專利名稱：復合鋁板的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種復合鋁板及其制造方法。復合鋁板被用作例如釬焊板。
USP2,691,815(分布于1954年)陳述了一種將二張相同或不同的金屬和相同或不同厚度的金屬板結合在一起的方法。首先，清洗這二張金屬板的表面層以去除有害的表面薄膜，例如采用磨蝕繼之以加熱的方法。其次，冷軋這二張金屬板以便在一些離散點上形成核鍵。較軟的金屬最好先進行表面加工硬化，以便使二張金屬板盡可能有相同的硬度。第三，將這組合板加熱(燒結)以使它們之間形成強力連結。雖然可舉出無數的實例，但沒有一例是表明二種Al合金連結在一起的。
鋁材制造業采用以下生產技術，在相當大的規模上提供有由芯層和包復層組成的復合板。鑄造出一塊芯合金錠塊，如必要時，對其作均質處理，修整并冷卻到環境溫度。將包復合金板置于上述錠塊上面并使其固定就位。使這復合板在可逆式滾軋機上經受熱軋(大于420℃)經此使其厚度減小降至大約10～25mm量級。
使上述板材在串列式滾軋機上經熱軋成其厚度降至3.0～3.5mm的平板。隨后將這熱軋復合板經冷軋降至成品所要求的厚度。可以對其進行中間退火，而為了改善可成形性，通常要對其進行最終退火。
包復板在芯錠塊上部的存在，使得在可逆式滾軋機上所消耗的時間至少要增加一倍。在通過可逆式滾軋機和串聯式熱軋機的軋制期間，包復板產生縱向和橫向延伸。產生了大量價值相當低的混合廢料。這復合板的成品率大約是初始錠塊的60～65％。對包復板的厚度可加以限制，因為厚板材即使在熱軋過程中也不易輥壓連結。盡管這項技術有著明顯的缺點，但它仍被普遍使用，且自60年代以來已被用來制造釬焊鋁板。
按照本發明，所述的先前技術的缺點，只有在對芯層熱軋已完成之后采用施加包復層的方法便能解決。雖然在采用熱機械加工方法制造復合板時，盡可能遲地添加包復層可以認為是明顯所希望的，但對這種方法是否可行則完全不清楚。首先，冷軋對于采用一種強到足以使其經得住沖壓成形，深拉成形和其它例如釬焊板所經受的成形加工的連結方法，以使二種不同的金屬板結合在一起是否有效尚不清楚。即使在常規的熱軋技術中，在通過可逆式滾軋機的首次軋制時，輥壓連結并沒有發生。其次，輥壓連結必須在精確控制條件下進行，以致使潤滑劑或冷卻劑不能進入這二張金屬板表面層之間的間隙中，因而致使沒有它們粘附到軋輥上的情況發生。本發明論及了這些關心的問題。
本發明提供了一種制造釬焊復合鋁板的方法，該方法包括提供一張第一種Al合金的芯板和一張第二種Al合金的包復板，其中a)第一種Al合金的組成不同于第二種Al合金的組成，b)芯板的厚度大于包復板的厚度，c)芯板的硬度不同于包復板的硬度；清洗芯板和包復板的相向表面；和將芯板連同包復板一起進行冷軋，以便使它們輥壓連結，從而制成復合鋁板。
Al合金是以鋁為主要組分的任何合金。可以使用純鋁金屬作為包復板。芯合金和包復合金的組成將取決于復合板的預期應用。對于釬焊板而言，包復合金通常是4000系列合金(鋁業協會注冊號)和芯合金可以是3000系列合金。
復合板中的芯板通常要求具有所希望的機械性能例如強度和可成形性。復合板中的包復板通常要求具有特殊的表面性能。包復層可置于芯層的一側或二側表面上。包復層的厚度優選為芯層厚度的2～30％，更優選5～15％，雖然這范圍的大小不是關鍵問題。在芯層的二側均被包復的場合，二側包復層的厚度和包復層合金可以是相同的或不同的。
對芯板和包復板的相向表面進行清洗，以保證在冷軋條件下它們能夠輥壓連結。涉及清除底層金屬表面的化學清洗是滿意的，但通常對此不作要求。應用無腐蝕作用的脫脂劑對表面進行水法脫脂處理通常就足夠了。通常不必去除薄的氧化鋁或氧化鎂表面層。優選采用金屬磨蝕例如應用鋼絲刷的方法清洗表面；這樣可能具有再分配的效果，而不是去除任何自然產生的表面氧化物。在這一清洗工序完成之后，對表面層進行干燥，然后隨時可以實施冷軋工序。
