用于铝的耐腐蚀性的表面处理的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有增强耐腐蚀性的热交换器，所述热交换器包括至少一个金属管。所述管的所述表面具有改变的微观结构。至少一种非均一性物质已从所述管的所述表面除去或精炼。
【专利说明】用于铝的耐腐蚀性的表面处理
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2012年3月28日提交的美国临时专利申请序列号61/616，542的权益，所述美国临时专利申请的公开内容通过引用方式并入本文。
[0002]发明背景
本发明总体上涉及铝合金，并且更具体地说，涉及铝合金的耐腐蚀性。
[0003]由于铝的广泛可用性和优良的热传导性能，许多热交换器由铝制成。使用挤压铝头和/或挤压铝管，因为其低廉成本和易于制造。热交换器可以由若干等级的铝制成，并且挤压和轧制的铝制品是最常见的。通常用于构造热交换器中所使用的挤压管的铝合金材料被称为低合金铝基底(如3000系列铝)。铝材料通常含有在冶炼过程中(特别是在使用废弃材料时)作为杂质引入的夹入元素，如铁、硅、镁等。这些次要元素通常在铝基体内形成具有独特电化学特性和化学特性的金属间化合物颗粒。这些金属间化合物颗粒可以充当启动腐蚀过程并且从而削弱基底材料的耐腐蚀性的局部阳极和阴极。
[0004]确切地说，当暴露于腐蚀性的含水环境时，铝易经受局部腐蚀模式,如点腐蚀、晶粒间腐蚀、应力开裂腐蚀(SCC)以及一般腐蚀。由于表面颗粒或其它非正常表面特征(如凹坑)的存在，加速的氧化和腐蚀在这些区域中启动并且最终使整个表面降解。已知点腐蚀使疲劳强度和寿命显著降低。通常，疲劳忍耐极限通过点蚀而降低至未腐蚀合金的极限的标称地一半或小于未腐蚀合金的极限。存在用于增加铝合金的耐腐蚀性的许多方法，如涂覆、电镀、阳极化处理以及铬酸盐处理金属的表面。在这些过程中，许多是昂贵的，许多是对环境不友好的，而且没有一个过程提供长期维修少的保护。例如，阳极化处理涉及复杂且昂贵的多步骤过程。铬酸盐钝化是复杂性较低的，但不提供足以允许将要在热带环境中使用的铝基材料具有长的设计寿命的点腐蚀保护。
[0005]全铝制热交换器，特别是旨在用作冷凝器或蒸发器的全铝制热交换器持续暴露于含有湿气的环境，并且可能非常容易受到腐蚀。局部腐蚀一招合金通常经受的过程，导致管表面的点蚀。最后，随着腐蚀在这些管处继续侵蚀，孔将会形成，从而允许热交换器流体之一泄漏。点腐蚀率经常是足够快的，如果材料未正确制备，那么就会在几年的服务期内导致持有制冷剂的管道穿孔。制冷剂的逐渐失去导致冷却系统的操作效率降低，并且最终系统关闭。制冷剂的排放还可能对环境造成不利影响。
[0006]发明简述
根据本发明的一个实施方案，提供一种包括至少一个金属管的热交换器。所述管的所述表面具有改变的微观结构。至少一种非均一性物质已从所述管的所述表面除去或精炼。
[0007]根据本发明的另一个实施方案，提供一种制造具有增强耐腐蚀性的金属管的方法，所述方法包括将金属挤压成管。所述管的所述表面的所述微观结构通过当所述管受挤压时或受挤压之后立即除去或精炼非均一性物质而改变。
[0008]根据本发明的又一个实施方案，提供一种制造用于热交换器中的具有增强耐腐蚀性的金属管的方法，所述方法包括将金属板形成为具有所需形状的管。将所述金属的边缘结合在一起以形成所述管的密封。所述管的所述表面的所述微观结构通过在所述管形成之前或之后除去或精炼所述金属的非均一性物质而改变。
[0009]这些和其它的优点和特征将从结合附图的以下描述中变得更加明显。
[0010]附图简述
在本说明书的结尾处的权利要求书中具体地指出并且明确地要求了被视为本发明的主题。本发明的前述和其它特征以及优点根据结合附图的以下详述变得明显，在附图中:图1是示例性空气调节系统的示意图；
