專利名稱：用作散熱片材料的鋁合金的制作方法
通過真空釬焊或者可控氣氛釬焊制造的釬焊鋁部件已成為所有主要發動機冷卻和氣溫控制系統如冷凝器、蒸發器、輻射器和油冷卻器的通用選擇。本發明涉及釬焊的鋁換熱器如輻射器、冷凝器、蒸發器和加熱器芯，更特別地，本發明涉及具有優異耐腐蝕性和機械性能的鋁散熱片合金。
直到20世紀70年代，才用銅和黃銅制造了供汽車使用的換熱器裝置。最近20年，將鋁用于汽車的換熱器顯著增加。良好的耐腐蝕性、成型性和高熱導率使鋁成為用于這些換熱器結構的理想材料。
典型的釬焊換熱器(輻射器或冷凝器)包括散熱片、管子、側板和端板(headerplates)。散熱片、管子、側板和端板(headers)應該用不同的合金從而滿足各部件以及整個換熱器的要求。最近幾年，對鋁散熱片坯料的要求日益嚴格。過去主要是對熱導率的要求，而熱導率對于所有鋁合金來說都是優異的。然而，現在要求具有與管材相匹配的腐蝕性能以及高強度散熱片材料來降低規格(down-gauging)以使重量減輕，或增加使用的散熱片的數量來提高冷卻效率。
可控氣氛釬焊(CAB)依賴焊劑與氧化鋁反應并除去氧化鋁。氟化物基焊劑，例如四氟鋁酸鉀和鋁酸六氟三鉀的混合物是有利的，因為它們不留下腐蝕性的殘余物。鋁釬焊包括將部件與釬焊合金，即熔點明顯低于該部件熔點的鋁合金(Al-Si)連接。通常，將此釬焊合金放在待連接的部件鄰近或部件之間，然后將組件加熱至釬焊合金熔化而部件不熔化的溫度。冷卻時，釬焊合金在部件的連接表面之間形成冶金接合。在應用于汽車換熱器時，以薄片或在芯合金上包覆的形式供應此填充金屬。芯提供結構完整性，同時低熔點Al-Si包覆合金在釬焊的過程中熔化并流動，從而在冷卻時于部件之間提供冶金接合。
典型地，利用管子或板上的包覆層將散熱片與管子或芯板(coreplates)連接在一起。如果顧客的工藝或設計需要，并取決于管子所用的材料，例如擠壓管的材料，也可以將散熱片材料包覆在一側或兩側上以提高可釬焊性。
通過將合金錠軋制到顧客要求的最終規格，并在軋制操作之間采用不同的熱處理來制造未包覆層的鋁散熱片。通過用低熔點Al-Si合金在一側或兩側上包覆芯合金錠，用軋制-粘合方法制造包覆散熱片。典型地，在需要高成型性且不能產生嚴重腐蝕的應用中使用AA1050、AA 1100、AA 3003、AA 3103和AA 5005。不久以前，這些合金，無論有或沒有其它的鋅，是散熱片材料的標準選擇。AA 5005具有相對高的鎂含量，因此僅在真空焊接中使用。對于包覆層，通常使用AA 4343或AA 4045。
在使用中，換熱器部件可能經受的條件包括機械負荷、振動和在冬季行車條件過程中的鹽水環境。釬焊鋁換熱器在腐蝕環境中的耐用性取決于各部件(端板、散熱片、管子等)固有的腐蝕性能和它們相對的電化學性能。通常的做法是以這樣一種方法加工散熱片/散熱片包覆層和端板/端板包覆層，即這些部件和填充物為管子犧牲。
顧客對規格下降(down gauging)、成本降低、裝置性能提高且使用壽命更長的要求驅動著合金發展。降低重量和生產成本作為汽車工業中綜合指標的一部分，換熱器市場必須在現行基礎上開發更有效的設計。這又給材料供應商提出了開發強度更高的合金的要求，該合金能降低規格以獲得重量更輕的結構，或使用高壓循環和/或增加散熱片的數量以提高冷卻效率。此改進的性能必定通過有效地成本實現，同時釬焊和腐蝕性能等同于或優于現有的材料。用常規的合金已經極難獲得規格下降和尺寸降低。此外，現在需要的是在制造過程中的加工廢料和在交通工具壽命盡頭的裝置的閉環循環。
