ES2269503T3 - Lamina con soldadura fuerte, multicapas, termicamente tratable con una capa intermedia de aluminio. - Google Patents
Lamina con soldadura fuerte, multicapas, termicamente tratable con una capa intermedia de aluminio. Download PDFInfo
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Abstract
Una lámina multicapas soldada con soldadura fuer- te que comprende: una capa central de una aleación de aluminio que comprende en % en peso, 0, 5-1, 7 de Mn, 0, 1-1 de Mg, 0, 02- 1, 2 de Cu, hasta 0, 9% de Si, hasta 0, 6 de Fe, hasta 0, 2 de Zn y 0, 02-0, 25% en peso de Ti, y el resto aluminio e impu- rezas; una primera capa intermedia situada sobre uno de los lados de dicha capa central, comprendiendo dicha prime- ra capa intermedia una aleación de aluminio que comprende en % en peso, 0, 02-1, 1 de Si, hasta 0, 6 de Fe, hasta 1, 7 de Mn, hasta 0, 3 de Cu, hasta 0, 1 de Mg, hasta 4 de Zn y hasta 0, 25 de Ti, y el resto aluminio e impurezas; una capa de revestimiento con soldadura fuerte situada sobre el otro lado de dicha intermedia, compren- diendo dicha capa de revestimiento una aleación de aluminio que comprende, en % en peso, 5-15 de Si; hasta 0, 6 de Fe, hasta 0, 1 de Mn, hasta 0, 3 de Cu, y hasta 4 de Zn; y el re- sto aluminio e impureza; y una segunda capa intermedia situada en el otro lado de dicha capa central, comprendiendo dicha segunda ca- pa intermedia una aleación de aluminio que comprende, en % en peso, 0, 02-1, 1 de Si, hasta 0, 6 de Fe, hasta 1, 7 de Mn, hasta 0, 3 de Cu, hasta 0, 1 de Mg, hasta 4 de Zn y hasta 0, 25 de Ti, y el resto aluminio e impurezas en la que la cantidad de Si en dicha aleación de la capa central es inferior a, al menos, una de dichas aleaciones de la primera y segunda capa intermedia.
Description
Lámina con soldadura fuerte, multicapas,
térmicamente tratable con una capa intermedia de aluminio.
Esta invención se refiere a productos de
aleación de aluminio térmicamente tratables. Más concretamente, se
refiere a un producto de aleación de múltiples capas soldable con
soldadura fuerte en un procedimiento que usa un fundente basado en
fluoruro, un ejemplo del cual es más comúnmente conocido como
fundente tipo Nocolok® (comúnmente referido como el
"procedimiento Nocolok de soldadura fuerte"). Nocolok® es una
marca comercial registrada de Alcan Aluminium Ltd de Canadá.
Se han patentado y protegido numerosas
aleaciones de aluminio soldables con soldadura fuerte. Composiciones
representativas incluyen las mostradas por las Patentes de EE.UU.
números 4.040822, 5.375.760, 5.520.321, 5.535.939 y 5.564.619.
Otras aleaciones más de aluminio, no específicas para la soldadura
fuerte con Nocolok o de otra forma, son las mostradas en las
patentes de EE.UU. números 2.096.010, 4.589.932, 5.286.445,
5.522.950 y 5.587.029.
En el documento
US-A-5.350.436 se describe una
lámina multicapa con soldadura fuerte, con una carga de
Al-Si sobre un lado.
Hasta la fecha, ha sido difícil obtener altas
resistencia posteriores a la soldadura fuerte, con resistencia a la
deformación por tracción (o valores "TYS") superiores a
aproximadamente 90 MPa, para productos en forma de láminas cuyas
superficies, interior y exterior, sueldan con soldadura fuerte
mediante procedimientos de soldadura fuerte que emplean fundentes
del tipo Nocolok®. Una aproximación ha consistido en emplear una
capa intermedia compuesta de una aleación 3003 o una aleación 7072
de la Aluminium Association (AA) entre un revestimiento con
soldadura fuerte, de la serie 4000 (o 4xxx), y una aleación que
forma la parte central tratable térmicamente y que contiene
magnesio. Esta capa intermedia actúa principalmente como una barrera
a la difusión del magnesio desde la parte central al revestimiento
con soldadura fuerte. De esta forma, la aleación de material
compuesto de esta invención puede obtener altas resistencias siempre
que se pueda soldar con soldadura fuerte mediante un procedimiento
del tipo Nocolok®.
