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CN101155937A - 铝合金制钎焊板和热交换器用铝合金制管 - Google Patents

铝合金制钎焊板和热交换器用铝合金制管 Download PDF

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CN101155937A CNA2006800116478A CN200680011647A CN101155937A CN 101155937 A CN101155937 A CN 101155937A CN A2006800116478 A CNA2006800116478 A CN A2006800116478A CN 200680011647 A CN200680011647 A CN 200680011647A CN 101155937 A CN101155937 A CN 101155937A
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Abstract

提供一种使包含塑性区域下的疲劳的寿命提高的热交换器用铝合金制钎焊板(1)，以及用其构成的热交换器用铝合金管(11)。热交换器用铝合金制钎焊板(1)，其包括：在由Al－Mn系合金的芯材(2)，和包覆在该芯材(2)的一侧面的Al－Zn－Mg系合金(3)的皮材，以及包覆在该芯材(2)的另一侧面的Al－Zn系合金、Al－Zn－Mg系合金、Al－Si－Mn－Zn系合金或者Al－Si－Mn－Mg－Zn系合金的钎料(4)，其中，铝合金制钎焊板的X射线衍射强度比满足I200/(I111+I200+I220+I311)≥0.4。

Description

铝合金制钎焊板和热交换器用铝合金制管
技术领域
本发明涉及热交换制作中所使用的铝合金制钎焊板(brazing sheet)，以及采用这种铝合金制钎焊板构成的热交换器用铝合金制管。
背景技术
作为一般性的机动车用热交换器，如图4所示的散热器(radiator)100，其构成为，在被多个设置的扁平管状的管111之间，一体地形成有加工成波纹形状的散热片112，该管111的两端在集管113和水箱(未图示)所构成的空间分别开口。
这种结构的散热器100，从一方的水箱的空间通过管111内，将变成高温的制冷剂输送到另一方的水箱侧，与管111和散热片112的部分进行热交换，并使变成低温的制冷剂再循环。
该管111，如图4所示，是利用成形辊等，使由皮材(也称为牺牲阳极材)103包覆芯材102的一侧面，并用钎料104包覆了芯材102的另一侧面的铝合金制钎焊板101(参照图5)形成为扁平管状，并通过直缝焊接或钎焊加热，钎焊铝合金制钎焊板101自身，从而形成管111的流体通路。
还有，从耐腐蚀性和强度的观点出发，芯材102采用JISH4000所规定的合金编号3003等的Al-Mn系合金，平时与制冷剂接触的皮材103则采用合金编号7072和Al-2～5％Zn-2～4％Mg等的Al-Zn系、Al-Zn-Mg系合金，钎料104采用低熔点的合金编号4045等的Al-Si系合金。
散热器100使用前述结构的管111、和进行了波纹加工的散热片112、以及其他构件，通过钎焊组装成一体。作为钎焊的方法，有钎剂钎焊法、使用非腐蚀性钎剂的Nocolok钎焊法等，加热到600℃左右的高温进行钎焊。
如此组装的散热器100内，特别是管111内，从高温到低温，且从高压到常压的制冷剂将时常流通·循环。即，管111中会遭受反复应力，因此就要求其具有耐受这些的疲劳特性。
