FR3080058A1 - Tole de brasage multicouche - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une tôle de brasage comprenant : - une âme faite d'un alliage AA3xxx comprenant, en pourcentages en poids : jusqu'à 0,70 % de Si, jusqu'à 0,70 % de Fe, de 0,20 à 1,10 % de Cu, de 0,70 à 1,80 % de Mn, jusqu'à 0,40 % de Mg, jusqu'à 0,30 % de Zn, jusqu'à 0,30 % de Ti, de Zr et/ou de Cr et/ou de V chacun jusqu'à 0,30 %, autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium ; - une couche de brasage, faite d'un alliage AA4xxx qui est présente sur au moins un côté de l'âme ; et - une couche intermédiaire, insérée entre l'âme et la couche de brasage, sur au moins un côté de l'âme, laquelle composition comprend, en pourcentages en poids : de 1,5 à 2,3 % de Zn, de 0,2 à 0,75 % de Mn, jusqu'à 0,5 % de Fe, jusqu'à 0,5 % de Si, autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium.
Description
TÔLE DE BRASAGE MULTICOUCHE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne une tôle de brasage en aluminium devant être utilisée dans des systèmes échangeurs de chaleur, comme par exemple des échangeurs de chaleur à des fins automobiles. Idéalement la tôle de brasage est utilisée pour la fabrication de tubes ou de plaques d'un tel échangeur de chaleur. Les échangeurs de chaleur peuvent par exemple être des refroidisseurs d'air de suralimentation (CAC), des refroidisseurs avec recirculation des gaz d'échappement (EGR), des évaporateurs, des condensateurs ou des radiateurs.
En particulier, la présente invention concerne de nouvelles solutions de tôles de brasage pour application de refroidisseur d'air de suralimentation (CAC) (voir Figures 1 et 2). En service, les échangeurs de chaleur CAC, lorsqu'ils refroidissent, sont exposés à un condensât d'acide agressif provenant d'un mélange de gaz d'échappement comprimé et d'air, ce qui nécessite des tôles de brasage en aluminium ayant une résistance accrue à la corrosion.
CONTEXTE DE L'INVENTION
Les échangeurs de chaleur pour l'industrie automobile sont de nos jours principalement faits d'alliages d'aluminium en raison de leur faible masse volumique, ce qui permet un allègement, en particulier comparativement aux alliages de cuivre, tout en offrant une bonne conduction thermique, une facilité d'utilisation et une bonne résistance à la corrosion.
Comme on l'appréciera dans la description suivante, les désignations d'alliage et d'état métallurgique, sauf indication contraire, font référence aux désignations de l'Aluminum Association dans Aluminum Standards and Data et dans les Registration Records, tous publiés par l'US Aluminum Association.
Les échangeurs de chaleur comprennent généralement des tubes ou des paires de plaques, empilés les uns sur les autres, pour la circulation d'un fluide interne, des ailettes pour augmenter le transfert de chaleur entre le fluide interne et le fluide externe et un turbulateur facultatif à l'intérieur des tubes ou des paires de plaques ayant le même but que les ailettes. Pour une application de CAC, le fluide interne peut être le gaz devant être refroidi ou un réfrigérant, en fonction de la 5 configuration. Il s'écoule à travers les tubes ou à travers le canal formé par les paires de plaques. Le fluide externe peut être de l'air ou le gaz devant être refroidi, en fonction de la configuration. Il s'écoule entre les tubes ou les paires de plaques et à travers les ailettes facultatives.
Pour une application de radiateur, le fluide interne est le fluide devant être refroidi W et le fluide externe est de l'air.
Pour une application d'évaporateur, le fluide interne est un réfrigérant et le fluide externe est l'air devant être refroidi pour la climatisation.
La fabrication d'échangeurs de chaleur est effectuée soit par assemblage mécanique soit par brasage. La première étape du procédé de fabrication consiste à 15 produire une tôle, qui est ensuite utilisée pour obtenir un tube ou une plaque. Un tube est généralement obtenu par enroulage de la tôle et soudage ou brasage. Une plaque est généralement obtenue par emboutissage d'une tôle. Deux plaques sont appariées de manière à former un canal à travers lequel un fluide peut s'écouler.
La configuration habituelle d'une tôle de brasage est comme suit : une âme, 20 généralement faite d'un alliage d'aluminium de la série AA3xxx, est plaquée sur un ou les deux côtés avec une couche dite de brasage, généralement de la série AA4xxx. La couche de brasage a l'avantage de fondre à une température inférieure à la température de fusion de l'âme, de sorte que, en appliquant un cycle de brasage thermique, il est possible de créer une liaison entre deux matériaux à 25 assembler.
La configuration à 3 couches est illustrée sur la Figure 3, où l'âme porte le numéro de référence 2 et les couches de brasage portent le numéro de référence 1. Les couches de brasage peuvent avoir une composition identique ou différente. Les ailettes, qui sont positionnées entre les différentes rangées de tubes ou de paires de plaques (à savoir sur le côté externe des tubes ou des paires de plaques), sont constituées d'un alliage de la série AA3xxx qui peut être plaqué ou non. Le brasage des ailettes sur les tubes ou les paires de plaques est assuré par la couche de brasage faite d'une série AA4xxx positionnée sur le côté externe du tube ou de la paire de plaques. L'alliage de la série AA3xxx utilisé pour l'âme du tube ou de la plaque est le plus souvent fait d'un alliage dit « longue durée », c'est-à-dire ayant une bonne résistance à la corrosion saline externe.
Cependant les solutions de tôles de brasage à trois couches courantes ne sont généralement pas appropriées pour les échangeurs de chaleur de type CAC en raison de la pénétration rapide de la corrosion dans l'âme des tôles.
En général, afin d'améliorer la résistance à la corrosion des tôles de brasage, une solution consiste à insérer une couche intermédiaire faite d'un alliage de la série AAlxxx ou AA7xxx entre l'âme des tubes ou des plaques et la couche de brasage faite d'une série AA4xxx.
