CN108138273A - 用于hvac＆r系统的高强度和耐腐蚀合金 - Google Patents

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Abstract

本文提供适用于代替在热交换器中的铜的新型铝合金材料。所述铝合金材料还适用于制造用于室内和室外单元的加热、通风、空调和制冷(HVAC&R)系统的部件。所述合金非常适用于在热交换器中的套管。所述合金显示高强度和良好耐腐蚀性。本文还提供用于制备所述铝合金材料的方法。

Description

用于HVAC＆R系统的高强度和耐腐蚀合金
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年5月27日提交的美国临时申请第62/342,723号的权益，所述临时申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及材料科学、材料化学、冶金、铝合金、铝制造的领域和相关领域。更具体地说，本公开提供可用于多种应用中，包括但不限于制造用于室内和室外单元的加热、通风、空调和制冷(HVAC&R)系统的部件的新颖铝合金。
背景技术
HVAC&R系统的金属部件随时间推移倾向于呈现腐蚀。一种具体实例为金属套管。近一个世纪以来，在HVAC&R系统中的金属套管由铜制成，并且铜套管的腐蚀作用长期以来为具有巨大成本影响的显著问题。管的腐蚀可导致系统性能降低。具体来说，在管和翅片之间的电流腐蚀可导致管渗漏，这引起单元性能下降。
需要提高HVAC&R部件的性能、能效和耐久性的替代的方法。大部分HVAC&R和制冷设备设计基于圆管板翅片设计。此基本设计已使用近100年。已以各种方式增强概念以实现较高热传递性能。具体来说，铝类溶液具有提供许多益处的设计优点。举例来说，在铝热交换器中，由于翅片和管之间较近的电流平衡，管腐蚀发生远慢于在单元中的混合金属-铜管和铝翅。然而，仍要求更好的性能。
可通过用其它材料替代铜管来实现所需性能。HVAC&R铜套管的当前替代物包括铝包覆管和锌涂布的管。然而，铝包覆管因为包覆层而需要额外加工步骤，这增加价格。由于额外多余步骤，对于锌涂布的管存在类似问题。此外，一旦在工作期间锌涂布的层腐蚀，就耗尽锌涂布的管腐蚀寿命。
发明内容
由权利要求定义本发明的涵盖实施例，而非此发明内容。此发明内容为本发明的各种方面的高阶综述并且引入一些进一步描述于以下具体实施方式部分中的概念。本发明内容并不旨在识别所要求的主题的关键特征或基本特征，也并非旨在单独用于确定所要求的主题的范围。主题应参照整个说明书的恰当的部分、任一或所有附图和每个权利要求来理解。
本文提供非常适用于代替在多种应用，包括管道应用、HVAC&R应用、汽车应用、工业应用、运输应用、电子装置应用、航空应用、轨道应用、包装应用等中的铜的新颖铝合金。
本文所公开的铝合金为在室内和室外HVAC&R单元中常规使用的金属的合适替代物。举例来说，本文所公开的铝合金为在HVAC&R系统的部件中常规使用的铜(例如铜套管)的合适替代物。本文所描述的铝合金与铜相比提供更好腐蚀性能并且提供材料成本节省。作为非限制性实例，含有本文所描述的铝合金的圆或微通道铝合金管可代替在HVAC&R室内和室外单元中的圆铜管。
本文所提供的铝合金显示高强度和耐腐蚀性。在一些实例中，本文所描述的铝合金包含以下，均以重量％为单位：Cu：约0.01％-约0.60％，Fe：约0.05％-约0.40％，Mg：约0.05％-约0.8％，Mn：约0.001％-约2.0％，Si：约0.05％-约0.25％，Ti：约0.001％-约0.20％，Zn：约0.001％-约0.20％，Cr：0％-约0.05％，Pb：0％-约0.005％，Ca：0％-约0.03％，Cd：0％-约0.004％，Li：0％-约0.0001％，和Na：0％-约0.0005％。其它元素可以单独0.03％的水平作为杂质存在，其中总杂质不超过0.10％。剩余部分为铝。在一些实例中，本文所描述的铝合金包含以下，均以重量％为单位：Cu：约0.05％-约0.10％，Fe：约0.27％-约0.33％，Mg：约0.46％-约0.52％，Mn：约1.67％-约1.8％，Si：约0.17％-约0.23％，Ti：约0.12％-约0.17％，Zn：约0.12％-约0.17％，Cr：0％-约0.01％，Pb：0％-约0.005％，Ca：0％-约0.03％，Cd：0％-约0.004％，Li：0％-约0.0001％，Na：0％-约0.0005％，其它元素单独至多0.03％并且总计至多0.10％，和剩余部分Al。在一种情况下，铝合金含有：Cu：约0.07％，Fe：约0.3％，Mg：约0.5％，Mn：约1.73％，Si：约0.2％，Ti：约0.15％，Zn：约0.15％，其它元素单独0.03％并且总计0.10％，和剩余部分铝。
任选地，基于国际退火铜标准(IACS)，本文所描述的铝合金的电导率高于40％(例如基于IACS约41％)。本文所描述的铝合金的腐蚀电位可为约-735mV。任选地，本文所描述的铝合金的屈服强度大于约130MPa，并且极限拉伸强度大于约185MPa。铝合金可处于H回火或O回火。
本文还提供生产铝合金的方法。方法包括以下步骤：铸造如本文所描述的铝合金以形成铸铝合金，均质化铸铝合金，热轧铸铝合金以生产中间规格片材，冷轧中间规格片材以产生最终规格片材，和任选地退火最终规格片材。
