CN100519796C - 制造用于热交换器的耐热铝合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由耐热铝合金制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其中所述铝合金具有如下按重量百分比的合金成分含量：0.3%≤Si≤1%，Fe≤0.5%，0.3%≤Cu≤0.7%，1.1%≤Mn≤1.8%，0.15%≤Mg≤0.6%，0.01%≤Cr≤0.3%，Zn≤0.10%，Ti≤0.3%，不可避免的伴随元素单个最大0.1%，总数最大0.15%，其余为铝，所述方法包括，轧制坯用连续铸造法铸造，轧制坯在热轧前在400至500℃预热，轧制坯被轧制成热轧带，其中热轧带温度为250至380℃，热轧带厚度在热轧结束时为3至10毫米，且热轧带被冷轧到最终厚度。

Description

制造用于热交换器的耐热铝合金的方法

技术领域

本发明涉及用于热交换器的一种耐热铝合金、用于热交换器的铝带或铝板的一种制造方法以及相应的铝带或铝板。

背景技术

在汽车领域内用铝或铝合金制成的热交换器正在日益增多。用铝代替以前常用的有色金属热交换器在同比尺寸和功率的情况下几乎使热交换器的重量减少了一半。用铝或铝合金制成的热交换器在汽车中目前大多用于冷却水、油的冷却，用为增压空气冷却器并用于空调设备中。汽车用的热交换器一般用铝带或铝板制成，其中热交换器的各个预制零部件例如散热片、管和分配器通过焊接相互连接。在实际使用中，由于冲击式的震动、长时间持续的颤动、腐蚀、高的运行压力、高的工作温度和温度交变，作用到这样制成的、安装在汽车中的零部件上的负荷是相当大的。尽管有这些相当大的负荷和热交换器的不断提高的运行压力，但仍存在着减轻汽车重量并由此进一步减少热交换器壁厚的趋势。此外，由于欧盟和美国关于排放标准的严厉立法，进一步提高了例如增压空气冷却器的工作温度，因而进一步提高了钎焊铝合金的耐热性要求。热交换器迄今为止所用的铝合金可达到的确定强度的屈服极限Rp0.2还不到65兆帕。在大约250℃高温钎焊后便明显低于65兆帕。这个屈服极限值由于进一步减小壁厚的背景而不再满足对热交换器的未来要求。众所周知，为了提高铝合金的耐热性，人们在铝合金中或多或少地加入合金元素例如镍、铬元素或稀土元素。但在铝合金中一般不含这些合金成份，而且在不是钎焊的热交换器的使用场合中它们产生有害的作用。就这点而言，加上述合金成份对铝合金的再利用率在欧盟旧汽车条例面前也是一个大问题。制造热交换器最常用的方法一方面为不用熔剂的真空钎焊，另一方面则是用无腐蚀熔剂的气体保护钎焊。迄今为止的热交换器在真空钎焊时所用的铝合金例如铝合金AA6063(AlMg0.7Si)、AA6061(AlMg1SiCu)或AA6951(AlMg0.6SiCu)具有相当高的含镁量，而且通常用含镁量高的焊料例如AA4004进行焊接，以便一方面在真空钎焊过程中避免由于“吸气”而使被焊接部件上的熔化的铝焊料氧化并由此保证了无熔剂的无瑕疵的焊接，另一方面在焊接后的时效硬化过程中达到钎焊的热交换器的高的强度值。但真空钎焊的缺点是，真空度的保持和对被焊部件的纯度要求需要许多费用。在这些观点下，选用保护气体焊接则费用较少，因为焊接是在一种由惰性保护气体例如氮气组成的保护气氛中进行的。此外，保护气体焊接可缩短焊接周期达20％。但不可用含镁量高的真空钎焊公知的铝合金，因为镁在钎焊过程中与不腐蚀的熔剂起反应。可加工性通过使用昂贵的含铯的熔剂而可扩大到更高的含镁量。气体保护焊接也叫做CAB焊接，它是汽车工业用的热交换器的最重要的制造方法。还有盐浴焊接，部件预热后被浸入盐浴中。盐浴同时是熔剂和热传递介质。液态的盐与氧化皮反应并使通过熔剂保护的焊料润湿反应。在焊接温度保温时间结束后，从盐浴中运走热交换器，并必须保证液态盐的排出。因为熔剂在盐浴焊接时通常是吸湿的并含有氯化物，所以全部热交换器在盐浴焊接后必须在多级处理中进行净化，以避免腐蚀问题。此外，为了在上述三种焊接方法之一中防止被焊接的热交换器元件的铝芯合金的熔化，铝合金应具有至少620℃的固相线温度。

