ES2225577T3 - Metodo para fabricar una hoja de aluminio para aletas. - Google Patents
Metodo para fabricar una hoja de aluminio para aletas.Info
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Abstract
Un método de obtención de una hoja de aleación de aluminio para uso en aletas de intercambiadores de calor, que comprende (a) proporcionar una aleación fundida basada en aluminio que contiene 0, 27% a 0, 55% en peso de hierro, 0, 06% a 0, 55% de silicio, opcionalmente 0, 05% a 0, 20% de cobre y el resto aluminio e impurezas inevitables, (b) colar en continuo dicha aleación de aluminio fundida en una banda de aleación de aluminio, y (c) laminar en frío la banda de aleación de aluminio colada en continuo hasta un grosor final de aproximadamente 0, 076 mm a aproximadamente 0, 152 mm, caracterizado por recocer parcialmente la banda de aleación de aluminio a una temperatura por debajo de 260°C, con un sobrecalentamiento máximo de 10°C, para así recocer la hoja de aleación de aluminio sin recristalización sustancial.
Description
Método para fabricar una hoja de aluminio para
aletas.
La presente invención describe un método para
fabricar una hoja de aluminio adecuada para aplicación en aletas
usadas en intercambiadores de calor, particularmente para
serpentines condensadores y evaporadores.
Las hojas de aluminio se usan popularmente en
intercambiadores de calor, debido a que el aluminio tiene
conductividad térmica muy elevada. Estas aletas se ajustan
típicamente sobre tubos de cobre y se ensamblan mecánicamente. Como
el tamaño de las unidades acondicionadoras de aire aumenta, las
aletas se están alargando, y es importante que tengan suficiente
resistencia para que puedan alzarse sin que se doblen. Una
resistencia baja también puede dar como resultado daños en el manejo
cuando los serpentines se doblan para formar una unidad. Una forma
de mejorar la rigidez del serpentín es aumentar el grosor de la hoja
de aluminio. Debido a que esta alternativa es costosa y añade peso,
los fabricantes de acondicionadores de aire prefieren usar hojas más
resistentes.
La aleación más popular usada en esta aplicación
es la aleación AA 1100. Tiene la composición mostrada en la Tabla I
a continuación:
| Elementos | Peso |
| Silicio + Hierro: | <0,95 |
| Cobre: | 0,05 - 0,20 |
| Aluminio: | >99,00 |
| Otros elementos: | <0,05 |
Cuando se recuece por completo, esta aleación
tiene muy baja resistencia. Por ejemplo, el límite elástico típico
podría estar entre 20,7-41,4 MPa
(3-6 ksi), y la resistencia a la rotura por tracción
(UTS, del inglés Ultimate Tensile Strength) podría estar entre
96,5-110,3 MPa (14-16 ksi). Esta
aleación es altamente conformable, con alargamiento que generalmente
excede 24%, y valores Olsen por encima de 0,25 pulgadas (6 mm). Si
la conformabilidad no es adecuada, los anillos formados en esta
lámina, a través de la que se pasan los tubos de cobre, pueden
agrietarse en el reborde o en el cuerpo del propio anillo. Estas
grietas no son deseables porque los tubos de cobre, después de pasar
a través de las aletas, se expanden para formar una buena junta
entre el anillo y el tubo. Si el anillo está agrietado, la
transferencia de calor entre la aleta y el tubo se deteriora. La
lámina de AA 1100, grado de temple "0", forma excelentes
anillos y se usa popularmente en esta aplicación. Aparece un
problema cuando se desea mayor resistencia en aplicaciones tales
como aletas largas.
Típicamente, la aleación AA 1100 formada mediante
el método de colada directa o DC, laminada en caliente y a
continuación laminada en frío hasta el grosor final de
0,1-0,13 mm (0,004-0,005 pulgadas),
puede recocerse parcialmente. La etapa de recocido parcial implica
calentar la lámina laminada en caliente a temperaturas entre
240-270ºC. Durante este tiempo, la resistencia de
la lámina laminada en frío disminuye, y su conformabilidad aumenta.
