CN109072357B - 包含轧制铝合金的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器，所述热交换器包含至少一个由轧制6xxx系列铝合金制成的部件，所述轧制6xxx系列铝合金具有以重量％计的以下组成：Si：0.2％‑1.3％，Mg：0.3％‑1.3％，Cu：至多0.80％，Fe：0.05％‑1.0％，Mn：0.05％‑0.70％，任选地选自0.05‑0.35％的Zr和0.04‑0.35％的Cr的一种或两种元素，Zn：至多0.25％，Ti：至多0.25％，余量的不可避免的杂质和铝，其中Fe/Mn比<1.90。

Description

包含轧制铝合金的热交换器
技术领域
本发明涉及一种钎焊式热交换器，所述热交换器包括各种部件并且至少一个部件由根据本发明的轧制6xxx系列铝合金制品制成。本发明还涉及轧制铝合金在热交换器中的用途。
背景技术
热交换器和其他类似设备(例如，用于汽车冷却器、空调系统、工业冷却系统等的冷凝器、蒸发器等)通常包括多个热交换管，这些热交换管平行地布置在两个封头之间，每个热交换管的任一端连接到其中一个封头。波纹状散热片设置在相邻热交换管之间的气流间隙中，并且钎焊到相应的热交换管上。这些各种部件通常通过钎焊彼此连接。在钎焊过程中，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板的至少一部分上。在组装基板部件之后，将基板部件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板的熔点或铝芯板的熔点。
钎焊板制品在热交换器和其他类似设备中有广泛的应用。传统的钎焊制品具有轧制板芯，该轧制板芯通常是3xxx系列的铝合金，并在芯板的至少一个表面上具有铝包覆层。
铝包覆层通常由包含硅的4xxx系列合金制成，其中硅的含量范围为4％-20％，优选范围为约6％-14％。铝包覆层可以以本领域已知的各种方式(例如通过辊压接合、包覆喷射成形或者半连续或连续铸造工艺)结合或接合到芯合金。这些铝包覆层的液相线温度通常在约540℃-615℃的范围内。
虽然市售的钎焊板制品主要具有基于3xxx系列铝合金的芯合金，但是也存在以可热处理的6xxx系列铝合金作为芯合金的市售的钎焊板制品。这些6xxx系列合金也能够用作热交换器的底板或用于制造热交换器的封头或侧板。在6xxx系列合金中，能够找到合金AA6101、AA6151、AA6951、AA6060、AA6061和AA6063。表1列出了这些合金的关键合金元素。
表1.在热交换器中使用的并在美国铝业协会注册的几种现有技术的轧制铝合金的合金组成(以重量％计)。
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对于每种合金，余量为作为杂质的Zn(通常<0.25％或更低)和Ti(通常<0.15％或更低)、不可避免的杂质和铝。
需要用于热交换器的基于6xxx系列铝合金的改进的轧制铝合金制品。
发明内容
应当理解的是，除非另有说明，否则铝合金牌号和状态代号(temperdesignations)是指由美国铝业协会(Aluminium Association)于2015年出版的“Aluminium Standards and Data and the Registration Records”中的铝业协会代号(Aluminium Association designations)，并为本领域技术人员所熟知的。欧洲标准EN515中规定了状态代号。
对于合金组成或优选的合金组成的任何描述，除非另有说明，否则所提到的所有百分数均为重量百分数。
如本文所用的，术语“约”当用于描述合金添加的组成范围或量时是指合金添加的实际量可以与标称预期量不同，这是由于如本领域技术人员所理解的诸如标准工艺变化等因素造成的。
如本文所用的，术语“至多”和“至多约”明确包括(但不限于)其所指的特定合金组分的零重量百分比的可能性。例如，至多0.3％的Ti可以包括不含Ti的合金。
本发明的目的是提供一种包含至少一个由改进的轧制6xxx系列铝合金制成的部件的热交换器。
