專利名稱：用于換熱器中的薄板的在高溫下具有高強度的夾層材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造釬焊用夾層材料的方法、制備經(jīng)釬焊產(chǎn)品的方法，以及經(jīng)釬焊產(chǎn)品的應(yīng)用。本發(fā)明還涉及通過所述方法制得的夾層材料和通過所述方法制得的經(jīng)釬焊產(chǎn)
背景技術(shù)：
鋁是常用于通過釬焊制造產(chǎn)品的材料。鋁可通過添加各種合金材料例如Mn、Mg、Ti、Si而鑄成合金，并且鋁合金的強度受到顆粒偏析或者與鋁形成固溶體的合金材料的影響。以上類型的釬焊用材料可通過在釬焊前對其進行冷加工而在釬焊后被賦予高強度，冷加工即在溫度低于200°C下進行軋制或拉伸，其提高強度，并由此它在釬焊時不失去強度的提高。這意味著該材料在整個釬焊所必需的熱處理過程中避免了重結(jié)晶。此外，該材料在不低于300°C的高溫下使用時可被賦予高疲勞強度和抗蠕變性。該高溫下高強度的產(chǎn)生是因為在冷加工過程中通過選擇足夠低的變形程度而降低重結(jié)晶的驅(qū)動力，并因為產(chǎn)生每單位體積足夠大量的顆粒使約束力提高。釬焊用材料可被具有高硅含量的合金的釬焊層包覆。在釬焊中，使該材料與另一部件接觸，并在釬焊爐中加熱。釬焊層中的高硅含量使釬焊層在比下面的芯層更低的溫度下熔化，因毛細(xì)作用力和表面張力差異而流出，與另一部件形成焊縫。另一釬焊材料的變例不包括任何釬焊層，但是，它被釬焊至包括該層的材料。例如，該材料可用于換熱器例如由薄鋁板折疊的汽車散熱器中所謂的“翅片”(ranks)。在制造換熱器時，翅片緊靠釬焊包覆管排列，然后在釬焊爐中加熱，使得管上的釬焊層熔化，并因毛細(xì)作用力和表面張力差異而流出，在翅片與管之間形成焊縫。氣/液換熱器例如汽車散熱器中的翅片的首要功能是將熱從管中的液體傳導(dǎo)向氣體。翅片通常具有附加的任務(wù)。釬焊在很高的溫度下進行，以至材料可在僅受到由其自身重量產(chǎn)生的機械應(yīng)力而發(fā)生蠕變變形。翅片必須不變得太軟以至于它們塌陷，而是有助于保持換熱器的形狀。翅片在此方面的能力(它們的“抗撓曲性”)通過在加熱至600°C的爐的一端水平固定特定長度(例如50mm)的板條而進行測定。在爐已冷卻時，測定自由端的撓曲度。換熱器耐受運行時管中可產(chǎn)生的高壓的能力也是重要的，在這樣的運行中，翅片有助于耐受此高壓。若翅片在高溫下也具有高強度，則管件可以更細(xì)，這意味著換熱器重量減輕。若到達釬焊料的熔化溫度之前，經(jīng)釬焊的部件材料被加熱至釬焊溫度時未重結(jié)晶，則來自釬焊料的硅滲入受釬焊的材料。這在薄板，例如翅片中勢必造成熔化和塌陷的風(fēng)險，或可形成不完全或較差的具有大孔隙的焊縫。硅滲入通過擴散、外層的熔化或者所謂的“液膜遷移”發(fā)生[參見例如 A. Wittebrod, S. Desikan, R. Boom, L. Katgerman, MaterialsScience Forum Vols. 519-521，(2006)ρρ· 1151-1156)]。因此，在釬焊過程中未重結(jié)晶的上述釬焊材料必須具有阻隔層。將由多層組成的材料恰當(dāng)?shù)胤Q為夾層材料。阻隔層的功能是減少釬焊過程中硅從釬焊料滲入下面的芯材中，并由此確保形成良好的焊縫，使得芯材不開始熔化。硅的滲入特別易于在晶界處發(fā)生。因此，需要在阻隔層中形成大晶粒，使得幾乎不存在晶界。常規(guī)高強度釬焊材料(例如含有高含量的錳)的一個問題是其抗腐蝕性不是最好的。含有鐵、錳和鋁的金屬間顆粒比周圍的鋁基體更偏惰性，這在潮濕環(huán)境中產(chǎn)生點蝕。在此方面，僅以鐵和硅為合金材料且鐵含量低的市售純鋁具有大幅更好的性質(zhì)。因此，可優(yōu)選構(gòu)成阻隔層和芯層以使夾層材料具有良好的抗腐蝕性。若空氣/水換熱器中的管開始腐蝕，它們會滲漏，這必須被阻止。因此，常把鋅添加入翅片中的合金，以使它們相對于管件具有更低的電勢，并提供所謂的陰極保護。當(dāng)然，這對于翅片造成更全面的腐蝕。但這是可接受的，而導(dǎo)致翅片更快速溶解的晶粒間腐蝕和點蝕必須不可發(fā)生。一種進一步改進抗腐蝕性的方法是提高芯層的電化學(xué)電勢。這可通過例如使用銅、錳或一些其他合金材料實施，所述合金材料提高固溶體中的電化學(xué)電勢，并在釬焊過程中加入固溶體中。已知類型的釬焊材料的一個問題是它們在高溫下缺乏足夠的疲勞強度和抗蠕變性。若在測試時溫度高(超過200°c)，則用于材料的抗蠕變性的疲勞應(yīng)力的使用期也將在相當(dāng)高的應(yīng)力下受限制。因為金屬間偏析對高溫下的強度作用很大，重要的是，它們穩(wěn)定并且不隨著時間過快地溶解。特別重要的是不重結(jié)晶的芯材，因為偏析延遲重結(jié)晶的過程。在高于150°C至不高于300°C的溫度下需要更好的疲勞強度和抗蠕變性的兩個產(chǎn)品實例是汽車發(fā)動機中的中間冷卻器和尾氣再循環(huán)冷卻器。這些產(chǎn)品通常通過夾層材料的釬焊而進行制造。