El laminado en frío destruye completamente la estructura del
aluminio. Cuando se calienta, la primera etapa implica la
recuperación, y la segunda etapa implica la recristalización. En un
recocido típico, la etapa de recuperación implica una reducción
gradual de la resistencia, mientras que la recristalización implica
un descenso precipitado de la resistencia. Las propiedades mecánicas
típicas deseadas de una lámina parcialmente recocida se muestran en
la Tabla II a continuación:
| Límite elástico (MPa) | 96,5-110,3 |
| Alargamiento (%) | 20-24 |
| UTS (MPa) | 110,3-124,1 |
El material parcialmente recocido tiene una
estructura que está completamente recuperada y que ha empezado a
formar algunos granos iniciales (recristalización incipiente). Estos
granos son pequeños, típicamente de menos de 25 micrómetros de
diámetro. Este material se comporta extremadamente bien en la
aplicación de aletas, con grietas en anillos generalmente por debajo
de 5%.
El método de colada DC es, sin embargo, caro. En
los últimos años, ha habido una tendencia a ir a la colada continua,
usando máquinas de colada de cintas, de rodillos, u otro
equipamiento similar. Las máquinas de colada continua producen una
"banda en estado bruto de colada" que tiene un espesor de menos
de 30 mm (más generalmente de menos de 25 mm de espesor). Las
máquinas de colada de rodillos producen generalmente una banda de 6
mm o menos, que puede laminarse en frío directamente. Las máquinas
de colada de cintas producen bandas que pueden o bien laminarse en
caliente directamente, o que pueden usarse junto con un laminador en
línea que reduce el espesor de la banda en estado bruto de colada,
después de que solidifique, pero antes de que se enfríe, a un
espesor adecuado para la laminación en frío. La etapa de laminación
en caliente en el material colado DC está precedida por un
precalentamiento (homogeneización), a aproximadamente 500ºC. Esta
etapa de homogeneización no está presente en el método de colada
continua, y por ello, la historia térmica de los dos materiales es
significativamente diferente. Como resultado de esto, el material AA
1100 colado DC produce una lámina excelente parcialmente recocida,
mientras que la lámina colada mediante una máquina de colada
continua (CC) no ha proporcionado hasta ahora el comportamiento
deseado. El material colado CC es menos conformable que el material
colado DC, a una resistencia equivalente. Los intentos de mejorar la
conformabilidad (caracterizada por los valores de alargamiento y de
Olsen) aumentando la temperatura de recocido, dan como resultado la
reducción del límite elástico significativamente por debajo de
límite inferior de 89,6-96,5 MPa.
Se han realizado varios estudios e intentos
previos para desarrollar métodos mejorados de obtención de hojas de
aluminio, utilizando un método de colada continua con un solo
rodillo y una composición de aleación basada en aluminio, que puede
colarse con un sólo rodillo, homogeneizarse, laminarse en frío y
recocerse para producir un producto de hoja de aluminio. Por
ejemplo, la patente de EE.UU. No. 5.466.312 (Ward, Jr.) discute un
método para obtener una hoja de aluminio que comprende proporcionar
una aleación fundida basada en aluminio que consiste esencialmente
en aproximadamente 0,08 a 0,20 por ciento en peso de silicio,
aproximadamente 0,24 a 0,50 por ciento en peso de hierro, y
aproximadamente 0,21 a 0,30 por ciento en peso de cobre, siendo en
resto aluminio e impurezas inevitables. La composición de aleación
de aluminio se cuela en continuo para formar una banda colada en
serpentín. La banda colada en serpentín se homogeneiza, se lamina en
frío, y se continua con una etapa final de recocido de
recristalización de 450-650ºF
(232,2-343,3ºC). Este intervalo de temperatura crea
la recristalización en la hoja.
