CN107000128A - 钎焊片材 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方案中，钎焊片材包含：芯层；位于芯层的第一侧上的钎焊衬里；以及位于芯层的第二侧上的水侧衬里。芯层包含3xxx系列铝合金。水侧衬里是包含如下成分的铝合金，所述成分是：7‑20wt％的Zn；至多0.25wt％的Si；至多0.1wt％的Cu；至多0.25wt％的Mn；至多0.1wt％的Mg；和至多0.1wt％的Cr。在一些实施方案中，钎焊片材具有60‑180微米的厚度。在一些实施方案中，水侧衬里构成钎焊片材的厚度的1‑15％。

Description

钎焊片材
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年10月13日提交的序列号为62/063,267的美国临时专利申请的优先权，其通过引用整体并入本文。
背景技术
诸如散热器和加热器芯之类的热交换器用于从诸如机动车发动机的操作系统到环境的热能传递。使用冷却剂或冷却流体作为将热量从操作系统引入热交换器的介质。根据化学添加剂的不同，冷却剂可能会对用于热交换器的铝管造成腐蚀。因此，对于这种类型的热交换器应用的钎焊片材产品，例如管件(tubestock)或联箱板(header plate)，在冷却剂侧上具有称为水侧衬里(waterside liner)的衬里，其为铝管的芯提供腐蚀防护。
发明内容
在一个实施方案中，钎焊片材包含：芯层，在芯层的第一侧上的钎焊衬里；以及在芯层的第二侧上的水侧衬里。芯层包含3xxx系列铝合金。水侧衬里是包含如下成分的铝合金，所述成分是：7-20wt％的Zn；至多0.25wt％的Si；至多0.1wt％的Cu；至多0.25wt％的Mn；至多0.1wt％的Mg；和至多0.1wt％的Cr。
在一些实施方案中，水侧衬里包含：7-20wt％的Zn；至多0.25wt％的Si；至多0.1wt％的Cu；至多0.25wt％的Mn；至多0.1wt％的Mg；和至多0.1wt％的Cr，余量为铝、偶存元素和杂质。
在一些实施方案中，水侧衬里包含10-20wt％的Zn。在一些实施方案中，水侧衬里包含12-20wt％的Zn。在一些实施方案中，水侧衬里包含15-20wt％的Zn。在一些实施方案中，水侧衬里包含16-20wt％的Zn。在一些实施方案中，水侧衬里包含9-12wt％的Zn。
在一些实施方案中，芯层包含：0.5-1.25wt％的Si；0.5-1.25wt％的Cu；0.5-2.0wt％的Mn；至多0.15wt％的Mg；至多0.1wt％的Cr；至多0.1wt％的Zn；和0.1-0.2wt％的Ti。
在一些实施方案中，芯层包含：0.5-1.25wt％的Si；0.5-1.25wt％的Cu；0.5-2.0wt％的Mn；至多0.15wt％的Mg；至多0.1wt％的Cr；至多0.1wt％的Zn；和0.1-0.2wt％的Ti，余量为铝、偶存元素和杂质。
在一些实施方案中，钎焊衬里包含4xxx系列铝合金。
在一些实施方案中，钎焊片材具有60-180微米的厚度。在一些实施例中，钎焊片材具有60-150微米的厚度。在一些实施方案中，钎焊片材具有80-150微米的厚度。在一些实施方案中，钎焊片材具有60-100微米的厚度。在一些实施方案中，钎焊片材具有60-180微米的厚度。
在一些实施方案中，钎焊片材具有一厚度，并且水侧衬里构成该厚度的1-15％。在一些实施方案中，钎焊片材具有一厚度，并且水侧衬里构成该厚度的7-15％。在一些实施方案中，钎焊片材具有一厚度，并且水侧衬里构成该厚度的7-10％。在一些实施方案中，钎焊片材具有一厚度，并且水侧衬里构成该厚度的5-15％。在一些实施方案中，钎焊片材具有一厚度，并且水侧衬里构成该厚度的5-10％。
在一个实施方案中，钎焊片材包含：芯层，芯层的第一侧上的钎焊衬里；以及在芯层的第二侧上的锌层。芯层包含3xxx系列铝合金。
在一些实施方案中，锌层包含99.9wt％的Zn。
在一些实施方案中，钎焊片材具有一厚度，并且锌层构成小于2％的该厚度。
在一些实施方案中，芯层包含：0.5-1.25wt％的Si；0.5-1.25wt％的Cu；0.5-2.0wt％的Mn；至多0.15wt％的Mg；至多0.1wt％的Cr；至多0.1wt％的Zn；和0.1-0.2wt％的Ti。
在一些实施方案中，芯层包含：0.5-1.25wt％的Si；0.5-1.25wt％的Cu；0.5-2.0wt％的Mn；至多0.15wt％的Mg；至多0.1wt％的Cr；至多0.1wt％的Zn；和0.1-0.2wt％的Ti，余量为铝、偶存元素和杂质。
