Brevet FR2872448A1 — publié le 20060106

DESCRIPTION L'invention se rapporte à un matériau composite constitué d'un alliage d'aluminium à haute résistance, grâce à quoi le matériau composite est particulièrement utilisé pour la production d'échangeurs de chaleur brasés utilisés sur des véhicules. Le développement d'alliages d'aluminium à haute résistance s'impose du fait de la demande de l'industrie automobile de fabriquer des matériaux à parois plus légères et plus minces. Alors que les alliages d'aluminium ou composants réalisés en alliages d'aluminium présentent naturellement une bonne résistance à la corrosion, leur résistance mécanique est faible. L'addition de constituants d'alliage tels que le magnésium Mg améliore, d'une part, la résistance mécanique de l'alliage, mais la résistance à la corrosion après le brasage est problématique. En particulier, lorsque des alliages d'aluminium présentent une teneur en magnésium supérieure à 0,3 % et, lorsqu'un fluorure d'aluminium-potassium, par exemple du NOCOLOK est utilisé comme matériau de brasage, des problèmes considérables se produisent au cours du brasage. Les alliages d'aluminium présentant une telle teneur élevée en magnésium présentent un potentiel de protection contre la corrosion faible du fait de la diffusion de certains constituants d'alliage qui présentent un potentiel électrochimique différent de celui de la matrice de l'alliage d'aluminium. Lorsque des alliages d'aluminium sont utilisés pour des structures brasées telles que des échangeurs de chaleur, le matériau de brasage présente un effet cathodique sur l'alliage d'aluminium utilisé comme matériau de base, de sorte que la corrosion électrochimique est facilitée. De plus, il existe un risque pour les matériaux de brasage contenant du silicium que le silicium diffuse de manière intergranulaire dans l'alliage d'aluminium, ce qui résulte en une corrosion aux joints des grains. En principe, le risque de corrosion des composants constitués d'un alliage d'aluminium dépend des constituants d'alliage, du procédé de fabrication, du site d'utilisation et des conditions d'environnement qui y prédominent. D'après l'état actuel de la technique, différents procédés sont utilisés pour augmenter la stabilité vis-à-vis de la corrosion des alliages d'aluminium. L'addition de zinc peut modifier le matériau de brasage de sorte qu'il présente un effet anodique. Dans ce cas, le courant de corrosion circule depuis le matériau de revêtement plus actif vers l'alliage d'aluminium. Au cours du temps, cependant, le matériau de brasage modifié agit comme une anode sacrificielle de sorte que l'alliage d'aluminium peut se corroder. Par ailleurs, un alliage d'aluminium agissant comme une cathode est obtenu lorsqu'un autre élément est ajouté à l'alliage d'aluminium tel qu'un constituant d'alliage. De plus, l'alliage d'aluminium utilisé comme matériau de base peut être amélioré de cette manière de manière à empêcher la diffusion de silicium intergranulaire, ou intercristalline respectivement. Le document DE 28 18 564 Al décrit un procédé de protection contre la corrosion de tubes d'aluminium pour des échangeurs de chaleur et des échangeurs de chaleur produits de manière correspondante. Un échangeur de chaleur qui est au moins partiellement constitué d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium est revêtu d'un alliage protecteur. L'alliage protecteur est, conformément aux données du dépôt du brevet, un alliage d'aluminium contenant jusqu'à 12 % de silicium. Le document US 2002/0 142 185 Al décrit un alliage d'aluminium à 4 couches à utiliser pour les radiateurs. Deux couches intermédiaires sont prévues, lesquelles sont utilisées pour améliorer le comportement au brasage de la couche centrale. Le silicium peut diffuser depuis ces couches intermédiaires dans la couche centrale de manière à améliorer la résistance de la couche centrale. Le fait que la couche centrale présente une faible stabilité