Une telle configuration est schématiquement représentée sur la Figure 4, où l'âme des tubes ou des plaques porte le numéro de référence 2, les couches de brasage faites d'un alliage de la série AA4xxx (qui peuvent avoir des compositions identiques ou différentes) portent le numéro de référence 1 et la couche intermédiaire, généralement faite d'un alliage de la série AAlxxx ou AA7xxx, porte le numéro de référence 3.
Une telle couche intermédiaire améliore le comportement à la corrosion par deux mécanismes. Tout d'abord, elle limite la diffusion durant le brasage des éléments de la couche de brasage vers l'âme des tubes ou des plaques (par exemple le silicium) et également de l'âme vers la couche de brasage (par exemple le cuivre). Deuxièmement, soit elle fournit une protection d'anode sacrificielle, le potentiel de corrosion de la couche intermédiaire étant inférieur à celui de l'âme, soit elle est plus résistante à la corrosion que l'âme.
Ces tôles multicouches sont connues de l'homme du métier et sont décrites en particulier dans les demandes de brevet suivantes : JP2003/027166 A de Kobe Steel Ltd. Shinko Alcoa, JP2005/224851A de Shinko Alcoa Yuso Kizai KK, W02006/044500A2 et WO2009/142651A2 de Alcoa Inc, W02007/042206A1 de Corus Aluminium Walzprodukte GmbH, US2010/0159272A1 de Novelis, etc.
L'utilisation de ce type de tôle multicouche dans un refroidisseur d'air de suralimentation avec passage de gaz d'échappement est décrite dans la demande de brevet W02008/063855 de Modine Mfg Co.
Cette utilisation est également décrite dans la publication « New Advanced Materials-New Opportunities for Brazed HX Folded Tubes & Hydro MultiClad Materials », Hartmut Janssen, 7e Conférence sur le brasage de l'aluminium, 2012, et dans les demandes de brevet suivantes : W02009/128766A1 de « Sapa Heat Transfer AB », WO03/089237, EP2065180A1, W02006/044500A2 de « Alcoa Inc. », W02007/042206A1 et FR2876606 de « Corus Aluminium Walzprodukte GmbH ».
Cependant, bien que de telles configurations permettent d'améliorer la résistance à la corrosion des tubes ou des plaques, elles peuvent être insuffisantes dans des conditions de corrosion particulièrement sévères, comme c'est le cas pour les échangeurs de chaleur soumis à la recirculation des gaz d'échappement caractérisés en particulier par un pH bas.
En tant que solution, on sait utiliser une couche intermédiaire contenant du Zn pour améliorer la résistance à la corrosion de ces tôles de brasage. Les couches intermédiaires courantes sont faites par exemple d'un alliage AA7072 ou d'un alliage AA3003 avec du Zn. Les couches intermédiaires contenant du Zn agissent en tant qu'anode sacrificielle, forçant la corrosion à attaquer la surface interne de l'échangeur de chaleur d'une manière latérale au lieu de pénétrer dans l'âme par piqûration localisée ou corrosion intergranulaire.
Une autre solution est décrite en particulier dans le brevet EP1934013B1 de Aleris qui décrit une solution de tôle de brasage à 4 couches comportant deux couches 4xxx, une âme en 3xxx (contenant de 0,55 à 1 % de Cu) et une couche intermédiaire en 3xxx comportant de 0,1 à 5 % de Zn et de 0,5 à 1,5 % de Mn.
Par ailleurs, le laminage à chaud d'un sandwich multicouche comportant une couche intermédiaire présentant une faible contrainte d'écoulement à haute température est particulièrement difficile. Le choix de la couche intermédiaire dans ce cas doit être effectué avec précaution, pour prévenir la liaison difficile ou même impossible entre la couche intermédiaire et les couches environnantes.
Une solution pour faciliter le laminage est d'augmenter la contrainte d'écoulement à haute température de la couche intermédiaire, en particulier par l'addition d'éléments de durcissement. C'est le cas pour le titane, à des taux allant jusqu'à 0,3 % tel que mentionné dans la demande de brevet WO2009/128766A1 de « Sapa Heat Transfer AB ». Le manganèse est également mentionné en tant que durcisseur de solutions solides.
Les demandes de brevet ci-dessus, ainsi que WO2009/142651A2 de « Alcoa Inc. » revendiquent une couche intermédiaire en alliage AA3xxx.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
L'objectif principal de la présente invention est d'optimiser la comprosition du matériau composite ou de la tôle de brasage multicouche fait(e) d'un alliage d'aluminium, et en particulier de l'âme et de la couche intermédiaire, afin d'améliorer leur comportement dans un environnement corrosif sévère tel que celui créé par la recirculation des gaz d'échappement des véhicules à moteur et, dans une moindre mesure, des évaporateurs de climatisation, sans aucun surplus de matériau utilisé, pas de poids important et en permettant des conditions de production, du point de vue de la facilité de mise en œuvre et du coût, au moins équivalentes aux solutions de l'art antérieur.
Un autre objectif de la présente invention est d'optimiser la nature sacrificielle de la couche intermédiaire et ainsi d'augmenter la latéralisation de la corrosion à la surface de la tôle et ainsi de retarder autant que possible la pénétration de la corrosion dans l'âme.
Le comportement à la corrosion des tôles de brasage peut être évalué par un essai de corrosion cyclique spécifique utilisant un condensât d'acide synthétique appelé « essai CAC ». Cet essai est décrit dans les exemples ci-après.
Tel qu'indiqué ci-dessus, les solutions de tôles de brasage à trois couches courantes ne sont généralement pas appropriées pour les échangeurs de chaleur de type CAC en raison de la pénétration rapide de la corrosion dans l'âme des tôles. Afin de répondre à l'exigence de corrosion des CAC, des solutions à quatre couches dans lesquelles une couche intermédiaire sacrificielle est ajoutée entre la couche de brasage en 4xxx et l'âme ont été mises au point. Cependant, il reste difficile d'obtenir des tôles qui soient résistantes à la corrosion et en même temps appropriées pour le laminage à chaud.
Le demandeur a mis au point une tôle de brasage multicouche qui permet d'optimiser l'aspect sacrificiel de la couche intermédiaire comparativement à l'âme par addition de Zn à une couche intermédiaire contenant du Mn. Cette couche intermédiaire nouvellement mise au point contient suffisamment de Mn pour rendre le laminage à chaud de la tôle réalisable et a montré une amélioration de la résistance à la corrosion dans l'essai CAC comparativement aux solutions existantes.
