专利名称：热交换器用铝合金复合材料的制造方法和铝合金复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于热交换器的铝合金复合材料的制造方法，并且，本发明涉及该方法所制造的铝合金复合材料。
背景技术：
通常，热交换器的核心，比如蒸发器和冷凝器，如图1所示制造，其步骤包括压制成形一复合材料(钎焊板)形成褶皱，该复合材料由两面覆盖着填充合金的铝合金核心合金组成；堆叠两片有褶皱的制冷剂通道成形元件1的板，以在纵向形成制冷剂通道2；然后钎焊这些板。在该图中，参考标号3表示一个褶皱的翅片；参考标号4表示一个钎焊点(平的部分)，参考标号5表示一个垂直方向流动的制冷剂通道。因为近年来为满足轻型材料的需要，所述材料的板厚度在减小，所以需要提高用于形成制冷剂通道2的热交换器的铝元件的机械强度，抗腐蚀性和可钎焊性。
钎焊的热量使得填充合金扩散到用作钎焊板来形成上述的制冷剂通道的铝合金材料的铝合金核心合金中，其中填充合金透入到核心合金中。由于填充合金的扩散导致供给到钎焊部分的填充合金数量减少，可能发生有缺陷的钎焊，比如钎焊部分钎焊不连续(由于供应的填充合金不够引起的缺陷)以及热交换器的抗压能力下降。另外，在填充合金扩散到核心合金的区域内，核心合金固有的强度和抗腐蚀性大大的降低了，并且钎焊加热后，热交换器的性能也相当的降低了。
为了制止填充合金的这样的扩散，有一个方法，给一个铝锰基合金的轧制材料1-5％的预应变，该轧制材料中加入了适量的铜和铁，在钎焊过程中热量使该合金适当的再结晶。然而，在这种情况下，有这样一个问题，由于施加应变而引起的机械硬化使得该生成合金的成形性降低，并且在成形过程中产生裂纹。因此，这样的应对方法不能令人满意。
发明内容
本发明提出一种用于热交换器的铝合金复合材料的制造方法，包括以下步骤通过保持核心合金在530℃或者更高15个小时或更长来均化该铝合金核心合金；在该核心合金的一侧或者两侧覆盖铝硅系列填充合金；热轧所生成的覆层合金；冷轧该热轧过的覆层合金；将该冷轧过的覆层合金进行中间退火处理，以使该核心合金充分再结晶；给该生成的合金施加1-10％的应变，其中铝合金核心合金的质量百分比(在下文中简化为％)包括0.01-1.0％的硅，0.1-2.0％的铁，0.1-2.0％的铜，0.5-2.0％的锰，少于0.2％(包括0％)的钛，余额是铝和不可避免的杂质。
另外，本发明提出一种通过上述方式所制造的用于热交换器的铝合金复合材料。
其它和更多的本发明的特征和优点将结合附图通过下面的描述更全面的表现出来。
图1是解释一种汽车热交换器(散热器)的部分透视图。
具体实施例方式
根据本发明，提供如下方式(1)一种用于热交换器的铝合金复合材料的制造方法，包括步骤通过将核心合金在530℃或者更高保持15个小时或更长来均化铝合金核心合金；在核心合金的一侧或者两侧覆盖铝硅系列合金；热轧所生成的覆层合金；冷轧该热轧过的覆层合金；将该冷轧过的覆层合金进行中间退火处理以使核心合金充分再结晶；给所生成合金施加1-10％的应变，其中铝合金核心合金的质量百分比(在下文中简化为％)包括0.01-1.0％的硅，0.1-2.0％的铁，0.1-2.0％的铜，0.5-2.0％的锰，少于0.2％(包括0％)的钛，余额是铝和不可避免的杂质。
(2)如条目(1)所述的方法，其中均化步骤包括保持核心合金在530℃或者更高2个小时及更长，随后是冷却，冷却时核心合金在500-560℃保持1个小时或更长，而不是在530℃或更高保持15小时或更长。
(3)如条目(1)或(2)所述的方法，其中中间退火包括将冷轧过的覆层合金在320-450℃保持1小时或者更多。
(4)如条目(1)或(2)所述的方法，其中中间退火包括以30℃/分钟或更快的加热速度加热冷轧过的覆层合金；在300-550℃下将所述覆层合金保持1-180秒；然后以30℃/分钟或更快的冷却速度冷却生成合金。