在一些实施方案中，钎焊片材具有60-180微米的厚度。在一些实施方案中，钎焊片材具有60-150微米的厚度。在一些实施方案中，钎焊片材具有80-150微米的厚度。在一些实施方案中，钎焊片材具有60-100微米的厚度。在一些实施方案中，钎焊片材具有60-180微米的厚度。
本领域普通技术人员将理解，所公开的钎焊片材可以以其他具体形式实施，而不脱离其精神或本质特征。因此，目前公开的实施方案在所有方面被认为是说明性的而不是限制性的。现在参考附图，附图至少有助于说明本公开的各种相关特征。
附图说明
图1是钎焊片材的一个实施方案的示意截面图。
图2是钎焊片材的另一个实施方案的示意截面图。
图3是钎焊片材的又一个实施方案的示意截面图。
图4是钎焊片材的又另一个实施方案的示意截面图。
图5是示出了根据现有技术的钎焊片材模拟钎焊前锌分布的曲线图。
图6是示出了根据另一个实施方案的钎焊片材模拟钎焊前锌分布的曲线图。
图7是示出了根据又一个实施方案的钎焊片材模拟钎焊前锌分布的曲线图。
图8是示出了根据又另一个实施方案的钎焊片材模拟钎焊前锌分布的曲线图。
图9是示出了根据图5中涉及的现有技术模拟钎焊后锌分布的曲线图。
图10是示出了根据图6中涉及的实施方案模拟钎焊后锌分布的曲线图。
图11是示出了根据图7中涉及的实施方案模拟钎焊后锌分布的曲线图。
图12是示出了根据图8中涉及的实施方案模拟钎焊后锌分布的曲线图。
图13是示出了图5-12中涉及的实施方案的衬里表面和芯之间的锌含量差异的图表。
图14是示出了四个另外的实施方案的模拟的钎焊前锌分布的曲线图。
图15是示出了图14中涉及的四个实施方案的模拟的钎焊前铜分布的曲线图。
图16是示出了图14中涉及的四个实施方案的模拟的钎焊前硅分布的曲线图。
图17是示出了图14中涉及的四个实施方案的模拟的钎焊后锌分布的曲线图。
图18是示出了图14中涉及的四个实施方案的模拟的钎焊后铜分布的曲线图。
图19是示出了图14中涉及的四个实施方案的模拟的钎焊后硅分布的曲线图。
图20示出了钎焊片材的两个实施方案的性质。
图21示出了图21中详述的两个实施方案的锌分布。
图22示出了图21中详述的两个实施方案进行的OY腐蚀检测的结果。
图23示出了在完成浸渍测试后图21和22中示出并描述的两个实施方案的样本。
图24示出了完成浸渍测试后60天的图23中的样本。
具体实施方式
本领域普通技术人员将理解，所公开的钎焊片材可以以其它具体形式实施，而不脱离其精神或本质特征。因此，目前公开的实施方案在所有方面被认为是说明性的而不是限制性的。现在参考附图，其至少有助于说明本公开的各种相关特征。
图1示出了根据一个实施方案的钎焊片材。包含3xxx系列铝合金的芯层12在第一侧上具有钎焊衬里16，在第二侧上具有水侧衬里14。
在一些实施方案中，芯层包含：0.5-1.25wt％的Si，0.5-1.25wt％的Cu，0.5-2.0wt％的Mn，至多0.15wt％的Mg，至多0.1wt％的Cr，至多0.1wt％的Zn，0.1-0.2wt％的Ti，余量为Al和不可避免的杂质。
在一些实施方案中，水侧衬里包含铝合金，其包含7-20wt％的Zn，至多0.25wt％的Si，至多0.1wt％的Cu，至多0.25wt％的Mn，至多0.1wt％的Mg，至多0.1wt％的Cr，以及不可避免的杂质。
在一些实施方案中，钎焊衬里包含4xxx系列铝合金。
图2示出了根据另一个实施方案的钎焊片材。图中示出了在钎焊衬里16和芯层12之间的第二衬里22。
图3示出了根据又一个实施方案的钎焊片材。包含3xxx系列铝合金的芯层12在第一侧上具有钎焊衬里16，在第二侧上具有水侧衬里32。在该实施方案中，水侧衬里可以是包含99.9wt％的Zn和不可避免的杂质的商业纯度的Zn。可以通过在芯的第二侧上使用锌喷涂工艺，或者通过在芯的第二侧上使用涂覆工艺，或者在芯的第二侧上浇铸/轧制接合一层来施加该层。
图4所示的实施方案包括在芯层和钎焊衬里16之间的第二层商业纯度的锌42。
在图2所示的钎焊片材的一些实施方案中，第二衬里22包含商业纯度(99.9wt％)的锌。
由于铝中的锌使Al-Zn合金的熔点降低，所以在约600℃的钎焊温度之前或600℃的钎焊温度之时，在钎焊过程中可能会有熔化高锌含量层的高风险。然而，水侧衬里中的锌可以通过从水侧衬里扩散到芯中而在制造过程中重新分布，这降低了水侧衬里的初始锌浓度，因此使得可以在不熔化的情况下完成高温钎焊工艺。所述制造过程可以是本领域已知的用于生产钎焊板材的任何热处理或机械过程，例如退火、热轧和冷轧。将发生的锌扩散量取决于本领域普通技术人员已知的因素，例如处理步骤的类型、时间和温度。
