铝合金、热交换器、铝合金复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及钎焊用铝合金复合材料，具体涉及一种新型铝合金、CAB钎焊用铝合金复合材料及其制备方法和用该铝合金复合材料制备的热交换器。
背景技术：
：铝合金具有储量丰富、高强质比、耐腐蚀性好，传热系数高和易于加工等优异性能，其作为热传输材料广泛应用于热交换器领域。目前，工程应用领域轻量化的需求日趋强烈，开发更轻更薄的铝热交换器成为了重要的研究方向。要想使得铝热交换器重量减轻和厚度减薄，相应的钎焊铝合金复合材料在相同载荷或受力条件下就需要具有更高的强度，以防止其在后续钎焊过程或使用过程中变形甚至开裂。因此，开发更高焊后强度的钎焊用铝合金复合材料已成为当前热交换器制造领域的热点。由于Mn(锰)的加入，3×××系铝合金具有了较好的高温强度，最典型的代表是AA3003铝合金。由3×××系铝合金制备的钎焊工件在高温条件下不易变形，其钎焊后的屈服强度一般在40-60MPa，常常用于制备热交换器。随着对材料的要求越来越高，AA3003已不能满足热交换器对强度的要求。目前，一般是通过添加Cu(铜)并且增加Mn的含量提高焊后强度。Cu的含量从无提高到0.9％，Mn从1％提高至1.8％，AA3003的焊后屈服强度也从最初的40-45MPa提高到现在的55MPa-60MPa。继续提高Cu含量将会导致严重的穿晶腐蚀，而Mn已到固溶极限，继续提高则会生产粗大初生相则会恶化加工性能。简而言之，Cu和Mn的含量已没有任何可调控的空间。此外，还可往3xxx系合金中添加Mg(镁)，这是当前热交换器铝材发展的一大趋势。Mg元素能显著提升3xxx系铝合金的强度性能，0.3％-0.5％Mg可以使得3xxx系铝合金的强度提高约20％。但是，Mg的蒸气压大，在钎焊的过程中，Mg易受热而从合金中蒸发出来，扩散至铝合金表面而形成MgO(氧化镁)。该MgO和铝表面的Al2O3(三氧化二铝)在钎剂中的溶解度极低，不易溶解，因此会大大降低钎料的流动性。此外，Mg还易与钎剂形成MgF2(氟化镁)、KMgF3(氟化钾镁)、K2MgF4(四氟化二钾镁)等化合物，使钎剂熔点升高而失去活性。因此，含Mg的零部件一般不适合采用CAB钎焊(保护性气氛钎焊，又可称之为载气钎焊)方式进行连接，而需要采用真空钎焊方式。真空钎焊虽然可以获得高质量的器件，然而其生产过程必须在近真空状态(3.5×10-3Pa)的封闭式炉体中升温钎焊，生产效率极低。而CAB钎焊则只需要采用惰性气体保护，可以实现连续生产，其生产效率高。此外，CAB钎焊的不良品可以进行二次钎焊，因此其成品率高达99％。技术实现要素：本发明目的是要解决现有的铝合金复合材料由于厚度减薄而不能满足钎焊铝合金复合材料强度要求而引起的问题。本发明首先提供了一种新型铝合金，所述新型铝合金的各成分质量百分数如下：镁为0.1％-0.3％，锰为1.0％-1.8％，硅(Si)为0.01％-1.0％，铜为0.2％-0.9％，铁(Fe)为0.1％-0.7％，钛(Ti)≤0.02％，锆(Zr)≤0.13％，其余为铝(Al)和不可避免杂质。在本发明的一个实施方案中，所述Mg的质量百分数为0.15％-0.25％。在本发明的一个实施方案中，所述Mn的质量百分数为1.3％-1.6％。在本发明的一个实施方案中，所述Si的质量百分数为0.2％-0.7％。在本发明的一个实施方案中，所述Cu的质量百分数为0.4％-0.8％。在本发明的一个实施方案中，所述Fe的质量百分数为0.2％-0.4％。在此基础上，本发明还提供了一种CAB钎焊用铝合金复合材料，所述CAB钎焊用铝合金复合材料有三层铝合金，顶层为AA4045铝合金，中层为权利要求1-6中任一所述的铝合金，底层为AA4045铝合金或AA7072铝合金；所述三层铝合金的厚度比为1:7:1-1:12:1。本发明还提供了一种制备上述CAB钎焊用铝合金复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：合金熔铸：采用DC铸造(直接水冷半连续铸造)法铸造所述三层铝合金；复合前处理：将铸造后的顶层和底层的铝合金进行表面处理，并将中层的铝合金进行铣面处理；再将所述三层铝合金处理至所需尺寸；热轧复合：将处理后的铝合金按顺序叠放并固定，在450℃-550℃温度进行预热，预热7h-17h；预热后热轧复合，将所述三层铝合金热轧至总厚度为5mm-10mm，终轧温度≥300℃；再打卷空冷；冷轧：将热轧后的三层铝合金进行多次冷轧，直至轧到所需厚度；退火：将冷轧成品铝带在300℃-400℃进行不完全的再结晶退火，使产品保持为半硬状态(H24状态)。