CN102534319A

CN102534319A - 汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料及制备方法

Info

Publication number: CN102534319A
Application number: CN2012100026958A
Authority: CN
Inventors: 郭飞跃; 王立新; 卢超
Original assignee: DONGYANG GUANGJING FOIL Co Ltd RUYUAN
Current assignee: Ruyuan East Sunshine Ai Xijie fine foil Co., Ltd.
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-05
Also published as: CN102534319B

Abstract

本发明涉及一种汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料及其制备方法，铝合金复合材料是由外层、内层、芯层合金复合而成，而所述外层合金各组份的质量百分比为：硅6.8-8.2％，铁≤0.4％，铜≤0.25％，镁≤0.05％，锰≤0.05％，锌0.7-1.3％，钛≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。本发明汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料及其制备方法能制得厚度更薄、耐腐蚀性能更优良、强度更高、成型性能良好的层叠式换热器铝合金复合材料成品。

Description

汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种换热器用合金制品，更具体地说，本发明涉及一种汽车空调层叠式换热器用合金及制备方法。

背景技术

空调系统及其换热用的蒸发器利用液态制冷剂(或称冷媒)在低温低压下易蒸发为蒸气、同时吸收被冷却介质热量的特性，达到制冷目的；汽车空调系统对于起换热作用的蒸发器的体积、效率和稳定性要求更高，进而逐步发展出层叠式蒸发器，成为汽车新型空调系统的重要组成部分。

层叠式蒸发器散热片表面带许多“泡泡”，是由芯层及表面带低熔点钎焊层的内、外层即通常三层铝合金带材模压而成。现有三层铝合金带材的内、外两层通常为传统的4XXX牌号的合金，其作为钎焊连接的表面平台，熔点较低(通常只有577-600℃左右)会先熔化；芯层通常采用传统的3XXX牌号的合金，其作为“泡泡”及整个换热器的结构骨架和支撑，熔点较高(通常在660℃左右)，钎焊时不会熔化。传统层叠式蒸发换热器的散热片通常分别采用外层4343合金、芯层3003合金、内层4343合金的三层复合材料(以下简称4343/3003/4343)。

两片散热片以内层一侧“泡泡”对“泡泡”堆叠起来，在600℃左右钎焊时，“泡泡”堆叠表面的钎焊层熔化后相连在一起形成密集有序的制冷剂通道，从而有效地增大了换热面积，大大提高蒸发器的制冷能力；两块散热片的外层端头区域则直接连接在一起构成制冷剂入口和出口通道，外层其它大部分区域则与不带钎焊层的翅片波浪带组装在一起构成风道表面。通常，在散热片内层流动的制冷剂不具备腐蚀性，而散热片外层的广大风道区域则受到汽车吸入的环境气流长期冲刷，传统层叠式蒸发器散热片缺点在于：只适应制造厚度0.44-0.50mm范围的散热片，以致换热器体积较大；受汽车所处复杂外部气候等条件影响，在蒸发器两块散热片连接的外层端头区域，容易优先发生腐蚀穿孔，出现泄漏。因此在提高散热片芯材强度和加工性能的同时，解决散热片外层的耐腐蚀性能是提高层叠蒸发器整体耐腐蚀性和使用寿命的关键。

近年来，随着汽车产业不断向轻量化、低排放、燃油经济性的方向发展，对汽车空调层叠式蒸发器进一步小型轻量化的要求也日益增长，为此，也要求有一种厚度更薄、强度更高、耐腐蚀性能更为优良的层叠式换热器用复合材料；如何增加层叠式蒸发器单位体积换热效率同时，进一步提高散热片耐腐蚀性能、以及机械和加工性能一直是行业公认的难题。

发明内容

针对现有技术的上述缺点，本发明的目的是要提供一种汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料及制备方法，其具有如下优点：该层叠式换热器铝合金复合材料能制得厚度更薄、耐腐蚀性能更优良、强度更高、成型性能良好的成品。

为此，本发明的技术解决方案之一是一种汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料，是由外层、内层、芯层合金复合而成，而所述外层合金各组份的质量百分比为：硅6.8-8.2％，铁≤0.4％，铜≤0.25％，镁≤0.05％，锰≤0.05％，锌0.7-1.3％，钛≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。

