汽车水箱散热器用超高强度铝合金复合带材及其制造方法

摘要

本发明公开了一种汽车水箱散热器用超高强度铝合金复合带材，还公开其制造方法。复合带材由芯材和单面或者双面的钎焊层组成，每面钎焊层厚度占总厚度的5～10％，所述芯材组成成分及重量百分比为：Fe:0.12～0.26％、Si：≤0.12％、Cu：0.30～0.80％、Mn：1.5～1.8％、Mg：≤0.04％、Cr：0.02～0.15％、Zr：0.02～0.15％，Ti：0.02～0.15％，其它元素单个含量≤0.03％，总量≤0.15％，余量为铝；所述钎焊层为铝硅合金，所述铝硅合金组成成分及重量百分比为：Fe：≤0.20％、Si：8.0～11.0％、Cu：≤0.10％、Mn：≤0.05％、Sr：0.03～0.06％、Ti：≤0.05％，其它元素单个含量≤0.03％，总量≤0.15％，余量为铝。本发明超高铝合金复合带材在钎焊后具有非常优异的力学性能，钎焊后屈服强度超过了70MPa。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金复合带材及其制造方法，更具体地说，涉及汽车水箱散热器用超高强度的铝合金复合带材及其制造方法。

背景技术

散热器是水冷式内燃机冷却系统中不可缺少的一个组成部分。汽车发动机的冷却系统，一般是由水泵、散热器、节温器、冷却风扇、风扇电机、电机开关、护风罩等部分组成。发动机在工作时机内的温度很高，所以为保证其能够正常工作，必须对其进行冷却。散热器的作用是利用冷风(既可以是汽车行驶时迎面流动空气造成的冷风，也可以是冷却风扇提供的冷风)来冷却被发动机高温零件加热的发动机冷却液。

汽车水箱散热器的材料主要有两种：铝质和铜制，前者用于一般乘用车，后者用于大型商用车；汽车散热器材料与制造技术发展很快。铝散热器以其在材料轻量化上的明显优势，在轿车与轻型车领域逐步取代铜散热器，目前铝制散热器已经成为乘用车的绝对主流配置。

目前铝制汽车水箱散热器主要有几个部件构成：主板、侧板、冷却管和翅片。其中主板和侧板因为主要起结构支撑作用，所以主板和侧板材料要求有良好的加工性能、耐腐蚀性能、钎焊性能和强度。目前最常见的主板和侧板材料主要为3系铝合金复合管料，由于一般3系铝合金钎焊后强度都比较低，所以为了保证主板材料的强度，主要采用加厚主板或者侧板材料的办法，从而提高了材料的使用成本，而且增加了汽车重量。

发明内容

为了克服现有产品技术的不足，本发明的任务在于提供一种汽车水箱散热器用超高强度铝合金复合带材，解决含Mg铝合金钎焊工艺复杂，而低含量Mg铝合金带材钎焊后屈服强度较低，不适于制造汽车水箱散热器的问题。本发明技术方案可用做散热器主板和侧板材料，从而提高材料整个散热器的结构强度，并同时可以降低整个部件的重量。

本发明的技术方案是这样的，汽车水箱散热器用超高强度铝合金复合带材，由芯材和钎焊层组成，所述钎焊层至少设置在所述芯材的一面，每面钎焊层厚度占总厚度的5～10％，所述芯材组成成分及重量百分比为：Fe:0.12～0.26％、Si：≤0.12％、Cu：0.30～0.80％、Mn：1.5～1.8％、Mg：≤0.04％、Cr：0.02～0.15％、Zr：0.02～0.15％，Ti：0.02～0.15％，其它元素单个含量≤0.03％，总量≤0.15％，余量为铝；所述钎焊层为铝硅合金，所述铝硅合金组成成分及重量百分比为：Fe：≤0.20％、Si：8.0～11.0％、Cu：≤0.10％、Mn：≤0.05％、Sr：0.03～0.06％、Ti：≤0.05％，其它元素单个含量≤0.03％，总量≤0.15％，余量为铝。

优选的，所述芯材组成成分及重量百分比为：Fe：0.14～0.20％、Si：≤0.12％、Cu：0.7～0.8％、Mn：1.5～1.7％、Mg：≤0.04％、Cr：0.03～0.10％、Zr：0.03～0.10％、Ti：0.03～0.10％，其它元素单个含量≤0.03％，总量≤0.15％，余量为铝。