vis-à-vis de la corrosion constitue un inconvénient pour cette invention. Dans le document DE 31 27 980 C2, un matériau composite pour les tubes d'échangeurs de chaleur brasés et l'utilisation de ce matériau composite sont décrits. Le matériau composite est un alliage de partie centrale d'aluminium plaqué avec le matériau de placage constitué d'aluminium pur, un alliage d'aluminium manganèse ou un alliage d'aluminium silicium avec une teneur en cuivre de 0,2 % au maximum. Une caractéristique de cette invention est que l'alliage de la partie centrale contienne de 0,2 à 2 % de cuivre et d'aluminium et des impuretés comme éléments de complément. En outre, l'alliage de la partie centrale peut contenir de 0, 01 à 0,5 % de zirconium, de 0,05 à 0,5 % de manganèse et de 0,05 à 0,5 % de chrome. C'est le but de cette invention de fournir un matériau composite, en particulier pour des tubes d'échangeurs de chaleur, qui présente une faible masse, une longue durée de vie, une haute résistance et une résistance à la corrosion élevée. Conformément à l'invention, le problème est résolu par le fait que le matériau composite est constitué d'un alliage d'aluminium, et consiste en une couche centrale à haute résistance, une couche de protection contre la corrosion recouvrant cette couche centrale (surface supérieure), et une couche de matériau de brasage appliquée à la couche de protection contre la corrosion. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, en plus de la surface supérieure, la surface inférieure de la couche centrale est également munie d'une couche de protection contre la corrosion et une couche de matériau de brasage est placée sur celles ci. Donc, le nombre de couches du corps composite, qui est revêtu sur les deux faces augmente à cinq couches par comparaison aux trois couches du corps composite revêtu sur une seule face. La couche de protection contre la corrosion, conformément à l'état actuel de la technique, est appliquée à la couche centrale par un procédé de plaquage ou par revêtement. Le matériau composite peut être structuré sous la forme d'un composant ayant la forme d'une plaque ou la forme d'un tube ou d'un composant d'une forme quelconque. L'avantage significatif de cette invention est que, en raison de la combinaison de couche fonctionnelle, le matériau composite peut être configuré pour être, même après brasage, très léger, avoir une haute résistance et être résistant à la corrosion. La couche centrale à haute résistance du matériau composite, qui est constituée d'un alliage d'aluminium, présente une résistance à la corrosion plus faible et fonctionne de manière essentiellement statique. Les constituants d'alliage sont prévus pour être de 0,2 à 1,2 % de silicium Si, 0,8 % au maximum de fer Fe, de 0,15 à 1,0 % de cuivre Cu, 1, 2 % au maximum de manganèse Mn, 1,2 % au maximum de magnésium Mg, de 0,04 à 0,35 % de chrome Cr, 0,2 % au maximum de zinc, 0,25 % au maximum de titane Ti, et 0,3 % au maximum de zirconium Zr. La couche intermédiaire appliquée de préférence à la couche centrale par plaquage est configurée en tant que couche de protection contre la corrosion et protège en conséquence la couche centrale au-dessous de celle-ci. Un alliage à longue durée de vie de la série AA 3xxx est prévu en tant que matériau préféré pour cette couche de protection contre la corrosion. En tant que constituants d'alliage et teneurs de ceux ci dans l'alliage d'aluminium de la couche de protection contre la corrosion, on prévoit 0,6 % au maximum de silicium Si, 0,7 % de fer Fe, de 0,10 à 0,3 % de cuivre Cu, de 0,9 à 1,5 % au maximum de manganèse Mn, 0,15 % au maximum de magnésium Mg, 0,2 % au maximum de chrome Cr, 0,2 % au maximum de zinc, 0,30 % au maximum de titane Ti, et 0,3 % au maximum de zirconium Zr. La couche de protection contre la corrosion de l'invention présente une excellente stabilité vis- à-vis de la corrosion pour la corrosion intergranulaire et la corrosion par