Brevet FR2479091A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne un matériau à souder, braser ou soudo-braser en forme de feuille pour la réalisation d'ai- lettes sur un échangeur de chaleur enalliageà base d'aluminium et plus particulièrement un matériau à ailettes à braser ayant un effet d'anode réactive destiné à protéger les éléments en forme de tube ou de plaque définissant les passages de fluide de l'échangeur contre la corrosion. La fabrication des condenseurs ou évaporateurs à air d'appareils de conditionnement d'air pour automobiles comprend nor- malement le soudage sous vide d'ailettes formées de tales à braser sur des tubes principaux qui sont parcourus de réfrigérant, de fluo- rène par exemple, et qui ont été formés par extrusion d'un alliage d'aluminium ou de Al-Mn poreux. La tôle à braser d'o sont formées les ailettes est conventionnellement un matériau en feuille composite possédant une âme ou couche de base ou de support de l'alliage 3003 ou 6951, qui est recouverte, généralement sur les deux côtés, d'une couche de revêtement d'un alliage du type Al-Si-24g. Malheureusement, lorsqu'un échangeur de chaleur ainsi construit est exposé à un environnement très corrosif, il est forte- ment endommagé par la corrosion, ce qui limite ses applications à un domaine étroit. La corrosion que subit un tel échangeur conventionnel est illustrée schématiquement sur la figure 1. Celle-ci représente un tube principal 1 et un élément à ailettes 2, qui sont assemblés par soudage sous vide au moyen d'un cordon 3; ce dernier devenant plus cathodique, il s'établit un courant de corrosion qui circule dans le sens des flèches et provoque une corrosion par piqares 4 dans le tube principal 1. L'invention vise donc à éviter les inconvénients ou pro- blèmes signalés ci-dessus et à éviter plus particulièrement la corro- sion par piqares des tubes principaux. L'invention apporte des maté- riaux à ailettes perfectionnés, ayant un effet d'anode réactive. Un matériau en feuille à ailettes selon l'invention possède une âme en alliage à base d'aluminium d'une grosseur de grain de 100 rm ou plus, qui est composé essentiellement de 0,5 à 2% en poids de manganèse plus fer, la teneur en manganèse étant plus élevée que celle du fer, 0,1 è 0,7% en poids de zinc, 0,001 A moins de 0,02% en poids d'étain, reste aluminium, ainsi qu'un revêtement en alliage à base de Al-Si ou à base de Al-Si-Mg. Lorsqu'on utilise un tel matériau pour réaliser les ailettes d'un échangeur de chaleur en alliage à base d'aluminium, les tubes principaux de l'échangeur sont protégés contre la corrosion par piqûres, ce qui prolonge considérablement la durée de service de l'échangeur et lui ouvre un domaine d'application beaucoup plus vaste. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre ainsi que du dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est un détail, en coupe transversale d'un échangeur de chaleur conventionnel, servant à illustrerla corrosion; et la figure 2 est une vue en élévation latérale schématique servant à illustrer l'essai d'affaissement auquel ont été soumis dif- férents matériaux selon l'invention. Comme déjà indiqué, un matériau selon l'invention possède une 8me en alliage à base d'aluminium d'une grosseur de grain de 100 fm ou davantage et constitué essentiellement de 0,5 à 2% en poids de man- ganèse plus fer (moins de fer que de manganèse), 0,1 à 0,7% en poids de zinc, 0,001 à moins de 0,02% en poids d'étain, reste aluminium, ainsi qu'un