CN102548751A - 具有铝合金芯管的多层管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多层管，所述多层管包含：金属管，所述金属管具有内表面和外表面；第一聚合物层，所述第一聚合物层结合至所述外表面；并且优选包含第二聚合物层，所述第二聚合物层结合至所述内表面；其中，所述金属管由铝合金制成，所述铝合金以wt％计具有如下组成：Si 1.5-2.45；Fe 0.5-1.2；Mn 0.5-1.2；Cu 0.3-1；Mg 0.04-0.3；Ti ＜0.25；Zn ＜1.2；其他杂质或偶存元素，每种＜0.05，总共＜0.25；以及余量为铝。

Description

具有铝合金芯管的多层管
技术领域
本发明涉及一种多层管(multi-layer or multilayer tube)，该多层管包含：铝合金管，该铝合金管优选由弯成管形状的铝合金板制成，具有内表面和外表面；第一聚合物层，该第一聚合物层结合至所述外表面；以及任选的第二聚合物层，该第二聚合物层结合至所述内表面。此外，本发明还针对铝合金在多层管中的用途。
背景技术
在下文中将会明了的是，除非另作说明，铝合金牌号和状态代号(temper designations)是指由美国铝业协会(Aluminum Association)在2009年出版的“Aluminum Standards and Data and the RegistrationRecords”中的“Aluminum Association designations”，且易于被铝合金领域的技术人员所熟悉和理解。
除非另作说明，对于合金组成或优选合金组成的任何描述，所指的百分数均为重量百分数。
已经发现，由共挤出的聚合物材料组成的多层管(常常缩写为MLT)、尤其是用粘合剂结合至金属芯的聚乙烯管或聚丙烯管在建筑行业(例如用作卫生水管(sanitary pipes)、供热管(heating pipes)、配气管(gasdistribution pipes)等)和其他行业(如医药行业、化学行业和食品行业)中得到了广泛应用。与完全由塑料材料制成的管相比，具有铝合金芯层的多层管不透氧，并具有更高的强度和耐热性以及低的膨胀系数。这种多层管具有柔性，并且由于它们可被弯曲并可被就地切割成期望的长度，所以易于安装。多层管还优于仅由金属制成的管，这是因为塑料的内层和塑料外层改进了耐腐蚀性并充当了噪声屏障。多层管还减轻了重量，并具有更好的可成形性。
出于机械强度和长期性能的目的，这类多层管具有外部聚合物材料层、内部聚合物材料层和管形式的铝芯层。通常，内部聚合物材料层和外部聚合物材料层分别通过外部粘合层和内部粘合层结合至所述铝芯层。
在一般的供暖和卫生应用中的多层管最关键的性质之一是在升高的温度下、对恒定且持续的内压的抗压性。通常，通过根据ASTM-F1281、ASTM-F1282或DVGW-W542的标准化内压试验对这一性质进行测试，在该试验中，将多层管保持在30bar和95℃下直至该管损坏。由直至损坏的时间可以推知该管在例如建筑物的卫生水系统中所遇到的条件(即，20bar、温度为70℃)下的预期寿命。如果要使金属芯层保持尽可能细，对持续内压的抗压性高是尤其重要的；对于具有更大直径的管来说也是如此。
目前，在多层管中用作芯层的铝合金是AA3003和AA3005-系列铝合金。
AA3003-系列铝合金以wt％计具有如下化学组成：
Si    ＜0.6；
Fe    ＜0.7；
Cu    0.05-0.20；
Mn    1.0-1.5；
Zn    ＜0.10；
杂质，每种＜0.05，总共＜0.15；
余量的铝。
由于该铝合金相对廉价且具有足够的强度，所以此前已将其用于多层管。然而，它在持续压力试验下表现并不好。
专利文献WO-2008/057608-A1公开了铝合金产品和具有由所述铝合金制成的管壁的多层管，所述铝合金以wt％计含有：
Si       0.2-1.4；
Fe+Mn    1.1-1.8；
Cu       0.15-0.5；
Mg       ＜0.20；