本文另外提供包含如本文所描述的铝合金的铝制品。铝制品可包含热交换部件(例如散热器、冷凝器、蒸发器、油冷却器、中间冷却器、增压空气冷却器或加热器芯中的至少一个)。任选地，热交换器部件包含管。铝制品可包含室内HVAC&R单元或室外HVAC&R单元。铝制品可包含电缆管道托架、灌溉管路或海洋交通工具。
本文还提供包含由如本文所描述的铝制品形成的管和由7xxx系列铝合金(例如AA7072)或1xxx系列铝合金(例如AA1100)形成的翅片的制品，其中翅片通过钎焊接合到管。
在考虑以下非限制性实例的详细描述时，另外的方面、目的和优点将变得显而易见。
附图说明
图1为示出示例性合金A和比较合金的屈服强度(YS)、极限拉伸强度(UTS)和伸长率(EI)的图。
图2示出在海水乙酸测试(SWAAT)暴露一周之后示例性合金A和比较合金的图片。
图3示出在SWAAT暴露一周之后示例性合金A和比较合金的图片。
图4示出在SWAAT暴露一周之后示例性合金A和比较合金的图片。
图5示出在SWAAT暴露四周之后示例性合金A和比较合金的图片。
图6示出在SWAAT暴露四周之后示例性合金A和比较合金的图片。
图7示出在SWAAT暴露四周之后示例性合金A和比较合金的图片。
图8示出在SWAAT条件暴露四周之后耦接到AA7072翅片的铜(板A)和耦接到AA1100翅片的铜(板B)的图片。
图9示出在SWAAT条件暴露四周之后耦接到AA7072翅片的示例性合金A(板A)和耦接到AA1100翅片的示例性合金A(板B)的图片。
图10为示出在缠绕弯曲测试后没有任何裂纹的样品的数字图像。
图11为示出在缠绕弯曲测试后含有裂纹的样品的数字图像。
具体实施方式
本文所描述的为新颖铝合金和使用合金的方法。本文所描述的合金呈现使得合金在铜为适合的任何应用中可代替铜(Cu)的特性。举例来说，本文所描述的合金可代替在HVAC&R系统(包括在室内和室外HVAC&R单元中的管)中传统使用的铜管。合金还可用于代替现有挤出合金，并且还可用于其它钎焊应用，如散热器、冷凝器、油冷却器和加热器芯(例如当镁(Mg)含量维持在小于0.5wt％时)。本文所描述的合金可包覆在一侧或两侧上并且用于上述应用中。合金具有比当前可作为铜套管的替代物获得的包覆和锌涂布的铝管更长寿命和更高强度。此外，本文所描述的合金可用于一般工业应用中，包括电缆管道托架和灌溉管路。在一些其它实例中，本文所描述的合金可用于运输应用中，例如用于海洋交通工具(例如水船舶交通工具)、汽车、商业交通工具、飞行器或轨道应用中。在再其它实例中，本文所描述的合金可用于电子装置应用中，例如用于电力供应和散热器中，或用于任何其它所需应用中。
定义和描述
如本文所用，术语“本发明(invention/the invention、this invention和thepresent invention)”旨在大体上指本专利申请和下文权利要求书的所有主题。含有这些术语的陈述应理解为不限制本文所述的主题或不限制以下专利权利要求书的涵义或范围。
在本说明书中，可参考通过AA数字和其它相关标识，如“系列”或“1xxx”标识的合金。为了理解最常用于命名和标识铝和其合金的数字名称系统，参见“用于鍛铝和鍛铝合金的国际合金名称和化学组成限制(International Alloy Designations and ChemicalComposition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys)”或“用于呈铸件和锭形式的铝合金的铝业协会合金名称和化学组合物限制的登记记录(Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and ChemicalCompositions Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot)”，均由铝业协会(The Aluminum Association)公布。
如本文所用，除非上下文另外明确规定，否则“一种(a/an)”和“所述”的意义包括单数和复数个参考物。
如本文所用，“室外”的意义是指不完全含于通过人类生产的任何结构内并且暴露于以下地质学和气象环境条件的放置：如空气、太阳辐射、风、雨、雨夹雪、雪、冻雨、冰、冰雹、沙尘暴、湿度、干燥度、烟(例如烟草烟、房屋火烟、工业焚烧炉烟和野火烟)、烟雾、化石燃料废气、生物燃料废气、盐(例如在接近盐水的主体的区域中高盐含量空气)、放射性、电磁波、腐蚀性气体、腐蚀性液体、电流金属、电流合金、腐蚀性固体、等离子体、火、静电放电(例如雷电)、生物材料(例如动物废弃物、唾液、排出的油和植被)、风沙颗粒、气压改变和白天的温度改变。
如本文所用，“室内”的意义是指含于通过人类生产的任何结构内的放置，任选地在受控制的环境条件下。
如本文所用，“室温”的意义可包括约15℃到约30℃，例如约15℃、约16℃、约17℃、约18℃、约19℃、约20℃、约21℃、约22℃、约23℃、约24℃、约25℃、约26℃、约27℃、约28℃、约29℃或约30℃的温度。
在本申请中参考合金回火或条件。为了理解最常使用的合金回火描述，参见“合金和回火名称系统的美国国家标准(ANSI)H35”。F条件或回火是指在制造时的铝合金。O条件或回火是指在退火之后的铝合金。Hxx条件或回火(在本文中也被称作H回火)是指在存在或不存在热处理(例如退火)下在冷轧之后的铝合金。合适的H回火包括HX1、HX2、HX3HX4、HX5、HX6、HX7、HX8或HX9回火。