基于上述，本发明的目的在于提供一种铝合金和铝带或铝板，它们在较高的再利用率的前提下具有至少620℃的固相线温度并在钎焊后具有改善的耐热性。此外，本发明的目的在于提供相应铝带或铝板的制造方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，上述目的是通过一种制造用于热交换器的铝合金的方法来实现的，所述铝合金具有如下按重量百分比的合金成分含量，即：

0.3％≤Si≤1％，

Fe≤0.5％，

0.3％≤Cu≤0.7％，

1.1％≤Mn≤1.8％，

0.15％≤Mg≤0.6％，

0.01％≤Cr≤0.3％，

Zn≤0.1％，

Ti≤0.3％，

不可避免的伴随元素单个最大0.1％，总数量最大0.15％，其余为铝，所述方法的特征为，轧制坯用连续铸造法铸造，轧制坯在热轧前在400至500℃预热，轧制坯被轧制成热轧带，其中热轧带温度为250至380℃，热轧带厚度在热轧结束时为3至10毫米，且热轧带被冷轧到最终厚度。

本发明铝合金的特点是，不但具有高于620℃的固相线温度，而且在钎焊后还具有特别高的耐热性。用本发明的铝合金可制造热交换器元件例如管，其屈服极限Rp0.2在热交换器钎焊后不论在室温还是在250℃试验温度情况下都高于65兆帕。所以与一般铝合金尤其是与AA3005合金比较，用本发明铝合金制造的热交换器元件即使在温度高达265℃情况下也具有超过20％的较高的耐热性。可达到的耐热性归因于本发明铝合金通过提高Si、Mn和Cr含量的组合而达到了一个高的二次相密度。此外，本发明铝合金具有-750毫伏的更有效的腐蚀电势。用本发明铝合金制成的部件例如热交换器的管、管板、侧板或板可实现热交换器的腐蚀结构的设计，所以热交换器的上述部件具有高的耐腐蚀性能。此外，本发明铝合金只有很小的冷作硬化，所以用本发明铝合金制成的铝带或铝板在加工前或在钎焊变形前不受库存时间限制。

此外，用本发明铝合金制成的热交换器部件在钎焊后令人惊奇地表明，尽管增加了铜含量，但仍达到了良好的耐腐蚀性能。

合金成分Si的合金重量百分比0.3％至1.0％与其余合金成分的合金重量百分比组合导致铝合金在钎焊后的强度足够高，而且不降低熔点。如果不保持Si含量的上述范围，则在硅含量低于下限时，铝合金的强度在钎焊后变得太低，并在Si含量超过上限时，固相线温度减少到620℃以下。本发明铝合金的Fe含量限制到最大重量百分比0.5％与本发明Cu含量结合改善了钎焊后铝合金的耐腐蚀性。在钎焊时，用本发明铝合金制成的芯部材料的表面附近的层缺乏铜，所以向具有较高Cu含量的较贵芯部材料产生一个保护电位梯度。在钎焊时铝合金的这种特性是由于含铁量少造成的。在Cu含量小于重量百分比0.3％时，本发明铝合金的耐热性明显下降，而在Cu含量超过上限时，铝合金在铸造时容易热裂。此外，在较高Cu含量时也产生腐蚀和钎焊问题，因为尽管芯部材料缺乏铜，但其表面附近的层仍具有相对高的Cu含量。一方面，本发明铝合金的Mn含量决定着析出的大小；另一方面，Mn含量也影响耐热性。当本发明铝合金中的锰低于下限值重量百分比1.1％时，铝合金的耐热性便下降；而在锰含量增加到超过上限值重量百分比1.8％时则导致组织内的粗晶析出，这种情况从总体上讲损害铝合金的变形能力。钎焊铝合金的强度可另外通过Mg含量来影响。Mg含量减少到重量百分比0.15％以下会导致铝合金的强度不足，Mg含量的上限增加到重量百分比0.6％可确保本发明铝合金用全部三种钎焊方法即真空钎焊法、CAB钎焊法和盐浴钎焊法进行钎焊。一方面，本发明铝合金的Cr含量至少为重量百分比0.01％确保了本发明铝合金具有足够的耐热性；另一方面，通过把Cr含量限制到最大重量百分比0.3％而保证了本发明铝合金的可成型性，因为在超过此限的情况中发现在结晶组织中有粗晶析出。为了本发明铝合金理想地适合于制造管带、管板带、侧板带和板带，铝合金的Zn含量被限制在最大重量百分比0.1％。较高的Zn含量可降低铝合金的腐蚀电势，所以这种铝合金例如跟无Zn的散热片相比是不贵的。最后借助本发明Ti含量最大重量百分比0.3％保证了在铝合金中不形成粗晶析出，粗晶析出对铝合金的变形能力产生不利影响。