在本发明的一个实施方案中，在冷轧的过程中，总的冷轧变形率≥90％。本发明还提供了一种热交换器，所述热交换器由上述铝合金复合材料通过CAB钎焊而制得。本发明在优化Cu、Si、Mn等元素含量的基础上，通过添加一定量的Mg元素，使得铝合金在热加工、热处理和钎焊过程中通过固溶强化和第二相强化方式产生了最佳的强化作用，可以用于制备焊后强度高、厚度薄的铝合金复合材料。其次，本发明提供的新型铝合金Mg含量少，由其作为芯材而制备出的铝合金复合材料焊后强度高。而且该铝合金复合材料适合采用CAB钎焊，从而提高了其产品的生产效率和成品率。此外，本发明提供的热交换器的强度很高。附图说明图1为本发明提供的CAB钎焊用铝合金复合材料的结构示意图。图2为本发明实施例制备CAB钎焊用铝合金复合材料的工艺流程图。图中：1：顶层；2：中层；3：底层。具体实施方式以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。本发明首先提供了一种新型铝合金，该铝合金的各成分质量百分数如下：Mg为0.1％-0.3％，Mn为1.0％-1.8％，Si为0.01％-1.0％，Cu为0.2％-0.9％，Fe为0.1％-0.7％，Ti≤0.02％，Zr≤0.13％，不可避免杂质≤0.15％，其余为Al。本发明提供的铝合金为改性的AA3003铝合金(下方称为AA3003Mod铝合金)，在AA3003合金成分的基础上优化了Cu、Si、Mn等元素的含量，并添加一定量的Mg元素，使得该铝合金在热加工、热处理和钎焊过程中通过固溶强化和第二相强化方式产生了最佳的强化作用。Mg主要是以固溶强化的方式提高该铝合金的焊后强度。此外，Mg还可和Si形成Mg2Si金属间化合物，产生时效强化的作用。Mg的添加量为0.1％-0.3％，其添加量最好为0.15％-0.25％。超过0.3％，在CAB钎焊过程中，Mg容易扩散至界面而使钎剂失去活性，从而不能保证CAB钎焊效果；小于0.1％，强化效果不够。Mn是3xxx系铝合金的主要添加元素，其主要通过第二相强化及固溶强化提高合金的焊后强度。Mn的添加量为1.0％-1.8％，最好为1.3％-1.6％。超过1.8％，则会形成粗大的含Mn初生相，恶化材料的加工成型性能；而小于1.0％，则强化效果不足。Si能和Mn形成亚微米级的Al-Mn-Si弥散相，降低基体中Mn的固溶度，提高铝合金的导热性，同时也能提高铝合金的强度。Si的含量小于0.01％，则上述效果不足；而高于1.0％，则会造成铝合金的熔点降低。其最优范围为0.2％-0.7％。Cu主要以固溶强化的方式提高强度。当Cu的含量低于0.2％，强化效果不明显；而若高于0.9％，则会造成铝合金的耐腐蚀性能下降。其最优范围为0.4％-0.8％。Fe可以和Mn、Si形成亚微米级Al-Mn-Fe-Si第二相，提高强度，同时，还可降低Mn的固溶度，改善铝合金的导热性。当Fe含量低于0.1％时，制造成本上升；而高于0.7％时，则会形成粗大的Al-Fe-Mn-Si初生相，造成加工性能恶化。其最优范围为0.2-0.4％。本发明提供的新型铝合金，为制备焊后强度高、厚度薄的铝合金复合材料提供了条件。在此基础上，本发明还提供了一种CAB钎焊用铝合金复合材料，该CAB钎焊用铝合金复合材料有三层铝合金，顶层为AA4045铝合金，中层为AA3003Mod铝合金，底层为AA4045铝合金或AA7072铝合金；该CAB钎焊用铝合金复合材料的厚度为0.2mm-0.3mm；三层铝合金的厚度比为1:7:1-1:12:1。图1为该CAB钎焊用铝合金复合材料的结构示意图。其中，1为顶层，2为中层，3为底层。AA4045铝合金和AA7072铝合金是钎焊用铝合金复合材料常用的皮层材料，本发明中，顶层为AA4045铝合金，底层为AA4045铝合金或AA7072铝合金。，目前常用的热交换器原材料的厚度为0.2mm-0.3mm，本发明提供的这种铝合金复合材料可以是0.2-0.3mm。此外，由于使用了上述新型铝合金材料，因此，本发明提供的这种铝合金复合材料的厚度其实还可以进一步的减薄，只要能满足所制造的设备的要求即可。