Brevet FR2267201A1 — publié le 19751107

La présente invention concerne un objet en métal å base d'aluminium qui présente une résistance supérieure ltérosion par corrosion en milieu humide. Une telle propriété est d'une importance essentielle compte tenu de l'utilisation généralisée d'aluminium en milieu humide ou liquide. Par exemple, les tubes d'aluminium utilisés dans des échangeurs de chaleur tels que des radiateurs en aluminium doivent posséder une forte résistance 9 l'érosion par corrosion en raison de la nature aqueuse du fluide d'échange de chaleur. Les essais dtutilisation de radiateurs en aluminium pour véhicules automobiles démontrent que de nombreuses matières à base d'aluminium conviendraient è cette application si elles n'étaient pas exposées à l'érosion par corrosion qui limite la durée de service en raison des fuites qui se produisent. Ces fuites peuvent se produire par des fissures ayant pour origine l'érosion corrosive,qui qui a pour effet que la paroi des tubes est creusée aux endroits où le courant de fluide de refroidissement doit contourner les obstacles formés dans les tubes. Les vitesses d'écoulement très élevées susceptibles de se produire dans les canaux formés par ces tubes conduisent facilement à des détériorations par l'érosion corrosive, sauf lorsque la matière est très résistante à une détérioration de cette nature. L'invention vise principalement à créer des corps composites en aluminium, par exemple des tubes en aluminium et en particulier ceux distinés à etre utilisés dans des échangeurs de chaleur, dont la résistance à l'érosion par corrosion en milieu humide soit améliorée. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu par un objet en métal qui est caractérisé en ce qutun revêtement en alliage à base d'aluminium, composé de 0,8 - 1,3 % de zinc, maximum 0,70 % de silicium et de fer, maximum 0,10 % de cuivre, maximum 0,10 X de manganèse, maximum 0,10 X de magnésium, reste essentiellement aluminium, est relié à au moins l'un des côtés d'une ame en alliage à base dtaluminium qui est composée de l,0 à 1,5 X de manganèse, o > å à 0,4 % de chrome > 0,05 à 0,4 X de cuivre, reste essen- tiellement aluminium. L'invention crée également un tube composite à base d'aluminium et un échangeur de chaleur présentant une résistance supérieure à l'érosion par corrosion en milieu humide.Selon un mode de réalisation préféré, un échangeur de chaleur selon l'invention comprend au moins un reci- pient auquel est relié au moins un tube, et une surface d'échange thermique secondaire qui est reliée au tube. Le tube lui-meme est un tube composite à base d'aluminium selon l'invention. Un échangeur de chaleur selon l'in vention comprend de préférence deux récipients ou collecteurs parallèles reliés l'un à l'autre par plusieurs tubes orientés perpendiculairement aux récipients et reliés à un ensemble d'ailettes. L'invention crée en outre un procédé et un système de transfert de chaleur, selon lesquels on relie un tube métallique ou un faisceau de tubes métalliques selon l'invention par leurs extrémités d'entrée à une plaque à tubes et par leurs extrémités de sortie à une deuxième plaque à tubes, on fait circuler un premier fluide sous forme d'un liquide aqueux à travers le ou les tubes, et on fait circuler un deuxième fluide sur les surfaces extérieures du ou des tubes de manière à établir un échange de chaleur avec le premier fluide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que du dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue en perspective d'un tube selon l'invention, - la figure 2 est une vue frontale, partiellement obturée, d'un radiateur d'automobile comprenant des tubes selon l'invention. Les corps composites selon l'invention comprennent un reve- tement en alliage d'aluminium composé de 0,8 - 1,3 % de zinc, maximum 0,7 % de silicium et de fer, maximum 0,10 % de cuivre, maximum 0,10 % de manganèse, maximum 0,10 % de magnésium, reste essentiellement aluminium, qui est relié à au moins un côté d'une ame