CN114134377A - 一种换热器用铝合金板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种换热器用铝合金板材，包括：Ti、Cu、Fe、Mn、Zn、Mg、Si、杂质元素、稀土元素RE和AI，以铝作为基体材料，添加了微量的Mg和Zn，Mg元素能够增强合金的可焊性和抗腐蚀性能，并且加入的Mn元素能够使Mg5AI8均匀沉淀，改善铝合金的抗蚀性和焊接性能；Zn加入铝合金中，可以改变Mg/Zn的比例，来改善铝合金的抗拉强度和屈服强度，还具有应力腐蚀抗开裂的功能；本发明还提供了一种换热器用铝合金板材的制备方法，能够使板坯在中间步骤受热均匀，优化铝合金内部的结构，消除在加工过程中板材产生的内应力，优化板材的机械性能，提升铝合金板材的抗拉伸强度和抗屈服强度等综合性能。

Description

一种换热器用铝合金板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种换热器用铝合金板材及其制备方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中得到广泛应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，铝合金的需求日益增多，则铝合金的研究也随之深入。
铝合金板材通常作为换热器的翅片料，高可塑性、高强度、高抗应力性以及抗腐蚀性能的换热器翅片，能够有助于钎焊后的芯体的抗塌陷性能，还能保障换热器工作过程中的循环热胀冷缩环境下的支撑，以及在工作环境或热交换流体腐蚀性较强的工况下的有效运转，由此可见，铝合金板材的性能好坏直接影响到换热器的质量和使用寿命，因此，板材的强度、可塑性和抗应力性能是极为重要的。
然而，现有技术中的板材的抗拉伸强度、抗屈服强度并不能达到同时较好，从而影响换热器的质量，并且也缩短了换热器的使用寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
本发明提供的一种换热器用铝合金板材，按重量百分比包括：
0.1～0.15％的Ti；
4～6.8％的Cu；
0.4～0.7％的Fe；
0.1～0.8％的Mn；
0.05～2％的Zn；
0.15～1.5％的Mg；
0.25～0.8％的Si；
0.01～0.5％的杂质元素；
稀土元素RE≤0.1％；
余量为AI。
优选地，所述杂质元素按重量百分比包括：
0.01～0.1％的Sn；
0.05～0.08％的Pb；
0.02～0.3％的Bi。
优选地，包括0.1～1％的Zn。
优选地，包括0.2～1.2％的Mg。
优选地，一种换热器用铝合金板材的制备方法，包括如下步骤：
S1：选取如下成分的铝合金铝锭：0.1～0.15％的Ti；4～6.8％的Cu；0.4～0.7％的Fe；0.1～0.8％的Mn；0.05～2％的Zn；0.15～1.5％的Mg；0.25～0.8％的Si；0.01～0.5％的杂质元素和余量的AI；
S2：将S1中的原料加入熔炼炉中熔融，升温至700-720℃，然后加入百分比含量≤0.1％的稀土元素RE；
S3：检测各个组分含量后，降温至550-600℃，然后浇注并进行挤压得到铸锭；
S4：将铸锭进行转入保温炉中在250-300℃下保温4-5小时；
S5：将保温后的铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭进行轧制，得到铝合金板坯；
S6：将板坯装入热处理固化炉中进行固化处理，固化温度为600-650℃，时间为2-2.5小时；
S7：将固化后的板坯进行淬火处理；
S8：将淬火后的板坯进行时效处理，得到铝合金板材。
优选地，步骤S7中用冷水进行淬火，淬火时间为1-1.2小时。
优选地，步骤S8中所述时效处理的温度为190-210℃，所述时效处理的时间为6-8小时。
本发明具有的优点或者有益效果：
本发明提供的一种换热器用铝合金板材，以铝作为基体材料，添加了微量的Mg和Zn，Mg元素能够在AI熔融过程中溶解到合金中，形成Mg5AI8，增强合金的可焊性和抗腐蚀性能，还能够强化AI，提高AI的抗拉强度，并且加入的Mn元素能够使Mg5AI8均匀沉淀，改善铝合金的抗蚀性和焊接性能；Zn加入铝合金中，能够和Mg形成强化相Mg/Zn2，对合金产生明显的强化作用，而且可以改变Mg/Zn的比例，来改善铝合金的抗拉强度和屈服强度，使铝合金还具有一定的应力腐蚀抗开裂的功能。
