CN105779810A - 铜合金以及换热器管 - Google Patents

Abstract

一种合金，包含铜、铁、锡以及可选的磷，或者铜、锌、锡以及可选的磷，该合金可以用于例如换热器用的铜合金管，该铜合金管具有优良的破裂强度和加工性能，降低了管重并可以在采用例如二氧化碳这样的冷却介质的高压应用中使用。

Description

铜合金以及换热器管

本申请是申请号为201080053694.5、申请日为2010年11月24日、发明名称为“铜合金以及换热器管”的中国发明专利申请的分案申请，原申请为国际申请号为PCT/US2010/057944的国家阶段申请，该国际申请要求申请日为2009年11月25日，申请号为61/264529的美国临时专利申请的优先权。

相关申请交叉引用

本申请要求享有2009年11月25日提交的美国临时专利申请No.61/264529的优先权，上述专利申请的内容在此一并作为参考。

发明领域

本发明通常涉及铜合金以及铜合金在换热器管中的使用。特别地，本发明涉及具有所期望的压力断裂强度以及加工性能的高强度铜合金管。该合金适合减少厚度，因此可以为现有的空调和制冷(ACR)换热器节约材料，同时适合用于使用冷却介质例如CO₂的换热器中。

发明背景

空调换热器可以由弯成发卡状的U形铜管和用铝或铝合金板制成的散热片构造而成。

据此，上述类型的换热器所使用的铜管需要适宜的导热性、成形性和钎焊性。

HCFC(氯氟烃)基氟碳化合物已经广泛用作换热器例如空调的冷却介质。然而，HCFC具有很大的臭氧层消耗潜力，因此，出于环境原因选择了其他冷却介质。“绿色制冷剂”，例如CO₂，就是一种天然冷却介质，已经用于换热器。

为保持与HCFC基氟碳化合物具有同样的换热性能，使用CO₂作为冷却介质需要增加运行期间的冷凝压力。通常在换热器中，冷却介质的工作压力(换热器管内流动液体的压力)在冷凝器(CO₂气体冷却器)内变得最大。在该冷凝器或气体冷却器中，例如R22(一种HCFC基氟碳化合物)的冷凝压力为大约1.8MPa。另一方面，CO₂冷却介质需要的冷凝压力为大约7到10MPa(超临界状态)。因此，新冷却介质的运行压力相对于常规冷却介质R22的运行压力有所增加。

由于增加的压力以及在一些管成形工艺中由于钎焊损失的一些强度，常规的铜材不得不做得更厚，从而增加了管重并因此增加了管材的成本。

ACR换热器需要具有高拉伸强度、优良的加工性以及良好的导热性的换热器管，从而适合降低壁厚，并因此降低材料成本，同时适合承受新型“绿色”冷却介质例如CO₂的高压力应用。

发明概述

本发明提供了一种用于换热器管的铜合金，其具有例如高拉伸强度、优良的加工性以及良好的导热性。

本发明一方面为一种铜合金组合物，其包含下述组分，其中百分数是重量百分数。该组合物包含铜(Cu)、铁(Fe)以及锡(Sn)。在一个实施方式中，该合金的组成为99.6重量％的铜、0.1重量％的铁以及0.3重量％的锡，以CuFe(0.1)Sn(0.3)来表示。在另一个实施方式中，铁含量范围在0.02％到0.2％之间，锡含量范围在0.07％到1.0％之间，余量包含铜和杂质。该组合物任选包含含量在0.01％到0.07％之间的磷。

本发明的另一方面为一种铜合金组合物，其包含下述组分，其中百分数是重量百分数。该组合物包含铜(Cu)、锌(Zn)和锡(Sn)。在一个实施方式中，该合金的组成为95.3重量％的铜、4.0重量％的锌以及0.7重量％的锡，以CuZn(4.0)Sn(0.7)来表示。在另一个实施方式中，锌含量范围在1.0％到7.0％之间，锡含量范围在0.2％到1.4％之间，余量包含铜和杂质。该组合物任选包含含量在0.01％到0.07％之间的磷。