為了減少污染氣體的排放和改進功效，對汽車發(fā)動機的要求提高，這意味著這些冷卻器經(jīng)受越來越高的運行溫度和氣壓。這造成問題，因為現(xiàn)存的夾層材料不滿足該強度需求。目前運行溫度不超過100°c的常規(guī)汽車散熱器因強度原因制成相對重的材料尺寸。較重的重量造成高燃料消耗。散熱器中所用的大量材料還使它們的生產(chǎn)昂貴。盡管翅片相對于汽車散熱器中的管件和其他部件較薄，但它們?nèi)匀徽忌崞髦亓康暮艽蟛糠?約40% )，因此，它們在運行溫度下具有良好的強度以可降低它們的厚度是非常重要的。通過WO 2009/U8766中所述的方法已解決換熱器的管和端板的上述問題。在此方法中，芯層具有在釬焊過程中不進行重結(jié)晶的組成。為了防止硅從釬焊料滲入芯層中，通過軋制施用阻隔層，其由在釬焊過程中以大晶粒重結(jié)晶的鋁合金組成。一個問題在于，若芯層和阻隔層的抗變形性相差很大且若阻隔層非常厚，可能在熱軋過程中難以使阻隔層粘附至芯層。不含氧化物的鋁表面在與空氣接觸時很快被氧化物覆蓋。為了具有粘附性，需要在芯層和阻隔層上產(chǎn)生沒有氧化物的金屬表面以獲得金屬對金屬的接觸。若兩層都變形，這通過軋制產(chǎn)生的表面擴大而實現(xiàn)。例如，若芯層遠比阻隔層更硬，則芯層不變形。在制造過程中，將阻隔層的板置于芯材合金鑄錠的一側(cè)或兩側(cè)上。為了工業(yè)軋制過程中的良好產(chǎn)量，此夾層包的組合厚度為60cm。然后需要在每次軋制中以相對小的縮減率開始軋制。因為加工輥的直徑和夾層包的厚度之比較小，這意味著在接近夾層包的表面處發(fā)生初始厚度的縮減和表面的擴大。若阻隔層厚，則在阻隔層與芯材鑄錠之間的邊界層中表面擴大較小，難以使所述層粘合在一起。一個甚至更大的問題在于大多數(shù)厚度縮減發(fā)生在表面，因此阻隔層比芯層伸長更多。這向芯層的前部和后部擠壓出阻隔層。然后必須修切這些突出部，這降低了該過程的效率。此外，阻隔層被壓出至超過芯層的側(cè)面，這意味著在成品薄板的整個寬度上產(chǎn)生阻隔層的厚度偏差。因此，軋制板的邊緣必須被剪去和廢棄，因為它們在阻隔層的厚度太薄。這進一步減少該過程的產(chǎn)量。當(dāng)然，若阻隔層比芯層更軟(通常是這樣的情況)，產(chǎn)量差的問題更加突出。該問題在非常薄的薄板(例如換熱器翅片，通常比0. Imm更薄，可以薄至0.05mm)中尤為嚴(yán)重。這意味著，為了使阻隔層工作，需要至少0.007mm的厚度，這占其厚度的較大部分。隨之，用于制造換熱器用薄板的常規(guī)方法(熱軋法)難以達到良好的產(chǎn)量，特別是若芯層遠比阻隔層更硬。若阻隔層比總厚度的20%更厚，則在軋制過程中根本難以使所述層粘合在一起。在軋制過程中使材料變硬主要是它的許多硬金屬間顆粒的含量。固溶體中的合金元素還提高抗變形性。在夾層材料中，芯層應(yīng)包括許多顆粒，從而不重結(jié)晶，而阻隔層應(yīng)幾乎不包含顆粒，從而在相對低溫下以大晶粒度重結(jié)晶。因此，當(dāng)所述層被軋制在一起時，它們的硬度差異可能很大，為了獲得良好的產(chǎn)量必須將其避免。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個主要目的是提供釬焊用夾層材料，其可以高產(chǎn)量制得，并且在低溫和高溫下都具有高強度，特別對于抗蠕變性和抗疲勞性。此目的通過根據(jù)獨立權(quán)利要求1所述的制備釬焊用夾層材料的方法實現(xiàn)。本發(fā)明的實施方案由從屬權(quán)利要求2-9限定。本發(fā)明的另一目的是提供夾層材料，其除了上述高強度之外還具有良好的抗腐蝕性。這根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)，因為趨近表面的電化學(xué)電勢降低，并且經(jīng)釬焊換熱器中的暴露在外的表面(所謂的阻隔層)幾乎不含有金屬間顆粒。本發(fā)明還涉及制備釬焊用夾層材料的方法，其在軋制過程中提供良好的產(chǎn)量以及夾層材料在低溫和高溫下的高強度。因為可使用薄材料，所以這是可能的，這意味著材料節(jié)約、以及在交通工具的換熱器中更輕的重量和由此而來的燃料消耗下降。本發(fā)明的另一目的是提供經(jīng)釬焊產(chǎn)品，其由在低溫和高溫下都具有高強度的夾層材料組成。此目的是通過根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備經(jīng)釬焊產(chǎn)品的方法實現(xiàn)。此方法的實施方案由從屬權(quán)利要求11-14限定。本發(fā)明還涉及經(jīng)釬焊產(chǎn)品的應(yīng)用，根據(jù)上述方法在超過150°C，優(yōu)選超過200°C，最優(yōu)選超過250°C的操作溫度下制得所述產(chǎn)品。根據(jù)上述方法制得的經(jīng)釬焊產(chǎn)品還可優(yōu)選地在較低的操作溫度下，例如不高于100°c下使用，其中可使用比常規(guī)更薄的材料以節(jié)省材料輸入量或重量和燃料消耗。