一种镀Ni钎焊铝合金复合板及其制备方法和应用与流程

本发明涉及铝合金材料技术领域，尤其是一种镀ni钎焊铝合金复合板及其制备方法和应用，材料主要用于汽车热交换器、新能源电动汽车电池包等热管理系统的主要散热元件液冷板和电子通信产品均温及散热用的吹胀板制造。

背景技术：

热交换器是汽车热管理系统的重要散热部件，在市场需求推动下，其工程材料经历了不同的发展阶段。20世纪70年代初，因当时石油危机、铜价上涨、减轻汽车重量，法国valeo开始用机械装配式铝热交换器，开启了以铝代铜的轻量化途径；20世纪70年代后期，美国ford开始用真空钎焊工艺制造汽车水箱，耐腐蚀问题成为热点之一，复合材料开始应用；20世纪80年代无腐蚀性钎剂alcan的kf-alf3（nocolok钎剂）的发明，由于高效率，低成本推动了铝钎焊技术的迅猛发展，汽车铝热交换器被欧美国家广泛应用。本世纪初汽车热交换器几乎进入全铝化，近十余年来新能源汽车迅猛发展，电池包是其动力及储能核心部件，而电池包的热管理直接影响电池箱内电池的温度均匀性和及时散热，也是影响电池使用时间及寿命、重量、提高续航里程的重要因素之一，铝合金复合板制造的液冷板较好的满足了市场发展需求，因而成为新能源汽车行业的应用研究的热点。

2012年以来，5g无线容量需求增长超过250倍，高功耗、高速率/超高速、高集成度，给无线基站散热、尺寸和重量带来极大挑战。体积小、重量轻、散热好成为通信产品的持续追求。当前，商用的无线基站壳体用压铸铝合金材料导热性能呈现持续提高趋势，经多年持续研究开发，导热系数从常用adc12的92w/(m·k)到alsi6的175w/(m·k)，导热性能提高了90％。但随着电子通讯技术发展，仍然无法满足下一代电子通信产品对压铸铝合金材料高导热性能的需求。为进一步提高基站散热能力，借鉴冰箱等家电的冷凝器产品，开发了采用吹胀均温板，嵌入无线基站压铸壳体上的沟槽，替代压铸成型的散热齿，散热齿的导热系数从常用alsi6的175w/(m•k)提高到500～1000w/(m•k)。

无论是新能源汽车电池包热管理系统用的液冷板，还是电子通信产品热管理使用的吹胀板，广泛采用3003/4343双层复合铝合金板，其具体结构如图1所示，包括基材层1和包覆层2，如图2所示铝合金复合板生产工艺流程如下：

芯材和复合层合金分别轧制一定厚度；

–将轧制的带材在冷轧复合前进行表面处理；

–根据复合合金要求进行冷轧复合；

–要求大道次压下量；

–随后根据最终产品要求进行热处理和进一步轧制成品厚度。

目前液冷板和吹胀板生产工艺流程如下：

液冷板生产工艺流程：原材料（复合铝板，或铝板）→下料（激光切割或冲压）→盖板流道成型（气胀、液胀、或冲压成型）→盖板切边（激光或冲压）→折弯→清洗→涂钎剂→合装→钎焊→漏检→入库。

吹胀板生产工艺流程：原材料（复合铝板，或铝板）→下料（激光切割或冲压）→盖板流道成型（气胀、液胀、或冲压成型）→清洗→涂钎剂→钎焊→冲压→激光切边→焊接管→保压测试→充注冷媒→激光封口→检验→入库。

从上述生产工艺流程可以看出，由于当前采用的3003/4343双层复合铝合金板，无法实现无钎剂生产，液冷板和吹胀板生产工艺都有涂钎剂工序，需要占用较大生产场地，建设隧道式钎剂喷淋及烘烤线，投资大，生产流程长，效率低，不利于产品规模化批量生产。

