機(jī)械零件動態(tài)可靠性模型及失效率研究

1、<p>　　冷軋復(fù)合對鋁合金復(fù)合箔組織與性能的影響</p><p>　　祖國胤，李 兵，李 鴻，于九明</p><p>　?。|北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）</p><p>　　摘 要：研究了采用冷軋復(fù)合法生產(chǎn)汽車散熱器用鋁合金復(fù)合箔的工藝，主要研究了冷軋首道次壓下率、包覆層厚度及成品前退火制度對復(fù)合箔組織與性能的影響。結(jié)果表明

2、：皮材A4045和芯材A3003在30%~50%的首道次壓下率下可以實現(xiàn)良好的初結(jié)合，冷軋工藝生產(chǎn)的復(fù)合箔上、下包覆層的厚度基本一致。最后一道次的精軋壓下率在25%~35%左右時，復(fù)合箔成品的抗下垂性能最佳。復(fù)合箔成品前的退火溫度應(yīng)控制在320~400℃，退火溫度為400℃時，退火時間以不超過80min為宜。</p><p>　　關(guān)鍵詞：冷軋復(fù)合；復(fù)合箔；壓下率；抗下垂性；退火</p><p&

3、gt;　　中圖分類號：TG335.58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A</p><p>　　Effect of Cold-Rolling Cladding on Microstructure and Properties of Composite Aluminum Alloy Foil </p><p>　　ZU Guo-yin, LI Bing, LI Hong, YU Jiu-ming<

4、/p><p>　　(School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China. Corresponding author: ZU Guo-yin, E-mail: zugy@smm.neu.edu.cn)</p><p>　　Abstract：The cold-rolling cl

5、adding process of composite aluminum alloy foil for automobile heat exchanger was investigated, as well as the effects of percentage reduction of first pass, clad sheet thickness and final annealing schedule on the micro

6、structure and properties of the foil. The results showed that bonding the clad sheets A4045 to the core material A3003 on both sides succeeds initially when the percentage reduction is 30%~50% of first pass during cold r

7、olling, and the thickness of bot</p><p>　　Key words：cold-rolling cladding; composite foil; percentage reduction; sagging resistance; annealing</p><p>　　世界汽車工業(yè)的發(fā)展方向為輕量化[1]，其中，鋁及鋁合金以比強(qiáng)度高、耐腐蝕性佳、熱穩(wěn)定

8、性好、易成型和簡化結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)成為了最理想的汽車輕量化材料[2-4]。在汽車的諸多部件中，散熱器的鋁化是各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)[5]。Al-Si/Al-Mn/Al-Si三層復(fù)合箔是汽車鋁散熱器的關(guān)鍵材料，這種復(fù)合箔現(xiàn)多采用熱軋復(fù)合法制備，存在生產(chǎn)效率及成材率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。相比之下，冷軋復(fù)合工藝生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品性能穩(wěn)定，非常適合高精度多層金屬復(fù)合軋制。目前，日本、美國等國家已經(jīng)主要采用冷軋復(fù)合法生產(chǎn)汽車鋁散熱器用復(fù)合箔[6]，有效地

9、提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而我國在這方面的研究及應(yīng)用尚處于起步階段[7]。</p><p>　　本實驗中，作者采用冷軋復(fù)合工藝完成了A4045/A3003/A4045三層復(fù)合箔的實驗室制備，摸索出了合理的軋制規(guī)程及退火制度。所制備復(fù)合箔材料的抗下垂性、分層厚度等指標(biāo)均可達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。與熱軋復(fù)合箔相比，冷軋復(fù)合箔上、下包覆層厚度更為均勻，焊接性能明顯提高。</p><p>　　1 實驗

10、材料和實驗方法</p><p>　　實驗選用Al-Si合金A4045和Al-Mn合金A3003做為復(fù)合原料，A3003為芯材，A4045為包覆層，也稱為皮材，采用雙面包覆復(fù)合。A3003的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為Mn 1.2，Si 0.4，Zn 1.4，F(xiàn)e 0.6，余量為鋁。A4045的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為Si 10，Zn 1，F(xiàn)e 0.5，Cu 0.2，余量為鋁。芯、皮材合金鑄錠分別經(jīng)均勻化退

11、火、熱軋開坯后冷軋至實驗所需規(guī)格。實驗采用傳統(tǒng)的表面清理、軋制復(fù)合、退火熱處理三步法復(fù)合工藝。首先用丙酮將材料表面的油污洗凈，用清水沖洗，烘干，然后在鋼絲清刷機(jī)上打磨至表面形成砂面效果。冷軋復(fù)合時，首道次壓下率控制在20%~60%，之后的各單道次壓下率控制在20%~30%。累積壓下率達(dá)到60%~70%時，需進(jìn)行中間退火，中間退火制度為400℃退火40min。反復(fù)循環(huán)以上的軋制工藝，直到軋至成品前一道次所需的厚度。成品前道次的退火工藝制度

