ES2220832T3 - Procedimiento de fabricacion de una banda enchapada de aleacion de aluminio para la fabricacion de cambiadores de calor soldados. - Google Patents
Procedimiento de fabricacion de una banda enchapada de aleacion de aluminio para la fabricacion de cambiadores de calor soldados.Info
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Abstract
Procedimiento de fabricación de una banda enchapada, con un espesor < 1, 5 mm, destinada a la fabricación de cambiadores de calor soldados, que comprende: - la colada de una pieza en bruto cuya aleación del alma tiene la composición (% en peso): Si < 0, 8 Fe < 0, 8 Cu: 0, 2 - 0, 9 Mn: 0, 7 - 1, 5 Mg < 0, 4 Zn < 0, 2 Ti < 0, 1 otros elementos < 0, 05 cada uno y < 0, 15 en total, resto aluminio, - la homogeneización de esta pieza en bruto entre 550 y 630°C durante por lo menos una hora, - el enchapado en esta pieza en bruto, en una o dos caras, de una aleación de aluminio de soldadura, - el laminado en caliente y después en frío de la pieza en bruto enchapada hasta un espesor casi igual al espesor final, - el recocido de recristalización de la banda entre 300 y 400°C, - el endurecimiento por deformación de la banda recocida para obtener una deformación permanente incluida entre 2 y 10 hasta el espesor final.
Description
Procedimiento de fabricación de una banda
enchapada de aleación de aluminio para la fabricación de
cambiadores de calor soldados.
La invención se refiere a la fabricación de
bandas finas (con un espesor que suele estar incluido entre 0,1 y
1,5 mm) de aleación de aluminio-manganeso (serie
3000 según la nomenclatura de la Aluminum Association), enchapadas
en una o dos caras con una aleación de soldadura de
aluminio-silicio (serie 4000 según la nomenclatura
de la Aluminum Association). Estas bandas están destinadas a la
fabricación de elementos embutidos de cambiadores de calor
ensamblados por soldadura fuerte, estos cambiadores de calor entran
particularmente en los sistemas de refrigeración de los motores y
de aire acondicionado de los habitáculos de automóviles, y más
particularmente de placas de evaporadores de acondicionadores de
aire. Las técnicas de soldadura de las aleaciones de aluminio
vienen descritas por ejemplo en el artículo de J.C. Kucza, A. Uhry
y J.C. Goussain "Le brasage fort de l'aluminium et ses
alliages", parecido en "Soudage et Techniques Connexes",
nov./dic. de 1991, pp. 18-29. Las bandas según la
invención se utilizan particularmente para las técnicas de soldadura
con flujo no corrosivo de tipo NOCOLOK® o CAB (controlled
atmosphere brazing), pero pueden utilizarse Cambien para otras
técnicas de soldadura como la soldadura al vacío.
La utilización de las aleaciones de aluminio en
los cambiadores de calor de los vehículos automóviles ha sido
desarrollada durante los últimos años, particularmente gracias a la
reducción de peso que ofrecen con respecto a las aleaciones
cuprosas. Las propiedades requeridas para las bandas de aleación de
aluminio utilizadas para la fabricación de cambiadores de calor
soldados son, entre otras cosas, una buena aptitud a la soldadura,
una resistencia mecánica elevada después de la soldadura, para
poder utilizar espesores tan pequeños como sea posible, una
conformabilidad suficiente para una fácil conformación de los
elementos, particularmente las placas de evaporadores que comprenden
nervaduras embutidas, y por último una buena resistencia a la
corrosión. Esta resistencia suele caracterizarse por la prueba
SWAAT (salt water acetic acid test) según la norma ASTM G85. Por
supuesto, importa que el coste de elaboración de las bandas sea
compatible con las exigencias de la industria
\hbox{automóvil.}
La aleación que suele utilizarse para el alma es
la 3003 cuya composición es (% peso según la norma EN
573-3):
Si < 0,6 Fe < 0,7 Cu: 0,05 - 0,20 Mn: 1,0 -
1,5 Zn < 0,10 otros elementos < 0,05 cada uno y < 0,15 en
total, resto aluminio. Durante los últimos años, numerosas
aleaciones han sido propuestas para mejorar una u otra de las
propiedades de uso anteriormente mencionadas, más particularmente la
resistencia a la corrosión, de ahí la denominación de aleaciones
"long lile" que se emplea a veces en la profe-
sión.
sión.
