CN111391429B - 铝合金、中冷器管用复合材料及制备方法、中冷器及车辆 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了铝合金、中冷器管用复合材料及制备方法、中冷器及车辆。该铝合金由以下质量百分比的组分组成：Si 0.6％～1.0％、Fe 0.5％～1.2％、Cu 0.2％～1.0％、Mn 0.8％～1.8％、Mg 0.05％～0.3％、Ni 0.5％～1.5％、Zr 0.05％～0.2％、Ti≤0.05％，余量为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质；该复合材料的制备方法包括芯材的熔铸、铣面、热轧、高温退火与打磨；皮材的熔铸、铣面、热轧、冷轧、高温退火与打磨；将打磨后的芯材与皮材冷轧复合，冷轧至成品厚度，制得半成品；半成品退火并拉矫制得复合材料。以该铝合金为芯材，使用该方法制得的中冷器管用复合材料在钎焊后于高温下具有优越的屈服强度，有效解决了高温下中冷器发生变形甚至坍塌的问题，明显延长中冷器的寿命，明显降低因表面起泡、起皮等缺陷引起的不良率。
Description
技术领域
本申请属于铝合金领域，具体涉及一种铝合金、中冷器管用复合材料及制备方法、中冷器及车辆。
背景技术
中冷器作为涡轮增压汽车散热系统的重要组成部分，用于降低增压后的高温气体温度、以降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率。如果缺少中冷器而让增压后的高温空气直接进入发动机，则会因空气温度过高导致发动机爆震甚至损伤熄火的现象。中冷器一般由铝合金制成，按照冷却介质不同，可分为空-空中冷器和水-空中冷器，无论是那种冷却介质的中冷器都要承受增压后的气体高温，因此中冷器对铝材的耐高温性能要求要高于普通散热器铝材。
一种汽车中冷器用多层铝合金管，其由4343标准铝合金或4045标准铝合金作为钎料，并与以3003标准铝合金作为的芯材复合而成的复合带通过高频焊或者搭接的形式制得，该铝合金管再与铝合金外翅片和铝合金内翅片通过钎焊的形式焊接成整体，其中3003标准铝合金的质量百分比的组分为Si≤0.65％、Fe≤0.7％、Cu 0.05％～0.2％、Mn 1％～1.5％、Mg≤0.05％、Zn≤0.1％，其余为Al及不可避免杂质元素。该铝合金中冷器管在使用过程中由于作为芯材的3003铝合金在室温和工作温度(约250℃)下强度较低，导致中冷器发生变形甚至是坍塌现象，严重影响中冷器的使用寿命。
现有技术中，制备中冷器管的复合材料几乎均需要采用轧制复合工艺。而现有的普通热轧复合工艺中，芯材和皮材铸锭需从数百毫米厚经过十几道次甚至是数十道次轧制以轧至几毫米。在这个过程中，若芯材铸锭与皮材铸锭之间的残留空气没有及时排出，或是在芯材与皮材的界面完全闭合前，热轧时使用的热乳液进入芯材与皮材的缝隙中没有及时排出，这些残留在铸锭层之间的空气或乳液受高温汽化后形成的起泡会随着热轧道次的增加，沿着轧制方向不断地拉长、碎化，造成热轧卷的表面出现大的鼓包，导致整个热轧卷的报废。即使一些层间气体的残留未能被及时发现，也会在后续冷轧中间退火过程中形成气泡，再经后续冷轧，造成复合料发生分层起皮；或是在成品退火时，形成表面气泡缺陷，导致成材率降低甚至是整个卷材报废。
通过使用现有技术热轧复合制得的中冷器管用铝合金复合材料，因表面起泡、起皮等缺陷引起的不良率高达5％。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种铝合金、中冷器管用复合材料及制备方法、中冷器及车辆。
本发明的一个目的在于提供一种铝合金，这种铝合金由以下质量百分比的组分组成：Si 0.6％～1.0％、Fe 0.5％～1.2％、Cu 0.2％～1.0％、Mn 0.8％～1.8％、Mg 0.05％～0.3％、Ni 0.5％～1.5％、Zr 0.05％～0.2％、Ti≤0.05％，余量为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
根据本公开的一个方面，这种铝合金由以下质量百分比的组分组成：Si 0.7％～0.9％、Fe 0.9％～1.1％、Cu 0.7％～0.9％、Mn 1.1％～1.3％、Mg 0.15％～0.25％、Ni0.8％～0.2％％、Zr 0.08％～0.12％、Ti 0.02％～0.04％，余量为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