图2是铝合金样品的截面图；
图3是图2中所示铝合金样品在被放置在潮湿环境中一段时间之后的截面图；
图4是根据本发明实施方案的铝合金的第二样品的截面图；以及图5是根据本发明实施方案的制造铝合金管的方法的图解；以及图6是根据本发明实施方案的制造铝合金管的方法的图解。
[0011]发明详述
现参照图1，示出空气调节系统10。系统10包括压缩机12、也称为冷凝器14的排热式热交换器、膨胀装置16以及也称为蒸发器18的受热式热交换器。流体(例如像制冷剂)循环通过闭合回路系统10。在制冷剂在高压和高晗的情况下离开压缩机12之后，制冷剂流过冷凝器14并且失去热量，从而在低焓和高压的情况下离开冷凝器12。当制冷剂经过膨胀装置16时，压力下降。在膨胀之后，制冷剂流过蒸发器18并且在高晗和低压的情况下离开。制冷剂重新进入并且经过压缩机12，从而完整地流过系统10。蒸发器18和冷凝器14 二者包括多个管20，所述多个管形成制冷剂流过的多个流动通道。在一个实施方案中，多个翅片(未示出)可以从热交换器管20延伸以改进两种流体之间的热传递。已知的是，制冷剂从在蒸发器18中在多个管20周围流动的流体接受热量。每个管20具有金属主体和内表面。在一个实施方案中，示例性管20可以由铝制成，如来自例如3000、4000、5000、6000或8000系列的铝合金。在另一个实施方案中，管20可以由替代金属材料制成。
[0012]图2示出铝合金100的第一样品的示例性截面。尽管在附图中示出示例性铝合金，但是可以用于制造热交换器的零件(例如像管或翅片)的另外的金属和金属合金也在本发明的范围之内。铝合金100包括铝基体105，所述铝基体具有在第一表面102上的钝化层110，例如像保护性金属氧化物。晶粒边界115表示铝基体105内的相邻晶粒之间的界面。铝基体105包括金属间化合物颗粒或第二相颗粒120。这些第二相颗粒120分布在整个铝基体105中，以便增强铝合金100的强度和硬度。在一些情况下，第二相颗粒120仅仅是合金中污染物的结果，所述污染物被容忍是由于将其除去的成本高。第二相颗粒120在合金的热机械处理期间形成，并且因此可能在铝合金100表面上形成颗粒、夹杂物或非均一性物质。这些第二相颗粒120不仅降低保护性钝化层110的稳定性，而且由于基体105的电势与颗粒120的电势之间的差异而导致与铝基体105的局部电耦合形成。这产生严重且高度局部化的腐蚀凹坑。第二相颗粒125例示出局部腐蚀启动的位点。
[0013]现参照图3，示出来自图2的铝合金100的样品在被放置在潮湿环境中一段时间(以允许点腐蚀发生)之后的示例性截面。当处于湿的环境中时，第二相颗粒120启动局部电耦合。在图示实例中，位于表面102附近的第二相颗粒125充当局部阴极，并且铝基体105充当阳极。这种电反应产生腐蚀凹坑150，所述腐蚀凹坑在量级上呈指数增长直至腐蚀凹坑延伸穿过铝基体105的整个厚度。
[0014]铝合金(例如像铝合金100)的耐腐蚀性可以通过改变铝合金100的表面102处的微观结构来改进。因为铝合金100的表面102处的杂质降低钝化层110的稳定性，所以除去或精炼这些夹杂物将引起合金100具有更大的耐腐蚀性。
[0015]可以使用各种过程来更改由铝合金100制成的组件的表面组成。这些过程可以应用于由铝制成的采暖通风和空气调节系统的各种零件，如热交换器管或翅片。在一个实施方案中，可以通过使合金的表面102塑性变形来将表面102的非均一性物质精炼或溶解掉。用于使表面102塑性变形的方法包括喷丸处理、激光冲击硬化处理、超声喷丸处理、低塑性抛光处理以及本领域的普通技术人员已知的其它类似方法。这些方法中的每一种均创建具有一定量级和深度的压缩残余应力层。这种塑性变形导致合金100的表面102大体上均匀变形。通过创建具有足够量级和深度的压缩残余应力层，可能防止或抑制导致点腐蚀的夹杂物或凹坑的增长和裂纹(如用于应力开裂腐蚀所需要的裂纹)的增长。