冷軋工序優選對連續帶材或帶材卷連續地進行。可以設想成軋輥寬度達1200mm和直徑達1000mm，并可以每分鐘高這幾百米的滾動速度作業。被輥壓連結的芯板和包復板可以在線或者離線的狀態下進行組合。在芯層二側表面上均施加有包復層的場合，二次輥壓連結作業可按二次單獨的軋制方式通過滾壓機來完成。因為在芯板和包復板的表面層之間存在有例如冷卻劑或潤滑劑之類的液體，便會妨礙輥壓連結，故優選輥壓連結的冷軋工序在不使用任何液態潤滑劑或冷卻劑的情況下完成。但是，可以要求使用防粘劑以防止復合板粘附在軋輥上。因為在高溫下粘附仍可能是個問題，故可以優選復合板在溫度不高于50℃下退出軋輥。本發明人已采用冷軋方法在厚度壓縮率僅為15％的狀態下完成了輥壓連結。但是基本上預計這是最小值，而輥壓連結采用的冷軋工序優選在厚度壓縮率為20～70％，例如大約30％的狀態下完成。為了將每張包復板輥壓連結到芯板上，優選按單個軋制方式來完成冷軋工序。
本發明的一個特點是芯板的硬度不同于包復板的硬度。優選包復板比芯板要軟。憑直觀這令人感到吃驚。人們可以預料，如果一張板比另一張板軟得多，那么在連續冷軋作業過程中，一張板將在縱向和橫向上擴展，而另一張板幾乎沒有變形，并可能在復合板的包復層上形成橫向擴散波，這樣可能會阻礙二層之間的有效連結。本發明人已確定，雖然這些效應可能產生小的影響，但在實踐中它們不是一個問題。關于使用比芯板要軟的包復板有著正當的冶金學理由，現敘述如下。
上面所述冷軋工序導致形成復合板，其中采用強力的和連續的或基本上連續的連接方法使其結合到芯層上。如果這復合板太厚不符合其預定的使用，則可對其進行再次冷軋。通常這應是在存在有潤滑劑的情況下進行的。可以對這復合板進行中間退火，例如因為這金屬太硬不能進行經濟的再滾壓，和/或可以進行最終退火，例如為了提供處于改善了可成形性的較軟狀態的金屬或提供處于中間回火產品狀態的金屬。為了改善可成形性，最終退火可以或者在低于芯層的再結晶溫度下進行，尤其是在將平板形成管狀的場合，或者在高于芯層的再結晶溫度下進行。這些連續進行的冷軋和退火工序可以提高包復層和芯層之間的連結力。但據信，這樣一些工序并不是提供一種能夠經得住施加于釬焊板的成形作業的連結力所必需的。本發明的一個驚人的特點是，單個冷軋制通常就能有效地在包復層和芯層之間形成相當大的和連續的連結力，以致使復合板將經得住所要求承受的常規的處理和成形作業。
包復板和芯板的最佳厚度是相互關聯的。如果包復板十分軟，那么芯板可以是中等硬的。如果包復板是中等硬的，那么芯板可以是整體硬的，例如經冷軋基本上已被表面加工硬化的。在進行輥壓連結工序期間，軟的包復板將應變傳遞到芯板，從而避免了過高熱量的出現。如果包復板的表面加工硬化變得比芯板的更迅速，那么可以避免包復板的過度擴展(導致俗稱“龜裂”效應)。為了使復合板具有最大可成形性而對其進行最終的再結晶退火，可能必需使芯板在與包復板輥壓連結之前，使其處于局部表面加工硬化狀態。如果包復板比芯板稍微窄些可能是合適的。包復板和芯板的硬度的選擇必須與其表面加工硬化性能有關，以便使二者有基本相同的伸長。
本發明預期對于以下這種釬焊合金板特別重要，即它包括一種鋁基芯板和至少在其一側上有一種含有硅作為主要成合金成分的鋁基釬焊合金的包復板。這種具有良好耐蝕性、還具有良好抗下垂性和后釬焊強度的釬焊板，陳述于US5,037,707和US5,041,343和WO 94/22633(加拿大國際有限公司)中。這芯合金是以下組成的3000系列合金。
芯合金Fe ＜0.4Si ＜0.2Mn 0.7～1.7Mg 0～0.8Cu 0.1～1.0V和/或Cr ＜0.3Zn ＜0.2Ti ＜0.1其它每一種＜0.05，總計＜0.15Al 剩余量為了增加強度，在芯板中存在有Mg。Mg通常不出現在包復板中。當釬焊板是由至少含有0.05％Mg的芯板和包復板通過常規熱軋技術制成時，就會有Mg從靠近界面的芯層區顯著地遷移到靠近界面的包復層區。另一方面，當這樣的釬焊板是采用冷軋方法將芯板和包復板輥壓連結而形成時，正如本發明所見，基本上沒有發生Mg穿過上述邊界的遷移；這對于即使是已經受了最終的再結晶退火所得的釬焊板來說也是確實的。因此，有可能通過對釬焊板試件的檢測便可能看出這包復層是通過熱軋還是冷軋所施加的。