图5至图8示出了在完成制造过程和钎焊之前根据一个实施方案的150微米钎焊片材的锌分布的实例。(该曲线图仅显示了从钎焊片材的中间厚度到水侧衬里的厚度，即75-150微米)。图5示出了具有以4.6wt％的Zn开始的现有技术的水侧衬里的钎焊片材中的锌分布。图6示出了具有以12wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材中的锌分布。图7示出了具有以16wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材中的锌分布。图8示出了具有以99.5wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材中的锌分布。图5至图8中的垂直边界线表示钎焊片材中芯层终止和水侧衬里开始的厚度位置。水侧衬里的锌浓度越高，水侧衬里越薄，同时仍然能够为芯提供足够的保护。这使得芯可以更厚并且对钎焊片材提供更高的强度，同时钎焊片材保持相同的厚度。
钎焊后的锌分布如图9至图12所示。图9示出了具有以4.6wt％的Zn开始的现有技术的水侧衬里的钎焊片材钎焊后的锌分布。图10示出了具有以12wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材钎焊后的锌分布。图11示出了具有以16wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材钎焊后的锌分布。图12示出了具有以99.5wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材钎焊后的锌分布。
衬里表面和芯之间的锌含量差异如图13中的表格所示。该表格所示出的锌含量表明，初始锌含量在完成热和机械处理后显著降低，即在对应的包覆率(clad ratio)下从99.5％降低到11.345％，16％到8.735％，12％到8.179％，4.6％到4.357％。以这种方式，显著降低了钎焊过程中熔化的风险，这使得可以使用高锌含量合金用于水侧衬里应用。
模拟的锌分布还显示出，对于高锌含量衬里，低包覆率可以提供钎焊后材料的衬里表面和管的中心之间的锌水平的较大差异，预期这将为根据一些实施方案的由钎焊片材形成的管提供更好的腐蚀保护。
一些实施方案提供了高强度和增强的腐蚀保护，以实现轻量型产品。
在另一实例中，使用100微米厚的钎焊片材的一个实施方案作为散热器/加热器芯管。图14至图16分别显示了在制造过程之前和钎焊之前的锌、铜和硅分布。图14示出了以4.6wt％的Zn、12wt％的Zn、16wt％的Zn和99.5wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材中的锌分布。水侧衬里构成具有以4.6wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材(现有技术)的厚度的30％。水侧衬里构成具有以12wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材的厚度的10％。水侧衬里构成具有以16wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材的厚度的7.5％。水侧衬里构成具有以99.9wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材的厚度的1％。
图15示出了具有以4.6wt％的Zn、12wt％的Zn和16wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材中的铜分布。图16示出了具有以4.6wt％的Zn、12wt％的Zn和16wt％的Zn开始的水侧衬里的钎焊片材中的硅分布。
钎焊后材料的合金元素分布如图17至图19中的图表所示。图17示出了锌分布，图18示出了铜分布，图19示出了硅分布。
图14至图19中的垂直线表示钎焊片材中芯层终止和水侧衬里开始的厚度位置。
图14至图19示出了具有四种锌含量的四个衬里厚度。在高锌含量的情况下，根据一些实施方案，可以使用低包覆率来为由钎焊片材形成的管提供足够的腐蚀保护。
上述扩散模拟显示出，与具有相对低的锌含量和更高的包覆率的水侧衬里相比，具有相对较高的锌含量和较低的包覆率的水侧衬里可以在水侧衬里的表面和芯之间产生较大的锌浓度差异。锌浓度的较大差异可为芯提供更好的腐蚀保护。低的包覆率可以实现高的芯厚度，这有助于提高管材料的强度。
