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汽车热传输铝合金复合材料前景广阔

汽车热传输铝合金复合材料前景广阔   随着科学技术的飞速进步、国民经济的高速发展和人民生活水平的大幅度提高与质量的明显改善,以及为了避免或减轻资源和能源的过度消耗、环境的日趋恶化、地球温升日趋明显、生态环境日趋破坏等对人类生存与发展带来的危害,创造一个人与自然和谐相处的环境,保持人类社会、经济、文化、科学的可持续发展,这就对热传导材料提出了越来越高的要求。不仅数量增加,而且品种增多、质量要求提高、技术难度增大。
  
  热传导装置、器具或零部件包括散热器、取暖片、空调器、等,应用十分广泛,几乎涉及到航天航空、交通运输、汽车、建筑工程、电子电器、电力能源、家电家具、医疗文体等所有军事与民用的各个工业部门及人民生活的各个方面,在人类文明、社会进步与经济发展中都起到了一定的作用。
  
  铝合金热传输材料的特点热传导装置的应用历史由来已久,因此其材料的使用也有上千年的历史,但是各种材料是在不断更替和发展的。从材质上来看,世界上目前仍然常用的散热器有:钢质散热器、铝质散热器、铜质散热器、铸铁散热器和其它材质或复合材料散热器等。从用途上来看,目前主要有功能散热器和装饰型散热器等。由于铝合金具有密度小、比强度高、导电性和导热性好、塑性优良、可加工成各种复杂形状的材料、可表面处理成各种颜色、耐蚀性良好、使用寿命长、可回收性好等一系列优点,因此,逐渐成为主要的热传导材料,特别是在功能型散热器方面铝质材料已成为主流。
  
  铝质散热器与其他材质的同类产品相比具有如下的特点:
  
  1。耐腐蚀、使用寿命长。铝合金材料表面可生成一层厚的坚实的氧化膜,可在pH≤9的采暖水质中或汽车水箱中长期使用,而经过特殊的表面处理的铝质散热器可在pH≤12的各种材质中长期使用。
  
  2。可进行各种表面处理,花色品种多,而且无焊点,装饰性强,美观耐用,能满足人们个性化要求。
  
  3。使用安全、承压高。由于铝合金的比强度、比刚度大大高于铜、铸铁和钢材。即使在厚度较薄的情况下,也能承受足够大的压力、弯力、拉力和冲击力,在搬运、安装、使用过程中,不会出现损伤现象。
  
  4。重量轻,便于安装和搬运。在散热量相同时,其重量只有铸铁散热器的十一分之一、钢质散热器的六分之一、铜质散热器的三分之一,可大大节约运输成本,减轻劳动强度,节省安装时间。
  
  5。安装简单、维修方便。由于铝合金密度小,而且可以加工成各种形状与规格的零部件,所以该种铝质散热器的截面大而规整,产品组装、表面处理可一步到位,施工现场可直接安装,节省大量安装费用。维修也方便,费用低廉。
  
  6。节能降耗、使用成本低。当散热器进出口中心距和热传导温度相同时,铝质散热器比铸铁散热器的散热量高出2.5倍,又因外形美观,可不加暖气罩,可减少热损失30%以上,成本降低10%以上,铝散热器的散热效果虽然稍逊于铜质散热器,但重量可大大减轻。由于铝价只有铜价的1/3,因此,可大大降低成本。
  
  由上可知,铝制散热器是一种节能环保型的新型散热器。外观美观、散热面积大、采热效果好、抗腐蚀、重量轻、便于安装、搬运和维修,具有很好的社会效益和经济效益,完全可以替代传统的铸铁、钢质和铜质散热器,市场前景十分广阔。
  
  汽车热传输器的分类及其铝化趋势汽车热传输系统主要包括汽车空调器、水箱、油冷却器、中间冷却器和加热器等。汽车热交换器位于汽车前端,经受雨水、路面挥发的盐分、汽车排出的废气、沙粒、灰尘和泥浆等的污染,还承受着反复冷热循环和周期性振动。这些对于热交换器选材、防腐和接合技术等提出了严峻挑战。传统的热交换器采用铜制造,然而,汽车朝着轻量化方向发展,同时出现了低成本的加工装配技术,使铝制热交换器在汽车上的应用获得成功。
  