本發(fā)明提供釬焊用夾層材料，其包括第一鋁合金的芯層和第二鋁合金的阻隔層，其中所述阻隔層和所述芯層在一起軋制前具有基本上相同的抗變形性，并且所述夾層材料可通過以下步驟制備-提供第一合金的芯層，其包含(重量％):0. 5%-2.0%，優(yōu)選0.8%-1.8%，最優(yōu)選 1. 0% -1. 7% 的 Mn，彡 0. 2%，優(yōu)選彡 0. 的 Si，彡 0. 3% 的 Ti，彡 0. 3%，優(yōu)選彡 0. 2%的Cr，彡0.3%，優(yōu)選彡0.2%的Zr，彡0.2%，優(yōu)選彡0. 的Cu，彡3%的Zn，彡0.2%的In，彡0. 的Sn，以及彡0.7%，優(yōu)選彡0. 35%的(Fe+Ni), ^ 1. 0%，但對于在惰性氣體下使用助焊劑的釬焊彡0. 3%，最優(yōu)選彡0. 05%的Mg，其余為Al和彡0. 05%的各不可避免的雜質(zhì)；-提供第二合金的阻隔層，其包含(重量％)彡0.2% Mn+Cr，1.6% -5%，優(yōu)選 2% -4. 5% 的 Si，≤ 0. 3%，優(yōu)選< 0. 2% 的 Ti，≤ 0. 2% 的 Zr，≤ 0. 2%，優(yōu)選≤ 0. 1%的Cu，≤ 3 %的Zn，≤ 0. 2 %的In，≤ 0. 1 %的Sn，以及≤ 1. 5 %，優(yōu)選≤ 0. 7%,最優(yōu)選0. 1%-0. 35%的Pe+Ni)，≤ 1.0%，但對于在惰性氣體下使用助焊劑的釬焊≤ 0.3%，最優(yōu)選< 0. 05%的Mg，其余為Al和< 0. 05%的各不可避免的雜質(zhì)；-將所述層一起軋制以使它們粘合并形成夾層材料；-在預(yù)定的溫度下將夾層材料熱處理，并持續(xù)預(yù)定的時間以使芯層和阻隔層中的Si-含量為 0.4% -1% ；-將夾層材料軋制成最終厚度。所述芯層含有高含量的錳，這意味著它具有高抗變形性，但是因為它含有低含量的硅，彌散相的數(shù)量較低，因此在熱軋時比硅含量高的情況下的抗變形性較低。阻隔層含有高含量的硅，這意味著它的抗變形性比硅含量低的情況下的更高，因此，芯層和阻隔層的抗變形性差別程度較小，顯著提高產(chǎn)量，并且在一起軋制時促進粘合。芯層的鎂含量比阻隔層中更低以進一步降低抗變形性的差異。在第一步驟中，在一側(cè)或兩側(cè)上將芯層與阻隔層一起軋制而形成夾層材料。這優(yōu)選通過熱軋實施。然后可冷軋夾層材料。冷軋的程度取決于夾層材料的最終厚度和期待的材料性質(zhì)。優(yōu)選地，軋制夾層材料直至它比最終厚度厚8% -33%，優(yōu)選地，比最終厚度厚8% 48%，為了最佳結(jié)果，甚至更優(yōu)選比最終厚度厚8% -16%。然后在350°C -500°C的溫度下熱處理夾層材料，并持續(xù)足夠長的時間以使它重結(jié)晶，并且使硅從阻隔層擴散入芯層中。此熱處理以下稱為“中間退火”。芯層中的錳在小型重結(jié)晶中較高程度地分離析出，其抑制Al-Si-Mn-偏析體，即所謂的彌散相。在中間退火后，芯層和阻隔層中的硅含量應(yīng)為0. 4% -1%的水平。中間退火的持續(xù)時間取決于材料的尺寸和中間退火的溫度，并優(yōu)選為I-M小時。通過將硅含量保持在低于而防止所述層熔化，并且0. 4%的最低含量意味著由于形成彌散相芯層而在整個成品材料的釬焊過程(最常在590-610°C的溫度下實施)中不重結(jié)晶。在上述的中間退火后，通過冷軋將夾層材料加工至它的最終厚度。精加工的程度取決于所期望的成品中的材料性質(zhì)以及在之前的步驟中加工多少夾層材料。優(yōu)選地，以占最終厚度8 % -33 %，優(yōu)選8 % -28 %，最優(yōu)選8 % -16 %的縮減程度進行冷軋。因為在軋制前芯層包含低含量的硅，并且阻隔層包含高含量的硅，所以在軋制時抗變形性的差異不是如此大，這意味著軋制產(chǎn)量將是良好的。然后，在進行中間退火時，在芯層中形成密集量的彌散相，從而在釬焊時產(chǎn)生期望的抑制重結(jié)晶的效果。若硅以高含量存在于芯層中，則將形成密集量的彌散相，產(chǎn)生高抗變形性。若在上述中間退火的后期過程中形成彌散相，仍然可獲得彌散相抑制重結(jié)晶的效果。即使所述層薄，阻隔層也進行重結(jié)晶，因為錳、鋯和鉻含量低，這意味著在阻隔層中形成大幅更少的彌散相。通過使鐵和鎳的含量保持在低水平而達到阻隔層中的期望的粗晶粒度。該材料特別適用于釬焊包覆有釬焊料的表面。因此，優(yōu)選在遠離芯層的阻隔層的一側(cè)上不存在任何其他層。因為芯層和阻隔層的抗變形性沒有顯著差異，所以軋制產(chǎn)量非常好。上述夾層材料在上述軋制和中間退火后提供多項優(yōu)點；阻隔層在被加熱至釬焊溫度時以粗晶粒度重結(jié)晶，此時顯著減少硅從釬焊料擴散至芯材。仔細(xì)地調(diào)整芯層和阻隔層中的合金含量有助于通過抵消芯層的重結(jié)晶而在釬焊后向夾層材料賦予高溫下的良好強度性質(zhì)。因此，所述材料在高達300°C的溫度下具有高疲勞強度和良好的蠕變強度。在釬焊后，所述夾層材料具有非常好的焊縫。所述夾層材料可由第一鋁合金的芯層和設(shè)置在所述芯層一側(cè)上的第二鋁合金的阻隔層組成。