en alliage à base d'aluminium composé de l,O 1,5 % de manganèse, 0,1 - 0,4 % de chrome, 0,05 - 0,4 % de cuivre, reste essentiellement aluminium. Comme déjà décrit, l'objet composite à base d'aluminium selon l'invention est remarquable par une forte résistance à l'érosion par corrosion dans un milieu aqueux ou humides auquel est exposé le revetement en alliage d'aluminium. La demanderesse a constaté en outre que cette résistance accrue à l'érosion par corrosion peut etre obtenue tout en conservant d'excellentes propriétés physiques. De plus, un tel corps composite a peu tendance à être piqué par corrosion. Grace à ces propriétés, un tube selon l'invention convient excellemment à l'utilisation dans des échangeurs de chialeur, par exemple dans des radiateurs en aluminium, et augmente la durée de service de ceux-ci. Les propriétés ( étonnantes découlant de l'invention peuvent également être utilisées avec avantage dans d'autres applications où il existe des vitesses d'écoulement élevées. Lors d'essais dan s un milieu aqueux où il se produit une érosion par corrosion ou attaque par chocs ou impacts, par exemple sur le coté intérieur, en l'occurrence le revetement intérieur 2 de l'amie 4 du tube représenté sur la figure 1, dans lequel circule une solution aqueuse, ce tube composite en aluminium selon l'invention s'avère étonnamment résistant.Cette forté résistance provient de ce que, dans le cas d'un transpercement du revêtement intérieur 2 fait d'un premier alliage d'aluminium, l'âme ainsi exposée et faite d'un deuxième alliage d'aluminium bénéficie d'une protection cathodique qui ralentit ou empêche la progression de la corrosion localisée. Zn milieu aqueux, par exemple dans une solution d'antigel dans les radiateurs d'automobile, la matière du revêtement est anodique par rapport à la matière de l'amie et, s'il se produit un transpercement localisé du revê- tement, ce qui peut se produire par exemple par une attaque par des chocs, le courant électrique engendré par l'anode relativement grande et par la petite cathode a pour effet d'empêcher le transpercement de l'amie et de protéger celle-ci cathodiquement contre la poursuite de la détérioration. La matière utilisée comme revêtement peut également contenir des impuretés, par exemple jusqu'à 0,7 Z de silicium et de fer, jusqu'S 0,1 % de cuivre, jusqu'à 0,1 % de manganese, jusqu'à 0,1 7. de magnésium et d'autres impuretés jusqu'à,0,05 X, avec un total jusqu'à 0,15X. La matière de l'amie aussi peut contenir des impuretés, par exemple jusqu'a 0,6 X de silicium, jusqu'à 0,7 Z de fer, jusqu'à 0,1 5 de zinc et d'autres impuretés jusqu'à 0,05 %, avec un total de 0,15 %. Le revêtement peut bien entendu être appliqué sur le côté extérieur de l'amie lorsque le fluide aqueux doit circuler autour des tubes et non pas à travers eux, et il est avantageux d'appliquer un revetement sur les deux côtés de l'ame lorsqu'un premier fluide aqueux doit circuler à travers les tubes et un deuxieme fluide aqueux autour d'eux. Un tube selon l'invention aura généralement, mais pas nécessairement, une épaisseur de paroi inférieure à 2,5 mm. Si le tube doit être utilisé dans un radiateur en aluminium de grande puissance, il peut avoir une épaisseur de paroi de 0,75 mm ou moins, de préférence entre 0,25 et 0,5 mm D'une manière générale, il est plus avantageux de prévoir une épaisseur de paroi de 2,5 wm ou moins lorsqu'un tube selon l'invention est appliqué à des échangeurs de chaleur. L'épaisseur du revêtement d'un tube selon l'invention par rapport à son épaisseur de paroi totale n'est pas critique mais devra géné- ralement être de l'ordre de 5 à 25 Z. On obtient ainsi une épaisseur de paroi de la matière de l'amie qui est suffisante en ce qui concerne la résistance mécanique, ainsi qu'une épaisseur suffisante du revetement, assurant une durée de service suffisante de l'ensemble. Un tube selon l'invention peut être fabriqué de façon conventionnelle. Par exemple, on peut produire des barres ou billettes d'aluminium, les transformer