因此，散熱片開發的目的是獲得這樣一種散熱片，其對管子和圓角都產生陰極保護而不顯示過度的散熱片腐蝕。該散熱片應該在釬焊的過程中不撓曲(sagging)，并具有高的后釬焊強度。這可以通過錳、鐵與硅的平衡來控制。
本發明的主要目的是提供一種改進的、抗腐蝕、高強度、可再生、長壽命的鋁合金，所述鋁合金用于制造焊接管和機械裝配的換熱器用未包覆散熱片。
本發明的另一個目的是提供一種改進的、抗腐蝕、高強度、可再生、長壽命的鋁合金板，所述鋁合金板用于制造釬焊和機械裝配的換熱器用擠壓管的包覆散熱片。該合金板由芯和在該芯一側上的釬焊金屬包覆層組成。
本發明的另一個目的是提供一種改進的、抗腐蝕、高強度、可再生、長壽命的鋁合金板，所述鋁合金板用于制造釬焊和機械裝配的換熱器用擠壓管的包覆層散熱片。該合金板由芯和在該芯兩側上的釬焊金屬包覆層組成。
本發明的另一個目的是通過優化散熱片、管子、端板和側板的材料組合，用本發明的合金制造在SWAAT(海水乙酸試驗，ASTM G85)中具有足夠腐蝕性能的換熱器。通過如下所述的產品實現本發明的這些及其它目的。通過附加的專利權利要求書進一步描述并表征了本發明。
因此，本發明涉及一種改進散熱片合金耐腐蝕性和機械性能的方法，并涉及一種換熱器，其中優化了芯和包覆層合金的組成以及散熱片、管子、端板和側板的組合。
優選的釬焊合金基本上由4-14重量％的硅、最多0.8重量％的鐵、最多0.5重量％的銅、最多0.5重量％的鎂、最多0.5重量％的錳、0.03-3重量％的鋅、最多0.3重量％的鈦組成。其它元素的最高含量各為0.05重量％，其它元素的總量為0.15重量％，其余是鋁。
本發明還包括一種用于散熱片的具有相對高熔點的鋁芯合金，該鋁芯合金可以是未包覆的，或包覆于上述給定成組的、具有相對低熔點的所述鋁合金芯的至少一側，適用于可控氣氛釬焊。該鋁合金芯具有以下組成0.10-1.50重量％硅、0.10-0.60重量％的鐵、0.00-1.00重量％的銅、0.70-1.80重量％的錳、0.00-0.40重量％的鎂、0.10-3.00重量％的鋅、0.00-0.30重量％的鈦、0.00-0.30重量％的鋯。
本發明還涉及一種具有上述組成的鋁合金散熱片材料，其中用由以下成分組成的合金包覆該散熱片材料的至少一側4.00-14.00重量％的硅、0.10-0.80重量％的鐵、0.00-0.50重量％的銅、0.00-0.50重量％的錳、0.00-0.50重量％的鎂、0.03-3.00重量％的鋅、0.00-0.30重量％的鈦。
3xxx和4xxx型合金中不同元素的常規作用描述如下。
硅的量影響釬焊合金的熔點。對于要求保護的鋁芯，硅和鐵存在的量是于再生材料中通常發現的含量。硅也是在這類合金中為提高強度而使用的元素。當與鎂以Mg2Si的方式結合時，是最有效的沉淀硬化劑。鎂最多為0.2重量％，只有約0.12重量硅可以以這種方式起作用。硅還可以與鐵和錳以α-Al15(Fe，Mn)3Si2的方式結合。對于鐵+錳＜1.75重量％，可以引入α-Al15(Fe，Mn)3Si2中的硅最多約為0.6重量％。然后，所有剩余的硅以游離硅的形式用于固溶強化或用于沉淀硬化。使用硅的缺點是其使熔點降低。為了確保散熱片合金在釬焊的過程中不熔化，將硅的含量限制為1.5重量％。