此外，本文所公开的所有范围应理解为包含其中所包含的任何和所有子范围。举例来说，“1到10”的陈述范围应认为包括在最小值1和最大值10之间(并且包括最小值1和最大值10)的任何和所有子范围；即，所有子范围从最小值1或更大开始，例如1到6.1，并且以最大值10或更小结束，例如5.5到10。
合金组成
本文所描述的为具有高耐腐蚀性和高强度的铝合金。以重量％(wt％)为单位根据其元素组成描述铝合金和其组分。在每种合金中，剩余部分为铝，其中对于所有杂质的总和最大值为0.1％的wt％。
在一些实例中，本文所公开的合金含有以下，均以重量％为单位：铜(Cu)：约0.01％-约0.60％(例如约0.01％-约0.6％、约0.05％-约0.6％、约0.05％-约0.55％、约0.05％-约0.50％、约0.05％-约0.40％，或约0.05％-约0.30％)；铁(Fe)：约0.05％-约0.40％(例如约0.1％-约0.4％、约0.2％-约0.4％、约0.05％-约0.33％、约0.2％-约0.33％，或约0.27％-约0.33％)；镁(Mg)：约0.05％-约0.8％(例如约0.1％-约0.8％、约0.3％-约0.8％、约0.3％-约0.6％、约0.3％-约0.52％、约0.46％-约0.52％，或约0.46％-约0.8％)；锰(Mn)：约0.001％-约2.0％(例如约0.1％-约2.0％、约0.5％-约2.0％、约1.0％-约2.0％、约1.5％-约2.0％、约0.5％-约1.8％、约1.0％-约1.8％、约1.5％-约1.8％，或约1.67％-约1.8％)；硅(Si)：约0.05％-约0.25％(例如约0.10％-约0.30％、约0.10％-约0.23％、约0.17％-约0.30％，或约0.17％-约0.23％)；钛(Ti)：约0.001％-约0.22％(例如约0.01％-约0.20％、约0.05％-约0.20％、约0.1％-约0.20％、约0.12％-约0.20％、约0.01％-约0.17％、约0.5％-约0.17％、约0.1％-约0.17％，或约0.12％-约0.17％)；锌(Zn)：约0.001％-约0.22％(例如约0.01％-约0.20％、约0.05％-约0.20％、约0.1％-约0.20％、约0.12％-约0.20％、约0.01％-约0.17％、约0.5％-约0.17％、约0.1％-约0.17％，或约0.12％-约0.17％)；铬(Cr)：0％-约0.05％(例如0％-约0.01％)；铅(Pb)：0％-约0.01％(例如0％-约0.005％)；钙(Ca)：0％-约0.06％(例如0％-约0.03％)；镉(Cd)：0％-约0.01(例如0％-约0.004％、0％-约0.006％、0％-约0.008％、约0.001％-约0.004％、约0.001％-约0.006％、约0.001％-约0.008％，或约0.001％-约0.01％)；锂(Li)：0％-约0.001％(例如0％-约0.0001％、0％到约0.0004％、0％到约0.0008％、约0.00005％-约0.0001％、约0.00005％-约0.0004％、约0.00008％-约0.0001％，或约0.00005％-约0.001％)；和钠(Na)：0％-约0.001％(例如0％-约0.0005％、0％-约0.0007％，或约0.001％-约0.0005％、约0.001％-约0.007％)。其它元素可以单独0.03％的水平作为杂质存在，其中总杂质不超过0.10％。剩余部分为铝。
在一些情况下，合金含有以下，均以重量％为单位：Cu：约0.01％-约0.60％，Fe：约0.05％-约0.40％，Mg：约0.05％-约0.8％，Mn：约0.001％-约2.0％，Si：约0.05％-约0.25％，Ti：约0.001％-约0.20％，Zn：约0.001％-约0.20％，Cr：0％-约0.05％，Pb：0％-约0.005％，Ca：0％-约0.03％，Cd：0％-约0.004％，Li：0％-约0.0001％，和Na：0％-约0.0005％。其它元素可以单独0.03％的水平作为杂质存在，其中总杂质不超过0.10％。剩余部分为铝。
在一些实例中，合金含有以下，均以重量％为单位：Cu：约0.05％-约0.30％，Fe：约0.27％-约0.33％，Mg：约0.46％-约0.52％，Mn：约1.67％-约1.8％，Si：约0.17％-约0.23％，Ti：约0.12％-约0.17％，Zn：约0.12％-约0.17％，Cr：0％-约0.01％，Pb：0％-约0.005％，Ca：0％-约0.03％，Cd：0％-约0.004％，Li：0％-约0.0001％，和Na：0％-约0.0005％。其它元素可以单独0.03％的水平作为杂质存在，其中总杂质不超过0.10％。剩余部分为铝。