考虑到汽车空调层叠式蒸发器与翅片波浪带连接在一起的散热片外层所处的严苛工作环境，腐蚀难以完全避免的实际情况，但为防止腐蚀优先纵深进入芯层、提高蒸发器整体的耐腐蚀性能，更有效地发挥外层的表面牺牲阳极作用、延缓腐蚀向纵深发展危及芯层，从而更好地保护芯层合金，使芯层能够更为持久负起强度支撑和散热作用，提高蒸发器的整体工作寿命；本发明铝合金复合材料创造性地在外层合金中控制Zn含量为0.7-1.3％；若Zn含量降到0.7％以下，外层电位下降不大，导致外层钎焊层与芯层电位相差不大，形成的原电池反应过弱，不能起到有效的牺牲阳极保护芯层作用；若Zn含量超出1.3％，外层电位下降过大，导致外层钎焊层与芯层电位相差过大，形成的原电池反应过强，外层钎焊层将很快被腐蚀掉，也不能起到充分的保护芯层防腐作用。

外层合金中控制Mg含量为≤0.05％；若Mg含量超出0.05％，由于Mg在高温时容易蒸发出来，在气体保护焊时与钎剂发生化学反应，对钎焊造成不良影响。

由本发明实施例实测数据证明：本发明外层合金中组份配方为本发明芯层乃至铝合金复合材料整体的耐腐蚀性能、力学性能提高都起到了基础性的支撑作用，也促进了本发明铝合金复合材料的减薄化，并保持其良好的机械加工性能。

为配合外层合金的组份改进，进一步提高本发明复合材料的耐腐蚀性、更好强度、良好加工性能等多种性能，本发明复合材料还包括对于芯层组份的如下改进：

所述芯层合金各组份的质量百分比为：硅≤0.5％，铁≤0.5％，铜0.3-0.7％，钛0.08-0.25％，镁≤0.05％，锰0.7-1.3％，锌≤0.1％，其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。

芯层合金中控制Cu含量为0.3-0.7％；Cu是提高铝合金强度最有效的元素之一，Cu在铝基体中固溶效果好，而且Cu与Al会形成均匀、弥散分布的CuAl₂强化相，从而显著提高铝合金强度；若Cu含量降到0.3％以下，则形成的CuAl₂强化相较少，不能显著地提高芯材强度；若Cu含量超出0.7％，则形成的CuAl₂强化相较多，芯材强度得到大幅度提高，但同时整体材料的塑性性能明显下降，导致最终成品冲压时可能会出现开裂等缺陷，而且，芯材自身的耐腐蚀性能也大大降低了。

芯层合金中控制Mg含量为≤0.05％；若Mg含量超出0.05％，由于Mg在高温时容易蒸发出来，在气体保护焊时与钎剂发生化学反应，对钎焊造成不良影响。

芯层合金中控制Mn含量为0.7-1.3％；Mn能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl₆化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl₆的另一作用是能溶解杂质Fe，形成(Fe，Mn)Al₆减小Fe的有害影响；若Mn含量降到0.7％以下，则形成的(Fe，Mn)Al₆、MnAl₆化合物弥散质点较少，不能对再结晶晶粒长大起到充分的阻碍作用，细化再结晶晶粒效果不明显；若Mn含量超出1.3％，则形成大量的(Fe，Mn)Al₆、MnAl₆化合物，对后续冷变形加工造成困难。

芯层合金中控制Ti含量为0.08-0.25％；Ti在铝基体中主要形成包晶，包晶中间Ti浓度高，包晶外部Ti浓度低。轧制时，形成层状结构，Ti呈层状分布，在有Ti的地方不容易被腐蚀，让腐蚀在横向进行，防止深向腐蚀；若Ti含量降到0.08％以下，则Ti在铝基体中形成的包晶较少，不能有效起到防腐作用；若Ti含量超出0.25％，会使TiAl₃质点快速聚集长大，并从铝液中沉淀出来，起不到非均质形核核心的作用，反而会使晶粒变粗，不利于最终成品的冲压成型。

为配合外层、芯层合金组份改进，进一步提高本发明复合材料的整体耐腐蚀性等多种整体性能，根据内层较为缓和的工作环境、且简化工艺参数的控制，本发明复合材料还包括对于内层组份的如下改进：

所述内层合金各组份的质量百分比为：硅6.8-8.2％，铁≤0.4％，铜≤0.25％，镁≤0.05％，锰≤0.05％，锌≤0.2％，钛≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。

由于内层表面接触的为基本无腐蚀性的冷媒，因此，合金中Zn含量不予严格控制。

内层合金中控制Mg含量为≤0.05％；若Mg含量超出0.05％，由于Mg在高温时容易蒸发出来，在气体保护焊时与钎剂发生化学反应，对钎焊造成不良影响。

为进一步提高本发明复合材料的耐腐蚀性等多种性能，优化外层及内层合金的组份控制，本发明复合材料还包括如下改进：

所述外层或内层合金中，铁0.05-0.4％，铜0.01-0.25％。

外层或内层合金中控制Fe含量为0.05-0.40％；若Fe含量超出0.40％，容易与Si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Fe、Si等元素，若Fe含量降到0.05％以下，则生产成本过高。