技术实现要素：

本发明的一个目的是：克服现有技术中的不足，提供一种镀ni钎焊铝合金复合板，该复合板耐腐蚀性强，抗冲击性强，使用寿命长达10年以上，且采用该铝合金复合板制备液冷板和吹胀板的过程中可以取消涂钎剂工序，节省了生产线建设投资，使用方便，流程短，效率高，有利于产品规模化批量生产。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种镀ni钎焊铝合金复合板，所述复合板包括3003铝板基材层、4343铝板包覆层以及位于4343铝板包覆层表面的镀镍层。

进一步的，所述镀镍层的厚度为3~5μm。

进一步的，所述3003铝板基材层的质量百分含量组成为si0.5%～0.7%，fe0.6%～0.8%，cu0.05%～0.20%，mn1.0%～1.5%，zn0.05%～0.15%，其他杂质元素不超过0.15%，其他杂质元素中单个元素不超过0.05%，其余成分为al；

所述4343铝板包覆层的质量百分含量组成为si6.8%～8.2%，fe0.7%～0.9%，cu0.15%～0.25%，mn0.05～0.15%，zn0.15%～0.25%，其他杂质元素不超过0.15%其他杂质元素中单个元素不超过0.05%，其余成分为al。

进一步的，所述铝合金复合板中包覆层与基体层厚度比为1:20～1:10。

本发明的另一个目的是：克服现有技术中的不足，提供一种镀ni钎焊铝合金复合板的制备方法，该制备方法有效解决了当前广泛使用3003/4343双层复合铝合金板不能直接钎焊的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种镀ni钎焊铝合金复合板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

s1对3003铝板基材层以及4343铝板包覆层分别进行表面处理；

s2对表面处理后的3003铝板基材层以及4343铝板包覆层依次进行叠合冷轧、扩散退火、重复冷轧及中间退火操作，直至轧制厚度满足要求；

s3包覆层表面处理后，在包覆层表面镀镍。

进一步的，3003铝板基材层以及4343铝板包覆层的表面处理具体包括：先采用ph值4.0～6.0的清洗液超声波及喷淋处理除油去污去氧化膜，然后110℃～130℃烘干30分钟～40分钟，确保铝板表面清洁、干燥。

进一步的，步骤s2具体包括将符合基体层材料成分的坯料热轧为3mm～5mm厚度铝板，与符合包覆层材料成分的坯料冷轧为0.8mm～1mm厚度铝板或铝箔进行叠合冷轧，300℃～450℃退散退火，保温时间2h～4h；重复冷轧及中间退火操作，直至轧制厚度0.4mm～1.0mm，根据技术要求，获得不同厚度规格的复合铝板。

进一步的，所述步骤s3包括电镀前对非电镀面进行绝缘保护，然后包覆层表面经ph值5.0～10.0的清洗液超声波及喷淋处理除油去污，碱蚀，酸洗，然后对包覆层表面采用化学浸锌工艺进行前处理，沉积0.1μm～0.3μm的锌层，经化学浸锌后，进入镀镍工序，电镀溶液的镍盐浓度应在200g/l～300g/l，ph值5.0～6.0，温度40℃～60℃，电流0.5a/dm²～4a/dm²，时间5分钟～20分钟，镀层厚度2μm～5μm。

进一步的，所述包覆层表面镀镍包括但不限于电镀ni、化学镀ni、冷喷涂ni、pvd、激光熔覆工艺制备镀ni层。

本发明还有一个目的是：提供一种镀ni钎焊铝合金复合板在液冷板和吹胀板生产中的应用。

采用本发明的技术方案的有益效果是：

本发明中镀ni钎焊铝合金复合板，有效解决了当前广泛使用3003/4343双层复合铝合金板不能直接钎焊的问题。

采用本发明中的镀ni钎焊铝合金复合板来制备液冷板和吹胀板，取消涂钎剂工序后，生产效率提升20%～30%，不用投资建设钎剂喷淋生产线、烘烤炉及其附属设施，减少了相关生产车间场地占用，显著提高了投资回报率。

