CN115838885A - 一种超薄铝合金复合管料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄铝合金复合管料及其制备方法和应用，所述超薄铝合金复合管料由外层、内层和芯层合金复合而成，外层和内层合金包括如下质量百分比的组分硅：2.6～3.5％，铁：0.05～0.25％，铜：≤0.05％，锰：≤0.05％，镁：≤0.05％，锌：≤0.05％，钛≤0.05％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量；所述芯层合金包括如下质量百分比的组分：硅：0.4～0.8％，铁：0.05～0.30％，铜：0.6～1.0％，锰：1.4～1.8％，镁：≤0.03％，锌：≤0.05％，钛：0.08～0.15％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。本发明通过调整铝合金复合管料外层、内层和芯层合金中特定的金属组分含量，制得的超薄铝合金复合管料钎焊后无明显熔蚀、厚度无明显减薄，钎焊后抗拉强度不低于174MPa，加工成型性好，导热性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种超薄铝合金复合管料及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，全球各国都在努力降低碳排放，减缓地球持续变暖的进程，汽车轻量化也成为节能减排的重要手段，大量的超薄高强度的轻量化材料被广泛应用。在汽车空调蒸发器和冷凝器上，一般采用表面喷锌挤压多孔管(简称MPE管)。MPE管壁厚多为0.3～0.45mm，上、下壁厚加起来约0.6～0.9mm，同时还需要采用三层复合翅片配套钎焊使用，单台热交换器重量及生产成本要远高于采用复合折叠管+单层翅片配套钎焊制造的热交换器。出于对汽车轻量化的追求，越来越多的热交换器厂家采用厚度0.2～0.23mm复合折叠管替代原有的MPE管。
通常平行流热交换器的集流管由外层4XXX系铝合金和芯层3XXX系铝合金复合而成，复合折叠管由外层4XXX系铝合金、芯层3XXX系铝合金和内层4XXX系铝合金复合而成。在600℃左右高温钎焊时，集流管外层、复合折叠管内外层的4XXX系钎焊层完全熔化成液体钎料，在毛细作用下，钎料流到复合折叠管与集流管、复合折叠管与翅片连接的焊角处，冷却后与翅片、边板等连接成一个整体。在钎焊过程中，高温的液体钎料也会对铝合金折叠管芯层造成不同程度的熔蚀，造成芯材局部厚度减薄，钎焊后强度及耐压性能变差。同时，钎焊后铝合金折叠管表面的钎焊层厚度也会大幅减薄，不再是钎焊前的厚度，导致铝合金折叠管钎焊后整体厚度大幅减薄，降低铝合金复合折叠管的耐压性能。现有技术中一般复合折叠管厚度控制在0.2～0.23mm左右，低于这个厚度的复合折叠管钎焊后耐压性能大幅降低，无法满足平行流热交换器的使用要求。
铝合金复合带材是制备铝质热交换器的关键材料，现有技术中平行流热交换器使用的复合折叠管料由横截面相互横向平行的三层铝合金材料通过热轧方法复合在一起的，内、外层铝合金钎焊层按重量百分比都由常规的4045合金(硅含量9～11％)或4343合金(硅含量6.8～8.0％)制成；芯层铝合金通常是在3003合金的基础上添加Cu、Mn等元素提高强度。铝合金复合折叠管料的内、外层4045或4343合金硅含量远高于芯层合金的硅含量，高硅含量使得内、外层合金的整体熔点较低，在590～610℃的钎焊条件下完全熔化成液体钎料，高温的液体钎料不可避免向芯层合金渗透，形成明显熔蚀，钎焊后铝合金复合折叠管料厚度明显减薄。为保证铝合金复合折叠管料的耐压性能和强度，现有技术所制得铝合金复合折叠管料厚度基本在0.2～0.23mm左右，无法满足热交换器轻量化使用超薄高强度材料的需求。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中铝合金复合管料的内、外层合金整体熔点低，高温钎焊时内、外层铝合金熔化成液体对芯层铝合金有明显熔蚀，铝合金复合折叠管钎焊后厚度减薄的技术问题，提供一种超薄铝合金复合管料，通过调控内、外层和芯层合金中特定的金属组分含量，制得的铝合金复合管料钎焊后无明显熔蚀、抗拉强度更高。
本发明的另一目的在于提供一种超薄铝合金复合管料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种超薄铝合金复合折叠管。
