CN113145644B - 一种汽车水箱用板带材及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车水箱用复合材料及制备方法，包括以铜板为中间材料，以双层铝合金板为外层材料进行堆叠，形成双层铝合金板/铜板/双层铝合金板的多层结构，对所述的多层结构进行累积叠轧得到汽车水箱用复合材料；所述的铜板的体积为多层结构总体积的38～40％，所述的双层铝合金板由两块铝合金板堆叠组成，其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的0.5～2倍。本发明在合金化优化的基础上，提出对单一优势性能合金进行复合，获得综合性能优异的复合材料，从而推动汽车水箱向轻质、高精、耐蚀、高导热、抗软化的综合性能发展。

Description

一种汽车水箱用板带材及制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料制备技术领域，具体涉及一种汽车水箱用板带材及制备方法。

背景技术

汽车业的快速发展导致其对各零部件的性能需求愈发严苛。汽车水箱作为发动机冷却系统的重要组成部分，其材料综合性能优化趋势已迫在眉睫。传统的水箱散热器主要分为铜制和铝制两大类。虽然铜制水箱具有良好的导热性、可加工性、可焊性和耐蚀性，但因其资源短缺、成本高且比重大而难以大量推广。而铝制水箱虽比重小且成本低，但热传导率、耐蚀性等相较于铜质水箱有较大差异，这些因素限制了铝制水箱的发展。因此，研究者提出合金化法以求改善材料使用性能。

合金化法是指在一定工艺条件下，通过对纯金属或合金添加不同微量元素，使其形成具有预期性能的新合金。就铜制水箱而言，一般是通过在铜中添加微量元素,在减少热损失的前提下提高其他性能。如：添加微量Ni、Sn提高材料耐蚀性；添加微量Sn、Te等提高材料抗软化能力；添加微量Ta、Te(碲)等元素，形成晶间化合物和金属间化合物，从而使合金强度提高。事实证明，合金化法在一定程度上改善了水箱用材料的使用性能，但改善后的合金依旧难以满足日益发展的现代化汽车行业对材料综合性能的要求。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种汽车水箱用板带材及制备方法，制备得到新型高性能的复合材料，丰富汽车水箱用板带材的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种汽车水箱用复合材料的制备方法，包括以铜板为中间材料，以双层铝合金板为外层材料进行堆叠，形成双层铝合金板/铜板/双层铝合金板的多层结构，对所述的多层结构进行累积叠轧得到汽车水箱用复合材料；

所述的铜板的体积为多层结构总体积的38～40％，所述的双层铝合金板由两块铝合金板堆叠组成，其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的0.5～2倍。

进一步的，所述的双层铝合金板中的一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的0.6倍。

进一步的，所述的双层铝合金板中的一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的1.7倍。

进一步的，包括以下步骤：

步骤一：对铜板和铝合金板依次进行堆叠、冲孔、铆合、预热和轧制结合，形成初始层状复合材料，

步骤二：将两个步骤一制备得到的初始复合材料进行表面处理、堆叠、冲孔、铆合、预热后，进行多道次累积叠轧，其中，在各道次累积叠轧前进行退火处理，得到不同轧制道次下的层状复合板；

步骤三：对累积叠轧得到的不同轧制道次下的层状复合板进行工艺退火，得到多层结构复合材料，对所述的多层结构复合材料进行后续加工处理，获得汽车水箱用复合材料。

具体的，步骤一和步骤二中所述预热温度为270～350℃，预热时间为8～10min。

具体的，所述多道次累积叠轧中的道次间退火处理温度为260～300℃，退火处理时间为30～60min。

进一步的，所述累积叠轧温度240～340℃，累积叠轧的轧制道次为5～12道次。

进一步的，步骤三中所述工艺退火温度为250～350℃，退火时间为30～120min。

一种汽车水箱用复合材料，所述的汽车水箱用复合材料采用本发明所述的任一汽车水箱用复合材料的制备方法制备得到。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

1、本发明通过对同种材料的多层结构设计、制备过程中道次间退火处理的添加，使复合板各层在变形过程中保持好的协调性且各层连续，降低了复合板在制备过程中塑性的损失，获得具有优异力学性能的复合材料。

2、本发明所述的汽车水箱用复合材料的制备方法，通过对获得的不同道次复合板进行3×4正交退火处理，选择强度-塑性匹配度高的复合材料，进行后续加工处理获得满足性能需求的汽车水箱用板带材。