de façon conventionnelle par laminage en bandes, et relier ensuite, également par laminage, des bandes de matière de revêtement et des bandes de matière del'ame. La bande composite ainsi obtenue peut ensuite etre transformée en un tube soudé ayant la forme désirée. I1 est cependant possible aussi de produire le tube en enfilant une matière de revêtement tubulaire et une matière tubulaire pour l'ame l'une sur l'autre ou l'une dans l'autre, et en les reliant ensuite par extrusion ou étirage. Il est possible également, si nécessaire, de disposer sur une surface libre de l'amie des ailettes en un alliage, par exemple de la série AA 4XXX (alliages du type Al-Si) ou de la meme matière que l'tme, et de les relier à elle. Une telle liaison peut être réalisée, par exemple, par un métal d'apport de brasure ou par un revetement supplémentaire relié à l'amie et convenant également à la liaison des ailettes avec elle, par exemple en un alliage de la série AA 4XXX. Un tube destiné à un radiateur sera généralement réalisé sous forme d'un tube à joint de soudure longitudinal et de section transversale à peu près circulaire, qui est ensuite transformé par aplatissement en un tube de section ovale ou plate. La liaison entre la matière du revêtement et la matière de 1'8me peut donc être réalisée facilement par laminage des deux matières avant le soudage. La plus petite dimension d'un tel tube est de préférence comprise entre 1,25 et 5 mm. La plus grande dimension est de préférence comprise entre 7,5 et 30 mm. S'il est utilisé pour un échange de chaleur, le tube a de préférence un diamètre extérieur compris entre 6 et -50 mm, mais ce diamètre peut également etre plus grand. Un radiateur en aluminium selon l'invention peut être fabriqué de façon conventionnelle par des opérations de brasure effectuées en continu dans une ligne de fabrication pour radiateurs en aluminium. I1 est possible, par exemple, de réaliser un radiateur en aluminium à partir de tubes d'une épaisseur de paroi de 0,43 mm et d'un ensemble d'ailettes faites du même alliage que l'ame des tubes ou d'un alliage d'aluminium conventionnel. On peut utiliser à cet effet des alliages de la série 4AMI, par exemple l'alliage 4043, 4343 ou 4045. TABLEAU I Composition des alliages 4043, 4343, 4045 Si Fe Cu Mn Mg Zn 4043 4,5 - 6,0 0,8 0,30 0,05 0,05 * 0,10 4343 6,8 - 8,2 0,8 0,25 0,10 - 0,20 4045 9,0 - 11,0 0,8 0,30 0,05 0,05 0,10 Les différents éléments sont assemblés de la féçon désirée pour former le radiateur en aluminium, récouverts par trempage d'une couche de flux puis brasés dans un four à braser de façon continue dans une ligne de fabrication. Les radiateurs passent par un four à air chaud dans lequel le métal d'apport de brasure fond et se solidifie ensuite en reliant les différents éléments les uns aux autres, de sorte qu'on obtient un ensemble rigide. Il est possible aussi d'utiliser des procédés de brasure sans flux. Comme mentionné déjà, la surface mise à nu de l'ame peut, si désiré, hêtre munie d'un revêtement supplémentaire formé d'un alliage de métal de brasure, par exemple de la série AA 4XXX, en vue de la liaison avec les ailettes. Un radiateur selon l'invention conçu pour avoir un grand pouvoir de dissipation de chaleur peut être réalisé comme celui représenté sur la figure 2. Ce radiateur comprend un noyau ou unité de dissipation de chaleur 6, dont l'extrémité supérieure est reliée à un récipient ou distributeur d'entrée 8, et dont l'extrémité inférieure est reliée à un récipient ou collecteur de sortie 10. Les récipients peuvent être reliés aux conduits d'entrée et de sortie du système de refroidissement d'un bloc-cylindres, de maniere que le fluide de refroidissement aqueux peut s'écouler d'un récipient à l'autre. Le noyau 6 est composé d'un certain nombre de passagesde fluide formés par des tubes à eau 12 qui sont réalisés conformément à l'invention et qui sont séparés les uns des autres par des bandes 14 formant des ailettes de refroidissement.Ces bandes sont ondulées ou pliées