本发明的另一目的在于提供一种超薄铝合金复合折叠管在制备热交换器中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种超薄铝合金复合管料，由外层、内层和芯层复合而成，所述外层和内层合金包括如下质量百分比的组分：硅：2.6～3.5％，铁：0.05～0.25％，铜：≤0.05％，锰：≤0.05％，镁：≤0.05％，锌：≤0.05％，钛≤0.05％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量；
所述芯层合金包括如下质量百分比的组分：硅：0.4～0.8％，铁：0.05～0.30％，铜：0.6～1.0％，锰：1.4～1.8％，镁：≤0.03％，锌：≤0.05％，钛：0.08～0.15％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
本发明通过内、外层和芯层合金中特定的金属组分含量，使得外层和内层合金中硅2.6～3.5％，外层和内层合金由于硅含量不高，整体熔点较高，在590～610℃钎焊条件下不会完全熔化，但由于硅含量2.6～3.5％远高于常规单层翅片中的硅含量(通常0.1～1.35％)，超薄铝合金复合管料的外层和内层在高温钎焊时会析出足够量的液体，可以与翅片、集流管钎焊连接成一个牢固的整体，并且钎焊后不会对芯层有明显熔蚀，可以保证超薄铝合金复合管料芯层厚度从而保证铝合金复合管整体强度和耐压性能。
本发明所述外层和内层合金中控制硅含量为2.6～3.5％。若硅含量降到2.6％以下，590～610℃钎焊时，由于管料厚度较薄，外层和内层合金中析出的液体总量较少，钎焊时钎料量太少、焊角长度过短，不能起到有效连接作用；若硅含量超出3.5％，高温钎焊时，外层和内层合金中析出的液体太多，将造成钎焊时钎料量过多、钎焊熔蚀。
本发明所述外层和内层合金中控制铁含量为0.05～0.25％。若铁含量超出0.25％，容易与硅形成大量富含铁、硅的Al-Fe-Si相，Al-Fe-Si相与铝之间形成局部原电池反应，导致该区域被优先腐蚀掉，形成点腐蚀，从而降低了合金的耐腐蚀性能；由于铝合金使用的原材料99.7％普铝锭中不可避免存在铁、硅等元素，若铁含量降到0.05％以下，则生产成本过高。
本发明所述外层、内层合金中控制镁含量为≤0.05％。若镁含量超出0.05％，由于镁在高温钎焊时会蒸发出来，在氮气保护焊时与钎剂(主要成分为KAlF4)发生化学反应，阻碍钎剂除去铝材表面的氧化膜，容易造成钎焊不良。
本发明所述通过外层、内层合金中的各组分配比协同作用，为铝合金复合管厚度进一步减薄、钎焊后无明显熔蚀、钎焊后厚度不减薄、得到钎焊后高强度铝合金复合管的技术效果起到了基础性的支撑作用。
优选的，本发明所述外层和内层合金包括如下质量百分比的组分：硅：
2.64～3.45％，铁：0.06～0.22％，铜：≤0.04％，锰：≤0.04％，镁：≤0.04％，锌：≤0.04％，钛：≤0.04％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
更优选的，本发明所述外层和内层合金包括如下质量百分比的组分：硅：2.82～3.07％，铁：0.09～0.18％，铜：≤0.03％，锰：≤0.03％，镁：≤0.03％，锌：≤0.03％，钛：≤0.03％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
更优选地，所述外层和内层合金中，其他杂质元素单个质量百分比≤0.05％。
本发明所述芯层合金中控制硅含量0.4～0.8％，若硅含量降到0.4％以下，则高温钎焊后芯材不易形成大晶粒，所得铝合金复合管的高温抗下垂、耐腐蚀性能差；若Si含量超出0.8％，Si在铝基体中固溶度过大(577℃时Si在铝中的最大溶解度为1.65％)，则基体电阻会增大，管料电导率会下降，对应的导热性能也会下降，同时易引起自身耐腐蚀性能下降、加工成型性能差。
本发明所述芯层合金中控制铁含量0.05～0.3％，Fe是铝合金中不可避免的杂质元素，若Fe含量降到0.05％以下，则熔炼必须使用高纯的铝锭原材料，生产成本较高；若Fe含量超出0.3％，高温钎焊后不易形成大晶粒，材料的高温抗下垂性能差；同时还会降低铝合金复合管的耐腐蚀性能。