本发明提供的CAB钎焊用铝合金复合材料的中层为AA3003Mod铝合金，其Mg含量少，在CAB钎焊过程中，Mg不容易扩散至界面而使钎剂失去活性，而且强度高，不管是在钎焊过程还是使用过程中都不会产生变形或者开裂的情况。本发明还提供了一种制备上述CAB钎焊用铝合金复合材料的方法。如图2所示，该方法包括如下步骤：合金熔铸：采用DC铸造(直接水冷半连续铸造)法铸造三层铝合金；复合前处理：将铸造后的顶层和底层的铝合金进行表面处理，然后再处理至所需尺寸，并将中层的铝合金进行铣面处理至所需尺寸；热轧复合：将处理后的铝合金按顺序叠放并固定，在450℃-550℃温度进行预热，预热7h-17h；预热后热轧复合，将该三层铝合金热轧至总厚度为5mm-10mm，终轧温度≥300℃；再打卷空冷；冷轧：将热轧后的三层铝合金进行多次冷轧，直至轧到所需厚度；退火：将冷轧成品铝带在300℃-400℃进行不完全的再结晶退火，使产品保持为半硬状态(H24状态)。其中，在冷轧的过程中，三层铝合金的总冷轧变形率需≥90％。冷轧可以提高铝合金材料的强度和硬度。冷轧时，铝合金的变形率对铝合金的性能影响较大。变形率越高，铝合金的组织越均匀细小，其力学性能也能得到很好的改善。表面处理的具体工艺不需要确定，可根据生产实际情况进行任意调整。顶层和底层的铝合金表面处理后，先热轧至所需厚度，再分切至所需长度。本发明还提供了一种热交换器，该热交换器由上述铝合金复合材料通过CAB钎焊而制得。本发明提供的热交换器使用了上述铝合金复合材料，因此，强度非常好。下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述
发明内容中所示。下述实施例和对比例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。实施例1本实施例提供一种三层结构的铝合金复合材料，其结构如图1所示。中层为AA3003Mod铝合金，顶层和底层都为AA4045铝合金。AA3003Mod铝合金中各成分的质量百分数如下：Mn为1.5％，Mg为0.2％，Si为0.1％，Fe为0.32％，Cu为0.76％，Ti为0.02％，Zr为0.1％，其余为Al和不可避免杂质。其制备过程如图2所示，具体如下：1)合金熔铸：采用DC铸造方式铸造AA4045铝合金和AA3003Mod铝合金，铸锭尺寸均为450×1120×5100mm。2)复合前处理：将AA4045铝合金进行表面处理，并将AA3003Mod铝合金进行铣面处理至419mm；经表面处理后的AA4045铝合金热轧至42.5mm，然后均分断成5100mm长。3)热轧复合：按照AA4045铝合金、AA3003Mod铝合金、AA4045铝合金的顺序自上而下叠放并固定，加热至480℃并保温12h，然后经多道次热轧至8mm，终轧温度为300℃，然后打卷空冷。3)冷轧：经多次冷轧至0.27mm。4)退火：将冷轧卷在360℃退火炉中保温4h，空冷即得到铝合金复合材料。将制备好的铝合金复合材料模拟CAB钎焊检测，模拟钎焊工艺为：经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表1所示。实施例2本实施例提供一种三层结构的铝合金复合材料，其结构如图1所示。中层为AA3003Mod铝合金，顶层为AA4045铝合金，底层为AA7072铝合金。其中，AA3003Mod铝合金中各成分的质量百分数如下：Mn为1.36％，Mg为0.18％，Si为0.3％，Fe为0.3％，Cu为0.7％，Ti为0.01％，Zr为0.09％，其余为Al和不可避免杂质。其制备过程如图2所示，具体如下：1)合金熔铸：采用DC铸造方式铸造AA4045铝合金、AA7072铝合金和AA3003Mod铝合金，铸锭尺寸均为450×1120×5100mm。2)复合前处理：将AA4045铝合金、AA7072铝合金进行表面处理，并将AA3003Mod铝合金进行铣面处理至420mm；经表面处理后的AA4045铝合金和AA7072铝合金热轧至42mm，然后均分断成5100mm长。3)热轧复合：按照AA4045铝合金、AA3003Mod铝合金、AA7072铝合金的顺序自上而下叠放并固定，加热至470℃并保温14h，然后经多道次热轧至7mm，终轧温度为350℃，然后打卷空冷。