FR2832497A1 - Bandes en alliage d'aluminium pour echangeurs thermiques - Google Patents

Bandes en alliage d'aluminium pour echangeurs thermiques Download PDF

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Abstract

L'invention a pour objet des bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur < 0, 3 mm, destinées à la fabrication d'échangeurs thermiques, de composition (% en poids) : Si < 1, 0 Fe < 0, 7 Cu < 0, 5 Mg < 0, 1 Mn : 0, 8 - 1,5 Zn < 2, 0 In < 0. 2 Sn < 0. 2 Bi < 0. 2 Ti < 0. 2 Cr < 0. 25 Zr <0. 25 autres éléments < 0, 05 chacun et < 0, 15 au total, présentant entre la surface et la mi-épaisseur une différence de potentiel de corrosion, mesurée par rapport à une électrode au calomel saturé selon la norme ASTM G69, d'au moins 10 mV.L'invention concerne également un procédé de fabrication de telles bandes par coulée continue dans des conditions favorisant la formation de ségrégations au coeur de la bande, éventuellement laminage à chaud, laminage à froid avec éventuellement un ou plusieurs recuit (s) intermédiaire (s) ou final de 1 à 20 h à une température comprise entre 200 et 450°C. Les ailettes ou intercalaires fabriqués à partir de bandes selon l'invention présentent une résistance améliorée à la corrosion perforante.

Description

<Desc/Clms Page number 1>
Bandes en alliage d'aluminium pour échangeurs thermiques
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine des bandes minces (épaisseur < 0,3 mm) en alliage d'aluminium destinées à la fabrication des échangeurs thermiques, notamment ceux utilisés pour le refroidissement des moteurs et la climatisation de l'habitacle des véhicules automobiles. Les bandes en alliage d'aluminium pour échangeurs sont utilisées soit nues, soit revêtues sur une ou deux faces d'un alliage de brasage.
L'invention concerne plus particulièrement les bandes non revêtues utilisées pour les ailettes ou intercalaires fixés sur les tubes où circule le fluide de refroidissement.
Etat de la technique Les alliages d'aluminium sont maintenant très largement utilisés dans la fabrication des échangeurs thermiques pour l'automobile en raison de leur faible densité, qui permet un gain de poids, notamment par rapport aux alliages cuivreux, tout en assurant une bonne conduction thermique, une facilité de mise en oeuvre et une bonne résistance à la corrosion. Ces échangeurs comportent des tubes pour la circulation du fluide interne de chauffage ou de refroidissement et des ailettes ou intercalaires pour assurer le transfert thermique entre le fluide interne et le fluide externe, et leur fabrication se fait soit par assemblage mécanique, soit par brasage.
En plus de leur fonction de transfert thermique, les ailettes ou intercalaires doivent assurer une protection des tubes contre la perforation par effet galvanique, c'est-àdire en prévoyant pour les ailettes un alliage présentant un potentiel électrochimique de corrosion plus faible que pour les tubes, de sorte que l'ailette joue le rôle d'anode sacrificielle. L'alliage le plus couramment utilisé pour les tubes étant l'alliage 3003, on utilise habituellement pour les ailettes un alliage du même type avec une addition de 0,5 à 2% de zinc. La composition de l'alliage 3003 enregistrée à l'Aluminum Association est la suivante (% en poids) : Si < 0, 6 Fe < 0, 7 Cu : 0,05-0, 2 Mn : 1,0-1, 5 Zn < 0, 1.
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Figure img00020001

k Les bandes en ce type d'alliage sont généralement obtenues par coulée semi-continue d'une plaque, homogénéisation de cette plaque, laminage à chaud, puis laminage à froid avec éventuellement un recuit intermédiaire et/ou un recuit final. On peut également les obtenir par coulée continue de bandes entre deux courroies ( twin-belt casting ) ou entre deux cylindres refroidis ( twin-roll casting ). Il est connu qu'avec cette dernière technique, pour obtenir dans les alliages Al-Mn une structure à grains fins, on applique une homogénéisation de l'ébauche qui élimine les ségrégations issues de la coulée, ce qui conduit à un bon compromis entre la résistance mécanique et la formabilité. Ces propriétés sont décrites notamment dans le brevet EP 0039211 (Alcan International) pour des alliages entre 1,3 et 2,3% de manganèse, et dans le brevet US 4,737, 198 (Aluminum Company of America) pour des alliages contenant de 0,5 à 1,2% de fer, moins de 0,5% de silicium et de 0,7 à 1,3% de manganèse, pouvant être utilisés pour la fabrication d'ailettes d'échangeurs.
La demande de brevet WO 98/52707 de la demanderesse décrit un procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium contenant l'un au moins des éléments
Figure img00020002

