CN111809084A - 一种高强高延展性复合板材料及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强高延展性复合板材料的加工工艺，多层复合材料由钎焊层和芯层组成，所述钎焊层采用的是A4045铝合金，在钎焊时起到最先熔化并铺展后焊接的作用，所述芯层是3003Mod铝合金，其熔点高于钎焊层材料65℃，钎焊时具有一定的强度，且不会熔化，起到维持整个材料基体强度的作用，加工工艺流程包括步骤：熔铸、锯切、均热、铣面、复合、加热、热轧、冷轧、退火、分切，用该方法制备的水箱主板用高强高延展多层复合材料，与传统的材料相比，具有更好的更高的强度、更好的延展性，可广泛应用于汽车水箱等领域。
Description
技术领域
本发明涉及汽车热交换材料技术领域，特别是一种高强高延展性复合板材料及其加工工艺。
背景技术
近年来汽车等交通工具的轻量化已成为我国制造业战略发展的重大项目，它具有带动我国制造业全局性的发展以及实现制造业的现代化、高技术化的战略意义，汽车自身重量降低10%，油耗可降低6-8%，燃油效率提高5-8%，每降低100公斤重，油耗可减少0.7L，而减重和节能是汽车产业发展过程中必须解决的关键技术难题，热传输铝合金复合材料在汽车冷却系统（汽车水箱、暖风机）领域具有广阔的应用市场，它的轻质、高强、耐蚀和厚度减薄对于汽车的减重、节能减排关系重大，不同冷却介质对于材料寿命影响很大，同时一种水箱主板用高强高延展多层复合材料的加工工艺也成为当前热传输材料的发展趋势，但是现有的水箱主板用的材料存在钎焊后强度和延展性不足等问题，因此需要设计一种高强高延展性复合板料料及其加工工艺来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于针对目前水箱主板钎焊后强度和延展性不足等问题，提供一种高强高延展性复合板材料及其加工工艺，具体技术方案如下：
一种高强高延展性复合板材料，依次包括钎焊层和芯层，所述钎焊层是由A4045铝合金组成，所述钎焊层的厚度占整个材料厚度比值为6±1.5%，所述芯层是由3003Mod铝合金组成。
本发明的进一步改进在于：所述钎焊层的材料组成为：Si-9.0～11.0%，Fe-≤0.3%，Cu-≤0.15%，Mn-≤0.05%，Mg-≤0.03%，Zn-≤0.1%，余量为Al。
本发明的进一步改进在于：所述芯层的材料组成为：Si-≤0.2%，Fe-0.15～0.32%，Cu-0.5～0.8%，Mn-1.4～2.3%，Mg-≤0.1%，Zn-≤0.2%，Ti-≤0.05%，Zr-0.05～0.2%，余量为Al。
本发明的进一步改进在于：具体步骤如下：
步骤1：进行钎焊层和芯层的材料组分配比；
步骤2：熔炼工序：所述钎焊层4045，熔炼温度750℃-760℃，加入Si块，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到740-750℃；精炼，扒渣；所述芯层3003Mod，熔炼温度760℃-780℃，加入Cu、Mn中间合金，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到750-760℃，精炼，扒渣；步骤3：精炼除气工序：上述合金成分合格后，采用氩气精炼，精炼时间20-25分钟，精炼温度750℃-760℃，检测液态铝合金氢含量不高于0.15 ml／100gAl；步骤4：过滤工序：采用30PPi+40PPi双级陶瓷过滤板进行过滤；步骤5：铸造工序：按照铸造温度680℃-710℃、铸造速度45-55mm/min、水压0.1-0.2Mpa、水温≤30℃的工艺执行，得到符合内控标准的扁铸锭；步骤6：锯切工序：铸锭浇口部锯切长度150-200mm；步骤7：均热工序：采用600-605℃/10小时工艺进行铸锭均热处理；步骤8：铣面工序：铸锭大面铣面量为10-12mm/每面；步骤9：复合工序：将钎焊层与芯层接触面进行打磨，对芯层的两个大面进行清洗，按次序叠放，用钢带捆扎；步骤10：热轧工序：将经过上述步骤得到的厚度为445mm的铸锭，经过热轧粘合和轧制，轧成厚度为5-7mm的铝卷；步骤11：冷轧工序：使用合适的冷加工率将上述热轧得到的卷材进行冷轧，轧至1.3-1.8mm厚；步骤12：退火工序；步骤13：分切工序。