en accordéon et sont disposées entre les tubes 12 de manière à les toucher, ou presque, de sorte que l'espace entre les tubes est divisé en un grand nombre d'alvéoles 16 relativement étroits à travers lesquels circule l'air. EXEMPT 1: Par coulée continue, on produit des barres de trois alliages A,B et C, que l'on homogénéise pendant 8 heures à 6050C et que lton refroidit ensuite à l'air. La composition de ces alliages ressort du tableau 11. TABLEAU Il Composition en Barres Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti A 0,21 0,41 0,11 1,18 - - 0,11 0,005 B 0,19 0,35 0,20 1,18 - 0,21 0,11 0,007 C 0,03 0,24 - - - - 1,03 0,005 EXEMPLE 2 On ramène par fraisage l'épaisseur des barres A et B de l'exemple 1 38 nun, on les brosse par des brosses métalliques et on les dégraisse au moyen de solvants sous forme de vapeur. On lamine la barre C à une température de 4250C à une épaisseur de 6,25 mm par des passes successives produisant chacune une réduction d'épaisseur de 2,5 mm et avec un réchauffage à 4250C après chaque deuxième passe, On réduit cette matière laminée à chaud à une épaisseur de 1,25 min par laminage à froid.On soude ensuite la matière en feuille provenant de la barre C et ayant une épaisseur de 1,25 min sur les quatre côtés de la barre A et de la barre B, de sorte qu'on obtient des corps composites dont 1'8me est formée par l'alliage A, respectivement l'alliage B, en laissant des ouvertures d'une longueur de 25 mm dans le joint de soudure sur l'un des petits côtés pour permettre l'échappement de l'air pendant le processus de laminage suivant. On chauffe les corps composites pendant 5 mn à 4250C et on réduit leur épaisseur par des passes d'égalisation ayant chacune un taux de réduction d'environ 3 % et pendant lesquelles l'ouverture pour l'échappement de l'air se trouve chaque fois à l'arrière dans le sens de laminage.On réchaufe les corps composites à 4250C, on réduit leur épaisseur par laminage à chaud à 6 mm et on ramène finalement l'épaisseur à 1,25 mm par laminage à froid. Sur des morceaux découpés ét polis des tôles composites ainsi obtenues - dont l'Sme est formée par l'alliage A, respectivement l'alliage B on mesure l'épaisseur du revêtement. Cette épaisseur est de 0,038 min pour l'une des tôles composites et de 0,041 mm pour l'autre. Pour simuler l'effet du processus de brasure dans une ligne de fabrication de radiateurs en aluminium fonctionnant en continu, on chauffe les tôles composites ayant les compositions de l'exemple 1 dans un four à cuve puis on les refroidit. On simule ce processus de brasure pour tenir compte des effets de diffusion qui pourraient conduire à une diminution de la différence de potentiel entre les électrodes formées par les composants de chaque corps composite pendant la fabrication des radiateurs en aluminium. Le cycle de chauffage et de refroidissement des tôles composites est le suivant : chauffage à 6200C, refroidissement à 425 C en moins de deux minutes et avec une vitesse de refroidissement constante et trempe à l'eau à 700C. EXEMPLE 3 On coupe les tôles composites des exemples 1 et 2 à des morceaux de grandeur appropriée et on expose ces morceaux à plusieurs jets d'une solution aqueuse d'antigel pour simuler l'effet de corrosion à long terme de radiateurs draut biS A des fins de comparaison, on produit de l'alliage A de l'exemple 1, par laminage une tôle sans revêtement d'une épaisseur de 1,25 mm, et une tôle composite dont l'âme est formée par l'alliage A. L'antigel est un éthylèneglycol aqueux (45 7 en poids) disponible dans le commerce, que l'on projette sur les morceaux de tôle ou échantillons à une température d'environ 93oC et à une vitesse de 29m/s. On poursuit cet essai pendant 6 jours. A la fin de l'essai, on retire les échantillons et on les rince tout d'abord dans l'eau distillée puis dans un solvant constitué par du méthanol et du benzène. On nettoie ensuite les échantillons chimiquement par immersion dans un bain aqueux d'acide chromique et d'acide phosphorique à 800C. Après