疲劳特性一般已知与静态的抗拉强度有关，在热交换器中为了使原材的抗拉强度提高，也提出有添加了Cu的材料(例如，特开平10-53827号公报(权利要求1～4，段落0013))。
然而，近年来从节能化和抵制公害的要求出发而力图使机动车轻量化，即使在散热器100等的热交换器用材料中，材料的进一步薄壁化也被推进。另一方面，所使用的制冷剂的压力也多设定得比以前高。
如此一来，对散热器100等的机动车用热交换器来说虽然是面临着严格的条件，但是仍要求提高机动车用热交换器的疲劳寿命。
为了在这一状况下使机动车用热交换器的疲劳寿命提高，作为目标的热交换器用材料的疲劳特性，被认为重要的是，不仅要提高如现有一般所使用的、在材料的弹性域内的负荷应力下达到断裂的反复应力下所显示出的疲劳寿命，而且还包括增大应变量，在使材料达到塑性区域这样的反复应力下的疲劳的寿命，不过，关于提高包含这种塑性区域中的疲劳寿命的方法等，尚有很多不明确的点。
发明内容
本发明鉴于上述问题点而形成，其课题为，提供一种使包含塑性区域下的疲劳的寿命提高的热交换器用铝合金制钎焊板，以及用其构成的热交换器用铝合金管。
解决了所述课题的本发明的热交换器用铝合金制钎焊板，其构成为，在由Al-Mn系合金的芯材，和包覆在该芯材的一侧面的Al-Zn系合金、Al-Zn-Mg系合金、Al-Si-Mn-Zn系合金或者Al-Si-Mn-Mg-Zn系合金的皮材，以及在包覆该芯材的另一侧面的Al-Si系合金的钎料所构成的铝合金制钎焊板中，铝合金制钎焊板的X射线衍射强度比满足I200/(I111+I200+I220+I311)≥0.4。
如此，本发明的铝合金制钎焊板通过满足上述关系式，在塑性区域的变形中，能够轻易使与铝合金制钎焊板的轧制方向平行的塑性变形均一地发生。其结果是，变形不会局部性地集中，从而能够使龟裂向板厚方向的扩展得到延迟，因此能够提高包含塑性区域下的疲劳的寿命。
另外，解决了所述课题的本发明的热交换器用铝合金制管，其构成为，在使用由Al-Mn系合金的芯材，和包覆在该芯材的一侧面的Al-Zn系合金、Al-Zn-Mg系合金、Al-Si-Mn-Zn系合金或者Al-Si-Mn-Mg-Zn系合金的皮材，以及包覆在该芯材的另一侧面的Al-Si系合金的钎料所构成的铝合金制钎焊板，并形成为在内面侧配置有皮材的管状的热交换器用铝合金制管中，加热之后的所述热交换器用铝合金制管的X射线衍射强度比满足I200/(I111+I200+I220+I311)≥0.3。
如此，本发明的铝合金制管通过满足上述关系式，在塑性区域的变形中，与铝合金制钎焊板的轧制方向平行的塑性变形将均一地发生。其结果是，即使负荷到轧制方向上拉伸或压缩的反复应力时，变形也不会局部性地集中，从而能够使龟裂向板厚方向的扩展得到延迟，因此能够提高包含塑性区域下的疲劳的寿命。
本发明的热交换器用铝合金制钎焊板，能够提高包含塑性区域下的疲劳的寿命。由此，可以使机动车用热交换器的疲劳寿命提高。
另外，本发明的热交换器用铝合金制管，能够提高包含塑性区域的疲劳的寿命。由此，可以使机动车用热交换器的疲劳寿命提高。
附图说明
图1是本发明的热交换器用铝合金制钎焊板的剖面图。
图2是使用了本发明的热交换器用铝合金制钎焊板(热交换器用铝合金制管)的机动车用热交换器的要部剖面图。
图3是说明单振平面弯曲疲劳实验的说明图。
图4是现有的一般的机动车用热交换器的要部的纵剖面图。
图5是现有的热交换器用铝合金制钎焊板的剖面图。
图6是本发明的热交换器用铝合金制管的剖面图。
具体实施方式
接下来，参照适宜附图，对用于实施本发明的热交换器用铝合金制钎焊板和本发明的热交换器用铝合金制管的最佳方式进行详细的说明。
在参照的附图中，图1是本发明的热交换器用铝合金制钎焊板的剖面图，图2是使用了本发明的热交换器用铝合金制钎焊板(热交换器用铝合金制管)的机动车用热交换器的要部剖面图。