12、和最后一道次精軋壓下率對成品性能有很重要的影響，實驗采用的成品前退火工藝制度為：400℃下分別退火20min、40min、60min、80min、100min；320℃至440℃每</p><p>　　由于汽車散熱器用復(fù)合箔在工作狀態(tài)下需要承受600℃高溫，因此需要具有良好的抗下垂性能。實驗參照日本低溫焊接委員會的抗下垂性試驗方法測試復(fù)合箔的抗下垂性[8]，下垂量測試裝置示意圖見圖1。</p>&l

13、t;p>　　圖1 下垂量測試裝置示意圖</p><p>　　Fig.1 The explanatory views of sag test facility</p><p>　　測試時將復(fù)合箔一端固定在圖1中的夾具上，另一端懸在支撐架外，外懸長度為50mm，箔帶寬度為22mm。將測試裝置送入加熱爐，在600℃保溫3min后平穩(wěn)移至爐外空冷，用游標(biāo)卡尺測量端點(diǎn)下垂值。</p>

14、;<p><b>　　結(jié)果與討論</b></p><p>　　2.1 首道次軋制后復(fù)合箔的金相組織分析</p><p>　　冷軋復(fù)合中，首道次軋制是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，只有經(jīng)首道次軋制形成牢固的初結(jié)合，芯材和皮材才有進(jìn)一步軋制的可能。圖2為首道次軋制后未經(jīng)退火處理的復(fù)合板的金相組織形貌，圖2a的壓下率為30.4%，圖2b的壓下率為44.3%。由圖可見，A3

15、003和A4045兩種母材在30%的首道次壓下率下即可實現(xiàn)理想的初結(jié)合，軋制后復(fù)合界面較為平整，在整個界面上沒有觀察到明顯的軋制缺陷。綜合后續(xù)進(jìn)行的系統(tǒng)工藝實驗及復(fù)合箔性能測試的結(jié)果顯示，冷軋中，首道次壓下率應(yīng)當(dāng)控制在30%~50%之間，壓下率低于30%時，芯材和皮材不能實現(xiàn)良好初結(jié)合，壓下率超過50%則易造成軋制后出現(xiàn)嚴(yán)重的加工硬化。</p><p>　　2.2 包覆率實驗結(jié)果分析</p><

16、;p>　　鋁合金復(fù)合箔的包覆率是指單層包覆厚度占總厚度的百分比。包覆率過小會導(dǎo)致復(fù)合箔釬焊時釬料供應(yīng)不足，造成虛焊或假焊，影響熱交換器的傳熱性和牢固性。包覆率過大則會使芯材的厚度相對變小，影響高溫條件下復(fù)合箔的抗下垂性能。相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，熱交換器用復(fù)合箔的包覆率要控制在10%~16%之間[9]。目前，國內(nèi)、外采用熱軋復(fù)合法生產(chǎn)的復(fù)合箔都存在包覆層厚度不均勻的問題，圖3為采用冷軋及熱軋工藝制備的成品復(fù)合箔的金相組織形貌。由圖可

17、見，圖3a所示的熱軋復(fù)合箔不僅存在橫向厚度不均勻的問題，而且上、下包覆層有明顯的厚度差。與熱軋復(fù)合箔相比，圖3b顯示冷軋復(fù)合箔不僅各包覆層橫向上厚度更為均一，并且上、下包覆層的厚度也趨于一致。</p><p>　　圖2 首道次冷軋后復(fù)合板的金相組織形貌</p><p>　　Fig.2 Microstructures of composite plates after the first c

18、old rolling</p><p>　　熱軋復(fù)合箔上、下包覆層存在厚度差的問題主要產(chǎn)生于加熱階段，由于下包覆層直接同加熱爐爐底接觸，因此加熱效果不如上包覆層充分。在軋制階段，坯料在進(jìn)入軋輥之前，需要在軋機(jī)輥道上停留一段時間，而下包覆層在這一階段直接同輥道接觸，溫降非常明顯。以上兩個因素共同作用，使得在進(jìn)入軋輥時下包覆層的溫度明顯低于上包覆層，在軋制過程中材料的變形抗力隨溫度的升高而降低，因此軋制時變形抗力低的

19、上包覆層更容易在軋制力的作用下發(fā)生變形，這就造成了熱軋復(fù)合箔下包覆層要厚于上包覆層。上、下包覆層厚度不一致的情況使復(fù)合箔的板型變差，并直接影響到材料的抗下垂性能，這也是熱軋工藝的主要技術(shù)難題。相比之下，冷軋復(fù)合箔由于制備時不存在加熱過程而使這一問題得到了較好解決。</p><p>　　圖3 不同工藝制備的鋁合金復(fù)合箔的金相組織形貌</p><p>　　Fig.3 Microstructur

20、es of composite aluminum alloy foil at different processes</p><p>　　2.3 成品抗下垂實驗及其分析</p><p>　　實驗中取不同厚度的成品前試樣在400℃的溫度下退火40min，然后采用不同的精軋壓下率軋至目標(biāo)厚度為0.15mm的復(fù)合箔成品，圖4反映了精軋壓下率對成品復(fù)合箔抗下垂性能的影響。由圖4可見，當(dāng)壓下率在2

