CN1842609A - 换热器用高强度合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热器用可冷时效硬化的铝合金、一种可冷时效硬化铝带的制造方法以及一种铝带或铝薄板。目的是提供一种换热器用可冷时效硬化的铝合金，该铝合金使得在制造换热器时经济地使用惰性气体钎焊成为可能，同时在钎焊后的自然时效后具有高的强度值。其解决方案是铝合金具有以下合金成分：Si≤0.7％，0.1％≤Mg≤1％，Fe≤0.3％，0.08％≤Cu≤0.2％，Ti≤0.2％，Mn≤0.1％，Cr≤0.1％，Zn≤0.1％，不可避免的杂质每种最多0.1％，总量最多0.15％，余量为铝。

Description

换热器用高强度合金

本发明涉及换热器用可冷时效硬化的铝合金、制造可冷时效硬化铝带的方法以及铝带或铝薄板。

汽车行业对铝或铝合金换热器的需求日益增长。其中在大小和性能相当的条件下，用铝合金代替以前常用的非铁金属换热器，换热器的重量几乎减半。如今，铝或铝合金换热器在机动车中主要用于冷却冷却水、油并用于空调***。机动车用换热器通常由铝带或铝薄板制成，其中换热器的单个预制组件例如换热片、管和分布器通过钎焊相互连接在一起。由于间歇性震动、持续长时间的震动、腐蚀和类似原因，使得在实际使用时载荷对如此制造并装入机动车辆的组件的影响是显著的。尤其是通过其去除热量的散热片更是这样。尽管机动车换热器的负荷明显且工作压力上升，但仍然需要节省机动车的重量，从而需要进一步减轻换热器的壁厚。然而，这需要进一步提高换热器的铝合金的强度，特别是钎焊后的强度。换热器钎焊的办法有两种，一是不用焊剂的真空钎焊，二是使用非腐蚀性焊剂的惰性气体钎焊。迄今为止，换热器真空钎焊所使用的可冷时效硬化的铝合金例如铝合金AA6063(AlMgO，7Si)、AA6061(AlMglSiCu)或AA6951(AlMgO，6SiCu)的镁含量较高，以便一方面在真空钎焊过程中通过“吸气”阻止待钎焊零件上的熔融铝焊料的任何氧化，从而保证不用焊剂的完好钎焊结头，另一方面是为了在钎焊后自然时效时钎焊换热器的高强度值。然而，该方法的缺点是保持气体保护和达到钎焊零件的纯度要求的成本昂贵。替代方案惰性气体钎焊(也称为CAB受控气氛钎焊)虽然在这些方面不太昂贵，并另外可以最多缩短钎焊周期20％，但不能用于真空钎焊的镁含量高的已知铝合金，原因是钎焊时镁会与非腐蚀性焊剂发生反应。只有通过使用较昂贵的含铯焊剂才能避免这种情况。另外还可以使用铜含量高的铝合金(铜含量＞0.5％)，但该合金在铸造时容易出现热裂纹，从而提高了铸造时对轧制棒的要求，这从经济角度看是关键的。另外，在高铜含量下，如果铜以适当的析出形式存在于组织中，会出现对点蚀或晶界腐蚀敏感化的危险。最后，在惰性气体钎焊时，可以使用带有中间包覆层的铝合金作为扩散阻挡层，使得可以将镁含量相对高的可冷时效硬化铝合金用作芯材。但是，带有扩散阻挡层的中间包覆层会带来额外的成本，所以同样不能实现换热器的经济生产。

通过钎焊上述铝合金组件来制造换热器是已知的，例如由US专利说明书US 4214925。

因此，由上述的现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种换热器用可冷时效硬化的铝合金、一种制造换热器用铝带的方法以及相应的铝带或铝薄板，它们在钎焊后的自然时效之后具有高的强度值。

