CN103502493A - 翅片坯材 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由3xxx系列铝合金制成的翅片坯材，所述翅片坯材包含至少0.5%-2.0%的Mn；所述翅片坯材另外包含有目的地添加的一种或多种润湿元素，所述润湿元素选自于由Bi 0.03%-0.5%、Pb 0.03%-0.5%、Sb 0.03%-0.5%、Li 0.03%-0.5%、Se 0.03%-0.5%、Y 0.03%-0.05%、Th0.03%-0.05%所组成的组，并且这些元素的总和为0.5%以下；余量包含铝和可容许的杂质。本发明进一步涉及包含有该翅片坯材的换热器组装件的制造方法。

Description

翅片坯材
技术领域
本发明涉及由3xxx系列铝合金制成的翅片坯材(stock material)，该坯材包含至少0.5％-2.0％的Mn。本发明进一步涉及包含有该翅片坯材的换热器组装件(assembly)的制造方法。
背景技术
在下文中将会明了的是，除非另有说明，铝合金牌号和状态代号(temper designations)是指在2010年由美国铝业协会(AluminumAssociation)出版的Aluminum Standards and Data and the RegistrationRecords中的Aluminum Association designations，其对于本领域技术人员而言是公知的。
对于合金组成或优选合金组成的任何描述而言，除非另有说明，所有提及百分比之处都是指重量百分比。本文使用的术语“至多”(up to)和“至多约”(up to about)明确包括但不限于所涉及的特定合金组分的重量百分比为零的可能性。例如，至多约0.05％的Cr可包括不含Cr的合金。
用于汽车冷却器、空调系统、工业冷却系统等的换热器和其它类似设备(如冷凝器、蒸发器等)通常包含若干在两个封头(headers)之间平行排列的换热管，每根管任一端均连接至其中一个封头。波纹翅片(corrugated fns)设置在相邻换热管之间的气流间隙中，并钎焊至各管上。
钎焊换热器的翅片材料或翅片坯料通常由3xxx系列铝合金(如AA3003或有目的地添加至多约3％Zn的AA3003)制成。
通过使用铝合金钎料(brazing fller)的钎焊操作将翅片坯材连接至换热管，所述铝合金钎料通常由AA4xxx系列合金制成。所述钎料通常存在于换热管的外表面，但也可仅使用镀层翅片构造。
工业规模上最常用的钎焊方法为使用基于盐的钎焊钎剂材料的真空钎焊和受控气氛钎焊。
真空钎焊在相对低的气氛压力(约为1×10-5mbar以下)下进行，并且实质上为不连续的方法，对材料清洁度的需求高。为了获得发生连接的最优条件，通常用于真空钎焊的铝合金包含有目的地添加的1％以上的Mg。当在钎焊过程中由钎焊片(brazing sheet)气化时，Mg破坏钎剂合金的坚硬氧化膜，并且气化的Mg进一步起到除去钎焊炉中剩余的氧和水分的吸气剂(getter)作用。炉中存在的镁总是比必需的量更多。过量的镁凝集在真空炉中的冷点上，必须频繁加以去除。对合适的设备的资本投资相对较高。
NOCOLOKTM(Alcan的注册商标)钎剂钎焊已被许多换热器制造商用作对汽车换热器进行钎焊的主要钎焊方法。NOCOLOK方法产生的主要问题为钎剂成本、钎剂处理和钎剂对炉造成的损害。此外，在形状复杂的组装件中，在组装件内部钎焊前施用非腐蚀性钎焊钎剂通常被认为是非常困难且有问题的。因此，大多数的换热器制造商一直在努力减少钎剂消耗。
