CN101186986A - 一种高强度热交换器用铝锰合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强度热交换器用铝锰合金及其制造方法，成分含量Si≤0.5wt％，Fe≤0.7wt％，Cu 0.1～0.3wt％，Mn 1.0～1.6wt％，Mg 0.3～0.7wt％，Zn 0.05～ 0.3wt％，Cr 0.05～0.15wt％。制备该合金的方法：在工业纯铝锭熔体中，在不同温度阶段添加Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn等元素，对熔体净化处理后，控制冷却速度，铸造获得具有大尺寸铸态晶粒的Al－Mn系合金锭；经均匀化处理后在470～510℃进行热轧，再分别经过300～430℃中间退火1～3h，进行冷粗轧和冷精轧，变形量30～70％，获得成品，经成品退火得到O处理态和H24处理态的使用状态。该Al－Mn合金具有优良的抗拉强度、屈服强度、延伸率和抗下垂性能等特性，生产成本低，是热交换器部件的理想生产材料。

Description

一种高强度热交换器用铝锰合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及铝合金，尤其涉及一种高强度热交换器用铝锰合金及其制造方法，属于有色金属技术领域。

背景技术

铝及其合金由于具有密度小、耐腐蚀、弹性好、比强度和比刚度高、抗冲击性能好、易表面着色、良好的加工成形性，以及易再回收等一系列优良特性，成为汽车轻量化最理想的材料。汽车热交换系统(水箱散热器、蒸发器、冷凝器、中冷器、暖风器、机冷器)轻量化是汽车轻量化的一个重点领域。自20世纪70年代以来，欧洲中高档轿车热交换系统的重量减少已超过50％，接近5～7kg，整车重量减少超过1％，燃油节省达0.1L/100km，节能效果明显。铝制散热器的重量比传统的铜合金散热器轻37～45％，热交换率高12％，并且强度、耐腐蚀、钎焊等性能均能满足使用要求，而且成本大大降低，已经取代铜合金而成为轿车散热器的主要材料。

随着汽车工业及其他热交换器行业的蓬勃发展与汽车保有量的上升，以及汽车铝化率的不断提高，汽车空调、散热器等热交换器用铝合金(复合)箔的用量也在增加。2005年国内市场需求量达40000t，预计2010年我国全年汽车用铝合金(复合)箔用量将突破70000t，由此可见，铝合金(复合)箔产品的发展前景非常看好。

汽车热交换器使用过程中要经受非常苛刻的道路环境影响、反复的热循环和使用周期中产生的振动，因此要求铝合金具有良好的强度、钎焊性、散热性、耐蚀性，以及良好的抗下垂性能和优异的加工性能。变形Al-Mn系合金属热处理不可强化的铝合金，其突出特点是耐蚀、导电、导热性能好，且具有良好的反射性、非磁性、优良的焊接性能和加工性等，被广泛地应用于包装材料、热交换材料、感光材料、装饰材料、焊接材料等各方面。

目前，国外加工企业(如Corus、Sapa等)主要选择3003、3005、3103、3533等铝锰系合金作为热交换器用铝合金(复合)箔的主要材料，产品多样化、综合性能良好，可满足各种使用条件要求。由于新合金材料研发力量较薄弱以及设备和工艺的限制，国内目前主要还只是选用3003合金作为热交换器用铝合金，产品质量与国外相比有很大差距，在强度、耐蚀性、抗下垂性能等方面，还不能很好的满足使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度热交换器用铝锰合金及其制造方法，旨在有效解决国内现有Al-Mn合金材料强度较低、性能不稳定等综合性能不能满足使用要求等问题，尤其是抗拉强度、抗下垂性偏低的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种高强度热交换器用铝锰合金，其特征在于：其成分的质量百分含量如下——

Fe                ≤0.7wt％，

Si                ≤0.5wt％，

Mn                1.0～1.6wt％，

Cu                0.1～0.3wt％，

Mg                0.3～0.7wt％，

Zn                0.05～0.3wt％，

Cr                0.05～0.15wt％，

该合金其余组分为Al和不可避免的杂质。

进一步地，上述的一种高强度热交换器用铝锰合金，其特征在于：所述铝锰合金还含有Zr、Ti元素中的至少一种，且总含量小于0.02wt％。所述铝锰合金在O状态下的抗拉强度为135MPa以上、屈服强度37MPa以上、延伸率17％以上；在H24状态下的抗拉强度为180MPa以上、屈服强度147MPa以上、延伸率7％以上；在600℃左右的钎焊温度下，下垂值小于5mm。