雖然現行冷包復技術會形成明顯的界面區，該區含有從包復層和芯層二者擴散進入的元素，從而證明冶金上的結合已形成，但來自芯層的Mg沒有擴散進入到在該區之外的包復材料中，尤其是鄰近包復層外表面的Mg濃度并未增加而超出包復材料中原有量級。典型地，芯材料將比包復材料含有更多的Mn，Cu和Mg(亦即較高的含量)，而包復材料比芯材料含有更多的Si，因此，這界面區比原來的芯材料含有更多的Si，而比原來的包復材料含有更多的Mn，Cu和Mg。
再一方面，本發明提供了一種釬焊板，它包含含有Mg的第一種Al合金的芯層和第二種Al合金的包復層，其中Mg或者不存在，或者以顯著地低于第一種Al合金所含Mg濃度存在，其特征在于基本上沒有Mg從芯層遷移到包復層。優選第一種(芯層)合金具有上面提到的組成。
在釬焊板經受基于熔劑的釬焊的場合，包復材料一般被制成含有極低的Mg含量，因為Mg影響釬焊。典型地，Mg在包復材料中將低于0.1％，而優選Mg僅作為雜質存在(低于0.05％)。可是，如上所述，在熱包復法中芯材料中的Mg將發生遷移，從而使包復材料中的Mg含量提升到會干擾熔劑釬焊法的水平。
在本冷包復法中所用的芯合金，優選含有至少0.05％的Mg而更優選至少含有0.1％Mg，因為用本方法制造的包復板比用熱包復法生產的類似材料能更驚人地容忍芯層材料中的Mg。這似乎是因為在熱軋包復板和芯材料的情況中，Mg的遷移增加了包復層表面上Mg的濃度，在釬焊過程中，它會增強氧化物在該處的形成，并且在存在有釬焊中經常使用的氟化物助熔劑的情況下，它還會與該熔劑形成會阻礙釬焊方法的不希望有的化合物。但是，Mg在芯層和包復層之間界面處的存在，對促進界面處富Cu相的生成(“褐色帶”)是有利的，已經發現這能使耐蝕性增高。已驚人地發現，本發明能保證合金元素沿著界面充分地擴散，以保證有效的“褐色帶”的形成，而又基本上避免了Mg擴散到包復層中。
在SWAAT試驗中，實驗已表明，在典型的X900合金的芯材料中，Mg濃度0.26％的存在比使用0.01％的Mg濃度增加了耐蝕性，所以在本發明中有著增加Mg在芯層中的能力，這使得有可能增加耐蝕性而不會有Mg擴散到包復層中的消極影響。典型的結果是，在經1000小時的SWAAT試驗之后，在含有0.26％Mg材料的芯層上的坑深只有152微米，而在僅含0.01％Mg材料的芯層上，在相同條件下，坑深大于370微米(完全的孔眼)。
本發明可以用來將第二種包復層施加在以前形成的復合板上。例如，通過將一層材料熱包復在芯材料上形成的復合板，可以用作本方法的“芯板”，然后將另一層包復層施加到該“芯板”的每一側上。例如，這可以用來將第二層高Si鋁合金施加到芯材料的與這樣施加的第一層相對的一側，或者可以用來建立一種使用三種不同合金的夾層結構，其中芯層和“夾層”采用原始包復作業方法制成，而最外層采用冷軋作業將其施加在復合板的“夾層”一側。
本發明的涉及采用冷軋的輥壓連結方法，比起常規熱軋技術來有著以下一些優點有效熱軋時間增加；回收增加；混合廢料量減少；預熱爐使用率減少——因為在芯合金經過均化作用之后將可以直接對其熱軋；生產成本顯著降低。
參考見附
圖1，這是一張工藝流程圖，它表明了將包復合金和芯合金之錠塊轉變成退火復合板所需工序的順序。所表明的工序順序是一種優選的順序；正如以上和所附權利要求書中所指出的，某些工序可以變更或省略。
實施例1實驗室實驗已按以下材料分組地進行。