本发明还提供了一种换热器用铝合金板材的制备方法，将铝合金熔融、保温、均匀化、固化、淬火最后时效处理得到铝合金板材，通过上述步骤能够使板坯在中间步骤受热均匀，优化铝合金内部的结构，并通过淬火处理来消除在加工过程中板材产生的内应力，优化板材的机械性能，提升铝合金板材的抗拉伸强度和抗屈服强度等综合性能。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要注意的是，本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
应当理解的是，当在本说明书中如使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行说明，显然所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下提供的本发明实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一种换热器用铝合金板材，按重量百分比包括：
0.1～0.15％的Ti；
4～6.8％的Cu；
0.4～0.7％的Fe；
0.1～0.8％的Mn；
0.05～2％的Zn；
0.15～1.5％的Mg；
0.25～0.8％的Si；
0.01～0.5％的杂质元素；
稀土元素RE≤0.1％；
余量为AI。
按照本发明以铝作为基体材料，添加了微量的镁(Mg)和Zn，Mg元素能够在AI熔融过程中溶解到合金中，Mg在AI中的溶解度会随着温度下降而下降，因此在熔融铝过程中要在高温下熔融，Mg对AI的强化作用是很明显的，由实验可知，每增加1％的Mg，铝合金的抗拉强度大约可提升34MPa，但是Mg的含量不能太高，在一般工业中，Mg的含量均低于6％，Mg在铝合金中会形成Mg5AI8，增强合金的可焊性和抗腐蚀性能，还能够强化AI，提高AI的抗拉强度，并且加入的Mn元素能够使Mg5AI8均匀沉淀，改善铝合金的抗蚀性和焊接性能；并且由实验可知，增加Mg的量在1％以下，能够对铝合金起到补充强化作用，因此加入Mn后可以降低Mg的含量，降低热裂倾向。优选为0.2～1.2％的Mg。
锌(Zn)是铝合金中主要强化元素，Zn单独加入AI中，在变形条件下对铝合金强度的提高十分有限，同时存在应力腐蚀开裂倾向，因此限制了它的应用，但是在AI中同时加入Zn和Mg，形成强化相Mg/Zn2，对合金产生明显的强化作用，而且可以改变Mg/Zn的比例，来改善铝合金的抗拉强度和屈服强度，使铝合金还具有一定的应力腐蚀抗开裂的功能。优选为0.1～1％的Zn。
钛(Ti)是铝合金中常用的添加元素，以AI-Ti中间合金形式加入，钛与铝形成TiAI2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。
铜(Cu)是重要的合金元素，具有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAI2有明显的时效强化效果，铜在4～6.8％时强化效果最好。
铁(Fe)能和AI形成AI3Fe，析出的AI3Fe能够抑制铝合金的蠕变变形，提高连接稳定性。
锰(Mn)在合金中溶解度决定了合金的强度，AI-Mn合金是非时效硬化合金，即不可热处理强化，锰能够组织铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结结晶粒，再结结晶粒的细化主要是通过MnAI6化合物弥散质点对再结结晶粒长大起阻碍作用，MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁，形成(Fe、Mn)Al6，减小铁的有害影响。锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入。
硅(Si)和铁对合金的性能有明显的影响，它们主要以铁离子和游离硅存在，当硅大于铁时，形成β-FeSiAI3(或Fe2Si2AI9)相，而铁大于硅时，形成α-Fe2SiAI8(或Fe3Si2AI12)，当铁和硅的比例不当时，会引起铸件产生裂纹，铸铝中铁含量过高时会使铸件产生脆性。
优选地，本发明提供的一种换热器用铝合金板材，杂质元素按重量百分比包括：
0.01～0.1％的Sn；
0.05～0.08％的Pb；
0.02～0.3％的Bi。
杂质元素铅(Pb)、锡(Sn)、铋(Bi)是低熔点元素，在铝中的固溶度不大，略降低合金的强度，但能改善切削性能。
稀土元素RE包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)中的一种或多种，优选为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)中的一种或多种。