按照本发明的第一种教导，通过具有下列合金成分的所述铝合金解决了铝合金的上述目的，其中以重量％计：

Si≤0.7％，

0.1％≤Mg≤1％，

Fe≤0.3％，

0.08％≤Cu≤0.2％，

Ti≤0.2％，

Mn≤0.1％，

Cr≤0.1％，

Zn≤0.1％，

不可避免的伴随元素每种最多0.1％，总量最多0.15％，余量为铝。

出乎意料的是，由含有上述合金份额的铝合金构成的换热器在钎焊后并在室温下自然时效之后具有机动车使用所需要的强度，特别是屈服点RP_0.2，而不需要进一步热处理。其原因是，根据本发明Si和Mg含量的组合在本发明的铝合金中形成细分布的Mg₂Si型析出物，并且由于室温下的自然时效导致了强度提高。通过以要求的范围0.08重量％至0.2重量％添加铜可以进一步提高自然时效引起的强度提高。

通过限定Fe含量最多为0.3重量％，可以保证Si在铝合金中以溶解状态存在。另外，最多0.2重量％的低Cu含量，一方面可以确保提高自然时效时的强度增加，另一方面Cu含量的这个限制可以降低铝合金对钎焊后冷却速率的敏感性。同样为了限制铝合金的强度对钎焊后冷却速率的依赖性，Mn含量必须限制为最多0.1重量％。相反，最多0.1重量％的Cr含量会提高本发明铝合金的强度和耐腐蚀性。另外，最多0.2重量％的Ti含量对本发明铝合金抗腐蚀性有积极影响，原因是合金元素Ti有助于铝合金组织的晶粒细化，从而使得腐蚀作用均匀化。为了避免锌对本发明铝合金腐蚀的负面作用，必须限制Zn含量最多为0.1重量％。

根据第一个优选实施方案，通过包含Si、Mg和Cu作为主要合金元素的铝合金，通过钎焊后的自然时效可以进一步提高本发明铝合金的强度。

为了避免待钎焊换热器组件在钎焊时的软化，如果铝合金的固相线温度不低于610℃，对于进行完善的钎焊过程是有利的，因为钎焊通常在最高600℃进行。本发明实现这一点的办法是，使得Si、Mg和Cu的合金份额的总和不超过1.2重量％。这时的合金元素通常可以降低固相线温度，其中Si降低铝合金固相线温度的系数是Mg的1.2倍，Mg有效降低固相线温度的系数是Cu的3.5倍。

这不适用于合金元素Ti，所以通过使铝合金含有合金元素Ti来提高本发明铝合金的固相线温度。

如果用尽所要求的合金的对镁的上限，则优选通过真空钎焊对由这种合金制造的换热器进行钎焊。在有限的程度上也可以利用使用含铯焊剂的惰性气体钎焊。通过使镁的合金份额不超过0.8重量％，可以特别简化使用含铯焊剂时的惰性气体钎焊。

此外，最多为0.3重量％的低Mg含量时，本发明的铝合金非常适合于使用无腐蚀性焊剂的惰性气体钎焊，原因是与焊剂的反应程度有限，并可以免于使用更昂贵的含铯焊剂。

本发明铝合金的一个特别优选的实施方案是，加工和钎焊后并在室温下自然时效约30天后得到的铝合金具有特别高的强度值。这种材料特性使得制造工艺特别便宜，因为作为运输过程一部分的自然时效已确保了极好的强度从而不需要采取其它措施。

根据本发明的第二种教导，通过以下方法解决了本发明上述的目标：

-由本发明的铝合金按照常规的棒材铸造方法铸造轧制棒，

-轧制棒在500-600℃均匀化多于6小时，特别是多于12小时，在至少400℃，优选450℃进行热轧制成带材，其中热轧的最终温度是至少300℃，

-将热轧的带材冷轧至最终厚度，接着在至少300℃，优选350℃进行软化退火。

对通过常规的棒材铸造方法铸造的轧制棒在500-600℃进行均匀化多于6小时，特别是多于12小时，可以使得扩散缓慢的元素如锰和铬在熔体冷却时以细微分散的方式析出。通过在至少400℃热轧使得热带材产生对于可形变性和抗腐蚀性优化的结构，其中热轧的最终轧制温度必须至少为300℃，以便一方面使得轧制棒具有足够的可形变性，另一方面获得在热轧时形成优化的组织。该情形中，热轧带材的最终厚度可以低于例如9mm。为了促进按照本发明方法制造的带材形成换热器的预制组件如换热片、管或分布器，随后对通过冷轧得到的最终厚度最大2mm的带材在至少300℃，优选350℃进行软化退火。