在一些实施方案中，包含上述合金之一的含锌衬里位于芯的第一侧，并位于钎焊衬里和芯之间，以在钎焊片材的空气侧提供腐蚀保护。
图20示出了根据两个实施方案由钎焊片材制成的实验室制作的加热器芯管的性质。两个实施方案均具有约0.1mm的厚度。钎焊衬里的包覆率为约20％，水侧衬里的包覆率为约11％。两个实施方案中的钎焊衬里均由相同的合金构成。两个实施方案中的水侧衬里由相同的合金构成。测试了两种不同的芯合金。
图21示出了图21中详细描述的两个实施方案的锌分布。关于两个实施方案，在制造过程中锌扩散到芯中，但是锌扩散的梯度仍然很陡。在水侧衬里和芯之间的锌含量差异是显著的，并且产生良好的腐蚀电位差，使得在两个实施方案中，水侧衬里可以为芯提供足够的腐蚀保护。
图22示出了OY腐蚀测试的结果。所示样品经过持续250小时的OY腐蚀测试。OY测试温度为95℃，流速为约1升/分钟。OY溶液组分如下：
化学产品 1升OY水中所要求的量
NaCl 225.50mg
Na2SO4 89.00mg
CuCl2·2H2O 2.65mg
FeCl3·6H2O 145.00mg
总的Cl- 195ppm
图23示出了完成浸没测试之后根据图21和图22所示和描述的两个实施方案的样本。只有水侧衬里受到腐蚀伤害。芯没有受到腐蚀。
图24显示完成浸渍测试60天后的图23的样本。
钎焊片材是具有多个不同层的金属片材，包括至少一个钎焊衬里或层。
钎焊衬里是钎焊片材的包括钎焊材料的层。
芯层是钎焊片材的层。芯层具有第一侧和第二侧。钎焊衬里位于芯层的第一侧或两侧。钎焊衬里可以直接在芯层上，或者在芯和钎焊衬里之间可以有中间层。
水侧衬里是钎焊片材的在芯层的一侧上的层。水侧衬里的目的是保护芯免受流经由钎焊片材制成的管内部的冷却剂的腐蚀。
如本文所用，“偶存元素”是指可以任选地添加到合金中以辅助合金生产的那些元素或材料。偶存元素的实例包括铸造助剂，例如晶粒细化剂。
晶粒细化剂是合金凝固期间播种(seed)新晶粒的孕育剂或晶核。晶粒细化剂的一个实例是包含96％的铝、3％的钛(Ti)和1％的硼(B)的9.5mm(3/8英寸)的杆，其中几乎所有的硼以精细分散的TiB2颗粒存在。在铸造期间，将晶粒细化杆以受控的速率成直线供入流入铸锭坑的熔融合金中。包含于合金中的晶粒细化剂的量通常取决于用于细化晶粒所使用的材料类型和合金生产过程。晶粒细化剂的实例包括与B结合的Ti(例如TiB2)或与碳结合的Ti(TiC)，然而也可以使用诸如Al-Ti中间合金的其它晶粒细化剂。通常，取决于所需铸造状态的晶粒尺寸，以0.0003wt.％到0.03wt.％的量将晶粒细化剂(例如硼)加入到合金中。此外，Ti可以以至多0.03wt.％的量单独加入到合金中，以提高晶粒细化剂的有效性。当Ti包含在芯合金中时，其通常以至多约0.10或0.20wt.％的量存在。
偶存元素可以少量存在，或可以大量存在，并且可添加本身所需的或其它的特性而不背离本文描述的合金，只要合金保留本文描述的所需的特性。然而，应该理解的是，通过仅仅添加对本文所需和所获得的性质组合没有其它影响的数量的一种元素或多种元素，不应该或不能避开本公开的范围。
如本文所使用的，杂质是由于例如铝的固有性质或和/或来自与制备设备接触的浸出而可以少量存在于合金中的那些物质。铁(Fe)是通常存在于铝合金中的杂质的例子。合金中的Fe含量通常应该不超过约0.25wt.％。在一些实施方案中，合金中的Fe含量不大于约0.15wt.％，或不大于约0.10wt.％，或不于大约0.08wt.％，或不大于约0.05wt.％或0.04wt.％。
本文提及的合金和回火由铝材的美国国家标准合金和回火名称与符号注册系统(American National Standard Alloy and Temper Designation Systems forAluminum)ANSI H35.1和2015年1月修订的“铝业协会的变形铝和变形铝合金的国际合金名称和化学成分限定”(the Aluminum Association International Alloy Designationsand Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought AluminumAlloys)来限定。
当提及元素的量时，表述“至多”意指元素组成是任选的或偶存的并且包括零数量的特定组成的组分，除非另外指出。所有成分百分比均为重量百分比(wt.％)，除非另外指出。

Claims (20)

1.一种钎焊片材，包含：
a.芯层，该芯层包含：
i.3xxx系列铝合金；
ii.第一侧；