3)冷轧：经多次冷轧至0.23mm。4)退火：将冷轧卷在330℃退火炉中保温3h，空冷即得到铝合金复合材料。将制备好的铝合金复合材料模拟CAB钎焊检测，模拟钎焊工艺为：经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表2所示。实施例3本实施例提供一种三层结构的铝合金复合材料，其结构如图1所示。中层为AA3003Mod铝合金，顶层和底层都为AA4045铝合金。其中，AA3003Mod铝合金中各成分的质量百分数如下：Mn为1.8％，Mg为0.15％，Si为0.7％，Fe为0.4％，Cu为0.2％，Ti为0.02％，Zr为0.13％，其余为Al和不可避免杂质。其制备过程如图2所示，具体如下：1)合金熔铸：采用DC铸造方式铸造AA4045铝合金和AA3003Mod铝合金，铸锭尺寸均为450×1120×5100mm。2)复合前处理：将AA4045铝合金进行表面处理，并将AA3003Mod铝合金进行铣面处理至422mm；经表面处理后的AA4045铝合金热轧至41.5mm，然后均分断成5100mm长。3)热轧复合：按照AA4045铝合金、AA3003Mod铝合金、AA4045铝合金的顺序自上而下叠放并固定，加热至450℃并保温17h，然后经多道次热轧至5mm，终轧温度为300℃，然后打卷空冷。3)冷轧：经多次冷轧至0.23mm。4)退火：将冷轧卷在300℃退火炉中保温3h，空冷即得到铝合金复合材料。将制备好的铝合金复合材料模拟CAB钎焊检测，模拟钎焊工艺为：经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表3所示。实施例4本实施例提供一种三层结构的铝合金复合材料，其结构如图1所示。中层为AA3003Mod铝合金，顶层为AA4045铝合金，底层为AA7072铝合金。其中，AA3003Mod铝合金各成分的质量百分数如下：Mn为1.3％，Mg为0.3％，Si为1.0％，Fe为0.1％，Cu为0.8％，Ti为0.01％，Zr为0.06％，其余为Al和不可避免杂质。其制备过程如图2所示，具体如下：1)合金熔铸：采用DC铸造方式铸造AA4045铝合金、AA7072铝合金和AA3003Mod铝合金，铸锭尺寸均为450×1120×5100mm。2)复合前处理：将AA4045铝合金、AA7072铝合金进行表面处理，并将AA3003Mod铝合金进行铣面处理至413mm；经表面处理后的AA4045铝合金和AA7072铝合金热轧至59mm，然后均分断成5100mm长。3)热轧复合：按照AA4045铝合金、AA3003Mod铝合金、AA7072铝合金的顺序自上而下叠放并固定，加热至550℃并保温7h，然后经多道次热轧至10mm，终轧温度为330℃，然后打卷空冷。3)冷轧：经多次冷轧至0.23mm。4)退火：将冷轧卷在400℃退火炉中保温5h，空冷即得到铝合金复合材料。将制备好的铝合金复合材料模拟CAB钎焊检测，模拟钎焊工艺为：经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表4所示。实施例5本实施例提供一种三层结构的铝合金复合材料，其结构如图1所示。中层为AA3003Mod铝合金，顶层和底层都为AA4045铝合金。其中，AA3003Mod铝合金中各成分的质量百分数如下：Mn为1.6％，Mg为0.1％，Si为0.01％，Fe为0.7％，Cu为0.4％，Ti为0.01％，Zr为0.03％，其余为Al和不可避免杂质。其制备过程如图2所示，具体如下：1)合金熔铸：采用DC铸造方式铸造AA4045铝合金和AA3003Mod铝合金，铸锭尺寸均为450×1120×5100mm。2)复合前处理：将AA4045铝合金进行表面处理，并将AA3003Mod铝合金进行铣面处理至426mm；经表面处理后的AA4045铝合金热轧至35.5mm，然后均分断成5100mm长。3)热轧复合：按照AA4045铝合金、AA3003Mod铝合金、AA4045铝合金的顺序自上而下叠放并固定，加热至520℃并保温9h，然后经多道次热轧至6mm，终轧温度为340℃，然后打卷空冷。3)冷轧：经多次冷轧至0.23mm。4)退火：将冷轧卷在330℃退火炉中保温4.5h，空冷即得到铝合金复合材料。