在一种情况下，合金含有Cu：约0.07％，Fe：约0.3％，Mg：约0.5％，Mn：约1.73％，Si：约0.2％，Ti：约0.15％，Zn：约0.15％，其它元素单独0.03％并且总计0.10％，其中剩余部分为铝。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为0.01％-0.60％的铜(Cu)。举例来说，合金可包括约0.01％、约0.02％、约0.03％、约0.04％、约0.05％、约0.06％、约0.07％、约0.08％、约0.09％、约0.10％、约0.11％、约0.12％、约0.13％、约0.14％、约0.15％、约0.16％、约0.17％、约0.18％、约0.19％、约0.20％、约0.21％、约0.22％、约0.23％、约0.24％、约0.25％、约0.26％、约0.27％、约0.28％、约0.29％、约0.30％、约0.31％、约0.32％、约0.33％、约0.34％、约0.35％、约0.36％、约0.37％、约0.38％、约0.39％、约0.40％、约0.41％、约0.42％、约0.43％、约0.44％、约0.45％、约0.46％、约0.47％、约0.48％、约0.49％、约0.50％、约0.51％、约0.52％、约0.53％、约0.54％、约0.55％、约0.56％、约0.57％、约0.58％、约0.59％，或约0.60％Cu。在一些实例中，在固体溶液中的Cu可提高本文所描述的铝合金的强度。Cu通常在铝合金中不形成粗沉淀物；然而，Cu可在热轧或退火温度(例如约300℃-约500℃)下沉淀，这取决于存在的Cu的浓度。在平衡条件下并且在如本文所描述的Cu水平(例如约0.6wt％)的情况下，Cu通过形成金属间AlMnCu相降低Mn的固体溶解度。在铸铝合金的均质化期间并且在热轧之前，在如下文进一步描述的条件下发生AlMnCu粒子生长。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为约0.05％-约0.40％的铁(Fe)。举例来说，合金可包括约0.05％、约0.06％、约0.07％、约0.08％、约0.09％、约0.10％、约0.11％、约0.12％、约0.13％、约0.14％、约0.15％、约0.16％、约0.17％、约0.18％、约0.19％、约0.20％、约0.21％、约0.22％、约0.23％、约0.24％、约0.25％、约0.26％、约0.27％、约0.28％、约0.29％、约0.30％、约0.31％、约0.32％、约0.33％、约0.34％、约0.35％、约0.36％、约0.37％、约0.38％、约0.39％或约0.40％Fe。在一些实例中，Fe可为金属间组分的一部分，所述金属间组分可含有Mn、Si和其它元素。并入本文所描述的量的Fe可控制形成粗金属间组分。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为约0.05％-约0.8％的镁(Mg)。举例来说，合金可包括约0.05％、约0.06％、约0.07％、约0.08％、约0.09％、约0.10％、约0.11％、约0.12％、约0.13％、约0.14％、约0.15％、约0.16％、约0.17％、约0.18％、约0.19％、约0.20％、约0.21％、约0.22％、约0.23％、约0.24％、约0.25％、约0.26％、约0.27％、约0.28％、约0.29％、约0.30％、约0.31％、约0.32％、约0.33％、约0.34％、约0.35％、约0.36％、约0.37％、约0.38％、约0.39％、约0.40％、约0.41％、约0.42％、约0.43％、约0.44％、约0.45％、约0.46％、约0.47％、约0.48％、约0.49％、约0.50％、约0.51％、约0.52％、约0.53％、约0.54％、约0.55％、约0.56％、约0.57％、约0.58％、约0.59％、约0.60％、约0.61％、约0.62％、约0.63％、约0.64％、约0.65％、约0.66％、约0.67％、约0.68％、约0.69％、约0.70％、约0.71％、约0.72％、约0.73％、约0.74％、约0.75％、约0.76％、约0.77％、约0.78％、约0.79％或约0.80％Mg。在一些实例中，Mg可经由固体溶液强化提高铝合金的强度。Mg可与存在于本文所描述的铝合金中的Si和Cu配位，提供可时效硬化合金。在一些情况下，大量Mg(例如高于本文所叙述的范围)可降低铝合金的耐腐蚀性并且可降低铝合金的熔融温度。因此，Mg应以本文所描述的量存在以提高强度而不降低耐腐蚀性并且不降低铝合金的熔融温度。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为约0.001％-约2.0％的锰(Mn)。举例来说，合金可包括约0.001％、约0.005％、约0.01％、约0.05％、约0.1％、约0.5％、约1.0％、约1.1％、约1.2％、约1.3％、约1.4％、约1.5％、约1.6％、约1.65％、约1.66％、约1.67％、约1.68％、约1.69％、约1.70％、约1.71％、约1.72％、约1.73％、约1.74％、约1.75％、约1.76％、约1.77％、约1.78％、约1.79％、约1.80％、约1.81％、约1.82％、约1.83％、约1.84％、约1.85％、约1.86％、约1.87％、约1.88％、约1.89％、约1.9％、约1.91％、约1.92％、约1.93％、约1.94％、约1.95％、约1.96％、约1.97％、约1.98％、约1.99％或约2.0％Mn。Mn可经由固体溶液强化提高铝的强度。Mn可与铝形成金属间化合物的分散体。举例来说，与如本文所描述的Fe量组合的较高Mn含量可导致形成粗Mn-Fe金属间组分。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为约0.05％-约0.25％的硅(Si)。