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CN1578844A - 用于制造散热片材料的铝合金 - Google Patents

用于制造散热片材料的铝合金 Download PDF

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CN1578844A
CN1578844A CNA028215192A CN02821519A CN1578844A CN 1578844 A CN1578844 A CN 1578844A CN A028215192 A CNA028215192 A CN A028215192A CN 02821519 A CN02821519 A CN 02821519A CN 1578844 A CN1578844 A CN 1578844A
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CNA028215192A
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S·W·哈勒
J·A·范德赫棼
A·J·韦特布罗德
A·比格尔
K·菲尔埃格
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KERRES ALUMINIUM WALZPRODUKTE GmbH
Aleris Aluminum Canada LP
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KERRES ALUMINIUM WALZPRODUKTE GmbH
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Abstract

一种用于制造散热片材料的铝合金，其具有如下重量百分比的组成：Si≤1.2、Mn≤0.05、Mg≤0.05、Fe≤2.0、0.5≤Ni≤1.5、0.05≤Cu≤1.0、0.5≤Zn≤4.0和/或0.1≤Sn≤2.0和/或0.01≤In≤0.5、V≤0.40和/或Ti＜0.01和/或Cr＜0.01和/或Zr＜0.01，其它元素每一种至多0.05，且总量至多0.15，余量为Al。