本发明通过提供一种包含至少一个由轧制6xxx系列铝合金制成的部件的钎焊式热交换器而满足或超出了这些和其它目的以及进一步的优点，其中，所述轧制6xxx系列铝合金具有以下组成：Si：0.2％-1.3％，Mg：0.3％-1.3％，Cu：至多0.80％，Fe：0.05％-1.0％，Mn：0.05％-0.70％，任选地选自0.05-0.35％的Zr和0.04-0.35％的Cr的一种或两种元素，Zn：至多0.25％，Ti至多0.25％，余量的不可避免的杂质和铝，并且其中Fe/Mn比<1.90。
根据本发明，已经发现，轧制6xxx系列铝合金形成热交换器装置的其中一个部件，并且所使用的轧制铝合金在钎焊后机械性能和增强的耐腐蚀性方面提供了良好的平衡，特别是在高温下长期暴露后，例如在150℃下暴露1000小时，这反映了这种热交换器装置的长时间使用。这也可以对由该6xxx系列合金制成的热交换器部件进行一些规格缩减(down-gauging)。
有目的地组合添加Mg和Si由于在Mg的共存下形成的元素Si和Mg2Si的沉淀硬化而增强了铝合金。为了在芯板制品中提供足够的钎焊后强度水平，Si含量应至少为0.20％，优选至少为0.25％。Si含量的优选上限约为0.8％，更优选地约为0.60％，并且更优选地约为0.55％。Si的存在也增强了可成形性。
基本上由于与Si含量相同的原因，Mg含量应至少为0.3％，优选至少为约0.35％，更优选至少为0.40％，以为轧制制品提供足够的强度。Mg含量的优选上限约为0.9％，更优选地约为0.8％。
Fe不是铝合金的理想组分，但其存在通常是不可避免的。Fe含量不应超过1.0％，并且优选的上限约为0.8％，更优选地约为0.50％。优选的范围是0.05％至约0.40％，更优选地约从0.10％至约0.40％，因为含有较少Fe的合金更昂贵。
铝合金中大量Fe的存在对钎焊后耐腐蚀性有不利影响。然而，已经发现，Mn对铝合金的有目的的影响可以显著改善钎焊后耐腐蚀性(例如，耐晶间腐蚀(IGC)性)，特别是在高温下长期暴露后，其通过固溶硬化提高了钎焊后强度。在根据现有技术的且在热交换器中使用的6xxx系列铝合金可能存在一些Mn的情况下，仅通过上限来指代它，从而清楚地表明其是可容许的杂质，并且预计技术人员在任意公开的Mn范围的下端工作。在根据本发明使用的铝合金中，必须存在至少0.05％的Mn。优选存在至少0.08％的Mn，更优选地存在>0.10％的Mn。优选的上限约为0.50％，更优选地约为0.40％。然而，本发明的一个重要方面是：控制Fe/Mn比，并且Fe/Mn比不应超过1.90，优选地不超过1.80，更优选地不超过1.75。Fe-Mn比的优选下限约为0.7。
Cu可以提高铝合金的钎焊后强度，但是其存在不应超过0.80％。优选地，Cu含量不超过约0.4％。高于约0.4％的Cu含量可能导致含有根据本发明的铝合金的制品的钎焊后耐腐蚀性降低。
Ti可以存在至多约0.25％，以在本发明的铝合金锭铸造期间用作晶粒细化添加剂。为了通过固溶硬化来提高芯合金的强度，可以添加额外的Ti(例如，由于它们存在于废料中)。合金中存在的Ti的总量应优选不超过约0.20％，但优选地低于约0.12％。Ti添加的优选下限约为0.01％。Ti可以作为唯一的元素添加，或者与本领域已知的作为浇铸助剂的硼或碳一起添加，用于控制晶粒尺寸。
铝合金中的Zn含量作为小于约0.25％的可容许的杂质元素存在，并且优选应该以该范围的下端存在，例如，小于约0.15％，更优选小于约0.10％，以将耐腐蚀性保持在所需水平。
对于铝合金，能够加入选自约0.05％至约0.35％的Zr和约0.04％至约0.35％的Cr中的一种或两种分散体形成元素，以进一步提高铝合金制品在钎焊后条件下的强度。
更优选的Zr含量在约0.05％至约0.20％的范围内，更优选地在约0.06％至约0.15％的范围内。
更优选的Cr含量在约0.05％至约0.20％的范围内，更优选地在约0.06％至约0.25％的范围内。
优选地，如果添加到铝中，则所有分散体形成合金元素Zr和Cr的总组合量不超过约0.35％，以避免形成粗组分颗粒(coarse constituent particle)，特别是当与相对较高的Fe含量组合且有目的地添加Mn时。粗组分颗粒可能对可成形性具有不利影响，它们可能阻碍对制品形式的进一步规格缩减，并且它们可能对耐腐蚀性具有不利影响。