rinçage dans l'eau distillée et séchage des échantillons, on mesure la profondeur des petits crateres formés par la projection La profondeur d'attaque de la tôle composite dont l'amie est formée par l'alliage A et le reve- tement par l'alliage C et de la tôle sans revêtement formée de l'alliage A est d'environ 0,075 mm, tandis que la profondeur d'attaque de la tôle composite dont l'amie est formée par l'alliage B et le revêtement par l'alliage C est au maximum de 0,045 mm environ. L'dme mise à nu en alliage B de cette dernière tôle composite ne présente pratiquement pas de trace d'attaque, gracie à la protection galvanique de l'alliage B par le revêtement de l'alliage C, alors que l'ame mise à nu en alliage A de l'autre tôle composite présente plusieurs petites fissures qui démontrent que la protection galvanique de l'alliage A par le revêtement de l'alliage C est pratiquement inexistante. Le revêtement à côté des zones mises à nu de l'ame en alliage B est pratiquement consommé, ce qui démontre que L'alliage B de l'âme a béné ficié d'une protection cathodique, tandis que le revêtement au bord des cratères formés dans la tôle composite avec l'amie en alliage A présente nettement moins de signes de consommation. EXEMPLE 4 Cet exemple porte sur la différence de potentiel entre les alliages des corps composites. On homogénéise des barres coulées en continu ayant la composition indiquée dans le tableau III, on les réduit par laminage à des tôles d'une épaisseur de 1,25 mm comme décrit dans l'exemple 2 puis on les soumet à un traitement simulant le processus de brasure. TABLEAU III Barres Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti A 0,20 0,41 0,20 1,28 - - 0,094 0,006 B 0,20 0,41 0,20 1,28 - 0,20 0,095 0,006 On découpe des échantillons dans les tôles faites des alliages A et B et dans une tôle de 1,25 min faite de la matière de revetement C de l'exemple 1, et on les soumet à un essai de projection comme dans exemple 3. On introduit une partie de chaque échantillon dans la chambre de projection de l'appareil d'essai à travers une garniture d'étanchéité spéciale en caoutchouc silicone, sans qu'un contact électrique puisse s'établir entre l'échantillon et des éléments de retenue de la garniture d'étanchéité lorsque celleci est serrée, et sans fuite possible de l'antigel. On fixe les échantillons de manière qu'aucune fuite électrique entre l'échantillon et la chambre de projection en acier inoxydable ne soit possible. Il est ainsi possible de disposer des échantillons de différentes matières dans des chambres de projection et de mesurer le courant électrique circulant entre eux pendant qu'ils sont exposés aux jets d'antigel à n'importe quelle température désirée. On détermine l'intensité du courant électrique par la mesure de la chute de tension aux bornes d'une résistance de 2 ohms montée parallèlement aux électrodes à l'extérieur. Cette valeur ohmique de la résistance est inférieure à 0,5 % de la résistance électrolytique totale de l'antigel entre les deux échantillons. On contrôle ainsi l'intensité du courant électrique entre, d'une part, l'alliage C de l'exemple 1 et l'alliage A du présent exemple, d'autre part, entre l'alliage C de l'exemple 1 et l'alliage B du présent exemple, pendant la projection d'antigel avec une vitesse de 29,4 m/s sur les échantillons. On fait varier la température pendant trois cycles successifs entre 40 et 1050C. La direction du courant électrique démontre que l'alliage C de l'exemple 1 reste l'anode dans les deux paires d'alliages dans toute cette plage de températures. pendant ces~cycles de température répétés, on constate que l'intensité du courant circulant entre les deux alliages B et C est d'environ 5 fois plus grande que l'intensité du courant circulant entre les deux alliages A et C. Il s'ensuit que lorsque-l'alliage C est relié comme matière anodique à l'alliage B, on obtient un courant de protection cathodique d'une intensité étonnamment forte, en particulier dans la plage allant de 90 à 1050C, c'est-à-dire