举例来说，合金可包括约0.05％、约0.06％、约0.07％、约0.08％、约0.09％、约0.10％、约0.11％、约0.12％、约0.13％、约0.14％、约0.15％、约0.16％、约0.17％、约0.18％、约0.19％、约0.20％、约0.21％、约0.22％、约0.23％、约0.24％或约0.25％Si。小心控制Si含量，因为Si含量可降低如本文所描述的铝合金的熔融温度。包括如本文所描述的量的Si可导致形成AlMnSi弥散体，引起铝合金的强度改进。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为约0.001％-约0.20％的钛(Ti)。举例来说，合金可包括约0.001％、约0.005％、约0.010％、约0.05％、约0.10％、约0.11％、约0.12％、约0.13％、约0.14％约0.15％、约0.16％、约0.17％、约0.18％、约0.19％或约0.20％Ti。当以本文所描述的量包括时，Ti改进本文所描述的铝合金的耐腐蚀性。在一些情况下，Ti以本文所描述的量并入以维持铝合金的延展性。当以高于本文所描述的那些量的量使用时，Ti可损害形成的合金的延展性，所述延展性为对于制造某些产品(如管)所必需的。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为约0.001％-约0.20％的锌(Zn)。举例来说，合金可包括约0.001％、约0.005％、约0.010％、约0.05％、约0.10％、约0.11％、约0.12％、约0.13％、约0.14％约0.15％、约0.16％、约0.17％、约0.18％、约0.19％或约0.20％Zn。在一些实例中，以如本文所描述的浓度包括在合金中的Zn可保持在固体溶液中并且提高耐腐蚀性。在一些情况下，以大于约0.20％的浓度并入的Zn可提高晶粒间腐蚀或可加速腐蚀，例如在电流耦合条件下。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为0％-约0.05％的铬(Cr)。举例来说，合金可包括约0.001％、约0.002％、约0.003％、约0.004％、约0.005％、约0.006％、约0.007％、约0.008％、约0.009％、约0.01％、约0.02％、约0.03％、约0.04％或约0.05％Cr。在一些实例中，不存在Cr(即，0％)。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为0％-约0.005％的铅(Pb)。举例来说，合金可包括约0.001％、约0.002％、约0.003％、约0.004％或约0.005％Pb。在一些实例中，不存在Pb(即，0％)。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为0％-约0.03％的钙(Ca)。举例来说，合金可包括约0.01％、约0.02％、或约0.03％Ca。在一些实例中，不存在Ca(即，0％)。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为0％-约0.004％的镉(Cd)。举例来说，合金可包括约0.001％、约0.002％、约0.003％或约0.004％Cd。在一些实例中，不存在Cd(即，0％)。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为0％-约0.0001％的锂(Li)。举例来说，合金可包括约0.00005％或约0.0001％Li。在一些实例中，不存在Li(即，0％)。
在一些实例中，本文所描述的合金包括量为0％-约0.001％的钠(Na)。举例来说，合金可包括约0.0001％、约0.0002％、约0.0003％、约0.0004％、约0.0005％或约0.001％Na。在一些实例中，不存在Na(即，0％)。
合金特性
本文所描述的合金具有高加工硬化速率。轧后回火的合金的强度显著较高，使合金适用于不需要可成形性的应用。合金可与包覆层一起或不一起使用。
本文所公开的合金非常适合于代替在多种应用，包括管道应用、HVAC&R应用、汽车应用、工业应用、运输应用、电子装置应用、航空应用、轨道应用、包装应用等中的铜。本文所描述的合金可用于例如HVAC&R设备中，包括用于热交换器中。当成形为管时，部件通常在末端上机械地装配有小区域，其火焰钎焊到复位弯折。火焰钎焊要求管具有比填料材料显著更高的固相线温度，因此管不与在钎焊中使用的填料材料一起熔融。本文所描述的合金具有良好机械和化学特性，包括高固相线温度，使其可与不同类型的钎焊填料一起使用。
本文所描述的合金具有足以通过28天海水乙酸测试(SWAAT)腐蚀测试的耐腐蚀性。当合金成形为热交换器套管(包括微端口套管)时，其自身产生足够的耐腐蚀性，由此消除对常规锌热喷洒步骤的任何需要。
当与1xxx系列或7xxx系列铝合金的翅片材料组合时，本文所描述的具有比铜更好的耐腐蚀性。翅片材料对于管为牺牲性的。在SWAAT腐蚀测试中，本文所描述的合金胜过铜。如在实例中所示，具有由1xxx系列或7xxx系列铝合金形成的翅片的本发明合金的样品对本发明合金具有有限或没有腐蚀。然而，具有由1xxx系列或7xxx系列铝合金形成的翅片的铜的样品导致在暴露两周之后对铜的显著腐蚀。
制备和加工方法
铸造