根据另一种改进的实施方式，本发明铝合金具有如下合金成分含量(重量百分比)：

0.15％≤Mg≤0.3％，

Zn≤0.05％，

0.01％≤Ti≤0.3％，

本发明的这种铝合金不用昂贵的含铯熔剂即可按CAB钎焊法进行加工，与此同时，通过Ti含量减少了轧制铝坯在凝固时产生裂纹的危险，并通过减少Zn含量而增加腐蚀电势。

根据本发明铝合金的另一种实施方式，通过铝合金具有合金成分Si、Fe和Mn的如下含量(重量百分比)而可很好地兼顾钎焊后的最大强度和同时较高的固相线温度，即：

0.5％≤Si≤0.8％，

Fe≤0.35％，

1.1％≤Mn≤1.5％，

通过铝带的上述制造工艺特点与本发明铝合金相结合制成一种具有高的二次相密度的铝带。本发明铝带或铝板以其高的二次相密度而在室温和在250℃温度情况下具有高的耐热性。铝带的屈服极限RP0.2在上述温度情况下为65兆帕以上。

如果本发明铝带或铝板为侧板带、板带或管板带，则可按本发明的下一个改进的实施方式在轧制坯预热前进行均匀化退火。由于制造热交换器的管带、侧板或板需要变形，所以铝带在加工成热交换器的上述部件之前应具有最大的变形能力。这种变型能力是在轧制坯预热之前通过均匀化退化来保证的。如果本发明铝带在钎焊前不经受严重变形，例如在制造管子的情况下可取消预热前的均匀化退火。尽管通过预热前的均匀化退火降低了铝带的屈服极限Rp0.2，但屈服极限Rp0.2即使在试验温度250℃的情况下依然总是大于50兆帕，因此达到的屈服极限远远超过标准合金AA3003的屈服极限。

通过热轧带在300至450℃温度情况下进行中间退火可进一步提高铝带的变形能力。另一种或附加的方案是，铝带在冷轧达到最终厚度之前在300至450℃温度情况下进行中间退火。通过中间退火在很大程度上重新消除了由于变形而在铝带中产生的加工硬化。上述工艺步骤确保了铝带或铝板在冷轧时的最大变形能力。

根据本发明方法的一种改进的实施方式，铝带的最终状态是这样确定的，在冷轧后，在250至400℃温度情况下进行状态退火到最终状态。如果铝带用于制造热交换器的管板、侧板或板，则在冷轧后进行软化退火。如果管子用无需严重变形的铝带制成，则铝带在冷轧后只进行回火即可。

根据本发明方法的另一个改进的实施方式，轧制坯在预热后一面或双面用另一种合金制成的薄板坯包覆。这样，芯坯用一薄板坯包覆的复合面的性能就可确定而几乎与铝芯合金无关。例如用一种铝焊料包覆可提高热交换器零部件在钎焊时的过程可靠性。此外，也可在铝芯坯上包覆用非合金焊料制成的其它薄板坯，例如防腐包覆。如果用焊料制成的薄板坯，则铝焊料层在热轧时与芯坯冷焊接，所以铝带具有铝焊料的一层均匀的包覆层。这在钎焊时导致热交换器的各部件之间的特别均匀和稳定的钎焊连接。此外，在用铝焊料单面覆时，另一面可用另一种铝合金例如用一种起防腐作用的铝合金进行包覆或镀覆。热交换器的铝管可根据需要进行单面或双面镀覆。而侧板用的铝带则在正常情况下为单面镀覆。热交换器的管板和板大多用双面镀覆。

也可用别的一些可供选择的焊料涂敷方法与本发明铝带相结合。

根据本发明方法的另一种实施方式，铝带制造的本发明方法可这样改进，采用Si含量为重量百分比6％至13％的铝合金、尤其是AlSi7.5合金或AlSi10合金作为铝焊料。由于焊料的Si含量高，硅从焊料扩散到铝带的芯部并导致该处形成一个由AlMnSi相组成的析出边缘，与芯合金比较，该相具有负的腐蚀电势。所以当腐蚀作用到按本发明方法制成的铝带上时，沿铝带的长度或沿析出边缘产生腐蚀。铝带的芯则没有腐蚀，并由此可避免例如用相应铝合金制成的管子的穿孔。作为铝焊料用的、Si含量为重量百分比6％至13％的上述铝合金除Si外也可含有别的元素例如含重量百分比0.5％～2％的Zn。