revêtement qui peut être en alliage à base de Al-Si ou en alliage à base de Al-Si-Mg. Le zinc contenu dans l'alliage à base d'aluminium de l'âme sert à rendre les ailettes plus anodiques et empêche la corro- sion par piq0res des tubes principaux, Si sa teneur est inférieure à 0,1% en poids, son action n'atteint pas le niveau requis. Si sa teneur est au contraire supérieure A 0,7% en poids, une grande quan- tité de zinc est évaporée pendant le processus de soudage ou de bra- sage sous vide et l'aptitude au soudage est diminuée, Le manganèse et le fer augmentent la résistance mécani- que du matériau. Si leur teneur totale est inférieure à 0,5% en poids, l'effet d'accroissement de la résistance est insuffisant. Si la teneur totale dépasse au contraire 2% en poids, des composés géants ont ten- dance & se former dans le lingot et L'effet produit par le manganèse et le fer est diminué. L'une des particularités du matériau & ailettes selon l'invention est que la grosseur de grain de l'me est de 100 m ou plus; cette grosseur de grain peut Otre obtenue Oi l'alliage for- mant l'âme du matériau contient plus de manganèse que de fer, ce qui est donc une condition à respecter pour la mise en oeuvre de l'inven- tion. L'étain, en combinaison avec le zinc, sert à rendre les ailettes anodiques par rapport aux tubes principaux, à la'fois avant et après le processus de soudage sous vide, et à éviter ainsi la cor- rosion par piqûres des tubes principaux. Si sa teneur est inférieure à 0, 001% en poids, l'effet indiqué ci-dessus n'atteint pas le niveau envisagé par l'invention. Si la teneur d'étain est au contraire supé- rieure à 0,02% en poids, les ailettes deviennent excessivement anodi- ques et une autocorrosion excessive a tendance à se produire, ce qui raccourcit la durée de service des ailettes. De plus, un excès d'étain réduit non seulement la résistance mécanique du matériau à ailettes mais aussi l'aptitude au façonnage du lingot d'alliage à base d'alu- minium pour l'âme du matériau, de sorte que le processus de placage devient très difficile à exécuter. Si la grosseur de grain de l'âme est plus petite que pm, la tenue au gondolement est inférieure au niveau requis. Pour développer la grosseur de grain et la porter à 100,pm ou davantage, l'alliage défini plus haut et destiné à former l'ftme du matériau est laminé à chaud à 450-5500C et est soumis à un recuit de recristalli- sation par chauffage à une température d'au moins 300'C pendant 30 min au moins. L'ftme formée de l'alliage spécial a base d'aluminium défini ci-dessus peut contenir en outre, comme impuretés accidentelles, jusqu'à 1% en poids de silicium, 0,5% en poids de magnésium, 0,3% en poids de cuivre, 0, 3% en poids de chrome, 0,3% en poids de titane, 0,3% en poids de zirconium, 0,1O en poids de bore et/ou 0,1% en poids de gallium, sans que cela entratne une réduction sensible des proprié- tés. La couche de revêtement de cette âme peut être en alliage à base de Al-Si ou à base de Al-Si-Mg. Un alliage à base d'aluminium et de 5 à 15% en poids de silicium convient comme revêtement pour un processus de soudage ou de brasage utilisant un flux, tandis qu'un alliage à base d'aluminium et 5 à 15% en poids de silicium plus 0,1 à 2% en poids de magnésium convient pour un brasage sous vide. Pour un brasage normal à la pression atmosphérique, il est en outre pré- férable d'utiliser un alliage à base d'aluminium, 5-15% en poids de silicium, 0,001-0,27. en poids de bismuth et 0,001-0,1% en poids de