(5)如条目(1)或(4)中任意一条所述的方法，在施加1-10％的应变的步骤后，还包括了热处理(最后退火)的步骤。
(6)如条目(5)所述的方法，其中在施加1-10％的应变后，所述的热处理包括在200-380℃保持1小时或者更长。
(7)如条目(5)所述的方法，其中在施加1-10％的应变后，所述的热处理包括步骤有以30℃/分钟或更快的加热速度加热；在250-420℃下保持1-180秒；然后以30℃/分钟或更快的冷却速度冷却。
(8)用如条目(1)-(7)所述的方法制造出用于热交换器的铝合金复合材料。
在下文中进一步描述本发明。
发明者已经做了很多的研究以研发一种具有良好成形性的能够阻止填充合金透入核心合金或类似情况的材料，并获得了以下的成果。通过均一化一种加入适量铜和铁的铝锰基合金的核心合金，将该填充合金覆盖在该核心合金上后，给轧制的材料施加预应变，必要时使用预定的热处理，这样阻止填充合金透入核心合金。发明者发现上述处理可以在保持抗腐蚀性和强度的同时提高成形性，完成了本发明。
首先描述组成本发明中所用核心合金的合金元素。
硅含量占质量百分比(下文简称为％)的0.01-1.0％，因为在增加填充合金数量来形成连接边的时候，硅可以阻止填充合金扩散，并且具有提高钎焊后的材料强度的功能。在低于上述最低限额的含量情况下，硅的作用无法体现，而且在硅含量超出上述最高限额的情况下，在钎焊温度下可能会引起一种被称为过烧(burning)的熔解现象。优选的硅含量是在0.1-0.6％的范围内。
铁和铜对提高强度和增强再结晶能力有效。通过在填充合金透入前完成再结晶，这些元素抑制了钎焊加热时填充合金透入到核心合金中。
铁含量被限制在0.1-2.0％的范围内，因为当其含量低于上述最低限额的情况下铁的作用不足以体现，而当其含量高于上述最高限额的情况下抗腐蚀性降低。铁的优选含量范围是0.1-1.1％，更优选的是0.2-0.8％。
铜含量被限制在0.1-2.0％的范围内，因为当其含量低于上述最低限额的情况下铁的作用不足以体现，而当其含量高于上述最高限额的情况下基础材料(基质(matrix))会熔化。铁的优选含量范围是0.1-1.1％，更优选的是0.2-0.8％。
铜有增强填充合金透入的作用，这种作用通过和铜同时添加铁来抑制。
锰通过在钎焊步骤中和铝基质形成固溶体来提高强度。锰含量被限制在0.5-2.0％的范围内，因为当其含量低于0.5％不足以体现增加锰的效果，而当其含量高于2.0％轧制处理性和成形性会降低。锰的特别优选含量范围是0.9-1.6％。
钛用于提高抗腐蚀性。其含量被限制在少于0.2％(包括0％)，因为当其含量为0.2％或更多时，钎焊步骤中的核心合金(铝合金)的再结晶能力受到抑制。
本发明中，除了上述的合金元素以外核心合金中的剩余含量是铝和不可避免的杂质。只要不影响本发明的效果，不可避免的杂质的种类和含量没有特别的限制。
其次，将描述限制本发明中均一处理条件的原因。
填充合金熔化时，钎焊加热时发生的填充合金向核心合金的扩散将沿着核心合金的晶体晶界或者伪晶体晶界推进。当钎焊板是完全退火的材料，核心合金不会被钎焊加热再结晶。因而，填充合金沿着核心合金的晶界扩散。从而，由于核心合金的晶粒更精细，填充合金将更容易扩散，并且填充合金的扩散程度更容易被预测。
另一方面，当核心合金通过成形钎焊板发生应变时，由于再结晶晶粒晶界和伪晶体晶界的存在，核心合金将会在钎焊步骤中被加热而部分再结晶。由于核心合金中的沉淀物的分布会影响本阶段的再结晶行为，沉淀物的不同分布将带来填充合金扩散的不同状态，这会导致钎焊加热后如强度和抗腐蚀性的特性的变化。从而，为了减少填充合金扩散的状态变化，充分均化核心合金并稳定沉淀物的分布是有效的。