En este campo, se conocen productos de
aleaciones de cuatro capas dependientes predominantemente de las
aleaciones de la parte central, tratables térmicamente, para
elevadas resistencias posteriores a la soldadura fuerte. Los
valores TYS (resistencia a la deformación por tracción), posteriores
a la soldadura fuerte, de tales aleaciones no exceden, típicamente,
de aproximadamente 85 MPa, no obstante incluso después de largos
tiempos de envejecimiento natural. Esta resistencia depende de la
composición de la elación, del tiempo de envejecimiento y de la
temperatura, así como de las velocidades de enfriamiento empleadas
después de la soldadura fuerte mediante el procedimiento de
soldadura fuerte de Nocolok®. La capacidad de los fabricantes para
reducir posteriormente el calibre de estas formas de productos
depende mucho de estas resistencias posteriores a la soldadura
fuerte, siendo claramente más deseables las resistencias más altas
y que permitan posteriores reducciones de calibre más grandes.
La presente invención se refiere a una aleación
de aluminio en forma de lámina, de cuatro capas, con soldadura
fuerte, que se puede usar como un material en la fabricación de
cambiadores de calor soldados con soldadura fuerte, principalmente
para tubos del tipo plegados y/o soldados usados en los cambiadores
de calor del tipo cabezal/tubo (por ejemplo radiadores, partes
centrales de calentadores y similares). La lámina puede fabricarse
mediante prácticas normales de unión por laminación o mediante los
procedimientos descritos en una Solicitud de Patente de EE.UU.
presentada el 23 de octubre de 2001, titulada "Simultaneous
Multi-Alloy Casting", (inventores, Raymond J.
Kilmer y J. Lester Kirby). Si se usa este último procedimiento,
habrá presente una fina aleación divisora (de menos de
aproximadamente el 3% del espesor total del material compuesto)
entre al menos una y hasta tres de las interfacies entre las cuatro
capas aquí descritas. Esta aleación divisora tiene al menos un 96%
de aluminio y sirve como separador/divisor para minimizar la
entremezcla de las aleaciones sobre cualquiera de sus lados durante
el proceso de colada. Si uno o más componentes de la lámina de la
presente invención se fabrican mediante el método de la
anteriormente mencionada solicitud de patente en trámite de Kilmer
y colaboradores, entonces la lámina tendrá más de cuatro capas
distintas en su composición. La presencia de la fina aleación
divisora no altera significativamente el comportamiento del producto
final ni está presente para alterar intencionadamente los
mecanismos aquí descritos. Por lo tanto, todas las referencias a
productos con cuatro capas no necesariamente limitan la invención a
aleaciones sin estos divisores. Las cuatro capas se refieren a
capas significativas desde el punto de vista de la composición y la
funcionalidad del producto de material compuesto.
La lámina multicapa de la presente invención con
soldadura fuerte es según la reivindicación 1.
El material compuesto de cuatro capas, de esta
invención, incluye una primera capa intermedia situada entre una
aleación de revestimiento con soldadura fuerte de la serie 4xxx de
la Aluminium Association ("AA") y una aleación que forma la
parte central, y una segunda capa intermedia situada en la parte
opuesta de la aleación que forma la parte central respecto a la
primera capa intermedia. Al menos una, de la primera y la segunda
capa intermedia, tiene mayores cantidades de Si que la de la
aleación de la parte central adyacente a ella. La capa intermedia
con contenido más alto de Si contiene 0,02-1,1% en
peso de Si, preferiblemente aproximadamente
0,1-1,1% en peso de Si, muy preferiblemente
aproximadamente 0,3-1,1% en peso de Si. Las capas
intermedias tienen también bajos contenidos de Mg para mejorar la
capacidad del producto para soldarse con soldadura fuerte de
Nocolok.
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La Figura 1 es un diagrama esquemático que
muestra las cuatro capas distintas en una realización preferida de
la lámina con soldadura fuerte de esta invención.
Todos los porcentajes de los componentes de la
presente memoria descriptiva están en tanto por ciento en peso a
menos que se indique otra cosa. Según se usa aquí, el término
"sustancialmente exento" significa que no se hizo ninguna
adición determinada de esos elementos aleantes a la composición,
pero que debido a las impurezas y/o la lixiviación procedente del
contacto con el equipo de fabricación, pueden encontrar, no
obstante, cantidades traza de tales elementos su camino hacia el
producto final de la aleación.