Un objet de la présente invention est une tôle de brasage comprenant, de préférence essentiellement constituée de, de manière davantage préférée constituée de :
une âme faite d'un alliage AA3xxx comprenant, en pourcentages en poids : jusqu’à 0,70% (de préférence de 0,10 à 0,30%) de Si, jusqu'à 0,70% (de préférence jusqu'à 0,40 %, de manière davantage préférée jusqu'à 0,25 %) de Fe, de 0,20 à 1,10 % (de préférence de 0,30 à 1,00 %) de Cu, de 0,70 à 1,80 % (de préférence de 1,10 à 1,60 %) de Mn, jusqu'à 0,40 % (de préférence jusqu'à 0,30%) de Mg, jusqu'à 0,30% (de préférence jusqu'à 0,20%) de Zn, jusqu'à 0,30% (de préférence jusqu'à 0,20%) de Ti, de Zr et/ou de Cr et/ou de V chacun jusqu'à 0,30%, autres éléments inférieurs à 0,05% chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium ;
- une couche de brasage, faite d'un alliage AA4xxx (par exemple AA4343 ou AA4045, de préférence comprenant de 5 à 13 % en poids de Si) qui est présente sur au moins un côté (de préférence des deux côtés) de l'âme ; et
- une couche intermédiaire, insérée entre l'âme et la couche de brasage, sur au moins un côté (selon un mode de réalisation des deux côtés) de l'âme, laquelle composition comprend (de préférence est essentiellement constituée de, de manière davantage préférée est constituée de), en pourcentages en poids : de 1,5 à 2,3 % de Zn, de 0,2 % (de préférence de 0,3 %) à 0,75 % (de préférence 0,45 %) de Mn, jusqu'à 0,5 % (de préférence 0,4 %) de Fe, jusqu'à 0,5 % (de préférence 0,4 %) de Si, autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium.
Un autre objet de la présente invention est l'utilisation d'une tôle de brasage selon la présente invention pour la production d'un échangeur de chaleur d'un véhicule à moteur, de préférence d'un refroidisseur d'air de suralimentation (CAC), d'un refroidisseur avec recirculation des gaz d'échappement (EGR), d'un évaporateur, d'un condensateur ou d'un radiateur.
Un autre objet de la présente invention est l'utilisation d'une tôle de brasage selon la présente invention, pour la production d'un échangeur de chaleur, dans lequel l'échangeur de chaleur est un refroidisseur d'air de suralimentation à eau comprenant un tube ou un canal formé par une paire de plaques, ayant un côté externe où le gaz devant être refroidi s'écoule, lesdits tube ou plaques étant faits de la tôle de brasage selon la présente invention avec la couche intermédiaire située sur ledit côté externe, et comprenant des ailettes faites d'un alliage d'aluminium ayant une teneur en Zn de 1,25 à 3,00 % en poids fixées sur ledit côté externe, et dans lequel la teneur en Zn de la couche intermédiaire est inférieure à 120 %, de préférence inférieure à 100 % de la teneur en Zn des ailettes.
Un autre objet de la présente invention est un échangeur de chaleur d'un véhicule à moteur, de préférence d'un refroidisseur d'air de suralimentation (CAC), d'un refroidisseur avec recirculation des gaz d'échappement (EGR), d'un évaporateur, d'un condensateur ou d'un radiateur, de manière davantage préférée d'un refroidisseur d'air de suralimentation, caractérisé en ce qu'il est produit partiellement à partir d'une tôle de brasage selon la présente invention.
Un autre objet de la présente invention est un échangeur de chaleur tel que décrit ci-dessus, dans lequel l'échangeur de chaleur est un refroidisseur d'air de suralimentation à eau comprenant un tube ou un canal formé par une paire de plaques, ayant un côté externe où le gaz devant être refroidi s'écoule, lesdits tube ou plaques étant faits de la tôle de brasage selon la présente invention avec la couche intermédiaire située sur ledit côté externe, et comprenant des ailettes faites d'un alliage d'aluminium ayant une teneur en Zn de 1,25 à 3,00% en poids fixées sur ledit côté externe, et dans lequel la teneur en Zn de la couche intermédiaire est inférieure à 120 %, de préférence inférieure à 100 % de la teneur en Zn des ailettes.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La Figure 1 montre une section longitudinale schématique d'un tube (tube enroulé et brasé ou soudé) d'un refroidisseur d'air de suralimentation à air (CAC à air).
La Figure 2 montre une section longitudinale schématique d'un tube (canal formé par une paire de plaques) d'un refroidisseur d'air de suralimentation à eau (CAC à eau).
La Figure 3 montre une architecture de tôle de brasage schématique à trois couches.
La Figure 4 montre une architecture de tôle de brasage schématique à quatre couches.
La Figure 5 montre : (a) un matériau longue durée de l'état de la technique avant « essai CAC » : arrière et bords de l'éprouvette protégés par un adhésif et de la silicone pour éviter la corrosion parasite, (b) un matériau longue durée de l'état de la technique après un « essai CAC » de 2 semaines et un rinçage à l'eau chaude.
La Figure 6 montre une représentation schématique du procédé dé coupe en section transversale sur un échantillon SWAAT (après élimination du joint de silicone protégeant les bords de l'échantillon).
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Âme
L'âme est faite d'un alliage 3xxx.