优选的，作为均一化条件，核心合金通过在530℃或更高保持15小时或更长来均一化，使得通过形成在铸造冷却过程中形成的沉淀物的固溶体来稳定核心合金的结构。然而，均一化温度的上限应该控制在一个不会熔化核心合金的范围内。至于均一化时间的下限，当均一化时间短于上述的时间时，沉淀物的固溶体不能充分成形，这会导致在钎焊步骤中出现填充合金的扩散。只要均一化时间被控制使得不会引起核心合金的熔化，均一化时间的上限就没有特别的限定，优选时间是在一个经济的可接受的范围。上述均一化处理的保持时间是从当加热铝合金核心合金的温度超过530℃算起，到当冷却铝合金核心合金的温度低到530℃或更低。
另外，为获得一种填充合金较少扩散的材料，下面的均一化处理条件是有效的。核心合金在530℃或更高保持2个小时或更多，优选为15个小时或更多，更优选的该核心合金在570-620℃的温度范围内保持2个小时或者更多后进入冷却步骤，其中该核心合金在500-560℃的温度范围内保持1个小时或者更多。核心合金中的沉淀物在530℃或更高的温度下被增强以形成一种固溶体，优选的在570-620℃，且通过在冷却步骤中保持在500-560℃沉淀作用得到加强。这样，核心合金的结构更稳定，并抑制填充合金在钎焊加热中扩散。
因为本发明的复合材料作为用于热交换器的材料需要在钎焊前具有很好的成形性，所以核心合金应该在中间退火步骤中完全再结晶。因而，中间退火的条件优选的为在320-450℃下保持1个小时或者更多。中间退火步骤中退火温度太低或者退火时间太短，核心合金可能不完全再结晶。超过450℃的退火温度在经济上不利，并且可能使得晶体边界长成粗(大)的颗粒降低了成形性。
为进一步提高成形性，优选的中间退火条件是核心合金以30℃/分钟或更快的加热速度被加热，在300-550℃范围内的一个温度下保持1-180秒，然后以30℃/分钟或更快的冷却速度被冷却。这个过程使得成形得到保证，因为核心合金的铝合金材料的再结晶晶粒边界的尺寸变得更均一和细致。加热速率或冷却速率太慢，或保持温度太高，或者保持时间太长是不可取的，因为铝合金材料的晶体晶粒变得太粗。保持温度太低或者保持时间太短也是不可取的，因为退火过程中的再结晶变得不充分。
当一个由完全再结晶核心合金组成的钎焊板用于成形时，在承受特定工作应变的某段上引起填充合金的不稳定扩散。已证实引起上述填充合金扩散的应变量在0-小于1％的范围内，该核心合金由铝锰基合金组成。另一方面，钎焊加热承受1％或更多应变的核心合金不会导致在钎焊过程中填充合金的扩散，因为在填充合金被熔化前，核心合金的再结晶是在一个低温区域完成的。从而，在后述成形和钎焊加热过程中，可以通过预先给钎焊板施加一个1％或者更高的工作预应变来得到一种扩散很少的复合材料，该工作预应变比引起钎焊板中的填充合金扩散的应变量要大。在当施加应变小于1％时，扩散在有低的工作应变的部分上发生。另一方面，施加超过10％的应变是不可取的，因为材料的成形性降低了。
另外，在热交换器中，一些非常需要有良好的成形性，比如蒸发器用的平板材料。为了适应这样的使用，如必要，在施加上述的应变后，可以使用一种热处理(最后退火)。尤其当施加应变在1-3％时，施加应变后的热处理不是必须的。然而，施加应变后如不进行热处理，最好在中间退火步骤中以30℃/分钟或更快的加热速度被加热，在300-550℃保持1-180秒后，以30℃/分钟或更快的冷却速度被冷却。另一方面，当施加应变在3-10％，特别优选的在施加应变后进行热处理。
关于施加应变后特定的热处理条件，钎焊板在200-380℃下保持1个小时或更多的热处理方式，或者钎焊板以30℃/分钟或更快的加热速度被加热，在250-420℃保持1-180秒后，以30℃/分钟或更快的冷却速度被冷却，这样的或类似的热处理方式对提高成形性能是更好的。超出上述描述范围的热处理条件对成形性的提高可能不是很显著。