Fe (de 0, 15 à 1, 5%) ou Mn (de 0, 35 à 1, 9%) avec Fe + Mn < 2, 5%, et contenant éventuellement Si ( < 0, 8%), Mg ( < 0, 2%), Cu ( < 0, 2%), Cr ( < 0, 2%) ou Zn ( < 0, 2%) par coulée continue entre cylindres refroidis et frettés à une épaisseur comprise entre 1 et 5 mm, suivie d'un laminage à froid, l'effort appliqué aux cylindres de coulée, exprimé en tonnes par mètre de largeur de bande, étant inférieur à 300 + 2000/e, e étant l'épaisseur de la bande exprimée en mm. L'utilisation de ces bandes pour la fabrication d'ailettes d'échangeurs brasés est mentionnée.
But de l'invention Si les ailettes ou intercalaires doivent jouer un rôle de protection galvanique des tubes, elles ne doivent pas cependant être trop détériorées par la corrosion au cours de la vie de l'échangeur. En effet, il faut maintenir une intégrité suffisante du matériau, car si celui-ci perfore trop rapidement, l'échange thermique sera moins efficace du fait de la perte de surface utile. Il pourrait même se produire une désolidarisation de l'ailette et du tube, ce qui bloquerait la conduction thermique entre ces composants. L'invention a ainsi pour but d'obtenir des bandes pour ailettes ou intercalaires d'échangeurs thermiques en alliage d'aluminium destinés notamment
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Figure img00030001

.) à l'industrie automobile, présentant à la fois une bonne résistance mécanique, une bonne formabilité et une bonne résistance à la corrosion perforante tout en ayant un rôle d'anode sacrificielle.
Objet de l'invention L'invention a pour objet des bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur < 0,3 mm,
Figure img00030002

destinées à la fabrication d'échangeurs thermiques, de composition (% en poids) : Si < 1, 0 Fe < 0, 7 Cu < 0, 5 Mg < 0, 1 Mn : 0, 8-1, 5 Zn < 2, 0 In < 0. 2 Sn < 0. 2 Bi < 0. 2 Ti < 0. 2 Cr < 0. 25 Zr < 0. 25 autres éléments < 0, 05 chacun et < 0,15 au total, présentant entre la surface et la mi-épaisseur une différence de potentiel de corrosion, mesurée par rapport à une électrode au calomel saturé selon la norme ASTM G69, d'au moins 10 mV.
L'invention concerne également un procédé de fabrication de telles bandes par coulée continue dans des conditions favorisant la formation de ségrégations au coeur de la bande, éventuellement laminage à chaud, laminage à froid avec éventuellement un ou plusieurs recuit (s) intermédiaire (s) ou final de 1 à 20 h à une température comprise entre 200 et 450 C.
Description de la figure La figure unique représente l'évolution du potentiel de corrosion, mesuré par rapport à une électrode au calomel saturé, d'une bande selon l'invention, en fonction de la profondeur par rapport à la surface.
Description de l'invention La demanderesse a trouvé qu'en utilisant, pour un alliage de type 3003 avec addition éventuelle de zinc, la coulée continue dans des conditions de coulée particulières et avec une gamme de transformation adaptée, on obtenait des bandes présentant un gradient de potentiel de corrosion dans leur épaisseur, et que cette propriété favorisait une propagation latérale plutôt que perpendiculaire à la surface de la corrosion, ce qui assurait l'effet sacrificiel tout en évitant la perforation, et donc la détérioration de
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Figure img00040001