La patente de EE.UU. No. 5.554.234 (Takeuchi)
propone una aleación de aluminio de resistencia elevada, adecuada
para uso en la fabricación de una aleta. De acuerdo con la patente,
la aleación de aluminio contiene como mucho 0,1% en peso de silicio,
0,10 a 1,0% en peso de hierro, 0,1 a 0,50% en peso de manganeso,
0,01 a 0,15% en peso de titanio, siento el resto aluminio e
impurezas inevitables. La patente también discute un método de
fabricación de una aleación de aluminio de resistencia elevada
adecuada para uso en la fabricación de una aleta, que comprende la
etapa de calentar un lingote de aleación de aluminio a
430-580ºC, laminar en caliente el lingote para
obtener un material plano, y aplicar un tratamiento de recocido de
homogeneización a 250-350ºC para el propósito
establecido de provocar que los compuestos intermetálicos se
distribuyan en la textura metálica de la aleación.
La patente de EE.UU. No. 4.737.198 (Shabel)
describe un método de colada de una aleación que tiene componentes
en el intervalo de composición de aproximadamente
0,5-1,2% hierro, 0,7-1,3% manganeso,
y 0-0,5% silicio en peso, homogeneizar la aleación
colada a temperaturas por debajo de aproximadamente 1100ºF
(593,3ºC), preferiblemente por debajo de aproximadamente 1050ºF
(565,5ºC) para controlar la microestructura, y laminar en frío hasta
el grosor final. La aleación laminada en frío a continuación se
recuece parcialmente para alcanzar los niveles deseados de
resistencia y conformabilidad.
La patente japonesa No. 5-51710
propone una hoja de aluminio recocida en un horno de aire caliente a
150-250ºC que lleva la hoja sobre a lo largo de un
colchón de aire caliente a una temperatura de
350-450ºC. La patente japonesa No.
6-93397 describe una aleación de aluminio para
fabricar una hoja y un método de tratamiento para mejorar las
propiedades de la hoja, que incluye laminación en frío, tratamiento
térmico hasta 400ºC, y a continuación recocido a
250-450ºC, seguido además de laminación en frío.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar un método mejorado para producir una hoja de aleación
de aluminio para aletas de intercambiadores de calor, basado en la
colada continua de una aleación de aluminio AA 1100.
La presente invención proporciona un método,
según se reivindica en la reivindicación 1, para fabricar una hoja
de aleación de aluminio para aletas usadas en intercambiadores de
calor.
La aleación puede ser una aleación de aluminio
del tipo AA 1100, tal como una aleación de aluminio que contiene
0,27% a 0,55% en peso de hierro y 0,06% a 0,55% en peso de
silicio.
La aleación también contiene preferiblemente
0,05% a 0,20% en peso de cobre. Esta aleación en forma fundida se
cuela en continuo en una banda de aleación de aluminio, cuya banda
colada en continuo se lamina en frío hasta un grosor final de
aproximadamente 0,076 mm a aproximadamente 0,152 mm. La banda
laminada en frío se somete a tratamiento de recocido parcial a una
temperatura por debajo de 260ºC, con un sobrecalentamiento máximo de
10ºC. De esta forma, el recocido de la hoja de aleación de aluminio
tiene lugar sin recristalización sustancial.
La invención proporciona una hoja de aleación de
aluminio mejorada, resistente pero conformable, adecuada para uso en
la fabricación de aletas para intercambiadores de calor, que incluye
condensadores y evaporadores usados en equipamiento acondicionador
de aire.