本发明所述芯层合金中控制铜含量0.6～1.0％，铜可以显著提高铝合金强度和电极电位，若铜含量降到0.6％以下，一方面芯层合金经钎焊后强度比较低，不适合管料整体厚度进一步减薄，另一方面芯层合金电极电位不够高，与外层合金的电位差不够大，外层合金对芯层合金的牺牲阳极保护作用将会减弱；若铜含量超出1.0％，芯层合金强度过高，成型性能将变差，不利于铝合金复合管料加工成型。
本发明所述芯层合金中控制锰含量为1.4～1.8％，锰可以显著提高3XXX铝合金强度，锰与铝形成MnAl6化合物弥散质点阻止铝合金的再结晶过程，可以提高材料高温性能。MnAl6的另一作用是能溶解铁，形成(Fe,Mn)Al6减小铁的有害影响；若锰含量降到1.4％以下，则形成的(Fe,Mn)Al6、MnAl6化合物弥散质点较少，高温钎焊时不能对再结晶过程起到充分的阻碍作用，材料的高温抗下垂性能会明显下降、钎焊后强度比较低，不适合管料整体厚度进一步减薄；若锰含量超出1.8％，易生成含Mn的粗大化合物，材料成型性能将变差；同时锰在铝基体中固溶度过大，基体电阻会增大，电导率会下降，对应的导热性能也会下降。
本发明所述芯层合金中控制镁含量为≤0.03％；若镁含量超出0.03％，由于镁在高温钎焊时会蒸发出来，在氮气保护焊时与钎剂(主要成分为KAlF4)发生化学反应，造成钎焊不良。
本发明所述芯层合金中控制钛含量0.08～0.15％；钛在铝合金中除了可以起晶粒细化作用，还可以在铝基体中形成包晶，呈现层状腐蚀特征，可以提高铝合金的耐腐蚀性能；若钛含量低于0.08％，钛在铝基体中不易形成包晶，不能起到层状腐蚀提高耐蚀性能的效果；若钛含量超出0.15％，钛易与锰等元素形成粗大化合物，造成材料成形性能下降。
优选的，本发明所述芯层合金包括如下质量百分比的组分：硅：0.43～0.76％，铁：0.08～0.27％，铜：0.64～0.95％，锰：1.43～1.75％，镁：≤0.02％，锌：≤0.04％，钛：0.09～0.13％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
更优选的，本发明所述芯层合金包括如下质量百分比的组分：硅：0.52～0.61％，铁：0.12～0.21％，铜：0.7～0.86％，锰：1.51～1.66％，镁：≤0.02％，锌：≤0.03％，钛：0.11～0.12％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
本发明所述超薄铝合金复合管料的厚度≤0.2mm。
优选的，本发明所述超薄铝合金复合管料的厚度为0.15～0.18mm。
本发明所述所述超薄铝合金复合管料的厚度最低为0.15mm，若低于0.15mm则所得铝合金复合管料由于壁厚太薄，导致制备成铝合金复合管的整体耐压性能大幅下降，无法满足下游客户的使用要求。
本发明所述外层和内层合金厚度在铝合金复合管料总厚度的占比均为10～14％。
本发明所述外层和内层合金的厚度在铝合金复合管料厚度的占比在此范围内，超薄铝合金复合管料的外层和内层钎焊时会析出足够量的液体，可以与翅片、集流管钎焊连接成一个牢固的整体，同时可以保证超薄铝合金复合管料芯层厚度从而保证铝合金复合管整体强度和耐压性能。当占比高于此比例范围时，会造成铝合金复合管料芯层厚度不足导致钎焊后强度偏低；低于此比例范围时，铝合金复合管料的外层和内层钎焊时析出的液体量过少，可能造成局部虚焊、漏焊等钎焊不良情况。
本发明还保护一种超薄铝合金复合管料的制备方法，包括如下步骤：
S1.按照外层、内层合金和芯层合金的组分含量，分别进行调配，经熔炼、精炼、除气、扒渣、铸造，分别制得外层板锭、内层板锭和芯层板锭；所述外层和内层板锭为相同板锭；
S2.对外层板锭、内层板锭进行锯头、铣面、加热、热轧、剪切，制得外层板块、内层板块；对芯层板锭进行锯头、铣面，得到待焊合组装的芯层板块；
S3.将清洗后的外层板块、内层板块和待焊合组装的芯层板锭叠放，采用钢带捆绑，经加热、热轧复合、冷轧、清洗、分切，得到所述热交换器用超薄铝合金复合管料。
本发明所述外层板锭、内层板锭的厚度为400～500mm，所述芯层板锭的厚度为360～450mm。
本发明所述外层板块的厚度为45～80mm。
本发明所述铣面控制铣削量为8～10mm/每面。
本发明所述热轧复合为制得3.5～6mm厚度的复合带卷。
本发明还保护一种超薄铝合金复合折叠管，由上述超薄铝合金复合管料制备得到。
