CN104451270A - 一种热交换器用翅片箔及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热交换器用翅片箔及其制造方法，翅片箔包括以下重量百分比的组份，其中：合金组份：硅0.58-0.68％，铁1.45-1.65％，锰0.72-0.95％，锌0.6-1.0％，铜、镁、钛均≤0.05％；其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。本发明热交换器用翅片箔既具有良好的高温抗下垂性能，还具有钎焊高温后优良的导热性能和较高钎焊后强度。

Description

一种热交换器用翅片箔及其制造方法

技术领域

本发明涉及热交换器用铝合金制品，更具体地说，本发明涉及一种热交换器用翅片箔及其制备方法。

背景技术

随着热交换器向着轻量化和小型化的方向发展，对热交换器的用材在厚度更薄、散热效率更高方面也提出了更新的要求。其中热交换器用翅片箔的厚度及散热效率对热交换器的性能影响最大，为增加散热效率，除了增加翅片箔波数增大换热面积等方法外，翅片箔材料自身的导热性能也起着非常关键的作用。

然而，材料自身的导热性能一般很难直接通过仪器检测出来，作为替代，材料的导热性能可以用电导率指标进行评价即：电导率越高，材料的导热性能也越好。

材料的电导率主要与材料的组份配比及元素在基体中的分布有很大关系，材料纯度越高、固溶在铝基体中的合金元素越少，材料的导电性能就越好。因此，为了提高材料的导热性能，设计和制造材料时，应该尽可能让合金元素在高温使用状态下析出。而且，由于铝制热交换器的钎焊工作温度通常在600℃左右，为了获得钎焊后更好的电导率即散热性能，通常希望在600℃高温条件下合金元素在铝基体中的固溶度越小越好。

另一方面，又希望热交换器用翅片箔必须具有足够强的钎焊性能和钎焊后强度，否则经历高温钎焊条件，易出现箔片塌陷及熔垂等不良缺陷。然而，纯铝的电导率虽然最高，强度却也最低，因此翅片箔的组份配比中必须添加一定量的合金元素以增加高温抗塌陷性能和高温后的强度；但合金元素在铝基体中的固溶度增大，高温方面的强度会有所提高、电阻却又相应地有所增大，对应的电导率也会越低。

综上所述，如何保证翅片材料的高温抗塌陷性能和高温后强度的前提下，还能通过优化合金元素含量配比获得良好的导热性能，是极具挑战性的技术问题。

发明内容

针对现有技术提出的上述问题，本发明目的是要提供一种热交换器用翅片箔及其制造方法，其具有如下优点：该翅片箔既具有良好的高温抗下垂性能和较高钎焊后强度，同时，还具有钎焊高温后优良的导热性能。

为此，本发明的技术解决方案之一是一种热交换器用翅片箔，包括以下重量百分比的组份，其中：合金组份：硅0.58-0.68％，铁1.45-1.65％，锰0.72-0.95％，锌0.6-1.0％，铜、镁、钛均≤0.05％；其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。

本发明组份配方及合金控杂技术基于如下技术理念：

为了兼得材料的钎焊后强度和导热性能，在组份配比设计时，考虑到有些合金元素能显著提高材料强度，但在600℃高温情况下固溶度却很小，如Fe，不会有效降低材料的导热性能，那么在组份配比设计时，可相对提高Fe含量。有些合金元素虽然能提高材料强度，但在600℃高温情况下固溶度很大，如Si、Mn、Zn，将会显著降低材料的导热性能，那么在组份配比设计时，则要考虑降低Si、Mn、Zn含量。

本发明铝合金翅片材料创造性地控制Si、Mn、Zn等在铝基体中高温固溶度大的元素含量，Si含量0.58-0.68％，Mn含量0.72-0.95％，Zn含量0.6-1.0％；同时为了提高材料钎焊后强度，弥补因Si、Mn等元素含量不高带来的强度不足，将在铝基体中高温固溶度小的、能显著提高材料强度的元素Fe含量提高至1.45-1.65％。

合金中控制Si含量0.58-0.68％；Si主要起提高材料强度的作用，高温钎焊后易形成大晶粒，具有良好的高温抗塌陷能力。若Si含量降到0.58％以下，则材料强度不够，同时高温钎焊后不易形成大晶粒，材料的高温抗塌陷能力差。若Si含量超出0.68％，Si在铝基体中固溶度过大(577℃时硅在铝中的最大溶解度为1.65％)，则基体电阻会增大，翅片箔电导率会下降，对应的导热性能也会下降。