De préférence, l'âme comprend, de manière davantage préférée est essentiellement constituée de, en pourcentages en poids :
jusqu'à 0,70 %, de préférence de 0,05 à 0,35 %, de manière davantage préférée de 0,10 à 0,30 % de Si, jusqu'à 0,70 %, de préférence jusqu'à 0,40 %, de manière davantage préférée jusqu'à 0,25 % de Fe, de 0,20 à 1,10%, de préférence de 0,30 à 1,00%, de manière davantage préférée de 0,35 à 0,60 % de Cu, de 0,70 à 1,80%, de préférence de 1,10 à 1,60%, de manière davantage préférée de 1,20 à 1,50 % de Mn, jusqu'à 0,40 %, de préférence jusqu'à 0,30 %, de manière davantage préférée jusqu'à 0,15 %, de manière encore davantage préférée jusqu'à 0,10 % de Mg, jusqu'à 0,30 %, de préférence jusqu'à 0,20 % de Zn, jusqu'à 0,30 %, de préférence jusqu'à 0,20 %, de manière davantage préférée de 0,01 à 0,20 %, de manière encore davantage préférée de 0,02 à 0,15 % de Ti, du Zr et/ou du Cr et/ou du V chacun jusqu'à 0,30 %, de préférence de 0,01 à
0,30 %, de manière davantage préférée de 0,02 à 0,25 %, autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium.
De préférence, l'âme de la tôle de brasage selon la présente invention comprend de
0,40 à 0,54 % en poids, de manière davantage préférée de 0,45 à 0,51 % en poids de 10 Cu.
Trois alliages d'âme appropriés selon la présente invention sont décrits dans le
Tableau 1 ci-après, en % en poids :
| Âme-1 | Âme-2 | Âme-3 | |
| Si | 0,10-0,30 | 0,10-0,30 | 0,10-0,30 |
| Fe | <0,30 | <0,30 | <0,30 |
| Cu | 0,60-0,90 | 0,50-0,80 | 0,35-0,60 |
| Mn | 1,20-1,50 | 1,20-1,50 | 1,20-1,50 |
| Mg | 0,05-0,30 | <0,10 | <0,10 |
| Cr | <0,15 | <0,15 | 0,02-0,25 |
| Zn | <0,20 | <0,20 | <0,20 |
| Ti | 0,02-0,20 | 0,02-0,20 | 0,02-0,15 |
Tableau 1 : Alliages d'âme appropriés selon la présente invention
Selon un mode de réalisation, un alliage d'âme approprié selon la présente invention est constitué de, en % en poids : de 0,05 à 0,35 % de Si ; jusqu'à 0,40 % de Fe ; de 0,25 à 0,70 % de Cu ; de 1,10 à 1,60 % de Mn ; jusqu'à 0,15 % de Mg ; de 0,01 à 0,30 % de Cr ; jusqu'à 0,30 % de Zn ; de 0,01 à 0,20 % de Ti ; autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium.
L'état métallurgique de l'âme peut être une structure restaurée telle qu'un état H24 qui est partiellement recuit ou un état O qui est entièrement recuit. Comme le sait couramment l'homme du métier, les états métallurgiques sont définis par exemple dans la norme BS EN 515.
Couche de brasage
De préférence, la teneur en Si de la couche de brasage est de 5 à 13 % en poids.
De préférence, la composition de la couche de brasage est AA4045 ou AA4343.
Par exemple, la composition AA4045 est, en % en poids : de 9 à 11 % de Si, jusqu'à 0,8% de Fe, jusqu'à 0,30% de Cu, jusqu'à 0,05 % de Mn, jusqu'à 0,05 % de Mg, jusqu'à 0,10 % de Zn, jusqu'à 0,20 % de Ti, autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium.
Par exemple, la composition AA4343 est, en % en poids : de 6,8 à 8,2 % de Si, jusqu'à 0,8 % de Fe, jusqu'à 0,25 % de Cu, jusqu'à 0,10 % de Mn, jusqu'à 0,20 % de Mg, autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium.
Selon un mode de réalisation, l'état métallurgique de l'âme est un état H24 et la couche de brasage n'est présente que sur un côté de l'âme, de préférence sur le côté de la couche intermédiaire.
De préférence, la couche de brasage est présente des deux côtés de l'âme, sur la couche intermédiaire quand elle est présente, sinon directement sur l'âme, les deux couches de brasage ayant une composition identique ou différente.
Couche intermédiaire
La couche intermédiaire selon la présente invention comprend, de préférence est essentiellement constituée de, de manière davantage préférée est constituée de, en pourcentages en poids : de 1,5 à 2,3 % de Zn, de 0,2 % (de préférence de 0,3 %) à 0,75% (de préférence 0,45%) de Mn, jusqu'à 0,5% (de préférence 0,4%) de Fe, jusqu'à 0,5% (de préférence 0,4%) de Si, autres éléments inférieurs à 0,05% chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium.
De préférence, la teneur en Mn de la couche intermédiaire de la tôle de brasage selon la présente invention est de 0,3 à 0,4% en poids. L'effet de cette plage spécifique de Mn dans la couche intermédiaire est illustré par les exemples ci-après. De préférence, la teneur en Zn de la couche intermédiaire de la tôle de brasage selon la présente invention est de 1,5 à 2,3% en poids. L'effet de cette plage spécifique de Zn dans la couche intermédiaire est illustré par les exemples ci-après.
De préférence, le rapport Zn/Mn dans la couche intermédiaire est de 2 à 11, de manière davantage préférée de 3 à 7.
Selon un mode de réalisation, la couche intermédiaire peut en outre comprendre du Ti. La teneur en Ti dans la couche intermédiaire est de préférence jusqu'à 0,3 % en poids, de manière davantage préférée jusqu'à 0,2 % en poids
De préférence, l'épaisseur de la couche intermédiaire est jusqu'à 65 pm, de manière davantage préférée jusqu'à 55 pm.
Selon un mode de réalisation, la tôle de brasage selon la présente invention est utilisée dans un refroidisseur d'air de suralimentation à l'eau, tel qu'illustré par exemple par la Figure 2. Dans ce mode de réalisation spécifique, la couche intermédiaire est sur le côté externe du tube ou de la paire de plaques et des ailettes sont fixées sur ledit côté externe. Dans ce cas, le côté externe du tube ou de la paire de plaques est le côté en contact avec le gaz devant être refroidi. Dans ce mode de réalisation, la teneur en Zn de la couche intermédiaire est de préférence inférieure à la teneur en Zn des ailettes. Ce mode de réalisation spécifique sera décrit de manière plus détaillée ci-après.
Tôle
De préférence, la tôle de brasage selon la présente invention est caractérisée en ce que les couches de brasage et les couches intermédiaires ont chacune une épaisseur de 3 à 30 %, de préférence de 5 à 15 %, de manière davantage préférée de 8 à 12 % de l'épaisseur totale de la tôle de brasage.