将铝合金的合金组成与上述工艺特征相组合，可以基于常规的合金元素(Mg、Si、Cu)制造出在惰性气体钎焊和在室温下自然时效30天后屈服点RP_0.2≥65Mpa的换热器，从而可以很好地适应机动车的巨大负荷。另外，使用不采用含铯焊剂的惰性气体钎焊来制造换热器，从而使得经济的制造成为可能。

如果热轧和/或冷轧在单机座或多机座轧机上可逆或单向地进行，本发明的方法可以用常规的装置和设备以较少的轧制来进行。

通过在均匀化后用铝钎料包覆轧制棒，可以在换热器的钎焊过程中获得特别高的工艺安全性。由该轧制棒制成的铝带具有均匀的铝钎料层，它在钎焊时可以在例如换热器的换热片、管和分布器之间形成特别均匀的钎焊接头。如果仅仅在本发明铝带的一侧包覆铝钎料，可以在另一侧包覆或者涂覆一层例如起到腐蚀防护作用的合金。

优选使用硅含量为6至13重量％的铝合金作为铝钎料，特别是AlSi7或者AlSi10合金，相对于非氧化气氛中残留在待钎焊的换热器组件上的氧化物层，上述合金在惰性气体钎焊时对于铝钎料具有特别好的润湿性能。

最后，根据本发明的第三种教导，通过用本发明方法制造的换热器用铝带或铝薄板，解决了上述的目标。如前所述，用本发明方法制造的铝带或铝薄板在钎焊后的时效硬化后具有提高的强度值，特别是屈服点，因此可以进一步减小换热器的壁厚。此外，可以不采用含铯的焊剂而使用非腐蚀性焊剂的惰性气体钎焊来制造换热器。

铝带或铝薄板的厚度优选最多2mm，特别优选最多1mm。由于其强度高于常规的材料，使用本发明的铝带时可以进一步减小带材厚度，所以在制造换热器时可以节省材料，并进一步降低换热器的重量。在这种情况下，由于铝合金的强度更高，即使在较高的操作压力也不会损害换热器的操作安全性。

目前存在许多可能用于对根据本发明第一种教导的换热器用可冷时效硬化的铝合金、根据本发明第二种教导的制造换热器用可冷时效硬化铝带的方法以及根据本发明第三种教导的制造换热器用的本发明的铝带或薄铝板进行配置和进一步的发展。为此，例如一方面可参见从属于权利要求1、5、和9的权利要求，另一方面可参见说明书以及附图对涉及一个根据本发明第二种教导的制造换热器用可冷时效硬化铝带的方法的实施方案的说明。

