用于鋁的耐腐蝕性的表面處理的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，所述熱交換器包括至少一個(gè)金屬管。所述管的所述表面具有改變的微觀結(jié)構(gòu)。至少一種非均一性物質(zhì)已從所述管的所述表面除去或精煉。
【專利說(shuō)明】用于鋁的耐腐蝕性的表面處理
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2012年3月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/616，542的權(quán)益，所述美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用方式并入本文。
[0002]發(fā)明背景
本發(fā)明總體上涉及鋁合金，并且更具體地說(shuō)，涉及鋁合金的耐腐蝕性。
[0003]由于鋁的廣泛可用性和優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能，許多熱交換器由鋁制成。使用擠壓鋁頭和/或擠壓鋁管，因?yàn)槠涞土杀竞鸵子谥圃?。熱交換器可以由若干等級(jí)的鋁制成，并且擠壓和軋制的鋁制品是最常見(jiàn)的。通常用于構(gòu)造熱交換器中所使用的擠壓管的鋁合金材料被稱為低合金鋁基底(如3000系列鋁)。鋁材料通常含有在冶煉過(guò)程中(特別是在使用廢棄材料時(shí))作為雜質(zhì)引入的夾入元素，如鐵、硅、鎂等。這些次要元素通常在鋁基體內(nèi)形成具有獨(dú)特電化學(xué)特性和化學(xué)特性的金屬間化合物顆粒。這些金屬間化合物顆粒可以充當(dāng)啟動(dòng)腐蝕過(guò)程并且從而削弱基底材料的耐腐蝕性的局部陽(yáng)極和陰極。
[0004]確切地說(shuō)，當(dāng)暴露于腐蝕性的含水環(huán)境時(shí)，鋁易經(jīng)受局部腐蝕模式,如點(diǎn)腐蝕、晶粒間腐蝕、應(yīng)力開(kāi)裂腐蝕(SCC)以及一般腐蝕。由于表面顆?；蚱渌钦１砻嫣卣?如凹坑)的存在，加速的氧化和腐蝕在這些區(qū)域中啟動(dòng)并且最終使整個(gè)表面降解。已知點(diǎn)腐蝕使疲勞強(qiáng)度和壽命顯著降低。通常，疲勞忍耐極限通過(guò)點(diǎn)蝕而降低至未腐蝕合金的極限的標(biāo)稱地一半或小于未腐蝕合金的極限。存在用于增加鋁合金的耐腐蝕性的許多方法，如涂覆、電鍍、陽(yáng)極化處理以及鉻酸鹽處理金屬的表面。在這些過(guò)程中，許多是昂貴的，許多是對(duì)環(huán)境不友好的，而且沒(méi)有一個(gè)過(guò)程提供長(zhǎng)期維修少的保護(hù)。例如，陽(yáng)極化處理涉及復(fù)雜且昂貴的多步驟過(guò)程。鉻酸鹽鈍化是復(fù)雜性較低的，但不提供足以允許將要在熱帶環(huán)境中使用的鋁基材料具有長(zhǎng)的設(shè)計(jì)壽命的點(diǎn)腐蝕保護(hù)。
[0005]全鋁制熱交換器，特別是旨在用作冷凝器或蒸發(fā)器的全鋁制熱交換器持續(xù)暴露于含有濕氣的環(huán)境，并且可能非常容易受到腐蝕。局部腐蝕一招合金通常經(jīng)受的過(guò)程，導(dǎo)致管表面的點(diǎn)蝕。最后，隨著腐蝕在這些管處繼續(xù)侵蝕，孔將會(huì)形成，從而允許熱交換器流體之一泄漏。點(diǎn)腐蝕率經(jīng)常是足夠快的，如果材料未正確制備，那么就會(huì)在幾年的服務(wù)期內(nèi)導(dǎo)致持有制冷劑的管道穿孔。制冷劑的逐漸失去導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的操作效率降低，并且最終系統(tǒng)關(guān)閉。制冷劑的排放還可能對(duì)環(huán)境造成不利影響。
[0006]發(fā)明簡(jiǎn)述