  从铝的特性看,热交换器是最适合于用铝制造的部件。铝散热器的质量比铜质散热器下降37%~45%,铜材价格约6万元/t,铝材2.8万元/t。而两者的加工费几乎相当。因此,日本和美国的汽车空调器几乎完全采用铝材。散热器的铝化率,欧洲达到90%~100%,美国达到70%~80%,日本达到50%~60%,我国也正在大量使用铝制散热器,铝制内冷却器、油冷却器、加热器心部等也在迅速普及。
  
  根据轻量化、小型化、提高散热性、保证防蚀等的需要,汽车热交换器在结构上积极进行改进,从带有波纹的蛇型改为薄壁并流型、德朗杯型、单箱型等。在材料方面也在积极进行改进,例如为改善因薄壁化导致的强度降低,采用Al-Cu-Mn-Cr-Zr系合金和Al-Mn-Si-Fe系合金;根据牺牲阳极保护作用改进化学成分来进一步提高耐蚀性;开发了多层复合材料(Al-Mn涂层结构);用钎焊方法进行成分调整等以达到防蚀目的。这些改进技术已达到实用阶段。
  
  随着汽车用散热器朝小型、轻量、高性能、低成本、耐用等方向发展,在铜和铝材的对抗中,铝质散热器已占优势,汽车用各类散热器已向铝制品转化。目前,汽车上各类散热器是变形铝合金用量最多的系统,如发动机散热器、机油散热器、中冷器、空调冷凝器和蒸发器等,主要耗用的铝材有各种规格的板、带、箔、复合带(箔)、挤制圆管、扁管和多孔扁管、焊接圆管和扁管,品种规格多,质量要求高。
  
  汽车热传输铝合金复合材料选择汽车复合散热材料用于制造水箱、冷凝器及蒸发器。汽车散热器和空调冷凝器均由流体管道和散热带组成,通过机械胀管或钎焊法将其装配而成。其结构材料主要是铝合金多孔口琴管、扁管、高精度薄壁圆管以及铝合金三层复合散热箔带。
  
  三层复合铝合金钎焊箔材应满足质轻、耐腐蚀、热传导性好、强度高、成形加工性好、可钎焊、节约贵金属等综合性能和多功能的要求。为达到上述要求,尤其是钎焊性和耐蚀性的要求,铝合金复合箔材是在3xxx系芯材上双面包覆4xxx合金(皮材),包覆率为10%~16%。这种复合箔钎焊时无需再施加钎焊料,使铝合金复合箔具有良好的钎焊性能和加工性能,从而简化了散热器、冷凝器的制造工艺,降低了生产成本,同时达到汽车轻量化的目的。
  
  基体合金应采用熔点高、高温强度适宜、钎焊过程中与焊料结合性好、弯曲变形小且焊料对其扩散影响不大,同时在使用中具有适中的强度和耐蚀性的铝合金。国外大多数采用3xxx系合金和6xxx系合金做基体。鉴于我国引进设备的钎焊工艺为气体保护焊、Nocolok钎焊和真空钎焊三种,考虑到3xxx系合金具有力学性能优良、钎焊性和耐蚀性好等优点,以及多数使用单位采用3003合金和加Zn的X313合金基体复合板,因此,选定3003和X313作为基体合金。
  
  包覆层合金作为包覆基体合金的钎焊料,应该是熔点低、流动性好、浸润性好。国外常用的包覆层合金是4xxx系合金,如适于气体保护焊和Nocolok钎焊工艺的X414、4343、4045、4047和4N43合金;适于真空钎焊工艺的4004、4104和4N04合金。
  
  为满足国内各生产线的要求,选择4043、4045、4N43、X414、4004和4N04六种合金作为包覆层合金。在复合板的钎焊过程中,包覆层合金的流动性、润湿性、间隙填充能力、熔蚀性和接头强度等代表着钎焊质量的优劣。因此,要严格控制包覆层合金的各主要元素的含量,其主要元素的作用如下:
  
  Zn元素的作用:一是可使合金的腐蚀电位降低,添加量越大,电位降低越多,冲制后的散热片作为阳极优先腐蚀,从而保护介质通道;二是降低合金表面氧化膜强度,使其表面容易剥落而全面腐蚀,达到抑制点蚀的目的。但是,若Zn含量过高,散热片腐蚀速度过快,会使散热片失去散热效果并降低其使用寿命。
  