所述夾層材料可由第一鋁合金芯層和設(shè)置在所述芯材每一側(cè)上的兩個第二鋁合金阻隔層組成。優(yōu)選地，阻隔層在夾層材料待釬焊至另一部件的一側(cè)上構(gòu)成夾層材料的最外層。該材料非常適于用作換熱器中翅片的薄板。優(yōu)選地，在加熱至釬焊溫度后，阻隔層具有平行于軋制表面的晶粒度大于50 μ m的重結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這使硅從釬焊料向芯材的滲入最小化，繼而產(chǎn)生更強的焊縫。所述芯層在釬焊后可具有未重結(jié)晶或部分重結(jié)晶的結(jié)構(gòu)。該芯層結(jié)構(gòu)對賦予夾層材料高強度而言是必需的。優(yōu)選地，所述釬焊后的夾層材料在300°C下，拉伸載荷R = 0. 1，在1百萬次負(fù)載循環(huán)下的疲勞強度大于35MPa。優(yōu)選地，所述夾層材料滿足以下條件0. 4%^ Cs · x/100+Ck · (100_x)/100彡1. 0%，其中在軋制之前所述芯層和阻隔層中的硅含量分別為Ck%和Cs%，阻隔層的厚度(或者在兩層阻隔層的情況下為總厚度)占軋制后的夾層材料總厚度的x%。若滿足該條件，可實現(xiàn)在芯層中的期望的抑制重結(jié)晶的效果，并阻止該層在釬焊過程中的熔化。本發(fā)明涉及制備釬焊用夾層材料的方法，其包括步驟-提供第一合金的芯層，其包含(重量％):0. 5%-2.0%，優(yōu)選0.8%-1.8%，最優(yōu)選 1. 0% -1. 7% 的 Mn，彡 0. 2%，優(yōu)選彡 0. 的 Si，彡 0. 3% 的 Ti，彡 0. 3%，優(yōu)選彡 0. 2%的Cr，彡0. 3%，優(yōu)選彡0. 2%的Zr，彡0. 2%，優(yōu)選彡0. 的Cu，彡3%的Zn，彡0. 2%的In，彡0. 的Sn，以及彡0.7%，優(yōu)選彡0. 35%的pe+Ni)，彡1. 0%，但是對于在惰性氣體下釬焊助焊劑< 0.3%，最優(yōu)選< 0. 05%的Mg，其余為Al和< 0. 05%的各不可避免的雜質(zhì)；-提供第二合金的阻隔層，其包含(重量％):彡0.2^^11+0，1.6%-5%，優(yōu)選2% -4. 5% 的 Si，彡 0. 3%，優(yōu)選< 0. 2% 的 Ti，彡 0. 2% Zr, ^ 0. 2%，優(yōu)選彡 0. 的 Cu，彡3% Zn，彡0. 2% In，彡0. 1% Sn，以及彡1. 5%，優(yōu)選彡0. 7%，最優(yōu)選0. 1 % -0. 35%的(Fe+Ni), ^ 1.0%，但對于在惰性氣體下使用助焊劑的釬焊彡0.3%，最優(yōu)選彡0. 05%的Mg，其余為Al和彡0. 05%的各不可避免的雜質(zhì)；-將所述層一起軋制以使它們粘合并形成夾層材料；-在預(yù)定的溫度下熱處理夾層材料，并持續(xù)預(yù)定的時間，以使芯層和阻隔層中的Si-含量為 0.4% -1% ；-將夾層材料軋制成最終厚度。夾層材料可被軋制成各種長度的薄板或板，并且在整個薄板表面上的厚度偏差低。由于芯層和阻隔層的抗變形性差異輕微，因此該方法能夠以高生產(chǎn)率和高產(chǎn)量地安全且合理地生產(chǎn)夾層材料。
在熱軋前，可在芯層的另一表面上設(shè)置另一個第二鋁合金層，以使芯層在兩側(cè)都被阻隔層圍封。這產(chǎn)生在兩側(cè)上都可進行釬焊的夾層材料?？稍谛緦拥挠忠槐砻嫔显O(shè)置具有特殊的抗腐蝕性的其他鋁合金層，以使芯層在一側(cè)被阻隔層圍封，在另一側(cè)被抗腐蝕層圍封。優(yōu)選地，通過在350°C -500°C下進行熱軋而將所述層一起軋制。然后將夾層材料冷軋。冷軋程度的選擇根據(jù)在成品中所期望的最終厚度和所期望的性質(zhì)。優(yōu)選地，將夾層材料軋制，直至它比最終厚度厚8% -33%之間，優(yōu)選比最終厚度厚8% 48%，為了最佳結(jié)果，特別是比最終厚度厚8% -16%。在下一步驟中，在300°C -500°C高溫下熱處理經(jīng)軋制的夾層材料。該溫度優(yōu)選地為350°C -500°C，加熱材料的持續(xù)時間取決于材料的尺寸和具體的溫度。優(yōu)選地，加熱材料的持續(xù)時間為I-M小時。由于熱處理即所謂的中間退火，夾層材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以改變而使得整個層開始重結(jié)晶，硅從阻隔層向芯層的擴散導(dǎo)致錳以大量的Al-Mn-Si偏析體的形式析出，并且阻隔層中的硅含量降至或更低。最后通常通過冷軋對夾層材料進一步冷加工至最終厚度。精加工的程度取決于所期望的成品材料性質(zhì)以及在之前的步驟中已加工的夾層材料數(shù)量。優(yōu)選地，將夾層材料加工至最終厚度，其縮減率為最終厚度的8 % -33 %，優(yōu)選8 % - %，最優(yōu)選8 % -16 %。在冷加工過程中，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，并且其強度增高。