4 l'ailette ou de l'intercalaire au cours du temps. Ce gradient de potentiel est d'au moins 10 mV. Selon une hypothèse émise par les inventeurs, cette différence pourrait être liée à la présence, pour les conditions particulières de coulée sélectionnées, de ségrégations au centre de la bande, phénomène qu'on cherche habituellement à éviter, et qui conduit à des différences de composition en solution solide dans l'épaisseur des bandes.
L'alliage utilisé est un alliage du type 3003 avec une teneur en zinc pouvant aller jusqu'à 2%. La teneur en zinc varie en fonction de l'alliage utilisé pour les tubes, de manière à obtenir une différence de potentiel électrochimique entre les tubes et les ailettes à la fois suffisante pour permettre à l'ailette d'assurer son rôle d'anode sacrificielle, et pas trop élevée pour éviter sa détérioration trop rapide. Pour abaisser le potentiel de corrosion de l'ailette ou intercalaire, on peut ajouter également de l'indium, de l'étain et/ou du bismuth jusqu'à une teneur de 0,2%. Pour des tubes en alliage 3003, la teneur en zinc est comprise, de préférence, entre 1,0 et 1,5%. Pour des tubes en alliage Al-Mn plus chargé en cuivre, comme par exemple les alliages à plus de 0,4% de cuivre décrits dans la demande de brevet EP 1075935 de la demanderesse, la teneur en zinc doit être maintenue en dessous de 0,8%.
La teneur en cuivre est maintenue de préférence en dessous de 0,2%. L'addition de silicium, de préférence au delà de 0,5% et jusqu'à 1% contribue à augmenter l'intervalle de solidification de l'alliage, ce qui favorise l'apparition de ségrégations à la coulée. Au delà de 1%, on risque d'atteindre la température de brûlure de l'alliage au cours de l'opération de brasage de l'échangeur. L'addition éventuelle de titane jusqu'à 0,2%, de zirconium jusqu'à 0,25% et/ou de chrome jusqu'à 0,25% permet d'améliorer la tenue à chaud ( SAG resistance ) de l'alliage.
Le procédé de fabrication des bandes selon l'invention comprend l'élaboration de l'alliage à partir d'une charge ajustée pour obtenir la composition d'alliage désirée. Le métal est ensuite coulé en continu sous forme d'une bande d'épaisseur comprise entre 1 et 30 mm, soit par coulée entre courroies entre 12 et 30 mm, soit, de préférence, par coulée entre deux cylindres refroidis et frettés, à une épaisseur comprise entre 1 et 12 mm, et de préférence entre 1 et 5 mm. Contrairement à l'enseignement de la demande de brevet WO 98/52707, on choisit des paramètres de coulée favorisant l'apparition de ségrégations relativement importantes au coeur de la bande coulée.
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Dans le cas de la coulée entre cylindres, il faut pour cela que le contact entre le métal et les cylindres refroidis soit le meilleur possible, de manière à augmenter le gradient thermique à la surface du métal durant la coulée, ce qui favorise les ségrégations. Les différents paramètres sur lesquels on peut agir sont notamment la longueur de l'arc de contact entre le métal et les cylindres, l'effort exercé par les cylindres au cours de la coulée et la température des frettes des cylindres. Un arc de contact élevé, de préférence supérieur à 60 mm, est favorable à la formation de ségrégations. Il en est de même d'un effort élevé, de préférence supérieur à 100 + 2000/e t/m de largeur de bande coulée, e étant l'épaisseur de la bande coulée exprimée en mm. Enfin, la température des frettes doit être aussi faible que possible, de préférence inférieure à 100 C.
La bande coulée est éventuellement, dans le cas de la coulée entre courroies, laminée à chaud, et ensuite laminée à froid. Par contre, la bande coulée entre cylindres est directement laminée à froid. Si l'épaisseur finale est assez faible, il est nécessaire de prévoir au moins un recuit intermédiaire à une température comprise entre 200 et 450 C. Si le métal doit être livré à l'état recuit, on procède, sur la bande laminée jusqu'à l'épaisseur finale, à un recuit à une température comprise entre 200 et 450 C. Dans le cas où le métal est livré à l'état écroui, la gamme de transformation est adaptée de façon à ce que le taux de réduction soit ajusté au taux d'écrouissage visé.
Les bandes selon l'invention permettent de réaliser des ailettes ou intercalaires d'échangeurs thermiques présentant une résistance mécanique élevée, ce qui permet de diminuer l'épaisseur par rapport à une ailette ou un intercalaire selon l'art antérieur, tout en gardant une bonne formabilité. En service, l'ailette ou l'intercalaire joue son rôle sacrificiel, mais la corrosion progresse latéralement en surface, ce qui évite ou retarde la perforation, assure l'intégrité de l'assemblage tube-ailette, et donc un échange thermique continu. Les bandes présentent une microstructure à grains grossiers, favorable à la tenue à chaud au cours du brasage.
Exemple On a préparé au four de fusion un alliage de composition (% en poids) :
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Figure img00060001
<tb>
<tb> Si <SEP> Fe <SEP> Cu <SEP> Mn <SEP> Mg <SEP> Cr <SEP> Ni <SEP> Zn <SEP> Ti
<tb> 0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 55 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 069 <SEP> 0, <SEP> 002 <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP> 1, <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 015
<tb>
On a coulé une bande d'épaisseur 5 mm sur une installation de coulée continue
Figure img00060002