piqûres. Il s'est avéré être particulièrement avantageux que l'épaisseur de la couche de protection contre la corrosion se situe entre 5 % et 20 % et de préférence entre 5 % et 15 % de l'épaisseur de la couche centrale. La couche extérieure du matériau composite est formée par une couche de matériau de brasage appliquée à la couche de protection contre la corrosion, grâce à quoi la couche de matériau de brasage, conforme à l'invention, contient de 5 à 15 % de silicium Si, 0,8 % au maximum de fer Fe, 0,3 % au maximum de cuivre Cu, 0,1 % au maximum de manganèse Mn, 0,05 % au maximum de magnésium Mg, 0,5 % au maximum de zinc Zn, et 0,20 % au maximum de titane Ti en tant que constituants d'alliage. De manière à assurer que la couche de matériau de brasage puisse être facilement appliquée à la couche de protection contre la corrosion, la couche de matériau de brasage présente un point de fusion inférieur à celui de la couche de protection contre la corrosion et à celui de la couche centrale. La couche de matériau de brasage utilisée est un alliage aluminium silicium de la série 4xxx. En raison de la sélection calculée des constituants d'alliage des couches individuelles, à savoir la couche centrale, la couche de protection contre la corrosion et la couche de matériau de brasage, du matériau composite conforme à l'invention, un potentiel de protection contre la corrosion entre les couches individuelles est crée qui dure également après le brasage. Ce potentiel de protection contre la corrosion est caractérisé en ce que la couche centrale est configurée pour être cathodique vis-à-vis de la couche de protection contre la corrosion et la couche de protection contre la corrosion est également configurée pour être cathodique vis-à-vis de la couche de matériau de brasage. Donc, la couche de matériau de brasage est anodique vis-à-vis de la couche centrale. Le tableau suivant présente les constituants d'alliage en % en poids des couches 25 individuelles. %en poids Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr Couche 1 0,2 à 1,2 max. 0,8 0,15 à 1, 0 max. 1,2 max. 1,2 0,04 à 0,35 max. 0,2 max. 0,25 max. 0,3 Couche 2 max. 0,6 max. 0,7 0,10 à 0,3 0,9 à 1,5 max. 0,15 max. 0,20 max. 0,2 max. 0, 30 max. 0,3 Couche 3 5,0 à 15 max. 0,8 max. 0,3 max. 0,1 max. 0,05 / max. 0,5 max. 0,20 / L'addition de magnésium Mg augmente la résistance mécanique de l'alliage, en particulier la limite apparente d'élasticité et la résistance à la traction. L'addition de silicium Si non métallique et de manganèse Mn métallique permet d'améliorer encore la résistance mécanique de l'alliage. L'utilisation de ce matériau composite n'est pas limitée à des composants en forme de plaque, mais il peut également être utilisé pour des composants en forme de tube dans lesquels passe un fluide ou qui sont attaqués par une circulation de fluide tel qu'on en utilise par exemple dans les échangeurs ou les transformateurs de chaleur. L'expression échangeur ou transformateur de chaleur se réfère à la totalité de tous les appareils dans lesquels de la chaleur est échangée. Les échangeurs ou transformateurs de chaleur caractéristiques sont des condenseurs, des radiateurs, des refroidisseurs de gaz, des évaporateurs ou des registres de chauffage d'usage général. Une pluralité de matériaux composites en forme de tubes conformes à l'invention peuvent en conséquence être ajoutés à un échangeur de chaleur tel qu'un refroidisseur de gaz CO2 utilisé dans l'industrie automobile applicable à un réfrigérant. Les échangeurs de chaleur comprennent habituellement un collecteur et un distributeur, entre lesquels un ou plusieurs éléments de transport de fluide s'étendent. L'élément de transport de fluide qui est anodique vis-à-vis de la couche de protection contre la corrosion est amené au travers de la paroi de tube et aligné de façon appropriée pour être placé dans un collecteur et un distributeur de l'échangeur de chaleur. Donc l'élément de transport de