本发明汽车水箱散热器用超高强度铝合金复合带材的制造方法，包括以下工艺步骤：

(1)芯材、钎焊层铸造，按各组分重量百分比将原材料加入熔炼炉内，经熔炼、精炼、静置后铸造；

(2)锯切、铣面，将芯材、钎焊层铸锭头、尾缩孔锯掉，之后在铣面机上将表面氧化皮、偏析瘤铣净；

(3)焊接，将钎焊层矫直后，将芯材与钎焊层清洗，按5～10％的配比焊接成两层或者三层的复合锭；

(4)预热，将二层或者三层复合锭放入加热炉中加热保温；

(5)复合热轧，将复合锭轧成热轧坯料；

(6)粗、中轧，在冷轧机上将热轧坯料轧制成带材；

(7)成品退火，将冷轧后的带材放在退火炉里进行退火；

(8)拉矫，将成品退火后的铝带在拉矫机上进行拉矫；

(9)精密分切，将拉矫后的铝带材在精密分切机上分剪成所需宽度。

优选的，所述步骤(1)中，熔炼和精炼温度为740～770℃，精炼时间15～20分钟。

优选的，所述步骤(1)中铸造温度为690～710℃。

优选的，所述步骤(4)中加热温度480～500℃，到温保温时间4～8小时。

优选的，所述步骤(5)轧制温度为290～330℃。

优选的，所述步骤(7)成品退火的退火温度380～420℃，保温7小时。

本发明汽车水箱散热器主板和侧板用超高强度铝合金复合带材钎焊层熔炼时通过Al-Sr中间合金变质处理，Sr具有长效变质的特点，对皮材中的初晶硅和共晶硅都有明显的细化作用。细化的Sr在皮材进行钎焊时，增加皮材的流动性而且会增加焊接角的焊接强度。

本发明汽车水箱散热器主板和侧板超高强度铝合金复合带材芯材合金成分通过添加微量的Zr、Cr、Ti合金元素进行微合金强化，控制Cu、Mn等强化元素至一定的水平，并严格控制Fe、Si等常见元素的含量至很低的水平，从而保证不析出较大的颗粒相，从而大大提高了合金的力学性能，特别是钎焊后的屈服强度。

由于所有的水箱散热器主板或者侧板的使用条件都是在钎焊后使用，钎焊后的屈服强度成为了衡量散热器主板材料强度最重要的指标，所以目前业界也都是通过测试钎焊后屈服强度来衡量散热器板材的强度的，在一般情况下，钎焊后屈服强度40～55MPa的材料为普通材料，钎焊后屈服强度55～65MPa为高强度合金，钎焊后屈服强度超过65MPa为超高强度合金。

在业界目前超高强度的铝合金主要是通过在合金中加入少量的Mg元素实现的，但是Mg的加入，会使铝合金复合材料的钎焊性能大大下降，所以含Mg复合带材需要特制的钎焊炉和特制的工艺才能进行，一般需要在真空条件下进行钎焊，以防止Mg在表面的氧化，恶化合金的钎焊性能，从而增加了钎焊工艺的成本和工艺的复杂性。本发明通过微合金化对铝合金进行强化，钎焊后屈服强度达到了72MPa左右，而且钎焊完全可以采用正常的钎焊工艺，解决了困扰业界多年的难题。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

(1)将按下表所述组成成分百分比准备的原材料放入熔炼炉中，芯材熔炼时熔体温度为740℃，静置炉内精炼温度为745℃，精炼时间15分钟；钎焊层熔炼时Al-Sr中间合金变质剂，变质温度为760℃，电磁搅拌后静置15分钟倒炉，静置炉内精炼温度为740℃，精炼时间20分钟；芯材、钎焊层化学成分见下表。

(2)铸造工艺参数控制如下：芯材铸造温度为705℃，铸造速度43mm/min，冷却水流量为310m³/h，铸锭长度为6000mm；钎焊层铸造温度为690℃，铸造速度52mm/min，冷却水流量为270m³/h，铸锭长度为6000mm；