附图中，惟一的图是表示了实现根据本发明第二种教导的制造换热器用可冷时效硬化铝带的方法的典型实施方案的加工途径的示意图。

在该唯一的附图所表示的加工途径中，包括在第一个步骤由铝合金铸造棒铸件1。在这种情况下，以重量％计，该典型实施方案的铝合金具有以下合金成分：

0.60％≤Si≤0.7％，

0.12％≤Fe≤0.3％，

0.08％≤Cu≤0.20％，

0.04％≤Mn≤0.08％，

0.12％≤Mg≤0.30％，

Cr＜0.05％，

Zn＜0.05％，

0.08％≤Ti≤0.20％，

B＜50ppm，

不可避免的伴随元素最多0.03％，总量最多0.1％，余量为铝。

最多50ppm的低硼含量可以提高铝合金的可循环使用能力。然后在均匀化阶段2中使用DC方法对由上述铝合金铸造的轧制棒进行均匀化。在575℃温度下进行均匀化多于6小时，特别是多于12小时，得到了特别好的轧制棒均匀化的结果。轧制棒在进行均匀化后，在一个串列式机座3a上热轧至例如7mm的厚度，例如，其中特别是要保持热轧的最终温度必须在300℃以上，优选330℃以上，以保证热轧期间形成最佳的组织。但是，作为选择方案，也可以在一个可逆式机座3上进行热轧，并缠绕在一个未示出的卷轴上，而不用在串列式机座3a上进行热轧。在单机座或多机座的轧机4上接着冷轧到最终厚度约1mm。与热轧类似，冷轧同样可以选择性地以可逆式机座在一个可逆机架上进行。通过最后在间歇式炉5中于约350℃下进行软化退火，将铝带转变成强度尽可能低且延伸性高的状态，以便在随后制造换热器元件时降低变形加工的难度。

作为本发明换热器用带材制造方法的上述实施方案的选择性替代方案，在均匀化步骤2进行均匀化之后，可以用铝钎料包覆轧制棒，例如包覆AlSi7或者AlSi10合金，以避免随后在钎焊由本发明的带材制造的换热器前涂覆铝焊料。为此，必须将轧制棒在热轧之前先加热到至少400℃，优选450℃的初始轧制温度。钎焊由本发明铝带或铝薄板制成的换热器时，尤其当使用惰性气体钎焊时，可以在最高为600℃的温度下无需使用含铯焊剂，从600℃至200℃的典型冷却速度为每分钟30℃，钎焊后在室温下自然时效的30天，可以获得特别高的换热器强度值，特别是屈服点RP_0.2≥65Mpa。由200℃到室温的冷却不必精确限定。

Claims (13)

1.换热器用可冷时效硬化的铝合金，其特征在于，以重量％计，该铝合金包含以下合金成分：

Si≤0.7％，

0.1％≤Mg≤1％，

Fe≤0.3％，

0.08％≤Cu≤0.2％，

Ti≤0.2％，

Mn≤0.1％，

Cr≤0.1％，

Zn≤0.1％，

不可避免的伴随元素每种最多0.1％，总量最多0.15％，余量为铝。

2.权利要求1所述的可冷时效硬化的铝合金，其特征在于，该铝合金包含Si、Mg和Cu作为主要合金化元素。

3.权利要求1或2所述的可冷时效硬化的铝合金，其特征在于，Si、Mg和Cu的合金份额的总量不超过1.2重量％。

4.权利要求1-3任何一个所述的铝合金，其特征在于，该铝合金包含Ti作为合金成分。

5.权利要求1-4任何一个所述的铝合金，其特征在于，Mg的合金份额不超过0.8重量％。

6.权利要求1-4任何一个所述的铝合金，其特征在于，Mg的合金份额不超过0.3重量％。

7.权利要求1-6任何一个所述的铝合金，其特征在于，在加工和钎焊后并自然时效约30天后，该铝合金具有特别高的强度值。

8.由权利要求1-7任何一个所述的铝合金制造换热器用可冷时效硬化铝带的方法，其特征在于，

-按照常规的棒材铸造方法铸造轧制棒，

-轧制棒在500-600℃均匀化多于6小时，特别是多于12小时，

-将轧制棒在至少400℃，优选450℃热轧成带材，其中热轧期间的最终温度为至少300℃，

-将热轧的带材冷轧至最终厚度，接着在至少300℃，优选350℃进行软化退火。

9.权利要求8所述的方法，其特征在于，热轧和/冷轧在单机座或多机座轧机上可逆或单向地进行。

10.权利要求8和9所述的方法，其特征在于，均匀化后用铝钎料包覆轧制棒。

11.权利要求10所述的方法，其特征在于，使用硅含量为6至13重量％的铝合金作为铝钎料，特别是AlSi7或者AlSi10合金。

12.制造换热器用的铝带或铝薄板，其由权利要求1-7任何一个所述的铝合金组成，特别是用权利要求8-11任何一个所述的方法制成。

13.权利要求12所述的铝带或铝薄板，其特征在于，该铝带或铝薄板的厚度为最多2mm，优选1mm。