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，提供一種包括至少一個(gè)金屬管的熱交換器。所述管的所述表面具有改變的微觀結(jié)構(gòu)。至少一種非均一性物質(zhì)已從所述管的所述表面除去或精煉。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，提供一種制造具有增強(qiáng)耐腐蝕性的金屬管的方法，所述方法包括將金屬擠壓成管。所述管的所述表面的所述微觀結(jié)構(gòu)通過(guò)當(dāng)所述管受擠壓時(shí)或受擠壓之后立即除去或精煉非均一性物質(zhì)而改變。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，提供一種制造用于熱交換器中的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的金屬管的方法，所述方法包括將金屬板形成為具有所需形狀的管。將所述金屬的邊緣結(jié)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觀結(jié)構(gòu)通過(guò)在所述管形成之前或之后除去或精煉所述金屬的非均一性物質(zhì)而改變。
[0009]這些和其它的優(yōu)點(diǎn)和特征將從結(jié)合附圖的以下描述中變得更加明顯。
[0010]附圖簡(jiǎn)述
在本說(shuō)明書(shū)的結(jié)尾處的權(quán)利要求書(shū)中具體地指出并且明確地要求了被視為本發(fā)明的主題。本發(fā)明的前述和其它特征以及優(yōu)點(diǎn)根據(jù)結(jié)合附圖的以下詳述變得明顯，在附圖中:圖1是示例性空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的示意圖；
圖2是鋁合金樣品的截面圖；
圖3是圖2中所示鋁合金樣品在被放置在潮濕環(huán)境中一段時(shí)間之后的截面圖；
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的鋁合金的第二樣品的截面圖；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的制造鋁合金管的方法的圖解；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的制造鋁合金管的方法的圖解。
[0011]發(fā)明詳述
現(xiàn)參照?qǐng)D1，示出空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括壓縮機(jī)12、也稱為冷凝器14的排熱式熱交換器、膨脹裝置16以及也稱為蒸發(fā)器18的受熱式熱交換器。流體(例如像制冷劑)循環(huán)通過(guò)閉合回路系統(tǒng)10。在制冷劑在高壓和高晗的情況下離開(kāi)壓縮機(jī)12之后，制冷劑流過(guò)冷凝器14并且失去熱量，從而在低焓和高壓的情況下離開(kāi)冷凝器12。當(dāng)制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹裝置16時(shí)，壓力下降。在膨脹之后，制冷劑流過(guò)蒸發(fā)器18并且在高晗和低壓的情況下離開(kāi)。制冷劑重新進(jìn)入并且經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)12，從而完整地流過(guò)系統(tǒng)10。蒸發(fā)器18和冷凝器14 二者包括多個(gè)管20，所述多個(gè)管形成制冷劑流過(guò)的多個(gè)流動(dòng)通道。在一個(gè)實(shí)施方案中，多個(gè)翅片(未示出)可以從熱交換器管20延伸以改進(jìn)兩種流體之間的熱傳遞。已知的是，制冷劑從在蒸發(fā)器18中在多個(gè)管20周圍流動(dòng)的流體接受熱量。每個(gè)管20具有金屬主體和內(nèi)表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，示例性管20可以由鋁制成，如來(lái)自例如3000、4000、5000、6000或8000系列的鋁合金。在另一個(gè)實(shí)施方案中，管20可以由替代金屬材料制成。
[0012]圖2示出鋁合金100的第一樣品的示例性截面。盡管在附圖中示出示例性鋁合金，但是可以用于制造熱交換器的零件(例如像管或翅片)的另外的金屬和金屬合金也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。鋁合金100包括鋁基體105，所述鋁基體具有在第一表面102上的鈍化層110，例如像保護(hù)性金屬氧化物。晶粒邊界115表示鋁基體105內(nèi)的相鄰晶粒之間的界面。鋁基體105包括金屬間化合物顆?；虻诙囝w粒120。這些第二相顆粒120分布在整個(gè)鋁基體105中，以便增強(qiáng)鋁合金100的強(qiáng)度和硬度。在一些情況下，第二相顆粒120僅僅是合金中污染物的結(jié)果，所述污染物被容忍是由于將其除去的成本高。第二相顆粒120在合金的熱機(jī)械處理期間形成，并且因此可能在鋁合金100表面上形成顆粒、夾雜物或非均一性物質(zhì)。這些第二相顆粒120不僅降低保護(hù)性鈍化層110的穩(wěn)定性，而且由于基體105的電勢(shì)與顆粒120的電勢(shì)之間的差異而導(dǎo)致與鋁基體105的局部電耦合形成。這產(chǎn)生嚴(yán)重且高度局部化的腐蝕凹坑。第二相顆粒125例示出局部腐蝕啟動(dòng)的位點(diǎn)。
