CN107428128A - 多层铝钎焊板材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多层钎焊板材料，该多层钎焊板材料具有：铝芯合金层，在所述铝芯层的一个表面上设有第一钎焊包覆层材料；以及中间层，所述中间层位于铝芯合金层及第一钎焊包覆层材料之间；其中所述芯层由铝合金制成，所述铝合金含有至多0.6％Si、至多0.45％Fe、0.6％‑1.25％Cu、0.6％‑1.4％Mn、0.08％‑0.4％Mg、至多0.2％Cr、至多0.25％Zr、至多0.25％Ti、至多0.3％Zn以及余量的铝，其中所述第一钎焊包覆层由4xxx系列铝合金制成，该4xxx系列铝合金具有6％‑14％Si及至多2％Mg以及余量的铝；其中所述的中间层由3xxx系列铝合金制成，该3xxx系列铝合金包含至多0.4％Si、至多0.5％Fe、至多0.8％Cu、0.4％‑1.1％Mn、至多0.04％Mg、至多0.2％Cr、至多0.25％Zr、至多0.25％Ti、至多0.3％Zn以及余量的铝。

Description

多层铝钎焊板材料
技术领域
本发明涉及多层钎焊板材料，所述多层钎焊板材料具有：3xxx系列铝芯合金层，在所述铝芯层的至少一个表面上设有4xxx系列钎焊包覆层材料；以及中间层，其位于铝芯合金层及钎焊包覆层材料之间。本发明还涉及钎焊换热器，其包括各种组件和至少一个由根据本发明的铝合金钎焊板制成的组件。
背景技术
将处于板或挤出形式的铝合金或铝的基材用于制备成形或成型的产品。在一些此类工艺中，包括基材在内的(成形的)铝部件互连。基材的一端可以与另一端互连，或者一个基材可以与一个或多个其它基材组装。这通常通过钎焊来完成，钎焊是本领域技术人员公知的技术。在钎焊工艺中，将钎焊填充金属或钎焊合金或者在加热时产生钎焊合金的组合物施加到待钎焊的基材的至少一部分。在组装基材部件之后，将它们加热直到钎焊金属或钎焊合金熔化。钎焊材料的熔点低于铝基材或铝芯板的熔点。
钎焊板产品广泛应用于换热器和其它类似设备。常规的钎焊产品具有轧制板的芯，通常(但并非唯一)是3xxx系列的铝合金，在芯板的至少一个表面上具有铝钎焊包覆层。铝钎焊包覆层通常由4xxx系列合金制成，该合金以2wt％-20wt％、优选7wt％-14wt％的量包含硅。可将铝钎焊包覆层以本领域已知的多种方式连接或结合至芯合金，例如通过轧制结合、包覆喷涂成型或者半连续或连续浇铸工艺。这些铝钎焊包覆层具有通常在约540℃至615℃范围内的液相线温度。
需要进一步改进的钎焊板材料，该材料能够充分成型以生产复杂形状的铝基材，还可暴露于真空钎焊和受控气氛钎焊(“CAB”)事件，并实现高水平的钎焊后强度。
发明内容
本发明的目的是提供满足这种需要的多层钎焊板材料，或至少提供替代产品，该替代产品能够充分成型以生产复杂形状的铝基材，还可以暴露于真空钎焊和受控气氛钎焊事件，并且实现高水平的钎焊后强度。
本发明实现或超越了上述目的和其它目的以及进一步的优势，其提供了多层钎焊板材料，该多层钎焊板材料具有：铝芯合金层，在所述铝芯层的一个表面上设有第一钎焊包覆层材料；以及中间层，所述中间层位于所述铝芯合金层及第一钎焊包覆层材料之间；
其中，所述芯层由铝合金制成，所述铝合金以wt％计包含至多0.6％Si、至多0.45％Fe、0.6％-1.25％Cu、0.6％-1.4％Mn、0.08％-0.4％Mg、至多0.2％Cr、至多0.25％Zr、至多0.25％Ti、至多0.3％Zn、余量的铝和杂质；
其中，所述第一钎焊包覆层由下述4xxx系列铝合金制成，所述4xxx系列铝合金具有6％-14％Si和至多2％Mg、余量的铝和杂质；以及
其中，所述中间层由3xxx系列铝合金制成，所述3xxx系列铝合金以wt％计包含至多0.4％Si、至多0.5％Fe、至多0.8％Cu、0.4％-1.1％Mn、至多0.04％Mg、至多0.2％Cr、至多0.25％Zr、至多0.25％Ti、至多0.3％Zn、余量的铝和杂质。