L'invention consiste en un choix judicieux des alliages respectifs de l'âme, de la couche intermédiaire et de la couche de brasage pour réaliser une tôle de brasage du type multicouche, adaptée aux conditions de corrosion sévères auxquelles ces matériaux sont soumis lors de leur utilisation, en particulier dans les refroidisseurs d'air de suralimentation ou les évaporateurs de climatisation.
En particulier, les plages de concentration imposées sur les éléments constitutifs de l'alliage de la couche intermédiaire sont expliquées par les raisons suivantes :
le Si a un effet défavorable sur la résistance à la piqûration et/ou à la corrosion intergranulaire. Par conséquent, sa teneur doit être inférieure à 0,5 % en poids et de préférence inférieure à 0,4 % en poids ;
le Fe est généralement considéré comme une impureté pour l'aluminium et constitue des sites privilégiés pour l'initiation de la corrosion par piqûration. Par conséquent, sa teneur doit être inférieure à 0,5 % en poids et de manière davantage préférée inférieure à 0,4 % en poids ;
le Cu augmente également le potentiel de corrosion en réduisant ainsi l'effet d'anode sacrificielle de la couche intermédiaire. Par sa répartition non homogène à l'intérieur de l'alliage, il peut également augmenter les risques de corrosion galvanique et peut favoriser la corrosion intergranulaire par la présence de phases de type AI2Cu, en particulier à la limite des grains. En conséquence, sa teneur doit être limitée à celle d'une impureté, à savoir inférieure à 0,05 % en poids ;
le Mn est un élément de durcissement qui a un effet positif sur la résistance après brasage en durcissant en solution solide et sous la forme de dispersoïdes fins. Surtout, il améliore la contrainte d'écoulement à chaud de l'alliage, en facilitant considérablement le co-laminage. Mais lorsqu'il y a trop de Mn, la résistance à la corrosion est diminuée en ce que l'attaque par corrosion n'est pas latéralisée et n'est pas maintenue au niveau de la couche intermédiaire, et l'âme peut être attaquée par corrosion. De plus, avec trop de Mn, la couche intermédiaire devient moins sacrificielle comparativement à l'âme ;
le Mg a un effet positif sur la résistance mécanique, mais il est préjudiciable à la brasabilité, puisqu'il migre vers la surface de la couche de brasage et, en particulier dans le cas du brasage dans une atmosphère contrôlée (CAB) du type « Nocolok® », formant une couche d'oxyde qui modifie de manière défavorable les propriétés du brasage. Pour cette raison, et pour de telles applications difficiles, sa teneur peut être limitée à 0,02 % ou même à 0,01 % ;
le Zn a une influence sur la résistance à la corrosion. Sa teneur doit être équilibrée avec la teneur en Mn. S'il y a trop de Zn, le potentiel de corrosion.de la couche intermédiaire peut être trop bas. Dans ce cas, la couche intermédiaire peut se détériorer trop rapidement, et en particulier lorsque la couche intermédiaire est située du côté des ailettes elle peut se corroder plus rapidement que les ailettes (qui sont supposées être protectrices). La teneur en Zn dans la couche intermédiaire est ainsi de préférence de 1,5 à 2,3 % en poids.
La présence d'une couche intermédiaire permet de créer un profil de cuivre décroissant de l'âme vers la couche de brasage. Cet effet renforce l'effet du zinc sur la résistance à la corrosion.
Le côté de l'âme opposé au côté de la couche intermédiaire peut être plaqué directement avec une couche de brasage faite d'un alliage de la série AA4xxx. Les couches de brasage peuvent avoir une composition identique ou différente.
Cependant, une variante avantageuse de cette configuration est un matériau composite multicouche symétrique, c'est-à-dire doté d'une couche intermédiaire des deux côtés de l'âme, l'une offrant une résistance à la corrosion interne et l'autre à la corrosion externe, comme cela est particulièrement favorable dans le cas des échangeurs de chaleur de type CAC. Dans ce mode de réalisation également les couches de brasage peuvent avoir une composition identique ou différente. C'est également le cas pour les deux couches intermédiaires.
Procédé
La tôle de brasage selon la présente invention peut être produite en utilisant tout procédé connu. Le procédé peut comprendre généralement les étapes successives suivantes :
coulée des différents alliages pour obtenir des blocs ;
scalpage des blocs des deux côtés ;
facultativement, homogénéisation de la couche intermédiaire ; préchauffage des blocs d'alliage de brasage et d'alliage de couche intermédiaire à 400 à 550°C ;
laminage à chaud des blocs d'alliage de brasage et d'alliage de couche intermédiaire jusqu'à l'épaisseur souhaitée du placage pour obtenir le rapport de placage souhaité ;
facultativement homogénéisation du bloc d'alliage de l'âme à 550 à
630 °C durant au moins 1 heure, de préférence de 1 à 20 heures ; assemblage des blocs pour obtenir un sandwich ;
préchauffage du sandwich à 400 à 550°C ;
laminage à chaud du sandwich jusqu'à une épaisseur intermédiaire, par exemple de 2,5 à 4,5 mm ;
laminage à froid du sandwich laminé à chaud jusqu'à l'épaisseur finale souhaitée, par exemple de 0,15 à 1,20 mm, pour obtenir la tôle de brasage ;
recuit à 250 à 450°C pendant au moins 30 minutes.
Le but de l'étape de recuit est d'obtenir l'état métallurgique souhaité, par exemple un état H24 ou un état O.
Ensuite la tôle de brasage peut être brasée sur d'autres tôles, qui peuvent avoir une configuration identique ou différente. De préférence, le procédé de brasage utilise un flux, par exemple le procédé connu appelé Nocolok®.
De telles tôles de brasage sont particulièrement appropriées pour la fabrication d'échangeurs de chaleur, de préférence de refroidisseurs d'air de suralimentation (CAC), de refroidisseurs avec recirculation des gaz d'échappement (EGR), d'évaporateurs, de condensateurs ou de radiateurs, de manière davantage préférée de refroidisseurs d'air de suralimentation (CAC), en raison en particulier d'un bon comportement à l'emboutissage, et également d'un comportement à la corrosion sensiblement amélioré, tel que décrit dans les exemples ci-dessous.