本发明的另一个目的在于提供一种复合材料的制备方法，包括以下步骤：芯材的熔铸、铣面、热轧、高温退火与打磨；皮材的熔铸、铣面、热轧、冷轧、高温退火与打磨；将打磨后的芯材与皮材进行冷轧复合，并冷轧至成品厚度，制得半成品；对半成品退火并拉矫后制得复合材料；其中所述芯材为上述铝合金。
根据本公开的一个方面，在这种方法中，芯材熔铸时的浇铸温度为700～720℃；芯材的铣面量为0～10mm；芯材热轧时的开轧温度不低于480℃，终轧温度不低于320℃，芯材热轧后得到的热轧卷厚度为5～10mm；芯材的高温退火为热轧卷在450～500℃下保温2～10h；皮材熔铸时的浇铸温度为680～700℃；皮材的铣面量为0～10mm；皮材热轧时的开轧温度不低于400℃；皮材冷轧后得到的冷轧卷厚度为0.25～2.0mm；皮材的高温退火为冷轧卷在430～480℃下保温2～10h。
根据本公开的一个方面，在这种方法中，打磨后的芯材的面积最大面及对面，和打磨后的皮材的打磨面进行对应复合，进行复合时，首道次压下量不低于30％；成品厚度为0.35～0.80mm；半成品退火的温度为240～280℃，时间为2～4h。
本发明还提供了一种使用上述制备方法制备得到的复合材料，这种复合材料的皮材包覆在芯材的两侧；单侧皮材厚度占整个复合铝材厚度的5～15％。
根据本公开的一个方面，在这种复合材料中，皮材包括4xxx系铝合金，4xxx系铝合金由以下质量百分比的组分组成：Si 5.0～15.0％、Fe≤0.5％、Cu≤0.3％、Mn≤0.1％、Mg≤0.2％、Zn≤0.1％、Sr 0.01～0.2％，余量为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质；其中Si优选为6.8～12.2％，Sr优选为0.01％～0.05％。
本发明还提供了一种中冷器管，这种中冷器管包括上述任一的复合材料。
本发明还提供了一种中冷器，这种中冷器包括上述的中冷器管。
本发明还提供了一种车辆，这种车辆包括上述的中冷器。
使用本发明提供制备方法制备得到的中冷器管用复合材料因表面起泡、起皮等缺陷引起的不良率由原来的5％降低至0.5％。
以本发明提供的铝合金作为芯材，并使用本发明提供的制备方法制备得到的中冷器管用复合材料，在钎焊后于高温条件下具有优越的屈服强度，有效地解决了高温条件下中冷器发生变形甚至是坍塌的问题，明显地延长了中冷器的使用寿命，并明显降低了因表面起泡、起皮等缺陷引起的不良率。
附图说明
图1示出了中冷器管用铝合金复合结构的示意图。
具体实施方式
下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下述各实施例和对比例提供的汽车中冷器管用复合材料的制备过程包括：
(1)质量配比：根据成分设计，将铝的含量不低于99.7％的原铝锭、金属硅、Al-15Fe中间合金(含Fe量15％，其余为Al)、Al-50Cu中间合金(含Cu量50％，其余为Al)、锰剂(含Mn量75％，其余为助燃剂)、纯镁锭、Al-15Ti中间合金(含Ti量15％，其余为Al)、Al-15Ni中间合金(含Ni量15％，其余为Al)、Al-15Zr中间合金(含Zr量15％，其余为Al)、Al-10Sr中间合金(含Sr量10％，其余为Al)，按照下述实施例中提供的质量百分数进行配比。
(2)熔铸：首先，将原铝锭投入到熔炼炉中进行熔化，炉气温度为800～900℃，待原铝锭熔化1/3时，进行电磁搅拌，待原铝锭全部熔化后，投入剩余的材料。控制铝液温度为750～780℃，扒去表面浮渣后，取样进行化学成分分析，待化学成分合格后，转至保温炉进行保温精炼，精炼时间不得大于4h，待精炼完成、扒去表面浮渣后，当铝液温度为720±10℃时开始铸造，铸造得到450mm×1500mm×5000mm规格的芯材铸锭和4xxx系皮材铸锭。
(3)铣面：按照规格要求将制得的铸锭进行铣面，大面的铣面量为5～15mm，小面铣面量0～10mm。
(4)热轧：将芯材铸锭加热至500℃并保温2h后出炉热轧，轧至5～10mm；将皮材铸锭加热至450℃并保温2h后出炉热轧，轧至5～8mm。
(5)皮材冷轧：将上述皮材热轧后得到的热轧卷冷轧至0.25～2.0mm，得到冷轧卷。
(6)高温退火：将芯材热轧卷与皮材冷轧卷分别加热至450～500℃和430～480℃并保温2h。
(7)在线打磨：将上述高温退火后的芯材和皮材分别进行双面和单面打磨。