Ti       ＜0.20；
Zn    ＜1.5；
其他杂质或偶存元素(incidental element)，每种＜0.05，总共＜0.2；以及
余量为铝。
当在ASTM-F1281蠕变试验中进行测试时，在95℃和30bar内压下测试100h后，与AA3003和AA8006-系列的合金相比，上述铝合金对持续压力的抗压性升高。
对下述多层管存在需求：具有铝合金芯，理想情况下在高温(elevatedtemperature)时具有进一步改进的蠕变性质、尤其是对恒定且持续的内压的抗压性。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层管，该多层管具有：铝合金管，该铝合金管具有内表面和外表面；以及第一聚合物层，该第一聚合物层结合至所述外表面；并且该多层管的蠕变性质得以改进。本发明的另一目的是提供一种多层管，该多层管具有：铝合金管，该铝合金管具有内表面和外表面；以及第一聚合物层，该第一聚合物层结合至所述外表面；并且该铝合金对持续内压的抗压性得以改进(与用于多层管中的常规铝合金相比)。
本发明达到或超过了这些目的和其他目的以及进一步的优点，本发明提供了一种多层管，所述多层管包含：金属管，该金属管具有内表面和外表面；以及第一聚合物层，该第一聚合物层结合至所述外表面；其中，所述金属管由铝合金制成，该铝合金以wt％计具有如下组成：
Si    1.5-2.45；
Fe    0.5-1.2；
Mn    0.5-1.2；
Cu    0.3-1；
Mg    0.04-0.3；
Ti    ＜0.25；
Zn    ＜1.2；
其他杂质或偶存元素，每种＜0.05，总共＜0.25；以及
余量为铝。
已经证明上述铝合金具有很好的抗蠕变性，因此对持续内压的抗压性显著升高。这一改进的性质使得该铝合金成为用作柔性多层管中的金属管的理想候选。
所述改进的性质被认为是经优化的合金化学(尤其是高的Si水平、同时添加Cu和Mg)的结果。
Si含量应在1.5％-2.45％的范围内。Si含量优选的下限为约1.7％、更优选约1.85％。Si水平过低会对铝合金焊接期间的热裂纹敏感性(hotcracking sensitivity)造成有害影响，尤其是在铝合金中的Fe水平相对高的情况。Si含量过高损害了焊接的可成形性和机械性能(尤其是O-回火中的延伸)。优选的上限为2.45％、更优选约2.25％。
添加的Cu是本发明铝合金的必要合金元素。已经证明，添加Mg的同时添加0.3％的Cu对抗蠕变性具有显著的效果。还发现Cu的添加对铝合金的可焊性具有积极效果。Cu含量的下限优选为0.4％、更优选0.55％。Cu含量过高会对机械性能造成有害影响，因此应将Cu含量限制到1％、优选限制到约0.9％。增高的Cu含量提供了增强的抗蠕变性，然而，Cu含量过高会对抗点蚀性能造成有害影响。
已经证明，将Cu与一些Mg组合添加对抗蠕变性具有显著的效果。应添加至少0.04％、更优选至少0.05％的Mg。应将Mg含量限制到0.3％、优选限制到约0.2％。
同时，优选保持相对高的Fe和Mn的总量，即至少1.4％；但不要过高，以避免铸造期间粗粒(coarse particles)发生预固化(pre-solidification)；所以，Fe和Mn的总量应被限制至2.3％。对于使用冷却速率相对低的铸造技术(例如DC铸造相比于带式铸造)制成管的情况，Fe和Mn含量的总和优选不超过1.95％，以避免形成粗的金属间化合物。基于具体应用对可成形性、耐腐蚀性和可焊性的要求，对确切的Fe和Mn含量进行调节。
在对合金坯料(alloy stock)进行铸造期间，尤其是出于晶粒细化的目的，可向合金产品中添加Ti。添加的Ti不应超过约0.25％。添加Ti的优选下限为0.01％。出于晶粒尺寸控制的目的，Ti可作为单一的元素添加，或是与作为铸造助剂的硼或碳一起添加。还可添加Ti以增强强度和耐腐蚀性，并且出于该目的，Ti优选以约0.06％-0.25％、更优选约0.07％-0.18％的量存在。
该铝合金可容忍显著水平的Zn而不会对本发明所发现的改进的抗蠕变性造成有害影响。本发明指定的上限为1.2％、优选约0.5％、更优选约0.3％。