本发明的进一步改进在于：步骤10的热轧工序的终轧温度为300℃-340℃。
本发明的进一步改进在于：步骤12的退火工序：采用成品退火的金属温度为405℃±3℃，时间为1.5小时退火工艺进行卷式退火并用氮气保护，将预定厚度的铝卷送入退火炉进行成品退火。
本发明的进一步改进在于：步骤13的分切工序，使用厚纵剪进行剪切，控制毛刺高度在50μm以内。
本发明的进一步改进在于：经过精密分切得到合格的复合铝带,复合铝带中钎焊层厚度占总厚度的4.5%-7.5%，材料最终交付状态为O态。
本发明的有益效果：
本发明的高强高延展多层复合材料，在提高强度和延展性能的同时，厚度与普通管料相比，减薄20%，对水箱减重起到了决定性作用，也为客户节约了材料成本，经批量化生产，达到了设计目的，同时高强耐腐蚀复合铝合金材料的制备方法，选择互为匹配的内、外层合金成分，采用半连续铸造方法制备得到芯材铸锭和皮材铸锭，皮材铸锭即为钎焊层，皮材铸锭经过锯切、铣面、加热、热轧、切片得到所需皮材，然后与铣面后的芯材铸锭进行复合，复合后的铸锭经过热轧、冷轧、退火、分切，得到符合要求的材料，用该方法制备的材料具有更好的更高的强度和更好的延展性，可广泛应用于汽车水箱。
具体实施方式
实施例一：
一种高强高延展性复合板材料，依次包括钎焊层和芯层，所述钎焊层是由A4045铝合金组成，所述钎焊层的厚度占整个材料厚度比值为6±1.5%，所述芯层是由3003Mod铝合金组成，所述钎焊层的材料组成为：9.0%重量的Si，0.1%重量的Fe，0.1%重量的Cu，0.02% 重量的Mn，0.01%重量的Mg，0.05%重量的Zn，余量为Al，所述芯层的材料组成为：0.1%重量的Si，0.15%重量的Fe，0.5%重量的Cu，1.5%重量的Mn，0.05%重量的Mg，0.1%重量的Zn，0.02%重量的Ti，0.05%重量的Zr，余量为Al。
按照上述化学成分，通过以下步骤得到高强高延展性复合板材料，本工艺流程的步骤如下，步骤1：进行钎焊层和芯层的材料组分配比；步骤2：熔炼工序：所述钎焊层4045，熔炼温度750℃-760℃，加入Si块，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到740-750℃；精炼，扒渣；所述芯层3003Mod，熔炼温度760℃-780℃，加入Cu、Mn中间合金，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到750-760℃，精炼，扒渣；步骤3：精炼除气工序：上述合金成分合格后，采用氩气精炼，精炼时间20-25分钟，精炼温度750℃-760℃，检测液态铝合金氢含量不高于0.15ml／100gAl；步骤4：过滤工序：采用30PPi+40PPi双级陶瓷过滤板进行过滤；步骤5：铸造工序：按照铸造温度680℃-710℃、铸造速度45-55mm/min、水压0.1-0.2Mpa、水温≤30℃的工艺执行，得到符合内控标准的扁铸锭；步骤6：锯切工序：铸锭浇口部锯切长度150-200mm；步骤7：均热工序：采用600-605℃/10小时工艺进行铸锭均热处理；步骤8：铣面工序：铸锭大面铣面量为10-12mm/每面；步骤9：复合工序：将钎焊层与芯层接触面进行打磨，对芯层的两个大面进行清洗，按次序叠放，用钢带捆扎；步骤10：热轧工序：将经过上述步骤得到的厚度为445mm的铸锭，经过热轧粘合和轧制，轧成厚度为5-7mm的铝卷，热轧工序的终轧温度为300℃-340℃；步骤11：冷轧工序：使用合适的冷加工率将上述热轧得到的卷材进行冷轧，轧至1.3-1.8mm厚；步骤12：退火工序，采用成品退火的金属温度为405℃±3℃，时间为1.5小时退火工艺进行卷式退火并用氮气保护，将预定厚度的铝卷送入退火炉进行成品退火；步骤13：分切工序，使用厚纵剪进行剪切，控制毛刺高度在50μm以内，经过精密分切得到合格的复合铝带,复合铝带中钎焊层厚度占总厚度的4.5%-7.5%，材料最终交付状态为O态。
工艺流程使用方法：