La patente EP 0326337 (Alcan internacional)
describe una banda enchapada cuya aleación básica tiene la
composición:
Si < 0, 15 Fe < 0, 4 Cu: 0,1 - 0,6 Mn: 0,7
- 1,5 Mg < 0,8
La pequeña proporción de Si, preferentemente <
0,05 permite la formación de una capa densa de precipitados con Mn,
frecuentemente llamada "brown band", que desempeña la función
de barrera a la difusión del silicio de la aleación que sirve de
revestimiento, y aumenta la resistencia a la corrosión. WC 94/22633
es una variante de la aleación anterior que 0 sólo difiere en su
proporción de Cu más elevada (0,6 - 0,9%). En ambos casos, la
"brown band" sólo puede obtenerse en ausencia de
homogeneización antes del laminado en caliente o del recocido
intermedio.
La patente EP 0718072 (Hoogovens Aluminium
Walzprodukte) describe una aleación básica que tiene como
composición:
Si > 0,15 Fe < 0,8 Cu: 0,2 - 2 Mn: 0,7 -
1,5 Mg: 0,1 - 0,6 con Cu + Mg < 0,7 y posible adición de Ti, Cr,
Zr o V. Los ejemplos muestran proporciones de Si de 0,5%.
La solicitud de patente internacional WC 99/55925
de la misma empresa se refiere a una aleación que tiene como
composición:
Mn: 0,7 - 1,5 Cu: 0,5 - 1,5 Mg < 0,8 Si <
0,15 Fe < 0,4
La aleación presenta en estado soldado y
envejecido un límite elástico R0,2 > 75 MPa y una vida útil sin
perforación durante la prueba SWAAT de por lo menos 13 días.
La solicitud de patente francesa de la
solicitante n° 99-10536 se refiere a bandas o tubos
para cambiadores de calor soldados cuya aleación tiene la
composición:
Si: 0,15 - 0,30 Fe < 0,25 Cu: 0,2 - 1,1 Mn:
1,0 - 1,4 Mg < 0,4 Zn <0,2 Fe < Si y Cu + Mg > 0,4
Para las piezas que precisen una importante
conformación, las bandas se utilizan en estado recocido (estado 0
según la norma NF EN 515), y en los otros casos en estado
endurecido en frío, por ejemplo los estados H14 o H24.
La resistencia a la corrosión de los cambiadores
de calor soldados, tal como se mide con la prueba SWAAT, no depende
únicamente de la composición de la aleación del alma o de la
aleación de soldadura seleccionada. El fenómeno que parece originar
casi siempre una corrosión rápida de los cambiadores de calor, y
particularmente de las placas de evaporadores, es la migración de
películas líquidas (en inglés "Liquid Film Migration" D LFM).
Este fenómeno viene descrito, por ejemplo, en el artículo de H.S.
Yang y R.A. Woods "Mechanisms of Liquid Film Migration (LFM) in
Aluminum Brazing Sheet", VTMS3 Conference Proceedings, SAE
International, Indianapolis, 1997, pp. 639-658. Se
trata de un proceso de difusión del silicio de la aleación de
soldadura hacia el alma durante la soldadura, la aleación de
soldadura es, sea la que ha sido enchapada en la banda de aleación
del alma, sea la que ha sido colocada en ésta por cualquier medio,
o procedente del enchapado de la pieza adyacente por soldadura.
Esto provoca la formación de juntas de granos ricas en precipitados,
que constituyen vías privilegiadas de corrosión intergranular,
debido a la gran diferencia de potencial entre las fases presentes
y la matriz de aluminio. La presencia de dislocaciones favorece
este fenómeno. Además de la mayor conformabilidad, es una de las
razones por la que se utiliza un estado recocido que conduce a una
estructura recristalizada de granos finos. Sin embargo, para las
placas de cambiadores de calor que comprenden partes deformadas, la
conformación genera endurecimientos por deformación variables en la
pieza, y, para obtener una microestructura recristalizada en todas
partes, se tendría que recocer la pieza después de su conformación,
lo que aumentaría los costes de producción. Es particularmente el
caso para las placas de evaporadores.
El objeto de la invención es mejorar aún más la
resistencia a la corrosión, medida mediante la prueba SWAAT, de los
elementos embutidos de cambiadores de calor soldados de aleaciones
de aluminio de tipo Al-Mn, y particularmente de las
placas de evaporadores de cambiadores de calor de aire acondicionado
de los vehículos, sin aumentar exageradamente los costes de
producción.
