ES2263841T3 - Tiras de aleacion de aluminio para intercambiadores de calor. - Google Patents

Abstract

Tiras de aleación de aluminio de espesor < 0, 3 mm, destinadas a la fabricación de intercambiadores de calor soldados, de composición (% en peso): Si < 1, 5 Fe < 2, 5 Cu <0, 8 Mg < 1, 0 Mn < 1, 8 Zn < 2, 0 In < 0, 2 Sn < 0, 2 Bi < 0, 2 Ti < 0, 2 Cr < 0, 25 Zr < 0, 25 Si + Fe + Mn + Mg > 0, 8, otros elementos < 0, 05 cada uno y < 0, 15 en total, el resto de aluminio, que presentan entre la superficie y la mitad del espesor una diferencia de potencial de corrosión, medida con relación a un electrodo de calomelano saturado de acuerdo con la norma ASTM G69 de, al menos, 10 mV.

Description

Tiras de aleación de aluminio para intercambiadores de calor.

Ámbito de la invención

La invención se refiere al campo de las tiras delgadas (espesor < 0,3 mm) en aleación de aluminio destinadas a la fabricación de intercambiadores de calor, especialmente aquéllos utilizados para el enfriamiento de los motores y la climatización del habitáculo de los vehículos automóviles. Las tiras de aleación de aluminio para intercambiadores son utilizadas tanto desnudas como revestidas en una o ambas caras con una aleación de soldadura metálica. La invención se refiere, más particularmente, a las tiras no revestidas utilizadas para las aletas o separadores fijados sobre tubos o elementos en contacto con el fluido de enfriamiento.

Estado de la técnica

Las aleaciones de aluminio son muy utilizadas actualmente en la fabricación de intercambiadores de calor para automóviles dada su baja densidad, que permite una ganancia de peso, especialmente con relación a las aleaciones de cobre, asegurando una buena conducción térmica, una facilidad de realización y una buena resistencia a la corrosión. Estos intercambiadores comprenden tubos para la circulación del fluido interno de calefacción o de enfriamiento y aletas o separadores para asegurar la transferencia térmica entre el fluido interno y el fluido externo, y su fabricación se efectúa tanto por ensamblaje mecánico como por soldadura metálica.

Además de su función de transferencia térmica, las aletas o separadores deben asegurar una protección de los tubos contra la perforación por efecto galvánico, es decir: previendo, para las aletas, una aleación que presente un potencial electroquímico de corrosión más bajo que para los tubos, de manera que la aleta juegue el papel de ánodo sacrificial. Al ser la aleación más comúnmente utilizada para los tubos la aleación 3003, habitualmente se utiliza para las aletas una aleación del mismo tipo con una adición del 0,5 a 2% de zinc. La composición de aleación 3003 registrada en la Aluminum Association es la siguiente (% en peso):

Si <0,6 Fe <0,7 Cu: 0,05 - 0,2 Mn: 1,0 - 1,5 Zn <0,1.

Las tiras de este tipo de aleación generalmente se obtienen por colada semi-continua de una placa, homogeneización de esta placa, laminado en caliente, luego laminado en frío con, eventualmente, un recocido intermedio y/o un recocido final. También se los puede obtener por colada continua de tiras entre dos correas ("twin-belt casting") o entre dos cilindros enfriados ("twin-roll casting"). Es conocido que con esta última técnica, para obtener en las aleaciones Al-Mn una estructura de granos finos, se aplica una homogeneización de la pieza en bruto que elimina las segregaciones provenientes de la colada, lo que lleva a un buen compromiso entre la resistencia mecánica y la formabilidad. Estas propiedades se describen especialmente en la patente EP 0039211 (Alcan International) para aleaciones entre un 1,3 y un 2,3% de manganeso, y en la patente US 4.737.198 (Aluminum Company of America) para aleaciones que contienen del 0,5% al 1,2% de hierro, menos de 0,5% de silicio y de un 0,7 a un 1,3% de manganeso, y pueden ser utilizadas para la fabricación de aletas de intercambiadores. La solicitud de patente WO 98/52707 del solicitante describe un procedimiento de fabricación de tiras de aleación de aluminio que contienen, al menos, uno de los elementos Fe (del 0,15 al 1,5%) o Mn (del 0,35 al 1,9%) con Fe + Mn <2,5%, y que, eventualmente, contengan Si (<0,8%), Mg (<0,2%), Cu (<0,2%), Cr (<0,2%) o Zn (<0,2%) por colada continua entre cilindros enfriados y zunchados en un espesor comprendido entre 1 y 5 mm, seguida de un laminado en frío, siendo el esfuerzo aplicado a los cilindros de colada, expresado en toneladas por metro de ancho de tira, inferior a 300 + 2000/e, y el espesor de la tira expresado en mm. La utilización de estas tiras para la fabricación de aletas de intercambiadores soldados se encuentra mencionada.

