CN1177070C - 铝的硬钎焊合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝的硬钎焊合金，理想地用作散热片坯料，以重量百分比表示的组成成分为：硅0.7-1.2，锰0.7-1.2，镁最大达到0.35，铁最大达到0.8，锌最大达到3.0，镍最大达到1.5，铜最大达到0.5，任选地选自以下的一种或多种：钛最大达到0.20，铟最大达到0.20，锆最大达到0.25，钒最大达到0.25，铬最大达到0.25，其他各最大达到0.05，总共最大达到0.15，铝剩余物。
Description
发明领域
本发明涉及可以用作热交换器的铝合金。理想地，依据本发明的铝合金可以作为热交换设备的散热片坯料。而且，本发明涉及至少含有一个依据本发明的铝合金作为组件的硬钎焊的组装件。
相关技术说明
在现有技术中，铝合金是可以选择作为热交换器用途的合金。选择该合金是因为可以获得所需要的综合了强度、低重量、良好的热和电的传导性、可硬钎焊性、耐蚀性和可成形性的性能。
铝合金热交换器可以通过层叠铝合金的包覆片(硬钎焊片)来制造，该片可以形成所需要的外形，以便形成液体通道(管道)并通过硬钎焊在液体通道之间固定波纹状铝合金散热片。通过熔化芯板的硬钎焊焊料金属和/或散热片材料，可以使合金包覆片或管道材料与散热片相结合。作为硬钎焊的方法，一般使用真空硬钎焊或熔剂硬钎焊。为尽力改善液体通道材料的耐蚀性，可以使用一些相对于液体通道材料来说，是电化学上的阳极(惰性较低)的散热片材料，通过这些散热片材料的牺牲阳极作用来达到。
下面将提到一些在现有技术的文献中公开的铝的硬钎焊片合金。
由J.A1thoff发表的，在技术期刊《轻金属时代》，1980年，9月，20-21页“铝合金3009：不含镁的高强度”，公开了不含镁的3009合金。3009合金具有下面的组成成分，以重量百分比表示：
硅 1.0-1.8
铁 最大0.7
铜 最大0.10
锰 1.2-1.8
镁 最大0.01
铬 最大0.05
镍 最大0.05
锌 最大0.05
锆 最大0.10
钛 最大0.10
其它的每种成分最大0.05，总共最大0.15
余量为铝，
和进一步附带的条件是硅：铁应为2∶1到4∶1，
和锰+硅的量应在2.5-3.5的范围内。
该公开的合金可以代替已知的AA3003合金，可以用于硬钎焊领域。
EP-A-0637481(Furukawa)公开了一种具有三层结构的铝合金硬钎焊片，其中用硬钎焊材料包覆核心材料一边，用牺牲材料包覆核心材料另一边。所定义的核心材料具有非常宽的组成范围，以重量百分比表示：
硅 0.6-2.5
铜 0.5-2.5
锰 最大达到2.0
至少一种选自：
锰 0.03-0.5
铬 0.03-0.3
锆 0.03-0.3
钛 0.03-0.3
镍 0.03-1.5
余量的铝和杂质。
该文件进一步公开了一种具有三层结构的铝合金硬钎焊片，其中用硬钎焊材料包覆核心材料的两边，由此核心材料具有非常宽的组成范围，以重量百分比表示：
硅 0.03-2.5
铁 0.05-2.0
铜 0.05-2.0
锰 0.6-2.0
选自以下的至少一种：
锌 0.05-5.0
铟 0.002-0.3
锡 0.002-0.3
余量的铝和不可避免的杂质。
在汽车工业中，对于可以应用在交换器领域的铝合金有市场需求，该铝合金具有好的抗腐蚀性并具有改善的硬钎焊后的强度。而且，从该铝合金的制造者一方来说，从再回收的观点出发，需要铝合金耐受杂质成分，该杂质成份不会牺牲该铝合金所需要的性能。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种可以用于热交换器的铝合金，该铝合金具有超过相同用途传统合金的改进的硬钎焊后0.2％的屈服强度。本发明的另一个目的是提供一种具有改善的对杂质成份耐受性的铝合金。本发明的更进一步的目的是提供一种可以理想地用于热交换设备的散热片坯料的铝合金。
本发明的一个方面是提供具有以下组成成分的铝合金，以重量百分比表示：
硅 0.7-1.2
锰 0.7-1.2
镁 最大达到0.35
铁 最大达到0.8
锌 最大达到3.0
镍 最大达到1.5
铜 最大达到0.5
钛 最大达到0.20
铟 最大达到0.20
锆 最大达到0.25
钒 最大达到0.25
铬 最大达到0.25