在另一方面，本发明提供了用于ACR应用的包含铜合金组合物的管。在本发明的又一方面，将该合金组合物形成用于ACR的管。

附图说明

图1图示了目前使用的C122合金在标准壁厚下与本发明合金在降低壁厚的情况下的每英尺相对金属价值与铜价的关系。

图2图示了铜-铁-锡合金实施例的导电率和拉伸强度与CuFe0.1的Sn含量的关系。

图3图示了铜-锌-锡合金实施例的导电率和拉伸强度与Zn和Sn(x1.4)含量的关系。

图4(a)-(c)图示了依据本发明实施例方式的管的各种视图。图(a)为透视图；图(b)为管(a)沿纵轴观察的横截面；图(c)为管(a)和(b)沿垂直于纵轴的轴观察的截面图。

发明详述

本发明提供一种高强度合金，它可以例如降低现有的ACR管材的壁厚，从而降低相应成本，和/或提供能够承受采用诸如CO₂这样的冷却介质而增加的压力的ACR管材。高强度的含义为，该合金和/或由合金制备的管至少具有本文所设定的拉伸强度水平和/或爆破压力水平和/或循环疲劳失效水平。该铜合金可以节约材料、成本，减小环境影响以及能源消耗。

为了提供一种能够例如使用诸如CO₂这样的冷却介质的换热器管用铜合金，该选择的合金应当具有合适的材料性能以及表现良好的可加工性。重要的材料性能包含例如爆破压力/强度、延展性、导热/导电性以及循环疲劳性能。在此所述的合金和/或管的所述性能是令人满意的，从而可以承受ACR运行环境。

高拉伸强度和高爆破压力是所期望的管性能，因为其限制了管在失效之前所能承受的运行压力。例如，爆破压力越高，管可以设计得越坚固，或者对于给定的最小爆破压力，本发明合金可以做成壁更薄的管。拉伸强度和爆破压力之间存在相互关系。该合金和/或包含该合金的管具有例如最小为38ksi(千磅每平方英寸)的材料拉伸强度。材料的拉伸强度可以采用本领域已知的方法来测量，例如ASTME-8测试方案。在各种实施方式中，该合金和/或包含该合金的管具有39、40、41或42ksi的材料拉伸强度。

该合金和/或由该合金制备的管的延展性是所期望的性能，这是由于在一实施方式中，当在盘管中使用时需要将管弯曲180度，弯成发卡状而不出现破裂或起皱。伸长率为材料延展性的指标。该合金和/或包含该合金的管具有例如最小为40％的伸长率。伸长率可以采用本领域已知的方法来测量，例如ASTME-8测试方案。在各种实施方式中，该合金和/或包含该合金的管具有最小为41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％或50％的伸长率。

导热/导电性为所期望的性能，这是由于其与传热能力相关，因此，其为影响ACR盘管效率的一个因素。此外，导热/导电性对管的形成十分重要。该合金和/或包含该合金的管具有例如最小为35％IACS的导电率。导电率可以采用本领域已知的方法来测量，例如ASTME-1004测试方案。在各种实施方式中，该合金和/或包含该合金的管具有最小为36％、37％、38％、39％、40％、45％、50％、55％、60％或65％(IACS)的导电率。

如表2所示，该合金和/或管具有例如与目前使用的合金例如C122至少相同的抗循环疲劳失效性。更进一步，该合金和/或管宜具有例如与目前使用的合金如C122至少相同的一种或多种类型的耐腐蚀性(例如电化腐蚀和蚁巢腐蚀)。

在一个实施方式中，一种包含本发明合金的管相对于标准铜管，如由C122制备的管，具有改进的耐软化性(其对钎焊十分重要)和/或增加的疲劳强度。

在一个实施方式中，图4(a)-(c)所示的降低了壁厚t的管(相对于包含常规合金如C122的管)，其包含本发明的合金，相对于包含常规合金如C122的管具有相同的或改进的爆破压力和/或循环疲劳性能。例如，本发明的管的壁厚相对于标准管，如C122管，可以最小化，从而降低了总的材料成本，同时两种管具有同样的爆破压力。在各种实施方式中，该管的壁厚比C122管至少薄10％、15％或20％，同时两种管具有相同的爆破压力。爆破压力可以通过本领域已知的方法来测量，例如CSA-C22.2第140.3条第6.1款强度测试-UL207第13款。循环疲劳性可以通过本领域已知的方法来测量，例如CSA-C22.2第140.3条第6.4款疲劳测试-UL207第14款。