iii.第二侧；
b.位于所述芯层的所述第一侧上的钎焊衬里；以及
c.位于所述芯层的所述第二侧上的水侧衬里，其中，所述水侧衬里是包含如下成分的铝合金，所述成分是：
i.7-20wt％的Zn；
ii.至多0.25wt％的Si；
iii.至多0.1wt％的Cu；
iv.至多0.25wt％的Mn；
v.至多0.1wt％的Mg；和
vi.至多0.1wt％的Cr。
2.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述水侧衬里包含：
a.7-20wt％的Zn；
b.至多0.25wt％的Si；
c.至多0.1wt％的Cu；
d.至多0.25wt％的Mn；
e.至多0.1wt％的Mg；和
f.至多0.1wt％的Cr，
g.余量为铝、偶存元素和杂质。
3.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述水侧衬里包含10-20wt％的Zn。
4.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述水侧衬里包含12-20wt％的Zn。
5.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述水侧衬里包含9-12wt％的Zn。
6.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述水侧衬里包含16-20wt％的Zn。
7.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述芯层包含：
a.0.5-1.25wt％的Si；
b.0.5-1.25wt％的Cu；
c.0.5-2.0wt％的Mn；
d.至多0.15wt％的Mg；
e.至多0.1wt％的Cr；
f.至多0.1wt％的Zn；和
g.0.1-0.2wt％的Ti。
8.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述芯层包含：
a.0.5-1.25wt％的Si；
b.0.5-1.25wt％的Cu；
c.0.5-2.0wt％的Mn；
d.至多0.15wt％的Mg；
e.至多0.1wt％的Cr；
f.至多0.1wt％的Zn；和
g.0.1-0.2wt％的Ti，
h.余量为铝、偶存元素和杂质。
9.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有60-180微米的厚度。
10.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有60-150微米的厚度。
11.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有80-150微米的厚度。
12.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有60-100微米的厚度。
13.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有60-180微米的厚度。
14.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有一厚度，并且所述水侧衬里构成所述厚度的7-15％。
15.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有一厚度，并且所述水侧衬里构成所述厚度的7-10％。
16.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有一厚度，并且所述水侧衬里构成所述厚度的5-15％。
17.根据权利要求1所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有一厚度，并且所述水侧衬里构成所述厚度的5-10％。
18.一种钎焊片材，包含：
a.芯层，该芯层包含：
i.3xxx系列铝合金；
ii.第一侧；
iii.第二侧；
b.位于所述芯层的所述第一侧上的钎焊衬里；以及
c.位于所述芯层的所述第二侧上的锌层。
19.根据权利要求18所述的钎焊片材，其特征在于，所述锌层包含99.9wt％的Zn。
20.根据权利要求18所述的钎焊片材，其特征在于，所述钎焊片材具有一厚度，并且所述锌层构成小于2％的所述厚度。
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