更进一步地，一种高强度热交换器用铝锰合金的方法，其特征在于：包括以下步骤——

①首先将主原料熔化，在710～770℃温度范围内加入辅原料，熔体净化后采用铜模铸造，在铜模中一次短时冷却，再在空气中二次缓冷，铸态晶粒具有较大尺寸，在制造过程中控制成分含量Si≤0.5wt％，Fe≤0.7wt％，Cu 0.1～0.3wt％，Mn 1.0～1.6wt％，Mg 0.3～0.7wt％，Zn 0.05～0.3wt％，Cr 0.05～0.15wt％，其余组分为Al和不可避免的杂质；

②将得到的铸坯均匀化处理后在470～510℃的加热温度进行热轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率，其总压下量85％以上；

③将热轧带材进行300～430℃的中间退火1～3h后进行冷粗轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率以及板型平整度，其总压下量70％以上；

④将冷粗轧带材进行350～430℃的中间退火1～3h后进行冷精轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率以及板型平整度，其总压下量为30～70％；

⑤将冷精轧带材分别进行370～430℃和250～290℃的成品退火，获得O态和H24态的使用状态产品。

再进一步地，上述的一种高强度热交换器用铝锰合金的制造方法，所述的主原料为工业纯铝，辅原料为铝锰中间合金、铝铜中间合金、铝硅中间合金、工业纯锌、工业纯镁、铝铬中间合金和铁剂。步骤①中，铸态晶粒的尺寸为1～5mm。在步骤②热轧加工过程中板材的晶粒被拉长，沿轧制方向成长条状组织。在步骤③冷粗轧和步骤④冷精轧前将带材进行不同温度的退火，冷精轧板的组织成细长条状且沿轧制方向分布。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明选择最佳的Fe、Si、Mn、Mg、Cu、Zn、Cr的组分含量，通过合金元素、组织的控制，显著提高合金的强度和耐腐蚀性能；Mg元素的加入可明显提高合金的强度，改善合金可焊性和抗蚀性，同时加入Zn元素可明显补充强化；

②以合适的铸坯熔炼和冷却条件、铸坯的轧制加工条件和热处理条件等先进的工艺手段进行生产制造，合金价格相对较低，生产效率高；

③制造的成品在O状态下的抗拉强度为135MPa以上、屈服强度37MPa以上、延伸率17％以上；在H24状态下的抗拉强度为180MPa以上、屈服强度147MPa以上、延伸率7％以上；在600℃左右的钎焊温度下，下垂值小于5mm，能很好地满足热交换器对材料性能的诸多要求；

④本发明高强度热交换器用铝锰合金还具有优良的热加工性，有利于生产制造，是生产热交换器部件的理想材料。

具体实施方式

为满足热交换器部件用材料所要求的种种特性，本发明提供一种高强度热交换器用铝锰合金及其制造方法，选择最佳的Fe、Si、Mn、Mg、Cu、Zn、Cr的组分含量，以合适的铸坯熔炼和冷却条件、铸坯的轧制加工条件和热处理条件等先进的工艺手段进行生产制造，制造获得的Al-Mn合金其抗拉强度、延伸率、抗下垂性等特性均能较好地满足热交换器对材料性能的诸多要求。

高强度热交换器用铝锰合金，该铝锰合金的成分含量为：Si≤0.5wt％，Fe≤0.7wt％，Cu 0.1～0.3wt％，Mn 1.0～1.6wt％，Mg 0.3～0.7wt％，Zn 0.05～0.3wt％，Cr 0.05～0.15wt％，合金中还含有Zr、Ti元素中的至少一种，且总含量小于0.02wt％；该铝锰合金在O状态下的抗拉强度为135MPa以上、屈服强度37MPa以上、延伸率17％以上；在H24状态下的抗拉强度为180MPa以上、屈服强度147MPa以上、延伸率7％以上；在600℃左右的钎焊温度下，下垂值小于5mm。

本发明铝锰合金的各成分：

加入微量的Cr阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性，还可以抵消Cu对抗蚀性的不利影响。

Mg元素的加入可明显提高合金的强度，改善合金可焊性和抗蚀性。Zn单独加入铝中，在变形条件下对合金强度的提高十分有限，同时存在应力腐蚀开裂倾向，在铝中同时加入Zn和Mg，对合金产生明显的强化作用。