本发明中的镀ni钎焊铝合金复合板，焊后抗拉强度≥130mpa，屈服强度≥50mpa，显著优于普通板材焊后的抗拉强度≥110mpa，屈服强度≥40mpa。

附图说明

图1为改进前的铝合金复合板的结构示意图。

图2为改进前的铝合金复合板的生产工艺流程图。

图3为改进后的铝合金复合板的结构示意图。

图4为改进后的铝合金复合板的生产工艺流程图。

图中：1基体材料层，2包覆材料层，3镀ni层。

具体实施方式

现在结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但是这些实施例不是对本发明保护范围的限制。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

通常情况下，合金元素对铝合金板的性能影响如下：

si：改善流动性能的主要成份。从共晶到过共晶都能得到最好的流动性。但结晶析出的si易形成硬点，使切削性变差，所以一般都不让它超过共晶点。另外，si可改善抗拉强度、硬度、切削性以及高温时强度，而使延伸率降低。

mg：抑制晶粒间的腐蚀而加入少量，镁含量超过了规定值，就会使流动性变差，并且也容易产生热脆性，冲击值也降低。作为杂质的mg，在al合金中的mg2si会使材料变脆，一般标准在0.3%以内。

zn：若含有杂质zn，高温脆性大，但与hg形成强化hgzn2对合金产生明显强度作用。杂质zn会使有使铸件或熔融合金冷却产生裂纹的倾向；存在应力腐蚀开裂的倾向。合金成分zn常用来根据需要调整腐蚀电位添加。

cu：固溶强化和时效强化效果，铜含量在4%到6.8%时强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含铜量处于这范围。增加含铜量，提高合金的流动性，抗拉强度和硬度，但降低耐蚀性和塑形，使热裂倾向增大。

mn：提高强度，调节腐蚀电位。锰含量为0.8%时，延伸率达最大值。mn能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化，主要是通过mnal6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。mnal6的另一作用是能溶解杂质铁（fe），形成（fe、mn）al6，使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织，减小铁的有害影响。锰含量过高时，会引起偏析。

ni：增加抗拉强度和硬度的倾向，对耐蚀性影响很大。可改善高温强度耐热性，但降低材料耐蚀性及热导性。

in：研究结果表明添加合金元素in有助于改善铝合金机械构件的拉伸性能和冲击性能。与不添加合金元素in相比，添加0.5wt%in时，试样的抗拉强度提高15%，屈服强度提高25%，断后伸长率提高28%，冲击吸收功提高41%。适量in的加入可以减小管材的孔蚀深度，并减轻焊料的腐蚀，焊料中in含量为0.027%最佳。

fe：杂质的铁(fe)会生成feal3的针状结晶，由于压铸是急冷，所以析出的晶体很细，不能说是有害成份。含量低于0.7%则有不易脱模的现象，所以含铁(fe)0.8~1.0%反而好压铸。含有大量的铁(fe)，会生成金属化合物，形成硬点，并且含铁(fe)量过1.2%时，降低合金流动性，损害铸件的品质，缩短压铸设备中金属组件的寿命。

sr：对挤压用铝合金中加入0.015%~0.03%sr，使铸锭中β-alfesi相变成汉字形α-alfesi相，减少了铸锭平均化时间60%~70%，改善材料力学性能、塑性加工性和制品表面粗糙度。对于高硅(10%~13%)变形铝合金中加入0.02%~0.07%sr元素，可使初晶减少至最低限度，力学性能明显改善，延伸率提高。在过共晶al-si合金中加入sr，能减小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工机能，可顺利地热轧和冷轧。

cr：在铝中形成(crfe)al7和(crmn)al12等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会增加淬火敏感性。