(8)冷轧复合：将芯材上下面与皮材打磨的面对应进行首道次不低于30％压下量的冷轧复合，再经数道次冷轧至成品厚度0.35～0.8mm，得到半成品。
(9)半成品退火：将上述冷轧复合卷半成品加热至240～280℃后保温2～4h。
(10)拉矫：将上述退火卷进行在线拉矫，保证板形，满足后续制管平整度要求，最后制得本发明提供的中冷器管用复合材料。
图1所示为本公开提供的复合材料，其中A为芯材层，B为皮材层。
实施例1
一种汽车中冷器管用铝合金复合材料，该复合材料由芯材和包覆在芯材两面的皮材组成。
芯材铝合金的各元素质量百分数为Si 0.8％、Fe 1.0％、Cu 0.8％、Mn 1.2％、Mg0.2％、Ni 0.5％、Zr 0.2％，其余为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
皮材合金选用AA4343合金，具体成分为Si 7.5％，Sr 0.03％，其余为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
本实施例中冷器管用铝合金复合材料的制备方法按以下步骤进行：
(1)熔铸：分别按设定成分配比合金，经原料熔化、电磁搅拌、扒渣、除气、精炼、半连续浇铸，得到芯材铸锭和皮材铸锭，其规格为450mm×1500mm×5000mm；
(2)铸锭铣面：将芯材铸锭、皮材铸锭的大面各铣去10mm，小面各铣去5mm。
(3)热轧：将芯材铸锭加热至500℃并保温2h后出炉热轧，轧制8mm；将皮材铸锭加热至450℃并保温2h后出炉热轧至5mm。
(4)皮材冷轧：将上述皮材热轧卷冷轧至1mm，得到冷轧卷。
(5)高温退火：将芯材热轧卷与皮材冷轧卷分别加热至480℃和450℃并保温2h。
(6)在线打磨：将上述高温退火后的芯材和皮材分别进行双面和单面打磨。
(7)冷轧复合：将芯材上下面与皮材打磨的面对应进行首道次40％压下量的冷轧复合，再经数道次冷轧至成品厚度0.4mm，得到半成品。
(8)半成品退火：将上述冷轧复合卷半成品加热至260℃后保温2h。
(9)拉矫：将上述退火卷进行在线拉矫，保证板形，满足后续制管平整度要求，制备得到本实施例中提供的中冷器管用复合材料。
实施例2
一种汽车中冷器管芯材用铝合金，该铝合金的各元素质量百分数为Si 0.8％，Fe1.0％，Cu 0.8％，Mn 1.2％，Mg 0.2％，Ni 1.0％，Ti 0.03％，Zr 0.12％，其余为Al及不可避免杂质元素，所述不可避免杂质元素总和不大于0.15％，且单个杂质元素不大于0.05％。
皮材合金选用AA4343合金，具体成分为Si 7.5％，Sr 0.03％，其余为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
制备方法与实施例1相同，不再赘述。
实施例3
一种汽车中冷器管芯材用铝合金，该铝合金的各元素质量百分数为Si 0.8％，Fe1.0％，Cu 0.8％，Mn 1.2％，Mg 0.2％，Ni 1.5％，Ti 0.03％，Zr 0.05％，其余为Al及不可避免杂质元素，所述不可避免杂质元素总和不大于0.15％，且单个杂质元素不大于0.05％。
皮材合金选用AA4343合金，具体成分为Si 7.5％，Sr 0.03％，其余为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
制备方法与实施例1相同，不再赘述。
实施例4
一种汽车中冷器管芯材用铝合金，该铝合金的各元素质量百分数为Si 1.0％，Fe0.5％，Cu 0.2％，Mn 1.8％，Mg 0.3％，Ni 1.0％，Ti 0.03％，Zr 0.12％，其余为Al及不可避免杂质元素，所述不可避免杂质元素总和不大于0.15％，且单个杂质元素不大于0.05％。
皮材合金选用AA4343合金，具体成分为Si 7.5％，Sr 0.03％，其余为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
制备方法与实施例1相同，不再赘述。
实施例5
一种汽车中冷器管芯材用铝合金，该铝合金的各元素质量百分数为Si 0.8％，Fe0.8％，Cu 1.0％，Mn 1.2％，Mg 0.05％，Ni 1.0％，Zr 0.12％，其余为Al及不可避免杂质元素，所述不可避免杂质元素总和不大于0.15％，且单个杂质元素不大于0.05％。