使用所述芯材合金和所述皮材合金，利用熔铸车间铸造设备铸造长为5750mm，宽为1340mm，厚为445mm扁锭，检测合金化学成分，对以上铸锭锯切和铣面，锯切和铣面后铸锭尺寸为425×1340×5500mm，然后进入加热炉，以475℃/8h加热，然后热轧，钎焊层轧至30mm厚，芯层铸锭仅铣面，然后钎焊层-芯层用钢带捆绑在一起，进行热轧，轧至厚度6mm，再进行冷轧，冷轧至1.3mm，然后根据需求退火至O状态，再进行分切，得到1.3*55mm的复合铝卷，模拟钎焊在马弗炉内进行，马弗炉内含有5方分米空间的不锈钢盒子，不锈钢盒子充有氮气，钎焊周期45分钟从室温线性加热到600℃，保温3min，随后，拿出马弗炉，空气中冷却至室温，表1为钎焊后实验结果。
表1 合金实施例和对比例焊后力学性能表
实施例二：
一种高强高延展性复合板材料，依次包括钎焊层和芯层，所述钎焊层是由A4045铝合金组成，所述钎焊层的厚度占整个材料厚度比值为6±1.5%，所述芯层是由3003Mod铝合金组成，所述钎焊层的材料组成为：10%重量的Si，0.2%重量的Fe，0.12%重量的Cu，0.03%重量的Mn，0.02%重量的Mg，0.05%重量的Zn，余量为Al，所述芯层的材料组成为：0.1%重量的Si，0.22%重量的Fe，0.65%重量的Cu，1.7%重量的Mn，0.05%重量的Mg，0.15%重量的Zn，0.03%重量的Ti，0.12%重量的Zr，余量为Al。
按照上述化学成分，通过以下步骤得到高强高延展性复合板材料，本工艺流程的步骤如下，步骤1：进行钎焊层和芯层的材料组分配比；步骤2：熔炼工序：所述钎焊层4045，熔炼温度750℃-760℃，加入Si块，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到740-750℃；精炼，扒渣；所述芯层3003Mod，熔炼温度760℃-780℃，加入Cu、Mn中间合金，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到750-760℃，精炼，扒渣；步骤3：精炼除气工序：上述合金成分合格后，采用氩气精炼，精炼时间20-25分钟，精炼温度750℃-760℃，检测液态铝合金氢含量不高于0.15ml／100gAl；步骤4：过滤工序：采用30PPi+40PPi双级陶瓷过滤板进行过滤；步骤5：铸造工序：按照铸造温度680℃-710℃、铸造速度45-55mm/min、水压0.1-0.2Mpa、水温≤30℃的工艺执行，得到符合内控标准的扁铸锭；步骤6：锯切工序：铸锭浇口部锯切长度150-200mm；步骤7：均热工序：采用600-605℃/10小时工艺进行铸锭均热处理；步骤8：铣面工序：铸锭大面铣面量为10-12mm/每面；步骤9：复合工序：将钎焊层与芯层接触面进行打磨，对芯层的两个大面进行清洗，按次序叠放，用钢带捆扎；步骤10：热轧工序：将经过上述步骤得到的厚度为445mm的铸锭，经过热轧粘合和轧制，轧成厚度为5-7mm的铝卷，热轧工序的终轧温度为300℃-340℃；步骤11：冷轧工序：使用合适的冷加工率将上述热轧得到的卷材进行冷轧，轧至1.3-1.8mm厚；步骤12：退火工序，采用成品退火的金属温度为405℃±3℃，时间为1.5小时退火工艺进行卷式退火并用氮气保护，将预定厚度的铝卷送入退火炉进行成品退火；步骤13：分切工序，使用厚纵剪进行剪切，控制毛刺高度在50μm以内，经过精密分切得到合格的复合铝带,复合铝带中钎焊层厚度占总厚度的4.5%-7.5%，材料最终交付状态为O态。
工艺流程使用方法：
使用所述芯材合金和所述皮材合金，利用熔铸车间铸造设备铸造长为5750mm，宽为1340mm，厚为445mm扁锭，检测合金化学成分，对以上铸锭锯切和铣面，锯切和铣面后铸锭尺寸为425×1340×5500mm，然后进入加热炉，以475℃/8h加热，然后热轧，钎焊层轧至30mm厚，芯层铸锭仅铣面，然后钎焊层-芯层用钢带捆绑在一起，进行热轧，轧至厚度6mm，再进行冷轧，冷轧至1.3mm，然后根据需求退火至O状态，再进行分切，得到1.3*55mm的复合铝卷，模拟钎焊在马弗炉内进行，马弗炉内含有5方分米空间的不锈钢盒子，不锈钢盒子充有氮气，钎焊周期45分钟从室温线性加热到600℃，保温3min，随后，拿出马弗炉，空气中冷却至室温，表2为钎焊后实验结果。