La solicitud de patente WO 00/05426 de Alcan International describe la fabricación de tiras para aletas en aleación de aluminio de composición: Fe: 1,-2 - 1,8%, Si : 0,7 - 0,95%, Mn: 0,3 - 0,5%, Zn: 0,3 – 2%, por colada continua de tiras con una velocidad de enfriamiento superior al 10ºC/s.

Las solicitudes de patente WO 01/53552 y WO 01/53553 de Alcan International también se refieren a la fabricación de tiras para aletas en aleaciones con hierro que contienen hasta un 2,4% de hierro por colada continua y enfriamiento muy rápido. El objetivo es obtener un potencial de corrosión más negativo.

Finalidad de la invención

Si bien las aletas o separadores deben jugar un papel de protección galvánica de los tubos, no deben estar sin embargo muy deterioradas por la corrosión durante la vida del intercambiador. En efecto, hay que mantener una integridad suficiente del material, ya que si éste se perfora muy rápidamente, el intercambio térmico será menos eficaz debido a la pérdida de superficie útil. Incluso podría producirse una desunión de la aleta y del tubo, lo que bloquearía la conducción térmica entre estos componentes. La invención, así, tiene por finalidad obtener tiras para aletas o separadores de intercambiadores de calor en aleación de aluminio destinados, especialmente, a la industria automotriz que presentan, a la vez, una buena resistencia mecánica, una buena formabilidad y una buena resistencia a la corrosión perforante, teniendo un papel de ánodo sacrificial.

Objeto de la invención

La invención tiene por objeto tiras de aleación de aluminio de espesor < 0,3 mm, destinadas a la fabricación de intercambiadores de calor, de composición (% en peso): Si < 1,5 Fe < 2,5 Cu <0,8 Mg < 1,0 Mn < 1,8 Zn < 2,0 In < 0,2 Sn < 0,2 Bi < 0,2 Ti < 0,2 Cr < 0,25 Zr < 0,25 Si + Fe + Mn + Mg > 0.8, otros elementos < 0,05 cada uno y < 0,15 en total, el resto de aluminio, que presenta entre la superficie y la mitad del espesor una diferencia de potencial de corrosión, medida con relación a un electrodo de calomelano saturado de acuerdo con la norma ASTM G69 de, al menos, 10 mV.

La invención también se refiere a un procedimiento de fabricación de dichas tiras por colada continua en condiciones que favorecen la formación de segregaciones en el interior de la tira, eventualmente laminado en caliente, laminado en frío con, eventualmente, uno o varios recocido (s) intermedio (s) o final de 1 a 20 h a una temperatura comprendida entre los 200 y los 450ºC.

Descripción de las figuras

La figura 1 representa la evolución del potencial de corrosión, medida con relación a un electrodo de calomelano, de una tira de acuerdo con la invención en aleación del ejemplo 1, en función de la profundidad con relación a la superficie.

La figura 2 representa, de la misma manera, la evolución del potencial de corrosión de una tira en aleación del ejemplo 2.

Descripción de la invención

El solicitante descubrió que, al utilizar la colada continua en condiciones de colada particulares y con una gama de transformación adaptada, en aleaciones de tipo 3000 (Al-Mn) o de tipo 8000 (Al-Fe) con adición eventual de zinc, se obtenían tiras que presentan un gradiente de potencial de corrosión en su espesor, y que esta propiedad favorecía una propagación lateral más que perpendicular a la superficie de la corrosión, lo que aseguraba el efecto sacrificial, evitando la perforación y, por lo tanto, el deterioro de la aleta o del separador a lo largo del tiempo. Este gradiente de potencial es de, al menos, 10 mV. Según una hipótesis comunicada por los inventores, esta diferencia podría estar ligada, por las condiciones particulares de colada seleccionadas, a la presencia de segregaciones en el centro de la tira, fenómeno que habitualmente se trata de evitar, y que conduce a diferencias de composición de solución sólida en el espesor de las tiras.