Así, la invención tiene por objeto un
procedimiento de fabricación de una banda enchapada, con un espesor
< 1,5 mm, destinada a la fabricación de elementos embutidos de
cambiadores de calor soldados, que comprende:
- la colada de una pieza en bruto cuya aleación
del alma tiene la composición (% en peso):
Si < 0,8 Fe < 0,8 Cu: 0,2 - 0,9 Mn: 0,7 -
1,5 Mg < 0,4
Zn < 0,2 Ti < 0,1 otros elementos < 0,05
cada uno y < 0,15 en total, resto aluminio,
- la homogeneización de esta pieza en bruto entre
550 y 630°C durante por lo menos una hora,
- el enchapado en esta pieza en bruto, en una o
dos caras, de una aleación de aluminio de soldadura, que contiene
preferentemente de 5 a 13% de silicio,
- el laminado en caliente y después en frío de la
pieza en bruto enchapada hasta un espesor casi igual al espesor
final,
- el recocido de recristalización de la banda
entre 300 y 400°C,
- el endurecimiento por deformación de la banda
recocida para obtener una deformación permanente incluida entre 2 y
10% y el espesor final.
Este endurecimiento por deformación final puede
obtenerse mediante un laminado en frío de tipo "skin pass", o
un aplanado bajo tensión.
La figura 1 representa una micrografía de un
corte de una banda soldada que muestra una migración de películas
líquidas.
La figura 2 representa una micrografía de un
corte de una banda soldada exenta de este fenómeno.
La invención radica en la siguiente observación
planteada por la solicitante, a saber que es posible obtener una
estructura recristalizada, no sólo en estado recocido sino también
después de la soldadura, más allá de cierto nivel mínimo de
endurecimiento por deformación, que depende de la conformación de la
pieza y del aspecto del ciclo de soldadura, particularmente la
velocidad de subida de temperatura. Sin embargo, los estados H14 o
H24, utilizados para las piezas no o poco deformadas, no convienen
siempre a las piezas muy deformadas como las placas de
evaporadores, porque no es posible embutirlas, en particular en las
zonas que precisan un importante alargamiento. Para obtener un
nivel crítico de endurecimiento por deformación aceptable y
garantizar a la vez una buena recristalización final, y por
consiguiente una ausencia de dislocación después de la soldadura,
se lo ocurrió a la solicitante favorecer la recristalización
mediante una alta homogeneización antes del laminado, lo que
permite crear una población homogénea de fases de tamaño suficiente
como para servir de gérmenes a los granos recristalizados. Este
medio va en contra del arte anterior y no procura obtener una
"brown band" por ausencia de homogeneización.
Se deduce que el procedimiento según la invención
puede aplicarse a una amplia gama de aleaciones
Al-Mn, sin depender de las obligaciones de
composición vinculadas a la obtención de la "brown band". El
manganeso se sitúa en límites semejantes a los de la aleación 3003;
contribuye a la resistencia mecánica y a la resistencia a la
corrosión, aumentando la diferencia de potencial electroquímico
entre la aleación básica y la capa de enchapado. Como para todas
las aleaciones AlMn, no es posible ir más allá de 1,5% porque la
aleación ya no puede colarse fácilmente.
No es necesario mantener una proporción de
silicio por debajo de 0,15%, lo que permite evitar utilizar una
base pura cuyo coste es elevado. Por otra parte, en las aleaciones
que contienen magnesio, el silicio contribuye a la resistencia
mecánica por formación de precipitados Mg_{2}Si. Una proporción
limitada de hierro es favorable a la resistencia a la corrosión y a
la conformabilidad, pero no es necesario reducirla a proporciones
muy pequeñas < 0,15% que conducirían a un precio de coste
elevado.
El cobre es un elemento endurecedor que
contribuye a la resistencia mecánica, pero más allá de 1%, pueden
formarse componentes intermetálicos gruesos durante la colada que
perjudican la homogeneidad del metal y constituyen puntos de inicio
de la corrosión.
El magnesio tiene un efecto favorable sobre la
resistencia mecánica. En cambio, es nefasto para la soldabilidad,
en la medida en que migra a la superficie del enchapado y, cuando
no se trata de una soldadura al vacío, viene a formar una capa de
óxido que modifica en sentido desfavorable las propiedades de la
soldadura y el mecanismo de acción del flujo de soldadura. Por esta
razón, su proporción debe limitarse a 0,4%. Para aplicaciones muy
exigentes en lo que se refiere a la calidad de las juntas, puede
ser preciso suprimir totalmente el magnesio. En este caso, es
preferible tener por lo menos 0,4% de cobre para compensar la
pérdida de resistencia mecánica, por ejemplo manteniendo una suma
de las proporciones Cu + Mg > 0,4%.