各种用于本发明的填充金属不仅仅特别局限于使用铝硅系列填充合金。各种已知的填充合金，比如，合金JIS4045也可以使用。没有限制填充合金和核心合金的覆盖方法，比如覆盖环境和覆盖比例。在不损害本发明效果的范围内可以适当使用常规方法。
只要在每个制造步骤中得到了预定的厚度，本发明中热轧和冷轧(比如压下率)也没有限制，并且可以适当使用常规方法。
本发明的方法所制造的铝合金复合材料可以用于集管板和箱(headerplates and tanks)，还有可用于如蒸发器和散热器这类热交换器的制冷剂通道管。而且，本发明的复合材料也可以用于加热管或者冷凝管或类似的东西，并可以用于任何构件，如果其板厚度优选取在0.6mm或者更少，即适用于本发明的复合材料。
本发明的用于热交换器的铝合金复合材料可以被用做钎焊连接产品的钎焊材料，以阻止填充合金透入核心合金等，并具有很好的成形性。进一步，本发明的该制造方法是制造用于热交换器的铝合金复合材料的优选方法。
本发明的制造方法制造出来的铝合金复合材料有着很好的抗腐蚀性和高的强度，且在任何成形度上填充合金的扩散程度都很小。该材料还适于成形，因为控制热处理条件可以阻止施加应变引起的成形性降低。
从而，当作为热交换器材料应用时，本发明能够产生显著的工业效果，比如保证长期的可靠性。
例子本发明在下文中引用例子和对比例来详细说明，但是本发明决不局限于这些例子。
核心合金的铝合金和填充合金的JIS4045合金各自用铸模来铸造，其中该铝合金包括0.25％的硅，0.5％的铁，0.15％的铜，1.1％的锰及其余为铝。核心合金在表1列的温度和保持时间条件下均一化，并且最后修整加工成40mm的厚度。关于填充合金，其坯料通过修整加工和热轧加工，并覆盖到核心合金的两面，每一面的覆盖比例是10％。生成覆层合金加热到500℃，热轧到3.5mm厚，并冷轧到形成一个0.5mm厚的三层覆层材料。
上述冷轧合金可经过表1所示的中间退火来准备回火的o材料(o-materials)。核心合金通过这个中间退火完全再结晶。预应变材料通过张力平整机(tension lever)以表1所示的压下比施加应变生成。如表1所示，预应变材料在施加了应变后，可以热处理或者不热处理(最后退火)。
首先，为评估每个复合材料的成形性，做了埃里克森试验，并测量了样品的产生裂纹的高度(断面高度(mm))。图1所示的制冷剂流动通道1通过成形加工(变形度为0-15％)来成形以测试成形性。结果也列在表1中。
成形的具有制冷剂流动通道形状的板放在另一个有相同形状的板上，并且这些板通过加热被钎焊，因此形成了图1参考标号2所示的有制冷剂流动通道的制冷剂流动通道管。这些板在覆盖了一层氟基熔剂后，在惰性气体环境中600℃下加热5分钟，这样的条件下被钎焊。在制冷剂流动通道管的横剖面可以观察到填充合金的扩散状态(填充合金的透入)。此外，做了制冷剂流动通道管的腐蚀测试，并在腐蚀测试后测量了腐蚀纹的深度(μm)。腐蚀试验中，1个月内不断进行如下循环，喷射4个小时的5％的氯化纳水溶液(40℃，98％RH)→干燥4小时(55℃，30％RH)→加湿4小时(50℃，98％RH)。结果也在表1中。
表1显示，在腐蚀试验后例3-15中所有的复合材料都表现出很好的抗腐蚀性，透入的填充合金很少并且腐蚀纹很浅。大致上，在例1，2，16-18中的复合材料中没有观察到填充合金的透入并且复合材料的抗腐蚀性也很好，因为在均一化处理的冷却过程中复合材料在540℃下保持了2个小时。由于在施加应变后进行了最后退火，序号3-28的复合材料的成形性很好，并且没有发现成形加工的裂纹。另一方面，对比例1-3是在本发明限定范围外的条件下应用了均一化处理得到的结果，其中腐蚀试验后，在具有低变形度的部分观察到了填充合金的透入以及穿孔性的腐蚀坑或非常深的腐蚀坑。在对比例4中腐蚀试验后，观察到填充合金的透入，伴随着穿孔性坑的出现，因为该例中没有施加应变。在对比例5中，将复合材料加工形成制冷剂流动通道形状的步骤导致裂纹，因为比起本发明中所限定的条件其给予应变的变形度太高了。