El contenido de zinc varía en función de la aleación utilizada para los tubos, de forma de obtener una diferencia de potencial electroquímico entre los tubos y las aletas, a la vez suficiente para permitir que la aleta asegure su papel de ánodo sacrificial, y no muy elevado para evitar su deterioro demasiado rápido. Para disminuir el potencial de corrosión de la aleta o separador, también se puede agregar indio, estaño y/o bismuto, hasta un porcentaje del 0,2%. Para tubos en aleación 3003, el contenido de zinc está comprendido, preferentemente, entre el 1,0 y 1,5%. Para tubos en aleación Al-Mn más cargada de cobre como, por ejemplo, las aleaciones de más de 0,4% de cobre descritos en la solicitud de invención EP 1075935 del solicitante, el porcentaje de zinc debe mantenerse, preferentemente, por debajo del 0,8%.

El contenido de cobre se mantiene, preferentemente, por debajo del 0,5%. La adición eventual de titanio hasta un 0,2%, de zirconio hasta un 0,25% y/o de cromo hasta un 0,25% permite mejorar el mantenimiento en caliente ("SAG resistance") de la aleación.

En una primera variante de la invención, la aleación utilizada es una aleación del tipo 3003 con un contenido de zinc que puede llegar hasta el 2%, es decir una aleación de composición (% en peso):

Si < 1,0 Fe < 1,0 Cu < 0,8 Mg < 1,0 Mn: 0,8 - 1,8 Zn < 2,0 In < 0,2 Sn < 0,2 Bi < 0,2 Ti < 0,2 Cr < 0,25 Zr < 0,25, otros elementos < 0,05 cada uno y < 0,15 en total, el resto de aluminio.

La adición de silicio, preferentemente superior al 0,5% y hasta el 1%, contribuye a aumentar el intervalo de solidificación de la aleación, lo que favorece la aparición de segregaciones en la colada. Por encima del 1%, se corre el riesgo de alcanzar la temperatura de quemado de la aleación durante la operación de soldado del intercambiador.

En una segunda variante de la invención, se utiliza una aleación de la serie 8000 de composición (% en peso) :

Si: 0,2 - 1,5 Fe: 0,2 - 2,5 Cu < 0,8 Mg < 1,0 Mn: <1,0 Zn < 2,0 In < 0,2 Sn < 0,2 Bi < 0,2 Ti < 0,2 Cr < 0,25 Zr < 0,25 Si + Fe > 0,8, otros elementos < 0,05 cada uno y < 0,15 en total, el resto de aluminio.

Un campo de composición particularmente adaptado es el siguiente:

Si: 0,8 - 1,5 Fe: 0,7 - 1,3 Mn < 0,1 Cu < 0,1 Mg < 0,1 y, preferentemente, Si: 1,0 - 1,3 y Fe: 0,9 - 1,2.

El procedimiento de fabricación de las tiras según la invención comprende la elaboración de la aleación a partir de una carga ajustada para obtener la composición de aleación deseada. Luego, el metal es colado en continuo bajo la forma de una tira de espesor comprendido entre un 1 y un 30 mm, ya sea por colada entre correas entre un 12 y un 30 mm o, preferentemente, por colada entre dos cilindros enfriados y zunchados, con un espesor comprendido entre un 1 y un 12 mm. Contrariamente a las enseñanzas de la solicitud de patente WO 98/52707, se eligen parámetros de colada que favorezcan la aparición de segregaciones relativamente importantes en el interior de la tira colada.

En el caso de la colada entre cilindros, para ello es necesario que el contacto entre el metal y los cilindros enfriados sea el mejor posible, de forma tal como para aumentar el gradiente térmico en la superficie del metal durante la colada, lo que favorece las segregaciones. Los diferentes parámetros sobre los cuales se puede actuar son, especialmente, el largo del arco de contacto entre el metal y los cilindros, el esfuerzo ejercido por los cilindros durante el transcurso de la colada y la temperatura de los zunchos de los cilindros. Un arco de contacto elevado, preferentemente superior a 60 mm, es favorable a la formación de segregaciones. Lo mismo sucede con un esfuerzo elevado, preferentemente superior a 100 + 2000/e t/m de ancho de tira colada, siendo e el espesor de la tira colada expresada en mm. Finalmente, la temperatura de los zunchos debe ser lo más baja posible, preferentemente inferior a 100º.