Cuando se hace referencia a algún intervalo
numérico de valores, tales intervalos se entienden que incluyen
todos y cada uno de los números y/o fracciones entre el mínimo y el
máximo del intervalo establecido. Un intervalo de aproximadamente 5
al 15% en peso de silicio, por ejemplo, incluirá expresamente todos
los valores intermedios de aproximadamente 5,1; 5,2; 5,3 y 5,5%;
todo el recorrido hasta, e incluyendo, 14,5; 14,7 y 14,9% de Si. Lo
mismo se aplica a cada una de las otras propiedades numéricas,
espesor relativo y/o intervalo elemental aquí expuestos.
La lámina con soldadura fuerte de la presente
invención está mostrada esquemáticamente en la Fig. 1. La lámina 2
incluye cuatro capas, una capa 4 de revestimiento con soldadura
fuerte de la serie 4xxx, una primera capa intermedia 6 situada
entre la capa 4 de revestimiento con soldadura fuerte y la aleación
de la parte central 8, y una segunda capa intermedia 10 situada en
el lado opuesto de la aleación de la parte central 8 respecto a la
primera capa intermedia 6. La lámina 2 con soldadura fuerte es,
preferiblemente, de hasta 350 micrómetros de espesor en su medida
final, más preferiblemente de aproximadamente 120 a aproximadamente
250 micrómetros de espesor. Al menos una de las aleaciones de la
primera y segunda capa intermedia 6 y 10, tiene más Si que la
aleación de la parte central 8 adyacente a ella. El contenido más
alto de Si de la capa intermedia contiene 0,02-1,1%
en peso de Si, preferiblemente aproximadamente
0,1-1,1% en peso de Si, muy preferiblemente
aproximadamente 0,3-1,1% en peso de Si. Además, la
suma de Si en la primera y segunda capa intermedia 6 y 10 y la parte
central 8 es, preferiblemente, al menos aproximadamente 0,4% en
peso. Cuando la segunda capa intermedia 10 se usa como un
revestimiento de la superficie en contacto con el agua de un
cambiador de calor, la capa intermedia 10 puede contener altos
nivele de Zn (hasta aproximadamente 6% en peso) para proporcionar
resistencia a la corrosión interna.
La composición y los espesores relativos
preferidos de cada una de las capas de la lámina 2 con soldadura
fuerte se resumen en la Tabla 1, con los intervalos más preferidos
listados entre paréntesis debajo de sus respectivos intervalos más
amplios.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
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Después de un periodo de envejecimiento de
aproximadamente 30 días a 90ºC (una típica temperatura ambiente de
servicio para un tubo de radiador/calentador), el valor TYS
posterior a la soldadura fuerte de la lámina 2 se espera que exceda
de aproximadamente 60 MPa. No se ha observado que los valores TYS y
UTS después de la soldadura fuerte y el envejecimiento excedan de
80 MPa y 150 MPa respectivamente, cuando el contenido de Mg de la
aleación de la parte central era inferior a aproximadamente el
0,25%. Después de la soldadura fuerte y el envejecimiento (30 días
a 90ºC) se pueden observar generalmente altas resistencias (TYS
superior a aproximadamente 90 MPa y UTS superior a 160 MPa) cuando
el contenido de Mg en la parte central es superior a,
aproximadamente, 0,35% en peso, y el contenido de Si en al menos
una de las tres capas (primera capa 6, parte central 8 o segunda
capa intermedia 10) es superior al 0,7%. Cuando el contenido de Mg
en la parte central es superior a aproximadamente 0,45%, se
consiguen estos niveles de resistencia con aleaciones de inferior
contenido de Si. También se ha observado que los niveles de
resistencia después de la soldadura y el envejecimiento aumentan con
un contenido creciente de Cu en la parte central 8. Como durante la
soldadura fuerte tiene lugar una cantidad sustancial de
interdifusión, el Si puede difundirse desde una o ambas capas
intermedias, 6 y 10, hacia la parte central 8. Igualmente, el Mg
y/o el Cu pueden difundirse desde la parte central 8 hacia las capas
intermedias 6 ó 10. Los niveles más altos de Mg, Si y Cu dan como
resultado resistencias más altas después de la soldadura fuerte,
pero los contenidos de soluto antes de la soldadura fuerte dentro de
las aleaciones se seleccionarán cuidadosamente para mantener las
relaciones galvánicas apropiadas, después de la soldadura fuerte,
entre la parte central 8, la primera capa intermedia 6 (por
ejemplo, la que está en contacto con el aire) y la segunda capa
intermedia 10 (la que está en contacto con el agua). Las aleaciones
con contenidos más altos de Si, Mg y Cu son también, por lo
general, más sensibles a la sensibilidad a la velocidad de
enfriamiento rápido posterior a la soldadura fuerte (es decir, la
distribución no uniforme de soluto en la aleación que puede conducir
a resistencias más bajas posteriores a la soldadura fuerte y a una
pobre resistencia a la corrosión). La Tabla 1 presenta la primera
capa intermedia 6 con contenido de la composición aleante
ligeramente diferente de la segunda capa intermedia 10. Se
comprenderá, sin embargo, que ambas capas intermedias 6 y 10 pueden
estar hechas de la misma composición. En algunos casos, será
beneficioso (especialmente desde un punto de vista de resistencia a
la corrosión) si las capas intermedias 6 y 10 varían en su
composición. Las capas intermedias 6 y 10 pueden tener el mismo o
diferente espesor. Se comprenderá que el emplazamiento de las capas
intermedias 6 y 10 se puede transponer, es decir con la capa
intermedia 10 situada entre la capa 4 de revestimiento y la capa de
la parte central 8, y estando la capa intermedia 6 situada
exteriormente adyacente a la capa de la parte central 8.