对于经钎焊的换热器以及制造该经钎焊的换热器的方法、特别是不要求施用钎焊钎剂材料的钎焊方法中，铝合金翅片坯料领域仍有改进的余地。
发明内容
本发明的目的是提供用于经钎焊的换热器的铝合金翅片坯材，该翅片坯材用于特别是不需要施用钎焊钎剂材料的钎焊方法。
这一目的和其它目的以及进一步的优点通过本发明得以实现或超越，本发明提供由3xxx系列铝合金制成的翅片坯材，该翅片坯材包含至少约0.5％到约2.0％的Mn；并且该翅片坯材另外包含有目的地添加的一种或多种润湿元素，所述润湿元素选自于由Bi 0.03％-0.5％、Pb0.03％-0.5％、Sb 0.03％-0.5％、Li 0.03％-0.5％、Se 0.03％-0.5％、Y0.03％-0.05％、Th 0.03％-0.05％所组成的组，并且这些元素的总和为0.5％以下；余量包含铝和可容许的杂质。
根据本发明已经发现，本发明可以制造包含有铝工件(包括铝合金翅片)的经钎焊组装件，从而在受控气氛钎焊法中无须提供钎焊钎剂材料、如氟化物钎剂。在钎焊周期中，润湿剂在用于将翅片坯料钎焊至其它组件(component)的熔融铝填充合金中扩散，从而在即使不使用钎剂材料的情况下，所述润湿剂也能促进所述熔融填充合金具有良好的流动性，获得良好的角焊缝形成。
所述润湿元素选自于由Bi、Pb、Li、Sb、Se、Y和Th所组成的组；其中全部所述润湿元素的总量为约0.01％-0.5％。优选全部润湿元素的总量不超过0.40％。
在优选的实施方式中，在不施用钎焊钎剂材料的受控气氛钎焊操作期间，作为翅片坯材这一目的最有效的润湿元素，由这一润湿元素的组中选择Bi元素，其量为约0.03％-0.5％，优选0.03％-0.35％，更优选的上限为0.30％。通常，Bi的水平为约0.1％或约0.2％。
Mn是翅片坯材中最重要的合金元素，有助于颗粒和固溶体强化。Mn含量范围应为约0.5％-2.0％。更优选的Mn含量的下限为约0.8％。更优选的Mn含量的上限为约1.7％。通常Mn的水平为约1.4％或约1.1％。
Si有助于颗粒和固溶体强化。Si含量不足(例如低于约0.3％)将导致强度降低；而Si过多(例如高于约2.5％)将导致热传导性降低且熔化温度降低，在钎焊操作期间对换热器造成不期望的影响。优选的Si含量下限为约0.5％。Si含量的上限为1.5％，优选为约1.2％。
Fe在全部已知的铝合金中存在。其中，Fe含量过高将使得材料的可成型性降低，腐蚀特性也会降低。在容许范围(至多约1.8％)的上限时，在特别是通过连续铸造操作进行铸造期间，合金中的铁形成相对小的金属间化合物颗粒，有助于颗粒强化。然而，优选的可容许Fe含量最高为至多约0.8％，并且更优选最高为至多约0.5％。实际Fe含量的范围为约0.15％-0.45％，并使得在翅片坯材的期望性能、如钎焊后强度(post-brazestrength)和抗流挂性(sagging resistance)之间得到良好平衡；同时，所述翅片坯材可至少部分地由废料制造，而不产生大的困难。
翅片坯材可具有相对高的水平的Mn、Si和Fe，而不脱离本发明的概念。特别是在铸造过程中将高凝固速率(通常通过连续铸造、如双辊铸造得到)应用于在生产翅片坯材的制造方法中时，可以使用相对高水平的合金元素，产生基本上没有粗糙金属间化合物的合金条。当使用连续铸造技术来生产用于翅片坯材的原料时，显然也可使用所公开的范围中较低和中间的端点。在铸造工序、如直接冷却(DC)铸造板坯(slab)或方坯(billet)中，凝固速率高达约100℃/秒，这使得在工业实践中，Fe的水平通常不超过约0.8％、Mn的水平不超过约1.7％、Si的水平不超过约1.3％，否则会产生有害的粗糙金属间化合物、例如主要含铁的金属间化合物。基于具体应用对于可成型性、强度、耐腐蚀性和抗流挂性的要求，可对确切的Si、Fe和Mn含量进行调节。