La tira colada, en el caso de la colada entre correas, eventualmente es laminada en caliente y, luego, laminada en frío. En cambio, la tira colada entre cilindros es directamente laminada en frío. Si el espesor final es demasiado bajo, es necesario prever, al menos, un recocido intermedio a una temperatura comprendida entre 200 y 450ºC. Si el metal debe ser entregado en estado recocido, se procede a un recocido a una temperatura comprendida entre 200 y 450ºC sobre la tira laminada, hasta el espesor final. En caso en que el metal sea entregado en estado endurecido en frío, la gama de transformación se adapta de manera que el porcentaje de reducción se ajuste al porcentaje de endurecido en frío buscado. Las tiras según la invención permiten realizar aletas o separadores de intercambiadores térmicos que presentan una resistencia mecánica elevada, lo que permite disminuir el espesor con relación a una aleta o un separador según el arte anterior, manteniendo una buena formabilidad. En servicio, la aleta o el separador juega su papel sacrificial, pero la corrosión progresa lentamente en forma paralela a la superficie, lo que evita o retarda la perforación, asegura la integridad del ensamblaje tubo-aleta y, por lo tanto, un intercambio de calor continuo. Las tiras presentan una microestructura de granos groseros, favorable para el mantenimiento en caliente durante el transcurso de la soldadura.

Ejemplos Ejemplo 1

Se ha preparado en horno de fusión una aleación de composición (% en peso):

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Ni	Zn	Ti
0,80	0,55	0,10	1,0	0,069	0,002	0,005	1,4	0,015

Se ha colado una tira de espesor 5 mm en una instalación de colada continua Jumbo 3Cm^{TM} de la sociedad Pechiney Rhenalu, con un ancho de 1420 mm, con un esfuerzo entre los cilindros de 780 t, un arco de contacto de 70 mm y una temperatura de los zunchos de los cilindros de 70ºC. Luego, la tira ha sido laminada en frío en una pasada hasta el espesor de 0,7 mm, luego sometida a un recocido intermedio de 12 h en un horno de aire programado a 520ºC para llevar el metal a una temperatura del orden de los 380ºC y laminada en frío en tres pasadas hasta 130 \mum.

Una primera parte de la tira soportó un recocido de restauración de 2 h a 350ºC, luego un laminado hasta 100 \mum. Una segunda parte soportó un recocido de recristalización de 2 h a 400ºC, luego un laminado hasta 100 \mum. Finalmente, una tercera parte soportó el mismo recocido, pero un laminado hasta 75 \mum. Para comparar, se han fabricado tiras de aleación 3003 con zinc de composición.

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Ni	Zn	Ti
0,22	0,57	0,12	1,15	-	-	-	1,4	-

según la misma gama de fabricación, pero partiendo de un procedimiento de colada semi-continua vertical, con un recocido de restauración de 2 h a 350ºC y un laminado hasta 100 \mum.

Se ha medido en estas tiras las características mecánicas estáticas: límite de elasticidad R_{0,2,} resistencia a la ruptura R_{m} y alargamiento A. Los resultados se indican en el cuadro 1:

\newpage

Gama	Espesor (\mum)	R_{0,2} (MPa)	R_{m} (MPa)	A (%)
CC Rec. 350ºC	100	235	248	3,2
CC Rec. 400ºC	100	188	197	2,4
CC Rec. 400ºC	75	213	227	1,8
CV Rec. 350ºC	100	158	162	1,5
* CC = colada continua CV = colada semi-continua vertical

Se comprueba que el metal obtenido por colada continua presenta, a la vez, una mejor resistencia mecánica y un mejor alargamiento que el metal que proviene de una colada tradicional.

En la tira de espesor 75 \mum, se ha medido, con relación a un electrodo de calomelano saturado según la norma ASTM G69, la evolución del potencial de corrosión en el espesor. En la figura se comprueba, en la superficie y en una profundidad de aproximadamente 15 \mum, la presencia de una zona en la cual el potencial evoluciona rápidamente de -890 mV a -870 mV.

Ejemplo 2

Se ha preparado una aleación de composición (% en peso):

Si	Fe	Cu	Mn	Mg
1,2	1,1	<0,1	<0,1	<0,1

Se ha colado una tira de espesor 6,1 mm en una instalación de colada continua Davy^{TM} de la sociedad Pechiney Eurofoil, a un ancho de 1740 mm, con un esfuerzo entre los cilindros de 550 t, un arco de contacto de 60 mm y una temperatura de los zunchos de los cilindros de 42ºC. Luego, la tira ha sido laminada en frío hasta el espesor de 80 \mum, para obtener un estado metalúrgico de tipo H19.

R_{m} (MPa)	R_{0,2} (MPa)	A (%)
311	256	7.3

Se comprueba que este metal, producido por colada continua, presenta un excelente compromiso resistencia mecánica/alargamiento.