ti：在合金中只需微量可使机械性能提高，但导电率却下降。al-ti系合金产生包晶反应时，ti的临界含量约为0.15%，如有硼存在可以减少。

bi：作为微合金化元素，可提高合金的抗热裂能力，适宜加入范围为0.05%～0.12%。

sb：作为微合金化元素，可提高合金的抗热烈能力，加入量不超过0.03%。

在铝合金中有时还存在钙(ca)，铅(pb)，锡(sn)等杂质元素。这些元素由于熔点高低不一，结构不同，与铝(al)形成的化合物亦不相同，因而对铝合金性能的影响各不一样。钙(ca)在铝中固溶度极低，与铝(al)形成caal4化合物，钙(ca)能改善铝合金切削性能。铅(pb)，锡(sn)是低熔点金属，它们在铝(al)中固溶度不大，降低合金强度，但能改善切削性能。

所以本发明中的本发明中的3003铝板基材层1的质量百分含量组成为：si0.5%～0.7%，fe0.6%～0.8%，cu0.05%～0.20%，mn1.0%～1.5%，zn0.05%～0.15%，其他杂质元素（如mg、cr、ti、ca、pb、sn等）总和不超过0.15%，其他杂质元素中单个元素（如ca、pb、sn等）不超过0.05%，其余成分为al；

本发明中的4343铝板包覆层2的质量百分含量组成为si6.8%～8.2%，fe0.7%～0.9%，cu0.15%～0.25%，mn0.05～0.15%，zn0.15%～0.25%，其他杂质元素（如mg、cr、ti、ca、pb、sn等）总和不超过0.15%，其他杂质元素中单个元素（如ca、pb、sn等）不超过0.05%，其余成分为al。

请参阅图3，一种镀ni钎焊铝合金复合板，所述复合板包括3003铝板基材层1、4343铝板包覆层2以及位于4343铝板包覆层2表面的镀镍层3；镀镍层3的厚度为3~5μm，铝合金复合板中包覆层2与基体层1厚度比为1:20～1:10。

本发明中的技术原理是：包覆层4343材料表面镀ni层与熔融的钎料4343反应生成al3ni，消耗了镀ni层，使得表面粗糙，氧化膜破裂，从而钎料流动形成接头，焊后抗拉强度≥130mpa，屈服强度≥50mpa，优于普通板材焊后的抗拉强度≥110mpa，屈服强度≥40mpa，抗拉强度和屈服强度的采用行业内的常规检测方法进行检测，本申请中不再赘述。

请参阅图4，本发明中的镀ni钎焊铝合金复合板的制备方法，包括但不限于电镀ni、化学镀ni、冷喷涂ni、pvd、激光熔覆工艺制备镀ni层，该制备方法有效解决了当前广泛使用3003/4343双层复合铝合金板不能直接钎焊的问题，具体包括以下步骤：

s1对3003铝板基材层1以及4343铝板包覆层2分别进行表面处理，具体包括3003铝板基材层1以及4343铝板包覆层2的表面处理具体包括：先采用ph值4.0～6.0的清洗液超声波及喷淋处理除油去污去氧化膜，然后110℃～130℃烘干30分钟～40分钟，确保铝板表面清洁、干燥。实验结果表明：传统的清洗处理方法多采用碱蚀和酸洗出光，碱蚀去氧化皮容易造成过腐蚀，影响铝合金表面光洁度，而本发明采用h值4.0～6.0的弱酸性清洗液（如氢氟酸等）超声波及喷淋处理后工件表面洁净光亮，无浮尘。

s2对表面处理后的3003铝板基材层1以及4343铝板包覆层2依次进行叠合冷轧、扩散退火、重复冷轧及中间退火操作，直至轧制厚度满足要求，具体包括：将符合基体层材料成分的坯料热轧为3mm～5mm厚度铝板，与符合包覆层材料成分的坯料冷轧为0.8mm～1mm厚度铝板或铝箔进行叠合冷轧，300℃～450℃退散退火，保温时间2h～4h；重复冷轧及中间退火操作，直至轧制厚度0.4mm～1.0mm，根据具体需求规格，获得不同厚度尺寸规格的复合铝板。

s3包覆层2表面处理后，在包覆层2表面镀镍，具体包括：电镀前对非电镀面进行绝缘保护，然后包覆层表面经ph值5.0～10.0的清洗液超声波及喷淋处理除油去污，碱蚀，酸洗，然后对包覆层表面采用化学浸锌工艺进行前处理，沉积0.1μm～0.3μm的锌层，经化学浸锌后，进入镀镍工序，电镀溶液的镍盐浓度应在200g/l～300g/l，ph值5.0～6.0，温度40℃～60℃，电流0.5a/dm²～4a/dm²，时间5分钟～20分钟，镀层厚度2μm～5μm。