Se ha encontrado que la diferencia entre material
colado CC y DC no puede explicarse en términos de la composición de
la aleación. Por ejemplo, se probaron aleaciones de aluminio de
distintas composiciones que incluían alto y bajo contenido en Fe
(0,27-0,55%), alto y bajo contenido en silicio (0,06
- 0,55%), y cambios en el contenido de cobre (0,00 - 0,12%), pero el
resultado fue siempre el mismo. El material colado CC es menos
conformable que el material colado DC. Por ejemplo, el alargamiento
del material colado DC cuando el límite elástico es 96,5 MPa es
alrededor del 22%. El límite elástico correspondiente a un
alargamiento equivalente para el material colado CC fue alrededor de
48,3-62,1 MPa.
La diferencia entre material colado CC y DC puede
encontrarse en la diferencia en la microestructura de los dos
materiales parcialmente recocidos. Durante la recristalización
inicial, el material colado DC forma pequeños granos, pero el
material colado CC forma granos grandes. Esto puede ser debido al
hecho de que están disponibles menos sitios de recristalización en
el material colado CC debido a la presencia de estos granos largos
en lugar de la conformabilidad en volumen. Esto fue inesperado, ya
que en la industria siempre se pensó que las grietas de los anillos
estaban causadas por valores de alargamiento o valores Olsen
inadecuados. Esto era sólo verdad parcialmente. Mientras el material
parcialmente recristalizado no contenía más de 5% de granos
recristalizados, preferiblemente no más de 2% de granos
recristalizados, no se formaban las grietas de los anillos incluso
cuando el alargamiento era sólo entre 16-18%. Así,
para que funcionase adecuadamente el material colado CC en la
aplicación de aletas, era crítico prevenir la recristalización
significativa del material durante el recocido parcial.
Además, la presencia de granos grandes en el
material colado CC podría no estar correlacionada solo con la
temperatura de recocido, sino también con el sobrecalentamiento
proporcionado en el horno. La cabeza caliente, o sobrecalentamiento,
es la diferencia entre las temperaturas del metal y aire o gas en el
horno. La temperatura del aire o gas se mide directamente mediante
un termopar próximo a la fuente de calor y en el flujo de aire en el
horno, y la temperatura del metal se mide generalmente mediante un
termopar embebido dentro del serpentín en el horno. Para prevenir la
recristalización pero permitir que tenga lugar la recuperación, la
temperatura de recocido no debería exceder 260ºC, y preferiblemente
debería estar entre 245-255ºC. El sobrecalentamiento
no debería exceder 10ºC, preferiblemente debería ser menor que 7ºC.
En estas circunstancias, no se produce recristalización. El tiempo
de recocido se proporciona para la recuperación final del material.
El bajo sobrecalentamiento impuesto en el presente método asegura la
mayor uniformidad posible de temperatura durante el proceso de
recocido, y consecuentemente se previene la formación de incluso
pequeñas cantidades de granos recristalizados durante la operación a
la más elevada temperatura posible para la recuperación.
Cuando se siguen las prácticas de recocido
mencionadas, un material colado CC presenta una microestructura que
está esencialmente recuperada y tiene muy pocos granos
recristalizados, si tiene alguno. Las propiedades típicas de tal
material se muestran en la Tabla III a continuación:
| Límite elástico (MPa) | 93,1-110,3 |
| Resistencia a la rotura por tracción (MPa) | 110,3-124,1 |
| Alargamiento % | 16-19 a 0,10 mm de grosor |
A pesar de que el alargamiento de este material
es significativamente menor que el correspondiente aterial colado
DC, este material se comporta extremadamente bien en aplicaciones de
aletas.
Durante la formación de anillos, el aluminio se
estira en un grado significativo. Esto depende del diseño del
anillo. Sin embargo, en una aplicación típica, durante el rebordeado
del anillo, el estiramiento radial podría ser como mucho de 20%.
Esta es la principal razón por la que las grietas aparecen durante
el rebordeado. Si los granos recristalizados grandes están presentes
localmente, entonces estos granos se estiran mucho más, siendo
flexibles en comparación con el resto del material. Por tanto, las
grietas aparecen aunque las propiedades del volumen sean excelentes.
