CN107090557A - 一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金及制备方法 - Google Patents

一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金及制备方法，属于合金材料技术领域。本发明采用的用于制备耐高温钎焊铝/钢复合带铝侧合金中Si含量为0.47％～1.08wt.％，元素Fe的含量最多可达到0.42～0.51wt.％。采用上述成分铝合金生产的铝/钢复合带能够有效抑制高温钎焊时界面化合物的产生。从而在保证铝/钢复合带良好的高温钎焊性能的同时降低生产成本4％以上。

Description

一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金及 制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金，属于合金材料技术领域。
技术背景
铝/钢层状金属复合材料由于综合了钢的高强度、韧性、耐磨性以及铝良好的导热、导电、低密度等优异性能，已经在航空航天、机械、汽车、轮船、建筑以及电力和电子等领域得到了应用。其中，在电力领域，铝/钢复合带是生产火力发电空冷系统散热片的关键材料。铝/钢复合带是由铝板和钢板通过轧制复合+扩散退火的方法生产而成。铝侧合金传统上选用的多是1050铝合金，但是采用1050铝合金生产的铝/钢复合带在高温钎焊时界面容易产生硬脆的Fe-Al系金属间化合物，导致界面发生开裂，这被称为铝/钢复合带的“高温热脆性”。铝/钢复合带的“高温热脆性”问题限制了铝/钢复合带的广泛应用。
大量研究表明，将适量的合金元素Si加入铝中制成的铝/钢复合带可以解决硬脆的Fe-Al系金属间化合物的产生。专利CN102321834A及专利CN104962789A中，分别通过在高纯铝中添加0.7-0.9wt.％及0.41-0.63wt.％的Si有效的抑制了铝/钢层状复合带材高温钎焊过程中界面硬脆金属间化合物的产生。但是，铝的纯度越高价格越高，生产中若使用高纯铝制备铝侧合金，会极大地提高生产成本。为了降低生产成本，实际生产中采用普铝制备铝侧合金。普铝中不可避免的含有杂质元素Fe，Fe元素作为Fe-Al金属间化合物的主要组成元素存在于铝侧，可能会促进Fe-Al金属间化合物的产生，导致铝/钢复合带的高温钎焊性能下降。
发明内容
本发明的目的是要解决目前工业化生产的铝/钢复合带在高温钎焊时界面产生硬脆的金属间化合物而失效，以及降低铝/钢复合带的生产成本，从而提供的一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的Al-Si合金。
其技术方案是这样的，首先在铝硅合金中添加0～0.51wt.％的Fe元素，探究不影响铝/钢复合带钎焊性能的铝侧合金中杂质元素Fe的可用成分区间。随后，通过在普铝中添加不同含量的合金元素Si，来抑制高温钎焊时界面硬脆Fe-Al系金属间化合物的产生，最终得到保证铝/钢复合带具有良好钎焊性能的铝侧合金中合金元素Si的可用成分区间。
其进一步特征在于，熔炼制备的合金中各元素的成分范围为(重量百分比)：0～1.08wt.％的Si和0～0.51wt.％的Fe，余量为铝及不可避免的其它杂质。由于实际生产中，重熔用铝锭中所含元素Fe越多，价格越低。同时，较宽的Si成分窗口可以降低生产难度。最终确定铝侧Si的优选成分范围为0.47％～1.08wt.％，元素Fe的含量最多可达到0.42～0.51wt.％。
上述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在熔炼温度为790±10℃下，先将铝锭熔化，随后加入Al-Si中间合金，待中间合金熔化后，六氯乙烷除气、搅拌，保温静置一段时间，使熔体中各元素成份分布均匀后进行铁模浇铸，并对浇铸后的铝锭进行均匀化处理。优选选用杂质元素Fe含量为0.42～0.51wt.％的重熔用铝制备铝侧合金可以降低生产成本约4％。
本发明中将上述成分的铝合金轧成铝箔，将铝箔和08Al钢板的复合面打磨，再进行总变形量为60％的冷轧复合轧制处理，再在520℃扩散退火21h或550℃下扩散退火3h，520℃退火21h是为了模拟复合带在正常退火工艺下铝钢界面由机械啮合变为冶金结合，同时钢侧完成再结晶，从而保证后续的加工性能，而550℃退火3h是为了模拟工厂中炉温的不均匀情况，研究其是否会使带材失效。
本发明进行模拟钎焊处理，实验采用30min从室温升至625℃保温10min后空冷的模拟钎焊处理，以保证材料的耐高温应用。
本发明通过合金元素Si的添加，有效抑制了高温钎焊时界面硬脆Fe-Al系金属间化合物的产生。尤其
与现有铝/钢复合板包覆铝合金相比，本发明获得了铝侧合金中较宽的可用Si成分区间，及较高的杂质元素Fe上限，能够在保证铝/钢复合带仍然具有良好钎焊性能的同时，降低生产成本4％以上，使企业效益最大化。
附图说明
图1：Al-0.83Si/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图2：Al-0.81Si-0.13Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图3：Al-0.88Si-0.22Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图4：Al-0.81Si-0.28Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图5：Al-0.86Si-0.42Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图6：Al-0.87Si-0.51Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图7：Al-0.32Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图8：Al-0.23Si-0.28Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图9：Al-0.47Si-0.30Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图10：Al-0.72Si-0.33Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图11：Al-0.81Si-0.28Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图12：Al-1.08Si-0.29Fe/钢520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面金相；
图13：Al-0.83Si/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图14：Al-0.81Si-0.13Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图15：Al-0.88Si-0.22Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图16：Al-0.81Si-0.28Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图17：Al-0.86Si-0.42Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图18：Al-0.87Si-0.51Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图19：Al-0.32Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图20：Al-0.23Si-0.28Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图21：Al-0.47Si-0.30Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图22：Al-0.72Si-0.33Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图23：Al-0.81Si-0.28Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