[0016]在另一个实施方案中，可以通过将热源应用于合金100的表面102来除去或精炼邻近钝化层110的非均一性物质。示例性热过程包括(但不限于)激光表面熔化、激光表面合金化、激光镀覆、热电弧喷涂、等离子体过程以及本领域的普通技术人员已知的其它类似过程。对于使用激光的热过程来说，当管以相当高的速度移动并且聚集在卷轴上时，通常将高强度的激光应用于合金100的表面102持续相当短的时间。在热过程中，热源导致合金的近表面区域液化。合金100的大部分不受热，并且因此充当散热器以便快速冷却熔化的表面，从而创建新的微观结构。这些热过程由于更改了表面组成并且使杂质和第二相颗粒120重新分布而产生增强的耐腐蚀性。所得的铝合金与常规表面相比具有更加均匀的结构，所述结构具有优良的均一性。例如，激光表面熔化过程可以使合金100的表面102上的夹杂物完全熔化或溶解，或者使用激光表面合金化过程所创建的表面合金将具有组成均匀性。
[0017]在另一个实施方案中，可以通过将化学或电化学过程应用于合金100来除去或精炼钝化层110的非均一性物质。例如，可以将铝合金100放置在化学蚀刻浴中，所述化学蚀刻浴将通过使第二相颗粒120从合金100的表面102选择性地浸出而不损害合金100的方式来攻击结构的非均一性。组合来形成所述浴的化学物质将取决于正要除去的金属间化合物颗粒的组成而有所不同。适于从铝合金表面选择性地除去第二相颗粒的浴溶液可以包括大体上在5%与20%之间范围中的氢氧化钠、盐酸硝酸、氢氟酸以及其组合。以化学方式蚀刻的铝合金表面可以在使用化学溶液处理之后另外地进行平滑处理，以消除表面粗糙度和可能引发局部腐蚀的凹坑。用于使合金表面平滑的示例性过程包括(但不限于)滚轧、抛光、磨削、细线抛光以及热过程。
[0018]现在参照图4，示出铝合金200的另一个样品的截面。过程已应用于铝合金200的表面202以提高其耐腐蚀性。类似于图2中所示的样品，铝合金200包括铝基体205和表面202上的钝化层210。金属间化合物颗粒或第二相颗粒220仍然分散在大部分的铝基体105中。不同于图2中所示的铝合金100，位于表面202或钝化层210附近的第二相颗粒220已通过应用于铝合金200以改进其腐蚀特性的过程而除去或精炼。
[0019]图5中示出一种用于形成用于热交换器中的具有增强耐腐蚀性的管的方法300。如方框302中所示，金属(例如像铝合金)被挤压成所需形状的管。在示例性实施方案中，金属可以被挤压成圆形管、方形管、矩形管或六边形管。在金属被挤压时，如方框304中所示，管表面的微观结构通过除去或精炼由金属内的第二相颗粒所产生的非均一性物质或夹杂物而改变。现在参照图6，示出另一种形成管的方法400。在方框402中，金属板例如像通过滚轧或弯曲而形成为具有所需形状的管。示例性管在形状上可以是圆形、方形、矩形或六边形。金属板的边缘然后例如像通过钎焊或焊接结合来形成方框404中的管的接缝。在方框406中，金属板表面的微观结构通过除去或精炼由合金内的第二相颗粒所产生的夹杂物的非均一性物质而改变。金属的微观结构可以在形成为管之前或之后改变。
[0020]虽然仅结合有限数量的实施方案对本发明进行了详细描述，但是应易于理解，本发明不限于这些已公开的实施方案。相反，本发明可以进行改变来合并之前并未描述但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。另外，虽然已描述了本发明的不同实施方案，但是应理解本发明的方面可以仅包括所描述实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为受前面描述内容的限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。