(热交换器用铝合金制钎焊板)
本发明的热交换器用铝合金制钎焊板1，如图1所示，由Al-Mn系合金的芯材2，和包覆在该芯材2的一侧面的Al-Zn系合金、Al-Zn-Mg系合金、Al-Si-Mn-Zn系合金或者Al-Si-Mn-Mg-Zn系合金的皮材3，以及包覆在该芯材2的另一侧面的Al-Si系合金的钎料4构成。
而且，该热交换器用铝合金制钎焊板1其构成为，X射线衍射强度比满足I200/(I111+I200+I220+I311)≥0.4。
这里，“I200、I111、I220、I311”分别表示在密勒指数中等价的面群{200}、{111}、{220}和{311}的X射线衍射的强度
通常，在具有面心立方晶格的结晶构造的Al(Au、Cu、Ni、Ag等也一样)中，由θ-2θ法测定X射线衍射强度时，因为从角度(2θ)小的一方，在等价的面群{111}、{200}、{220}、{311}、{222}、{400}、{331}、{420}和各晶面上发生衍射，所以，要计算累积了低次的指数侧(最初侧)的4个X射线衍射强度之中的{200}的X射线衍射强度。
就是说，在本发明的热交换器用铝合金制钎焊板1中，测定所述的各面群的X射线衍射强度，如下式(1)所示，是求得{200}、{111}、{220}和{311}的各面群的X射线衍射强度(111、I200、I220、I311)的总和，将所述{200}的X射线衍射强度对该总和的比率作为X射线衍射强度比。
I200/(I111+I200+I220+I311)≥0.4…式(1)
在本发明中，该X射线衍射强度比需要在0.4以上。还有，X射线衍射强度能够使用通常的X射线衍射装置测定。
如果X射线衍射强度比为0.4以上，则能够容易地使与热交换器用铝合金制钎焊板1的轧制方向平行的方向的塑性变形均一地发生，其结果是，即使负荷到轧制方向上拉伸或压缩的反复应力时，变形也不会局部性地集中，从而能够使龟裂向板厚方向的扩展得到延迟，因此可以提高包含塑性区域下的疲劳的寿命。另一方向，若X射线衍射强度比低于0.4，则不得取得上述效果。
因此，本发明的热交换器用铝合金制钎焊板1的X射线衍射强度比为0.4以上。
如此，若满足上式(1)，则铝合金的{100}能够强定向为与板表面平行，因此在塑性区域的变形中，能够容易地使与铝合金制钎焊板的轧制方向平行的方向的塑性变形均一地发生。
换言之，就是使{100}强定向为与板表面平行，从而能够轻易地使多个滑动面同时活动，因此如前述变形不会局部性地集中，可以使龟裂向板厚方向的扩散得到延迟。
这种本发明的热交换器用铝合金制钎焊板1的芯材2，如前述采用Al-Mn系合金构成。但是，能够在本发明中使用的芯材2并不限于此，也能够使用含有Cu和Si的Al-Mn系合金，此外，还能够使用含有0.2～0.8质量％的Al-Mn系合金，和进一步含有0.2～0.8质量％的Mg和Cu及Si的Al-Mn系合金。另外，根据需要，也能够使用在钎料4与芯材2之间、或者芯材2与皮材3之间设有不含Mg的中间层(未图示)的铝合金。
另外，本发明的热交换器用铝合金制钎焊板1的皮材3，如所述采用Al-Zn系合金、Al-Zn-Mg系合金、Al-Si-Mn-Zn系合金或者Al-Si-Mn-Mg-Zn系合金构成。但是，能够在本发明中使用的皮材3并不限于此，也能够使用含有In和Sn的Al-Zn系合金、Al-Zn-Mg系合金、Al-Si-Mn-Zn系、Al-Si-Mn-Mg-Zn系合金。
作为用作本发明的皮材的优选组成范围，可列举例如Al-2.5～5.5质量％Zn、Al-0.2～1.2质量％Si-0.1～1.5质量％Mn-2.5～5.5质量％Zn、Al-0.2～1.2质量％Si-0.2～3.5质量％Mg-1.5～5.5质量％Zn等。皮材的厚度没有特别限定，但是通常为30～100mm。