(3)在锯切机上锯切，锯除头尾的铸造缺陷，不允许有开裂、夹渣等缺陷，锯切后铸锭长度为5500mm；

(4)对锯切后头尾后的芯材进行均质处理，均质处理的温度为600℃，保温时间为9个小时。

(5)在铣面机上铣面，铣净铸锭表面的各种铸造缺陷，不允许粘附铝片、铝屑，边部无毛刺；

(6)将芯材与钎焊层清洗后，按10％的厚度配比焊接成两层的复合锭；

(7)在可逆式四辊热轧机上进行复合热轧，预热温度为500℃保温8小时，经过23道次轧至5.0mm厚的热轧坯料，终轧温度为320℃；

(8)在冷轧机上将5.0mm厚度的热轧卷进行冷轧，经4道次轧制至1.50mm的铝带；

(9)将1.50mm的铝带放在氮气气氛退火炉里进行成品退火，退火温度420℃，保温9小时，停止加热，温度降低到260℃出炉空冷；

(10)将退火后的铝带材经拉矫后在精密分切机上分剪成客户所需宽度。

所生产的铝带的力学性能：抗拉强度为158MPa，屈服强度为74MPa，延伸率为32％，钎焊后力学性能：抗拉强度为155MPa，屈服强度为71MPa，延伸率为25％；钎焊后芯材平均晶粒长度为138μm，长宽比为5.3左右。

实施例2：

(1)将按下表所述组成成分百分比准备的原材料放入熔炼炉中，芯材熔炼时熔体温度为760℃，静置炉内精炼温度为760℃，精炼时间15分钟；钎焊层熔炼时Al-Sr中间合金变质剂，变质温度为760℃，电磁搅拌后静置15分钟倒炉，静置炉内精炼温度为745℃，精炼时间20分钟；芯材、钎焊层化学成分见下表。

(2)铸造工艺参数控制如下：芯材铸造温度为700℃，铸造速度41mm/min，冷却水流量为300m³/h，铸锭长度为6000mm；钎焊层铸造温度为695℃，铸造速度53mm/min，冷却水流量为280m³/h，铸锭长度为6000mm；

(3)在锯切机上锯切，锯除头尾的铸造缺陷，不允许有开裂、夹渣等缺陷，锯切后铸锭长度为5500mm；

(4)对锯切后头尾后的芯材进行均质处理，均质处理的温度为600℃，保温时间为9个小时。

(5)在铣面机上铣面，铣净铸锭表面的各种铸造缺陷，不允许粘附铝片、铝屑，边部无毛刺；

(6)将芯材与钎焊层清洗后，按10％的配比焊接成三层的复合锭；

(7)在可逆式四辊热轧机上进行复合热轧，预热温度为495℃保温8小时，经过23道次轧至5.0mm厚的热轧坯料，终轧温度为312℃；

(8)在冷轧机上将5.0mm厚度的热轧卷进行冷轧，经6道次轧制至0.35mm的铝带；

(9)将0.35mm的铝带放在氮气气氛退火炉里进行成品退火，退火温度420℃，保温9小时，停止加热，温度降低到260℃出炉空冷；

(10)将退火后的铝带材经拉矫后在精密分切机上分剪成客户所需宽度。

所生产的铝带的力学性能：抗拉强度为168MPa，屈服强度为76MPa，延伸率为28％，钎焊后力学性能：抗拉强度为160MPa，屈服强度为75MPa，延伸率为25％；钎焊后芯材晶粒长为128μm，长宽比为4.4。

实施例3：

(1)将按下表所述组成成分百分比准备的原材料放入熔炼炉中，芯材熔炼时熔体温度为740℃，静置炉内精炼温度为740℃，精炼时间15分钟；钎焊层熔炼时Al-Sr中间合金变质剂，变质温度为760℃，电磁搅拌后静置15分钟倒炉，静置炉内精炼温度为760℃，精炼时间20分钟；芯材、钎焊层化学成分见下表。

(2)铸造工艺参数控制如下：芯材铸造温度为710℃，铸造速度43mm/min，冷却水流量为310m³/h，铸锭长度为6000mm；钎焊层铸造温度为690℃，铸造速度52mm/min，冷却水流量为270m³/h，铸锭长度为6000mm；

(3)在锯切机上锯切，锯除头尾的铸造缺陷，不允许有开裂、夹渣等缺陷，锯切后铸锭长度为5500mm；

(4)对锯切后头尾后的芯材进行均质处理，均质处理的温度为600℃，保温时间为9个小时。

(5)在铣面机上铣面，铣净铸锭表面的各种铸造缺陷，不允许粘附铝片、铝屑，边部无毛刺；

(6)将芯材与钎焊层清洗后，按10％的厚度配比焊接成两层的复合锭；

(7)在可逆式四辊热轧机上进行复合热轧，预热温度为480℃保温6小时，经过23道次轧至5.0mm厚的热轧坯料，终轧温度为295℃；

(8)在冷轧机上将5.0mm厚度的热轧卷进行冷轧，经4道次轧制至1.50mm的铝带；

(9)将1.50mm的铝带放在氮气气氛退火炉里进行成品退火，退火温度400℃，保温9小时，停止加热，温度降低到260℃出炉空冷；

(10)将退火后的铝带材经拉矫后在精密分切机上分剪成客户所需宽度。

所生产的铝带的力学性能：抗拉强度为162MPa，屈服强度为71MPa，延伸率为33％，钎焊后力学性能：抗拉强度为158MPa，屈服强度为72MPa，延伸率为28％；钎焊后芯材平均晶粒长度为106μm，长宽比为3.3左右。