稀土对铝合金熔体具有良好的净化作用，首先，稀土元素易与O、S、卤族元素等形成RE2O3、RE2S3、RES、RES2、RE3S4、REH2、REH3、(X为卤族元素)等化学性质稳定的化合物，在250～300℃时与N作用生成难熔的REN。高温时，稀土与C、Si反应生成REC2、RE2C3、REC、RE2C、RE3C、RE4C、RESi2、REB4、REB6等。同时、稀土元素对氢的吸附力特别大，能够大量吸附和溶解氧，可以较好地除去铝合金中的氢，稀土与氢的化合物熔点较高并且弥散分布与铝液中，这部分以化合物形成的氢不会形成气泡，大大降低铝的含氢量和针孔率。其次，稀土元素可与铝合金中的低熔点元素Sn、Pb、Bi、Zn等生成熔点高，密度低的二元或多元化合物，当金属冶炼温度低于它们的熔点时，这些化合物上浮成渣析出从而净化铝液，它们的微小质点则成为铝结晶过程的异质晶核从而细化晶粒，最后添加稀土元素可以改善铝合金熔体和熔渣的表面张力、流动性、黏度等物理化学性质，有利于非金属夹杂的球化，促进其上浮，从而可以有效地去除非金属杂质。
综上所述，本发明提供的一种换热器用铝合金板材，铝作为基体材料，添加了微量的镁(Mg)和Zn，Mg元素能够在AI熔融过程中溶解到合金中，Mg在铝合金中会形成Mg5AI8，增强合金的可焊性和抗腐蚀性能，还能够强化AI，提高AI的抗拉强度，并且加入的Mn元素能够使Mg5AI8均匀沉淀，改善铝合金的抗蚀性和焊接性能；并且加入Mn后可以降低Mg的含量，降低热裂倾向；在AI中同时加入Zn和Mg，形成强化相Mg/Zn2，对合金产生明显的强化作用，而且可以改变Mg/Zn的比例，来改善铝合金的抗拉强度和屈服强度，使铝合金还具有一定的应力腐蚀抗开裂的功能；钛与铝形成TiAI2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用；铜具有一定的固溶强化效果；铝能与铁形成Al3Fe，析出的Al3Fe弥散粒子抑制了合金的蠕变变形，而且Fe能与RE形成AlFeRE化合物析出，析出相AlFeRE能增强合金的抗疲劳性能和高温运行的耐热性能，且稀土化合物析出相还能提高屈服极限强度；锰能够组织铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结结晶粒；控制硅和铁的比例，可以改善铸铝中铸件产生脆性；杂质元素铅、锡、铋能改善切削性能；稀土元素为表面活性元素，可集中分布在晶界面上，降低相与相之间的拉力，从而使晶粒细化。本发明通过添加多种金属元素及对元素含量的控制，有利于铝合金综合性能的提高。
优选地，本发明还提供了一种换热器用铝合金板材的制备方法，包括如下步骤：
S1：选取如下成分的铝合金铝锭：0.1～0.15％的Ti；4～6.8％的Cu；0.4～0.7％的Fe；0.1～0.8％的Mn；0.05～2％的Zn；0.15～1.5％的Mg；0.25～0.8％的Si；0.01～0.5％的杂质元素和余量的AI；
S2：将S1中的原料加入熔炼炉中熔融，升温至700-720℃，然后加入百分比含量≤0.1％的稀土元素RE；
S3：检测各个组分含量后，降温至550-600℃，然后浇注并进行挤压得到铸锭；
S4：将铸锭进行转入保温炉中在250-300℃下保温4-5小时；
S5：将保温后的铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭进行轧制，得到铝合金板坯；
S6：将板坯装入热处理固化炉中进行固化处理，固化温度为600-650℃，时间为2-2.5小时；
S7：将固化后的板坯进行冷水淬火处理，淬火时间为1-1.2小时；
S8：将淬火后的板坯进行时效处理，效处理的温度为190-210℃，时效处理的时间为6-8小时，得到铝合金板材。
按照本发明，在步骤S2中，将铝锭投入熔炼炉中，在密闭环境升温至700-720℃并保温，待铝锭熔融后加入AI-Ti、AI-Cu、AI-Fe、AI-Mn、AI-Zn、AI-Mg、AI-Si中间合金，和杂质元素，搅拌均匀后加入稀土元素RE，得到合金熔体，然后按顺序进行精炼、保温、轧制得到铝合金板坯。
实施例1
(1)选取如下成分的铝合金铝锭：Ti、Cu、Fe、Mn、Zn、Mg、Si、杂质元素和AI，加入熔炼炉中熔融，升温至700℃，搅拌均匀后加入稀土元素RE，然后在精炼搅拌、并保温静置，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分表如表1所示；