béryllium. Le rapport de placage ou de revêtement du matériau com- posite en forme de feuille pour la réalisation d'ailettes selon l'in- vention est de préférence compris entre 5 et 20%. Comme déjà indiqué, la sélection et la combinaison des matières décrites pour 1'tme et pour le revêtement procurent un maté- riau à ailettes nettement meilleur, se laissant très bien travailler, possédant une résistance élevée à la traction et ayant un effet d'anode réactive suffisant pour assurer la protection cathodique désirée des tubes principaux. La partie suivante de la description indique des exemples de matériaux selon l'invention et de matériaux témoins ainsi que leurs résultats d'essais. Dans ces exemples, Iltme des matériau est formée des alliages d'aluminium représentés dans le tableau I ci-après. Une couche d'âme de chacun des alliages du tableau I a été recouverte des deux c5tés d'une couche de revêtement de Al-l0% en poids Si-1,5% en poids Mg pour produire un matériau à ailettes. La coulée, l'aptitude au laminage et l'aptitude à l'ondulation ont été observées pour chacun des matériaux ainsi obtenus; les résultats figurent dans le tableau Il ci-après. Des morceaux de tale à ailettes à braser (25 mn de large, 70 mm de long, épaisseur 0,16 mm) ont été produits en outre avec dif- férentes grosseurs de grain de l'nme comme indiqué dans le tableau III ciaprès, par la variation des conditions de production, telles que les conditions d'égalisation par maintien à température des lingots, de laminage à chaud et de recuit intermédiaire. La tenue au gondole- ment a été déterminée par la mesure de la cote de l'affaissement à chaud S de chacun des morceaux de tôles A, fixé par une extrémité dans une monture P comme représenté sur la figure 2 et chauffé à 600'C pendant 30 min. Sur la figure 2, la cote a correspond à la longueur totale de 70 mm du morceau de tale et la longueur libre b correspond à 30 ma. Les résultats sont indiqués dans le tableau III. Pour la fabrication d'échangeurs de chaleur, les maté- riaux à ailettes indiqués, possédant des fmes faites des alliages d'aluminium 1 a 15 et des revêtements en Al-107. en poids Si-1,5% en poids Mg ont été fixés sur des tubes ayant été formés de l'alliage A 1050 ou de l'alliage A 3003 par un processus normal d'extrusion, la fixation consistant en un brasage sous vide à 6000C pendant 3 min sous une pression de 10-5 torr. Afin d'étudier les tenues à la corro- sion de ces échangeurs, des essais alternés humide/sec ont été effec- tués, comprenant l'immersion de chaque échangeur pendant 30 min dans une solution de 3% de NaCl (pH = 3) à 400C, suivie du séchage de l'échangeur pendant 30 min dans 501C, et ce de façon continue pendant 1 mois. Après ces épreuves, la profondeur de corrosion maximale a été mesurée sur chaque échangeur; les résultats figurent dans le tableau IV ci-après. Les potentiels indiqués dans ce tableau sont les potentiels des âmes des matériaux à ailettes mesurés dans la solution aqueuse de 3% de NaCl, en utilisant une électrode normale de calomel saturée. Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte des matériaux à ailettes dont l'effet d'anode réactive, la tenue à la corrosion, l'aptitude au façonnage et la tenue au gondolement sont considérablement améliorés, ce qui permet un élargiasement considérable du domaine d'utilisation d'échangeurs de chaleur en alliage d'aluminium. TABLEAU I no Composition (% en poids) Reste Ai Mn Fe Zn Sn Si Cu Mg Cr Ti 1 0,40 0,30 0,6 0,003 0,15 0,02 0,02 0,05 0,01 dl'âme 2 0,50 0,45 0,20 0,018 0,10 0,01 0,10 0,01 0,05 3 0,8 0,40 0,50 0,005 0,10 0,01 0,01 0,02 0,02 selon 4 1,2 0,35 0,40 0,015 0,08 0,02 0,05 0,01 0,02 l'invention 5 1,5 0, 25 0,40 0,015 0,10 0,05 0,02 0,01 0,01 6 0,01 0,15 0,50 0,01 0,07 0,01 0,01 0,01 0,01 7 1,0 0,50 0,4 0,06 0,12 0,02 0,02 0,02 0,01 8 1,2 0,30 1,5 0,03 0,10 0,10 0,01 0,02 0,02 Alliages 9 1,2 0,40 - - 0,15 0,15 0,05 0,01 0,02 1,5 0,8 0,50 0,01 0,20 0,01 0,10 0,01 0,01 11 0,20 0,20 0,40 0,01 0,15 0,02 0,01 0,01 0,01 témoins 12 0,30 0,40 0,40 0,01 0,10 0,02 0,01 0,01 0,01 13 1,0 0,30 0,05 0,01 0,10 0,01 0,02 0,01 0,01 14 1,0 0,35 0,8 0,01 0,12 0,01 0,02 0,01 0,01 1,0 0,25 0,20 0,0005 0,12 0,01 0,02 0,01 0,01 - FTt:C *2479091 T A B L E A U I I Qualité quant aux défauts Aptitude au laminage Aptitude à l'ondu- de structure du lingot 1) 2) lation du matériau à ailettes 3) 1 bonne bonne bonne 2 tg. 3. . ti I 4..,. *. 5. I.,. 6. ".. pas d'ailette irrégulier 7 ségrégation de composés fissuration considé- bonne à base d'étain rable sur les bords 8 bonne fissuration sur les,. bords 9 If bonne * formation de composés coupe des persien-e intermétalliques géants *, nes médiocre 11 bonne ti h 12." *. 13.. ":bonne 14 *,.I *l ",.. . . . Note:1) Des échantillons ont été coupés des c8tés et des extrémités des lingots des différents alliages et ont été examinés au microscope électronique.- 2) L'aptitude au laminage a été évaluée par la formation de fissures sur les bords après laminage A chaud. - 3) Des tôles à ailettes d'une épaisseur de 0,16 mmi ont été ondulées avec formation de persiennes et les uniformités de conformation ont été évaluées. TABLEAU III Affaissement du matériau à chaud (cote S en mm figure 2) n . 300 pm 1 15 4 3 2 2 15 3 3 2 3 12 4 3 1 4 12 3 2 1 10 3 -2 1 6 > 25 > 25 >25 >25 7 15 4 3 2 8 12 4 2 1 9 12 3 3 1 10 3 2 1 11 >25 -' 20 12 10 12 20 10 7 5 13 12 3 2 1 14 20 15 10 7 12- 3 2 1 T A B L E A U I V Potentiel () Profondeur maximale de corrosion (mm) n Potentiel (V). tube en A 1050 tube en A 3003 1 -0,88 0,41 0,21 2 -0,83 0,50 0,25 3 -0,85 0,47 0,23 4 -0,88 0,40 0,20 -0,85 0,40 0,20 6 -0,87 0,42 0,23 7 -0,96 0,40 0,18 8 -0,90 0,41 0,19 9 -0,68 0,80 0,65 -0,88 0,42 0,22 11 -0,86 0,41 0,20 12 -0,86 0,40 0,21 13 -0,74 0,80 0,60 14 -0,88 o, 4* 0o20 -0,76 0,80 0,58 * Autocorrosion considérable du matériau a ailettes. Note - 2479091 REVEND I C A TIONS 1. Matériau à souder, braser ou soudo-braser en forme de feuille pour la réalisation d'ailettes sur un échangeur de chaleur en alliage à base d'aluminium, ce matériau étant un matériau compo- site possédant une *me ou couche de base ou de support et au moins une couche de revêtement, caractérisé en ce que l'Sme est un alliage à base d'aluminium composé essentiellement de 0,5 à 2% en poids de manganèse plus fer, la teneur en manganèse étant plus élevée que celle du fer, 0,1 à 0,7% en poids de zinc, 0,001 à moins de 0,02% en poids d'étain, reste aluminium, en ce que le revêtement est en alliage à base de Al-Sioua base deAl-Si-Mg et en ce que la grosseur de grain -de l'me est de 100 Gm ou davantage. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage à base de Al-Si est un alliage A1-5 à 15% en poids Si. 3. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage a base de Al-Si-Mg est un alliage A1-5 à 15% en poids Si-0,1 à 2% en poids Mg. 4. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage a base de Al-Si-Mg est un alliage A1-5 à 15% en poids Si-0,001 à 0,2% en poids Bi-0,001 a 0,1% en poids Be.