Description

用于制造散热片材料的铝合金
技术领域
本发明涉及一种用于制造散热片材料的铝合金。散热片材料用于热交换装置中。所述散热片材料用于制造例如波纹散热片，热量由该波纹散热片从热交换器排出。此外，本发明涉及用根据本发明的铝合金制造的散热片材料，以及涉及一种具有由该合金制成的散热片的钎焊热交换器。而且，本发明涉及一种生产所述散热片材料合金和钎焊热交换器的方法。
背景技术
在现有技术中，因为其强度、重量、热传导性、可钎焊性能、耐腐蚀性和可成型性能的令人满意的结合，铝合金被用于热交换器应用中的散热片。
铝制热交换器能够通过堆叠铝合金板而制造，其已经形成所需的构造，以形成液体通道或管道，并通过钎焊将铝合金散热片安装在液体通道之间而形成。用于制造液体通道的铝合金板和/或用于所述散热片的铝合金设有一个低熔点的包覆层。所述板和散热片之间的粘接通过熔化所述板和/或散热片材料的包覆或填充材料来实现。作为钎焊方法，一般使用真空钎焊或控制气氛钎焊。为了改善液体通道的耐腐蚀性，使用相对于液体通道材料为电化学阳极(较少贵金属)的散热片材料，以便该散热片材料具有牺牲阳极作用。
用于制造散热片材料的铝合金的一个实例在国际专利申请第WO01/36697号中给出。该合金具有如下重量百分比的组成：
Si                 0.7-1.2
Mn                 0.7-1.2
Mg                 至多0.35
Fe              至多0.8
Zn              至多3.0
Ni              至多1.5
Cu              至多0.5
Ti              至多0.20
In              至多0.20
Zr              至多0.25
V               至多0.25
Cr              至多0.25
其它元素每一种  至多0.05，且总量至多0.15
余量为Al。
该公开的合金据说比相同应用的传统合金具有改善的钎焊后的0.2％屈服强度(也称作0.2％条件屈服弹性极限强度或0.2％PS)。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于制造散热片材料的铝合金，其能用于热交换器，且具有改善了的热传导性能。
本发明的另一个目的是提供这样一种铝合金，其具有至少与用于制造散热片材料的常规铝合金强度一样的强度。
本发明的又一个目的是提供这样一种铝合金，其具有一个腐蚀电势，该电势是至少与用于制造散热片材料的常规铝合金的腐蚀电势一样的负电势。
在本发明的一个方面中，一个或多个这些目的由一种用于制造散热片材料的铝合金实现，该铝合金具有如下重量百分比的组成：
Si         ≤1.2
Mn         ≤0.05
Mg         ≤0.05
Fe         ≤2.0
0.5≤Ni≤1.5
0.05≤Cu≤1.0
0.5≤Zn≤4.0和/或0.1≤Sn≤2.0和/或0.01≤In≤0.5
V≤0.40和/或Ti＜0.01和/或Cr＜0.01和/或Zr＜0.01
其它元素每一种至多0.05，且总量至多0.15
余量为Al。
该铝合金具有非常良好的热传导性能，因此改善了由该铝合金制造的散热片的热交换特性。而且，该铝合金在钎焊后的条件下具有令人满意的机械性能如拉伸性能和腐蚀电势。
该铝合金主要用作热交换器的散热片材料，但是其也可用于热交换单元的其他部分如管板(tube plate)，或其它用途。
特别地，汽车工业中的热交换器市场要求散热片材料合金性能的平衡，其包括强度、传导性、可成型性能、可钎焊性能和腐蚀电势。如果这些性能之一应当改善，而其它性能必须保持的和其原来一样，成分中许多合金元素必须互相相对改变。
在目前的情况下，本发明的优点在于，已经看到合金的传导性能够通过仔细地选择某些合金元素的含量减小合金中的固溶体来改善。这就导致本发明铝合金中合金元素下面的限制。所有百分比均为重量百分比。
Si是本发明合金中的一种重要合金元素；期望Si通过固溶硬化和析出硬化改善合金的强度。因为为了所必需的传导性，合金中的固溶体应当尽可能地低，Si的数量不应当高于1.2％。当Si的数量较高时，太多的Si将保留在固溶体中，从而导致较低的传导性能。Si的更优选的范围是0.4-0.8％。在该范围内，强度和传导性的所需结合到达最佳。
Mn在用于制造散热片材料的常规合金中是一种重要的合金元素。一般为了强度而加入Mn。在本发明的合金中，Mn含量保持很低，以便减小合金中固溶体的含量。优选地Mn≤0.03％，更优选地Mn≤0.01％，从而尽可能地改善了传导性。也可以没有Mn。
Mg显著增加合金的强度，但是在控制气氛可钎焊性方面具有不利影响，因为其倾向于与焊剂材料相互作用。为此，Mg含量最大为0.05％，优选地Mg≤0.03％，更优选地Mg≤0.01％，以保持Mg含量尽可能地低。也可没有Mg。
Fe是一种存在于所有已知的铝合金中的合金元素。为了钎焊后的强度而加入Fe。推测其与Al、Ni和Si形成析出。Al中Fe的固溶度极低；因此，Fe能被用于改善强度而不损害传导性。优选地Fe的范围为0.3％-1.6％，更优选的范围为0.7％-1.3％，以便达到优选的强度而不损害可成形性。
Ni的存在也用来以改善所述合金钎焊后的强度。与铁一样，在Al中Ni的固溶度极低，因此，Ni能被用于改善强度而不损害传导性。然而，当Ni含量大于2％时，可成形性变得太低。优选地Ni存在的范围为0.8％-1.2％，因为在该范围中，发现强度和可成形性的最佳结合。
Cu存在与本发明的合金中，以改善所述合金钎焊后强度。优选地，Cu的数量限制在0.1％-0.8％的范围内，更优选地，限制在0.1％-0.6％范围内，以便达到所要求的强度。然而，认为Cu增加了所述合金的腐蚀电势，但是所述腐蚀电势应当低，以允许所述散热片材料充当牺牲阳极。为此，至少元素Zn、Sn或In之一应当存在。