而且，本发明的热交换器用铝合金制钎焊板1的钎焊4，如所述采用Al-Si系合金构成。然而，能够在本发明中使用的钎料4并不限于此，也能够使用含有熔点低的Cu、Zn等的Al-Si系合金。
而且，本发明的热交换器用铝合金制钎焊板1，能够以如下方式制造：在所述芯材2的一侧面配置皮材3，在芯材2的另一侧面配置钎料4，并对其进行均质化处理后进行热轧包覆，并适当进行210～300℃的中间退火，再进行最终冷轧率5％以上、低于22％的最终冷轧。
(热交换器用铝合金制管)
接下来，就本发明的热交换器用铝合金制管进行说明。
本发明的热交换器用铝合金制管11，如图2所示，使用Al-Mn系合金的芯材2，和包覆在该芯材2的一侧面的Al-Zn系合金、Al-Zn-Mg系合金、Al-Si-Mn-Zn系合金或者Al-Si-Mn-Mg-Zn系合金的皮材3，以及包覆在该芯材2的另一侧面的Al-Si系合金的钎料4，制作热交换器用铝合金制钎焊板1，并利用成形辊等，将该热交换器用铝合金制钎焊板1在宽度方向上弯曲，以使管内面侧配置有皮材3的方式形成为扁平管状后，对其进行直缝焊接而得到扁平管形状的管，除此以外，也可以使用这种扁平管状的管11，其是利用成形辊，成形为例如图6所示的扁平管形状，再经钎焊工序对管进行钎焊而形成闭合的管。
而且，该热交换器用铝合金制管11，使用进行了波纹加工的散热片112和集管13等其他构件，利用钎焊将其组装成一体，通过加热到585～620℃、优选590～600℃的高温进行钎焊，能够制作散热器10等的热交换器。
在此，因为钎料4的固相线温度是577℃，所以不能用比577℃低的温度进行钎焊。因此，本发明的加热温度为585℃以上，优选为590℃以上。另一方面，若加热温度超过620℃，则过剩熔融和溶蚀(erosion)等发生。因此，本发明的加热温度为620℃以下。
而且，本发明的热交换器用铝合金制管11，在进行585～620℃的钎焊加热时的X射线衍射强度比需要满足下式(2)。
I200/(I111+I200+I220+I311)≥0.3…式(2)
若在进行相当于585～620℃的钎焊加热时的X射线衍射强度比低于0.3，则难以使与热交换器用铝合金制管11的轧制方向平行的方向的塑性变形均一地发生。其结果是，当负荷到与轧制方向平行的拉伸或压缩的反复应力时，变形局部性地集中，从而不能使龟裂向板厚方向的扩展得到延迟，因此不能提高包含塑性区域下的疲劳的寿命。
因此，本发明的热交换器用铝合金制管11的X射线衍射强度比为0.3以上。
为了实现本发明规定的X射线衍射强度比，例如适当调整芯材和皮材的铝合金组成、制造条件(铸造条件、均质化条件、冷轧条件、中间退火条件)即可。
实施例
以下，关于本发明的热交换器用铝合金制钎焊板，将满足本发明规定的必要条件的实施例和不满足本发明的必要条件的比较例进行比较来具体地说明。
供试材A、B、C均使用相同的组成。
供试材A、B、C的芯材使用的铝合金含有Si：0.81质量％、Fe：0.18质量％、Cu：0.82质量％、Mn：1.5质量％、Mg：0.04质量％、Ti：0.12质量％，余量是Al。
供试材A、B、C的皮材使用的铝合金含有Si：0.79质量％、Mn：1.1质量％、Zn：4.0质量％，余量是Al。
而且，供试材A、B、C的钎料使用的铝合金含有Si：10.5质量％，余量是Al。