本文所描述的合金可使用如本领域的普通技术人员已知的铸造方法铸造。举例来说，铸造方法可包括直接激冷(DC)铸造方法。根据如本领域的技术人员已知的常用于铝行业中的标准执行DC铸造方法。任选地，铸造方法可包括连续铸造(CC)方法。铸造方法可任选地包括使用辊铸造的任何其它商业铸造方法。任选地，可刮制铸铝合金。然后铸铝合金可经历另外加工步骤。举例来说，如本文所描述的加工方法可包括均质化、热轧、冷轧和/或退火的步骤。
均质化
均质化步骤可包括加热如本文所描述的铸铝合金以达到约或至少约480℃的均质化温度。举例来说，可将铸铝合金加热到至少约480℃、至少约490℃、至少约500℃、至少约510℃、至少约520℃、至少约530℃、至少约540℃、至少约550℃或在其中间任何值的温度。在一些情况下，到均质化温度的加热速率可为约100℃/小时或更小、约75℃/小时或更小、约50℃/小时或更小、约40℃/小时或更小、约30℃/小时或更小、约25℃/小时或更小、约20℃/小时或更小、约15℃/小时或更小，或约10℃/小时或更小。
然后使铸铝合金浸泡(即，保持在指示温度下)一段时间。根据一个非限制性实例，使铸铝合金浸泡至多约10小时(例如约10分钟到约10小时，包括端点)。举例来说，铸铝合金可在至少520℃的温度下浸泡10分钟、20分钟、30分钟、1小时、2小时3小时、4小时、5小时、6小时、7小时、8小时、9小时、10小时，或在其中间的任何值。
热轧
在均质化步骤后，可执行热轧步骤以生产中间规格产品(例如片材或板)。在某些情况下，可将铸铝合金热轧成约2mm到约15mm厚规格(例如约2.5mm到约10mm厚规格)。举例来说，可将铸铝合金热轧成约2mm厚规格、约2.5mm厚规格、约3mm厚规格、约3.5mm厚规格、约4mm厚规格、约5mm厚规格、约6mm厚规格、约7mm厚规格、约8mm厚规格、约9毫米厚规格、约10mm厚规格、约11mm厚规格、约12mm厚规格、约13mm厚规格、约14mm厚规格或约15mm厚规格。
冷轧
可在热轧步骤后执行冷轧步骤。在某些方面，可将来自热轧步骤的中间规格片材冷轧成最终规格片材。在某些方面，将经轧产品冷轧成约0.2mm到约2.0mm、约0.3mm到约1.5mm或约0.4mm到约0.8mm的厚度。在某些方面，将中间规格片材冷轧成约2mm或更小、约1.5mm或更小、约1mm或更小、约0.5mm或更小、约0.4mm或更小、约0.3mm或更小、约0.2mm或更小，或约0.1mm或更小。举例来说，可将中间规格产品冷轧成约0.1mm、约0.2mm、约0.3mm、约0.4mm、约0.5mm、约0.6mm、约0.7mm、约0.8mm、约0.9mm、约1.0mm、约1.1mm、约1.2mm、约1.3mm、约1.4mm、约1.5mm、约1.6mm、约1.7mm、约1.8mm、约1.9mm或约2.0mm，或在其中间的任何值。
退火
取决于最终回火要求，方法可包括任选的后续退火步骤。可对最终规格铝合金片材或在冷轧磨机上最终通过之后执行退火步骤。退火步骤可包括将片材从室温加热到约230℃到约370℃的温度(例如约240℃到约360℃、约250℃到约350℃、约265℃到约345℃，或约270℃到约320℃)。片材可在所述温度下浸泡一段时间。在某些方面，使片材浸泡至多大约6小时(例如约10秒到约6小时，包括端点)。举例来说，片材可在约230℃到约370℃的温度下浸泡约15秒、约30秒、约45秒、约1分钟、约5分钟、约10分钟、约15分钟、约20分钟、约30分钟、约1小时、约2小时、约3小时、约4小时、约5小时、约6小时，或在其中间的任何值。在一些实施例中，片材不退火。
使用方法
本文所描述的合金和方法可用于包括牺牲零件、热耗散、包装和建筑物材料的工业应用中。本文所描述的合金可用作用于热交换器的工业翅片托架。可提供工业翅片托架，使得其比当前采用的工业翅片托架合金(例如AA7072和AA1100)更耐腐蚀，并且将仍然优选地腐蚀，保护并入在热交换器中的其它金属零件。本文所公开的铝合金为在室内和室外HVAC&R单元中常规使用的金属的合适替代物。与当前采用的合金相比，本文所描述的铝合金提供更好腐蚀性能和更高强度。
本文所描述的合金可代替在其中铜为适合的任何应用中的铜。举例来说，本文所公开的合金可用作圆管以替代具有或不具有包覆层的圆铜管。替代的案为替代用于圆铜管的多端口挤出(MPE)铝管，其也被称作微通道管。微通道管也被称作钎焊铝热交换器。
然而，以下实例将用以进一步说明本发明而不构成其任何限制。相反，可以清楚地了解，在不脱离本发明精神的情况下，可采用在阅读本文中的描述之后，本领域的技术人员能够联想到的其各种实施例、修改和等效物。除非另外说明，否则在以下实例中描述的研究期间，遵循常规程序。下文出于说明的目的，描述一些程序。
实例
材料
在以下实验章节中使用的五种合金的组成呈现在表1中，其中剩余部分为铝。本发明示例性合金A的组成范围在以下规格内：1.7-1.8％Mn、0.46-0.52％Mg、0.05-0.07％Cu、0.27-0.33％Fe、0.17-0.23％Si、0.12-0.17％Ti、0.12-0.17％Zn、不可避免的杂质，其中剩余部分Al。
以下制造程序用于合金。刮制通过DC铸造生产的锭并且其后在12小时内加热到520℃。锭在520℃下浸泡6小时。将锭热轧成2.5mm规格。随后将热轧片材冷轧成0.4到0.8mm的所需最终规格厚度。在完全退火条件下测试所有样品。比较的样品均处于O回火。
表1
实例1：合金的机械特性