优选不向本发明的铝合金中添加Zr，但是作为不可避免的杂质元素，Zr以＜0.05％、更优选＜0.02％的水平存在。因此，优选铝合金可以实质上无Zr。
优选不向本发明的铝合金中添加Cr，但是作为不可避免的杂质元素，Cr以＜0.05％、更优选＜0.02％的水平存在。因此，优选铝合金可以实质上无Cr。
铝合金中的余量由铝和正常且/或不可避免的偶存元素及杂质构成。一般地，这类偶存元素或杂质以每种＜0.05％、总共＜0.25％的水平存在。
在优选的实施方式中，金属管由铝合金制成，该铝合金以wt％计由以下元素构成：
Si    1.5-2.45％，优选1.85-2.25％；
Fe    0.5-1.2％；
Mn    0.5-1.2％；
Cu    0.3-1％，优选0.4-1％；
Mg    0.04-0.3％，优选0.05-0.2％；
Ti    ＜0.25％，优选0.01-0.25％；
Zn    ＜1.2％，优选＜0.5％；
其他杂质或偶存元素，每种＜0.05％，总共＜0.25％；以及
余量为铝。
在优选的实施方式中，多层管包含：金属管，该金属管具有内表面和外表面；第一聚合物层，该第一聚合物层结合至所述外表面；以及第二聚合物层，该第二聚合物层结合至所述内表面。
所述第一聚合物层和第二聚合物层优选由聚乙烯(PE)、聚丙烯或交联聚乙烯(PEX)制成。还可使用任何其他适用于柔性管应用的、可商购的塑料。
一般地，铝合金金属管的规格范围在约0.1-1mm、优选约0.15-0.6mm的范围内，以增加MLT的柔性。
出于本发明的目的，铝合金金属管优选不具有任何金属层，这类金属层通常被施用于尤其是钎焊板，从而通过对芯合金提供牺牲性保护(sacrificial protection)来增强腐蚀性能，和/或为钎焊操作提供填充金属(一般为AlSi合金)。
理想情况下，将铝合金金属管以经轧制的板产品进行生产，然后将所述板产品弯成管的形状，随后在接缝(seam)处焊接。例如，可对金属管进行搭接焊(overlap-welded)或对接焊(butt-welded)。可使用多种焊接技术进行焊接，包括超声波焊接、钨极惰性气体焊接(“TIG”)和激光焊接。
本发明所使用的铝合金管可通过对锭块(ingot)进行铸造(例如通过DC铸造、EMC铸造、EMS铸造)来制备，也可使用由连续铸造(例如带式连铸机或辊式连铸机)得到的板坯(slabs)或锭块；在铸造后，将锭块进行均质化和/或预热，然后将锭块进行热轧，再冷轧至最终规格，将经冷轧的产品在约250℃-550℃、优选约300℃-400℃的温度下退火；任选地，将最终产品进行拉伸和/或时效处理。
为了增强所需铝合金的可成形性、从而将板产品成形为管，铝合金产品优选具有经重结晶的微结构。
本发明的多层管优选为用于建筑物(例如住房和办公建筑)的卫生水管或供热管。对于这类应用，多层管可被弯曲(具有柔性)，并具有数米的长度(例如长度为约4-50米以上)。
本发明另一方面针对将本文中定义为管材料的铝合金产品用于柔性多层管的用途或使用方法，所述多层管包含：作为金属管的铝合金，该金属管具有内表面和外表面；第一聚合物层，该第一聚合物层结合至所述外表面；并且优选包含第二聚合物层，该第二聚合物层结合至所述内表面。
具体实施方式
在下文中，将通过下述非限制性实施例对本发明进行解释。
实施例
已经生产出四种铝合金，其具有如表1中所列的化学组成。合金编号1和2描述了用于多层管的可商购铝合金的合金组成，由此，合金编号1在AA3003之内，合金编号2在国际专利申请WO-2008/057608中公开的范围内。合金编号4是本发明的合金；而作为比较的合金编号3不具有Mg，用来说明在本发明的合金4(有目的地添加了Cu，并具有高的Si含量)中添加Mg的影响。
已对所有的铝合金进行了加工以实现最佳的机械性能和蠕变行为。加工途径包括：铸造、均质化/预热、热轧、冷轧、退火至O-回火条件。将均质化和预热一起在560℃下进行6h，再在500℃下进行4h。进行热轧至规格为3mm，随后进行冷轧至规格为0.25mm。在350℃下进行10h的最终退火。