其他最大达到每种0.05，总共最大达到0.15。
铝 剩余物。
该铝合金具有好的耐蚀性，包括在需要场合牺牲阳极作用，以及在硬钎焊后的状态下的优良的机械性能，该铝合金并且能够在硬钎焊后0.2％的屈服强度(PS)方面，提供超过传统散热片坯料合金至少15％的增加，例如在相同的回火热处理条件下的AA3003。依据本发明的铝合金能够获得至少60Mpa，在最好的实施例中至少65Mpa的，甚至高达70Mpa或更多的硬钎焊后0.2％的屈服强度(PS)。
尽管该铝合金可以用作热交换设备的管板，侧面支撑和头部储罐，也可以有其它用途，它主要用作热交换器的散热片坯料合金。散热片坯料的腐蚀要求是这样的，如果热交换器设备被腐蚀，优先腐蚀散热片材料，而不是管道材料。依据本发明的合金具有牺牲阳极的作用。合金更坚固，散热片坯料可以比传统的散热器坯料合金例如AA3003合金，更加薄和轻。本发明用作散热器坯料的合金可以与硬钎焊合金的包覆层结合，例如现有技术中已知的铝-硅合金或其它相似的铝-硅体系合金，例如铝-硅-镁合金、铝-硅-镁-铋合金、铝-硅-铋合金等。
在热交换器市场，特别是在汽车工业中，需要这种散热片坯料合金提供平衡的各种性能，例如：强度、可成型性、可硬钎焊性和腐蚀电位。本发明新合金的关键性质是与AA3003合金相比具有中等含量的锰和相对高含量的硅。所以，与传统的散热片坯料合金相比，硬钎焊后强度的增加超过15％。除了别的性质以外该合金显示良好的硬钎焊性。
下面描述限定依据本发明的铝合金的合金成份的原因。所有的组成百分比以重量表示。
依据本发明，硅是合金中的重要合金元素。添加硅可以增加合金的固溶硬化。在0.7％以下，硅仅有极小的作用，大于1.2％会导致有害的低共熔混合物的形成和大的金属间颗粒的形成。较适合的硅含量是0.75到1.0％。在许多铝合金中，硅的含量在中间范围时，往往是有害的。这种中间范围的铝含量的优点是该合金能耐受杂质成分，允许该合金由大量废金属材料组成。优选硅+锰的总量范围在1.6-2.3，更优选范围是1.75-2.1，当不费力的从废金属材料中制得该合金的同时，允许在所需要的合金性能方面有好的折中，例如硬钎焊后的强度和抗下垂性方面。
依据本发明锰也是合金中的一种重要合金元素。添加锰在中间范围的量是0.7-1.2％。更优选较下限的锰含量是0.8％。更优选的上限的锰含量是1.1％和更优选锰含量应当是0.8到1.0％范围内。较高含量的锰会导致大的有害的铁-锰金属间化合物的形成。为允许合金包含大量废金属，该金属可能含有相对高含量的铁，锰的含量应不超过1.2％。锰的含量超过1.2％时，铸锭的铸造变得较困难。
镁显著增加合金的强度，但是，因为镁会与使用的熔剂反应，对控制气氛的可钎焊性有不利的影响。因为这个原因，镁的含量限定在最大为0.35％，作为硬钎焊后的强度和可钎焊性的折中，更优选镁标准的范围是0.2到0.35％。
铁存在于所有已知的铝合金中。除了其他因素以外，过高含量的铁会使材料的可成型性降低而且腐蚀性能也会降低。允许的铁含量最大为0.8％，优选最大为0.5％。这种相对高含量的铁可以通过限定锰含量得以耐受。适合的铁含量的范围是0.20到0.45％，允许在合金所需的性能方面有好的折中，例如硬钎焊后的强度和抗下垂性之间，同时合金可以不费力的从废金属材料中制得。
添加锌导致较大的负电性腐蚀电位。为允许牺牲阳极的作用，作为管道材料的散热片材料应当带较大的负电性。因为在热交换器中可能会使用不同类型的管道材料，锌含量可以调节本发明合金的腐蚀电位，而使之适合于管道材料。锌的含量应当为低于3.0％以避免太快的腐蚀攻击散热片材料。因为锌允许最大达到3.0％，优选最大达到2.0％，更优选最大达到1.5％，最优选最最大达到1.0％，这可获得该合金耐受杂质成份的优点，允许该合金包含大量废金属材料，例如废的热交换器，但是不只局限于该实施例。合适的较下限的锌含量为0.2％。
为进一步增加硬钎焊后的强度，而不会明显损害热传导性，在依据本发明的合金中可以存在的镍的范围是最大达到1.5％。作为合金元素优选镍的范围是0.3到1.2％，更优选0.5％到0.75％。这样使得本发明的合金在硬钎焊后的强度、热传导性和耐蚀性之间，达到较好和所需的平衡。