3、与现有技术相比，本发明选择两种材料进行复合，使其在保持原有金属和合金特性的同时，产生“互补效应”，弥补自身不足，制备满足需求的汽车水箱用板带材。此外，将复合化思想与现有合金化技术结合，选择满足性能需求的合金，通过合理的结构设计，复合后获得一种新型高性能材料，从而推动汽车水箱向轻质、高精、耐蚀、高导热、抗软化的方向发展。

附图说明

图1是本发明的初始结合的层状复合板和累积叠轧的过程示意图；

图2是本发明制备的不同轧制道次下复合板SEM图；

图3是本发明复合板制备过程中不同轧制道次下各层变形量图；

图4是本发明复合板不同轧制道次下的应力应变曲线；

图5是对比例2中轧制3层Al/Cu复合材料结构图，其中，(b)ARB3；(c)ARB4；(d)ARB5；

具体实施方式

在本发明中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以通过增加、删除、修改等各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

累积叠轧技术是一种制备超细晶板材的剧烈塑性变形方法，可以将不同金属和合金焊合，形成一种新型复合材料，相比于其他剧烈塑性变形技术而言，该技术可在不改变材料横截面积的情况下，通过反复多次轧制使材料获得较大的累积应变，能有效细化晶粒，大幅度提高材料的力学性能。通过对原始母材种类、厚度，母材叠放次序的调控以及层状结构的优化，得到满足性能需求的结构设计。

本发明的层状结构的优化是将同一材料的单层形式改变为双层，以增加复合材料界面，提升材料变形协调性和综合力学性能。对单一性能优势的材料进行“缺陷互补”，从而获得一种新型高性能的复合材料，推动汽车水箱向轻质、高精、耐蚀、高导热、抗软化的方向发展。

具体的，根据所需材料性能需求，确定用于复合化的母材以及母材的堆叠次序，汽车水箱用板带材性能需求为高导热、高强度、耐蚀、可焊接等，选用的铝合金板具有一定的导热性、可焊接性与耐蚀性，而选用的铜板具有优异的导热性，因此，将铝合金板置于外侧而铜板置于内侧，充分发挥各自的性能优势，实现“互补效应”。

如图1所示，本发明按所需性能要求，确定铜板、铝合金板和厚度，同时结合多层结构思想，设计出层状结构复合材料，然后经初道次结合与后续累积叠轧工艺，得到层状复合材料。以铜板为中间材料，以双层铝合金板为外层材料进行堆叠，形成双层铝合金板/铜板/双层铝合金板的多层结构，对多层结构进行累积叠轧得到汽车水箱用复合材料；铜板的体积为多层结构总体积的38～40％，双层铝合金板由两块铝合金板堆叠组成，其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的0.5～2倍。

在本发明中，“双层铝合金板/铜板/双层铝合金板”中在铜板两侧的双层铝合金板镜像对称堆叠在铜板的两侧。“双层铝合金板由两块铝合金板堆叠组成，其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的0.5～2倍”是指如实施例1中的厚度为0.6mm和1mm的铝合金板和2mm的铜板，以5052Al(0.6mm)/5052Al(1mm)/T2/5052Al(1mm)/5052Al(0.6mm)形式堆叠，在该实施例中，其中一块铝合金板的厚度Al(0.6mm)为另一块铝合金板厚度Al(1mm)的0.6倍。

或者如实施例3的5052Al(1.0mm)/5052Al(0.6mm)/T2/5052Al(0.6mm)/5052Al(1.0mm)形式堆叠，在该实施例中，其中一块铝合金板的厚度Al(1.0mm)为另一块铝合金板厚度Al(0.6mm)的1.7倍。组成双层铝合金板的两块铝合金板在铜板两侧的堆叠顺序对复合材料的力学性能影响忽略，只要满足其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的0.5～2倍即可。本发明的构思主要是将单层形式的铝合金板改变为双层，以增加复合材料界面，提升材料变形协调性和综合力学性能。

铜层体积范围的扩大伴随着比重的增加，但会略微提升复合材料的导电导热率，体积分数的设定是在满足国标导热要求的前提下，最小化铜板厚度即铜层的体积分数，以大幅度降低复合板的比重，实现汽车轻量化。