如果铝带在冷轧时被轧到0.1至2毫米的最终厚度，则可制造减少壁厚的热交换器，这种热交换器尽管减少了壁厚，但可满足将来更高的运行要求。

此外，根据本发明的第三方面，上述目的是通过一种用本发明的铝合金制成的铝带或铝板这样实现的，即这种铝带或铝板按本发明方法进行制造。

这种铝带或铝板最好是用于制造热交换器的管带、管板带、侧板带或板带。用本发明的管带、管板带、侧板带或板带可制造热交换器的相应部件即管、管板、侧板或板，它们虽然只有很小的壁厚，但可满足全部其它要求，特别是钎焊前变形能力的要求以及室温和工作温度情况下的屈服极限的要求。

根据本发明铝带的一种有利实施方式，热交换器的重量可这样减少：管带具有0.15至0.6毫米、最好0.15至0.4毫米的最终厚度；管板带具有0.8至2.5毫米、最好0.8至1.5毫米的最终厚度；侧板带具有0.8至1.8毫米、最好0.8至1.2毫米的最终厚度；或板带具有0.3至1.0毫米、最好0.3至0.5毫米的最终厚度。

本发明提出了多种方案来实现用于热交换器的铝合金，用于热交换器的铝带的制造方法以及这种铝带。对此，一方面可参阅权利要求书中的独立权利要求1、4和12，另一方面可参阅结合附图示出的实施例的说明。

附图说明

图1本发明铝带制造方法第一实施例的示意图；

图2汽车用的一种热交换器的透视图。

具体实施方式

图1示意地示出按本发明第二方面制造用于热交换器的带或铝板的一种本发明方法的第一实施例。图1在第一步骤中示出铸坯1。在液态金属合金后，芯部铝合金以及包覆用的合金例如一种铝焊料被浇注成坯。包覆坯一般被预热，热轧到要求的厚度并按长度切分成薄板坯。但薄板坯也可用别的方法例如通过切分轧制坯而成。用本发明铝合金制成的芯坯可根据被制造的轧制品有选择地在预热前进行均匀退火。但如果热交换器用的例如管带用本发明方法制造，则在热轧前也可取消均匀化退火，因为管带一直到制成热交换器用的管子都不经受大的变形。包覆用的薄板坯被放到芯坯的一面或两面上。由本发明一种铝合金制成的一个一面或双面配有薄板坯的芯坯组成的板叠在热轧前在400至500℃进行预热，然后板叠4在一个可逆式机架5或串列式机架5a内热轧到3至10毫米的热轧带材厚度。在热轧时的热轧带温度为250至380℃。

该带材在热轧后在一个冷轧辊6上进行冷轧。根据本发明，该带材在热轧后可在300℃至450℃温度下进行中间退火，以达到变形性能。这点对达到最终厚度之前同样在300℃至450℃温度下进行中间退火的冷轧制也是适用的。冷轧完的本发明铝带或铝板可根据要求的性能在箱式炉7中进行一次状态退火至最终状态。但状态退火亦可在连续加热炉中进行。

图2表示一种管片式热交换器8的透视图。由图看出，该热交换器由管9、管板10、侧板11和散热片12构成。侧板11和管板10在钎焊前经受严重变形，所以侧板11和管板10用的铝带应相应地具有良好的变形性能。热交换器的管9通常用纵缝焊接制造。加工的管带厚度介于0.15毫米至0.6毫米之间，最好为0.15至0.4毫米，其中，该管带外面或双面进行焊料包覆，视热交换器的结构型式而定。对管带变形能力的要求在先期是很少的，因为它在钎焊前只经受简单的变形。钎焊后，管子的强度或耐热性具有决定性的意义，因为在管子中流动的工作介质经受高的工作压力，而且管子部分地受到高的工作温度的作用。管板10用的本发明铝带一般具有0.8至于2.5毫米的厚度，最好0.8至1.5毫米并最好在“软”状态内制造和加工。为此，本发明铝合金在冷轧后“软”退火至最终状态。对管板带钎焊前的变形能力要求较高，因为通常要进行变形程度高的变形，这种变形例如发生在水箱、收集槽、空气管接头或类似部件的密封和固定。管板带在正常情况下为单面包覆，但也可双面包覆。出于防腐考虑，管板10以及管9可具有一种有同于保护包覆的铝合金，以便达到更好的耐腐蚀性。侧板11用一种本发明铝合金制成的，壁厚为0.8至1.8毫米，最好0.8至1.2毫米的铝带最好在“软”状态内制造和加工。对侧板的变形能力的要求象对管板10一样的高。这对图2中未示出的，板片热交换器或叠板式热交换器用的板同样适用。