本发明涉及的化学浸锌工艺简单，成本低，效率高，主要为镀镍提供过渡锌层，是常用的成熟镀镍前处理技术。本发明镀镍涉及的电镀镍工序关键工艺参数为电镀液的镍盐浓度及ph值、温度、电流、时间。

实验结果表明：

（1）传统的镀前处理方法多采用碱蚀和酸洗出光，碱蚀去氧化皮容易造成过腐蚀，影响铝合金表面光洁度，而本发明采用弱酸、弱碱性清洗液超声波及喷淋处理后工件表面洁净，电镀后光亮，结合力好。

（2）当电镀液ph值＜5.0时，电流密度必须大于4a/dm²，获得的镀层结合力较好，表面接近光亮，但阴极析氢量较大，阳极镍片溶解速度较快；当电镀液ph值＞6.0时，为获得结合力较好，表面光亮的镀层，电流密度必须控制在不超过0.5a/dm²，由于电流密度的范围很窄，不易控制，电流的微小差异难以获得质量稳定的合格镀层；当电镀液ph值太低甚至＜3.0时，阴极析氢量太大，电流效率太低，由于氢的析出反而恶化镀层质量。因此适宜的电镀液ph值显得尤为重要，本发明专利涉及的电镀液ph值控制在值5.0～6.0。

（3）在良好工艺条件下，电镀溶液温度低于40℃时，镀层灰暗，无光泽，调节电流密度得不到光亮的镀镍层；电镀溶液温度高于60℃时，镀层光亮度更好，但镀层容易起泡，且温度过高，镍沉积太快，镀层结合力难以保证，电流的调节也变得困难。鉴于以上因素，本发明专利涉及的电镀溶液温度范围控制在40℃～60℃。

（4）主盐硫酸镍(nis04•7h20)是镀镍液的主盐，浓度范围一般在100g/l～350g/l。硫酸镍铵[nis04•(nh4)2s04•6h20]也可以用作产生镍离子的主盐，但硫酸镍铵含镍量较低(15%)，溶解度较小，不能得到高浓度溶液，因而该溶液不能用于高电流密度电镀，所以应用很少。本发明专利涉及的电镀溶液的镍盐浓度应在200g/l～300g/l，满足快速镀镍的生产工艺需求。

本发明中的镀ni钎焊铝合金复合板在液冷板和吹胀板生产中的应用，采用本发明中的镀ni钎焊铝合金复合板制备液冷板和吹胀板，其生产工艺过程可以取消涂钎剂工序，节省了生产线建设投资，使用方便，流程短，效率高，有利于产品规模化批量生产。

采用本发明中的镀ni钎焊铝合金复合板制备液冷板和吹胀板的具体工艺流程如下：

液冷板生产工艺流程：原材料→下料→盖板流道成型→盖板切边→折弯→清洗→合装→钎焊→漏检→入库；

吹胀板生产工艺流程：原材料→下料→盖板流道成型→清洗→钎焊→冲压→激光切边→焊接管→保压测试→充注冷媒→激光封口→检验→入库。

采用本发明中的镀ni钎焊铝合金复合板制备液冷板和吹胀板，可以取消涂钎剂工序，取消涂钎剂工序后，生产效率提升20%～30%，不用投资建设钎剂喷淋生产线、烘烤炉及其附属设施，减少了相关生产车间场地占用，显著提高了投资回报率。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。