具体包括以下步骤：

步骤一：对铜板和铝合金板依次进行堆叠、冲孔、铆合、预热和轧制结合，形成初始层状复合材料；

具体过程如下：

(1)沿平行于轧制方向，用不锈钢钢丝刷打磨金属板接触表面；

(2)用酒精/丙酮清洗打磨后的金属板，并吹干；

(3)将干净的金属板进行叠合、前端打孔、用铆钉铆合；

(4)对铆合好的复合板用马弗炉进行预热；

(5)预热完成后进行轧制，形成层状复合材料(ARB0)。

步骤二：将两个步骤一制备得到的初始复合材料进行表面处理、堆叠、冲孔、铆合、预热后，进行多道次累积叠轧，其中，在各道次累积叠轧前进行退火处理，得到不同轧制道次下的层状复合板；

冲孔、铆合和预热的具体前期处理步骤参考步骤一。其中，退火处理温度为260～300℃，退火处理时间为30～60min。

步骤三：对累积叠轧得到的不同轧制道次下的层状复合板进行工艺退火，得到多层结构复合材料，对所述的多层结构复合材料进行后续加工处理，获得汽车水箱用复合材料。

工艺退火处理可设计为3×4的正交实验。退火温度选择250℃、300℃和350℃，退火时间选择30min、60min、90min和120min。

后续加工处理具体包括：粗轧-中轧-预轧-精轧，其中，粗轧：14.5-12.0-9.1-6.0-3.8-2.0-1.4(mm)，中轧：1.4-0.9-0.6-0.45(mm)，预精轧：0.45-0.25-0.18-0.13-0.1(mm)，精轧：0.1-0.085、0.1-0.075、0.1-0.07-0.05(mm)，获得高精度超薄水箱用板带材。数字的递减是复合材料厚度变化。粗轧就是可以将14.5mm的复合板，进行多次小压下量的轧制，到1.4mm的厚度。后续工艺是相同的，直到最后的精轧，获得0.05mm，得到汽车水箱用复合材料。

本发明中的原料均市售可得。

实施例1：

本实施例给出一种汽车水箱用板带材的复合化制备方法，包括以铜板为中间材料，以双层铝合金板为外层材料进行堆叠，形成双层铝合金板/铜板/双层铝合金板的多层结构，对多层结构进行累积叠轧得到汽车水箱用复合材料；铜板层的体积为多层结构总体积的38.5％。

具体选用厚度为0.6mm和1mm的铝合金板(5052)和2mm的铜板(T2)，以5052Al(0.6mm)/5052Al(1mm)/T2/5052Al(1mm)/5052Al(0.6mm)形式堆叠。本实施例的双层铝合金板中其中一块铝合金板的厚度Al(0.6mm)为另一块铝合金板厚度Al(1mm)的0.6倍。

具体包括以下步骤：

步骤一：对各层母材进行表面处理，接下来依次进行堆叠、冲孔、铆合、预热、轧制结合，形成初始层状复合材料(ARB0)，预热温度为270～350℃，预热时间为8～10min。

步骤二：将两个步骤一制备得到的初始复合材料进行表面处理、堆叠、冲孔、铆合、预热后，进行多道次累积叠轧，其中，在各道次累积叠轧前进行退火处理，冷却至室温，得到不同轧制道次下的层状复合板；

所述预热温度、预热时间与步骤一相同，所述道次间退火处理温度为260～300℃，退火处理时间为30-60min。

步骤三：对累积叠轧得到的不同轧制道次下的层状复合板进行工艺退火，得到多层结构复合材料，对所述的多层结构复合材料进行后续加工处理(粗轧-中轧-预轧-精轧)，获得汽车水箱用复合材料。

所述工艺退火处理可设计为3×4的正交实验。退火温度选择250℃、300℃和350℃，退火时间选择30min、60min、90min和120min。

通过工艺退火处理，提升复合板的使用性能，便于后续加工处理；促使异质材料层间界面扩散，形成稳定得冶金结合，提高界面结合强度；降低复合板内部的加工应力。

在本实施例中，初次轧制结合记为记为ARB0，将两块初道次结合材料进行表面处理，随后堆叠、冲孔、铆接、打坡口、预热后，对复合材料进行再次叠轧，记为ARB1。重复此过程，完成对复合材料的累积叠轧。此实例成功制备了汽车水箱用复合材料。

图2为本发明制备的不同轧制道次下复合板SEM图。从图中可以看出，不同道次的各层材料均保持好的连续性，且未观察到空洞与界面开裂现象，说明复合板界面结合良好。

图3为本实施例复合板制备过程中不同轧制道次下各层变形量图，从图中可以看出，3条曲线几乎重合，即铝合金层和铜层的变形协调比趋近于1，说明复合材料各层在不同道次变形中，变形量相当，未出现明显变形量差值，复合材料整体变形协调性好，各层间协调变形。