该合金可能含有常规和不可避免的杂质，通常所述杂质的各自的量小于0.05％且总量小于0.15％，余量为铝。
附图说明
图1a至图1d是使用现有技术以及根据本发明的多层钎焊板产品的实施方式的示意图。
具体实施方式
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(temperdesignations)是指由美国铝业协会(Aluminum Association)在2015年出版并经常更新的“Aluminum Standards and Data and the Teal Sheets Registration Record Series”中的“Aluminum Association designations”，其为本领域技术人员所公知。
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。本文使用的术语“至多”和“至多约”明确地包括但不限于所指的特定合金成分的重量分数为0的可能性，例如，至多约0.2％Ti可包括不含有Ti的合金。
特定的3xxx系列中间层控制来自界面区域的扩散，特别是来自芯的Cu和来自钎焊包覆材料的Si，同时保持高的热疲劳性能。本发明的多层钎焊板材料提供高的钎焊后强度，特别是至少65MPa、更通常地至少70MPa的钎焊后屈服强度。本发明的多层钎焊板材料具有非常好的耐腐蚀性，特别是在酸性环境中的耐腐蚀性，并能够经受周期性的温度和压力变化，这通常见于汽车应用(例如由于废燃料蒸汽冷凝的结果)；由此，该钎焊板材料适合用于直接空-空(air-to-air)增压空气冷却(charge air cooling，“CAC”)或中间冷却、空-水(air-to-water)CAC、水-空(water-to-air)CAC、空-制冷剂(air-to-refrigerant)CAC、制冷剂-空(refrigerant-to-air)CAC、水-制冷剂冷凝器和蒸发器(其中3xxx中间层朝向水侧)、废气冷却、废气再循环系统、混合冷却系统、两相冷却系统、用于散热器和加热器芯的管材、电池冷却系统的片材等，并且形成至少能够使这种换热器单元的使用寿命延长超出当前技术可行的性能范围的替代产品。多层钎焊板材料可以作为卷材和板材生产，以支持大量生产规模或批量规模加工，并且可充分成型以生产上述复杂形状的铝基材。该多层钎焊板材料可在受控气氛钎焊工艺(可以施用或不施用钎焊钎剂材料)以及真空钎焊工艺中进行钎焊，并且在周期性运行中具有高的热稳定性。
相较由1xxx系列铝合金制成的中间层，用于所述中间层的特定的3xxx系列合金提供更好的钎焊后强度以及耐腐蚀性。中间层阻止Mg从芯层扩散至钎焊包覆层。此外，具有3xxx系列中间层(而不是1xxx系列中间层)的多层钎焊板产品在工业规模上更易于轧制结合。
铝芯合金和中间层合金中的铜含量具有重叠的范围。在优选实施方式中，选择芯合金和中间层具有不同的Cu含量，使得芯合金具有高于中间层合金的Cu含量。在钎焊后条件下，这将在钎焊板产品中产生稳定的Cu梯度，改变从表面至芯的局部腐蚀电位，因此提供十分优异的耐腐蚀性。
在一个实施方式中，3xxx系列铝中间层合金由下述铝合金制成，该铝合金以wt％计由以下成分组成：至多0.6％Si、至多0.45％Fe、0.6％-1.25％Cu、0.6％-1.4％Mn、0.08％-0.4％Mg、至多0.2％Cr、至多0.25％Zr、至多0.25％Ti、至多0.3％Zn，余量的铝和杂质。
在优选实施方式中，3xxx系列铝芯合金由下述铝合金制成，该铝合金以wt％计由以下成分组成：至多0.25％Si、至多0.35％Fe、0.7％-1.1％Cu、0.7％-1.2％Mn、0.1％-0.4％Mg、至多0.2％Cr、0.04％-0.25％Zr、0.03％-0.2％Ti，至多0.15％Zn，余量的铝和杂质。
在更优选的实施方式中，3xxx系列芯合金由下述铝合金制成，该铝合金以wt％计由以下成分组成：至多0.1％Si、至多0.25％Fe、0.75％-1.05％Cu，0.75％-1.1％Mn、0.15％-0.35％Mg、至多0.1％Cr、0.04％-0.15％Zr、0.05％-0.2％Ti、至多0.1％Zn，余量的铝和杂质。