表2合金实施例和对比例焊后力学性能表
实施例三：
一种高强高延展性复合板材料，依次包括钎焊层和芯层，所述钎焊层是由A4045铝合金组成，所述钎焊层的厚度占整个材料厚度比值为6±1.5%，所述芯层是由3003Mod铝合金组成，所述钎焊层的材料组成为：10.0%重量的Si，0.3%重量的Fe，0.15%重量的Cu，0.05%重量的Mn，0.03%重量的Mg，0.1%重量的Zn，余量为Al，所述芯层的材料组成为：0.2%重量的Si，0.35%重量的Fe，0.8%重量的Cu，1.8%重量的Mn，0.1%重量的Mg，0.2%重量的Zn，0.05%重量的Ti，0.2%重量的Zr，余量为Al。
按照上述化学成分，通过以下步骤得到高强高延展性复合板材料，本工艺流程的步骤如下，步骤1：进行钎焊层和芯层的材料组分配比；步骤2：熔炼工序：所述钎焊层4045，熔炼温度750℃-760℃，加入Si块，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到740-750℃；精炼，扒渣；所述芯层3003Mod，熔炼温度760℃-780℃，加入Cu、Mn中间合金，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到750-760℃，精炼，扒渣；步骤3：精炼除气工序：上述合金成分合格后，采用氩气精炼，精炼时间20-25分钟，精炼温度750℃-760℃，检测液态铝合金氢含量不高于0.15ml／100gAl；步骤4：过滤工序：采用30PPi+40PPi双级陶瓷过滤板进行过滤；步骤5：铸造工序：按照铸造温度680℃-710℃、铸造速度45-55mm/min、水压0.1-0.2Mpa、水温≤30℃的工艺执行，得到符合内控标准的扁铸锭；步骤6：锯切工序：铸锭浇口部锯切长度150-200mm；步骤7：均热工序：采用600-605℃/10小时工艺进行铸锭均热处理；步骤8：铣面工序：铸锭大面铣面量为10-12mm/每面；步骤9：复合工序：将钎焊层与芯层接触面进行打磨，对芯层的两个大面进行清洗，按次序叠放，用钢带捆扎；步骤10：热轧工序：将经过上述步骤得到的厚度为445mm的铸锭，经过热轧粘合和轧制，轧成厚度为5-7mm的铝卷，热轧工序的终轧温度为300℃-340℃；步骤11：冷轧工序：使用合适的冷加工率将上述热轧得到的卷材进行冷轧，轧至1.3-1.8mm厚；步骤12：退火工序，采用成品退火的金属温度为405℃±3℃，时间为1.5小时退火工艺进行卷式退火并用氮气保护，将预定厚度的铝卷送入退火炉进行成品退火；步骤13：分切工序，使用厚纵剪进行剪切，控制毛刺高度在50μm以内，经过精密分切得到合格的复合铝带,复合铝带中钎焊层厚度占总厚度的4.5%-7.5%，材料最终交付状态为O态。
工艺流程使用方法：
使用所述芯材合金和所述皮材合金，利用熔铸车间铸造设备铸造长为5750mm，宽为1340mm，厚为445mm扁锭，检测合金化学成分，对以上铸锭锯切和铣面，锯切和铣面后铸锭尺寸为425×1340×5500mm，然后进入加热炉，以475℃/8h加热，然后热轧，钎焊层轧至30mm厚，芯层铸锭仅铣面，然后钎焊层-芯层用钢带捆绑在一起，进行热轧，轧至厚度6mm，再进行冷轧，冷轧至1.3mm，然后根据需求退火至O状态，再进行分切，得到1.3*55mm的复合铝卷，模拟钎焊在马弗炉内进行，马弗炉内含有5方分米空间的不锈钢盒子，不锈钢盒子充有氮气，钎焊周期45分钟从室温线性加热到600℃，保温3min，随后，拿出马弗炉，空气中冷却至室温，表3为钎焊后实验结果。
表3合金实施例和对比例焊后力学性能表
通过上述三个实施例可以得出，实施例二中的材料配比是最优方案。
本发明的有益效果：
本发明的高强高延展多层复合材料，在提高强度和延展性能的同时，厚度与普通管料相比，减薄20%，对水箱减重起到了决定性作用，也为客户节约了材料成本，经批量化生产，达到了设计目的，同时高强耐腐蚀复合铝合金材料的制备方法，选择互为匹配的内、外层合金成分，采用半连续铸造方法制备得到芯材铸锭和皮材铸锭，皮材铸锭即为钎焊层，皮材铸锭经过锯切、铣面、加热、热轧、切片得到所需皮材，然后与铣面后的芯材铸锭进行复合，复合后的铸锭经过热轧、冷轧、退火、分切，得到符合要求的材料，用该方法制备的材料具有更好的更高的强度和更好的延展性，可广泛应用于汽车水箱，具体优势如下：