(2)检测各个组分含量后，降温至550℃，然后浇注并进行挤压得到铸锭；再将铸锭进行转入保温炉中在250℃下保温4小时；
(3)将保温后的铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭进行轧制，得到铝合金板坯；
(4)将板坯装入热处理固化炉中进行固化处理，固化温度为600℃，时间为2小时；
(5)将固化后的板坯进行冷水淬火处理，淬火时间为1小时；
(6)将淬火后的板坯进行时效处理，效处理的温度为190℃，时效处理的时间为6小时，得到铝合金板材。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例2
(1)选取如下成分的铝合金铝锭：Ti、Cu、Fe、Mn、Zn、Mg、Si、杂质元素和AI，加入熔炼炉中熔融，升温至710℃，搅拌均匀后加入稀土元素RE，然后在精炼搅拌、并保温静置，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分表如表1所示；
(2)检测各个组分含量后，降温至560℃，然后浇注并进行挤压得到铸锭；再将铸锭进行转入保温炉中在260℃下保温4小时；
(3)将保温后的铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭进行轧制，得到铝合金板坯；
(4)将板坯装入热处理固化炉中进行固化处理，固化温度为610℃，时间为2.1小时；
(5)将固化后的板坯进行冷水淬火处理，淬火时间为1小时；
(6)将淬火后的板坯进行时效处理，效处理的温度为195℃，时效处理的时间为6小时，得到铝合金板材。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例3
(1)选取如下成分的铝合金铝锭：Ti、Cu、Fe、Mn、Zn、Mg、Si、杂质元素和AI，加入熔炼炉中熔融，升温至720℃，搅拌均匀后加入稀土元素RE，然后在精炼搅拌、并保温静置，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分表如表1所示；
(2)检测各个组分含量后，降温至600℃，然后浇注并进行挤压得到铸锭；再将铸锭进行转入保温炉中在300℃下保温5小时；
(3)将保温后的铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭进行轧制，得到铝合金板坯；
(4)将板坯装入热处理固化炉中进行固化处理，固化温度为650℃，时间为2.5小时；
(5)将固化后的板坯进行冷水淬火处理，淬火时间为1.2小时；
(6)将淬火后的板坯进行时效处理，效处理的温度为210℃，时效处理的时间为8小时，得到铝合金板材。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例4
(1)选取如下成分的铝合金铝锭：Ti、Cu、Fe、Mn、Zn、Mg、Si、杂质元素和AI，加入熔炼炉中熔融，升温至715℃，搅拌均匀后加入稀土元素RE，然后在精炼搅拌、并保温静置，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分表如表1所示；
(2)检测各个组分含量后，降温至575℃，然后浇注并进行挤压得到铸锭；再将铸锭进行转入保温炉中在270℃下保温5小时；
(3)将保温后的铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭进行轧制，得到铝合金板坯；
(4)将板坯装入热处理固化炉中进行固化处理，固化温度为640℃，时间为2.5小时；
(5)将固化后的板坯进行冷水淬火处理，淬火时间为1.2小时；
(6)将淬火后的板坯进行时效处理，效处理的温度为205℃，时效处理的时间为8小时，得到铝合金板材。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
实施例5
(1)选取如下成分的铝合金铝锭：Ti、Cu、Fe、Mn、Zn、Mg、Si、杂质元素和AI，加入熔炼炉中熔融，升温至705℃，搅拌均匀后加入稀土元素RE，然后在精炼搅拌、并保温静置，进入铸造机进行铸造，得到铝合金铸锭，铸锭成分表如表1所示；
(2)检测各个组分含量后，降温至580℃，然后浇注并进行挤压得到铸锭；再将铸锭进行转入保温炉中在290℃下保温4小时；
(3)将保温后的铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭进行轧制，得到铝合金板坯；