Fe、Si是合金中的主要杂质元素，Fe、Si的加入会降低Mn的溶解度，使MnAl₆转变成(FeMn)A1₆、Al(FeMn)Si，降低铝合金的耐蚀性；Fe、Si元素含量对合金相和显微组织有很大影响，对Mn的析出动力学也有显著影响，因此必须严格控制Fe、Si含量。

高强度热交换器用铝锰合金的制造工艺：①首先将工业纯铝锭在710～770℃熔化，加入铝锰中间合金、铝铜中间合金、铝硅中间合金、工业纯锌、工业纯镁、铝铬中间合金和铁剂等，熔融净化后进行浇铸，利用铸模进行一次冷却后在空气中缓冷，控制成分含量：Si≤0.5wt％，Fe≤0.7wt％，Cu 0.1～0.3wt％，Mn 1.0～1.6wt％，Mg 0.3～0.7wt％，Zn 0.05～0.3wt％，Cr 0.05～0.15wt％；②将得到的铸坯均匀化处理后在470～510℃的加热温度进行热轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率，其总压下量达到85％以上；③将热轧带材进行300～430℃的中间退火1～3h后进行冷粗轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率，以及板型平整度，其总压下量达到70％以上；④将冷粗轧带材进行350～430℃的中间退火1～3h后进行冷精轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率，以及板型平整度，其总压下量为30～70％；⑤将冷精轧带材分别进行370～430℃和250～290℃的成品退火后获得O态和H24态的使用状态产品。

本发明的制造工艺中：合金原料为工业纯铝、铝锰中间合金、铝铜中间合金、铝硅中间合金、工业纯锌、工业纯镁、铝铬中间合金和铁剂，采用电阻炉熔炼。值得注意的是，熔炼过程中需控制添加Mg、Zn时的熔体温度和合金化时间，以减少Mg、Zn的烧损，合金化完成后需净化处理再浇铸。

熔化铸造后，进行热轧加工。热轧加工前，铸锭需进行均匀化处理和铣面。热轧时，加热温度应在470～510℃的范围，如果温度超过上限温度，将会发生过热，并引发热轧开裂，降低生产效率。在470～510℃的温度范围内进行热轧加工时，微小偏析及铸造组织将会消失，在本发明的Fe、Si、Mg、Zn、Cu等元素含量范围内，能得到组织均匀的轧制带材，更理想的热轧加工温度为490℃左右。热轧加工总压下量达到85％以上，以保证后续加工的进行和优越产品性能的获得。

热轧加工后，将热轧带材进行300～430℃的中间退火1～3h后进行冷粗轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率，以及板型平整度，其总压下量达到70％以上。

将冷粗轧带材进行350～430℃的中间退火1～3h后进行冷精轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率，以及板型平整度，根据需要，其总压下量为30～70％。冷轧加工率不满30％或大于70％时，合金的强度和抗下垂性能较差，不能达到使用要求，因此理想的加工率在30～70％范围内。

所得到的冷精轧材料再分别进行370～430℃和250～290℃的成品退火后获得O态和H24态的使用状态产品。该铝锰合金在O状态下的抗拉强度为135MPa以上、屈服强度37MPa以上、延伸率17％以上；在H24状态下的抗拉强度为180MPa以上、屈服强度147MPa以上、延伸率7％以上；在600℃左右的钎焊温度下，下垂值小于5mm。

实施例：

按照本发明，所熔炼合金的化学成分如表1所示。

                                                 表1

实施例	主要合金成分(wt％)
									Fe	Si	Mn	Cu	Zn	Mg	Cr	其他元素
	1	0.2	0.5	1.1	0.2	0.2	0.3	0.1									＜0.02
2									0.7	0.4	1.0	0.3	0.2	0.45	0.05	＜0.01
	3	0.15	0.3	1.2	0.1	0.05	0.55	0.1									＜0.03
4									0.12	0.3	1.25	0.13	0.2	0.5	0.15	＜0.02
	5	0.12	0.25	1.6	0.15	0.3	0.7	0.1									＜0.01