L'invention consiste en le meilleur compromis entre aptitude au laminage et résistance à la corrosion. Elle diffère de l'art antérieur connu au moins par une sélection spécifique des quantités de Mn et de Zn dans la couche intermédiaire.
Utilisation
La tôle de brasage selon la présente invention peut être utilisée dans la production d'un échangeur de chaleur d'un véhicule à moteur, de préférence d'un refroidisseur d'air de suralimentation (CAC), d'un refroidisseur avec recirculation des gaz d'échappement (EGR), d'un évaporateur, d'un condensateur ou d'un radiateur, de manière davantage préférée d'un refroidisseur d'air de suralimentation (CAC). Comme on le sait, il existe deux principaux types de CAC : CAC à air et CAC à eau.
Le CAC à air peut être illustré par la Figure 1. La Figure 1 montre une section longitudinale schématique d'un tube d'un refroidisseur d'air de suralimentation à air (CAC à air).
Le tube du CAC à air tel qu'illustré sur la Figure 1 est fait d'une tôle de brasage à quatre couches. La tôle de brasage comprend deux couches de brasage 1, qui peuvent avoir une composition identique ou différente, une âme 2 et une couche intermédiaire 3. Le numéro de référence 4 représente les ailettes. Il est entendu que, selon un autre mode de réalisation, la tôle de brasage peut comprendre une seconde couche intermédiaire, sur le côté opposé ayant une composition identique ou différente comparativement à la première couche intermédiaire.
Le gaz devant être refroidi 5 s'écoule à travers le côté interne 8 d'un tube (= le côté de la couche intermédiaire). L'air 6 s'écoule au niveau du côté externe 9 du tube (= le côté opposé à la couche intermédiaire). Les ailettes 4 sont positionnées sur le côté externe 9 du tube. La couche intermédiaire 3 est positionnée sur le côté interne 8 du tube, où le gaz devant être refroidi 5 s'écoule.
Le CAC à eau peut être illustré par la Figure 2. La Figure 2 montre une section longitudinale schématique d'un tube (ou d'un canal formé par une paire de plaques) d'un refroidisseur d'air de suralimentation à eau (CAC à eau).
Le tube (ou canal formé par une paire de plaques) du CAC à eau tel qu'illustré sur la Figure 2 est fait d'une tôle de brasage à quatre couches. La tôle de brasage comprend deux couches de brasage 1, qui peuvent avoir une composition identique ou différente, une âme 2 et une couche intermédiaire 3. Le numéro de référence 4 représente les ailettes. Il est entendu que, selon un autre mode de réalisation, la tôle de brasage peut comprendre une seconde couche intermédiaire sur le côté opposé, ayant une composition identique ou différente comparativement à la première couche intermédiaire.
Le fluide de refroidissement 7 s'écoule à travers le côté interne 8 d'un tube ou d'un canal formé par une paire de plaques (= le côté opposé à la couche intermédiaire). Le gaz devant être refroidi 5 s'écoule au niveau du côté externe 9 du tube ou du canal formé par une paire de plaques (= le côté de la couche intermédiaire). Les ailettes 4 sont sur le côté externe 9 du tube ou du canal formé par une paire de plaques. La couche intermédiaire 3 est positionnée sur le côté externe 9 du tube ou du canal formé par une paire de plaques, où le gaz devant être refroidi 5 s'écoule.
Selon un mode de réalisation, la tôle de brasage selon la présente invention peut être utilisée pour la production d'un échangeur de chaleur d'un véhicule à moteur, de préférence d'un refroidisseur d'air de suralimentation (CAC), d'un refroidisseur avec recirculation des gaz d'échappement (EGR), d'un évaporateur, d'un condensateur ou d'un radiateur, de préférence d'un refroidisseur d'air de suralimentation (CAC).
Selon un autre mode de réalisation, la tôle de brasage selon la présente invention peut être utilisée pour la production d'un échangeur de chaleur, dans lequel l'échangeur de chaleur est un refroidisseur d'air de suralimentation à eau comprenant un tube ou un canal formé par une paire de plaques, ayant un côté externe où le gaz devant être refroidi s'écoule, lesdits tube ou plaques étant faits de la tôle de brasage selon la présente invention avec la couche intermédiaire située sur ledit côté externe, et comprenant des ailettes faites d'un alliage d'aluminium ayant une teneur en Zn de 1,25 à 3,00 % en poids fixées sur ledit côté externe, et dans lequel la teneur en Zn de la couche intermédiaire est inférieure à 120 %, de préférence inférieure à 100 % de la teneur en Zn des ailettes.
De préférence, l'alliage des ailettes comprend, de manière davantage préférée est constitué de, un alliage 3003 auquel du Zn est ajouté de manière à ce que la teneur totale en Zn soit de 1,25 à 3,00% en poids. Généralement, un alliage 3003 comprend, en pourcentages en poids : jusqu'à 0,60 % de Si ; jusqu'à 0,70 % de Fe ; de 0,05 à 0,20% de Cu ; de 1,00 à 1,50% de Mn ; jusqu'à 0,10% de Zn ; autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total ; le reste étant de l'aluminium.
Dans ses détails, l'invention sera mieux comprise grâce aux exemples décrits ciaprès, qui ne sont cependant pas limitatifs.
Dans la présente description et dans les revendications suivantes, dans la mesure où une valeur numérique est indiquée, une telle valeur est destinée à faire référence à la valeur exacte et aux valeurs proches de cette valeur qui induiraient un changement peu important par rapport à la valeur indiquée.
EXEMPLES
La Figure 4 et le Tableau 2 résument les configurations et les compositions des matériaux étudiés (en pourcentages en poids). Avant le brasage, toutes les solutions étaient à l'état O et à une épaisseur de 400 microns.