实施例4：

(1)将按下表所述组成成分百分比准备的原材料放入熔炼炉中，芯材熔炼时熔体温度为740℃，静置炉内精炼温度为770℃，精炼时间15分钟；钎焊层熔炼时Al-Sr中间合金变质剂，变质温度为760℃，电磁搅拌后静置15分钟倒炉，静置炉内精炼温度为770℃，精炼时间20分钟；芯材、钎焊层化学成分见下表。

(2)铸造工艺参数控制如下：芯材铸造温度为710℃，铸造速度43mm/min，冷却水流量为310m³/h，铸锭长度为6000mm；钎焊层铸造温度为700℃，铸造速度52mm/min，冷却水流量为270m³/h，铸锭长度为6000mm；

(3)在锯切机上锯切，锯除头尾的铸造缺陷，不允许有开裂、夹渣等缺陷，锯切后铸锭长度为5500mm；

(4)对锯切后头尾后的芯材进行均质处理，均质处理的温度为600℃，保温时间为9个小时。

(5)在铣面机上铣面，铣净铸锭表面的各种铸造缺陷，不允许粘附铝片、铝屑，边部无毛刺；

(6)将芯材与钎焊层清洗后，按10％的厚度配比焊接成两层的复合锭；

(7)在可逆式四辊热轧机上进行复合热轧，预热温度为495℃保温4小时，经过23道次轧至5.0mm厚的热轧坯料，终轧温度为330℃；

(8)在冷轧机上将5.0mm厚度的热轧卷进行冷轧，经4道次轧制至1.50mm的铝带；

(9)将1.50mm的铝带放在氮气气氛退火炉里进行成品退火，退火温度380℃，保温9小时，停止加热，温度降低到260℃出炉空冷；

(10)将退火后的铝带材经拉矫后在精密分切机上分剪成客户所需宽度。

所生产的铝带的力学性能：抗拉强度为168MPa，屈服强度为76MPa，延伸率为26％，钎焊后力学性能：抗拉强度为157MPa，屈服强度为72MPa，延伸率为23％；钎焊后芯材平均晶粒长度为98μm，长宽比为2.1左右。

实施例5：

(1)将按下表所述组成成分百分比准备的原材料放入熔炼炉中，芯材熔炼时熔体温度为740℃，静置炉内精炼温度为750℃，精炼时间15分钟；钎焊层熔炼时Al-Sr中间合金变质剂，变质温度为760℃，电磁搅拌后静置15分钟倒炉，静置炉内精炼温度为750℃，精炼时间20分钟；芯材、钎焊层化学成分见下表。

(2)铸造工艺参数控制如下：芯材铸造温度为705℃，铸造速度43mm/min，冷却水流量为310m³/h，铸锭长度为6000mm；钎焊层铸造温度为695℃，铸造速度52mm/min，冷却水流量为270m³/h，铸锭长度为6000mm；

(3)在锯切机上锯切，锯除头尾的铸造缺陷，不允许有开裂、夹渣等缺陷，锯切后铸锭长度为5500mm；

(4)对锯切后头尾后的芯材进行均质处理，均质处理的温度为600℃，保温时间为9个小时。

(5)在铣面机上铣面，铣净铸锭表面的各种铸造缺陷，不允许粘附铝片、铝屑，边部无毛刺；

(6)将芯材与钎焊层清洗后，按10％的厚度配比焊接成两层的复合锭；

(7)在可逆式四辊热轧机上进行复合热轧，预热温度为500℃保温4小时，经过23道次轧至5.0mm厚的热轧坯料，终轧温度为320℃；

(8)在冷轧机上将5.0mm厚度的热轧卷进行冷轧，经4道次轧制至1.50mm的铝带；

(9)将1.50mm的铝带放在氮气气氛退火炉里进行成品退火，退火温度390℃，保温9小时，停止加热，温度降低到260℃出炉空冷；

(10)将退火后的铝带材经拉矫后在精密分切机上分剪成客户所需宽度。

所生产的铝带的力学性能：抗拉强度为170MPa，屈服强度为78MPa，延伸率为25％，钎焊后力学性能：抗拉强度为159MPa，屈服强度为72MPa，延伸率为25％；钎焊后芯材平均晶粒长度为111μm，长宽比为3.3左右。