fluide est en contact direct avec la couche de protection contre la corrosion. Conformément à l'invention, la différence du potentiel de corrosion est de 20 mV à 40 mV entre la couche de protection contre la corrosion cathodique et l'élément de transport de fluide anodique. Selon un autre aspect, la couche de matériau de brasage présente un point de fusion inférieur à celui de la couche de protection contre la corrosion et à la couche centrale. Selon encore un autre aspect, il est avantageux que l'épaisseur de la couche de protection contre la corrosion se situe entre 5 % et 20 %, de préférence entre 5 % et 15 % de l'épaisseur de la couche centrale. Les avantages et caractéristiques significatifs de l'invention par rapport à l'état actuel de la technique sont essentiellement: - une excellente résistance à la corrosion et une résistance mécanique très élevée du corps composite du fait de la configuration en plusieurs couches, - une protection contre la corrosion appliquée de manière optionnelle à une ou deux faces, donc une stabilité vis-à-vis des attaques de corrosion internes et externes, - une amélioration supplémentaire de la résistance à la corrosion du corps composite du fait de la différence du potentiel de protection contre la corrosion entre l'élément de transport de fluide anodique et la couche de protection contre la corrosion cathodique, - une adaptation particulièrement bonne à des conditions d'environnement agressives lorsque des sels tels que du NaCl et/ou du CaC12 ou des gaz tels que des oxydes de soufre SO, et/ou des oxydes d'azote NO, sont présents (risque de formation d'acide). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention deviendront facilement évidents à l'homme de l'art après un examen de la description détaillée suivante de modes de réalisation préférés en faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels: La figure 1 est une représentation simplifiée de la structure en couches d'un matériau composite en forme de plaque d'un premier mode de réalisation préféré selon une vue en coupe transversale, La figure 2 est une représentation simplifiée de la structure en couches d'un matériau composite en forme de plaque d'un second mode de réalisation préféré selon une vue en coupe transversale, et La figure 3 est une représentation en perspective de la structure en couches d'un 15 matériau composite en forme de tube d'un premier mode de réalisation préféré configuré comme un collecteur ou distributeur d'un échangeur de chaleur. La figure 1 illustre une représentation simplifiée de la structure en couches d'un matériau composite en forme de plaque 1 d'un premier mode de réalisation préféré de l'invention. La couche centrale, repérée par la référence numérique 2, est constituée d'un alliage à haute résistance présentant une faible résistance à la corrosion. La couche centrale 2 comprend pour l'essentiel les métaux aluminium Al, manganèse Mn, magnésium Mg et cuivre Cu, de même que du silicium Si du groupe principal A4. Ces éléments d'alliage donnent à la couche centrale 2 une stabilité au brasage souhaitée. La couche de protection contre la corrosion 3 appliquée à la surface supérieure de la couche centrale 2 protège la couche centrale 2 placée sous celle ci de la corrosion, qui est créée par l'humidité de l'air, par exemple ou autre. En général, un alliage AA 3xxx modifié présentant une résistance à la corrosion sur une longue durée de vie est fourni en tant qu'alliage préféré pour la couche de protection contre la corrosion 3. La couche de protection contre la corrosion 3 est appliquée à la couche centrale 2 placée sous celle ci par plaquage ou revêtement. Lorsque le matériau composite en forme de plaque 1 est formé en un tube, la couche de protection contre la corrosion 3 est dirigée vers l'extérieur. La sélection délibérée et les proportions associées de' constituants d'alliage pour former cette couche de protection contre la corrosion 3 contribuent