图24：Al-1.08Si-0.29Fe/钢550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面金相；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
本发明首先在铝硅合金中添加不同含量的合金元素Fe，探究不影响铝/钢复合带钎焊性能的铝侧合金中杂质元素Fe的可用成分区间。随后，通过在普铝中添加不同含量的合金元素Si，来抑制高温钎焊时界面硬脆Fe-Al系金属间化合物的产生，从而得到一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金。
采用石墨坩埚熔炼和铁模铸造制备合金铸锭，所用原料为高纯铝、Al-3.4wt.％Fe中间合金及Al-21wt.％Si中间合金。在熔炼温度为790±10℃下，先将铝锭熔化，随后加入Al-Si、Al-Fe中间合金，待中间合金熔化后，六氯乙烷除气、搅拌，保温静置后，使熔体中各元素成份分布均匀后进行铁模浇铸。制备了不同成分的合金，通过XRF测得其实际成分，如下表1所示。
将制备的铝合金轧成铝箔后与钢进行变形量约为60％的冷轧复合处理，随后进行再结晶退火处理+模拟钎焊热处理。铝/钢冷轧复合后，晶粒严重变形，冷轧复合带塑性下降，将复合带进行520℃/21h或550℃/3h退火热处理，以满足后续加工需要；实验采用30min从室温升温到625℃保温10min后空冷的模拟钎焊处理以保证材料的耐高温应用。
表1实验合金成分
实施例1：A1中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图1。
实施例2：A2中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图2。
实施例3：A3中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图3。
实施例4：A4中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图4。
实施例5：A5中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图5。
实施例6：A6中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图6。
对比例1：A7中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面产生了一薄层界面化合物，降低了界面结合强度，易引起钢带和复层铝带分离，见图7。
实施例7：A8中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图8。
实施例8：A9中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图9。
实施例9：A10中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图10。
实施例10：A11中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图11。
实施例11：A12中的铝合金制备的铝/钢复合带在520℃退火21h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图12。
实施例12：A1中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图13。
实施例13：A2中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图14。
实施例14：A3中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图15。
实施例15：A4中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图16。
实施例16：A5中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图17。
实施例17：A6中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图18。
对比例2：A7中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面产生了一薄层界面化合物，降低了界面结合强度，易引起钢带和复层铝带分离，见图19。
对比例3：A8中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面产生了一薄层连续分布的界面化合物，降低了界面结合强度，易引起钢带和复层铝带分离，见图20。
实施例18：A9中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图21。
实施例19：A10中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图22。
实施例20：A11中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图23。
实施例21：A12中的铝合金制备的铝/钢复合带在550℃退火3h及模拟钎焊处理后界面没有产生界面化合物，结合情况良好，见图24。
由图1～图6及图13～18可知，当铝侧合金中的Si含量为0.81～0.88wt.％，Fe含量为0～0.51wt.％时，铝/钢复合带在520℃退火21h或550℃退火3h后，界面不产生金属间化合物，界面结合良好。因此，不影响铝/钢复合带钎焊性能的铝侧合金中杂质元素Fe的可用成分区间为0～0.51wt.％。为了最大限度地降低生产成本，杂质元素Fe的含量最多可以达到0.42～0.51wt.％。
由图7和图19可知，当铝侧合金中Fe含量为0.34wt.％，Si含量为0时，铝/钢复合带在520℃退火21h及550℃退火3h后，界面均产生了界面化合物；由图20可知，当铝侧合金中杂质元素Fe含量为0.28wt.％，Si含量为0.23wt.％时，铝/钢复合带在550℃退火3h后，界面产生了界面化合物。界面化合物的存在会降低界面结合强度，易引起界面开裂，导致产品失效。
由图9～图12及图21～24可知，当铝侧合金中杂质元素Fe含量为0.30±0.03wt.％，Si含量为0.47～1.08wt.％时，铝/钢复合带在520℃退火21h或550℃退火3h后，界面不产生金属间化合物，界面结合良好。
综上所述，本发明中用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金的成分配比为：Si含量为0.47％～1.08wt.％，杂质元素Fe的含量最多可达到0.42～0.51wt.％。采用上述成分配比的的铝合金与钢复合后，在520℃退火21h或550℃退火3h并模拟钎焊处理后界面没有观察到界面化合物的存在，界面结合情况良好。同时，由于采用了杂质元素Fe含量较高的重熔用铝，可以降低生产成本4％以上。