皮材合金选用AA4343合金，具体成分为Si 7.5％，Sr 0.03％，其余为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
制备方法与实施例1相同，不再赘述。
实施例6
一种汽车中冷器管芯材用铝合金，该铝合金的各元素质量百分数为Si 0.6％，Fe1.0％，Cu 0.8％，Mn 0.8％，Mg 0.25％，Ni 1.0％，Ti 0.03％，Zr 0.12％，其余为Al及不可避免杂质元素，所述不可避免杂质元素总和不大于0.15％，且单个杂质元素不大于0.05％。
皮材合金选用AA4343合金，具体成分为Si 7.5％，Sr 0.03％，其余为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
制备方法与实施例1相同，不再赘述。
对比例1
一种汽车中冷器管芯材用铝合金为标准3003铝合金，该铝合金的各元素质量百分数为Si 0.15％，Fe 0.25％，Cu 0.1％，Mn 1.45％，Ti 0.03％，其余为Al及不可避免杂质元素，所述不可避免杂质元素总和不大于0.15％，且单个杂质元素不大于0.05％。
皮材合金选用AA4343合金，具体成分为Si 7.5％，Sr 0.03％，其余为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
制备方法与实施例1相同，不再赘述。
上述实施例1～6和对比例所制备的三层管料合金在实验条件下进行模拟钎焊(600℃×15min)，再将模拟钎焊后的材料在250℃高温拉伸机上进行拉伸，获得250℃下的高温拉伸数据，每组试样取5个平行样，最终数值取5个平行拉伸样的平均值。
表1示出了各实施例和对比例制备得到的管料合金250℃下的拉伸力学性能如。
表1：各实施例和对比例制备得到的管料合金250℃下的拉伸力学性能
| 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/％ | 试样厚度/mm | |
| 实施例1 | 76.1 | 61.8 | 42.1 | 0.4 |
| 实施例2 | 93.8 | 68.8 | 28.3 | 0.4 |
| 实施例3 | 92.0 | 74.2 | 20.7 | 0.4 |
| 实施例4 | 90.3 | 70.4 | 24.5 | 0.2 |
| 实施例5 | 87.7 | 64.3 | 30.0 | 0.6 |
| 实施例6 | 83.5 | 62.3 | 28.8 | 0.4 |
| 对比例1 | 53.3 | 37.1 | 42.9 | 0.4 |
如表1所示，对比例以标准3003铝合金为芯材制备得到的中冷器管的铝合金仅有延伸率一项优于本申请实施例1～6制得的铝合金为芯材制备得到的中冷器管的铝合金，但是，对于车辆上的中冷器管而言，其材质最重要的一点在于其高温下的屈服强度，可以看出，在屈服强度这一方面，对比例明显要劣于实施例1～6，而在高温下屈服强度一列可以看出，实施例3制备得到的铝合金作为芯材对于中冷器管而言，具有更优良的效果。
本发明的中冷器管用铝合金，其在标准3003铝合金的基础上，新加入了Ni和Zr元素，提高了Si、Cu和Mg的含量，并调整了Fe和Mn的含量。
其中：
(1)高含量的Si可以在高温钎焊过程中形成粗大晶粒，提高材料在高温时的支撑强度。
(2)Cu是以固溶方式存在于铝合金中，在钎焊后起到一定的固溶强化作用，同时Cu超过一定含量时在铝合金中形成CuAl2，有着明显时效强化作用，因此增加Cu的含量后铝合金在钎焊后的一段时间内能够不断的提高合金的强度和硬度。但Cu含量过高会降低材料自身的抗腐蚀性能。
(3)Mg在铝合金中的强度增加作用非常明显，每增加1％镁，合金强度可以提高34MPa；同时，铜和镁的共同存在，可以形成S(Al2CuMg)相，有着进一步显著的强化效果。但发明人发现，Mg含量不宜超过3％，超过后，Mg元素会在钎焊过程中扩散至材料表面与钎剂发生反应，导致钎剂失效，造成产品焊接不良。
(4)Mn与Al能够形成Al6Mn相化合物，这种化合物的存在可以一定程度上提高合金的力学性能，但发明人发现，过多的Mn会形成粗大Al6Mn相化合物，不利于材料的成形性能。
(5)Ni与Fe可以影响合金耐热性。Al9FeNi相是硬脆的化合物，在铝中溶解度极小，经形变热处理后，当该类相弥散分布于组织中时，能够显著地提高合金的耐热性。