可再生金屬含相對高含量的鐵(高達0.8重量％)。為了使能量和成本都節約，理想地，芯和包覆層材料都應該盡可能多地由可再生金屬制造。在進入工業生產的廢料量與產品最終的腐蝕性能之間存在折衷方案。在與基體相比為高度陰極的Al3Fe顆粒附近會發生小孔腐蝕(pitting corrosion)。然而，當存在錳時，卻會形成(Fe，Mn)Al6顆粒，這些顆粒具有與鋁大致相同的電化學電位。攜帶鐵的初級粒子的尺寸和分布可能對于腐蝕的模式是小孔腐蝕還是整體的腐蝕起著重要的作用。
鋅使合金惰性降低。有時，通過加入鋅來有意地改變合金的腐蝕，從而產生犧牲陽極效應。因此，可以主動使用鋅來改變換熱器裝置中各種部件(包覆層、散熱片、端板)的腐蝕電位。根據抗腐蝕設計的概念，有可能使腐蝕優選攻擊對換熱器的損害最小區，例如散熱片和/或圓角區域，從而避免管子穿孔。這意味著，當換熱器在使用中時，散熱片將優先于管子或板被腐蝕。腐蝕的散熱片降低了裝置的熱交換能力，但該裝置至少還可以繼續運轉。而且，人們認為，相對少量的鋅將使氧化物更弱，這導致側面腐蝕而非小孔腐蝕。已經精細地調整了本發明要求保護的合金中的鋅含量以保證散熱片為管子材料犧牲。
銅有助于材料的固溶強化。與鋅相似，銅也對材料產生強烈的電化學作用。然而，當釬焊后銅存在于固溶體中時，銅將腐蝕電位改變至更惰性的值。而且，發現鋁合金中的銅造成常與形成CuAl2顆粒有關的腐蝕問題，且固溶強化通常無助于高溫穩定性。從抗腐蝕設計的觀點看，必須平衡散熱片合金中鋅和銅的含量從而使散熱片比管子更陽極。
錳是3xxx合金中的主要合金元素。錳通過固溶體和彌散硬化來提高強度。因此，需要高含量。相對高含量錳的缺點是可能形成不容易再溶解、主要為(FeMn)Al6型的大的初級金屬間化合物。
通常，鎂用于通過固溶硬化或通過與其它元素，特別是硅結合的沉淀硬化來提高鋁合金的強度。在芯材中，鎂主要有助于材料的固溶強化。然而，由于較高含量將降低板的釬焊性能，所以當使用普通的NokolockTM焊劑進行釬焊時，必須將芯和釬焊包覆層中的含量分別限制為最多約0.4重量％和約0.1重量％。在釬焊的過程中，鎂向表面擴散，并與NokolockTM焊劑反應，從而通過使標準焊劑中毒而降低釬焊性能。
適當地加入鈦和鋯來提高強度是已知的。還可以將鈦加入到合金中來提高耐腐蝕性。已有報道，在Al-Mn合金中，鈦將腐蝕機制從局部小孔腐蝕改變為層狀腐蝕模式，這增加了穿孔的時間。然而，可能存在的大的(Zr，Ti)Al3型金屬間化合物限制了鈦和鋯的加入。因此，應該在認真考慮它們相互反應的基礎上再使用它們。
實施例1用于Hydro“長壽命”合金(專利申請號PCT/EP/00/01518)焊接管的優選未包覆鋁合金散熱片具有以下組成1.4-1.7重量％的錳、0.5-1.0重量％的硅、最多0.45重量％的鐵、1.9-2.0重量％的鋅、最多0.10重量％的銅、最多0.05重量％的鎂、0.12-0.15重量％的鈦、0.1-0.18重量％的鋯，其中其它元素各自的最大含量為0.05重量％，其它元素的總量為0.15重量％，其余是鋁。表1中給出了此合金典型的釬焊前后的機械性能。
表1本發明要求保護的散熱片合金典型的釬焊前后的機械性能
為了保護熱交換中的管子，在換熱器中使用的散熱片必須比連接于管接頭和管子的散熱片更陽極。正如已經提到的，鋅使合金惰性降低。在本發明要求保護的散熱片合金中，加入鋅來調整散熱片的腐蝕電位(Ecorr)從而與Hydro“長壽命”合金(專利申請號PCT/EP/00/01518)的焊接管匹配。附