将制备好的铝合金复合材料模拟CAB钎焊检测，模拟钎焊工艺为：经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表5所示。实施例6本实施例提供一种三层结构的铝合金复合材料，其结构如图1所示。中层为AA3003Mod铝合金，顶层为AA4045铝合金，底层为AA7072铝合金。其中，AA3003Mod铝合金中各成分的质量百分数如下：Mn为1.0％，Mg为0.25％，Si为0.2％，Fe为0.2％，Cu为0.9％，Ti为0.01％，Zr为0.04％，其余为Al和不可避免杂质。其制备过程如图2所示，具体如下：1)合金熔铸：采用DC铸造方式铸造AA4045铝合金、AA7072铝合金和AA3003Mod铝合金，铸锭尺寸均为450×1120×5100mm。2)复合前处理：将AA4045铝合金、AA7072铝合金进行表面处理，并将AA3003Mod铝合金进行铣面处理至417mm；经表面处理后的AA4045铝合金热和AA7072铝合金轧至37.9mm，然后均分断成5100mm长。3)热轧复合：按照AA4045铝合金、AA3003Mod铝合金、AA7072铝合金的顺序自上而下叠放并固定，加热至480℃并保温11h，然后经多道次热轧至8mm，终轧温度为340℃，然后打卷空冷。3)冷轧：经多次冷轧至0.23mm。4)退火：将冷轧卷在340℃退火炉中保温3.5h，空冷即得到铝合金复合材料。将制备好的铝合金复合材料模拟CAB钎焊检测，模拟钎焊工艺为：经24min升温至600℃，保温10min，保护气氛为氩气。钎焊前后的力学性能如表6所示。表1实施例1所制备的铝合金复合材料的性能状态厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/％钎焊前0.27187.6231.412.1钎焊后0.27731807.7表2实施例2所制备的铝合金复合材料的性能状态厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/％钎焊前0.23187232.212钎焊后0.236816211.8表3实施例3所制备的铝合金复合材料的性能状态厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/％钎焊前0.23185.2224.310.9钎焊后0.2371.3178.48.7表4实施例4所制备的铝合金复合材料的性能状态厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/％钎焊前0.23175.1213.112.7钎焊后0.2373.4184.79.5表5实施例5所制备的铝合金复合材料的性能状态厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/％钎焊前0.23182.2220.111.7钎焊后0.2375.3186.58.1表6实施例6所制备的铝合金复合材料的性能状态厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/％钎焊前0.2318721713钎焊后0.2374.1176.88.0由AA4045铝合金、AA7072铝合金和AA3003铝合金制备出的铝合金复合材料在钎焊后的屈服强度基本为40MPa-55MPa。从表1至表6可以看出，实施例1至实施例6制备出的铝合金复合材料在钎焊后其屈服强度相较于现有的铝合金复合材料的屈服强度有明显提高，大约提高了10-15MPa。由此可见，由本发明提供的新型铝合金作为芯材制备出的铝合金复合材料焊后强度高，是一种性能十分优越的热交换器原料。综上，本发明在优化Cu、Si、Mn等元素含量的基础上，通过添加一定量的Mg元素，使得铝合金在热加工、热处理和钎焊过程中通过固溶强化和第二相强化方式产生了最佳的强化作用，为制备强度高、厚度薄的铝合金复合材料提供了条件。其次，本发明提供的新型铝合金Mg含量少，由其作为芯材而制备出的铝合金复合材料焊后强度高。而且该铝合金复合材料适合采用CAB钎焊，从而提高了其产品的生产效率和成品率。此外，本发明提供的热交换器强度高。需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。当前第1页1 2 3