本发明的合金可以依据本领域已知的方法来制造。在合金的制造工艺和/或管成形工艺中，控制温度十分重要。控制温度对保持元素为固溶态(防止析出)和控制晶粒尺寸十分重要。例如，如果处理不正确，导热/导电性会增加而成形性变差。

例如，在合金制备和/或管成形工艺中，为确保所期望的晶粒尺寸和防止析出，生产工艺中的热处理时间很短，从而使合金和/或管的温度快速(如10到500℃/秒)上升和下降至400-600℃之间。

合金和/或由合金制成的管具有所期望的晶粒尺寸。在一个实施方式中，晶粒尺寸从1μm到50μm，包含1μm到50μm的全部整数。在另一个实施方式中，晶粒尺寸从10μm到25μm。在又一实施方式中，晶粒尺寸从10μm到15μm。晶粒尺寸可以通过本领域已知的方法来测量，例如ASTME-112测试方案。

本发明的合金组合物包含以下以重量百分数计的合金成分相对含量。该重量百分数范围包含所述范围内的百分比的全部分数(包含，但不限于一个百分数的十分之几和百分之几)。

在一个实施方式中，该组合物包含铜、铁、锡和可选的磷。铁的百分数在0.02％到0.2％之间，更具体在0.07％到0.13％之间；锡在0.07％到1.0％之间，更具体在0.1％到0.5％之间；同时余量包含铜和杂质。在一个实施方式中，铜含量在98.67％到99.91％之间。在一个实施方式中，该合金组合物为CuFe(0.1)Sn(0.3)。在另一个实施方式中，该合金组合物为CuFe(0.1)Sn(0.3)P(0.020)。

杂质为例如自然存在的或由于工艺所带来的。杂质的例子包含例如锌、铁和铅。在一个实施方式中，杂质最多为0.6％。在各种其他实施方式中，杂质可以最多为0.5％、0.45％、0.3％、0.2％或0.1％。

可选的磷含量在0.01％到0.07％之间，更具体在0.015％到0.030％之间，或为0.02％。不受任何特定理论的约束，据认为合金中含有合适含量的磷杂质会通过影响金属的流动性和氧含量而增加合金的焊接性能，然而加入太多的磷会导致不良的晶粒结构以及不希望的析出。

在一个实施方式中，该组合物基本上由上述含量范围的Cu、Fe和Sn组成。在另一个实施方式中，该组合物基本上由上述含量范围的Cu、Fe、Sn和P组成。在各种实施方式中，除了铜、铁、锡(以及第二种实施方式中的磷)之外，其他组分的加入不引起本发明合金性能超过5％、4％、3％、2％或1％的不利改变，例如爆破压力/强度、延展性、导热/导电性和循环疲劳。

在另一个实施方式中，该合金组合物由上述含量范围的Cu、Fe、Sn和P组成。在另一个实施方式中，该合金组合物由上述含量范围的Cu、Fe、Sn和P组成。

在一个实施方式中，该组合物包含铜、锌、锡和可选的磷。锌的百分数在1.0％到7.0％之间，更具体在2.5％到5.5％之间；锡在0.2％到1.4％之间，更具体在0.4％到1.0％之间；同时余量包含铜和杂质。在一个实施方式中，铜含量在91.47％到98.8％之间。在一个实施方式中，该合金组合物为CuZn(4.0)Sn(0.7)。在另一个实施方式中，该合金组合物为CuZn(4.0)Sn(0.7)P(0.020)。

杂质为例如自然存在的或由于工艺所带来的。杂质的例子包含例如锌、铁和铅。在一个实施方式中，杂质最多为0.6％。在各种其他实施方式中，杂质可以最多为0.5％、0.45％、0.3％、0.2％或0.1％。