à rendre cette couche de protection contre la corrosion 3 cathodique vis-à-vis de l'élément de transport de fluide 5, indiquée comme étant anodique sur la figure 3 du matériau composite 1. Une couche de matériau de brasage 4, conforme à l'invention, présentant une basse température de fusion est appliquée à la couche de protection contre la corrosion 3. Cette couche de matériau de brasage 4 est, généralement, un alliage Al Si de la série 4xxx et est utilisée pour braser les tôles de placage. Une représentation simplifiée de la structure en couches du matériau composite en forme de plaque 1 d'un second mode de réalisation préféré est illustrée sur la figure 2. Alors que la couche centrale 2 décrite ci dessus et représentée sur la figure 1 est revêtue sur une face seulement, c'est-à-dire sur la surface supérieure, sur la figure 2 à la fois les surfaces supérieure et inférieure de la couche centrale 2 sont pourvues d'une couche de protection contre la corrosion 3 et d'une couche de matériau de brasage 4 de manière à obtenir une protection accrue contre la corrosion. L'avantage significatif de ce revêtement sur les deux faces consiste en ce qu'à présent la surface intérieure d'un matériau composite en forme de tube 1 traversé par un réfrigérant est également protégée contre la corrosion, en particulier dans la zone de l'emplacement d'insertion de l'élément de transport de fluide 5 représenté sur la figure 3. Ce revêtement sur les deux faces n'est cependant pas indispensable. Ce matériau composite est caractérisé par la structure en couches suivante en allant du haut vers le bas: une couche de matériau de brasage 4, une couche de protection contre la corrosion 3, une couche centrale 2, une couche de protection contre la corrosion 3 et une couche de matériau de brasage 4. La figure 3 indique une représentation en perspective de la structure en couches d'un matériau composite, du premier mode de réalisation préféré configuré en tant que collecteur ou distributeur d'un échangeur de chaleur. Comme cela est observé, le matériau composite 1 a la forme d'un tube avec les couches individuelles 2 à 4 étant configurées sous forme de coquilles par souci de clarté. La couche centrale 2 placée sur la surface intérieure présente, dans ce cas, une épaisseur approximativement égale à cinq fois celle de la couche de protection contre la corrosion 3 appliquée à la couche centrale 2 par plaquage ou revêtement. La protection extérieure du matériau composite 1 est formée par une couche de matériau de brasage 4 d'un alliage Al Si. L'élément de transport de fluide 5, qui a la forme d'un parallélépipède, est inséré dans le matériau composite 1 en étant de préférence vertical par rapport à l'axe longitudinal du corps composite 1 et présente une pluralité de trous indiqués. Le fluide traverse ces trous en entrant ou en sortant du corps composite en forme de tube 1. L'élément de transport de fluide brasé 5 est en contact direct avec la couche de protection contre la corrosion 3 et est configuré pour être anodique vis-à-vis de la couche de protection contre la corrosion 3, de manière à améliorer la résistance à la corrosion. L'insertion ou le brasage de l'élément de transport de fluide 5 dans le corps composite est exécuté avant que la couche de matériau de brasage 4 ne soit appliquée à la couche de protection contre la corrosion 3, de sorte qu'au cours de la fusion, le matériau de brasage liquide revête complètement également l'endroit d'insertion de l'élément de transport de fluide 5 du corps composite 1 de manière à éviter toute action de capillarité. Nomenclature 1 matériau composite 2 couche centrale 3 couche de protection contre la corrosion 4 couche de matériau de brasage élément de transport de fluide. REVENDICATIONS 1. Matériau composite (1) constitué d'un alliage d'aluminium à haute résistance, le matériau composite en forme de plaque ou en forme de tube (1) étant constitué d'une couche centrale (2), d'une