铜作为优选的增强组分。在以前报道的方法中，认为铜不会减少耐蚀性。既然铜允许最大达到0.5％，这获得了使该合金能承受杂质成份的优点。允许该合金包含大量废金属材料，例如废的热交换器，但是不只局限于该实施例。合适的铜含量最大达到0.5％，优选最大达到0.4％。作为获得硬钎焊后的强度、耐蚀性和可钎焊性的折中，更优选铜的含量是0.2到0.4％。
在铸造本发明合金的铸锭期间，钛作为晶粒细化的添加剂，可以以最大达到0.20％的含量存在。为通过固溶强化增加合金强度，可以添加附加的钛，例如在废金属材料中钛的存在。在合金中钛存在的总含量应当不超过0.20％，但是优选不少于0.15％。
为获得较大电负性腐蚀的电位，可以添加到本发明的合金中的元素铟最大达到0.20％。而且，依据本发明已发现，在这种铝合金中，铟在减少合金的腐蚀电位方面比锌添加剂更有效。一般来说，0.1％的铟等效于2.5％的锌。当有意添加该合金元素时，更优选铟的含量为0.01到0.10％。
为进一步改善在硬钎焊后的条件下的合金强度，在本发明的合金中添加最大达到0.25％的锆。而且，这种元素可被允许作为不破坏所需要合金性能的杂质元素。较适合的锆添加量的范围是0.05到0.20，更优选范围是0.05到0.15％。
为进一步改善在硬钎焊后的条件下的合金强度，可在本发明的合金中添加最大达到0.25％的铬。
在依据本发明的合金中允许存在其他包括锡和钒的组成成分，其范围是最大达到0.25％，优选最大达到0.15％，更优选最大达到0.05％。这些元素的总量不能超过0.3％。这种元素的存在，可以降低合金的腐蚀电位，钒还具备进一步增加硬纤焊后的强度的潜力。
剩余物由铝和不可避免的杂质构成，一般来说，杂质每种最大达到0.05％，总共最大达到0.15％。
在本发明的另一个方面，提供一种硬钎焊的组合件，典型的是含有以本发明的合金作为散热片坯料的热交换器。在该热交换器中，具有本发明的合金的散热片，该片可以用作牺牲的阳极。依据本发明的铝合金也可以在其表面的一边或两边进行包覆。这种包覆的目的主要是，提供可以用于角焊缝的硬钎焊材料，并用于例如在没有包覆层的管道的情况下，象由于挤出管形成的冷凝器或蛇形管式的蒸发器。一般来说，每种包覆层的厚度范围是整个包覆层产品厚度的2到15％。包覆层组合物一般含有硅5到15％，任选的最大达到2.0％的镁，任选的最大达到3.0％的锌，和任选的最大达到0.2％的铋。
实施例
现在通过非限定性的和可比较的实施例来举例说明依据本发明的铝合金。
在实验室的规模试验下，在与用工业规模的DC铸造相同的范围的凝固速率内，铸造六种铸造的合金。尽管这里是用实验室测试规模试验的，依据本发明的铝合金可以使用各种标准工业规模DC铸造方法和铝连续的铸造方法制备，随后可以使用热和/或冷轧制。化学组成列在表1中，其中合金1到4是依据本发明具有颗粒细化剂钛的合金，合金5和6是依据本发明具有稍微增加的镁和钛含量的合金，合金6进一步含有增加的锌量。依据本发明的所有的合金中，镍、铟和钒的量是在杂质含量范围内。合金7是在H14热处理的实施例，从国际专利申请WO-97/18946中可知，其是作为对比，此外合金8是商业上已知的用作散热器坯料的从3003合金。四种铸造的锭被预先加热，并热轧成厚度为5.7mm。然后冷轧该板到0.15mm，在冷轧成最终标准厚度0.10mm以前，在360-400℃，退火2小时。这是H14热处理(回火)。
在经受模拟硬钎焊循环(在590℃大约5分钟和空冷)之前和之后，冷轧板具有下述机械性能，参见表2。对没有包覆层的材料，该机械性能是有效的。但是，对于一定的应用，本发明的合金可以提供有薄的包覆层，导致几个Mpa的机械性能有较少的减少(在硬钎焊之前和之后的条件下)，一般为大约2到10Mpa。
从这些结果可以看出本发明的铝合金在机械性能方面，在相同的热处理条件下，与传统使用的AA3003合金相比具有重要的改进，并提供在硬钎焊循环之前降低部件尺寸的可能性，能降低腐蚀散热片的速率。
表1.以重量百分比表示的，测试的铝合金的化学组成，剩余物是铝和杂质。
| 合金 | 硅 | 锰 | 镁 | 铁 | 锌 | 铜 | 锆 | 铬 | 钛 |
| 1 | 0.9 | 1.1 | 0.1 | 0.3 | 0.4 | 0.3 | 0.08 | - | 0.01 |
| 2 | 0.9 | 1.05 | 0.1 | 0.3 | 0.4 | 0.3 | 0.09 | - | 0.01 |
| 3 | 0.9 | 1.1 | 0.1 | 0.3 | 0.4 | 0.3 | 0.08 | 0.09 | 0.01 |