在铝合金的实施例中，没有有目的地添加钒，从而如果存在的话，则钒的含量小于约0.05％，更优选地小于约0.03％，使得铝合金基本上不含V。“基本上不含”或“大体上不含”是指没有对化学组分进行有目的的添加，但是由于杂质和/或与制造设备接触而造成的泄漏，微量的V可能仍然会进入合金制品中。例如，小于约0.02％是微量的示例。铝合金可以具有0％的V。
铝合金可含有正常和不可避免的杂质，通常各种杂质的含量<0.05％且总含量<0.2％，余量为铝。
在本发明的实施例中，6xxx系列芯合金具有以重量％计的以下组成：Si：0.2％-1.3％，Mg：0.3％-1.3％，Cu：至多0.80％，Fe：0.05％-1.0％，Mn：0.05％-0.70％，选自0.05％-0.35％的Zr和0.04％-0.35％的Cr中的任选地一种或两种元素，Zn：至多0.25％，Ti：至多0.25％，余量为不可避免的杂质和铝，其中Fe/Mn比<1.90，并且这里描述了优选的较窄的合金组成。
在本发明的优选实施例中，轧制6xxx系列铝合金在热交换器中用作裸露或非包覆轧制制品，使得在使用中铝合金的外表面暴露于腐蚀性环境中，特别是作为热交换器装置被钎焊到其上的所谓的底板。在该实施例中，轧制6xxx系列合金的厚度在约1mm-12mm的范围内。
在另一实施例中，轧制6xxx系列铝合金具有第一侧和第二侧，并且至少一个包覆层被施加在第一侧或第二侧。在第一侧和第二侧都能够设置包覆层。至少一个包覆层可以是1xxx系列(例如，AA1050)或者7xxx系列合金以为6xxx系列合金提供牺牲性保护作用。合适的7xxx系列合金的Zn含量可以为至多约3％，并且可以包括AA7072系列合金。
包覆材料也可以由钎焊材料制成，优选地由4xxx系列铝合金制成。该系列中典型的合金是AA4343、AA4045、AA4047、AA4004、AA4104、AA4147，或者它们附近的一些组成变体。4xxx系列合金可以进一步包含选自Zn、In和Sn中的一种或多种，其浓度要适合于在钎焊接头内和附近产生所需的电化学势。
根据本发明，轧制6xxx系列合金能够是钎焊板材料的形式，其中，6xxx系列合金形成芯合金材料，并且至少一侧包覆有钎焊材料，优选地为4xxx系列合金。优选地，这种钎焊板材料将用于制造作为热交换器的其中一个部件的钎焊管。
在本发明的另一实施例中，6xxx系列芯合金和包覆钎焊材料(优选地为4xxx系列)通过中间衬里(interliner)或中间层分开，使得芯接合到中间衬里，而中间衬里又接合到4xxx系列合金。该结构使局部腐蚀最小化，促进良好的钎焊性，减少了液膜迁移，并且通过适当地选择中间衬里合金，增强耐腐蚀性，使得中间衬里合金牺牲性地保护下面的芯合金。合适的中间衬里的示例可以是1xxx或3xxx系列合金，或者是有目的地添加有低于约3％的Zn或有目的地添加有低于约1％的In的1xxx或3xxx系列合金。
在这种钎焊板制品的另一实施例中，提供了一种芯合金，其两侧都接合到中间衬里，而且各中间衬里又接合到4xxx系列合金。
在钎焊制品的另一实施例中，提供了一种接合在芯合金的一侧的外衬里或水侧衬里以及接合到芯合金的另一侧的包覆钎焊材料。任选地，可以在6xxx系列芯合金与包覆钎焊材料之间设置中间衬里。外衬里通常会是定制的合金以提供高的抗腐蚀性或甚至在板材表面暴露于其中的环境中提供耐腐蚀性和耐溶蚀性。合适的外衬里的示例是有目的地添加有至多约3％的Zn的铝合金，例如AA7072系列合金。
钎焊板的芯层厚度(与钎焊板制品的总厚度相比的百分比)优选在约60％-90％的范围内，中间衬里或中间层或者外衬里或水侧衬里的厚度(与钎焊板制品的总厚度相比的百分比)优选在约5％-25％的范围内，并且包覆钎焊层的厚度(与钎焊板的总厚度相比的百分比)优选在约4％-15％的范围内。最终包覆复合材料规格的6xxx系列芯合金的厚度可以小至约80μm大至约5mm。
在本发明的实施例中，由轧制6xxx系列合金制成的一个部件(作为包覆制品或非包覆制品)形成热交换器的底板、封头或侧支撑件。在该实施例中，轧制6xxx系列合金的厚度在约1mm-12mm的范围内。
