一种高强高耐蚀性钎焊铝合金箔材及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及到一种新型高强度高耐蚀性铝合金的化学成份配方及其钎焊箔材的生产工艺，且特别是对于一种AA3000系铝合金，包括降低Cu含量，调整Si、Mn和Fe的含量，复合添加V、Cr、Zr和Ti等元素。
背景技术
世界高速工业化进程加速了能源危机，汽车工业为了减少汽油消耗，一般的途径是：提高发动机效率(从设计着手)，减少行驶阻力，改善传动机构效率及减轻汽车自重等，而最有效的是减轻汽车自重。为了减轻汽车自重，一是优化设计，二是使用轻质化材料。铝由于其资源丰富，具有很多优良的加工成形性和使用性能，并能最大限度的回收利用(可达90％以上)。因此，铝材是汽车轻量化最理想的材料，也成为当今世界性的研发课题。目前，铝材在车辆轻量化上的用量增加主要是热交换器，如冷凝器、蒸发器、水箱散热器、中冷器、暖风机、油冷却器和空调器系统等。铝质热交换器由过去的机械式组装，发展到了现在普遍采用钎焊工艺，它是利用低熔点钎焊Al-Si合金层将铝合金管材和铝合金带材连接而成。因此，铝质热交换器急需大量的钎焊铝合金散热片材料。过去的15年期间，普遍采用标准的3003铝合金，该合金具有良好的成形性能和机械性能，以及可接受的耐蚀性能。近些年，随着铝质热交换器结构设计方面的不断改进，钎焊铝合金管材和带材的厚度逐渐变为0.4mm以下，而钎焊铝合金带材的厚度逐渐变为0.07mm以下。因此，国外已不断研制与开发了一些基于Al-Mn系合金的所谓“长寿命”铝合金材料，以满足因厚度减薄而带来合金强度与耐蚀性相应提高的性能要求，并获得专利保护。
3XXX系合金是通过在铝中添加Mn，形成同溶强化铝合金，提高合金的强度，并保持良好的耐蚀、导电、导热性能，以及具有优良的焊接性能和塑性加工性能等，现已被广泛应用于汽车、制冷、化工等行业中制作热交换器的散热管和散热片。目前世界上应用最广泛的Al-Mn合金为3003铝合金(相当我国牌号为3A21)，但由于合金中Mn的含量较高，在铸造冷却过程中极容易产生偏析，导致合金的腐蚀性能和加工性能降低，限制了3003铝合金在空调和制冷行业的应用。为了解决这些问题，欧美国家注册了受多项美国专利保护的X800、K319、3190和3532等铝合金，通过调整合金中的Mn、Fe、Mg、Cu、Zn、Ti等元素的含量，优化其加工工艺，确保合金在钎焊过程中由于Si的扩散而在其表层形成牺牲阳极保扩层，从而大大提高了合金的抗腐蚀性能，同时确保合金具有优良力学性能、加工性能和焊接性能。
已有研究表明：在铝中添加少量Cr、Mn、Zr、Ti、Si、V等在提高合金强度时可以减小合金的点蚀，在适当提高合金元素含量时，使其形成较高含量的强化相阻止品粒在热加工及热处理过程中粗化而细化组织结构。本发明拟采取以下技术方案是降低Cu含量，调整Si、Mn和Fe的含量，复合添加V、Cr、Zr和Ti等元素。同时，轧制与退火工艺应确保箔材获得稳定的细晶纤维组织结构，晶内合金元素得到充分均匀同溶和晶界无不良析出相出现，使合金箔材具有高耐蚀性和高强度以及良好的深加工成形性能等。
【发明内容】
为了解决散热器用钎焊铝合金箔材因厚度减薄而带来要求合金强度及耐蚀性相应提高这些技术问题，本发明在Al-Mn系合金成份的基础上，通过降低Cu含量，调整Si、Mn和Fe含量，复合添加V、Cr、Zr和Ti等元素；通过优化加工工艺，确保钎焊铝合金箔材能获得稳定的细晶纤维组织结构，且晶内合金元素得到充分均匀固溶和晶界无不良析出相出现，使钎焊铝合金箔材具有高的耐蚀性和良好的力学性能与工艺性能等。
本发明的关键在于：合金的化学成分(质量分数，％)是：1.00-1.80Mn，0.40-1.20Si，0.50-1.30Fe，0.10-0.50V，0.05-0.25Cr，0.06-0.25Zr，0.08-0.30Ti，少于0.03％的Cu，其余为铝及不可避免的杂质。此外，还涉及到提供该合金钎焊箔材的生产工艺，包括：半连续铸锭在温度为550-630℃下保温10-18进行均匀化处理，随后在500-580℃下进行复合热轧，控制终轧温度不低于320℃；冷轧过程中，中间退火工艺为380-480℃下保温1-4小时。最终性能控制工艺为320-450℃下保温2-6小时退火后的成品冷轧道次压下率控制为20-40％。