【权利要求】
1.一种具有增强耐腐蚀性的热交换器，其包括: 至少一个金属管，其包括具有改变的微观结构的表面，其中至少一种非均一性物质已从所述表面除去或精炼。
2.根据权利要求1所述的具有增强耐腐蚀性的热交换器，其中所述金属是选自3000系列、4000系列、5000系列、6000系列以及8000系列之一的招合金。
3.根据权利要求1所述的具有增强耐腐蚀性的热交换器，其中热过程除去或精炼所述至少一种非均一性物质。
4.根据权利要求3所述的具有增强耐腐蚀性的热交换器，其中热源使所述管的所述表面熔化。
5.根据权利要求1所述的具有增强耐腐蚀性的热交换器，其中所述管的所述表面的塑性变形除去或精炼所述至少一种非均一性物质。
6.根据权利要求5所述的具有增强耐腐蚀性的热交换器，其中所述管的所述表面的所述塑性变形产生具有一定量级和深度的压缩残余应力。
7.根据权利要求1所述的具有增强耐腐蚀性的热交换器，其中化学过程或电化学过程除去或精炼所述至少一种非均一性物质。
8.根据权利要求7所述的具有增强耐腐蚀性的热交换器，其中所述化学过程使形成所述至少一种非均一性物质的至少一种第二相颗粒溶解。
9.根据权利要求7所述的具有增强耐腐蚀性的热交换器，其中所述化学或电化学过程之后跟有平滑处理过程。
10.一种用于制造用于热交换器的具有改进的耐腐蚀性的管的方法，所述方法包括: 将金属加挤压成管；以及 通过除去或精炼至少一种非均一性物质来改变所述管的表面微观结构。
11.根据权利要求10所述的用于制造用于热交换器的具有改进的耐腐蚀性的管的方法，其中所述金属是选自3000系列、4000系列、5000系列、6000系列以及8000系列之一的招合金。
12.根据权利要求10所述的用于制造用于热交换器的具有改进的耐腐蚀性的管的方法，其中金属的所述表面通过施加热过程来改变。
13.根据权利要求10所述的用于制造用于热交换器的具有改进的耐腐蚀性的管的方法，其中所述金属的所述表面发生塑性变形。
14.根据权利要求10所述的用于制造用于热交换器的具有改进的耐腐蚀性的管的方法，其中所述金属的所述表面使用之后跟有平滑处理过程的化学或电化学过程来改变。
15.一种用于制造用于热交换器的具有改进的耐腐蚀性的管的方法，所述方法包括: 使金属板形成为所需形状的管； 使所述金属边缘结合在一起以便将所述管密封；以及 通过除去或精炼至少一种非均一性物质来改变所述管的表面微观结构。
16.根据权利要求15所述的用于制造用于热交换器的管的方法，其中所述金属是选自3000系列、4000系列、5000系列、6000系列以及8000系列之一的招合金。
17.根据权利要求15所述的用于制造用于热交换器的管的方法，其中所述金属的所述表面微观结构在形成为管之后改变或精炼。
18.根据权利要求15所述的用于制造用于热交换器的管的方法，其中所述金属的所述表面通过施加热过程来改变。
19.根据权利要求15所述的用于制造用于热交换器的管的方法，其中所述金属的所述表面发生塑性变形。
20.根据权利要求15所述的用于制造用于热交换器的管的方法，其中所述金属的所述表面使用之后跟有平滑处理过程的化学或电化学过程来改变。
【文档编号】F28F19/00GK104204710SQ201380016870
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月28日 优先权日:2012年3月28日
【发明者】T.J.加罗申 申请人:开利公司