該強度的增高隨著經(jīng)釬焊的換熱器中的材料部分保留，因為芯層在釬焊時不完全重結(jié)晶。這是因為重結(jié)晶的驅(qū)動力因中間退火后冷加工的低縮減率而降低，重結(jié)晶的約束力因大量的Al-Mn-Si偏析體而提高。冷加工的低縮減率還使阻隔層中的晶粒度變大，當(dāng)其在加熱至釬焊溫度時重結(jié)晶。這阻礙硅從釬焊料的滲入以及阻隔層和芯層的熔化。若釬焊過程中的加熱速度為至少25V /min，則7μπι厚或更厚的阻隔層提供極佳的硅從釬焊料滲入的防護性。本發(fā)明還涉及制造包括上述夾層材料的經(jīng)釬焊產(chǎn)品的方法，其中阻隔層具有重結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其中長度平行于軋制表面的的晶粒度為至少50μπι。在加熱至釬焊溫度對過程中，在阻隔層中產(chǎn)生的重結(jié)晶的粗晶粒結(jié)構(gòu)使得硅從釬焊料向芯材的擴散減少，由此產(chǎn)生更強的焊縫，并降低在釬焊時夾層材料中的阻隔層和芯層部分熔化的風(fēng)險。因為芯層不一起重結(jié)晶，并且包含大量的偏析體，所以得到夾層材料產(chǎn)生高強度和非常良好的蠕變和疲勞性質(zhì)(特別是在不低于300°C的高溫下)的經(jīng)釬焊產(chǎn)品。所述經(jīng)釬焊產(chǎn)品中的夾層材料包括具有變形的未重結(jié)晶或部分重結(jié)晶結(jié)構(gòu)的芯層，其中夾層材料的屈服強度Rptl2在室溫下為至少60MPa。此產(chǎn)品中的夾層材料具有良好的抗腐蝕性，因為該夾層材料具有比阻隔層更偏惰性的芯層和幾乎不含有金屬間顆粒的阻隔層。所述經(jīng)釬焊產(chǎn)品適合作為換熱器。本發(fā)明還涉及所述經(jīng)釬焊產(chǎn)品在超過150°C，或超過200°C，或超過250°C的運行溫度下的應(yīng)用。該產(chǎn)品特別適合于此類應(yīng)用，因為它在高溫下具有非常好的強度性質(zhì)。所述經(jīng)釬焊產(chǎn)品還特別適合用于運行溫度低于100°C的換熱器中，因為所述材料在這些溫度下具有高強度，這意味著該產(chǎn)品中的材料可以更薄，由此獲得重量輕且較便宜的產(chǎn)品。在所述產(chǎn)品用于機動車的情況下，重量輕是特別有利的，因為減少了機動車的燃料消耗。
發(fā)明詳述本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)制備用于換熱器釬焊用的薄板的夾層材料的方法，其較之現(xiàn)有的材料具有非常高強度(甚至在高溫下)、非常好的抗腐蝕性，并且可以高生產(chǎn)率和高產(chǎn)量進行生產(chǎn)。因為薄板(例如換熱器中的翅片薄板)中的阻隔層需要至少約7μπι的厚度以提供期望的保護功能，故此它占夾層材料厚度的較大部分，軋制過程中產(chǎn)量差的問題在此情況下特別嚴(yán)重。但是，所需的厚度取決于釬焊過程中的溫度/時間周期。長時間處于高溫下需要較厚的阻隔層。用不同硬度的層軋制的試驗已表明，若在350-500°C溫度下進行的熱軋過程中，所述層的硬度差異不過大，則熱軋產(chǎn)量得以顯著改進。若在350-500°C溫度中進行熱軋的過程中，阻隔層的最大抗變形性與芯材的最大抗變形性相差不太大，則顯著促進熱軋過程中所述層之間的粘合。不含氧化物的鋁表面在與空氣接觸時很快被氧化物覆蓋。因此，為了獲得粘附性，需要在軋制時在芯層和阻隔層上產(chǎn)生沒有氧化物的金屬表面，從而在軋制過程中在所述層之間實現(xiàn)金屬對金屬的接觸。若阻隔層和芯層具有大致相同的抗變形性，則在軋制過程中它們的表面可以大約相同的幅度擴展。這確保所述表面之間一直保持金屬接觸并實現(xiàn)它們之間的良好粘合。若可使用較高含量的、可保持在溶體中的合金材料(例如鎂或銅)，可通過溶體硬化使阻隔層硬化。在某些釬焊方法例如使用助焊劑的惰性氣體釬焊中，若鎂含量過高，則不能獲得良好的釬焊性質(zhì)。在待釬焊至管件的翅片薄板中不可使用高含量的銅，因為它產(chǎn)生高電位，導(dǎo)致管的腐蝕提高。另一種方法可以是添加形成顆粒的合金物質(zhì)。這不是優(yōu)選的，因為盡管阻隔層薄且重結(jié)晶的驅(qū)動力小，但是它在硅的擴散速度變高之前被加熱至釬焊溫度時理應(yīng)以粗晶粒重結(jié)晶。因此，一個問題是發(fā)現(xiàn)阻隔層的組成，所述阻隔層在熱軋時提供足夠高的抗變形性，而且其產(chǎn)生在加熱至釬焊溫度時以粗晶粒度重結(jié)晶的材料。試驗已表明，阻隔層中的晶粒度越細(xì)小且阻隔層越薄，越難以阻止硅從釬焊料進入芯材。因此，就軋制能力和重結(jié)晶性質(zhì)而言，阻隔層中的合金材料的選擇非常有限。阻隔層所需的進行重結(jié)晶并提供對硅滲入的必要防護的厚度取決于釬焊過程的加熱速度。在本發(fā)明中，在軋制過程中，阻隔層的硅含量高，產(chǎn)生許多顆粒并且固溶體中有大量硅，由此獲得高抗變形性。