蚀穿孔时间为≥8周，而相同结构、厚度的触水侧为7072的三层复合板料盐雾腐蚀穿孔时间同样为≥8周，因此本发明在保证腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高了合金的成品率及焊后强度。

表3实施例3所制备的铝合金复合板料性能

实施例4

本发明提供了一种触水侧含Mg的载气钎焊(CAB)用铝合金复合板及覆层材料，在保证材料腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高合金强度。本实施例为一种三层铝合金复合的热交换器板料，其结构如图1所示，中间芯材2为AA3003合金，上皮材1为AA4045，触水侧覆层材料3为AA7072Mod。其中AA4045合金含有10.4％的Si；芯材AA3003含有1.2％的Mn，0.8％的Si，0.5％的Fe，0.5％的Cu，0.1％的Ti，其余为Al和不可避免的杂质；AA7072Mod合金含有0.9％的Zn，0.1％的Mn，0.5％的Mg，0.1％的Si，0.1％的Fe，0.01％的Ti，0.03的Cr，其余为Al和不可避免的杂质。

本实施例按以下步骤进行：

1)合金熔铸：采用半连续铸造方式铸造AA4045、AA3003和AA7072Mod，铸锭尺寸为450mm(厚)x1300mm(宽)x5000mm(长)。

2)均匀化：AA3003在600±10℃下保温12-15h进行均匀化处理。

3)复合：经表面处理后的AA4045和AA7072Mod热轧至54±0.5mm，然后均分断成5100mm长，与铣面后厚度约为432mm的AA3003合金按照AA4045、AA3003、AA7072Mod的顺序自上而下叠放并固定。

4)热轧：将复合后的材料加热至500℃并保温2-5h，开轧温度为480±20℃，然后经多道次热轧至8±1mm，成卷。

5)冷轧：经多道次冷轧至成品厚度1.2mm±0.01mm。

6)退火：复合材料冷轧卷在380±20℃退火炉中保温2-4h，空冷即得到本发明所述的可载气钎焊高强度复合板料。

复合后复合板的AA4045、AA3003、AA7072Mod的厚度比为(10±2％):(80±2％)：(10±2％)。

本实施例所制备的铝合金复合板料模拟钎焊检测，模拟钎焊工艺为经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表1所示。成品O态板料的屈服强度可高达70MPa，钎焊后仍保持较高的屈服强度，为62MPa，而普通的AA4045/AA3003/AA7072系钎焊板材屈服强度仅为45-55MPa。成品钎焊后进行盐雾腐蚀试验，获得腐蚀穿孔时间为≥8周，而相同结构、厚度的触水侧为7072的三层复合板料盐雾腐蚀穿孔时间同样为≥8周，因此本发明在保证腐蚀性能且不影响载气钎焊焊接效果的前提下，提高了合金的成品率及焊后强度。

表4实施例4所制备的铝合金复合板料性能

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。