本发明还保护一种超薄铝合金复合折叠管在制备热交换器中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种超薄铝合金复合管料，由外层、内层和芯层合金复合而成，通过外层、内层和芯层合金中特定的金属组分含量，制得超薄铝合金复合折叠管料厚度≤0.2mm，最低可做到0.15mm，相对于现有技术折叠管料厚度基本在0.2～0.23mm做出明显改进。并且本发明提供的超薄铝合金复合管料钎焊后无明显熔蚀、钎焊后抗拉强度不低于174MPa，加工成型性好，导热性能优异。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。本领域技术人员在理解本发明的基础上对本发明所进行的变更、替换、改进依旧属于本发明的保护范围。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例1～5
实施例1～5分别提供一种超薄铝合金复合折叠管料，由外层、内层和芯层合金复合而成，外层、内层合金的组分组成见表1，芯层合金的组分组成见表2，超薄铝合金复合折叠管料的制造方法如下：
S1.按照外层、内层和芯层合金的组分含量，分别进行调配，经熔炼、精炼、除气、扒渣、铸造，分别制得厚度为450mm的外层板锭、内层板锭(同外层板锭)和厚度为400mm的芯层板锭；
熔炼：熔炼温度控制在750℃，待原材料熔化后，搅拌、扒渣、成分取样检测合格后，将铝液倒入静置炉；
精炼：在静置炉采用N2精炼10min，然后搅拌、扒渣、静置8min；
铸造：成分取样检测合格后，静置炉中的铝液经在线除气、过滤，并采用Al-Ti-B丝在线晶粒细化，铸造成板锭。
S2.对外层板锭、内层板锭(同外层板锭)进行锯头、铣面、加热、热轧、剪切，制得厚度为70mm的外层板块、内层板块；
对芯层板锭进行锯头、铣面，制得待焊合组装的芯层板锭；
铣面控制铣削量为9mm/每面；
加热：金属温度控制在500℃，保持2h；
热轧：多道次轧制，终轧温度400℃；
剪切：冷却至300℃开始切板；
S3.将清洗后的外层板块、内层板块和待焊合组装的芯层板锭叠放好(通常内层板块放下面、芯层板锭放中间、外层板块放上面)，采用钢带捆绑，经加热、热轧复合，制得5mm厚度的复合带卷，再进行冷轧、清洗、分切，得到0.18mm超薄铝合金复合折叠管料；
加热：金属温度控制在500℃，保持2h；
热轧：多道次轧制，终轧温度控制在280℃；
冷轧：多道次轧制，轧至要求的成品厚度。
实施例1制得的超薄铝合金复合折叠管料的厚度为0.18mm，其中实施例1～5的外层合金占铝合金复合折叠管料厚度比例为：12.1％、10.3％、11.5％、12.9％、13.6％；内层合金占铝合金复合折叠管料厚度比例为：12.0％、10.2％、11.4％、12.8％、13.5％。
表1实施例1～5制得铝合金复合折叠管料的外层和内层合金的组分组成(wt.％)
表2实施例1～5制得铝合金复合折叠管料的芯层合金的组分组成(wt.％)
对比例1～5
对比例1～5分别提供的铝合金复合折叠管料，由外层、内层和芯层合金复合而成，外层和内层合金的组分组成见表3，芯层合金的组分组成见表4。
对比例1～3采用的常规铝合金复合折叠管料厚度为0.20mm，对比例4～5采用的铝合金复合折叠管料厚度为0.18mm，其中对比例1～5的外层合金占铝合金复合折叠管料厚度比例为：11.3％、9.9％、8.5％、10.4％、9.2％；内层合金占铝合金复合折叠管料厚度比例为：11.2％、9.8％、8.4％、10.3％、9.1％。
表3对比例1～5的外层和内层合金的组分组成(wt.％)
表4对比例1～5的芯层合金的组分组成(wt.％)
性能测试
对上述实施例及对比例所制得的铝合金复合折叠管料进行性能测试，具体方法如下：
厚度和力学性能：对钎焊前、后的铝合金复合折叠管料分别进行厚度、抗拉强度的检测，钎焊条件为按600℃65min进行高温模拟钎焊，抗拉强度按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行制样，在室温条件下进行检测。
熔蚀性能：对高温模拟钎焊的铝合金复合折叠管料样品进行断面金相观察，检测外层、内层和芯层有无明显熔蚀。实施例和对比例的测试结果见表5。
表5实施例和对比例所制备铝合金复合折叠管料的测试结果
注：表5所述芯材熔蚀比例是通过金相照片测量液态钎料渗透深度，然后除以芯材厚度得出。