[0013]現(xiàn)參照?qǐng)D3，示出來(lái)自圖2的鋁合金100的樣品在被放置在潮濕環(huán)境中一段時(shí)間(以允許點(diǎn)腐蝕發(fā)生)之后的示例性截面。當(dāng)處于濕的環(huán)境中時(shí)，第二相顆粒120啟動(dòng)局部電耦合。在圖示實(shí)例中，位于表面102附近的第二相顆粒125充當(dāng)局部陰極，并且鋁基體105充當(dāng)陽(yáng)極。這種電反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕凹坑150，所述腐蝕凹坑在量級(jí)上呈指數(shù)增長(zhǎng)直至腐蝕凹坑延伸穿過(guò)鋁基體105的整個(gè)厚度。
[0014]鋁合金(例如像鋁合金100)的耐腐蝕性可以通過(guò)改變鋁合金100的表面102處的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)。因?yàn)殇X合金100的表面102處的雜質(zhì)降低鈍化層110的穩(wěn)定性，所以除去或精煉這些夾雜物將引起合金100具有更大的耐腐蝕性。
[0015]可以使用各種過(guò)程來(lái)更改由鋁合金100制成的組件的表面組成。這些過(guò)程可以應(yīng)用于由鋁制成的采暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各種零件，如熱交換器管或翅片。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過(guò)使合金的表面102塑性變形來(lái)將表面102的非均一性物質(zhì)精煉或溶解掉。用于使表面102塑性變形的方法包括噴丸處理、激光沖擊硬化處理、超聲噴丸處理、低塑性拋光處理以及本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的其它類似方法。這些方法中的每一種均創(chuàng)建具有一定量級(jí)和深度的壓縮殘余應(yīng)力層。這種塑性變形導(dǎo)致合金100的表面102大體上均勻變形。通過(guò)創(chuàng)建具有足夠量級(jí)和深度的壓縮殘余應(yīng)力層，可能防止或抑制導(dǎo)致點(diǎn)腐蝕的夾雜物或凹坑的增長(zhǎng)和裂紋(如用于應(yīng)力開(kāi)裂腐蝕所需要的裂紋)的增長(zhǎng)。
[0016]在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過(guò)將熱源應(yīng)用于合金100的表面102來(lái)除去或精煉鄰近鈍化層110的非均一性物質(zhì)。示例性熱過(guò)程包括(但不限于)激光表面熔化、激光表面合金化、激光鍍覆、熱電弧噴涂、等離子體過(guò)程以及本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的其它類似過(guò)程。對(duì)于使用激光的熱過(guò)程來(lái)說(shuō)，當(dāng)管以相當(dāng)高的速度移動(dòng)并且聚集在卷軸上時(shí)，通常將高強(qiáng)度的激光應(yīng)用于合金100的表面102持續(xù)相當(dāng)短的時(shí)間。在熱過(guò)程中，熱源導(dǎo)致合金的近表面區(qū)域液化。合金100的大部分不受熱，并且因此充當(dāng)散熱器以便快速冷卻熔化的表面，從而創(chuàng)建新的微觀結(jié)構(gòu)。這些熱過(guò)程由于更改了表面組成并且使雜質(zhì)和第二相顆粒120重新分布而產(chǎn)生增強(qiáng)的耐腐蝕性。所得的鋁合金與常規(guī)表面相比具有更加均勻的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的均一性。例如，激光表面熔化過(guò)程可以使合金100的表面102上的夾雜物完全熔化或溶解，或者使用激光表面合金化過(guò)程所創(chuàng)建的表面合金將具有組成均勻性。