同时，外层或内层合金尽量利用适量Cu能形成均匀弥散CuAl₂相的强化作用，确保外层或内层铝合金达到较好强度和耐腐蚀性。

为进一步提高本发明复合材料的耐腐蚀性等多种性能，优化芯层合金的组份控制，本发明复合材料还包括如下改进：

所述芯层合金中，硅0.05-0.5％，铁0.05-0.5％。

芯层合金中控制Fe含量0.05-0.5％；若Fe含量超出0.5％，Fe会与Si、Al形成粗大的FeAl₃、β-AlFeSi相，一方面大大降低材料的塑性性能，导致最终成品冲压时可能会出现开裂等缺陷，另一方面还会降低芯层的耐腐蚀性能；由于铝合金使用的原材料99.7％普铝锭中不可避免存在Fe、Si等元素，若Fe含量降到0.05％以下，则生产成本过高。

芯层合金中控制Si含量0.05-0.5％；若Si含量超出0.5％，Si易与Fe、Al形成有害的β-AlFeSi相，一方面大大降低材料的塑性性能，导致最终成品冲压时可能会出现开裂等缺陷，另一方面还会降低芯层的耐腐蚀性能；由于铝合金使用的原材料99.7％普铝锭中不可避免存在Fe、Si等元素，若Si含量降到0.05％以下，则生产成本过高。

为进一步提高本发明复合材料的耐腐蚀性等多种性能，优化外层、内层、芯层合金的组份控制，本发明复合材料还包括如下改进：

所述内层、外层或芯层合金中，其它杂质元素单个质量百分比≤0.05％。

为结合生产实际地从层间复合结构方面提高本发明复合材料的各种性能，进一步发挥合金组份配方的改进效果，本发明复合材料还包括对于三层复合结构的如下改进：

所述外层、内层合金分别占所述复合材料成品总厚度的比例在8-15％范围。所述铝合金复合材料的成品厚度为0.25-0.43mm。

外层和内层合金分别占总厚度的比例按8-15％控制；在此比例范围内，三层复合材料的两侧钎料熔化后可以将冲压件、翅片波浪带连接成一个牢固的整体，既可以保证芯层厚度从而保证整体强度，也可以保证钎焊良好。高于此比例范围时，一方面会造成芯层厚度不足导致强度不足，同时可能钎料过剩，多余的钎料将造成翅片波浪带或其他局部熔蚀，从而降低蒸发器的整体耐腐蚀性能；低于此比例范围时，可能造成局部虚焊、漏焊等钎焊不良情况。

总而言之，芯层合金成分加铜是提高复合材料强度、减薄厚度最有效的办法之一。芯材合金成分加铜能有效提高芯材强度、减薄复合材料厚度；但由于铜的电极电位为正，在外层钎焊层没有任何保护的情况下，极易受气候环境影响形成纵向腐蚀导致散热片穿孔。即：芯材合金成分加铜虽然能有效提高芯材强度，但却会致使整体耐腐蚀性能相应下降。为解决此矛盾，本发明铝合金复合材料强化了外层的耐腐蚀性能，为采用铜提高芯材强度奠定了更牢固的基础，同时兼顾散热片内层适当的耐腐蚀性、机械性能，从而综合平衡地提高了层叠蒸发器整体耐腐蚀性能和机械加工等性能，本发明铝合金复合材料在减薄基础上，抗拉强度提高约13％，耐腐蚀期限增加约15％。

相应地，本发明的另一技术解决方案是一种如上所述汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

X1)按照所述外层、内层、芯层合金的组份配比，分别熔炼、精炼、搅拌除气、扒渣、铸造制得厚300-500mm的外层与内层板坯、300-400mm的芯层板坯；

X2)对外层与内层板坯进行锯头、铣面、热轧，制得厚45-55mm的板块，对芯层板坯进行锯头、均匀化处理、铣面；上述铣面控制铣削6-10mm/每面；

X3)清洗外层、内层板块和铣面后的芯层板坯，把所述外层、内层板块与芯层板坯按层次顺序捆绑，然后进行加热、热轧复合，制得3.0-6.0mm厚的复合带卷，经冷轧，制得0.25-0.43mm厚的复合带材；

X4)对所得复合带材清洗、退火，最后制得所述铝合金复合材料。

本发明的制备方法，在本发明特定原料组份配方的基础上，因地制宜地利用已有生产设备，制得厚度更薄、耐腐蚀性能更优良、强度更高、成型性能良好的层叠式换热器用铝合金复合材料成品，工艺简单，实施有效。