如本领域已记载的，芯合金中较高的Ti水平是为了增加3xxx系列合金的钎焊后耐腐蚀性。考虑到芯合金的时效硬化特性，较高的Zr水平是为了增加钎焊后强度。同时，考虑到芯合金的时效硬化特性，为增加钎焊后强度，Mg含量至多0.4％，优选为更小范围。芯合金中通常使用的Mg含量优选为0.25％、0.30％或0.35％。对于将钎焊组件整合至例如由本发明的多层钎焊板材料制成的钎焊管，在钎焊周期的最后提高从钎焊温度降至低于100℃、优选至室温的冷却速度对于本发明的多层钎焊板产品的时效硬化特征(例如时效响应)是有利的。
由3xxx系列铝合金制成并设置于铝芯合金层以及第一钎焊包覆层材料之间的中间层或中间衬里具有的通常厚度为多层钎焊板总厚度的大约4％-20％。为增进多层板材料的轧制，优选其厚度不超过于总厚度的15％，优选其厚度为总厚度的至少6％。中间层用于限制合金元素从芯层扩散至包覆钎焊层，由此在钎焊后条件下限制晶间腐蚀通过芯层的延伸，从而在应用于换热器中时显著改善钎焊板产品的钎焊后耐腐蚀性能。根据本发明的特定中间层在周期性运行中还提供高的热稳定性。特定的3xxx系列中间层还为3xxx系列芯合金提供电偶保护(galvanic protection)。
在一个实施方式中，3xxx系列铝中间层合金由下述铝合金制成，该铝合金以wt％计由以下成分组成：至多0.4％Si、至多0.5％Fe、至多0.8％Cu、0.4％-1.1％Mn、至多0.04％Mg、至多0.2％Cr、至多0.25％Zr、至多0.25％Ti、至多0.3％Zn，余量的铝和杂质。
在优选的实施方式中，3xxx系列铝中间层合金由下述铝合金制成，该铝合金以wt％计由以下成分组成：
至多0.3％Si，更优选至多0.2％；
至多0.5％Fe，优选0.15％-0.45％，更优选0.25％-0.45％；
至多0.75％Cu，优选0.20％-0.70％，更优选0.40％-0.70％；
0.6％-1.1％Mn，优选0.7％-1.0％，更优选0.7％-0.95％；
至多0.04％Mg，优选至多0.02％，使得该铝合金基本上不含Mg；
至多0.2％Cr，优选至多0.09％，更优选至多0.04％；
至多0.25％Zr，优选至多0.09％，更优选至多0.04％；
至多0.25％Ti，优选0.05％-0.2％，更优选0.06％-0.12％；
至多0.3％Zn，优选至多0.15％，更优选至多0.1％；
余量的铝和杂质。
如实例图1d所展示的，第一钎焊包覆衬里和任选的第二钎焊包覆衬里各自由具有6％-14％Si和至多0.35％Mg的4xxx系列铝合金制成，理想地用于CAB工艺中。优选地，Si至多11％。Mg的水平优选为至多0.10％，更优选为至多0.04％，使得该铝合金基本上不含Mg。余量由铝和不可避免的杂质组成，其在实践中将表示至多0.7％Fe、至多0.3％Mn、至多0.25％Cu、至多1％Zn、其它元素每种<0.05％、其它元素总量<0.2％、余量的铝。
在替代的实施方式中，如实例图1d所展示的第一钎焊包覆衬里和任选的第二钎焊包覆衬里各自由具有6％-14％Si和至多2％Mg、余量的铝和杂质的4xxx系列铝合金制成。优选地，Si含量在7％-11％Si的范围内。优选地，Mg含量在0.4％-2％、更优选1％-1.8％Mg的范围内，以使得钎焊板材料能够用于真空钎焊工艺中。余量由铝和不可避免的杂质组成，其在实践中将表示至多0.7％Fe、至多0.3％Mn、至多0.25％Cu、至多1％Zn、其它元素每种<0.05％、其它元素总量<0.2％、余量的铝。
在替代的实施方式中，如实例图1d所展示的第一钎焊包覆衬里和任选的第二钎焊包覆衬里各自由具有6％-12％Si、至多0.5％Mg、至多0.5％Bi和/或至多0.5％Y的4xxx系列铝合金制成，理想地用于无钎剂受控气氛钎焊工艺。优选地，Si至多9％。余量由铝和不可避免的杂质组成，其在实践中将表示至多0.7％Fe、至多0.3％Mn、至多0.25％Cu、至多1％Zn、其它元素每种<0.05％、其它元素总量<0.2％、余量的铝。