存在Zn、Sn、In或这三种元素的组合，以抵消Cu对所述合金腐蚀电势的影响。因此，考虑到与Zn相比Sn特别是In的较强影响，这些元素的数量必须高于0。Zn、Sn和In的数量不应当较高于所必需的数量，因此优选地，Zn的范围为1.0％-3.0％和/或Sn的为范围为0.1％-1.0％和/或In的范围为0.01％-0.05％。优选地，仅仅有Zn存在，但是Zn能由Sn和/或In(部分地)代替。
尽可能地避免Ti、V、Cr和Zr，因为它们对所述合金的传导性有负作用。优选地，这些元素每一种均低于0.01％。
有人认为存在于铝中的所有元素对合金的传导性均有害。因此，杂质和故意添加的元素应当尽可能地低，故意添加的元素的加入只是因为需要它们以达到所需性能的程度。
在本发明的第二方面中，提供一种如上所述铝合金制成的散热片材料，其中所述散热片材料具有至少26MS/m(45％IACS)的钎焊后传导性，且优选为至少29MS/m(50％IACS)。与热交换器的常规散热片材料相比，大于45％IACS的传导性是良好的，且大于50％IACS的传导性是非常好的。
优选地，与SCE(ASTM G69)比较，所述散热片材料具有-750mV和-950mV之间的腐蚀电势，更优选地为-750mV和-850mV之间。指标SCE是指相对于饱和甘汞电极所测得的mv电压。当该散热片材料用于热交换器中时，腐蚀电势的这些数值给出了一个良好的牺牲阳极效应。
根据一个优选实施例，所述散热片材料具有一个135和155MPa之间的钎焊后UTS(极限拉伸强度)和/或0.2％PS＞50MPa。该强度对于散热片材料的正常使用来说足够高了。
根据本发明的第三方面，提供了一种钎焊热交换器，其具有根据本发明第一方面铝合金制造的散热片，或具有根据本发明第二方面散热片材料制造的散热片。
实施例
现在将通过非限制性和对比实例来说明根据本发明的铝合金和散热片材料。
在实验室的规模上，九种合金以可与工业规模直接激冷浇铸中凝固速度比较的范围内的凝固速度浇铸。这些合金在实验室规模上生产，但是利用各种标准的工业规模直接激冷浇铸和连续铸铝方法，随后进行热和/或冷轧，根据本发明的铝合金能够在工业规模上生产。
所述九种合金实例的化学成分在表1中给出，模拟钎焊后的一些相关性能在表2中给出。
表1
以重量百分比计的所试验的铝合金的化学成分，余量为铝和杂质
  合金   Si   Mn   Mg   Fe   Ni   Cu   Zn   Ti   Zr   V
  1   0.70   ＜0.01   0.01   1.05   0.94   0.15   1.52   ＜0.01   ＜0.01   ＜0.01
  2   0.70   ＜0.01   ＜0.01   0.87   0.99   0.30   1.99   ＜0.01   ＜0.01   ＜0.01
  3   0.48   ＜0.01   ＜0.01   0.92   1.05   0.50   2.50   ＜0.01   ＜0.01   ＜0.01
  4   0.49   0.16   0.01   0.90   1.02   0.31   1.99   ＜0.01   ＜0.01   ＜0.01
  5   0.78   0.26   ＜0.01   0.76   0.66   0.51   0.51   0.03   ＜0.01   ＜0.01
  6   0.78   0.96   ＜0.01   0.76   0.73   0.25   1.01   0.03   0.106   ＜0.01
  7   0.76   0.97   0.11   0.29   0.71   0.25   0.20   0.13   ＜0.01   ＜0.01
  8   0.79   0.99   ＜0.01   0.31   0.71   0.25   1.49   0.03   ＜0.01   0.15
  9   1.07   0.92   0.21   0.31   0.49   0.25   0.20   0.02   ＜0.01   ＜0.01
表2
模拟钎焊周期之后的性能
    合金     传导性[％IACS]     腐蚀电势[mV SCE]     UTS[MPa]     0.2％PS[MPa]
    1     49.3     -783     137     53
    2     51.4     -779     143     59
    3     46.0     -786     149     57
    4     43.2     -778     134     54
    5     42.8     -732     142     56
    6     42.3     -770     156     70
    7     40.5     -748     166     76
    8     36.6     -805     154     67
    9     43.3     -747     161     69
表1中给出的9种不同的化学性质是铸造并锯成80毫米的薄片，其后预热到低于540℃，所述合金没有均质化。随后在低于540℃进行热轧和冷轧成0.15毫米的厚度。在中间退火之后，所述薄片被冷轧到0.1毫米的厚度。
在表1的合金1-4中，没有Ti、V、Cr或Zr。与现有技术已知的一样，存在与合金中的Zn能够由Sn和/或In(部分)代替。
可以看到，合金4-9为比较实例，其不符合本发明的合金范围。Mn的数量太高。在合金6、7和8中，也分别存在Zr、Ti和V的加入。尽管与合金1-3相比合金4-5的Mn水平增加，但是其强度没有显著的增加。这是由于Ni的减小。合金6、7、8显示，当Zr、Ti或V存在时，采用合金4-5的Ni的水平能够达到高的强度。然而，由于合金4-9中Mn、Zr、Ti或V的添加，这些合金的传导性比较低。
具有符合本发明成分的三个合金1-3具有高的传导性、足够高的强度和腐蚀电势，所述腐蚀电势在所必需的范围内，以获得所述牺牲阳极效应。