[0017]在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過(guò)將化學(xué)或電化學(xué)過(guò)程應(yīng)用于合金100來(lái)除去或精煉鈍化層110的非均一性物質(zhì)。例如，可以將鋁合金100放置在化學(xué)蝕刻浴中，所述化學(xué)蝕刻浴將通過(guò)使第二相顆粒120從合金100的表面102選擇性地浸出而不損害合金100的方式來(lái)攻擊結(jié)構(gòu)的非均一性。組合來(lái)形成所述浴的化學(xué)物質(zhì)將取決于正要除去的金屬間化合物顆粒的組成而有所不同。適于從鋁合金表面選擇性地除去第二相顆粒的浴溶液可以包括大體上在5%與20%之間范圍中的氫氧化鈉、鹽酸硝酸、氫氟酸以及其組合。以化學(xué)方式蝕刻的鋁合金表面可以在使用化學(xué)溶液處理之后另外地進(jìn)行平滑處理，以消除表面粗糙度和可能引發(fā)局部腐蝕的凹坑。用于使合金表面平滑的示例性過(guò)程包括(但不限于)滾軋、拋光、磨削、細(xì)線拋光以及熱過(guò)程。
[0018]現(xiàn)在參照?qǐng)D4，示出鋁合金200的另一個(gè)樣品的截面。過(guò)程已應(yīng)用于鋁合金200的表面202以提高其耐腐蝕性。類似于圖2中所示的樣品，鋁合金200包括鋁基體205和表面202上的鈍化層210。金屬間化合物顆粒或第二相顆粒220仍然分散在大部分的鋁基體105中。不同于圖2中所示的鋁合金100，位于表面202或鈍化層210附近的第二相顆粒220已通過(guò)應(yīng)用于鋁合金200以改進(jìn)其腐蝕特性的過(guò)程而除去或精煉。
[0019]圖5中示出一種用于形成用于熱交換器中的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的管的方法300。如方框302中所示，金屬(例如像鋁合金)被擠壓成所需形狀的管。在示例性實(shí)施方案中，金屬可以被擠壓成圓形管、方形管、矩形管或六邊形管。在金屬被擠壓時(shí)，如方框304中所示，管表面的微觀結(jié)構(gòu)通過(guò)除去或精煉由金屬內(nèi)的第二相顆粒所產(chǎn)生的非均一性物質(zhì)或夾雜物而改變。現(xiàn)在參照?qǐng)D6，示出另一種形成管的方法400。在方框402中，金屬板例如像通過(guò)滾軋或彎曲而形成為具有所需形狀的管。示例性管在形狀上可以是圓形、方形、矩形或六邊形。金屬板的邊緣然后例如像通過(guò)釬焊或焊接結(jié)合來(lái)形成方框404中的管的接縫。在方框406中，金屬板表面的微觀結(jié)構(gòu)通過(guò)除去或精煉由合金內(nèi)的第二相顆粒所產(chǎn)生的夾雜物的非均一性物質(zhì)而改變。金屬的微觀結(jié)構(gòu)可以在形成為管之前或之后改變。
[0020]雖然僅結(jié)合有限數(shù)量的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是應(yīng)易于理解，本發(fā)明不限于這些已公開(kāi)的實(shí)施方案。相反，本發(fā)明可以進(jìn)行改變來(lái)合并之前并未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相符的任何數(shù)量的變化、改變、替代或等效布置。另外，雖然已描述了本發(fā)明的不同實(shí)施方案，但是應(yīng)理解本發(fā)明的方面可以僅包括所描述實(shí)施方案中的一些。因此，本發(fā)明不應(yīng)被視為受前面描述內(nèi)容的限制，而是僅受所附權(quán)利要求書(shū)的范圍限制。
【權(quán)利要求】
1.一種具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，其包括: 