Una adición limitada de zinc puede tener un
efecto benéfico sobre la resistencia a la corrosión, modificando
los mecanismos electroquímicos, particularmente para las aleaciones
más cargadas de cobre. Sin embargo, ha de permanecer inferior a
0,2% para evitar una susceptibilidad a la corrosión generalizada
demasiado elevada. El titanio, con una proporción inferior a 0,1%
se conoce por su influencia favorable sobre la resistencia a la
corrosión.
En la medida en que se quiere favorecer lo más
posible la recristalización de la aleación, hay razones para
limitar lo más posible la proporción de elementos
antorrecristalizantes, tales como el cromo, el vanadio, el hafnio o
el scandio, manteniendo por ejemplo su proporción máxima por debajo
de 0,01%.
La aleación de soldadura debe tener una
temperatura de liquidus suficientemente baja con respecto a la
aleación del alma como para poseer un intervalo de temperatura
suficiente para la soldadura, una resistencia mecánica aceptable y
una buena mojabilidad. Preferentemente, se trata de una aleación
AlSi que contiene entre 5 y 13% de silicio, como por ejemplo las
aleaciones 4004, 4104, 4045, 4047 ó 4343, y puede contener otros
elementos adicionales, por ejemplo zinc y/o estroncio. También es
posible utilizar enchapados multicapas con otras aleaciones además
de la capa de AlSi. El espesor de la capa enchapada puede variar
entre 0,01 y 0,2 mm y representa lo más a menudo unos 10% del
espesor total.
El procedimiento de fabricación de las bandas
comprende la colada de una placa de la aleación del alma y de una o
dos placas de la aleación de soldadura, según se quiere obtener el
enchapado de una o dos caras. La placa de aleación del alma se
somete a una alta homogeneización entre 550 y 630°C durante por lo
menos 1 h, y preferentemente durante más de 3 h. Después, se fabrica
el conjunto enchapado, que se lamina en caliente, preferentemente a
una temperatura de salida suficientemente elevada como para limitar
lo más posible la reprecipitación del manganeso, y que se lamina en
frío después hasta un espesor casi igual al espesor final, la
diferencia con el espesor final corresponde a la ligera reducción
de espesor necesaria para la operación ulterior de endurecimiento
por deformación. Después, se realiza un recocido a una temperatura
incluida entre 300 y 400°C, que conduce a la recristalización de la
aleación y a una microestructura de granos finos.
La banda se somete después a un endurecimiento
por deformación con un índice de deformación permanente incluido
entre 2 y 10%, y preferentemente entre 4 y 8%. Este endurecimiento
por deformación puede obtenerse por ejemplo gracias a un laminado
con pequeña reducción mediante cilindros de tipo "skin pass", o
gracias a un aplanado bajo tensión de la banda.
Las bandas según la invención se recomiendan
particularmente para la fabricación de placas de evaporadores para
los sistemas de aire acondicionado de automóviles. No plantean
ningún problema durante la embutición y los con untos soldados
fabricados a partir de estas bandas presentan una vida útil sin
perforación durante la prueba SWAAT de por lo menos 40 días, es
decir superior de por lo menos 10 días a la de los mejores
productos del arte anterior. Los estudios microestructurales
efectuados en piezas soldadas muestran un estado totalmente
recristalizado en todas las zonas y una ausencia de LFM.
Se ha colado una placa cuya aleación del alma
tiene la composición (% en peso):
Si = 0,19 Fe = 0,19 Cu = 0,62 Mn = 1,33 Mg =
0,001 Cr = 0,002
Zn = 0,039 Ti = 0,09 resto aluminio.
La placa ha sido homogeneizada durante 10 h a
600°C y refrigerada después. Después del escalpado de la placa, se
ha soldado en las dos caras una chapa cuya aleación 4343 tiene la
siguiente composición: Si = 7,21 Fe = 0,25 Mn = 0,08 resto
aluminio. El conjunto ha sido recalentado a 500°C y laminado en
caliente a 500°C hasta un espesor de 3 mm, y por último laminado en
frío hasta 0,52 mm. La banda obtenida ha sido sometida a un
recocido de 30 min. a 350°C.