可选的磷含量在0.01％到0.07％之间，更具体在0.015％到0.030％之间，或为0.02％。不受任何特定理论的约束，据认为合金中含有合适含量的磷杂质会通过影响金属的流动性和氧含量而增加合金的焊接性能，然而加入太多的磷会导致不良的晶粒结构以及不希望的析出。

在一个实施方式中，该组合物基本上由上述含量范围的Cu、Zn和Sn组成。在另一个实施方式中，该组合物基本上由上述含量范围的Cu、Zn、Sn和P组成。在各种实施方式中，除了铜、锌、锡(以及第二种实施方式中的磷)的之外，其他组分的加入不引起本发明合金性能超过5％、4％、3％、2％或1％的不利改变，例如爆破压力/强度、延展性、导电性和循环疲劳。

在另一个实施方式中，该合金组合物由上述含量范围的Cu、Zn、Sn和P组成。在另一个实施方式中，该合金组合物由上述含量范围的Cu、Zn、Sn和P组成。

可以采用各种工艺来生产本发明的合金，例如铸轧(castandroll)、挤出或轧焊(rollandweld)。该工艺需要包含例如钎焊。当管按下述方式连接时进行钎焊。

在轧焊工艺中，通常将合金浇铸成棒材，轧缩成薄规格，热处理，切成一定尺寸，模压，管成形，焊接，退火以及封装。在铸轧工艺中，通常将合金浇铸成“母”管，拉拔成一定尺寸，退火，机加工生产内槽，定尺，退火和封装。在挤出工艺中，通常将合金浇铸成固态坯料，再加热，加压挤出，拉拔以及开槽为最终尺寸，退火和封装。

本发明一方面提供包含(在此所述的)铜-铁-锡合金或铜-锌-锡合金的管。在一实施方式中，管外径从0.100英寸到1英寸，包含0.100英寸和1英寸之间的所有分数，壁厚从0.004英寸到0.040英寸，包含0.004到0.040英寸之前的所有分数。本发明的一个优势在于壁较薄的管能够在ACR应用中使用。这降低了材料成本(见图1)。

在一个实施方式中，包含(在此所述的)铜-铁-锡合金或铜-锌-锡合金的管在ACR应用中使用。期望管具有足够的导热/导电性(例如这样管可以通过焊接来连接)以及成形性(例如变形能力，例如管在成形后弯曲)。另外，也期望管具有这样的性能，也就是使得管的内槽可得到增强。

适合本发明合金的工艺实施例为换热器盘管，它们具有通过轧焊工艺制成的管。在初始步骤，将本发明的铜合金浇铸为板坯，接着热轧和冷轧为平板。冷轧板进行软化退火。软化退火后的铜合金板接着采用连续轧制成形和焊接工艺来制成换热器管。在轧制成形和焊接工艺之前，对管进行内部增强，例如在管内壁上提供槽或肋板，其对本领域普通技术人员来说是显而易见的。在连续轧焊工艺中将管成形，并输出缠绕成大盘管。将大盘管运送到另一区域，将其剪切成较小的部分并成形为U形或发卡形。

为了制造换热器，将发卡形管材旋入铝散热片的通孔中，并将夹具插入U形铜管来扩管，从而使该铜管和铝散热片紧密接触。接着将U形铜管的开放端扩大，并将同样弯曲成U形的更短的发卡形管材插入扩大的端部。使用钎焊合金将弯曲的铜管钎焊到扩大的开放端，从而将其与邻近的发卡形管材相连，由此制得换热器。

下述实施例用来进一步描述本发明，但不构成任何限制。

实施例1

以试验规模来制备具有不同Fe和Sn含量的铜合金，并对其进行机械和物理性能测试，见表1。

在固定Fe含量的情况下，将结果相对于Sn含量绘图，见图2。全部测试合金满足所期望的35％IACS的最小导电率。Sn含量为2％和4％的参考合金表明，如果Sn含量>1.5％，则导电率过低。全部测试合金达到了最小拉伸强度为38ksi的机械性能。