Jumbo 3 Cm de la société Pechiney Rhenalu, à une largeur de 1420 mm, avec un effort entre les cylindres de 780 t, un arc de contact de 70 mm et une température des frettes des cylindres de 70 C. La bande a été ensuite laminée à froid en une passe jusqu'à l'épaisseur 0, 7 mm, puis soumise à un recuit intermédiaire de 12 h dans un four à air programmé à 520 C pour amener le métal à une température de l'ordre de 380 C, et laminée à froid en trois passes jusqu'à 130 um.
Une première partie de la bande a subi un recuit de restauration de 2 h à 350 C, puis un laminage jusqu'à 100 um. Une seconde partie a subi un recuit de recristallisation
Figure img00060003

de 2 h à 400 C, puis un laminage jusqu'à 100 um. Enfin, une troisième partie a subi le même recuit, mais un laminage jusqu'à 75 um. Pour comparaison, on a fabriqué des bandes en alliage 3003 au zinc de composition :
Figure img00060004
<tb>
<tb> Si <SEP> Fe <SEP> Cu <SEP> Mn <SEP> Mg <SEP> Cr <SEP> Ni <SEP> Zn <SEP> Ti
<tb> 0,22 <SEP> 0,57 <SEP> 0,12 <SEP> 1,15 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 1,4 <SEP> -
<tb>
selon la même gamme de fabrication, avec un recuit de restauration de 2 h à 350 C, et un laminage jusqu'à 100 um.
On a mesuré sur ces bandes les caractéristiques mécaniques statiques : limite d'élasticité RO, 2, résistance à la rupture Rm et allongement A. Les résultats sont indiqués au tableau 1 :
Figure img00060005
<tb>
<tb> Recuit <SEP> Epaisseur <SEP> (jm) <SEP> Ro, <SEP> 2 <SEP> (MPa) <SEP> Rm <SEP> (MPa) <SEP> A <SEP> (%)
<tb> 350 <SEP> 100 <SEP> 235 <SEP> 248 <SEP> 3, <SEP> 2
<tb> 400 <SEP> 100 <SEP> 188 <SEP> 197 <SEP> 2, <SEP> 4
<tb> 400 <SEP> 75 <SEP> 213 <SEP> 227 <SEP> 1, <SEP> 8
<tb> 350 <SEP> 100 <SEP> 158 <SEP> 162 <SEP> 1, <SEP> 5
<tb>
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Figure img00070001

1 On constate que le métal obtenu par coulée continue présente à la fois une meilleure résistance mécanique et un meilleur allongement que le métal issu de coulée traditionnelle.
Sur la bande d'épaisseur 75 um, on a mesuré, par rapport à une électrode au calomel saturé selon la norme ASTM G69, l'évolution du potentiel de corrosion dans l'épaisseur. On constate sur la figure la présence, sous la surface, et sur une profondeur d'environ 15 um, d'une zone dans laquelle le potentiel évolue rapidement de-890 mV à-870 mV.

Claims (11)

  1. In < 0. 2 Sn < 0. 2 Bi < 0. 2 Ti < 0. 2 Cr < 0. 25 Zr < 0. 25 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, présentant entre la surface et la mi- épaisseur une différence de potentiel de corrosion, mesurée par rapport à une électrode au calomel saturé selon la norme ASTM G69, d'au moins 10 mV.
    Figure img00080001
    Si < 1,0 Fe < 0, 7 Cu < 0, 5 Mg < 0, 1 Mn : 0, 8-1, 5 Zn < 2, 0
    Revendications 1. Bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur < 0,3 mm, destinées à la fabrication d'échangeurs thermiques brasés, de composition (% en poids) :
  2. 2. Bandes selon la revendication 1, caractérisées en ce que la teneur en zinc est comprise entre 1,0 et 1,5%.
  3. 3. Bandes selon la revendication 1, caractérisées en ce que la teneur en zinc est inférieure à 0,8%.
  4. 4. Bandes selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisées en ce que la teneur en cuivre est inférieure à 0,2%.
  5. 5. Bandes selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisées en ce que la teneur en silicium est comprise entre 0,5 et 1%.
  6. 6. Procédé de fabrication de bandes selon l'une des revendications 1 à 5, par coulée continue à une épaisseur comprise entre 1 et 30 mm dans des conditions favorisant la formation de ségrégations au coeur de la bande coulée, éventuellement laminage à chaud, laminage à froid avec éventuellement un ou plusieurs recuit (s) intermédiaire (s) ou final de 1 à 20 h à une température comprise entre 200 et 450 C.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la coulée continue est une coulée entre deux cylindres refroidis et frettés.
    <Desc/Clms Page number 9>
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'épaisseur de la bande coulée est comprise entre 1 et 5 mm.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que l'effort exercé par les cylindres à la coulée est supérieur à 100 + 2000/e t/m de largeur de bande coulée, e étant l'épaisseur de la bande coulée en mm.
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'arc de contact entre le métal et les cylindres est supérieur à 60 mm.
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la température des frettes est inférieure à 100 C.
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