为进一步优化工艺条件，本发明的方法改进还包括：

所述步骤X2中的芯层板坯均匀化处理，控制温度为580-610℃，保温时间8-30hr(hr即时间单位“小时”的英文缩写-下同)；所述步骤X4还包括对所得铝合金复合材料进行宽度剪切、分条。

芯层板坯热轧复合前均匀化工艺控制在580-610℃温度范围、保温8-30hr；若均匀化温度低于580℃，铸态组织下的晶界非平衡相和粗大析出相无法完全消除，从面导致后续变形材料塑性差、性能不均匀、耐蚀性能差。若均匀化温度高于610℃，很容易发生板锭过烧问题，不利于加热控制。580-610℃均匀化，可以有效地改善材料铸态组织，消除铸态下晶界非平衡相和粗大析出相，提高了材料塑性和耐蚀性能，有利于后续加工变形。均匀化时间少于8hr，铸态下晶界非平衡相和粗大析出相不能充分溶解，均匀化时间超过30hr，增加生产成本。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明实施例1-5及本发明以外的比较例(采用目前市场上普遍的4343/3003/4343合金制得厚度0.44-0.50mm复合带材)部分组份配比参见表1，热轧工艺参数参见表2左边5列。

本发明实施例按照表1所示组份及说明书中配套组份配比分别得内层、外层、芯层的铝熔体，再通过半连续铸造法铸造制得内层、外层和芯层板坯，然后将用作钎焊层的内层、外层板坯铣面、加热、热轧切成板块制得外层板块、内层板块，将芯层板坯均匀化处理、铣面制得芯块，清洗外层、内层板块及芯块，然后用外层板块、内层板块把铣面后的芯块夹持于中间一起捆绑并进行加热、热轧、冷轧，制得复合带材，将复合带材清洗、退火和宽度分条，制得0.25-0.43mm厚的各种宽度的铝合金复合材料成品。

接着对本发明实施例及比较例的带状复合材料成品，按GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行制样、室温拉伸试验，测定抗拉强度和延伸率；并按ASTM G85《Standard Practice for Modified Salt Spray(Fog)Testing》进行无孔SWAAT试验，测定带状复合材料成品的耐蚀寿命。测定的结果示于表2右边3列。

表1

表2

从上表2可见，使用本发明的汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料可以在更薄的成品基础上，获得更优良的耐腐蚀性能(无孔腐蚀天数≥15天)，同时实现较高强度(抗拉强度≥135MPa)和良好塑性(延伸率≥26％)，可确保冲压成型得到整体强度和性能良好、体积更小的层叠式蒸发器等。

Claims

1.一种汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料，是由外层、内层、芯层合金复合而成，其特征在于：所述外层合金各组份的质量百分比为：硅6.8-8.2％，铁≤0.4％，铜≤0.25％，镁≤0.05％，锰≤0.05％，锌0.7-1.3％，钛≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。

2.如权利要求1所述的汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料，其特征在于：所述芯层合金各组份的质量百分比为：硅≤0.5％，铁≤0.5％，铜0.3-0.7％，钛0.08-0.25％，镁≤0.05％，锰0.7-1.3％，锌≤0.1％，其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。

3.如权利要求1所述的汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料，其特征在于：所述内层合金各组份的质量百分比为：硅6.8-8.2％，铁≤0.4％，铜≤0.25％，镁≤0.05％，锰≤0.05％，锌≤0.2％，钛≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。

4.如权利要求1或3所述的汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料，其特征在于：所述外层或内层合金中，铁0.05-0.4％，铜0.01-0.25％。

5.如权利要求2所述的汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料，其特征在于：所述芯层合金中，硅0.05-0.5％，铁0.05-0.5％。

6.如权利要求1-3之一所述的汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料，其特征在于：所述内层、外层或芯层合金中，其它杂质元素单个质量百分比≤0.05％。

7.如权利要求1-3之一所述的汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料，其特征在于：所述外层、内层合金分别占所述铝合金复合材料总厚度的8-15％。

8.如权利要求1-3之一所述的汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料，其特征在于：所述铝合金复合材料的成品厚度为0.25-0.43mm。

9.一种如权利要求1-8之一所述汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

X3)清洗外层、内层板块和芯层板坯，把所述板块与芯层板坯按层次顺序捆绑，然后进行加热、热轧复合，制得3.0-6.0mm厚的复合带卷，经冷轧制得0.25-0.43mm厚的复合带材；

X4)对所得复合带材进行清洗、退火，制得所述铝合金复合材料。

10.如权利要求9所述汽车空调层叠式换热器用铝合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤X2中的均匀化处理，控制温度为580-610℃，保温时间8-30hr；所述步骤X4还包括对所得铝合金复合材料进行宽度剪切、分条。