在本发明中，Mn与Al形成Al6Mn是合金的主要强化，但高于1.8％后会形成粗大相而严重影响合金的加工成形性能。Mn含量的最佳范围是1.20％到1.60％之间。
Si对合金强度有一定作用并提高合金铸造过程的流动性，同时还会与Fe、V形成极细的高温稳定相Al(Fe，V)Si，提高合金钎焊后的抗下垂性能，并有效降低因强化合金提高Fe含量带来对合金耐蚀性的不利影响，但高于1.2％后会降低合金的熔点而影响钎焊性能。硅含量的最佳范围是0.60％到0.90％之间。
Cu能提高Al-Mn合金的强度，但易于在晶界析出引发合金晶间腐蚀，大大降低合金耐蚀性能。因此，应将铜的含量控制在少于0.03％。
Fe能提高Al-Mn合金的强度，但高于1.3％，在合金中易于形成大量粗大的Al-Fe和Al-Fe-Si等金属间化合物，大大降低合金的加工成形性能和耐蚀性能。铁含量的最佳范围是0.80％到1.00％之间。
V在铝合金中生成Al11V难溶金属间化合物，在熔炼和铸造过程中细化晶粒；特别地在高Fe和Si存在时，可形成极细的Al(Fe，V)Si高温稳定相，在热变形和热处理过程中提高再结晶温度，细化再结晶组织，提高合金钎焊后的抗下垂性能。但超过0.5％含量会形成粗大难溶金属间化合物，降低合金加工成形性能。钒含量的最佳范围是0.15％到0.25％之间。
Cr在铝合金中主要以Al7(CrFe)和Al12(CrMn)等金属间化合物存在，阻碍再结晶的形核和长大，对合金有一定地强化作用，并有效减小合金的点蚀，提高合金耐蚀性能。但一般不超过0.25％，否则会形成粗大难溶金属间化合物，降低合金加工成形性能。铬含量的最佳范围是0.08％到0.18％之间。
Zr一般加入量为0.1％-0.3％，形成Al3Zr金属间化合物，阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。锆含量的最佳范围是0.10％到0.20％之间。
一般情况下，Ti主要可细化铸造组织，改善合金加工性能。更重要的是Ti在合金中沿厚度方向形成高浓度和低浓度交叉层状分布，低浓度区域比高浓度区域优先被腐蚀，因此另一层腐蚀受到阻挠，合金耐腐蚀性能大大提高。含量过高会形成粗大难溶金属间化合物，降低合金加工成形性能。钛含量的最佳范围是0.15％到0.25％之间。
【具体实施方式】
根据本发明设计的合金成份范围，采用99.7Al锭和Mn、Si、Fe剂以及Al10Zr、Al10Ti、Al5Cr和Al5V中间合金，按重量比例配一种合金A-1以及3003合金(见表1)。在5TKg级火焰炉内，经熔炼、精炼后采用半连续铸造成160mm×600mm×2100mm的扁锭，浇注温度710-720℃；在610℃下保温12小时进行均匀化处理，铣面后按12％厚度比组合成复合锭坯在Kw电阻炉中加热550℃保温2小时热轧到厚度为7.5mm，冷粗轧到1.2mm，430℃退火2h后冷精轧到0.25mm，再430℃退火2h冷精轧到成品厚度0.18mm。
通过对以上成分合金和3003合金650×0.08mm箔材的DSC熔点测定，拉伸性能按《金属拉伸试验方法》GB 228-87，SWAAT耐腐蚀性试验按《改性盐雾试验方法》ASTM/G85-1998A3(海水酸化循环实验)，杯突实验按《铝合金金属杯突试验法》YS/T 419-2000，抗下垂性按。其结果如下(表1和表2)：
表1本发明合金A-1的实测化学成份(重量百分比，％)
合金 Si Fe Mn Cu Cr V Zr Ti 设计值 0.60 0.80 1.60 ＜0.03 0.15 0.20 0.15 0.20 实测值 0.66 0.84 1.62 0.001 0.14 0.17 0.13 0.18 3003 0.14 0.51 1.26 0.11 - - - -
表2本发明合金A-1箔材的性能实测结果
性能指标 熔点/℃ σb/MPa δ/％ SWAAT/天 抗下垂性 /mm 杯突值 IE/mm 3003 644.3 182 3.2 ≤3 16 8.1 A-1 650.2 225 3.8 ≥7 12 8.6