在軋制過程中，芯合金中的硅含量低，產(chǎn)生較少的顆粒，于是抗變形性較低。在熱軋之前，阻隔層應(yīng)在加熱至釬焊溫度時重結(jié)晶。根據(jù)其期望的功能和釬焊過程的加熱速度選擇阻隔層的最低厚度。在最后軋制之前，在上述中間退火過程中產(chǎn)生使芯層在釬焊時不重結(jié)晶所需的高顆粒密度。在該退火過程中，阻隔層的硅含量降低，這意味著它在釬焊過程中不熔化，并由于合金組成變得更像純鋁，其抗腐蝕性質(zhì)得以顯著改進。在本發(fā)明的夾層材料中，在軋制成最終尺寸之前，中間退火后的芯合金在單位體積中包括大量的顆粒以提供抗重結(jié)晶的大約束力和在高溫下非常高的抗疲勞性和抗蠕變性?？梢姡匾氖钦_選擇合金材料并平衡芯層和阻隔層中的合金含量以獲得在高溫下具有良好強度性質(zhì)，并可以高生產(chǎn)率和高產(chǎn)量通過軋制進行加工的夾層材料。以下描述各合金元素在夾層材料中的作用。
硅產(chǎn)生抗變形性，特別是在高變形速率的情況下。在中間退火(如果使硅含量在芯層和阻隔層之間均衡)之前，芯層的硅含量應(yīng)彡0.2;優(yōu)選彡0.1重量％。在阻隔層中，硅含量應(yīng)高，使得提供與芯層中的抗變形性相同的熱軋過程產(chǎn)生的抗變形性，并且在軋制到最終厚度之前，在中間退火過程中使得錳在芯層中析出大量顆粒。但是硅含量不應(yīng)高至使芯層和阻隔層在釬焊過程中熔化。優(yōu)選地，在設(shè)計用來在芯層和阻隔層之間均衡硅含量的熱處理之前，阻隔層中的硅含量應(yīng)為1.6重量％-5.0重量％。優(yōu)選地，阻隔層中的硅含量為2.0重量％ -4. 5重量％。鎂通過溶體硬化(若鎂存在于固溶體中)或者通過在時效時形成Mg2Si偏析體來提高材料的強度。鎂還在高溫軋制時提高抗變形性，這意味著它可有利地用于阻隔層。若它的含量過高，由于在表面上形成鎂氧化物的厚層而降低釬焊能力，并且存在材料在釬焊溫度下熔化的風(fēng)險，故此所述芯層的鎂含量的應(yīng)限定為1.0重量％。在用助焊劑進行惰性氣體釬焊的過程中，鎂與助焊劑反應(yīng)，降低釬焊的能力。釬焊能力隨著鎂含量提高而降低。芯層中的鎂在熱處理和釬焊時擴散進入阻隔層中。因此，若所述材料將用于使用助焊劑的惰性氣體釬焊，則芯層中的鎂含量限定為0. 3重量％，優(yōu)選0. 05重量％。在阻隔層中，出于與在芯層中的相同原因，鎂含量通常限于1.0重量％。在目前最常用的釬焊方法(使用助焊劑的惰性氣體釬焊)中，阻隔層不應(yīng)具有高于約0. 3重量％的鎂含量，因為鎂對助焊劑功能具有不利影響。因此，若所述材料將用于使用助焊劑的惰性氣體釬焊，則阻隔層中的鎂含量應(yīng)彡0. 3重量％，優(yōu)選彡0. 05重量％。若所述材料將進行真空釬焊，則可容許高于0. 3重量％的鎂含量。鋅用來降低所述材料的電勢，它常用來為換熱器中的管件提供陰極保護。在芯層和阻隔層中可使用高達3 %的Si。鋯提高抗撓曲性，并且提高抵抗重結(jié)晶的性質(zhì)。高達0. 3重量％的鋯可添加至芯層的組成中。鋯主要以AlJi 小顆粒分布，該顆粒將阻止重結(jié)晶，并在釬焊后在材料中產(chǎn)生大晶粒。由于AlJr顆粒即使在超過300°C的很高溫度下仍然穩(wěn)定，它們使高溫下的疲勞強度和抗蠕變強度提高。超過0. 3重量％，形成粗偏析體，不利影響材料的成型性。優(yōu)選地，芯層中的ττ含量限于0. 2重量％。因為&有助于提高抗變形性，芯層中^ 含量的選擇綜合考慮了軋制過程中抗變形性提高的不利影響與釬焊過程中抑制重結(jié)晶的作用提高和經(jīng)釬焊產(chǎn)品的強度提高的有利影響之間。在阻隔層中，鋯含量不應(yīng)超過0.2重量％，因為它不可高于釬焊過程中阻隔層重結(jié)晶的容許值，并提供期望的對硅滲入的防護。鈦提高其強度，并且可以高達0.3重量％存在于芯層中。在阻隔層中，鈦的含量可高達0. 3重量％，優(yōu)選< 0. 2重量％。因為這些含量的鈦不形成可延遲重結(jié)晶的偏析體，它可用來在高溫軋制過程中提高阻隔層的抗變形性。固溶體中的錳提高強度、抗撓曲性和腐蝕硬度。偏析體中的錳提高強度。在500°C以下的溫度下經(jīng)適當(dāng)熱處理的錳形成小偏析體即所謂的彌散相，其平均直徑小于0.5 μ m，由此提高抗撓曲性，錳抑制釬焊過程中的重結(jié)晶，并提高在低溫和高溫下的強度。芯層中的錳含量應(yīng)為0. 5% -2. 0 %，優(yōu)選0. 8 % -1. 8 %，最優(yōu)選1. 0 % -1. 7 %。在阻隔層中，錳+鉻的含量不應(yīng)超過0. 2重量％，因為阻隔層必須在釬焊溫度下重結(jié)晶。鐵和鎳對于抗腐蝕性，并在甚至更高的程度上對于抗撓曲性、對于硅從釬焊料滲