dans la plage de températures danslaqnlle travaillent habituellement les radiateurs d'automobiles. On mesure en particulier une intensité de 16 P A entre la paire d'alliages A et C dans la partie à température décroissante du troisième cycle de température, plus précisément à 93,30C, tandis qu'on mesure une intensité de 100 luA entre la paire d'alliages B et C à la meme température. REVENDICATIONS 1. Objet en métal, par exemple un tube, faisant de préférence partie d'un échangeur de chaleur en aluminium, présentant une résistance supérieure à l'érosion par corrosion en milieu humide, caractérisé en ce qu'un revêtement en alliage à base d'aluminium, composé de 0,8 - 1,3 % de zinc, maximum 0,70 % de silicium et de fer, maximum 0,10 % de cuivre, maximum 0,10 % de manganèse, maximum 0,10 Z de magnésium, reste essentiellement aluminium, est relié à au moins l'un des côtés d'une ame en alliage à base d'aluminium qui est composé de 1,0 à 1,5 X de manganèse, 0,1 à 0,4 % de chrome, 0,05 à 0,4 % de cuivre, reste essentiellement aluminium. 2. Objet en métal selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ême est recouverte des deux côtés d'une matière de revêtement. 3, Objet en métal selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le revetement contient jusqu'à 0,7 % de silicium etde fer, jusqu'à 0,1 % de cuivre, jusqu'à 0,1 % de manganèse, jusqu'à 0,1 % de magnésium et divers autres composants dont la teneur individuelle peut atteindre 0,05 % et dont la teneur totale peut atteindre 0,15 %. 4. Objet en métal selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l' & e contient jusqu'à 0,6 % de silicium, jusqu'à 0,7 % de fer, jusqu'à 0,1 % de zinc et plusieurs autres composants dont la teneur individuelle peut atteindre 0,05 set dont la teneur totale peut atteindre 0,15 % 5. Objet en métal selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ayant la forme d'mi tube, caractérisé en ce qu'il possède une épaisseur de paroi comprise entre 0,25 et 0,75 min. 6. Objet en métal selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un revêtement relié à l'un des côtés de l'amie et une couche de métal de brasure reliée au côté opposé de l' me et faite d'une matière de la série d'alliages AA 4XXX (Al-Si) 7. Objet en métal selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ayant la forme d'un échangeur de chaleur en aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un récipient auquel est relié au moins un tube, ainsi qu'une surface d'échange thermique secondaire reliée au tube, et en ce que le tube comprend un revêtement à base d'aluminium. 8. Objet en métal ayant la forme d'un échangeur de chaleur en aluminium, selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface d'échange thermique secondaire est formée par des ailettes reliées au tube. 9. Objet en métal ayant la forme d'un échangeur de chaleur, selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend deux récipients parallèles qui sont reliés l'un à l'autre par plusieurs tubes disposés perpendiculairement aux récipients. 10. Objet en métal ayant la forme d'un échangeur de chaleur, selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le ou les tubes ont une épaisseur de paroi comprise entre 0,25 et 0,75 mm. 11. Procédé pour le transfert de chaleur au moyen d'un objet en métal ayant une résistance supérieure à l'érosion par corrosion dans un milieu aqueux, caractérisé par l'utilisation d'un ou plusieurs tubes métalliques portant un revêtement en alliage å base d'aluminium selon la revendication 1 et présentant des extrémités d'entrée et de sortie dont l'épaisseur de paroi ne dépasse pas 2,5 mm, par la liaison des extrémités d'entrée à une première plaque à tubes et la liaison des extrémités de sortie à une deuxième plaque à tubes, par la circulation d'un premier fluide constitué par un liquide aqueux Btravers les tubes, et par le contact d'un deuxième fluide avec les surfaces extérieures des tubes de manière à établir un échange de chaleur avec le premier fluide.