图4为不同轧制道次下的应力应变曲线，从图中可以观察到复合材料(轧制态)在ARB2道次具有优异的强(386.1MPa)-塑(5.94％)匹配度。同时，选用的5052Al具有一定可焊接性与耐蚀性，选用的5052Al的导热系数：138W/(m*k)，T2紫铜的导热系数：386W/(m*k)。本实施例制备的汽车水箱用复合材料满足高导热、高强度、耐蚀、可焊接等要求。

对比例1：

与实施例1相同，不同的是，其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的4.3倍。按照5052Al(0.3mm)/5052Al(1.3mm)/T2/5052Al(1.3mm)/5052Al(0.3mm)形式堆叠，累积叠轧6道次，制备得到复合化汽车水箱用板带材。

本实施例获得的复合材料相较于实施例1的塑性出现下降，而强度并未发生明显变化。此外，由于外侧铝合金的厚度较薄，在后续累积叠轧过程中，最外侧铝合金在每道次减薄，最终导致断裂，从而将内侧铝合金裸露出来。在广泛使用时，不同母材选择在外层断裂，裸露出的内层材料会影响复合材料的综合性能，甚至导致材料失效。

实施例2：

本实施例与实施例1相同，在本实例中，铜板选用商业T2紫铜，结构设计保持实施例1的5层结构，道次间退火处理温度为290℃，时间为30min，不同的是，铝合金板选用商业3003Al铝合金，累积叠轧6道次，制备得到复合化汽车水箱用板带材。

本实施例获得复合板(ARB0)相较于实施例1同道次复合板强度降低，这是因为原材料3003Al(≈155MPa)强度低于5052Al(≈217MPa)，表明母材选取对于复合板最终性能影响显著，而韧性没有明显变化。

对比例2

本实施例与实施例1相同，在本实例中，铜板选用商业T2紫铜，铝合金板选用商业5052Al铝合金，道次间退火处理温度为290℃，时间为30min，不同的是，将5层结构改为传统的3层5052Al(1.6mm)/T2/5052Al(1.6mm)结构，累积叠轧6道次，制备得到复合化汽车水箱用板带材。

本实施例获得复合板各层变形协调性相较于实施例1较差，且在累积叠轧5道次时，铜层发生明显的颈缩断裂现象，如图5所示，不能得到连续结构的层状复合材料。复合材料在塑性变形过程中，铝合金层与铜层协调变形性差。此外，复合板在累积叠轧5道次时延伸率(轧制态)仅有2.27％。

对比例3

本实施例与实施例1相同，不同的是，将多道次累积叠轧中的道次间退火处理温度提升至350℃，时间保持30min，累积叠轧6道次，制备得到复合化汽车水箱用板带材。

本实施例获得的各道次复合材料强度和延伸率均有降低，这是由于在退火处理中生成了硬脆的金属间化合物(Al₂Cu)，材料在拉伸过程中发生脆断、界面剥离等现象，导致材料性能下降。

因此，在预热以及后续热处理中，需要选择合理的温度与时间，避免金属间化合物的生成，同时最大程度促进界面原子扩散，缓解加工硬化程度，以提高复合材料力学性能。

实施例3

本实施例与实施例1相同，不同的是，改变了内侧与外侧铝合金堆叠次序，按照5052Al(1.0mm)/5052Al(0.6mm)/T2/5052Al(0.6mm)/5052Al(1.0mm)形式堆叠，累积叠轧6道次，制备得到复合化汽车水箱用板带材。本实施例中，其中一块铝合金板的厚度Al(1.0mm)为另一块铝合金板厚度Al(0.6mm)的1.7倍。

本实施例获得的复合材料与实施例1获得复合材料的力学性能无明显差别。这是因为在轧制过程中的组织演变、变形协调性、应变分布，甚至包括界面形态及界面成分的问题一致，两者的最终效果是基本一致。

但针对不同材料体系的选择，对于复合材料厚度也存在不同要求。如对于腐蚀性能要求高的材料，则会对外侧耐蚀材料选择厚度较大，避免如对比例出现的现象，导致材料失效。同时，在加工过程中可以提升部分强度(晶粒细化、加工硬化等作用)，所以对于内侧强度材料选择厚度可以较小。此实施例表明母材厚度选择及材料堆叠次序对复合材料综合性能存在显著影响。