Claims (5)

1.一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金，其中钢为08Al钢，其特征在于，铝合金中Si的质量百分数为0～1.08wt.％，元素Fe的质量百分数为0～0.51wt.％，余量为铝及不可避免的其它杂质。
2.根据权利要求1所述的一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金，其特征在于，该合金中Si含量的成分范围为0.47％～1.08wt.％,元素Fe的含量最多可达到0.42～0.51wt.％。
3.制备权利要求1或2所述的一种用于制备低成本耐高温钎焊铝/钢复合带材的铝合金的方法，其特征在于，在熔炼温度为790±10℃下，先将铝锭熔化，随后加入Al-Si中间合金，待中间合金熔化后，六氯乙烷除气、搅拌，保温静置一段时间，使熔体中各元素成份分布均匀后进行铁模浇铸，并对浇铸后的铝锭进行均匀化处理；铝锭包含杂质元素Fe含量为0.42～0.51wt.％的重熔用铝。
4.采用权利要求1或2的铝合金制备耐高温钎焊铝/钢复合带材的方法，其特征在于，将铝箔和08Al钢板的复合面打磨，再进行总变形量为60％的冷轧复合轧制处理，再在520℃扩散退火21h或550℃下扩散退火3h，520℃退火21h是为了复合带在正常退火工艺下铝钢界面由机械啮合变为冶金结合，同时钢侧完成再结晶，从而保证后续的加工性能。
5.采用权利要求1或2的铝合金材料制备的铝/钢复合带材的应用，用于625℃的高温钎焊。
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