1、本发明的一种水箱主板用高强高延展多层复合材料，不但具有与普通3003铝合金一样优良的成形性能，此外强度优于3003铝合金20％以上，兼有成形性能好的特性，可广泛应用于汽车水箱领域。
2、本发明的一种水箱主板用高强高延展多层复合材料，其芯层合金通过均匀后来控制弥散相颗粒的大小和分布密度，从而使产品具有高强度和高延展性。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高强高延展性复合板材料，其特征在于：依次包括钎焊层和芯层，所述钎焊层由A4045铝合金组成，所述钎焊层的厚度占整个材料厚度比值为6±1.5%，所述芯层由3003Mod铝合金组成。
2.根据权利要求1所述的一种高强高延展性复合板材料，其特征在于：所述钎焊层的材料组成为：Si-9.0～11.0%，Fe-≤0.3%，Cu-≤0.15%，Mn-≤0.05%，Mg-≤0.03%，Zn-≤0.1%，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的一种高强高延展性复合板材料，其特征在于：所述芯层的材料组成为：Si-≤0.2%，Fe-0.15～0.32%，Cu-0.5～0.8%，Mn-1.4～2.3%，Mg-≤0.1%，Zn-≤0.2%，Ti-≤0.05%，Zr-0.05～0.2%，余量为Al。
4.一种权利要求1中的高强高延展性复合板材料的加工工艺，具体步骤如下：
步骤1：进行钎焊层和芯层的材料组分配比；
步骤2：熔炼工序：所述钎焊层4045，熔炼温度750℃-760℃，加入Si块，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到740-750℃；精炼，扒渣；
所述芯层3003Mod，熔炼温度760℃-780℃，加入Cu、Mn中间合金，搅拌20-30分钟，然后再加铝锭降温到750-760℃，精炼，扒渣；
步骤3：精炼除气工序：上述合金成分合格后，采用氩气精炼，精炼时间20-25分钟，精炼温度750℃-760℃，检测液态铝合金氢含量不高于0.15 ml／100gAl；
步骤4：过滤工序：采用30PPi+40PPi双级陶瓷过滤板进行过滤；
步骤5：铸造工序：按照铸造温度680℃-710℃、铸造速度45-55mm/min、水压0.1-0.2Mpa、水温≤30℃的工艺执行，得到符合内控标准的扁铸锭；
步骤6：锯切工序：铸锭浇口部锯切长度150-200mm；
步骤7：均热工序：采用600-605℃/10小时工艺进行铸锭均热处理；
步骤8：铣面工序：铸锭大面铣面量为10-12mm/每面；
步骤9：复合工序：将钎焊层与芯层接触面进行打磨，对芯层的两个大面进行清洗，按次序叠放，用钢带捆扎；
步骤10：热轧工序：将经过上述步骤得到的厚度为445mm的铸锭，经过热轧粘合和轧制，轧成厚度为5-7mm的铝卷；
步骤11：冷轧工序：使用合适的冷加工率将上述热轧得到的卷材进行冷轧，轧至1.3-1.8mm厚；
步骤12：退火工序；
步骤13：分切工序。
5.根据权利要求4所述的一种高强高延展性复合板料的加工工艺，其特征在于：步骤10的热轧工序的终轧温度为300℃-340℃。
6.根据权利要求4所述的一种高强高延展性复合板料的加工工艺，其特征在于：步骤12的退火工序：采用成品退火的金属温度为405℃±3℃，时间为1.5小时退火工艺进行卷式退火并用氮气保护，将预定厚度的铝卷送入退火炉进行成品退火。
7.根据权利要求4所述的一种高强高延展性复合板料的加工工艺，其特征在于：步骤13的分切工序，使用厚纵剪进行剪切，控制毛刺高度在50μm以内。
8.根据权利要求7所述的一种高强高延展性复合板料的加工工艺，其特征在于：经过精密分切得到合格的复合铝带,复合铝带中钎焊层厚度占总厚度的4.5%-7.5%，材料最终交付状态为O态。
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