表1所有铝合金组成均以wt％计，余量由铝和不可避免的杂质构成。
Figure BDA0000150464080000071
在表2中列出了退火后的最终规格合金产品的机械性能。这一表格所列内容显示出合金3和合金4的屈服强度(“YS”)比由合金编号1和2所代表的可商购产品的屈服强度高约15-25MPa。虽然延伸性稍低，但是对于多层管应用来说仍处于足够的水平。
在表2中列出的另一重要性质是蠕变寿命。蠕变寿命被定义为在高温、蠕变试验条件下，使铝合金延伸或应变30％所需要的预期时间。这一实施例的蠕变试验条件是在95℃的温度下将样品暴露于85MPa的持续压力。这些试验条件模拟了一般的多层管应用条件，得到的结果是对该管预期寿命的预测值。更高的蠕变寿命提供了更长的预期产品寿命。
从合金编号3和合金编号4的对比中可以看出，通过向本发明的合金组成中添加相对少量的Mg可使蠕变寿命增加约三个数量级。
图1中也对这一改进进行了说明，图1显示出蠕变试验期间的应变发展情况(strain development)。在约72h后，合金编号3已经达到约9％的应变，而合金编号4仅达到0.2％的应变。
与合金编号2相比，合金编号4提供了增加的蠕变寿命表现以及增强的机械性能。
这种高的机械性能、良好的可成形性和高的蠕变寿命预期使得本发明的铝合金成为用于柔性多层管的理想候选。
表2机械性能和蠕变寿命。
Figure BDA0000150464080000081
现在已经对本发明进行了充分描述，对于本领域普通技术人员显而易见的是，可在不背离本文所述的本发明范围或精神的情况下进行许多变化和修改。

Claims (12)

1.一种多层管，所述多层管包含：金属管，所述金属管具有内表面和外表面；第一聚合物层，所述第一聚合物层结合至所述外表面；并且优选包含第二聚合物层，所述第二聚合物层结合至所述内表面；其中，所述金属管由铝合金制成，所述铝合金以wt％计具有如下组成：
Si    1.5-2.45；
Fe    0.5-1.2；
Mn    0.5-1.2；
Cu    0.3-1；
Mg    0.04-0.3；
Ti    ＜0.25；
Zn＜1.2；
其他杂质或偶存元素，每种＜0.05，总共＜0.25；以及
余量为铝。
2.如权利要求1所述的多层管，其中，所述金属管由Si含量在1.7％-2.4％、更优选1.85％-2.25％范围内的铝合金制成。
3.如权利要求1或2所述的多层管，其中，所述金属管由Mg含量在0.05％-0.2％范围内的铝合金制成。
4.如权利要求1-3任一项所述的多层管，其中，所述金属管由Cu含量在0.4％-1％、优选0.5％-0.9％范围内的铝合金制成。
5.如权利要求1-4任一项所述的多层管，其中，所述金属管由Zn含量在至多0.5％、更优选至多0.3％范围内的铝合金制成。
6.如权利要求1-5任一项所述的多层管，其中，所述金属管由Fe和Mn的总量在1.4％-2.3％、优选1.4％-1.95％范围内的铝合金制成。
7.如权利要求1-6任一项所述的多层管，其中，所述金属管由Ti含量在0.01％-0.25％、优选0.07％-0.25％范围内的铝合金制成。
8.如权利要求1-7任一项所述的多层管，其中，所述金属管为不具有任何金属层的、经轧制的产品的形式。
9.如权利要求1-8任一项所述的多层管，其中，所述金属管由规格在0.1-1mm、优选0.15-0.6mm范围内的铝合金制成。
10.权利要求1-9任一项中所定义的铝合金产品在多层管中的用途，所述多层管具有：作为金属管的所述铝合金，所述金属管具有内表面和外表面；以及第一聚合物层，所述第一聚合物层结合至所述外表面。
11.权利要求1-9任一项中所定义的铝合金产品在多层管中的用途，所述多层管具有：作为金属管的所述铝合金，所述金属管具有内表面和外表面；第一聚合物层，所述第一聚合物层结合至所述外表面；以及第二聚合物层，所述第二聚合物层结合至所述内表面。
12.如权利要求10或11所述的用途，其中，所述多层管是建筑物中的卫生水管或供热管。
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