合金中控制Mn含量为0.72-0.95％；Mn能提高材料强度，Mn与Al形成MnAl₆化合物弥散质点阻止铝合金的再结晶过程，提高材料高温抗塌陷性能。MnAl₆的另一作用是能溶解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，高温钎焊时不能对再结晶过程起到充分的阻碍作用，材料的高温抗塌陷性能会明显下降；若Mn含量超出0.9％，Mn在铝基体中固溶度过大(658℃时锰在铝中的最大溶解度为1.82％)，则基体电阻会增大，翅片箔电导率会下降，对应的导热性能也会下降。

合金中控制Zn含量为0.6-1.0％；若Zn含量降到0.6％以下，翅片电位下降不大，导致翅片与相连接的管或散热片电位相差不大，形成的原电池反应过弱，不能起到有效的牺牲阳极保护作用；若Zn含量超出1.0％，Zn在铝基体中固溶度过大(275℃时锌在铝中的溶解度为31.6％)，则基体电阻会增大，翅片箔电导率会下降，对应的导热性能也会下降。

此外，合金中控制Fe含量为1.45-1.65％。若Fe含量降到1.45％以下，则Fe提高强度的作用不明显；若Fe含量超出1.65％，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，导致最终成品冲翅时可能会出现开裂等缺陷，另一方面还会降低翅片的耐腐蚀性能。

合金中还控制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。

合金中控制Cu含量为≤0.05％；Cu虽然是提高铝合金强度最有效的元素之一，但Cu在铝基体中固溶度较大(548℃时铜在铝中的最大溶解度为5.65％)，降低了材料的电导率；另一方面Cu元素能提高电极电位，与Zn元素刚好相反，降低了翅片箔的牺牲阳极保护作用。

合金中控制Ti含量为≤0.05％；Ti主要起晶粒细化作用；若Ti含量超出0.05％，Ti在铝基体中主要形成包晶，提高了铝基体电阻，降低了材料的电导率。

总之，传统合金成分都加硅、锰来提高材料强度和高温抗下垂性能，加锌来降低翅片材料的电极电位、提高牺牲阳极保护作用。但在600℃左右高温钎焊条件下，以上元素在铝基体中固溶度均较大，导致材料的电导率下降较大，从而影响材料的导热性能。有鉴于此，本发明铝合金翅片箔材料采用降低硅、锰、锌含量提高翅片箔电导率，同时提高高温固溶度小的元素铁含量来弥补强度，从而得到一种具有优良导热性能的高强度热交换器单层翅片箔。本发明铝合金翅片箔材料，较一般翅片箔合金电导率提高约20％，同时保持较高的钎焊后强度。

由本发明实施例实测数据证明：本发明合金中组份配方为本发明铝合金翅片材料的导热性能提高起到了基础性的支撑作用，并保持其较高的材料强度。

为了进一步提高组份配方及合金控杂技术的工艺效果、及微观结构的稳定性，本发明翅片箔还包括如下改进：

所述其他杂质元素单个的重量百分比≤0.05％。

为了进一步优化铝合金翅片材料的力学、热学、高温性能的综合平衡，本发明能翅片箔还包括如下改进：

经过605℃温度钎焊5分钟后，所述翅片箔电导率≥55％IACS。

所述翅片箔厚度≤0.05mm；经过605℃温度钎焊5分钟后，宽15mm伸出50mm样片的下垂值≤30mm。

经过605℃温度钎焊5分钟后，所述翅片箔抗拉强度≥140N/mm²。

相应地，本发明的另一技术解决方案是一种如上所述热交换器用翅片箔的制造方法，其包括如下加工步骤：按照所述合金组份进行配比、熔炼、精炼、搅拌除气、扒渣、连续铸轧、冷轧、均匀化退火、二次冷轧、中间退火、三次冷轧，轧制得到箔厚≤0.05mm的所述翅片箔成品。

本发明翅片箔的制造方法，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，制得厚度薄、强度高、导热性能更优良的热交换器翅片箔成品，工艺简单，实施有效。