根据表5的测试结果，可以看出，本发明实施例1～5制备的超薄铝合金复合折叠管料钎焊后无明显熔蚀，钎焊后厚度未出现明显减薄，钎焊后抗拉强度≥174MPa。而对比例1～3的外层合金的硅含量太高，导致铝合金复合管钎焊后厚度出现明显减薄，且抗拉强度为162～165MPa，明显低于实施例的抗拉强度；对比例4和5所制得管料虽然钎焊后无明显熔蚀，但是对比例4和对比例5管料的外层硅含量太低，都会造成复合管料外层合金熔点过高，高温钎焊时析出液体量太少，导致对比例4和5所得折叠管钎焊不良、填充不饱满，应用到热交换器上，所得热交换器在使用过程中容易发生制冷剂泄露的问题。同时对比例4芯材硅含量太低，高温抗下垂性能差；对比例5管料芯层合金硅含量太高，制备铝合金折叠管时加工成型较差、导热性差。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一超薄铝合金复合管料，由外层、内层和芯层复合而成，其特征在于，所述外层和内层合金包括如下质量百分比的组分：硅：2.6～3.5％，铁：0.05～0.25％，铜：≤0.05％，锰：≤0.05％，镁：≤0.05％，锌：≤0.05％，钛≤0.05％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量；
所述芯层合金包括如下质量百分比的组分：硅：0.4～0.8％，铁：0.05～0.30％，铜：0.6～1.0％，锰：1.4～1.8％，镁：≤0.03％，锌：≤0.05％，钛：0.08～0.15％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
2.根据权利要求1所述超薄铝合金复合管料，其特征在于，所述超薄铝合金复合管料的厚度≤0.2mm。
3.根据权利要求2所述超薄铝合金复合管料，其特征在于，所述超薄铝合金复合管料的厚度0.15～0.18mm。
4.根据权利要求1所述超薄铝合金复合管料，其特征在于，所述外层和内层合金包括如下质量百分比的组分：硅：2.64～3.45％，铁：0.06～0.22％，铜：≤0.04％，锰：≤0.04％，镁：≤0.04％，锌：≤0.04％，钛：≤0.04％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
5.根据权利要求4所述超薄铝合金复合管料，其特征在于，所述外层和内层合金包括如下质量百分比的组分：硅：2.82～3.07％，铁：0.09～0.18％，铜：≤0.03％，锰：≤0.03％，镁：≤0.03％，锌：≤0.03％，钛：≤0.03％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
6.根据权利要求1所述超薄铝合金复合管料，其特征在于，所述芯层合金包括如下质量百分比的组分：硅：0.43～0.76％，铁：0.08～0.27％，铜：0.64～0.95％，锰：1.43～1.75％，镁：≤0.02％，锌：≤0.04％，钛：0.09～0.13％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
7.根据权利要求6所述超薄铝合金复合管料，其特征在于，所述芯层合金包括如下质量百分比的组分：硅：0.52～0.61％，铁：0.12～0.21％，铜：0.7～0.86％，锰：1.51～1.66％，镁：≤0.02％，锌：≤0.03％，钛：0.11～0.12％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。
8.一种权利要求1～7任一项所述超薄铝合金复合管料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.按照外层、内层和芯层合金的组分含量，分别进行调配，经熔炼、精炼、除气、扒渣、铸造，分别制得外层板锭、内层板锭和芯层板锭；所述外层和内层板锭为相同板锭；
S2.对外层板锭、内层板锭进行锯头、铣面、加热、热轧、剪切，制得外层板块、内层板块；对芯层板锭进行锯头、铣面，得到待焊合组装的芯层板块；
S3.将清洗后的外层板块、内层板块和待焊合组装的芯层板锭叠放，采用钢带捆绑，经加热、热轧复合、冷轧、清洗、分切，得到所述超薄铝合金复合管料。
9.一种超薄铝合金复合折叠管，其特征在于，由权利要求1～7任一项所述超薄铝合金复合管料制备得到。
10.一种权利要求9所述超薄铝合金复合折叠管在制备热交换器中的应用。
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