Previniendo la recristalización, y optimizando la práctica del
recocido para proporcionar la máxima conformabilidad posible, se
previenen las grietas en anillo.
Actualmente, solo el material colado DC se
comporta bien en esta aplicación. Desarrollando una colada CC
alternativa, la presente invención proporciona una alternativa mucho
más económica.
La presente invención incluye la colada continua
de una aleación
Cu-Fe-Si-Al y
fabricar la aleación en una lámina u hoja de pequeño grosor, por
ejemplo, una lámina que tiene aproximadamente
0,076-0,152 mm de espesor, seguido de recocido
parcial controlado para alcanzar combinaciones de resistencia y
conformabilidad no alcanzadas mediante técnicas convencionales. El
recocido parcial se lleva a cabo preferiblemente con un recocido
discontinuo con la lámina laminada en frío en forma de
serpentín.
El intervalo de composición preferido para la
aleación de acuerdo con la presente invención se muestra en la Tabla
IV a continuación:
| Elementos | % en peso |
| Cobre | 0,05% a 0,20% |
| Silicio | 0,36 a 0,44% |
| Hierro | 0,39 a 0,47% |
| (Resto aluminio con impurezas inevitables) |
Se elige el intervalo de silicio de
0,3-0,5% en peso, preferiblemente
0,36-0,44% en peso, y el intervalo de hierro de
0,3-0,5% en peso, preferiblemente
0,39-0,47%, de forma que durante el proceso de
colada continua, se forme una única especie intermetálica (fase
alfa). Como el material no sufre ningún proceso de homogeneización
posterior, esto previene la formación de defectos de laminación
superficiales ("tizne") durante el proceso de laminación en
frío.
El cobre en el intervalo dado proporciona
resistencia al producto final, sin provocar excesivo endurecimiento
por deformación durante la etapa de laminación de la hoja.
La aleación especificada se cuela usando una
máquina de colada de cinta y un laminador en línea a un grosor de
1,7 mm. La aleación se lamina en frío a continuación al grosor del
producto final. Para aplicaciones de materia prima de aletas, el
grosor del producto final está en el intervalo de aproximadamente
0,076-0,152 mm. A continuación se emplea el recocido
parcial para optimizar la resistencia y conformabilidad. En la Tabla
V a continuación se muestra un ejemplo de la resistencia y
conformabilidad combinadas que puede alcanzarse para una temperatura
de recocido de 250ºC.
| Límite elástico (MPa) | 100,0 |
| UTS (MPa) | 119,3 |
| Alarg | 18,5 |
| Olsen | 5,7 mm |
En la Tabla VI a continuación se muestra otro
ejemplo de la resistencia y conformabilidad combinadas que puede
alcanzarse para una temperatura de recocido de 248ºC.
| Límite elástico (MPa) | 111,0 |
| UTS (MPa) | 125,5 |
| Alarg | 17,5 |
| Olsen | 5,8 mm |
El porcentaje de grietas de reborde en ambos
ejemplos anteriores fue el mismo que en el material DC a 0,5%. Solo
dos filas de aletas mostraban defectos tanto en material DC como CC.
La comparación del material DC y CC en las mismas filas de aletas
indicaba que el número de defectos era idéntico.
Se ha encontrado que el procedimiento de la
presente invención desarrolla una aleación de materia prima de
aletas de elevada resistencia, de grano fino, con buena
conformabilidad. La aleación es particularmente útil en producir
láminas u hojas de pequeño grosor para materia prima de aletas. El
procedimiento de la presente invención no contiene una etapa de
laminación en caliente precedida de un precalentamiento a alrededor
de 500ºC.
El siguiente ejemplo intenta ilustrar la práctica
de la invención reivindicada y no debe considerarse como
limitante.