21、5%~35%左右時，復(fù)合箔具有良好的抗下垂性能。壓下率太低或者太高，其下垂性能都會不同程度地降低。這是由于壓下率過小會提高成品復(fù)合箔的再結(jié)晶溫度，使得高溫釬焊時在皮材熔化前再結(jié)晶過程進(jìn)行得不完全，皮材中的Si元素會沿著未完成再結(jié)晶區(qū)域的晶界大量擴(kuò)散到芯層，使復(fù)合箔的抗拉強(qiáng)度以及抗下垂性能急劇降低。如果壓下率過高，則會造成晶粒尺寸變細(xì)，晶界增多。復(fù)合箔釬焊時，高溫狀態(tài)下大量的晶界會產(chǎn)生蠕變，從而使復(fù)合箔的抗下垂性能迅速惡化。</p&

22、gt;<p>　　圖4 精軋壓下率對復(fù)合箔抗下垂性能的影響</p><p>　　Fig.4 Effect of the finish rolling reduction rates on sagging resistance of composite foil</p><p>　　成品前退火制度對復(fù)合箔抗下垂性能也有明顯影響。取兩組厚度均為0.21mm的試樣，一組試樣在不同溫

23、度下退火40min，另一組在400℃的溫度下進(jìn)行不同時間退火，然后將兩組試樣均冷軋至0.15mm的成品。圖5顯示出退火溫度和成品復(fù)合箔抗下垂性能的關(guān)系，由圖5可見，隨退火溫度的升高，成品復(fù)合箔的下垂值增加，抗下垂性變壞。這是由于在精軋壓下率一定的條件下，影響成品抗下垂性能的主要因素是冷軋前芯材的晶粒尺寸和皮材中Si元素的擴(kuò)散情況。當(dāng)成品具有尺寸較大的長條狀的晶粒時，其抗下垂性能較好；另外成品皮材中的Si元素向芯材擴(kuò)散越少，其下垂性能越好

24、[10]。</p><p>　　圖5 退火溫度對復(fù)合箔抗下垂性能的影響</p><p>　　Fig.5 Effect of annealing temperature on sagging resistance of composite foil</p><p>　　在退火過程中，再結(jié)晶、晶粒長大過程和擴(kuò)散行為同時發(fā)生。隨著退火溫度升高，再結(jié)晶的晶粒逐漸長大，同時

25、皮材A4045中的Si元素向芯材A3003中進(jìn)行擴(kuò)散。由于Si向芯材中的擴(kuò)散對抗下垂性能的影響要大于再結(jié)晶的作用，所以成品復(fù)合箔下垂性能隨溫度的升高而降低。圖中數(shù)據(jù)顯示，退火溫度低于400℃時，復(fù)合箔的下垂值可以保持在8mm的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)之下，而只有在320℃以上退火，復(fù)合箔才能夠?qū)崿F(xiàn)充分軟化。因此，復(fù)合箔成品前退火適宜的溫度范圍是320~400℃。</p><p>　　圖6反映了退火時間對成品復(fù)合箔抗下垂性能的影響

26、。由圖中數(shù)據(jù)可見，在400℃下改變退火時間時，復(fù)合箔的下垂值隨退火時間的增加呈先降低后增加的趨勢。這是由于隨退火時間的延長，基體通過再結(jié)晶實現(xiàn)了晶粒長大，而擴(kuò)散作用也隨之加劇，在退火時間短于80min時，晶粒長大對下垂性能提高的影響占主導(dǎo)作用，因此復(fù)合箔的下垂值減小。退火時間超過80min后，由于晶粒長大已基本停止，而皮材中的Si元素依然向芯材中進(jìn)行大量擴(kuò)散，結(jié)果造成復(fù)合箔抗下垂性能降低。</p><p>　　圖

27、6 退火時間對復(fù)合箔抗下垂性能之間的影響</p><p>　　Fig.6 Effect of annealing time on sagging resistance of composite foil</p><p><b>　　3 結(jié) 論</b></p><p>　　1)冷軋復(fù)合中，30%~50%的首道次壓下率即可實現(xiàn)皮材A4045和芯

28、材A3003牢固的初結(jié)合。與熱軋復(fù)合箔相比，冷軋復(fù)合箔包覆層的橫向厚度更為均勻，上、下包覆層的厚度也趨于一致。</p><p>　　2)精軋壓下率在25%~35%時，復(fù)合箔的抗下垂性能最佳。</p><p>　　3)復(fù)合箔成品前退火的溫度應(yīng)控制在320~400℃。400℃退火時，延長退火時間可提高復(fù)合箔的抗下垂性能，但超過80min后，復(fù)合箔抗下垂性變差。</p><p

29、><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Kimberley W. Lighter weight leads to fuel savings[J]. Automotive Engineer，2004，29(9)：30-31.</p><p>　　Hayashi H. Trend of weight reduction of automobile and

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