在本发明的实施方式中，所述多层钎焊板材料由四层结构组成，该结构由以下顺序的层组成：第一钎焊包覆层，3xxx中间衬里，芯层，以及为位于芯及第一钎焊包覆层之间的中间层制成的层或芯提供电偶保护的层、或水侧衬里或第二钎焊包覆层。当用于冷却系统中，例如水-制冷剂冷凝器或蒸发器中时，该特定的四层结构中，所述位于芯及第一钎焊包覆层之间的3xxx中间衬里应朝向水侧。
在本发明的实施方式中，所述多层钎焊板材料由对称的五层结构组成，该结构由以下顺序的层组成：第一钎焊包覆层、3xxx中间衬里、芯层、3xxx中间衬里以及第二钎焊包覆层。
本发明的多层钎焊板材料可以通过各种技术制造。例如可以通过本领域公知的轧制结合进行。或者，可以通过热喷涂技术将一个或多个层施加在芯合金层上。或者，芯合金层和中间衬里可以通过铸造技术制造，例如在2004年12月29日公布的国际专利文献WO-2004/112992-A2(Alcan)中所公开的技术；可以通过例如轧制结合或热喷涂技术施加进一步的层。
本发明的多层钎焊板材料在最终规格上具有约0.08mm至0.8mm的通常厚度。多层钎焊板材料在最终规格上优选至少0.1mm厚，更优选至少0.15mm厚。多层钎焊板材料在最终规格上优选不超过0.7mm厚。
第一钎焊包覆层和任选的第二钎焊包覆层通常各自具有占多层钎焊板材料总厚度约5％-15％的厚度，例如各自占约10％或12.5％。
在本发明的实施方式中，芯层在其热变形之前的制造路线中已经被均质化为较薄规格的材料。为增强本发明多层钎焊板材料的易制性，3xxx系列中间衬里在其制造路线中可以被均质化。如果3xxx系列中间衬里在其制造路线中未被均质化，将会提高多层钎焊板产品的整体耐腐蚀性。通常，这种均质化热处理在400℃至650℃的温度范围内进行，均热时间约为5-48小时。
在本发明的实施方式中，钎焊板材料以O状态提供，并且其被完全退火。
在本发明的实施方式中，钎焊板材料以H2x状态或H1x状态提供，其中x为1、2、3、4、5或6。更优选其以H24状态提供。或是钎焊板材料以H14状态提供。
在本发明的另一方面中，涉及由根据本发明的多层钎焊板材料制成的钎焊管，该钎焊管作为换热器装置中的流体通道。
在本发明的另一方面，涉及一种钎焊换热器，其包括由根据本发明的多层钎焊板材料制成的至少一个管。理想情况下，换热器是增压空气冷却器(“CAC”)。更优选用于水-空CAC中，其在本领域也称为液体-CAC。
该钎焊板材料还适合应用于空-制冷剂CAC、空-空CAC、空-水CAC、空-制冷剂CAC、水-制冷剂冷凝器和蒸发器(其中3xxx中间层朝向水侧)、废气冷却器、废气再循环系统、混合冷却系统、两相冷却系统、用于散热器和加热器芯的管材、电池冷却系统的片材。
图1a展示为本领域已知的传统钎焊板产品的示意图，所述的钎焊板产品包含：铝芯合金(3)，例如3xxx系列合金，以及包覆在一侧的4xxx系列钎焊包覆层(1)。
图1b展示多层钎焊板产品的示意图，所述的多层钎焊板产品包含：3xxx系列铝芯合金(3)，如本说明书所述的包覆在一侧的4xxx系列钎焊包覆层(1)，以及设置于芯层(3)及钎焊包覆层(1)之间的3xxx系列铝合金中间层或中间衬里(2)。
图1c展示类似于图1b的示意图，其中，在芯层(3)的另一侧设置可作为牺牲阳极的层(4)，例如水侧衬里或是第二钎焊包覆层。
图1d展示类似于图1b的示意图，其中，在芯铝合金层(3)的各侧均设置中间衬里层(2)及钎焊包覆层(1)。

Claims (15)