圖1顯示了與本發明要求保護的散熱片和Hydro“長壽命”合金的焊接管釬焊在一起的換熱器中的散熱片、管接頭圓角(joint fillet)、管子表面和管芯的預期Ecorr。可以看出，整個系統具有良好的電流情況(ga vanic situation)。對此種材料組合的樣機輻射器進行的腐蝕試驗(SWAAT和中性鹽霧)表明，該輻射器具有優異的原電池腐蝕設計(galvanic corrosiondesign)；散熱片和管合金具有優異的固有耐腐蝕性。在腐蝕試驗后，一些散熱片和與管接頭連接的散熱片稍有腐蝕，而所有管子和大部分與管接頭連接的散熱片保持完整無缺。散熱片為管子和與管接頭連接的散熱片提供了防原電池腐蝕。圖2顯示了具有本發明要求保護的散熱片和Hydro“長壽命”合金的焊接管的材料組合的輻射器在SWAAT暴露28天后拍攝的顯微照片。圖2a說明一些散熱片稍有腐蝕，圖2b說明一些與管接頭連接的散熱片稍有腐蝕，圖2c說明大部分與管接頭連接的散熱片保持完整無缺。
實施例2用于Hydro“長壽命”合金擠壓管的包覆散熱片由芯和一種釬焊金屬組成。所述的釬焊金屬包覆在所述芯的至少一側上。優選的釬焊金屬具有以下組成最多0.1重量％的錳、6.8-8.2重量％的硅、0.1-0.3重量％的鐵、通常0.05重量％的鋅、0.1-0.25重量％的銅、最多0.05重量％的鎂、最多0.1重量％的鈦，其中其它元素各自的最大含量為0.05重量％，總量為0.15重量％，其余是鋁。優選的鋁芯合金具有以下組成1.4-1.7重量％的錳、0.5-1.0重量％的硅、最多0.45重量％的鐵、1.2-1.7重量％的鋅、最多0.05重量％的銅、最多0.05重量％的鎂、0.12-0.15重量％的鈦、0.1-0.18重量％的鋯，其它元素各自的最大含量各為0.05重量％，總量為0.15重量％，其余是鋁。表2中給出了此合金釬焊前后的典型機械性能。與本發明要求保護的散熱片和Hydro“長壽命”合金擠壓管釬焊在一起的換熱器中的散熱片、管接頭圓角和管子的預期腐蝕電位(Ecorr)示于圖3中。
表2本發明要求保護的包覆散熱片合金釬焊前后的典型機械性能
通常，鋅使合金惰性降低，提高鋅的含量，部件的Ecorr顯著下降。正如實施例1中提到的，在換熱器中，不但為了保護管子而且為了保護接頭，散熱片應該比管子和與管接頭連接的散熱片更陽極。這是為了保持有效的熱傳遞。在具有包覆散熱片和擠壓管的材料組合的換熱器中，通過釬焊過程中的熔融包覆形成所有與管接頭圓角連接的散熱片。因此，將鋅加入到芯中而不是加入到本發明要求保護的散熱片合金的包覆層中。這樣做的理由是設法使散熱片在釬焊后比圓角和管子更陽極。
人們可能會爭辯，在圖3中，散熱片的Ecorr范圍與圓角的Ecorr范圍之間有重疊。然而，在所有給出的圖中，Hi Ecorr反映換熱器中能夠產生可能最高的腐蝕電位的合金或部件的化學組成，Lo Ecorr反映換熱器中能夠產生可能最低的腐蝕電位的合金或部件的化學組成。根據計算，圓角的Ecorr與散熱片的Ecorr一起向相同的方向移動，例如，當降低散熱片中的鋅含量時，散熱片的Ecorr向Hi Ecorr移動，同時圓角的Ecorr也向Hi Ecorr移動，反之亦然。因此，整個系統可以具有良好的電流情況。