Luego, en un horno bajo atmósfera de nitrógeno, se ha aplicado al metal un ciclo de soldadura metálica típica de 2 minutos a 600ºC, que contiene un cojinete. Las características mecánicas obtenidas luego de este tratamiento son las siguientes:

R_{m} (MPa)	R_{0,2} (MPa)	A (%)
135	53	13.2

El límite elástico luego de la soldadura metálica, R_{0,2,} igual a 53 Mpa es significativamente superior al obtenido para tiras de aleación 3003 tradicionalmente utilizada, obtenidas por colada clásica (del orden de 40-45 MPa).

Desde el punto de vista de la resistencia a la corrosión, se vuelve a encontrar en estas aleaciones 8xxx, como se puede ver en la figura 2, y siempre relacionada con el procedimiento de colada utilizado, una evolución del potencial de corrosión en el espesor del metal, cuyo carácter benéfico ha sido explicitado más arriba para las aleaciones 3xxx.

Con el fin de adaptar el potencial de corrosión al de las aleaciones utilizadas para los tubos a los cuales van a ser acoplados los separadores, es posible realizar una adición de zinc, elemento que sólo tiene muy poca influencia en las características mecánicas o la conductividad térmica.

Claims (15)

1. Tiras de aleación de aluminio de espesor < 0,3 mm, destinadas a la fabricación de intercambiadores de calor soldados, de composición (% en peso):

Si < 1,5 Fe < 2,5 Cu <0,8 Mg < 1,0 Mn < 1,8 Zn < 2,0 In < 0,2 Sn < 0,2 Bi < 0,2 Ti < 0,2 Cr < 0,25 Zr < 0,25 Si + Fe + Mn + Mg > 0,8, otros elementos < 0,05 cada uno y < 0,15 en total, el resto de aluminio, que presentan entre la superficie y la mitad del espesor una diferencia de potencial de corrosión, medida con relación a un electrodo de calomelano saturado de acuerdo con la norma ASTM G69 de, al menos, 10 mV.

2. Tiras según la reivindicación 1, caracterizadas porque el contenido de zinc está comprendido entre un 1,0 y un 1,5%.

3. Tiras según la reivindicación 1, caracterizadas porque el contenido de zinc es inferior al 0,8%.

4. Tiras según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizadas porque el contenido de cobre es inferior al 0,5%.

5. Tiras según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizadas porque son de aleación de composición:

Si < 1,0 Fe < 1,0 Cu < 0,8 Mg < 1,0 Mn: 0,8 - 1,8 Zn < 2,0 In < 0,2 Sn < 0,2 Bi < 0,2 Ti < 0,2 Cr < 0,25 Zr < 0,25, otros elementos < 0,05 cada uno y < 0,15 en total, el resto de aluminio.

6. Tiras según la reivindicación 5, caracterizadas porque el contenido de silicio está comprendido entre un 0,5 y un 1%.

7. Tiras según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizadas porque son de aleación de composición:

Si: 0,2 - 1,5 Fe: 0,2 - 2,5 Cu < 0,8 Mg < 1,0 Mn: <1,0 Zn < 2,0 In < 0,2 Sn < 0,2 Bi < 0,2 Ti < 0,2 Cr < 0,25 Zr < 0,25 Si + Fe > 0,8, otros elementos < 0,05 cada uno y < 0,15 en total, el resto de aluminio.

8. Tiras según la reivindicación 7, caracterizadas porque son de aleación que contiene: Si: 0,8 - 1,5 Fe: 0,7 - 1,3 Mn < 0,1 Cu < 0,1 Mg < 0,1.

9. Tiras según la reivindicación 8, caracterizadas porque el contenido de silicio de la aleación está comprendido entre un 1 y un 1,3%.

10. Tiras según una de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizadas porque el contenido de hierro está comprendido entre un 0,9 y un 1,2%.

11. Procedimiento de fabricación de tiras según una de las reivindicaciones 1 a 10, por colada continua de un espesor comprendido entre un 1 y un 30 mm en condiciones que favorezcan la formación de segregaciones en el interior de la tira colada, eventualmente laminado en caliente, laminado en frío con, eventualmente uno o varios recocido(s) intermedio(s) o final de 1 a 20 h, a una temperatura comprendida entre 200 y 450ºC.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque la colada continua es una colada entre dos cilindros enfriados y zunchados.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque el esfuerzo ejercido por los cilindros en la colada es superior a 100 + 2000/e t/m de ancho de tira colada, siendo e el espesor de la tira colada en mm.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 o 13, caracterizado porque el arco de contacto entre el metal y los cilindros es superior al 60 mm.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque la temperatura de las virolas es inferior a los 100ºC.