为了更充分发挥和优化本发明箔材配方的微观结构上的优点，进一步提高本发明方法的节能性、工艺简捷性，本发明制造方法还包括如下改进：

所述连续铸轧步骤制得厚6-8mm的铸轧卷坯料，然后将铸轧卷坯料经冷轧步骤轧至3.5mm厚，再进行均匀化退火。

所述均匀化退火步骤后待冷却，经二次冷轧步骤将3.5mm厚坯料轧制至0.075-0.085mm厚，再进行中间退火、三次冷轧步骤，轧制得到所述翅片箔成品。

所述均匀化退火步骤，控制温度为500-550℃，保温时间8-20hr。

在所述三次冷轧步骤之后，所述制造方法还包括对所述铝合金翅片箔材料进行宽度剪切、分条。

本发明制造方法中，铸轧卷坯料均匀化退火控制在500-550℃温度范围、保温8-20hr；若均匀化温度低于500℃，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、晶粒异常粗大。若均匀化温度高于550℃，一般箱式退火炉难以达到该温度，不利于退火控制。500-550℃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20hr，增加生产成本。

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

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3003+1.5％Zn合金制得厚度0.05mm单层翅片箔材)部分组份配比参见表1。

按照表1所示组份制得的铝熔体，再依序通过精炼、搅拌除气、扒渣、连续铸轧制得厚6-8mm的铸轧卷坯料，冷轧至3.5mm，进行均匀化退火，冷却后轧制至0.075-0.085mm进行中间退火，最后轧制得到0.05mm厚的成品。

表1

接着取以上成品样条先进行钎焊前力学性能测试，然后，分别对相应的样条按605℃×5min进行高温模拟钎焊：按GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》对这些高温钎焊翅片料进行制样、室温拉伸试验，检测高温材料下垂值，测定钎焊后抗拉强度，并按GB/T11007-2008《电导率仪试验方法》检测材料钎焊后电导率。测定的结果示于表2。

表2

从上表1、2可以看出，本发明的热交换器翅片箔，在钎焊前具有良好的常温力学性能和加工性能，而且，还获得了良好高温抗下垂性能(伸出50mm时下垂值≤30mm)、钎焊后较高强度(钎焊后抗拉强度≥140MPa)，以及更优良的钎焊后导热性能(钎焊后电导率≥55％IACS)。

Claims (10)

1.一种热交换器用翅片箔，包括以下重量百分比的组份，其中：合金组份：硅0.58-0.68％，铁1.45-1.65％，锰0.72-0.95％，锌0.6-1.0％，铜、镁、钛均≤0.05％；其他杂质元素合计≤0.15％，其余为铝。

2.如权利要求1所述热交换器用翅片箔，其特征在于：所述其他杂质元素单个的重量百分比≤0.05％。

3.如权利要求1或2所述热交换器用翅片箔，其特征在于：经过605℃温度钎焊5分钟后，所述翅片箔电导率≥55％IACS。

4.如权利要求1或2所述热交换器用翅片箔，其特征在于：所述翅片箔厚度≤0.05mm；经过605℃温度钎焊5分钟后，宽15mm伸出50mm样片的下垂值≤30mm。

5.如权利要求1或2所述热交换器用翅片箔，其特征在于：经过605℃温度钎焊5分钟后，所述翅片箔抗拉强度≥140N/mm²。

6.一种如权利要求1-5之一所述热交换器用翅片箔的制造方法，其包括如下加工步骤：按照所述合金组份进行配比、熔炼、精炼、搅拌除气、扒渣、连续铸轧、冷轧、均匀化退火、二次冷轧、中间退火、三次冷轧，轧制得到箔厚≤0.05mm的所述翅片箔成品。

7.如权利要求6所述热交换器用翅片箔的制造方法，其特征在于：所述连续铸轧步骤制得厚6-8mm的铸轧卷坯料，然后将铸轧卷坯料经冷轧步骤轧至3.5mm厚，再进行均匀化退火。

8.如权利要求7所述热交换器用翅片箔的制造方法，其特征在于：所述均匀化退火步骤后待冷却，经二次冷轧步骤将3.5mm厚坯料轧制至0.075-0.085mm厚，再进行中间退火、三次冷轧步骤，轧制得到所述翅片箔成品。

9.如权利要求6或7所述热交换器用翅片箔的制造方法，其特征在于：所述均匀化退火步骤，控制温度为500-550℃，保温时间8-20hr。

10.如权利要求6或7所述热交换器用翅片箔的制造方法，其特征在于：在所述三次冷轧步骤之后，所述制造方法还包括对所述铝合金翅片箔材料进行宽度剪切、分条。