En la banda recocida se han cortado piezas en
bruto para formar por embutición piezas de prueba de tipo placa de
evaporador de un conjunto de aire acondicionado de habitáculo de
automóvil. Las piezas de prueba han sido revestidas con un flujo de
soldadura no corrosivo de tipo Nocolock® y preensambladas entre sí
después, por medio de un montaje de acero inoxidable. La soldadura
de las piezas ha sido realizada en un horno con nitrógeno a 600°C
durante 2 min. y el conjunto soldado ha sido refrigerado por
aire.
La microestructura después de la soldadura
presenta, en numerosos puntos, granos gruesos delimitados por
cordones de intermetálicos gruesos pero casi desprovistos de
precipitados en su seno. Esta microestructura es característica del
fenómeno de LFM.
Pruebas de corrosión con la prueba SWAAT según la
norma ASTM G85 conducen a una perforación del conjunto soldado al
cabo de los 34 días. En ausencia de homogeneización de la placa de
metal del alma colada, la perforación es más rápida y llega al cabo
de los 24 días.
Se reproducen las mismas operaciones que en el
ejemplo 1, excepto que el laminado en frío de la banda enchapada se
para a 0,536 mm. Después del recocido, se realiza una tracción de
la banda con ayuda de un sistema de aplanado bajo tensión que
conduce a un alargamiento permanente del orden de los 3% y que
reduce el espesor hasta 0,52 mm.
La microestructura de las placas y de la
soldadura después de la embutición presenta una estructura
recristalizada en casi todas partes, salvo en las zonas menos
deformadas que pueden, en algunos casos, seguir siendo propensas a
un ligero fenómeno de LFM.
Pruebas de corrosión con la prueba SWAAT conducen
a una corrosión preferente de las juntas soldadas con ausencia de
perforación al cabo de los 45 días. Cuando la placa de metal del
alma colada no ha sido sometida a una homogeneización, la
perforación llega al cabo de los 28 días.
Se reproducen las mismas operaciones que en el
ejemplo 1, excepto que el laminado en frío de la banda enchapada se
para a 0,552 mm. Después del recocido, se realiza una tracción de
la banda con ayuda de un sistema de aplanado bajo tensión que
conduce a un alargamiento permanente del orden de 6% y reduce el
espesor hasta 0,52 mm.
La microestructura después de la soldadura
muestra una estructura recristalizada en todas partes, cualquiera
que sea la deformación, y una ausencia total de LFM.
Pruebas de corrosión con la prueba SWAAT conducen
a una corrosión preferente de las juntas soldadas con ausencia de
perforación al cabo de los 45 días. La corrosión en el metal del
alma es más bien lateral con ausencia de picaduras localizadas.
Claims (8)
1. Procedimiento de fabricación de una banda
enchapada, con un espesor < 1,5 mm, destinada a la fabricación
de cambiadores de calor soldados, que comprende:
- la colada de una pieza en bruto cuya aleación
del alma tiene la composición (% en peso):
Si < 0,8 Fe < 0,8 Cu: 0,2 - 0,9 Mn: 0,7 -
1,5 Mg < 0,4
Zn < 0,2 Ti < 0,1 otros elementos < 0,05
cada uno y < 0,15 en total, resto aluminio,
- la homogeneización de esta pieza en bruto entre
550 y 630°C durante por lo menos una hora,
- el enchapado en esta pieza en bruto, en una o
dos caras, de una aleación de aluminio de soldadura,
- el laminado en caliente y después en frío de la
pieza en bruto enchapada hasta un espesor casi igual al espesor
final,
- el recocido de recristalización de la banda
entre 300 y 400°C,
- el endurecimiento por deformación de la banda
recocida para obtener una deformación permanente incluida entre 2 y
10 hasta el espesor final.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la aleación del alma contiene menos de
0,01% de Cr, Zr, Hf, V o Sc.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la aleación de
soldadura contiene de 5 a 13% de silicio.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el tiempo de
homogeneización es superior a 3 h.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el
endurecimiento por deformación de la banda recocida se hace con una
deformación permanente incluida entre 4 y 8%.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el
endurecimiento por deformación de la banda recocida se hace mediante
un laminado de tipo skin-pass.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el
endurecimiento por deformación de la banda recocida se hace mediante
un aplanado bajo tensión.
8. Banda enchapada fabricada mediante un
procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizada porque después de la conformación y de la
soldadura, ésta presenta una vida útil sin perforación durante la
prueba SWAAT según la norma ASTM G85 de más de 40 días.
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