Selon la Figure 4, la couche de brasage 1 était faite de AA4343 et représentait 7,5 % de l'épaisseur totale, des deux côtés de la tôle de brasage. La couche intermédiaire 3 représentait 10 % de l'épaisseur totale, et l'âme 2 représentait 75 % de l'épaisseur totale.
| Âme | Composition de la couche intermédiaire | ||||||||
| Si | Fe | Cu | Mn | Cr | Ti | Zr | Zn | ||
| Exemple-1 | Âme-1 | 0,204 | 0,153 | <0,005 | 0,385 | <0,0016 | <0,005 | - | 1,95 |
| Exemple-2 | Âme-2 | 0,204 | 0,153 | <0,005 | 0,385 | <0,0016 | <0,005 | - | 1,95 |
| Exemple-3 | Âme-1 | 0,1 | 0,19 | 0,69 | 1,9 | ||||
| Réf.l-Mn | Âme-1 | 0,105 | 0,208 | 0,007 | 0,358 | 0,001 | 0,019 | 0,001 | - |
| Réf.2-Mn | Âme-1 | 0,104 | 0,158 | 0,002 | 0,709 | 0,001 | 0,020 | 0,002 | — |
| Réf.3-Mn | Âme-1 | <0,05 | <0,1 | - | 1,75 | - | - | - | - |
| Réf-Zn | Âme-1 | 0,097 | 0,184 | 0,7 | 0,98 |
Tableau 2 : Matériaux étudiés
Plusieurs tôles à 4 couches comportant différents alliages d'âme et alliages de couche intermédiaire ont été prototypées. Un alliage AA4343 a été utilisé en tant 5 que couche de brasage des deux côtés pour toutes les tôles prototypées. Les tôles marquées Exemple-1, Exemple-2 et Exemple-3 sont selon l'invention. Les tôles marquées Réf.l-Mn, Réf.2-Mn, Réf.3-Mn et Réf-Zn sont des exemples comparatifs.
L'alliage Âme-1 avait la composition suivante, en % en poids :
Si : 0,18 Fe : 0,15 Cu : 0,65 Mn : 1,35 Ti : 0,08 autres éléments < 0,05 10 chacun et < 0,15 au total, le reste étant de l'aluminium.
L'alliage Âme-2 avait la composition suivante, en % en poids :
Si : 0,19 Fe : 0,13 Cu : 0,51 Mn : 1,33 Cr : 0,09 Zn : 0,02 Ti : 0,01 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, le reste étant de l'aluminium.
L'alliage AA4343 avait la composition suivante, en % en poids :
Si : 7,2 Fe : 0,15 Cu : < 0,1 Mn:<0,l Ti : < 0,05 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, le reste étant de l'aluminium.
Le procédé pour la production de tôles de brasage était comme suit :
coulée des différents alliages pour obtenir des blocs ; scalpage des blocs obtenus des deux côtés ;
préchauffage des blocs d'alliage de brasage et d'alliage de couche intermédiaire à 500°C ;
laminage à chaud des blocs d'alliage de brasage et d'alliage de couche intermédiaire jusqu'à l'épaisseur souhaitée du placage pour obtenir le rapport de placage souhaité ;
homogénéisation des blocs d'alliage d'âme à 620°C durant 8 h ; assemblage des blocs pour obtenir des sandwichs ;
préchauffage des sandwichs à 500°C ;
laminage à chaud des sandwichs jusqu'à une épaisseur de 3,5 mm ; laminage à froid jusqu'à une épaisseur de 0,4 mm ; et recuit à 350°C durant 1 h pour obtenir un état O.
Les tôles ont ensuite été soumises à une simulation de cycle de brasage comprenant une élévation de température à 40°C/min jusqu'à 550°C, et ensuite à 20°C/min jusqu'à 600°C. Cette température a été maintenue durant 2 minutes. Un refroidissement a ensuite été effectué dans le four à environ -25°C/min.
Les matériaux obtenus ont ensuite été soumis à un essai de corrosion.
Essai de corrosion
En tant que première évaluation grossière de la durabilité des matériaux étudiés dans un environnement corrosif, norme ASTM G85A3 - un essai SWAAT est généralement réalisé dans une chambre climatique. La procédure est basée sur le cycle suivant : arrosage pendant 30 min + immersion pendant 90 min. Une solution de sel de mer synthétique à 5 % au pH 3 est utilisée en tant que condensât. Bien que l'essai SWAAT soit très utilisé pour tester les échangeurs de chaleur, cette procédure est liée à la corrosion atmosphérique et concerne la durabilité du côté externe d'un échangeur de chaleur tel que les évaporateurs de climatisation.
Concernant le cas spécifique du refroidisseur d'air de suralimentation (CAC), l'essai SWAAT a une utilité très limitée. Par conséquent, un essai de corrosion dédié a été mis au point pour simuler la corrosion dans les échangeurs de chaleur CAC. Sachant que les gaz d'échappement circulant à l'intérieur du CAC sont principalement constitués de CO2, d'ELO, de NOx et de SO2 (en fonction du taux de soufre du diesel), si une formation de condensât se produit, ceci génère un acide fort (HNO3, H2SO4) et des acides organiques moins corrosifs. La composition du condensât de gaz d'échappement et le point de rosée dépendent de la composition du carburant, du procédé de combustion, du rapport de l'air, de la charge du moteur, du gaz 5 d'échappement après traitement, du stade de démarrage du moteur, etc... Par ailleurs, le système EGR (recirculation des gaz d'échappement) sera fréquemment exposé à des environnements humides et secs successifs en fonction de la vitesse et de la température du moteur. Les états dans lesquels un concentré acide fluide peut demeurer et sécher sur les composants sont critiques. D'après ces évaluations, un 10 essai de corrosion, ci-après appelé « essai CAC », basé sur un cycle de 4 h en 3 étapes a été élaboré (voir schéma ci-dessous). Cet essai de corrosion, visant à évaluer la résistance à la corrosion observée en service, inclut un cycle sec et humide ainsi qu'une phase d'arrosage utilisant un condensât synthétique fait d'une solution équimolaire d'acide sulfurique et d'acide nitrique (H2SO4 + HNO3). Les 15 essais ont été menés au pH 2 et à 1000 ppm de CL durant 6 semaines.
(bycfe de 4 h - ôcyclestfour)
Schéma de T« essai CAC » basé sur un cycle de 4 h en 3 étapes.