實施例3鋁合金可以用于Hydro“長壽命”合金的焊接管用未包覆散熱片并可用于Hydro“長壽命”合金的擠壓管用包覆散熱片的芯。當該合金用于包覆散熱片時，應該在所述芯的至少一側上包覆一種釬焊金屬。優選的釬焊金屬具有以下組成最多為0.1重量％的錳、6.8-8.2重量％的硅、0.1-0.3重量％的鐵、通常為0.05重量％的鋅、0.1-0.25重量％的銅、最多0.05重量％的鎂、最多0.1重量％的鈦，其中其它元素各自的最大含量為0.05重量％，總量為0.15重量％，其余是鋁。優選的鋁合金具有以下組成1.0-1.5重量％的錳、1.2-1.5重量％的硅、0.35-0.5重量％的鐵、1.8-2.0重量％的鋅、0.1-0.15重量％的銅、最多0.05重量％的鎂、最多0.01重量％的鈦、最多0.01重量％的鋯，其它元素各自的最大含量為0.05重量％，總量為0.15重量％，其余是鋁。各種可再生的換熱器的廢料分析給出以下化學組成1.321重量％的硅、0.373重量％的鐵、0.115重量％的銅、1.102重量％的錳、0.018重量％的鎂、0.495重量％的鋅、0.010重量％的鈦和0.005重量％的鋯，其在本發明要求保護的合金的范圍之內。因此，可以直接由再生材料制造本發明要求保護的合金。與本發明要求保護的散熱片和Hydro“長壽命”合金的焊接管或擠壓管釬焊在一起的換熱器中的散熱片、管接頭圓角和管子的預期腐蝕電位(Ecorr)示于圖4和5中。盡管在這兩張圖中，散熱片的Ecorr范圍與圓角的Ecorr范圍之間有重疊，但出于上面已經討論的理由，整個系統可以具有良好的電流情況。
權利要求
1.一種在鋁換熱器中使用的鋁合金散熱片材料，其由以下成分組成0.10-1.50重量％的Si0.10-0.60重量％的Fe0.00-1.00重量％的Cu0.70-1.80重量％的Mn0.00-0.40重量％的Mg0.10-3.00重量％的Zn0.00-0.30重量％的Ti0.00-0.30重量％的Zr其余是鋁和不可避免的雜質，其中不可避免的雜質為0.05重量％的或更少。
2.根據權利要求1的鋁合金，其特征在于硅含量至少為0.30重量％。
3.根據權利要求2的鋁合金，其特征在于硅含量至少為0.50重量％。
4.根據權利要求3的鋁合金，其特征在于硅含量至少為0.80重量％。
5.根據權利要求4的鋁合金，其特征在于硅含量至少為1.20重量％。
6.根據權利要求2-4任一項的鋁合金，其特征在于硅含量最多為1.20重量％。
7.根據權利要求2-4任一項的鋁合金，其特征在于硅含量最多為1.00重量％。
8.根據權利要求1-7任一項的鋁合金，其特征在于鐵含量最多為0.50重量％。
9.根據權利要求1-8任一項的鋁合金，其特征在于鐵含量至少為0.40重量％。
10.根據權利要求1-9任一項的鋁合金，其特征在于銅含量最多為0.25重量％。
11.根據權利要求10的鋁合金，其特征在于銅含量最多為0.15重量％。
12.根據權利要求1-10任一項的鋁合金，其特征在于銅含量至少為0.10重量％。
13.根據權利要求1-12任一項的鋁合金，其特征在于錳含量至少為1.00重量％。
14.根據權利要求1-13任一項的鋁合金，其特征在于錳含量最多為1.70重量％。
15.根據權利要求14的鋁合金，其特征在于錳含量至少為1.40重量％。
16.根據權利要求13的鋁合金，其特征在于錳含量最多為1.50重量％。
17.根據權利要求1-16任一項的鋁合金，其特征在于鎂含量最多為0.25重量％。
18.根據權利要求17的鋁合金，其特征在于鎂含量最多為0.05重量％。
19.根據權利要求1-18任一項的鋁合金，其特征在于鋅含量至少為1.00重量％。