工业用例本发明的方法利于作为一种铝合金复合材料的制造方法，其用于成形加工后通过钎焊装配制造的钎焊产品。更详细的说，该方法有利于制造一种材料，优选的，比如，一种铝合金复合板适用于形成成堆型(stacked-type)的蒸发器中的流动通道和热交换器中的成堆型油冷却器的分层，或散热器的集管板以及类似的东西。
进一步的，本发明的铝合金复合材料成形性很好，尤其对于热交换器。在钎焊步骤中，填充合金向核心合金的扩散量很少并且填充合金的分布很理想。因此本发明的复合材料是一种优选的铝合金复合材料，其钎焊后的机械强度、抗腐蚀性和成形性都很好。
根据本实施例描述了我们的发明，要注意的是，该发明并不局限于所描述的细节，除非另外说明，可以在它的权利要求所陈述的精神和范围内广泛的构建。
表l
表1(续)
注意)填充合金的透入◎无透入，○少量透入，×透入成形性◎没有裂纹，○没有裂纹，但是延伸性差
权利要求
1.一种用于一热交换器的一铝合金复合材料的制造方法，包括以下步骤均化所述铝合金核心合金；在所述核心合金的一侧或者两侧覆盖一铝硅系列合金；热轧所述生成的覆层合金；冷轧所述热轧过的覆层合金；将所述冷轧过的覆层合金进行中间退火处理以使所述核心合金充分再结晶；给所述生成合金施加1-10％的应变，其中所述铝合金核心合金的质量百分比(在下文中简化为％)包括0.01-1.0％的硅，0.1-2.0％的铁，0.1-2.0％的铜，0.5-2.0％的锰，少于0.2％且多于或等于0％的钛，余额是铝和不可避免的杂质，其中所述均化步骤包括保持所述核心合金在530℃或者更高2个小时及更长，随后是冷却，冷却时所述核心合金在500-560℃保持1个小时或更长。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述中间退火包括将所述冷轧过的覆层合金在320-450℃保持1小时或者更多。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述中间退火包括以30℃/分钟或更快的加热速度加热所述冷轧过的覆层合金；在300-550℃下将所述覆层合金保持1-180秒；然后以30℃/分钟或更快的冷却速度冷却所述生成合金。
4.如权利要求1至3中任意一条所述的方法，其中在施加1-10％的应变的步骤后，还包括了热处理的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其中在施加1-10％的应变的后，所述的热处理包括在200-380℃保持1小时或者更长。
6.如权利要求4所述的方法，其中在施加1-10％的应变的后，所述的热处理包括步骤有以30℃/分钟或更快的加热速度加热；在250-420℃下保持1-180秒；然后以30℃/分钟或更快的冷却速度冷却。
7.一种用如权利要求1-6所述的方法制造出的用于热交换器的铝合金复合材料。
全文摘要
一种用于一热交换器的一铝合金复合材料的制造方法，其中包括提供一种铝合金核心合金材料，其包括占质量0.01－1.0％的硅，占质量0.1－2.0％的铁，占质量0.1－2.0％的铜，占质量0.5－2.0％的锰，占质量少于0.2％(包括0％)的钛，余额是铝和不可避免的杂质，通过在530℃或更高保持15个小时或更长来均化处理该核心材料；在该核心材料的一侧或者两侧覆盖一铝硅类型钎焊材料；热轧；冷轧；中间退火处理以使该核心材料充分再结晶；向得到的材料施加1－10％的应变；以及一种用所述的方法制造出的铝合金复合材料。
文档编号C21D8/00GK1936060SQ20061015172
公开日2007年3月28日 申请日期2003年3月6日 优先权日2002年3月8日
发明者田中哲, 柳川裕, 土公武宜 申请人:古河Sky株式会社