至少一個(gè)金屬管，其包括具有改變的微觀結(jié)構(gòu)的表面，其中至少一種非均一性物質(zhì)已從所述表面除去或精煉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，其中所述金屬是選自3000系列、4000系列、5000系列、6000系列以及8000系列之一的招合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，其中熱過(guò)程除去或精煉所述至少一種非均一性物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，其中熱源使所述管的所述表面熔化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，其中所述管的所述表面的塑性變形除去或精煉所述至少一種非均一性物質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，其中所述管的所述表面的所述塑性變形產(chǎn)生具有一定量級(jí)和深度的壓縮殘余應(yīng)力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，其中化學(xué)過(guò)程或電化學(xué)過(guò)程除去或精煉所述至少一種非均一性物質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，其中所述化學(xué)過(guò)程使形成所述至少一種非均一性物質(zhì)的至少一種第二相顆粒溶解。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有增強(qiáng)耐腐蝕性的熱交換器，其中所述化學(xué)或電化學(xué)過(guò)程之后跟有平滑處理過(guò)程。
10.一種用于制造用于熱交換器的具有改進(jìn)的耐腐蝕性的管的方法，所述方法包括: 將金屬加擠壓成管；以及 通過(guò)除去或精煉至少一種非均一性物質(zhì)來(lái)改變所述管的表面微觀結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于制造用于熱交換器的具有改進(jìn)的耐腐蝕性的管的方法，其中所述金屬是選自3000系列、4000系列、5000系列、6000系列以及8000系列之一的招合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于制造用于熱交換器的具有改進(jìn)的耐腐蝕性的管的方法，其中金屬的所述表面通過(guò)施加熱過(guò)程來(lái)改變。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于制造用于熱交換器的具有改進(jìn)的耐腐蝕性的管的方法，其中所述金屬的所述表面發(fā)生塑性變形。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于制造用于熱交換器的具有改進(jìn)的耐腐蝕性的管的方法，其中所述金屬的所述表面使用之后跟有平滑處理過(guò)程的化學(xué)或電化學(xué)過(guò)程來(lái)改變。
15.一種用于制造用于熱交換器的具有改進(jìn)的耐腐蝕性的管的方法，所述方法包括: 使金屬板形成為所需形狀的管； 使所述金屬邊緣結(jié)合在一起以便將所述管密封；以及 通過(guò)除去或精煉至少一種非均一性物質(zhì)來(lái)改變所述管的表面微觀結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于制造用于熱交換器的管的方法，其中所述金屬是選自3000系列、4000系列、5000系列、6000系列以及8000系列之一的招合金。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于制造用于熱交換器的管的方法，其中所述金屬的所述表面微觀結(jié)構(gòu)在形成為管之后改變或精煉。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于制造用于熱交換器的管的方法，其中所述金屬的所述表面通過(guò)施加熱過(guò)程來(lái)改變。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于制造用于熱交換器的管的方法，其中所述金屬的所述表面發(fā)生塑性變形。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于制造用于熱交換器的管的方法，其中所述金屬的所述表面使用之后跟有平滑處理過(guò)程的化學(xué)或電化學(xué)過(guò)程來(lái)改變。
【文檔編號(hào)】F28F19/00GK104204710SQ201380016870
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月28日
【發(fā)明者】T.J.加羅申 申請(qǐng)人:開(kāi)利公司