芯板是呈已硬化冷軋形態的X900合金(1.5％Mn，0.6％Cu，0.27％Mg，0.18％Fe，0.09％Si)，亦即厚3.5mm的整體硬板。包復合金是特指AA4045類Al-Si合金。在包復板已軟退火、全硬或中間硬度狀態下，對各種包復比例亦即100％和50％以及15％進行研試。可采用各種方法對包復板和芯板的表面進行清洗軋制后狀態(亦即未作專門清洗)；利用Scotchbrite進行手工打磨；采用水脫脂法；采用腐蝕性侵蝕(以此去除氧化物還有表面金屬)。
采用單道軋制通過實驗室滾軋機不加潤滑的方法，使一張芯板和一張包復板經受應變量為20～70％的冷軋。實驗結果如下。在使用的這二張板是處于剛軋制后狀態的場合，未見連結。但是如果包復板是處于整體軟狀態，則在這二張板的表面經所述的任一種技術清洗后，便產生相當強的和連續的連結。當包復板是如下表中列出的較硬板時，會要求較高的壓縮率。
連結與冷軋壓縮率和包復板硬度的關系
X＝未連結Y＝連結實施例2按實施例1那樣制備試件，并在經采用Scotchbrite磨蝕法清洗之后進行輥壓連結。具有與芯板同樣厚度的包復板是處于整體軟狀態而芯板為整體硬狀態。85％的冷軋壓縮率經二次軋制后達到，第一次是50％壓縮率。二次軋制均是無潤滑的。然后對處于軋制后狀態的和退火后的板之間的連結強度，采用常規的剝離試驗法在20mm/分鐘的應變速率下測出。結果是軋制后狀態的撕裂強度 10±2MPa退火后的撕裂強度 132～605MPa(二次測試結果)實施例3使用AA4104作為包復材料重復實施例2。這包復板用于真空釬焊。剝離試驗結果如下軋制后狀態的撕裂強度 10±3MPa退火后的撕裂強度 147～185MPa實施例4使取自實施例2和3的退火材料經受模擬釬焊循環，并對穿過包復板和芯板的橫截面進行了金相測驗。應注意，正如EP 691 898中所述，有一褐色帶形成。這進一步證明一種冶金上的結合已形成，因為這帶的形成要求有通過芯板和包復板之間的界面的擴散作用。
實施例5圖2是通過本發明的復合板的微探針掃描線圖，它表明了四種合金元素在芯層和包復層之間的界面每一側上的分布。應注意，幾乎沒有跡象表明，有Mg已從芯層擴散到包復層中，亦即基本上沒有Mg存在于鄰近界面的包復層區域中。
圖3是同一種材料的GDEOS(輝光放電光學發射譜)掃描圖，它展現出一幅該材料的較清晰的濃度曲線圖。采用本發明的方法生產的材料的掃描圖表明，有一層清楚的相互擴散層生成，這表明了金相連結已出現(與實施例4中發現的“褐色帶”相一致)。采用熱軋方法由相同組合物制成的包復板表明，有相當多數量的Mg擴散攙入到包復層的表面，從而將在熔劑釬焊過程中造成較大的困難。
權利要求
1.一種制造釬焊復合鋁板的方法，該方法包括提供一張第一種Al合金的芯板和一張第二種Al合金的包復板，其中a)第一種Al合金的組成不同于第二種Al合金的組成，b)芯板的厚度大于包復板的厚度，c)芯板的硬度不同于包復板的硬度；清洗芯板和包復板的相向表面；和將芯板連同包復板一起進行冷軋，以便使它們輥壓連結，從而制成復合鋁板。
2.權利要求1的方法，其中芯板和包復板的相向表面均采用機械磨蝕或采用水法脫脂法進行清洗。
3.權利要求1或2的方法，其中復合鋁板中的包復層厚度是芯層厚度的5～15％。
4.權利要求1～3之任一項的方法，其中芯板比包復板更硬。
5.權利要求1～4之任一項的方法，其中冷軋是對連續帶材或帶材卷連續進行的。
6.權利要求1～5之任一項的方法，其中用于輥壓連結之冷軋是以單次軋制方式、厚度壓縮率為20～70％下完成的。
7.權利要求1～6之任一項的方法，其中用于輥壓連結之冷軋是在不使用任何液態潤滑劑或冷卻劑的條件下完成的。
8.權利要求1～7之任一項的方法，其中復合鋁板當其離開冷軋工序時具有的溫度不大于50℃。
9.權利要求1～8之任一項的方法，其中復合鋁板要經受冷軋和/或最終退火。
10.權利要求1～9之任一項的方法，其中Mg或者在第二種Al合金中不存在，或者以比第一種Al合金中低得多的濃度存在，而且在輥軋過程中，基本上沒有Mg從芯板擴散到包復板中。
11.權利要求1～10之任一項的方法，其中Mg在第一種合金中的含量大于0.05wt％，而在第二種合金中的含量小于0.05wt％。