在优选的实施例中，由轧制6xxx系列合金制成的一个部件(作为包覆制品或者裸露或非包覆制品)形成热交换器的底板，更优选地为油冷却器的底板。
轧制6xxx系列铝制品优选以完全退火的“O”状态(temper)或“F”状态或者以“H”状态(即，以“H1”或“H2”状态)提供。H1状态表示合金制品经过应变硬化。H2状态表示合金制品经过应变硬化和部分退火。在一些实施例中，合金部件可以根据典型的H1X或H2X状态实践(temper practice)经过应变硬化，其中X是0-9的整数，例如，H12或H24状态。
根据本发明的热交换器中使用的轧制铝合金例如通过DC铸造或连续带铸造被铸造成轧制原料，然后优选在通过轧制(例如，通过热轧，任选地也通过冷轧)来进行规格缩减到最终规格之前被均质化。理想地，在轧制原料的铸造过程中，由于有目的地添加有Mn且通过将Fe/Mn保持在小于1.90，所以没有形成或形成很少的β-AlFeSi颗粒。然而，在不能避免形成β-AlFeSi的情况下，均质化热处理有助于将任何β-AlFeSi转化为危害较小的α-AlFeSi形式，优选地低于10μm长且90％低于5μm。有目的地添加Mn的作用是加速β-到α-AlFeSi的转变(特别是在均质化期间)，使得所得到的均质化锭在用作钎焊板制品的芯合金时或用作热交换器的底板、封头或侧支撑件时引起钎焊后耐腐蚀性增加。铸态轧制锭也被均质化，使可溶性二次镁-硅相更好地形成合适的形态。
均质化热处理包括将锭加热至少约2小时，更优选地至少约6小时。均质化保温时间(soaking time)的优选上限约为48小时，更优选地约为24小时。虽然较长的均质化时间不是不利的，但是不是必需的，而仅用于提高生产成本。优选地，使用一个或多个均质化步骤在525℃以上的温度下进行均质化，更优选地，至少一个均质化步骤在540℃-600℃的温度范围内进行。能够应用的加热速率是本领域常规的加热速率。优选地，铝合金在约550℃至约600℃的温度范围内进行至少约6小时的均质化，优选小于约20小时的均质化。
本发明还涉及如本文所述的轧制6xxx系列铝合金的用途或使用方法，作为用于热交换器的裸露制品或在其其中一侧具有至少一个包覆层。优选地，合金形成所述热交换器的底板、封头或侧支撑件。特别地，热交换器是散热器、油冷却器、中间冷却器、加热器芯、蒸发器、增压空气冷却器或冷凝器或者通过将用于形成主要用于热交换的紧凑组件的钎焊板进行接合而制造的类似的应用和组件。轧制6xxx系列铝合金特别适用于高性能、重量轻的汽车热交换器，但是也可用于其他钎焊应用(包括但不限于制冷和HVAC)。
附图说明
还将参考附图1描述本发明。
图1以局部分解图的形式示出了层叠板式油冷却器的结构图。
具体实施方式
图1示意性地示出了层叠板式油冷却器1的结构例，该层叠板式油冷却器1由多个层叠板2以及布置在所述层叠板2之间的金属湍流板3(湍流插入件)构成。层叠板式油冷却器1通过底板4和盖板5封闭。中间金属板6插在最上面的金属湍流板3与盖板5之间。油和液体冷却剂的连接布置在相对较厚的底板4中，但是在该图1中看不到或未示出。相反，盖板5封闭；在该实施例中，盖板5具有冲压印痕(stamped impression)10、12。在该示例中，底板4能够由根据本发明的轧制6xxx系列铝合金制成，从而在钎焊后的机械性能和增强的抗腐蚀性方面提供了良好的平衡，特别是在高温下长期暴露(例如，在150℃下暴露1000小时)之后，这反映了这种热交换器装置的长时间使用。
现在已经充分描述了本发明，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本文所述的本发明的精神或范围的情况下，能够进行许多改变和修改。

Claims (24)

1.一种热交换器，其包含至少一个由轧制6xxx系列铝合金制成的部件，所述轧制6xxx系列铝合金具有以重量％计的以下组成：
Si：0.2％-1.3％，
Mg：0.40％-1.3％，
Cu：至多0.40％，
Fe：0.05％-1.0％，
Mn：0.05％-0.70％，
任选地选自0.05-0.35％的Zr和0.04-0.35％的Cr的一种或两种元素，
Zn：至多0.25％，
Ti：至多0.25％，