测定示例性合金A和若干比较合金的片材片材机械特性。在合金处于O回火的情况下进行测试。按照ASTM B557标准制造样品。根据每种合金变型测试三个样品并且报告平均值。为了获得恒定结果，将样品制造成0.5Ra的边缘粗糙度。示例性合金A的极限拉伸强度(UTS)为～175MPa。除一个以外其余所有比较合金具有低于示例性合金A的UTS。图1示出示例性合金A和比较合金的UTS。示例性合金A的屈服强度(YS)为约75MPa。除一个以外其余所有比较合金具有低于示例性合金A的YS。YS测试结果还在图1中示出。示例性合金A的伸长率百分比(EI)为约15％，如图1所示。
实例2：腐蚀特性
铝合金AA7072的翅片用于评估示例性合金A和比较合金的腐蚀值。使用ASTM G69测量断路电位腐蚀值(“腐蚀电位”)。示例性合金A的腐蚀电位为-735mV，其类似于测试的其它合金的腐蚀电位。表2示出所有合金的此测试的结果。预期在铝管合金和翅片合金之间的腐蚀电位差低于150mV，以便翅片牺牲地起作用并且保护管免于腐蚀。
根据国际退火铜标准(IACS)测试电导率。基于IACS，示例性合金A的平均电导率为约43.4％，其足以在单元中提供良好热传递。表2包括对于测试的所有合金的IACS数据。
差示扫描量热法(DSC)用于测定示例性合金A以及比较合金和已知填料材料718AlSi的固相线和液相线温度。在表2中示出那些温度以及合金固相线和718AlSi填料液相线之间的差。针对99.999％纯铝合金归一化此处报告的温度。合金固相线和填料液相线之间的差越大，涉及填料材料的工业接合方法越稳定。需要示例性合金A的较高固相线温度，使得在钎焊到热交换器单元的另一个部件期间管不熔融。示例性合金A固相线和718AlSi液相线之间的□为65℃，其适合于接合方法，如火焰钎焊。
表2
实例3：海水乙酸SWAAT)腐蚀测试
形成示例性合金A和比较合金3005M、3104M、5052M和3003M，并且在AA7072夹持到形成的示例性和比较合金(用于形成用于评估在SWAAT测试下合金的腐蚀性能的翅片)的情况下测试。根据ASTM G85附件3进行SWAAT。使用酸化到2.8-3.0pH的合成海水(42g/L合成海盐+10mL/L冰醋酸)。随后在50％硝酸中清洁样品1小时并且在三个不同位置处检查腐蚀。
图2-7示出对于在暴露1周(图2、3和4)和4周(图5、6和7)之后示例性合金A和比较合金的SWAAT测试结果。在图2、3、5和6中，仅顶表面与翅片接触。仅在翅片下的区域视为用于腐蚀评估。在一周(图2、3和4)之后，很少合金显示腐蚀活动，并且在远离夹具的区域中活动更强。在四周(图5、6和7)之后，合金在翅片下并且远离夹具的区域中示出一些腐蚀活动。如图2-7所示，与测试的其它合金相比，示例性合金A显示小得多的坑洞腐蚀。
质量等级用于评定在样品经历SWAAT测试之后腐蚀的严重程度。试样经历SWAAT(ASTM G85)腐蚀测试持续暴露4周，并且在1和4周之后检查以表征腐蚀行为。以零到十等级表征腐蚀严重程度，其中零指示高腐蚀并且十指示低或没有腐蚀。耐腐蚀性和强度结果呈现在表3中。测试的合金组成在表1中示出。
表3
基于机械特性和腐蚀测试，示例性合金A具有最好的强度、耐腐蚀性、化学电位和固相线温度的整体组合。合金3005具有良好耐腐蚀性，但低机械特性。合金3104具有良好强度和可成形性，但在远离与7072翅片接触的区域中具有低耐腐蚀性。合金3104还具有高Mg含量和低固相线温度，这在钎焊期间可是个问题。合金5052具有强度和耐腐蚀性的极好组合，但非常低固相线和非常高Mg含量使其在火焰钎焊期间易受熔融影响。合金5052还具有差的可焊性。合金3003具有良好耐腐蚀性，但低强度。
SWAAT测试还进行(i)比较在示例性合金A和铜上的AA7072的翅片和(ii)比较在示例性合金A和铜上的AA1100的翅片。结果在图8和9中示出。仅在翅片下的区域视为用于腐蚀分析。图8板A示出具有AA7072翅片的铜的腐蚀810。图8板B示出具有AA1100翅片的铜的腐蚀810。图9板A示出具有AA7072翅片的示例性合金A的腐蚀。图9板B示出具有AA1100翅片的示例性合金A的腐蚀。在SWAAT溶液中4周暴露之后，7072和1100翅片在示例性合金A上存留。与7072和1100耦接的铜显示在SWAAT溶液中暴露两周之后严重腐蚀活动，并且翅片完全腐蚀，指示在铜管和铝翅片之间的严重电流腐蚀。
实例4：合金的弯曲性测试
使用缠绕弯曲测试和平坦边测试进行弯曲性测试。针对弯曲性在0.002英寸心轴(最尖半径)上进行缠绕弯曲测试。平坦边测试用于基于完全180o弯曲建立合金的弯曲性。基于弯曲表面外观和边表面外观排定样品的等级；没有裂纹(参见图10)或具有裂纹1100(参见图11)。示例性合金A显示良好表面而没有任何裂纹，并且对于缠绕弯曲测试报告的最小R/T为0.089，其中R指示以英寸未单位的心轴半径并且T为以英寸为单位的试样厚度。将按照一到五的等级的弯折表面等级(BSR)分配到样品。基于这些结果，与比较管托架合金相比，示例性合金A显示优异弯曲性能。
还使用埃里克森杯突测试(Erichsen test)进行可成形性测试。埃里克森杯突测试在三轴负载下测量合金的可成形性。迫使冲头到铝片材上直到出现裂纹。依据在材料断裂之前材料的位移报告埃里克森杯突测试结果。