Preferiblemente, la parte central 8 es electroquímicamente más noble
que la primera y la segunda capa intermedia 6 y 10, y que el
potencial electroquímico de las capas intermedias 6 y 10 se
sacrifica respecto a la de la capa de la parte central 8 en el
ambiente al que están expuestas las aleaciones. Como resultado, de
la soldadura fuerte, tendrá lugar algo de interdifusión de
elementos aleantes entre las capas de la lámina 2. Esta
interdifusión es importante al establecer localmente los niveles
apropiados de soluto para producir una aleación endurecible por
precipitación con la apropiada resistencia a la corrosión interna y
externa. Es de esperar que la resistencia a la corrosión interna
exceda los 5 meses de exposición sin perforación a un ensayo de
corrosión interna consistente en la exposición a una solución OY
water modificada.
De la anteriormente mencionada tabla de los
intervalos de composición, la capa de la parte central 8 tiene un
contenido de Mg que oscila entre 0,1 y 1% en peso. Cualquiera de las
capas de la lámina 2 puede tener adiciones de Mn para una
incrementada resistencia y/o elevados niveles de Ti (hasta
aproximadamente 0,25% en peso) para una resistencia a la corrosión
mejorada. Generalmente, no son necesarios niveles más altos de Ti
para una resistencia a la corrosión mejorada para la aleación de la
capa intermedia 10, en particular cuando la capa intermedia tiene
determinadas adiciones de Zn. Para esta invención, sin embargo,
todas estas adiciones a la aleación se deben hacer mientras se
mantiene la temperatura de sólidus de esa capa concreta por
encima de aproximadamente 610ºC.
Las adiciones de Cr a la aleación de la capa de
la parte central son opcionales. La adición de Cr deberá controlarse
para evitar que se produzcan partículas gruesas que contengan Cr,
especialmente cuando los niveles de cada Mn y Ti (Mn + Ti) estén
por encima de aproximadamente 1,3% en peso.
Las capas intermedias 6 y 10 de esta invención,
cuando estén unidas a una capa CO de la parte central que contiene
magnesio, puede aumentar drásticamente los valores TYSD de la lámina
global después de la soldadura fuerte. De hecho, no se pueden
conseguir resistencias equivalentes y una capacidad para soldarse
con soldadura fuerte simplemente uniendo una aleación de la parte
central idéntica a un revestimiento 4xxx con soldadura fuerte,
incluso cuando la capa 4xxx esté diseñada para proporcionar una
cantidad sustancial de Si a la parte central durante el ciclo de
soldadura fuerte. Se cree que únicamente mediante el uso de capas
intermedias 6 y 10, puede el producto de cuatro capas de la
presente invención (cuando los contenidos de Mg en la aleación de
la parte central son superiores al 0,3% en peso) estar indicado para
soldarse con éxito con soldadura fuerte con un fundente del tipo
Nocolok®.
Aunque antes se ha descrito la invención de una
forma general, los ejemplos concretos dan una ilustración adicional
del producto de la presente invención.
Se produjeron láminas de cuatro capas con
soldadura fuerte hechas según la presente invención que tenían capas
con la composición expuesta en la Tabla 2. Las combinaciones de
aleaciones sometidas a ensayo aparecen en la Tabla 3 junto con las
relaciones y datos de revestimiento y sobre las propiedades
mecánicas posteriores a la soldadura fuerte y la resistencia a la
corrosión interna.
La lámina soldada con soldadura fuerte de la
presente invención está particularmente indicada para usarla como
un tubo para radiadores o para intercambiadores de calor. El tubo
puede incluir una costura soldada, o el tubo puede no estar soldado
pero está doblado de una determinada forma, y los bordes de la
lámina llegan a sellarse entre ellos como resultado de un
procedimiento de soldadura fuerte, en particular un procedimiento
de soldadura fuerte de Nocolok.