对比例1：

(1)将按下表所述组成成分百分比准备的原材料放入熔炼炉中，芯材熔炼时熔体温度为760℃，静置炉内精炼温度为760℃，精炼时间15分钟；钎焊层熔炼时Al-Sr中间合金变质剂，变质温度为760℃，电磁搅拌后静置15分钟倒炉，静置炉内精炼温度为745℃，精炼时间20分钟；芯材、钎焊层化学成分见下表。

(2)铸造工艺参数控制如下：芯材铸造温度为703℃，铸造速度40mm/min，冷却水流量为300m³/h，铸锭长度为6000mm；钎焊层铸造温度为694℃，铸造速度55mm/min，冷却水流量为280m³/h，铸锭长度为6000mm；

(3)在锯切机上锯切，锯除头尾的铸造缺陷，不允许有开裂、夹渣等缺陷，锯切后铸锭长度为5500mm；

(4)对锯切后头尾后的芯材进行均质处理，均质处理的温度为600℃，保温时间为9个小时。

(5)在铣面机上铣面，铣净铸锭表面的各种铸造缺陷，不允许粘附铝片、铝屑，边部无毛刺；

(6)将芯材与钎焊层清洗后，按10％的配比焊接成三层的复合锭；

(7)在可逆式四辊热轧机上进行复合热轧，预热温度为495℃保温8小时，经过23道次轧至5.0mm厚的热轧坯料，终轧温度为312℃；

(8)在冷轧机上将5.0mm厚度的热轧卷进行冷轧，经6道次轧制至0.35mm的铝带；

(9)将0.35mm的铝带放在氮气气氛退火炉里进行成品退火，退火温度420℃，保温9小时，停止加热，温度降低到260℃出炉空冷；

(10)将退火后的铝带材经拉矫后在精密分切机上分剪成客户所需宽度。

所生产的铝带的力学性能：抗拉强度为151MPa，屈服强度为55MPa，延伸率为32％，钎焊后力学性能：抗拉强度为149MPa，屈服强度为55MPa，延伸率为28％；钎焊后芯材晶粒长为168μm，长宽比为3.9。

对比例2：

(1)将按下表所述组成成分百分比准备的原材料放入熔炼炉中，芯材熔炼时熔体温度为760℃，静置炉内精炼温度为760℃，精炼时间15分钟；钎焊层熔炼时Al-Sr中间合金变质剂，变质温度为760℃，电磁搅拌后静置15分钟倒炉，静置炉内精炼温度为745℃，精炼时间20分钟；芯材、钎焊层化学成分见下表。

(2)铸造工艺参数控制如下：芯材铸造温度为700℃，铸造速度43mm/min，冷却水流量为300m³/h，铸锭长度为6000mm；钎焊层铸造温度为695℃，铸造速度55mm/min，冷却水流量为280m³/h，铸锭长度为6000mm；

(3)在锯切机上锯切，锯除头尾的铸造缺陷，不允许有开裂、夹渣等缺陷，锯切后铸锭长度为5500mm；

(4)对锯切后头尾后的芯材进行均质处理，均质处理的温度为600℃，保温时间为9个小时。

(5)在铣面机上铣面，铣净铸锭表面的各种铸造缺陷，不允许粘附铝片、铝屑，边部无毛刺；

(6)将芯材与钎焊层清洗后，按10％的配比焊接成三层的复合锭；

(7)在可逆式四辊热轧机上进行复合热轧，预热温度为495℃保温8小时，经过23道次轧至5.0mm厚的热轧坯料，终轧温度为312℃；

(8)在冷轧机上将5.0mm厚度的热轧卷进行冷轧，经6道次轧制至0.35mm的铝带；

(9)将0.35mm的铝带放在氮气气氛退火炉里进行成品退火，退火温度420℃，保温9小时，停止加热，温度降低到260℃出炉空冷；

(10)将退火后的铝带材经拉矫后在精密分切机上分剪成客户所需宽度。

所生产的铝带的力学性能：抗拉强度为161MPa，屈服强度为61MPa，延伸率为35％，钎焊后力学性能：抗拉强度为156MPa，屈服强度为60MPa，延伸率为33％；钎焊后芯材晶粒长为98μm，长宽比为2.3。