11入和芯層的重結(jié)晶具有不利影響。這是因為鐵和鎳形成粗偏析體(起著重結(jié)晶的晶核作用)，由此使晶粒度更小。因此，在芯層中的狗+·含量應(yīng)限于0. 7重量％，優(yōu)選0. 35重量％。在阻隔層中，其含量限于1.5重量％，但應(yīng)有利地低于0.7重量％。優(yōu)選地，其在阻隔層中的含量為0. 10重量％ -0. 35重量％。高于0. 2重量％的銅含量的缺點在于，阻隔層可變得比換熱器的管件及其他關(guān)鍵部件更偏惰性，這從腐蝕的角度而言造成不期望的電勢梯度。因此，芯層和阻隔層中的銅含量不應(yīng)超過0. 2重量％，優(yōu)選不超過0. 1重量％。類似鋯和錳，鉻在低含量下是所謂的彌散相形成物。因為在較高的鉻含量下形成粗顆粒，所以芯層中的鉻含量不應(yīng)超過0. 3重量％。在阻隔層中，錳和鉻含量之和不應(yīng)超過0. 2重量％，因為阻隔層在釬焊溫度下必須重結(jié)晶。有時添加少量的銦和錫以改變材料的電化學(xué)性質(zhì)。對于銦其含量應(yīng)限于<0.2%，對于錫為彡0. 1%。


圖1顯示硅和錳的含量與從板的表面至本發(fā)明的夾層材料(包括合金1的芯層和合金2的阻隔層，按照實施例1在中間退火后軋制到0.07mm)的中部的深度相關(guān)。在掃描電子顯微鏡中，通過能量色散光譜法在夾層板的縱剖面中的不同深度逐點進行硅和錳濃度測定。點與點之間的較大組成偏差是因為芯層中的硅是偏析體中最多的部分。圖2顯示在實施例1中的包括合金1的芯層和合金2的阻隔層的本發(fā)明夾層材料中，在阻隔層(下部)與芯層之間的邊界區(qū)中，在模擬釬焊熱處理后的縱剖面的顯微結(jié)構(gòu)。圖3顯示所形成的焊縫上的剖面的顯微結(jié)構(gòu)，當(dāng)在各側(cè)上將本發(fā)明的夾層材料(在每側(cè)上包括芯合金1和10%厚度的阻隔層2)制成所謂的翅片，并釬焊至夾層材料管(由Al-Mn-合金和純鋁中間層和含有10% Si的鋁合金釬焊層組成)時形成該焊縫。在中間退火與釬焊之間，以相當(dāng)于初始厚度的16%的縮減率軋制夾層材料。圖4顯示在所謂的“反向散射模式”的掃描電子顯微鏡中所得的本發(fā)明的夾層材料的圖像。該圖像顯示在模擬釬焊熱處理之后縱剖面中的晶粒結(jié)構(gòu)。在各側(cè)上夾層材料由芯合金1和10%厚度的阻隔層2組成。在中間退火和釬焊之間，以相當(dāng)于初始厚度16%的縮減率對其進行軋制。如該圖所示，芯合金具有變形結(jié)構(gòu)，而阻隔層已以粗晶粒度重結(jié)晶。圖5顯示隨著溫度變化，實施例2的夾層材料的強度與翅片用標(biāo)準(zhǔn)合金的強度的對比。圖6顯示隨著溫度變化，實施例2的本發(fā)明夾層材料的疲勞強度與翅片用標(biāo)準(zhǔn)合金的相應(yīng)性質(zhì)的對比。圖7顯示隨著溫度變化，實施例2的本發(fā)明夾層材料的蠕變強度與翅片用標(biāo)準(zhǔn)合金的相應(yīng)性質(zhì)的對比。
具體實施例方式實施例以下實施例描述用本發(fā)明夾層材料對比標(biāo)準(zhǔn)材料進行的試驗結(jié)果。實施例1
通過軋制將阻隔層合金板與芯層合金板接合在一起而制備本發(fā)明的夾層材料。各層的組成示于表1中。芯層在每側(cè)上設(shè)有阻隔層板，其中在各側(cè)上的阻隔層占總厚度的10%、15%或20%。先將該層加熱至480°C，持續(xù)2小時。進行軋制而沒有出現(xiàn)粘合性的問題。在板的整個表面上厚度偏差小于1%。然后軋制夾層材料直至厚度為0. 09mm。對夾層板進行軟化退火以使它們完全重結(jié)晶，并且硅含量在芯層和阻隔層中平均相同，參見圖1。此后，以占初始厚度5%至25%的不同厚度縮減率軋制夾層材料。表1.合金組成
權(quán)利要求
1.制備釬焊用夾層材料的方法，其包括以下步驟_提供第一鋁合金的芯層，其包含(重量％)Mn 0. 5-2. 0%，優(yōu)選 0. 8-1. 8%，最優(yōu)選 1. 0-1. 7%Mg:≤1.0%，優(yōu)選≤0.3%，最優(yōu)選≤0. 05%Si ≤ 0. 2%，優(yōu)選≤ 0. 1% SiTi ≤ 0. 3%Cr ≤ 0. 3%，優(yōu)選≤ 0. 2%Zr ≤ 0. 3%，優(yōu)選≤ 0. 2%Cu ≤ 0. 2%，優(yōu)選≤ 0. 1%Zn ≤ 3%In ≤ 0. 2%Sn ≤ 0. 1%Fe+Ni ≤ 0. 7%，優(yōu)選≤ 0. 35%其余為Al和≤ 0. 05%的各種不可避免的雜質(zhì)；-提供第二鋁合金的阻隔層，其包含(重量％ )Mn+Cr ≤ 0. 2%Mg:≤1.0%，優(yōu)選≤0.3%，最優(yōu)選≤0. 05%Si 1. 6-5%，優(yōu)選 2-4. 5%Ti ≤0. 3%，優(yōu)選< 0. 2%Zr ≤ 0. 2%Cu ≤ 0. 2%，優(yōu)選≤ 0. 1%Zn ≤ 3%In ≤ 0. 2%Sn ≤ 0. 1%(Fe+Ni) ≤ 1. 5%，優(yōu)選≤ 0. 7%，更優(yōu)選 0. 1-0. 35%其余為Al和≤ 0. 05%的各種不可避免的雜質(zhì)；-將這些層一起軋制以使它們粘合并形成夾層材料；-在預(yù)定的溫度下對所述夾層材料實施熱處理持續(xù)預(yù)定的時間，以使所述芯層和所述阻隔層中的Si含量均補償至0. 