根据常规方法对具有这一组成的供试材A、B、C进行铸造(温度：芯材、皮材、钎料均是680～750℃)之后，进行均质化处理(例如，芯材和皮材为450～590℃×10小时，钎料为450～520℃×10小时)，然后再进行热轧包覆(温度：400℃以上，最终热轧结束板厚3mm)，适当进行中间退火(温度显示在表1中)，按表1的最终冷轧率进行最终冷轧，分别制作成板厚0.2mm的3层结构的热交换器用铝合金制行焊板(平板的供试材A、B、C)。
[表1]
  最终冷轧率(％)   中间退火(℃)
 供试材A   5以上低于22   210～300
 供试材B   22以上低于80   300～400
 供试材C   22以上低于80   210～300
使用如此制作的供试材A、B、C，进行如下评价：(a)与钎焊相当的加热后的抗拉强度；(b)与钎焊相当的加热前的X射线衍射强度比和与钎焊相当的加热后的X射线衍射强度比；以及(c)与钎焊相当的加热后的断裂反复次数(疲劳寿命)。
(a)与钎焊相当的加热后的抗拉强度
首先，对于平板的供试材A、B、C加热到进行钎焊加热的温度(600℃)。从加热的供试材A、B、C上，以使拉伸方向与轧制方向平行的方式切下JIS5号试验片，实施依据JISZ2241的拉伸试验，并测定抗拉强度。
(b)与钎焊相当的加热前的X射线衍射强度比和与钎焊相当的加热后的X射线衍射强度比
使用加热到进行钎焊加热的温度(600℃)之前的供试材A、B、C，和加热到进行钎焊加热的温度(600℃)之后的供试材A、B、C，测定X射线衍射强度。
X射线衍射强度的测定使用X射线衍射装置(株式会社Rigaku制，RAD-B system)，从作为Al-Mn-Si-Zn系合金的皮材侧，在与轧制面垂直的面，且在该平面和轧制面的交线与轧制方向平行的平面内入射X射线，通过θ-2θ法，测定等价的面群{111}、{200}、{220}和{311}的X射线衍射强度I111、I200、I220和I311。
并且，采用测定的加热前的供试材A、B、C的X射线衍射强度I111、I200、I220和I311，根据下式(3)，计算出加热前的供试材A、B、C的X射线衍射强度比I。
I＝I200/(I111+I200+I220+I311)…式(3)
由所述式(3)求得的供试材A、B、C的X射线衍射强度比I为0.4以上的判断为优良(○)，这一X射线衍射强度比I低于0.4的判断为不良(×)。
另外，采用测定的加热前的供试材A、B、C的X射线衍射强度I111、I200、I220和I311，根据下式(4)计算出加热后的供试材A、B、C的X射线衍射强度比I’。
I’＝I200/(I111+I200+I220+I311)…式(4)
由所述式(4)求得的供试材A、B、C的X射线衍射强度比I’为0.3以上的判断为优良(○)，这一X射线衍射强度比I’低于0.3的判断为不良(×)。
(c)与钎焊相当的加热后的断裂反复次数(疲劳寿命)。
断裂反复次数如通过图3所示的单振平面弯曲疲劳实验进行。还有，其是说明单振平面弯曲疲劳实验的说明图。
从加热到进行钎焊加热的温度(600℃)后的平板的供试材A、B、C上，以与轧制方向平行的方式切下10mm×60mm×板厚的试验片来制作试验片，将这一试验片的一端安装在单振平面弯曲疲劳实验机的固定侧。然后，用驱动侧的刀口(knife edge)夹持该试验片的另一端，并使刀口的位置移动，以边使试验片设置长度变化，边使脉动幅度一定(图3中上下方向5mm)的方式进行。这时，关于附加弯曲应力，以使断裂部的应变量成为最大0.008左右的方式来调节试验片的设置长度。在这一条件下，求得供试材A、B、C的试验片达到断裂的反复次数。
还有，关于断裂部的应变量，因为不能将应变计直接贴到断裂部位，所以在稍微离开断裂部位的2、3处的规定位置贴合应变计，根据试验片各长度时的应变计的应变值内插断裂部位的应变量，由此推测断裂部位的应变量，以其为根本调节负荷应力，即调节试验片设置长度。