组成为0.1％Fe和0.3％Sn(CuFe(0.1)Sn(0.3))的材料采用全生产规模来制造，并采用轧焊接方法来成形为管。该管制造成标准壁厚(例如0.0118英寸)和壁厚度薄13％的两种规格。采用ASTM和UL(如UL测试方案)来测试管的机械性能，并与采用“目前使用”的铜合金C12200以标准壁厚制成的管进行比较。结果如表2所示。标准壁厚的本发明合金(CuFe(0.1)Sn(0.3))具有更高的强度和更高的爆破压力。而对于制得的壁厚减小的管，本发明合金(CuFe(0.1)Sn(0.3))的爆破压力仍然高于标准壁厚的C122。

表1不同Fe和Sn含量的测试合金的机械性能和导电性

<*>合金C50715和C51190仅作为参考。

表2本发明合金(CuFe(0.1)Sn(0.3))制成的管的机械性能与目前标准合金C12200(Cu-DHP)的比较

实施例2

以试验规模来制备具有不同Zn和Sn含量的铜合金，测量后的机械和物理性能见表3。

将结果相对于Zn和Sn含量绘图，见图3。据认为对于导电率和强度，Sn比Zn具有更大的影响，因此，图3中的Sn含量乘以1.4。除了合金O，全部测试合金满足所期望的最小35％IACS导电率。全部测试合金达到了最小拉伸强度为38ksi的机械性能。

成分为4.0％Zn和0.7％Sn(CuZn(4.0)Sn(0.7))的材料采用全生产规模来制造，并采用轧焊方法来成形为管。该管制造成标准壁厚(例如0.0118英寸)和壁厚度薄13％两种规格。采用ASTM和UL(如UL测试方案)来测试管的机械性能，并与采用“目前使用”的铜合金C12200以标准壁厚制成的管进行比较。结果如表4所示。标准壁厚的本发明合金(CuZn(4.0)Sn(0.7))具有更高的强度和更高的爆破压力。而对于制得的壁厚减小的管，本发明合金(CuZn(4.0)Sn(0.7))的爆破压力仍然高于标准壁厚的C122。

表3不同Zn和Sn含量的测试合金的机械性能和导电性

表4本发明合金(CuZn(4)Sn(0.7))制成的管的机械性能与目前标准合金C12200(Cu-DHP)的比较

虽然本发明参考具体实施方式进行了特别地显示和描述，但在不脱离在此所述的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员应当认识到各种形式和细节上的改变可以由此获得。

Claims (11)

1.一种用于换热器的ACR管，其中该管包含铜合金，所述铜合金包含：

a)0.10重量％到0.13重量％的铁，

b)0.1重量％到0.5重量％的锡，以及

c)0.01重量％到0.07重量％的磷；

合金余量为铜和杂质。

2.如权利要求1所述的ACR管，其特征在于，该合金的晶粒尺寸从1微米到50微米。

3.如权利要求1所述的ACR管，其特征在于，该管的外径从0.100英寸到1英寸。

4.如权利要求1所述的ACR管，其特征在于，该管的壁厚相对于标准C122管的壁厚得到最大程度减小，从而降低了总材料成本，并且该管和标准C122管基本上具有相同的爆破压力。

5.如权利要求4所述的ACR管，其特征在于，该管的壁厚至少比标准C122管的壁厚小10％。

6.一种用于换热器的ACR管，其特征在于，该管包含铜合金，所述铜合金包含：

a)2.5重量％到5.5重量％的锌，以及

b)0.4重量％到1.0重量％的锡；

合金余量为铜和杂质。

7.如权利要求6所述的ACR管，其特征在于，该合金进一步包含磷，合金中的磷含量从0.01重量％到0.07重量％。

8.如权利要求6所述的ACR管，其特征在于，该合金的晶粒尺寸从1微米到50微米。

9.如权利要求6所述的ACR管，其特征在于，该管的外径从0.100英寸到1英寸。

10.如权利要求6所述的ACR管，其特征在于，该管的壁厚相对于标准C122管的壁厚得到最大程度减小，从而降低了总材料成本，并且该管和标准C122管基本上具有相同的爆破压力。

11.如权利要求10所述的ACR管，其特征在于，该管的壁厚至少比标准C122管的壁厚小10％。