(6)Zr元素在铝基体中可以生成Al3Zr相，具有钉扎位错、抑制再结晶的作用，在铝合金中添加适量Zr可以明显提高材料的再结晶温度，经过高温钎焊后获得粗大晶粒，提高合金的高温强度和耐腐蚀性能，当Zr添加量超过0.2％时，上述作用增加不再明显，故从成本角度考虑，一般Zr含量控制在0.2％以下。
本发明提供的这种制备方法的优点如下：
(1)进行了高温退火处理，一是可以提高软化合金强度、降低材料在后续复合过程中的变形抗力，减小轧制力；二是经高温退火可以使热轧卷芯材和冷轧卷皮材表面的残留热轧乳液和冷轧油充分挥发，减小后续冷轧复合过程中气泡、起皮的发生；
(2)将高温退火处理后的芯材和皮材进行了打磨处理，可以有效去除铝材表面氧化皮、残留油斑，同时可以增加待复合面(即打磨面)的粗糙度，提高后续冷轧复合成功率；
(3)分别对芯材铸锭和皮材铸锭进行单独热轧，再将皮材热轧卷冷轧至目标厚度，避免了芯材和皮材在热轧复合时乳液的进入，造成热轧卷鼓包或是成品卷表面气泡发生。
综上所述，以本发明提供的铝合金作为芯材制备得到的中冷管器在钎焊后于高温条件下具有优越的屈服强度，明显优于现有的以标准3003铝合金为芯材制备得到的中冷管器，有效地解决了高温条件下中冷器发生变形甚至是坍塌的问题，从而明显地延长了中冷器的使用寿命。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
芯材的熔铸、铣面、热轧、高温退火与打磨；
皮材的熔铸、铣面、热轧、冷轧、高温退火与打磨；
将打磨后的所述芯材与所述皮材进行冷轧复合，并冷轧至成品厚度，制得半成品；
对所述半成品退火并拉矫后制得所述复合材料；
其中所述芯材为由以下质量百分比的组分组成的铝合金：Si0.6％～1.0％、Fe 0.5％～1.2％、Cu 0.2％～1.0％、Mn 0.8％～1.8％、Mg0.05％～0.3％、Ni 0.5％～1.5％、Zr0.05％～0.2％、Ti≤0.05％，余量为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质；
所述芯材熔铸时的浇铸温度为700～720℃；
所述芯材的铣面量为0～10mm；
所述芯材热轧时的开轧温度不低于480℃，终轧温度不低于320℃，所述芯材热轧后得到的热轧卷厚度为5～10mm；
所述芯材的高温退火为所述热轧卷在450～500℃下保温2～10h；
所述皮材熔铸时的浇铸温度为680～700℃；
所述皮材的铣面量为0～10mm；
所述皮材热轧时的开轧温度不低于400℃；
所述皮材冷轧后得到的冷轧卷厚度为0.25～2.0mm；
所述皮材的高温退火为所述冷轧卷在430～480℃下保温2～10h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金由以下质量百分比的组分组成：
Si 0.7％～0.9％、Fe 0.9％～1.1％、Cu 0.7％～0.9％、Mn 1.1％～1.3％、Mg0.15％～0.25％、Ni 0.8％～1.2％、Zr 0.08％～0.15％、Ti 0.02％～0.04％，余量为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
打磨后的所述芯材的面积最大面及对面，和打磨后的所述皮材的打磨面进行对应复合，进行所述复合时，首道次压下量不低于30％；
所述成品厚度为0.35～0.80mm；
所述半成品退火的温度为240～280℃，时间为2～4h。
4.一种根据权利要求1～3中任一项所述的方法制备得到的复合材料，其特征在于，所述复合材料的所述皮材包覆在所述芯材的两侧；单侧皮材厚度占整个复合铝材厚度的5～15％。
5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于，
所述皮材包括：
4xxx系铝合金，所述4xxx系铝合金由以下质量百分比的组分组成：Si 5.0～15.0％、Fe≤0.5％、Cu≤0.3％、Mn≤0.1％、Mg≤0.2％、Zn≤0.1％、Sr 0.01～0.2％，余量为Al及单个元素小于0.05％，总量小于0.15％的不可避免杂质。
6.一种中冷器管，其特征在于，包括权利要求4或5所述的复合材料。
7.一种中冷器，其特征在于，包括权利要求6所述的中冷器管。
8.一种车辆，其特征在于，包括权利要求7所述的中冷器。
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