添加的Mg显著增加了翅片坯料合金的钎焊后强度，但过高的水平可能会增加钎焊操作过程中翅片坯材中的相发生初熔(incipient melting)的风险。Mg含量可为至多0.5％、优选至多0.35％。当应用来自所述润湿元素组的Bi时，Mg含量的范围优选为约0.01％-0.35％，更优选为约0.01％-0.2％。
Cu可以提高翅片坯材的钎焊后强度，然而，它会对翅片材料的腐蚀电位产生不利影响。可容许至多约0.4％的Cu，这在翅片坯料合金对于杂质元素的容许度中具有优势，并允许合金由大量废料、如废弃的换热器形成，但不仅限于这一实例。为兼顾实现钎焊后强度、耐腐蚀性和可钎焊性，更优选的铜水平的范围为至多约0.20％。若翅片坯材在某一换热器应用中最重要的特性为耐腐蚀性，则Cu的含量优选保持在低于约0.05％的水平、例如0.01％或0.02％的水平。
在对本发明的翅片合金的锭块进行铸造期间，Ti可作为晶粒细化添加剂以至多约0.25％的量存在。为了通过可溶性硬化而增加翅片合金的强度，可添加额外的Ti(例如由于在废料中存在)。合金中存在的Ti的总量优选不应超过约0.20％，但优选低于约0.10％。
Zn元素影响翅片坯材的腐蚀电位。通过降低翅片坯料的腐蚀电位，Zn具有使翅片成为牺牲阳极的作用，从而对与其钎焊连接的换热器的管提供腐蚀防护。Zn对于强度和热传导性具有可检测、但相对小的影响。因此，添加用于对管进行阴极保护所需的最小量的Zn。通常，将需要至少约0.35％的Zn。多于约1.5％的Zn将对自腐蚀速率产生影响。然而在有些情况下，以导热性和自腐蚀性能为代价，更高的Zn含量、例如至多约2.5％的Zn可能是期望的。
可将至多约0.20％的铟元素添加至翅片坯材，以实现更具电负性的腐蚀电位。与添加锌相比，In更有效地降低翅片合金的腐蚀电位。通常情况下，约0.1％的In与约2.5％的Zn一样有效。当作为有目的地加入的合金元素时，In的更优选范围为约0.01％-0.10％，更优选为0.01％-0.04％。也可添加至多约0.40％的Sn来替代In。
可以向本发明的合金中添加至多约0.25％的Zr，从而进一步提高翅片合金产品在钎焊后条件下的强度。另外，这一元素可以作为杂质元素而容许，而不会不利地影响合金的期望性能。Zr水平的范围更优选为约0.05％-0.20％，且更优选为约0.06％-0.15％。
可将V和Cr分别以至多约0.25％的量添加至翅片坯材，从而进一步提高合金在钎焊后条件下的强度。然而，已知Cr会降低热传导性。因此，优选不含Cr，并保持低于约0.05％，更优选保持低于约0.03％。同样，V的含量优选保持在低于约0.03％的水平。
优选地，若添加至翅片坯材，则全部分散体形成合金元素(dispersoidforming alloying elements)Zr、Cr和V的总量不超过0.3％，以避免形成粗糙的结构颗粒。
Ni已经证明会促进强度，且对热导率没有显著的负面影响。然而，已知其对翅片的自腐蚀特性具有负面影响。可以预想，在某些特定情况下可容许至多约0.3％；但在一般情况下，Ni应保持低于约0.05％，优选低于0.03％。
翅片坯材优选不含Na、Li、K和Ca元素的任一种，以避免在受控气氛钎焊操作期间对Bi以及任何任选的Mg的任何干扰、或对任何其它润湿剂的任何干扰。“不含”(free)是指不会有目的地将Na、Li、K和Ca添加到化学组成中，但由于杂质和/或来自于与制造设备接触的渗漏，痕量的Na、Li、K和Ca仍可能进入填料合金产品。例如，痕量的实例为低于0.008％。