Se coló una aleación AA 1100 de la siguiente
composición, usando una máquina de colada de cinta y un laminador en
línea, a 1,7 mm de grosor. El intervalo de composición para la
aleación se muestra en la Tabla VII a continuación:
| Elementos | % en peso |
| Silicio | 0,42% |
| Hierro | 0,41% |
| Cobre | 0,06% |
Estos serpentines se laminaron en caliente a
continuación hasta un grosor de 0,10 mm en tres pasadas. El
serpentín final se recoció con diferentes prácticas de recocido con
una cabeza caliente de 50ºC. Los serpentines recocidos se ensayaron
en prensas de aleta y se contaron las grietas de reborde y se
comparó con un material DC correspondiente (propiedades, límite
elástico 100,0 MPa, alargamiento 22%). Los resultados se
proporcionan en la Tabla VIII a continuación:
Como puede verse en los datos anteriores, las
grietas de reborde generalmente aumentan con el aumento del
alargamiento y con la disminución de límite elástico. Cuando estas
muestras se examinaron ópticamente, la estructura reveló presencia
de granos grandes que estaban parcialmente recristalizados. Por otro
lado, la estructura DC mostraba solo granos muy pequeños, si es que
había alguno. La aparición de granos grandes estaba causada
probablemente por la elevada cabeza caliente que se mantuvo en el
horno, y que causó que una parte del serpentín alcanzase
temperaturas significativamente más elevadas que el objetivo, dando
como resultado crecimiento de grano.
Para evitar esto, y para evitar cualquier
recristalización, se ha encontrado una nueva práctica de recocido.
Esto implicaba mantener en el horno una cabeza caliente muy pequeña,
que no excediera y preferiblemente por debajo de 7ºC. La temperatura
de recocido también se bajó para evitar la recristalización por
completo, ya que se pensó que esta era la principal razón del
deficiente comportamiento del material CC. Los resultados se
proporcionan en la Tabla VIX a continuación:
El porcentaje de grietas de reborde era el mismo
en el material DC a 0,5%. Solo dos filas de aletas mostraban
defectos tanto en material DC como CC. La comparación del material
DC y CC en las mismas dos filas de aletas indicaba que el número de
defectos era idéntico.
Claims (7)
1. Un método de obtención de una hoja de
aleación de aluminio para uso en aletas de intercambiadores de
calor, que comprende (a) proporcionar una aleación fundida basada en
aluminio que contiene 0,27% a 0,55% en peso de hierro, 0,06% a 0,55%
de silicio, opcionalmente 0,05% a 0,20% de cobre y el resto aluminio
e impurezas inevitables, (b) colar en continuo dicha aleación de
aluminio fundida en una banda de aleación de aluminio, y (c) laminar
en frío la banda de aleación de aluminio colada en continuo hasta un
grosor final de aproximadamente 0,076 mm a aproximadamente 0,152 mm,
caracterizado por recocer parcialmente la banda de aleación
de aluminio a una temperatura por debajo de 260ºC, con un
sobrecalentamiento máximo de 10ºC, para así recocer la hoja de
aleación de aluminio sin recristalización sustancial.
2. Un método según la reivindicación 1,
caracterizado porque la aleación de aluminio contiene 0,05% a
0,20% en peso de cobre.
3. Un método según la reivindicación 2,
caracterizado porque la aleación de aluminio contiene 0,36% a
0,44% en peso de hierro y 0,39 a 0,47% en peso de silicio.
4. Un método según las reivindicaciones 1, 2 ó
3, caracterizado porque la hoja se recuece parcialmente
durante un período de tiempo de menos de aproximadamente 10
horas.
5. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la hoja se
recuece parcialmente a una temperatura en el intervalo de
aproximadamente 245ºC a 255ºC.
6. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el
sobrecalentamiento durante el recocido no es mayor de 7ºC.
7. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque banda de hoja de
aluminio obtenida tiene un límite elástico de
93,1-110,3 MPa, una resistencia a la rotura por
tracción de 110,3-124,1 MPa y un alargamiento de
16-19% a un grosor 0,10 mm.
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