20.根據權利要求19的鋁合金，其特征在于鋅含量至少為1.50重量％。
21.根據權利要求1-18任一項的鋁合金，其特征在于鋅含量最多為2.50重量％。
22.根據權利要求20的鋁合金，其特征在于鋅含量至少為1.80重量％。
23.根據權利要求22的鋁合金，其特征在于鋅含量最多為2.00重量％。
24.根據權利要求1-23任一項的鋁合金，其特征在于鈦含量至少為0.10重量％。
25.根據權利要求24的鋁合金，其特征在于鈦含量至少為0.12重量％。
26.根據權利要求1-25任一項的鋁合金，其特征在于鈦含量最多為0.20重量％。
27.根據權利要求26的鋁合金，其特征在于鈦含量最多為0.15重量％。
28.根據權利要求1-22任一項的鋁合金，其特征在于鈦含量最多為0.01重量％。
29.根據權利要求1-28任一項的鋁合金，其特征在于鋯含量至少為0.05重量％。
30.根據權利要求29的鋁合金，其特征在于鋯含量至少為0.10重量％。
31.根據權利要求1-28任一項的鋁合金，其特征在于鋯含量最多為0.25重量％。
32.根據權利要求31的鋁合金，其特征在于鋯含量最多為0.18重量％。
33.根據權利要求1-28任一項的鋁合金，其特征在于鋯含量最多為0.01重量％。
34.根據前述權利要求任一項的鋁合金，其特征在于用由以下成分組成的合金包覆散熱片材料的至少一側4.00-14.00重量％的Si0.10-0.80重量％的Fe0.00-0.50重量％的Cu0.00-0.50重量％的Mn0.00-0.50重量％的Mg0.03-3.00重量％的Zn0.00-0.30重量％的Ti。
35.根據權利要求34的鋁合金，其特征在于該包覆層的硅含量至少為5.50重量％。
36.根據權利要求35的鋁合金，其特征在于該包覆層的硅含量至少為6.80重量％。
37.根據權利要求34-36任一項的鋁合金，其特征在于該包覆層的硅含量最多為12.00重量％。
38.根據權利要求37的鋁合金，其特征在于該包覆層的硅含量最多為8.20重量％。
39.根據權利要求34-38任一項的鋁合金，其特征在于該包覆層的鐵含量最多為0.30重量％。
40.根據權利要求34-39任一項的鋁合金，其特征在于該包覆層的銅含量至少為0.10重量％。
41.根據權利要求34-40任一項的鋁合金，其特征在于該包覆層的銅含量最多為0.25重量％。
42.根據權利要求34-41任一項的鋁合金，其特征在于該包覆層的錳含量最多為0.10重量％。
43.根據權利要求34-42任一項的鋁合金，其特征在于該包覆層的鎂含量最多為0.05重量％。
44.根據權利要求34-43任一項的鋁合金，其特征在于該包覆層的鋅含量最多為0.10重量％。
45.根據權利要求34-44任一項的鋁合金，其特征在于該包覆層的鈦含量最多為0.10重量％。
全文摘要
本發明涉及一種超強、耐久、耐腐蝕性提高的釬焊換熱器用鋁散熱片合金。該合金基于再生的材料。該合金對于小孔腐蝕顯示出提高的腐蝕性能、優異的高溫抗垂性能和后釬焊強度。通過優化散熱片、管子、端板和側板的材料組合，能夠制造在SWAAT中具有足夠腐蝕性能的換熱器。
文檔編號B23K35/02GK1620518SQ02828286
公開日2005年5月25日 申請日期2002年12月16日 優先權日2001年12月21日
發明者X·－J·蔣, M·塞斯拉克, J·D·埃文森 申請人:挪威海德羅技術公司