除了要求铝合金的高强度值外，还特别要求高的耐腐蚀性。本发明铝合金通过减少铁含量和增加铜含量而可在钎焊过程中“就地形成”阴极的腐蚀保护。首先铜在钎焊过程中从靠近包覆层的区域从芯部材料扩散到铝焊料层中，所以到较贵的芯部材料形成一种保护的电位梯度。另一方面，硅从含硅量高的铝焊料中扩散到本发明铝带的芯部材料中并在该处导致AlMnSi相的析出边缘的形成。但与芯部材料相比，AlMnSi具有较负的腐蚀电势。当腐蚀作用到用本发明铝带制成的钎焊管上时，腐蚀由于析出边缘首先沿管子的长度发展，并不渗透到芯部材料，所以可防止管子的穿孔。

最后，根据本发明的第二实施例按本发明方法制造热交换器管子用的铝带并测量了它的耐热性。制成的铝带的铝合金具有如下的合金成分(重量百分比)：

Si＝0.6％，

Fe＝0.3％，

Cu＝0.4％，

Mn＝1.3％，

Mg＝0.3％，

Cr＝0.1％，

Zn＝0.01％，

Ti＝0.02％，

不可避免的伴随元素单个最大重量百分比0.1％，总数最大重量百分比0.15％，其余为铝。

铅焊后通过测量屈服权限确定耐热性。屈服极限Rp0.2在250℃试验温度时为72兆帕。常规铝合金特别是在250℃试验温度时具有明显低的屈服极限。热交换器的管子一般使用的铝合金的屈服权限在室温里低于65兆帕。例如常规合金AA3003在钎焊后在250℃温度情况下只具有低于40兆帕的屈服极限Rp0.2。所以通过增加耐热性，用本发明铝合金和本发明铝带可大大地减少热交换器的管、管板、侧板和板的壁厚而不危及热交换器的运行可靠性。

Claims (13)

1、由耐热铝合金制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其中所述铝合金具有如下按重量百分比的合金成分含量：

0.3％≤Si≤1％，

Fe≤0.5％，

0.3％≤Cu≤0.7％，

1.1％≤Mn≤1.8％，

0.15％≤Mg≤0.6％，

0.01％≤Cr≤0.3％，

Zn≤0.10％，

Ti≤0.3％，

不可避免的伴随元素单个最大0.1％，总数最大0.15％，其余为铝，所述方法的特征为，轧制坯用连续铸造法铸造，轧制坯在热轧前在400至500℃预热，轧制坯被轧制成热轧带，其中热轧带温度为250至380℃，热轧带厚度在热轧结束时为3至10毫米，且热轧带被冷轧到最终厚度。

2、按权利要求1的制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其特征为，所述铝合金具有如下按重量百分比的含金成分含量：

0.15％≤Mg≤0.3％，

Zn≤0.05％，

0.01％≤Ti≤0.3％。

3、按权利要求1或2的制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其特征为，所述铝合金的合金成分Si、Fe、Mn具有如下按重量百分比的含量：

0.5％≤Si≤0.8％，

Fe≤0.35％，

1.1％≤Mn≤1.5％。

4、按权利要求1的制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其特征为，轧制坯在预热前均匀化退火。

5、按权利要求1的制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其特征为，热轧带在温度300至450℃进行中间退火。

6、按权利要求1的制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其特征为，该铝带在冷轧时在达到最终厚度之前在300至450℃温度进行中间退火。

7、按权利要求1的制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其特征为，在冷轧后在250至400℃进行状态退火至最终状态。

8、按权利要求1的制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其特征为，轧制坯在预热前一面或双面用另一种合金薄板坯包覆。

9、按权利要求8的制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其特征为，薄板坯由一种焊料合金组成，而作为焊料合金则用一种铝焊料，所述铝焊料可以是一种含Si量为6至13重量百分比的铝合金，AlSi7.5或AlSi10合金。

10、按权利要求1的制造用于热交换器的铝带或铝板的方法，其特征为，热轧带被冷轧到0.1至2.0毫米的最终厚度。

11、由权利要求1所述方法制造的铝带或铝板。

12、按权利要求11的铝带或铝板，其特征为，该铝带是制造热交换器用的管带，管底带，侧板带或板带。

13、按权利要求12的铝带或铝板，其特征为，管带具有0.15至0.6毫米的最终厚度，管底带具有0.8至2.5毫米的最终厚度，或侧板带具有0.8至1.8毫米的最终厚度，或板带具有0.3至1.0毫米的最终厚度。

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