Claims (19)

1、一种用于制造散热片材料的铝合金，具有如下重量百分比的组成：
Si≤1.2
Mn≤0.05
Mg≤0.05
Fe≤2.0
0.5≤Ni≤1.5
0.05≤Cu≤1.0
0.5≤Zn≤4.0和/或0.1≤Sn≤2.0和/或0.01≤In≤0.5
V≤0.40和/或Ti＜0.01和/或Cr＜0.01和/或Zr＜0.01
其它元素每一种至多0.05，且总量至多0.15
余量为Al。
2、根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Si的范围为0.4％-0.8％。
3、根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，Mn≤0.03％。
4、根据权利要求3所述的铝合金，其特征在于，Mn≤0.01％。
5、根据权利要求1至4任何一项所述的铝合金，其特征在于，Mg≤0.03％。
6、根据权利要求5所述的铝合金，其特征在于，Mg≤0.01％。
7、根据前述任一权利要求所述的铝合金，其特征在于，Fe的范围为0.3％-1.6％，优选范围为0.7％-1.3％。
8、根据前述任一权利要求所述的铝合金，其特征在于，Ni的范围为0.8％-1.2％。
9、根据前述任一权利要求所述的铝合金，其特征在于，Cu的范围为0.1％-0.8％，优选范围为0.1％-0.6％。
10、根据前述任一权利要求所述的铝合金，其特征在于，Zn的范围为1.0％-3.0％和/或Sn的范围为0.1％-1.0％和/或In的范围为0.01％-0.05％。
11、根据前述任一权利要求所述的铝合金，其特征在于，没有In和Sn存在。
12、根据前述任一权利要求所述的铝合金，其特征在于，V＜0.01％。
13、由前述任一权利要求所述铝合金制成的散热片材料，其特征在于，所述散热片材料具有至少26MS/m(45％IACS)的钎焊后传导性，优选为至少29MS/m(50％IACS)。
14、根据权利要求13所述的散热片材料，其特征在于，所述散热片材料具有相对于SCE(ASTM G69)为-750mV和-950mV之间的腐蚀电势，优选为相对于SCE(ASTM G69)为-750mV和-850mV之间。
15、根据权利要求13或14所述的散热片材料，其特征在于，所述散热片材料具有135和155MPa之间的钎焊后极限拉伸强度。
16、根据权利要求13、14或15所述的散热片材料，其特征在于，所述散热片材料具有大于50MPa的0.2％条件屈服强度。
17、根据权利要求13-16之一所述的散热片材料，其特征在于，所述散热片材料至少在其一侧具有一个包覆层，该包覆层具有比所述散热片材料的较低的熔点。
18、一种钎焊热交换器，其具有权利要求1-12之一所述铝合金制成的散热片。
19、一种钎焊热交换器，其具有权利要求13-17之一所述散热片材料制成的散热片。
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