退火样品经历埃里克森杯突测试，并且示例性合金A和比较合金的结果呈现在表4中。基于这些结果，示例性合金A在弯曲操作表现良好。用于与示例性合金A比较的基线为5052M合金。5052M具有强度和耐腐蚀性的良好组合，然而，由于其高Mg含量，钎焊成问题。5052M具有低的合金固相线和填料液相线之间的差，这引起火焰钎焊的问题，即，合金将与填料一起熔融。对于示例性合金A和填料材料，在合金固相线和填料液相线之间存在较大的差，因此示例性合金A提供更稳定的工业方法。
表4
合金 埃里克森杯突穹顶高度(in)
3005M 0.348
合金A 0.322
3104M 0.303
5052M 0.322
3003M 0.378
上文引用的所有专利、专利申请、公开案和摘要以全文引用的方式并入本文中。已经在本发明的各种目标的履行中描述本发明的各种实施例。应认识到，这些实施例仅说明本发明的原理。在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下，多种其修改和改编对于本领域的技术人员将是显而易见的。

Claims (21)

1.一种铝合金，包含以下组成：Cu：约0.01wt％-约0.6wt％，Fe：约0.05wt％-约0.40wt％，Mg：约0.05wt％-约0.8wt％，Mn：约0.001wt％-约2.0wt％，Si：约0.05wt％-约0.25wt％，Ti：约0.001wt％-约0.20wt％，Zn：约0.001wt％-0.20wt％，Cr：0wt％-约0.05wt％，Pb：0wt％-约0.005wt％，Ca：0wt％-约0.03wt％，Cd：0wt％-约0.004wt％，Li：0wt％-约0.0001wt％，Na：0wt％-约0.0005wt％，其它元素单独至多约0.03wt％并且总计至多约0.10％，和剩余部分Al。
2.根据权利要求1所述的铝合金，包含以下组成：Cu：约0.05wt％-约0.10wt％，Fe：约0.27wt％-约0.33wt％，Mg：约0.46wt％-约0.52wt％，Mn：约1.67wt％-约1.8wt％,Si：约0.17wt％-约0.23wt％，Ti：约0.12wt％-约0.17wt％，Zn：约0.12wt％-约0.17wt％，Cr：0wt％-约0.01wt％，Pb：0wt％-约0.005wt％，Ca：0wt％-约0.03wt％，Cd：0wt％-约0.004wt％，Li：0wt％-约0.0001wt％，Na：0wt％-约0.0005wt％，其它元素单独至多0.03wt％并且总计至多0.10wt％，和剩余部分Al。
3.根据权利要求2所述的铝合金，其中Cu的存在量为约0.07％，Fe的存在量为约0.3％，Mg的存在量为约0.5％，Mn的存在量为约1.73％，Si的存在量为约0.2％，Ti的存在量为约0.15％，并且Zn的存在量为约0.15％。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的铝合金，其中基于国际退火铜标准(IACS)，所述铝合金的电导率高于40％。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的铝合金，其中基于IACS，所述铝合金的电导率为约41％。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的铝合金，其中所述合金的腐蚀电位为约-735mV。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的铝合金，其中所述铝合金包含大于约130MPa的屈服强度和大于约185MPa的极限拉伸强度。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的合金，其中所述合金处于H回火。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的合金，其中所述合金处于O回火。
10.一种生产铝合金的方法，包含：
铸造根据权利要求1所述的铝合金以形成铸铝合金；
均质化所述铸铝合金；
热轧所述铸铝合金以产生中间规格片材；
冷轧所述中间规格片材以产生最终规格片材；和
退火所述最终规格片材。
11.一种铝制品，包含根据权利要求1所述的铝合金。
12.根据权利要求11所述的铝制品，其中所述铝制品包含热交换器部件。
13.根据权利要求12所述的铝制品，其中所述热交换器部件包含散热器、冷凝器、蒸发器、油冷却器、中间冷却器、增压空气冷却器或加热器芯中的至少一个。
14.根据权利要求12所述的铝制品，其中所述热交换器部件包含管。
15.根据权利要求11所述的铝制品，其中所述铝制品包含室内加热、通风、空调和制冷(HVAC&R)单元。
16.根据权利要求11所述的铝制品，其中所述铝制品包含室外HVAC&R单元。
17.根据权利要求11所述的铝制品，其中所述铝制品包含电缆管道托架、灌溉管路或海洋交通工具。
18.一种制品，包含由根据权利要求11所述的铝制品形成的管和由7xxx系列铝合金形成的翅片，其中所述翅片通过钎焊接合到所述管。
19.根据权利要求18所述的制品，其中所述翅片由铝合金7072形成。
20.一种制品，包含由根据权利要求11所述的铝制品形成的管和由1xxx系列铝合金形成的翅片，其中所述翅片通过钎焊接合到所述管。
21.根据权利要求20所述的制品，其中所述翅片由铝合金1100形成。
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