余量由铝和偶然杂质及可容许的杂质组成，所述杂质通常各自最高为至多0.05％、总量最高为约0.25％，且优选总量不超过0.10％。
在本发明所述翅片坯材的实施方式中，所述铝合金包含：
Figure BDA0000397630570000061
任选含有选自下组的一种或多种元素：至多约0.25％的Zr、至多约0.25％的Cr、至多约0.25％的V、至多约0.25％的Ti、至多约0.20％的In、至多约0.3％的Ni；
余量包含铝和可容许的杂质；
优选所述杂质各自至多为0.05％，总量最多为0.25％。
各种合金元素的优选较窄范围在本文中公开并要求保护。
在本发明所述翅片坯材的实施方式中，所述铝合金包含：
Figure BDA0000397630570000062
余量包含铝和可容许的杂质；
所述杂质优选各自至多为0.05％，总量最多为0.25％。
各种合金元素的优选较窄范围在本文中公开并要求保护。
在本发明所述翅片坯材的实施方式中，所述铝合金不含Na、Li、K和Ca，并且由下列元素组成：
Figure BDA0000397630570000071
余量包含铝和可容许的杂质；
所述杂质优选各自至多为0.05％，总量最多为0.25％。
各种合金元素的优选较窄范围在本文中公开并要求保护。
为了在不使用钎焊钎剂材料的情况下使得翅片坯材中存在的润湿元素在CAB周期内发挥其功能，重要的是润湿元素可在钎焊周期中扩散至翅片坯材的外表面。因此，优选以裸露的形式提供翅片坯材，从而在其外表面上没有任何可能妨碍或限制所述润湿元素功能的金属层、例如4xxx系列钎焊包覆层。
在最终规格时，翅片坯材的规格通常为约0.05mm-0.3mm。更优选的规格上限为约0.15mm。
翅片坯材通常但并非唯一地以H1x或H2x退火度(temper)、例如H14和H22退火度提供。
在另一方面，本发明提供包含本发明所述翅片坯材的经钎焊的组装件、通常为换热器。在具有本发明所述翅片坯材作为波纹翅片的该换热器中，所述翅片可作为牺牲阳极。所述经钎焊的换热器通常包含：至少一个罐，该罐为容纳冷却剂而构建；与所述至少一个罐相连接的集管板(header plate)，所述集管板包含多个孔(apertures)；多个大致平行的载流管，每根管以与所述集管板中的所述多个孔之一基本垂直的方式延伸，并为接收穿过所述孔的冷却剂而构建；以及多个翅片，所述翅片与所述多个载流管热联通，并为将热量从载流管中传出而构建，从而将在载流管中循环的所述冷却剂进行冷却，所述多个翅片由本文所公开并要求保护的翅片坯材制成。
另一方面，本发明涉及制造通过钎焊连接的制品(换热器)或制造由经钎焊的组件形成的组装件的方法，所述方法包含下列步骤：
(a)提供待钎焊在一起的组件或使待钎焊在一起的组件成型，组件中的至少一个由本发明所述翅片坯材制成；
(b)将所述组件、波纹翅片坯材以及其它组件(例如管)组装形成组装件；
(c)在不向所述组件的组装件施用钎焊钎剂的情况下对所述组装件进行钎焊，并且在受控非活性气体气氛中对整个组装件在钎焊温度下(通常在约540℃-615℃、例如在约600℃或约590℃的温度下)钎焊足够长的时间(例如停留时间为2-5分钟、通常为约2分钟或3分钟)，从而使钎焊材料熔化并铺展，将各组件加以连接；并且其中，钎焊气氛中的氧含量通常应尽可能合理地低，优选低于约200ppm，更优选低于约100ppm，例如15ppm以下；
(d)冷却经钎焊的组装件，通常冷却至低于约100℃，例如冷却至环境温度。