对比例4

此对比例采用合金化法，在汽车水箱用铜带中加入微量的Ni和Sn元素，通过固溶强化作用，提高了材料的耐蚀性，但添加元素大量固溶于铜基体，降低了材料的导电性与导热性。

对比例5

中国专利201610491513.6通过控制铜带中锡、磷、铟和稀土元素的含量与配比，制备改进汽车水箱用铜带性能。加入微量的锡，提高了铜的软化温度，但是对铜的导电率和塑性影响不大；加入微量的锡和磷可提高铜带的耐腐蚀性，适用于不同环境下，延长了散热器的使用寿命；稀土元素对铜力学性能有益，而对导电率影响不大，可与铜中的杂质形成高熔点化合物，提高铜的加工性能。

对比例6

中国专利201610491495.1通过控制铜带中锡、锑、铬和铁的含量与配比，制备汽车水箱用铜带。加入微量的锡，提高了铜的软化温度，但是对铜的导电率和塑性影响不大；加入微量的锑，也可提高铜的软化温度和耐蚀性，有利于水箱散热器的使用环境；加入微量的铬进一步提高铜的软化温度，但是对铜的导电导热性能影响较小。

实施例4

本实施例与实施例1相同，不同的是，铜板层的体积为多层结构总体积的38％。其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的2倍；步骤一和步骤二中预热温度为280℃，预热时间为9min。多道次累积叠轧中的道次间退火处理温度为300℃，退火处理时间为60min。累积叠轧温度280℃，累积叠轧的轧制道次为10道次。步骤三中所述工艺退火温度为300℃，退火时间为60min。

实施例5

本实施例与实施例1相同，不同的是，铜板层的体积为多层结构总体积的40％。其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的1倍；步骤一和步骤二中预热温度为300℃，预热时间为10min。多道次累积叠轧中的道次间退火处理温度为290℃，退火处理时间为10min。累积叠轧温度320℃，累积叠轧的轧制道次为12道次。步骤三中所述工艺退火温度为350℃，退火时间为100min。

实施例6

本实施例与实施例1相同，不同的是，铜板层的体积为多层结构总体积的38％。其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的1.12倍。步骤一和步骤二中预热温度为350℃，预热时间为10min。多道次累积叠轧中的道次间退火处理温度为260℃，退火处理时间为40min。累积叠轧温度340℃，累积叠轧的轧制道次为8道次。步骤三中所述工艺退火温度为250℃，退火时间为120min。

综上，可以看出，通过合金化提升材料性能，仅对单一性能有明显改善，很难满足汽车水箱对高性能材料的需求。而在合金化基础上，提出材料复合化，对材料进行合理的结构设计，获得高性能汽车水箱用复合材料，推动汽车水箱向轻质、高精、耐蚀、高导热、抗软化的方向发展。

Claims (4)

1.一种汽车水箱用复合材料的制备方法，其特征在于，包括以铜板为中间材料，以双层铝合金板为外层材料进行堆叠，形成双层铝合金板/铜板/双层铝合金板的多层结构，对所述的多层结构进行累积叠轧得到汽车水箱用复合材料；

所述的铜板的体积为多层结构总体积的38～40％，所述的双层铝合金板由两块铝合金板堆叠组成，其中一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的0.5～2倍；

包括以下步骤：

步骤一：对铜板和铝合金板依次进行堆叠、冲孔、铆合、预热和轧制结合，形成初始层状复合材料，

步骤二：将两个步骤一制备得到的初始复合材料进行表面处理、堆叠、冲孔、铆合、预热后，进行多道次累积叠轧，其中，在各道次累积叠轧前进行退火处理，得到不同轧制道次下的层状复合板；

步骤三：对累积叠轧得到的不同轧制道次下的层状复合板进行工艺退火，得到多层结构复合材料，对所述的多层结构复合材料进行后续加工处理，获得汽车水箱用复合材料；

步骤一和步骤二中所述预热温度为270～350℃，预热时间为8～10min；

所述多道次累积叠轧中的道次间退火处理温度为260～300℃，退火处理时间为30～60min；

所述累积叠轧温度240～340℃，累积叠轧的轧制道次为5～12道次；

步骤三中所述工艺退火温度为250～350℃，退火时间为30～120min。

2.根据权利要求1所述的汽车水箱用复合材料的制备方法，其特征在于，所述的双层铝合金板中的一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的0.6倍。

3.根据权利要求1所述的汽车水箱用复合材料的制备方法，其特征在于，所述的双层铝合金板中的一块铝合金板的厚度为另一块铝合金板厚度的1.7倍。

4.一种汽车水箱用复合材料，其特征在于，所述的汽车水箱用复合材料采用权利要求1～3中任一项所述的汽车水箱用复合材料的制备方法制备得到。

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