1.一种多层钎焊板材料，所述多层钎焊板材料具有：铝芯合金层，在所述铝芯层的一个表面上设有第一钎焊包覆层材料；以及中间层，所述中间层位于所述铝芯合金层及所述第一钎焊包覆层材料之间；其中所述芯层由铝合金制成，所述铝合金以wt％计包含：至多0.6％Si、至多0.45％Fe、0.6％-1.25％Cu、0.6％-1.4％Mn、0.08％-0.4％Mg、至多0.2％Cr、至多0.25％Zr、至多0.25％Ti、至多0.3％Zn、余量的铝和杂质；其中，所述第一钎焊包覆层由4xxx系列铝合金制成，所述4xxx系列铝合金具有6％-14％Si和至多2％Mg、余量的铝和杂质；并且其中，所述中间层由3xxx系列铝合金制成，所述3xxx系列铝合金以wt％计包含至多0.4％Si、至多0.5％Fe、至多0.8％Cu、0.4％-1.1％Mn、至多0.04％Mg、至多0.2％Cr、至多0.25％Zr、至多0.25％Ti、至多0.3％Zn、余量的铝和杂质。
2.根据权利要求1所述的多层钎焊板产品，其中所述芯合金中Cu含量高于位于所述芯合金及所述第一钎焊包覆层之间的所述中间层中的Cu含量。
3.根据权利要求1或2所述的多层钎焊板产品，其中所述芯层由下述铝合金制成，该铝合金以wt％计由以下成分组成：至多0.25％Si、至多0.35％Fe、0.7％-1.1％Cu、0.7％-1.2％Mn、0.1％-0.4％Mg、至多0.2％Cr、0.04％-0.25％Zr、0.03％-0.2％Ti、至多0.15％Zn、余量的铝和杂质。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多层钎焊板产品，其中所述芯层由下述铝合金制成，该铝合金以wt％计由以下成分组成：至多0.1％Si、至多0.25％Fe、0.75％-1.05％Cu、0.75％-1.1％Mn、0.15％-0.35％Mg、至多0.1％Cr、0.04％-0.15％Zr、0.05％-0.2％Ti、至多0.1％Zn、余量的铝和杂质。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多层钎焊板产品，其中所述3xxx系列铝中间层合金由下述的铝合金制成，该铝合金以wt％计由以下成分组成：至多0.3％Si；至多0.5％Fe；至多0.75％Cu，优选为0.20％-0.70％；0.6％-1.1％Mn；至多0.04％Mg；至多0.2％Cr；至多0.25％Zr；至多0.25％Ti；至多0.3％Zn；余量的铝和杂质。
6.根据权利要求5所述的多层钎焊板产品，其中所述3xxx系列铝中间层合金由下述铝合金制成，该合金具有至多0.15％的Zn、优选至多0.1％的Zn。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的多层钎焊板产品，其中所述的钎焊板产品具有至少为65MPa、优选至少为70MPa的钎焊后的屈服强度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的多层钎焊板产品，其中所述中间层具有所述多层钎焊板产品总厚度的4％-20％的厚度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的多层钎焊板产品，其中所述多层钎焊板产品具有0.1mm-0.8mm的总厚度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的多层钎焊板产品，其中所述芯层已经均质化。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的多层钎焊板产品，其中所述芯层以及所述中间衬里层已经均质化。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的多层钎焊板产品，其中所述3xxx系列中间衬里层未均质化。
13.由根据权利要求1至12中任一项所述的多层钎焊板材料制成的多层钎焊管。
14.一种换热器，其包括由根据权利要求1至12中任一项所述的多层钎焊板材料制成的钎焊管。
15.一种增压空气冷却器、优选空-水增压空气冷却器，其整合有由根据权利要求1至12中任一项所述的多层钎焊板材料制成的钎焊管。
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