所述的(a)与钎焊相当的加热后的抗拉强度、(b)与钎焊相当的加热前的X射线衍射强度比和与钎焊相当的加热后的X射线衍射强度比以及(c)与钎焊相当的加热后的断裂反复次数的测定结果显示在表2中。
[表2]
  钎焊相当的加热后的抗拉强度(MPa)   钎焊相当的加热前的X射线衍射强度比I200/(I111+I200+I220+I311)   钎焊相当的加热后的X射线衍射强度比I200/(I111I200+I220+I311)   钎焊相当的加热后的断裂反复次数   参考
 供试材A   170   0.44(○)   0.67(○)   10200   实施例
 供试材B   175   0.35(×)   0.08(×)   8600   比较例
 供试材C   173   0.27(×)   0.22(×)   8500   比较例
由表2可知，供试材A、B、C都具有大体同等的抗拉强度(170～175MP)。
特别是供试材A，因为其芯材、皮材、钎料的各铝合金组成和制造条件适当，此外，与钎焊相当的加热前的X射线衍射强度比，和与钎焊相当的加热后的X射线衍射强度比也适当，也以在钎焊相当的断裂反复次数的评价项目中能够得到良好的评价结果。
即，变形不会局部性地集中，能够使龟裂向板厚方向的扩展得到延迟，因此，包含塑性区域的疲劳的寿命(应变量0.008的断裂反复次数)提高。
另一方面，供试材B、C，尽管其芯材、皮材、钎料的各铝合金的组成适当，但是制造条件不合适，此外，与钎焊相当的加热前的X射线衍射强度比，和与钎焊相当的加热后的X射线衍射强度比也不恰当，因此钎焊相当的断裂反复次数少，不能取得良好的评价结果。
具体来说，供试材B因其最终冷轧率高，中间退火温度高，所以与钎焊相当的加热前的X射线衍射强度的强度比和与钎焊相当的加热后的X射线衍射强度比低。因此，在反复弯曲造成的塑性区域下的变形中，难以使供试材B的与轧制方向平行的方向的塑性变形均一地发生。
即，变形局部性的集中，不能延迟龟裂向板厚方向的扩展，因此，包含塑性区域的疲劳的寿命(应变量0.008的断裂反复次数)没有提高。
同样地，供试材C因为其最终冷轧率高，所以与钎焊相当的加热前的X射线衍射强度比和与钎焊相当的加热后的X射线衍射强度比低。因此，在反复弯曲造成的塑性区域下的变形中，难以使供试材C的与轧制方向平行的方向的塑性变形均一地发生。
即，变形局部性的集中，不能延迟龟裂向板厚方向的扩展，因此，包含塑性区域的疲劳的寿命(应变量0.008的断裂反复次数)没有提高。

Claims (2)

1.一种热交换器用铝合金制钎焊板，其包括：Al-Mn系合金的芯材；包覆在该芯材的一侧面的Al-Zn系合金、Al-Zn-Mg系合金、Al-Si-Mn-Zn系合金、或者Al-Si-Mn-Mg-Zn系合金的皮材；包覆在该芯材的另一侧面的Al-Si系合金的钎料，其特征在于，
所述铝合金制钎焊板的X射线衍射强度比满足I200/(I111+I200+I220+I311)≥0.4。
2.一种热交换器用铝合金制管，其使用下述铝合金制钎焊板，形成在内面侧配置有皮材的管状，该铝合金制钎焊板包括：Al-Mn系合金的芯材；包覆在该芯材的一侧面的Al-Zn系合金、Al-Zn-Mg系合金、Al-Si-Mn-Zn系合金、或者Al-Si-Mn-Mg-Zn系合金的皮材；包覆在该芯材的另一侧面的Al-Si系合金的钎料，该热交换器用铝合金制管的特征在于，
在585～620℃加热后的所述热交换器用铝合金制管的X射线衍射强度比满足I200/(I111+I200+I220+I311)≥0.3。
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