couche de protection contre la corrosion (3) recouvrant la surface supérieure de la couche centrale (2) et d'une couche de matériau de brasage (4) appliquée à la couche de protection contre la corrosion (3), matériau composite (1) caractérisé en ce que: a) la couche centrale (2) contient de 0,2 à 1,2 % de silicium Si, 0,8 % au maximum de fer Fe, de 0,15 à 1,0 % de cuivre Cu, 1,2 % au maximum de manganèse Mn, 1,2 % au maximum de magnésium Mg, de 0, 04 à 0,35 % de chrome Cr, 0,2 % au maximum de zinc, 0,25 % au maximum de titane Ti, et 0,3 % au maximum de zirconium Zr, b) la couche de protection contre la corrosion (3) contient 0,6 % au maximum de silicium Si, 0,7 % de fer Fe, de 0,10 à 0,3 % de cuivre Cu, de 0,9 à 1,5 % au maximum de manganèse Mn, 0,15 % au maximum de magnésium Mg, 0,2 % au maximum de chrome Cr, 0,2 % au maximum de zinc, 0,30 % au maximum de titane Ti et 0,3 % au maximum de zirconium Zr, et c) la couche de matériau de brasage (4) contient entre 5 % et 15 % de silicium Si, 0,8 % au maximum de fer Fe, 0,3 % au maximum de cuivre Cu, 0,1 % au maximum de manganèse Mn, 0,05 % au maximum de magnésium Mg, 0,5 % au maximum de zinc Zn et 0,20 % au maximum de titane Ti en tant que constituants d'alliage. 2. Matériau composite (1) constitué d'un alliage d'aluminium à haute résistance, le matériau composite en forme de plaque ou en forme de tube (1) étant constitué d'une couche centrale (2), d'une couche de protection contre la corrosion (3) recouvrant la surface supérieure et la surface inférieure de la couche centrale (2) et d'une couche de matériau de brasage (4) appliquée aux deux couches de protection contre la corrosion (3), matériau composite (1) caractérisé en ce que: a) la couche centrale (2) contient de 0,2 à 1,2 % de silicium Si, 0,8 % au maximum de fer Fe, de 0,15 à 1,0 % de cuivre Cu, 1,2 % au maximum de manganèse Mn, 1,2 % au maximum de magnésium Mg, de 0,04 à 0,35 % de chrome Cr, 0,2 % au maximum de zinc, 0,25 % au maximum de titane Ti, et 0,3 % au maximum de zirconium Zr, b) la couche de protection contre la corrosion (3) contient 0,6 % au maximum de silicium Si, 0,7 % de fer Fe, de 0,10 à 0,3 % de cuivre Cu, de 0,9 à 1,5 % au maximum de manganèse Mn, 0,15 % au maximum de magnésium Mg, 0,2 % au maximum de chrome Cr, 0,2 % au maximum de zinc, 0,30 % au maximum de titane Ti et 0,3 % au maximum de zirconium Zr, et c) la couche de matériau de brasage (4) contient entre 5 % et 15 % de silicium Si, 0,8 % au maximum de fer Fe, 0,3 % au maximum de cuivre Cu, 0,1 % au maximum de manganèse Mn, 0,05 % au maximum de magnésium Mg, 0,5 % au maximum de zinc Zn et 0,20 % au maximum de titane Ti en tant que constituants d'alliage. 3. Matériau composite (1) constitué d'un alliage d'aluminium à haute résistance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une pluralité de matériaux composites en forme de tube (1) sont ajoutés à un échangeur de chaleur tel qu'un refroidisseur de gaz CO2 applicable à un réfrigérant. 4. Matériau composite (1) constitué d'un alliage d'aluminium à haute résistance selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est muni d'un ou plusieurs éléments de transport de fluide anodiques (5), grâce à quoi il existe une différence du potentiel de corrosion de 20 mV à 40 mV entre l'élément de transport de fluide anodique (5) et la couche de protection cathodique contre la corrosion (3) . 5. Matériau composite (1) constitué d'un alliage d'aluminium à haute résistance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de matériau de brasage (4) présente un point de fusion plus bas que celui de la couche de protection contre la corrosion (3) et celui de la couche centrale (2). 6. Matériau composite (1) constitué d'un alliage d'aluminium à haute résistance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de protection contre la corrosion (3) se situe entre 5 % et 20 %, de préférence cependant entre 5 % et 15 % de l'épaisseur de la couche centrale (2). 10 30