| 4 | 0.9 | 0.95 | 0.1 | 0.3 | 0.4 | 0.3 | 0.09 | 0.01 | 0.01 |
| 5 | 0.97 | 0.9 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.25 | - | - | 0.15 |
| 6 | 0.97 | 1.1 | 0.3 | 0.3 | 1.0 | 0.25 | - | - | 0.15 |
| 7 | 0.9 | 1.3 | 0.1 | 0.4 | - | 0.3 | - | - | - |
表2.模拟的硬钎焊循环之前和之后的机械性能
| 合金 | 硬钎焊之前 | 硬钎焊之后 | ||
| 0.2PS[Mpa] | UTS[Mpa] | 0.2PS[Mpa] | UTS[Mpa] | |
| 1 | 226 | 232 | 63 | 138 |
| 2 | 225 | 231 | 62 | 137 |
| 3 | 234 | 240 | 63 | 139 |
| 4 | 225 | 231 | 60 | 135 |
| 5 | 243 | 252 | 77 | 153 |
| 6 | 236 | 239 | 81 | 158 |
| 7 | - | - | 59 | 155 |
| 8(从3003) | 168 | 174 | 40 | 135 |
已经充分地描述了本发明，对本领域的普通技术人员来说，很明显可以进行许多细节的变动，这种修正不偏离本发明描述的保护范围或精神。
Claims (18)
1.一种具有以下组成成分的铝合金，以重量百分比表示：
硅 0.7-1.2
锰 0.7-1.2
镁 最大达到0.35
铁 最大达到0.8
锌 最大达到3.0
镍 最大达到1.5
铜 最大达到0.5
钛 最大达到0.20
铟 最大达到0.20
锆 最大达到0.25
钒 最大达到0.25
铬 最大达到0.25
其它各最大达到0.05，总共最大达到0.15。
铝 为余量。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其中锰的含量范围是0.8到1.1％。
3.根据权利要求2所述的铝合金，其中锰的含量范围是0.8到1.0％。
4.根据权利要求1所述的铝合金，其中锆的含量范围是0.05到0.15％。
5.根据权利要求1所述的铝合金，其中铁的含量范围是0.20到0.45％。
6.根据权利要求1所述的铝合金，其中铜的含量范围是0.20到0.40％。
7.根据权利要求1所述的铝合金，其中镍的含量范围是0.3到1.2％。
8.根据权利要求7所述的铝合金，其中镍的含量范围是0.5到0.75％。
9.根据权利要求1所述的铝合金，其中硅的含量范围是0.75到1.0％。
10.根据权利要求1所述的铝合金，其中铟的含量范围是0.01到0.1％。
11.根据权利要求1所述的铝合金，其中镁的含量范围是0.2到0.35％。
12.散热片坯料产品，由权利要求1-11中任一项的铝合金制成。
13.根据权利要求12所述的散热片坯料产品，其中所述散热片坯料能够获得至少60Mpa的硬钎焊后的0.2％的屈服强度。
14.根据权利要求13所述的散热片坯料产品，其中所述散热片坯料能够获得至少70Mpa的硬钎焊后的0.2％的屈服强度。
15.一种硬钎焊的热交换器，具有根据权利要求11所述合金或权利要求12-14中任一项的散热片坯料的散热片。
16.一种具有铝合金散热片的硬钎焊热交换器，所述铝合金具有以下组成，以重量百分比表示：
硅 0.75-1.0
锰 0.8-1.0
镁 0.2-0.35
铁 最大达到0.5
锌 最大达到3.0
镍 最大达到1.5
铜 最大达到0.4
钛 最大达到0.20
铟 最大达到0.20
锆 最大达到0.25
钒 最大达到0.25
铬 最大达到0.25
其它各最大达到0.05，总共最大达到0.15。
铝 为余量，
和其中所述散热片具有70Mpa或更多的硬钎焊后的0.2％的屈服强度。
17.根据权利要求16的热交换器，其中所述铝合金中铁含量为0.2-0.45。
18.根据权利要求16或17的热交换器，其中所述铝合金中铜含量为0.2-0.4。
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