Des échantillons de 45 mm (L) x 65 mm {TL) x 0,48 mm (TC) ont été découpés à partir de chaque référence (voir Figure 5). Les échantillons ont été dégraissés avec de l'acétone et ensuite masqués afin de n'exposer que le côté avant à tester. Les bords et le côté arrière ont été respectivement protégés par de la silicone et un ruban adhésif. Par conséquent, la surface testée était d'environ 40 mm (L) x 60 mm (TL) conduisant à une surface exposée d'environ 2 400 ± 100 mm2.
Lorsque l'essai SWAAT était terminé, des micrographies en section transversale dans le plan L-ST ont été réalisées pour étudier la morphologie de la corrosion sur le côté exposé. Quatre sections de 40 mm (L) x 10 mm (TL) ont été découpées tel que décrit sur la Figure 6 et observées par microscopie optique à deux différents grossissements (à savoir x50 et xlOO) afin d'obtenir des images représentatives et fiables du mode d'attaque.
Les résultats des observations par microscopie optique sont indiqués dans le Tableau 3 ci-après.
| Latéralisation de la corrosion dans la couche intermédiaire | Absence de corrosion de l'âme | |
| Exemple-1 | + | ++ |
| Exemple-2 | ++ | ++ |
| Exemple-3 | + | ++ |
| Réf.l-Mn | - | + |
| Réf.2-Mn | - | + |
| Réf.3-Mn | - | - |
| Réf-Zn | - | + |
Tableau 3 : Résultats de l'essai de corrosion CAC, après 6 semaines d'exposition
Dans le Tableau 3 ci-dessus, « - » désigne l'absence de latéralisation de la corrosion dans la couche intermédiaire ou la présence de corrosion dans l'âme d'une manière importante, « + » désigne la présence de latéralisation de la corrosion dans la couche intermédiaire ou de corrosion dans l'âme d'une manière modérée, et « ++ » désigne la présence de latéralisation de la corrosion dans la couche intermédiaire d'une manière entièrement efficace ou l'absence de corrosion dans l'âme. Les résultats sont basés sur les observations des micrographies.
Les résultats présentés dans le Tableau 3 ci-dessus confirment la latéralisation de la corrosion dans la couche intermédiaire qui joue son rôle sacrificiel, en même temps que l'absence de perforation de l'âme sous-jacente pour les compositions selon la présente invention.
Claims (10)
1. Tôle de brasage comprenant :
une âme faite d’un alliage AA3xxx comprenant, en pourcentages en poids : jusqu'à 0,70 % de Si, jusqu'à 0,70 % de Fe, de 0,20 à 1,10 % de Cu, de 0,70 à 1,80 % de Mn, jusqu'à 0,40 % de Mg, jusqu'à 0,30 % de Zn, jusqu'à 0,30 % de Ti, de Zr et/ou de Cr et/ou de V chacun jusqu'à 0,30 %, autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium ;
- une couche de brasage, faite d'un alliage AA4xxx, qui est présente sur au moins un côté de l'âme ; et
- une couche intermédiaire, insérée entre l'âme et la couche de brasage, sur au moins un côté de l'âme, laquelle composition comprend, en pourcentages en poids : de 1,5 à 2,3 % de Zn, de 0,2 à 0,75 % de Mn, jusqu'à 0,5 % de Fe, jusqu'à 0,5 % de Si, autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium.
2. Tôle de brasage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'âme comprend de 0,45 à 0,51 % en poids de Cu.
3. Tôle de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'âme est constituée de, en % en poids : de 0,05 à 0,35 % de Si ; jusqu'à 0,40 % de Fe ; de 0,25 à 0,70 % de Cu ; de 1,10 à 1,60 % de Mn ; jusqu'à 0,15 % de Mg ; de 0,01 à 0,30 % de Cr ; jusqu'à 0,30 % de Zn ; de 0,01 à 0,20 % de Ti ; autres éléments inférieurs à 0,05 % chacun et inférieurs à 0,15 % au total, le reste étant de l'aluminium.
4. Tôle de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche de brasage est présente des deux côtés de l'âme, les deux couches de brasage ayant une composition identique ou différente.
5. Tôle de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la teneur en Mn de la couche intermédiaire est de 0,30 à 0,40 % en poids.
6. Tôle de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les couches de brasage et les couches intermédiaires ont chacune une épaisseur de 3 à 30 %, de préférence de 5 à 15 % de l'épaisseur totale de la tôle de brasage.
7. Utilisation d'une tôle de brasage selon les revendications 1 à 6 pour la production d'un échangeur de chaleur d'un véhicule à moteur.
8. Utilisation selon la revendication 7, dans laquelle l'échangeur de chaleur est un refroidisseur d'air de suralimentation à eau comprenant un tube ou un canal formé par une paire de plaques, ayant un côté externe où le gaz devant être refroidi s'écoule, lesdits tube ou plaques étant faits de la tôle de brasage selon les revendications 1 à 6 avec la couche intermédiaire située sur ledit côté externe, et comprenant des ailettes faites d'un alliage d'aluminium ayant une teneur en Zn de 1,25 à 3,00 % en poids fixées sur ledit côté externe, et dans laquelle la teneur en Zn de la couche intermédiaire est inférieure à 120 % de la teneur en Zn des ailettes.
9. Échangeur de chaleur d'un véhicule à moteur, caractérisé en ce qu'il est produit partiellement à partir d'une tôle de brasage selon les revendications 1 à 6.
10. Échangeur de chaleur selon la revendication 9, dans lequel l'échangeur de chaleur est un refroidisseur d'air de suralimentation à eau comprenant un tube ou un canal formé par une paire de plaques, ayant un côté externe où le gaz devant être refroidi s'écoule, lesdits tube ou plaques étant faits de la tôle de brasage selon les revendications 1 à 6 avec la couche intermédiaire située sur ledit côté externe, et comprenant des ailettes faites d'un alliage d'aluminium ayant une teneur en Zn de 1,25 à 3,00 % en poids fixées sur ledit côté externe, et dans lequel la teneur en Zn de la couche intermédiaire est inférieure à 120 % de la teneur en Zn des ailettes.
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