(4)将板坯装入热处理固化炉中进行固化处理，固化温度为620℃，时间为2小时；
(5)将固化后的板坯进行冷水淬火处理，淬火时间为1.1小时；
(6)将淬火后的板坯进行时效处理，效处理的温度为200℃，时效处理的时间为7小时，得到铝合金板材。
将按照上述方法制备的铝合金进行性能测试，结果参见表2。
对比例1
对比例1与其他实施例条件都相同，不同之处在于所采用的原料没有加入镁，纯度为97.6％。
对比例2
对比例2与其他实施例条件都相同，不同之处在于所采用的原料没有加入锌，纯度为98.1％。
对比例3
对比例3与其他实施例条件都相同，不同之处在于所采用的原料没有加入镁和锌，纯度为97.9％
表1
表1为实施例制备的铝合金的成分表：
成分 Ti Cu Fe Mn Zn Mg Si AI 杂质 稀土
实施例1 0.1 4 0.7 0.8 01 0.2 0.4 余量 002 0.03
实施例2 0.15 4.2 0.65 0.2 02 0.8 0.3 余量 003 0.05
实施例3 0.14 4.6 0.6 0.6 05 1 0.6 余量 0.015 0.09
实施例4 0.13 6.8 0.55 0.1 09 1.2 0.8 余量 005 0.01
实施例5 0.12 5.7 0.5 0.5 1 1.1 0.55 余量 0.035 0.02
对比例1 0.13 4.1 0.45 0.7 03 0.25 余量 0.045 0.04
对比例2 0.1 5.2 0.4 0.3 0.9 0.5 余量 0.035 0.07
对比例3 0.11 4.9 0.4 0.4 0.7 余量 0.025 0.06
表2
表2为实施例及对比例制备的铝合金的性能测试数据表：
Figure BDA0003398316850000121
本实施例中，可以通过控制其他元素的添加量，只改变Mg/Zn比例来提高抗拉伸强度和屈服强度，如表3所示：
表3
Figure BDA0003398316850000131
由表3可知，当Mg/Zn比例逐渐增大时，铝合金的抗拉伸强度和屈服强度明显提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种换热器用铝合金板材，其特征在于，按重量百分比包括：
0.1～0.15％的Ti；
4～6.8％的Cu；
0.4～0.7％的Fe；
0.1～0.8％的Mn；
0.05～2％的Zn；
0.15～1.5％的Mg；
0.25～0.8％的Si；
0.01～0.5％的杂质元素；
稀土元素RE≤0.1％；
余量为AI。
2.根据权利要求1所述的换热器用铝合金板材，其特征在于，所述杂质元素按重量百分比包括：
0.01～0.1％的Sn；
0.05～0.08％的Pb；
0.02～0.3％的Bi。
3.根据权利要求1所述的换热器用铝合金板材，其特征在于，包括0.1～1％的Zn。
4.根据权利要求1所述的换热器用铝合金板材，其特征在于，包括0.2～1.2％的Mg。
5.一种换热器用铝合金板材的制备方法，其特征在于，按照权利要求1-4任一所述的换热器用铝合金板材所含成分，包括如下步骤：
S1：选取如下成分的铝合金铝锭：0.1～0.15％的Ti；4～6.8％的Cu；0.4～0.7％的Fe；0.1～0.8％的Mn；0.05～2％的Zn；0.15～1.5％的Mg；0.25～0.8％的Si；0.01～0.5％的杂质元素和余量的AI；
S2：将S1中的原料加入熔炼炉中熔融，升温至700-720℃，然后加入百分比含量≤0.1％的稀土元素RE；
S3：检测各个组分含量后，降温至550-600℃，然后浇注并进行挤压得到铸锭；
S4：将铸锭进行转入保温炉中在250-300℃下保温4-5小时；
S5：将保温后的铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭进行轧制，得到铝合金板坯；
S6：将板坯装入热处理固化炉中进行固化处理，固化温度为600-650℃，时间为2-2.5小时；
S7：将固化后的板坯进行淬火处理；
S8：将淬火后的板坯进行时效处理，得到铝合金板材。
6.根据权利要求5所述的换热器用铝合金板材的制备方法，其特征在于，步骤S7中用冷水进行淬火，淬火时间为1-1.2小时。
7.根据权利要求5所述的换热器用铝合金板材的制备方法，其特征在于，步骤S8中所述时效处理的温度为190-210℃，所述时效处理的时间为6-8小时。
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