在合金的熔炼过程中，各个元素均有不同程度的烧损，其烧损率Mg：3～10％，Zn：5～12％，Mn：1～5％，Cr：0～3％，Cu：1～7％，各个元素的烧损要在配料的过程中给予补足。熔炼开始时先加入工业纯铝，开始加热，待其熔化后先加入铝硅中间合金、铁剂、铝铬中间合金、铝锰中间合金、铝铜中间合金，保温10～30min；之后加入锌和镁，待其熔化后保温3～5min；全熔后保温10min进行熔体净化处理，处理结束后保温5min浇铸；使用铜模铸造50×160×400mm的铸坯，利用铸模进行一次冷却后在空气中缓冷。其后，各铸坯均匀化处理铣面后在470～510℃的温度范围内加热后，经热轧使其厚度为5mm，从边缘的裂纹来评价热轧加工性。然后经300～430℃的中间退火1～3h后进行冷粗轧和冷精轧，使其最终厚度为0.3mm，最后进行成品退火，获得O态和H24态产品。

从以上所得到的带材上剪取试验片，进行抗拉强度、屈服强度、延伸率、抗下垂性能的测定，其中强度、延伸率指标按照国标GB/T228-2002测定，抗下垂性能参照日本低温焊接委员会的抗下垂性试验方法进行。以上所得到的结果记录于表2中。

                          表2

实施例	状态	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	延伸率(％)	下垂值(mm)
						1	O	140	39	19	4.3
H24	207	170	8	4.7
					2		O	137	38	17	4.2
H24	186	147	7	4.4
						3	O	135	37	20	4.3
H24	200	162	7	4.3
					4		O	157	45	18	4.1
H24	210	182	7	2.9

显然，此Al-Mn合金具有优良的抗拉强度、延伸率和抗下垂性能等特性，且具有良好的热加工性，有利于生产制造，是生产热交换器部件的理想材料。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高强度热交换器用铝锰合金，其特征在于：其成分的质量百分含量如下——

Fe             ≤0.7wt％，

Si             ≤0.5wt％，

Mn             1.0～1.6wt％，

Cu             0.1～0.3wt％，

Mg             0.3～0.7wt％，

Zn             0.05～0.3wt％，

Cr             0.05～0.15wt％，

该合金其余组分为Al和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高强度热交换器用铝锰合金，其特征在于：所述铝锰合金还含有Zr、Ti元素中的至少一种，且总含量小于0.02wt％。

3.根据权利要求1所述的一种高强度热交换器用铝锰合金，其特征在于：所述铝锰合金在O状态下的抗拉强度为135MPa以上、屈服强度37MPa以上、延伸率17％以上；在H24状态下的抗拉强度为180MPa以上、屈服强度147MPa以上、延伸率7％以上；在600℃左右的钎焊温度下，下垂值小于5mm。

4.制造权利要求1所述的一种高强度热交换器用铝锰合金的方法，其特征在于：包括以下步骤——

①首先将主原料熔化，在710～770℃温度范围内加入辅原料，熔体净化后采用铜模铸造，在铜模中一次短时冷却，再在空气中二次缓冷，在制造过程中控制成分含量Si≤0.5wt％，Fe≤0.7wt％，Cu 0.1～0.3wt％，Mn1.0～1.6wt％，Mg 0.3～0.7wt％，Zn 0.05～0.3wt％，Cr 0.05～0.15wt％，其余组分为Al和不可避免的杂质；

②将得到的铸坯均匀化处理后在470～510℃的加热温度进行热轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率，其总压下量85％以上；

③将热轧带材进行300～430℃的中间退火1～3h后进行冷粗轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率以及板型平整度，其总压下量70％以上；

④将冷粗轧带材进行350～430℃的中间退火1～3h后进行冷精轧，在制造过程中控制道次变形量和总的加工率以及板型平整度，其总压下量为30～70％；

⑤将冷精轧带材分别进行370～430℃和250～290℃的成品退火，获得O态和H24态的使用状态产品。

5.根据权利要求4所述的一种高强度热交换器用铝锰合金的制造方法，其特征在于：所述的主原料为工业纯铝，辅原料为铝锰中间合金、铝铜中间合金、铝硅中间合金、工业纯锌、工业纯镁、铝铬中间合金和铁剂。

6.根据权利要求4所述的一种高强度热交换器用铝锰合金的制造方法，其特征在于：步骤①中，铸态晶粒的尺寸为1～5mm。