  Si元素的作用:Al-Si合金在共晶点附近其熔点最低可达到577℃,这是其作为钎焊材料的优势。复合后,Si元素会因浓度梯度而向基体合金扩散,使基体的Mn元素固溶度随Si含量的增加而降低,并形成富含α[Al(MnFe)Si]弥散体的阳极带,从而改变了基体中Al和第二相之间的电位差,使腐蚀优先发生在基体的亚表面层,同时Si可以改变钎焊料的流动性,组织均匀细密,提高钎焊质量。
  
  Mg元素的作用:包覆层合金中的Mg是保证真空钎焊质量必不可少的金属活化剂、吸气剂,同时对复合板的耐蚀性产生一定的影响。腐蚀试验表明,Mg元素的加入使包覆层合金腐蚀电位降低,腐蚀速度加快,有一定的抗点蚀作用。
  
  汽车热传输铝合金复合带(箔)生产工艺技术
  
  复合铝板带箔的轧制及精整与普通板带箔的轧制的主要区别是:需分别准备芯材锭坯与轧制包覆皮材板;需对它们进行清洗,采用常规酸碱浸蚀法,以便彻底清除氧化膜,但也可以用清洗剂清洗,虽不能除去氧化膜,但对环保更好一些。
  
  芯、皮材配对是将Al-Si合金板置于芯材锭坯上,可将它们焊于一起也可以不焊,但还是焊接为好,以提高成品率。可采用氩弧焊,将前端与左右侧面基本通焊起来,但不必焊得严密,尾端不焊。热压焊的压下率宜小,以能焊牢最佳。
  
  影响三层复合钎焊箔选材的因素很多,其中钎焊方式是影响选材的关键。不同牌号的芯、皮材的复合箔各有不同的具体用途,且合金的元素含量根据不同钎焊工艺而异,材料要满足多性能要求,性能之间有时又相互制约,需根据热交换器的实际使用要求综合权衡取舍。
  
  汽车热交换器总成的钎焊工序对作为波浪散热带使用的三层复合铝合金箔,除要求具有良好的力学性能、耐蚀性能和钎焊性能外,还应具有良好的抗下垂性能,否则,在600℃左右高温下钎焊时很容易发生高温软化变形,影响散热器的性能。
  
  国内外尚无统一的复合铝钎焊箔的抗下垂性试验标准。试验证明,在芯材和皮材成分一定条件下,退火后冷加工率是影响复合箔抗下垂能力的主要因素,在芯材合金中加锆等有助于提高抗下垂能力。
  
  汽车热传输铝复合带(箔)前景可观
  
  随着汽车工业的飞速发展,特别是现代汽车轻量化的进程,我国的车用热传输铝合金复合带(箔)也获得了飞速发展。在1980年代末期,国内有东轻、西南铝等几家企业开始研制热传输铝材,但基本上以进口为主。1990年代中期和末期,国内一些高校和企业开始研发并取得一定成果。1996年瑞典萨帕的热传输公司在上海建立热传输材料专业生产基地,使我国走上了规模化生产的道路。此后,萨帕二期、无锡银邦、美铝(昆山)、潍坊三源、萨新铝业、众兴铝业、关铝铝业、运城铝业、东北轻合金、西南铝等公司纷纷建厂或扩大产能。到目前为止,全国已有生产厂家近30家,产能达50万t/a左右。2010年国内铝复合带(箔)逾30万t/a,基本上能满足国内汽车工业的发展需求,并有部分出口。
  
  热传输铝合金复合带(箔)主要用于汽车工业,并随着汽车工业现代化、轻量化的发展而发展。目前,世界汽车产量为8000万辆/a,保有量为8亿辆。中国2010年汽车产量1800万辆,汽车保有量为8000万辆,并以8%的速度增长。如果以每辆汽车平均消费铝合金复合带(箔)7kg左右,那么世界每年需要100万t/a以上。而中国则可能超过50万t/a。加上其它行业的需求,铝合金复合带(箔)的市场前景是十分可观的。 返回上页
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