4% -1% ；-將所述夾層材料軋制成設(shè)計的最終厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在熱處理之前還將所述夾層材料冷軋，直至所述夾層材料比指定的最終厚度厚8 % -33 %，優(yōu)選比指定的最終厚度厚8 % -28 %，最優(yōu)選比指定的最終厚度厚8% -16%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一的方法，其中在熱處理之后將所述夾層材料冷軋至最終厚度，其縮減率為指定的最終厚度的8 % -33 %，優(yōu)選8 % - %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的方法，其中所述熱處理在350°C與550°C之間的溫度下實施。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的方法，其中所述熱處理持續(xù)進行I-M小時的時間。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其包括提供一個第一鋁合金的芯層和兩個第二鋁合金的阻隔層的步驟，其中所述阻隔層被設(shè)置在所述芯材的每一側(cè)上。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中在所述夾層材料的待釬焊至另一部件的一側(cè)上，一個或多個阻隔層構(gòu)成所述夾層材料的最外層。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中0.4%^ Cs*x/100+Ck*(100-x)/100 ^ 1.0%,其中Ck是軋制之前所述芯層中的硅含量，Cs是軋制之前所述阻隔層中的硅含量，而χ是所述阻隔層的厚度，或者在兩個阻隔層的情況下，χ是所述阻隔層的組合的厚度，以一起軋制后的夾層材料的總厚度的百分?jǐn)?shù)表示。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中χ是7μπι或更大。
10.制備經(jīng)釬焊的產(chǎn)品的方法，其包括制備根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的夾層材料的過程和將所述夾層材料與另一部件進行釬焊的過程。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在釬焊時使所述阻隔層重結(jié)晶，以使長度平行于所述夾層材料的軋制表面的晶粒度為至少50 μ m。
12.根據(jù)權(quán)利要求10和11之一的方法，其中所述夾層材料的芯層在釬焊后具有未重結(jié)晶或部分重結(jié)晶的結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12之一的方法，其中釬焊后的所述夾層材料在室溫下的屈服強度為至少60MPa。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13之一的方法，其中釬焊后的所述夾層材料在300°C下以拉伸載荷R = 0. 1實施一百萬次負(fù)載循環(huán)的疲勞強度高于35MPa。
15.通過根據(jù)權(quán)利要求10至14之一的方法制得的經(jīng)釬焊的產(chǎn)品在達到至少150°C，或優(yōu)選至少200°C，或最優(yōu)選至少250°C的運行溫度下的用途。
16.釬焊用夾層材料，其是通過根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的方法制造的。
17.經(jīng)釬焊的產(chǎn)品，其是通過根據(jù)權(quán)利要求10至14之一的方法制造的。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備釬焊用夾層材料的方法，其包括以下步驟提供第一合金的芯層，其包含(重量％)0.5％-2.0％Mn，≤1.0％Mg，≤0.2％Si，≤0.3％Ti，≤0.3％Cr，≤0.3％Zr，≤0.2％Cu，≤3％Zn，≤0.2％In，≤0.1％Sn和≤0.7％(Fe+Ni)，其余為Al和≤0.05％的各種不可避免的雜質(zhì)；提供第二合金的阻隔層，其包含(重量％)≤0.2％Mn+Cr，≤1.0％Mg，1.6％-5％Si，≤0.3％Ti，≤0.2％Zr，≤0.2％Cu，≤3％Zn，≤0.2％In，≤0.1％Sn和≤1.5％(Fe+Ni)，其余為Al和≤0.05％的各種不可避免的雜質(zhì)；將這些層一起軋制以使它們粘合并形成夾層材料；在預(yù)定的溫度下對所述夾層材料實施熱處理持續(xù)預(yù)定的時間，以使所述芯層和所述阻隔層中的Si含量均補償至0.4％-1％；將所述夾層材料軋制成最終厚度。
文檔編號C22C21/02GK102597285SQ201080046345
公開日2012年7月18日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者A·奧斯卡松, H-E·?？怂固貍?申請人:薩帕鋁熱傳輸公司