余量的不可避免的杂质和铝，其中Fe/Mn比<1.90，其中所述至少一个由所述轧制6xxx系列铝合金制成的部件的厚度在1mm-12mm的范围内，并且所述至少一个由所述轧制6xxx系列铝合金制成的部件形成所述热交换器的底板、封头或侧支撑件。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Fe含量最大为0.8％。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Fe含量最大为0.50％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Mn含量最大为0.50％。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Mn含量最大为0.40％。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Si含量最大为0.80％。
7.根据权利要求6所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Si含量最大为0.60％。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Mg含量不大于0.9％。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Mg含量不大于0.8％。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金已被均质化。
11.根据权利要求10所述的热交换器，其中所述6xxx系列芯合金在525℃-600℃的范围内的温度下进行至多48小时的均质化。
12.根据权利要求11所述的热交换器，其中所述6xxx系列芯合金在540℃-600℃的温度范围内进行至多48小时的均质化。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Fe/Mn比<1.80。
14.根据权利要求13所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金的Fe/Mn比<1.75。
15.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金具有第一侧和第二侧以及在所述第一侧或所述第二侧的至少一个包覆层。
16.根据权利要求15所述的热交换器，其中所述至少一个包覆层由选自1xxx、4xxx和7xxx系列铝合金的合金制成。
17.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述轧制6xxx系列铝合金是非包覆的。
18.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述至少一个由所述轧制6xxx系列铝合金制成的部件以完全退火的O状态提供。
19.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述至少一个由所述轧制6xxx系列铝合金制成的部件以H1X状态或H2X状态提供。
20.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述至少一个由所述轧制6xxx系列铝合金制成的部件以F状态提供。
21.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述热交换器是汽车热交换器。
22.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器，其中所述热交换器是散热器、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。
23.如权利要求1-20中任一项所限定的轧制铝合金的用途，所述轧制铝合金用作热交换器中的部件。
24.如权利要求23所述的用途，其中所述轧制铝合金用作所述热交换器中的底板、封头或侧支撑件。
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