12.權利要求1～11之任一項的方法，其中第二種合金含有比第一種合金更多的Si。
13.權利要求1～12之任一項的方法，其中第一種合金含有比第二種合金更多的Mg，Mn和Cu。
14.權利要求1～13之任一項的方法，其中存在有界面區，該區包含有Si和Mn，Cu及Mg，其中Si濃度比第一種合金中的要高，而Mn，Cu和Mg濃度比第二種合金中的要高。
15.權利要求1～14之任一項的方法，其中第一種合金的組成以wt％表示如下Fe ＜0.4Si ＜0.2Mn 0.7～1.7Mg 0～0.8Cu 0.1～1.0V和/或Cr ＜0.3Zn ＜0.2Ti ＜0.1其它 每一種＜0.05，總計＜0.15Al 剩余量
16.權利要求1～15之任一項的方法，還包含施加另外不同的Al合金層的工序。
17.權利要求16的方法，其中不同的Al合金層是被施加在芯板的尚未被權利要求1～15之任一項的方法所包復的表面上。
18.權利要求16的方法，其中不同的Al合金層是被施加在第二種Al合金的包復板上。
19.權利要求16～18之任一項的方法，其中芯板包含二種均不同于包復合金的獨立的Al合金層。
20.一種釬焊板，它包含含有Mg的第一種Al合金的芯層和第二種Al合金的包復層，其中Mg或者不存在，或者以顯著地低于第一種Al合金所含Mg濃度存在，其特征在于基本上沒有Mg從芯層遷移到包復層。
21.權利要求20的釬焊板，其中Mg在第一種合金中的含量大于0.05wt％，而在第二種合金中的含量小于0.05wt％。
22.權利要求20或21的釬焊板，其中第二種合金含有比第一種合金更多的Si。
23.權利要求20～22之任一項的釬焊板，其中第一種合金含有比第二種合金更多的Mg，Mn和Cu。
24.權利要求20～23之任一項的釬焊板，其中存在有界面區，該區包含有Si和Mn，Cu及Mg，其中Si濃度比第一種合金中的要高，而Mn，Cu和Mg濃度比第二種合金中的要高。
25.權利要求20～24之任一項的釬焊板，其中第一種合金的組成以wt％表示如下Fe＜0.4Si＜0.2Mn0.7～1.7Mg0～0.8Cu0.1～1.0V和/或Cr＜0.3Zn＜0.2Ti＜0.1其它 每一種＜0.05，總計＜0.15Al剩余量
26.權利要求20～25之任一項的釬焊板，其中第一種Al合金的組成以wt％表示如下第一種合金Fe＜0.4Si＜0.2Mn0.7～1.7Mg0.1～0.8Cu0.1～1.0V和/或Cr＜0.3Zn＜0.2Ti＜0.1其它 每一種＜0.05，總計＜0.15Al 剩余量
27.權利要求20～26之任一項的釬焊板，其中不會發生Mg從芯層越過芯層和包復層之間的界面的遷移，故而包復層外表面上的Mg不會增加。
28.權利要求20～27之任一項的釬焊板，它進一步包含一層不同的Al合金層。
29.權利要求28的釬焊板，其中不同的Al合金層是在離包復層遠的芯層的那個表面上。
30.權利要求28的釬焊板，其中不同的Al合金屬是在包復層上。
31.權利要求28～30之任一項的釬焊板，其中芯層包含二種均不同于包復合金的獨立的Al合金層。
全文摘要
本發明涉及一種制造釬焊復合鋁板的方法，該方法包括提供一張第一種Al合金的芯板和一張第二種Al合金的包覆板，其中a)第一種Al合金的組成不同于第二種Al合金的組成，b)芯板的厚度大于包覆板的厚度，c)芯板的硬度不同于包覆板的硬度；清洗芯板和包覆板的相向表面；和將芯板連同包覆板一起進行冷軋，以便使它們輥壓連結，從而制成復合鋁板。還有一公開內容是釬焊板包含含有Mg的第一種Al合金的芯層和第二種Al合金的包覆層。
文檔編號B23K20/24GK1486228SQ01821990
公開日2004年3月31日 申請日期2001年11月14日 優先權日2000年11月14日
發明者I·P·赫維特, A·格雷, K·G·達維斯, I P 赫維特, 達維斯 申請人:艾爾坎國際有限公司