Claims (17)
1. Una lámina multicapas soldada con soldadura
fuerte que comprende:
una capa central de una aleación de aluminio que
comprende en % en peso, 0,5-1,7 de Mn,
0,1-1 de Mg, 0,02-1,2 de Cu, hasta
0,9% de Si, hasta 0,6 de Fe, hasta 0,2 de Zn y
0,02-0,25% en peso de Ti, y el resto aluminio e
impurezas;
una primera capa intermedia situada sobre uno de
los lados de dicha capa central, comprendiendo dicha primera capa
intermedia una aleación de aluminio que comprende en % en peso,
0,02-1,1 de Si, hasta 0,6 de Fe, hasta 1,7 de Mn,
hasta 0,3 de Cu, hasta 0,1 de Mg, hasta 4 de Zn y hasta 0,25 de Ti,
y el resto aluminio e impurezas;
una capa de revestimiento con soldadura fuerte
situada sobre el otro lado de dicha intermedia, comprendiendo dicha
capa de revestimiento una aleación de aluminio que comprende, en %
en peso, 5-15 de Si; hasta 0,6 de Fe, hasta 0,1 de
Mn, hasta 0,3 de Cu, y hasta 4 de Zn; y el resto aluminio e
impureza; y
una segunda capa intermedia situada en el otro
lado de dicha capa central, comprendiendo dicha segunda capa
intermedia una aleación de aluminio que comprende, en % en peso,
0,02-1,1 de Si, hasta 0,6 de Fe, hasta 1,7 de Mn,
hasta 0,3 de Cu, hasta 0,1 de Mg, hasta 4 de Zn y hasta 0,25 de Ti,
y el resto aluminio e impurezas
en la que la cantidad de Si en dicha aleación de
la capa central es inferior a, al menos, una de dichas aleaciones
de la primera y segunda capa intermedia.
2. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha aleación de la capa de
revestimiento comprende 0,15-0,3 de Fe y hasta 0,1
de Cu.
3. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha aleación de la primera capa
intermedia comprende 0,15-0,3 de Fe, hasta 0,1 de
Cu, hasta 0,05 de Mg.
4. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha aleación de la primera capa
intermedia es electroquímicamente más activa que dicha aleación de
la capa central subyacente.
5. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha aleación de la capa central
comprende 0,15-0,3 de Fe, 0,25-0,6
de Mg, y 0,10-0,25 de Ti.
6. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha aleación de la capa central es
electroquímicamente más noble que dichas aleaciones de la primera y
segunda capa intermedia.
7. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha aleación de la segunda capa
intermedia comprende 0,15-0,3 de Fe, hasta 0,1 de
Cu, hasta 0,05 de Mg, y 1-4 de Zn.
8. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha aleación de la segunda capa
intermedia es electroquímicamente más activa que la aleación de la
capa central.
9. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha lámina tiene un espesor de hasta
350 micrómetros.
10. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha lámina tiene un espesor de 120 a
250 micrómetros.
11. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que dicha capa de revestimiento tiene el
5-20% del espesor de dicha lámina, dicha primera
capa intermedia tiene el 10-25% del espesor de dicha
lámina, y dicha segunda capa intermedia tiene el
10-30% del espesor de dicha lámina.
12. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que la resistencia a la deformación por
tracción posterior a la soldadura fuerte de dicha lámina excede los
60 MPa después de envejecer durante 30 días a 90ºC.
13. La soldadura fuerte de la reivindicación 1,
en la que la resistencia a la deformación por tracción posterior a
la soldadura fuerte de dicha lámina excede los 90 MPa después de
envejecer durante 30 días a 90ºC.
14. La lámina con soldadura fuerte de la
reivindicación 1, en la que la última resistencia a la deformación
por tracción posterior a la soldadura fuerte de dicha lámina excede
aproximadamente los 160 MPa después de envejecer durante 30 días a
90ºC.
15. Un tubo para un radiador u otro calentador
que comprende la lámina con soldadura fuerte de la reivindicación
1.
\newpage
16. Un tubo de un cambiador de calor que
comprende la lámina con soldadura fuerte de la reivindicación 1,
plegada en forma de tubo en el que los bordes de la lámina sellan
juntos mediante soldadura fuerte.
17. El tubo de la reivindicación 16, en el que
dicho tubos está soldado con soldadura fuerte con un fundente.
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