为了本发明目的，本文所使用的术语“受控气氛钎焊”或“CAB”是指在钎焊铝合金制品中使用非活性气氛(例如氮气、氩气或氦气)的钎焊方法，CAB尤其在如下方面不同于真空钎焊：对于CAB而言，在钎焊操作期间炉中的钎焊气氛约为常规大气压，尽管轻微的减压(例如，在0.1bar以上的压力下作业)或具有轻微的超压可用于促进对非活性气氛的控制并防止含氧气体流入钎焊炉中。
图1为经钎焊的换热器的等距视图。
如图1所示，本发明的经钎焊的铝换热器2包括多根载流管6。载流管6的端部对集管板8和罐10开放(载流管6的一端、一个集管板8和一个罐10在图1中示出)。冷却剂由罐10中开始循环，流经载流管6并进入另一罐(未示出)。如图所示，由本发明所述翅片坯材制成的多个冷却翅片4设置在载流管6之间进行散热，从而促进对流体加以冷却的热交换。
虽然已经详细描述了本文所述技术的各种实施方式，但很明显本领域技术人员将会想到对这些实施方式进行改进和调整。然而，应当清楚理解的是，这些改进和调整处于本发明所公开技术的精神和范围之内。

Claims (10)

1.一种由3xxx系列铝合金制成的翅片坯材，所述翅片坯材包含至少0.5%-2.0%的Mn；所述翅片坯材另外包含有目的地添加的一种或多种润湿元素，所述润湿元素选自于由Bi 0.03%-0.5%、Pb 0.03%-0.5%、Sb0.03%-0.5%、Li 0.03%-0.5%、Se 0.03%-0.5%、Y 0.03%-0.05%、Th0.03%-0.05%所组成的组，并且这些元素的总和为0.5%以下；余量包含铝和可容许的杂质。
2.如权利要求1所述的翅片坯材，其中，所述铝合金进一步包含：
余量包含铝和可容许的杂质。
3.如权利要求1所述的翅片坯材，其中，所述铝合金任选进一步包含一种或多种选自下组的元素：至多0.25%的Zr、至多0.25%的Cr、至多0.25%的V、至多0.25%的Ti、至多0.20%的In、至多0.3%的Ni。
4.如权利要求1所述的翅片坯材，其中，在所述润湿元素的组中，所述铝合金仅包含0.03%-0.5%、优选0.03%-0.35%的有目的地添加的Bi。
5.如权利要求4所述的翅片坯材，其中，所述铝合金进一步包含0.01%-0.08%的Mg。
6.如权利要求1-5中任一项所述的翅片坯材，其中，所述铝合金包含0.8%-1.7%的Mn。
7.如权利要求1-6中任一项所述的翅片坯材，其中，所述铝合金包含0.15%-0.8%的Fe。
8.如权利要求1所述的翅片坯材，其中，所述铝合金包含：
Figure FDA0000397630560000021
任选包含一种或多种选自下组的元素：至多约0.25%的Zr、至多约0.25%的Cr、至多约0.25%的V、至多约0.25%的Ti、至多约0.20%的In、至多约0.3%的Ni；
余量包含铝和可容许的杂质。
9.如权利要求1-8中任一项所述的翅片坯材，其中，所述翅片坯材不含任何金属层。
10.制造钎焊连接的制品或制造经钎焊组件的组装件的方法，所述方法包含下列步骤：
(a)使所述组件成型，所述组件中的至少一个由权利要求1-9中任一项所述的翅片坯材制得；
(b)将所述翅片坯材制成波纹状，并将所述组件组装为组装件；
(c)在不向所述组件的组装件施用钎焊钎剂的情况下对所述组装件进行钎焊，并在非活性受控气体气氛中，将整个组装件在钎焊温度下进行钎焊，形成经钎焊的组装件；以及
(d)将所述经钎焊的组装件冷却。
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