1、鋁制換熱器的耐腐蝕性探討海信科龍2012年11月1目錄2一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景二、鋁合金的腐蝕行為分析三、全鋁換熱器的耐腐蝕性控制四、結(jié)論目錄3一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景二、鋁合金的腐蝕行為分析三、全鋁換熱器的耐腐蝕性控制四、結(jié)論一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景4n 背景 降低成本 產(chǎn)品同質(zhì)化，售價越來越低。 主要原材料銅管價高且波動大。 提高能效 空調(diào)能效要求越來越高。美國 歐盟 澳洲SEER SEER/SCOP SEER中國 減少冷媒充注量 應對新冷媒的應用，冷媒充注量非常重要。一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景5 降低成本 銅價高且波動大，鋁價低且穩(wěn)定。圖1、2008201

2、0年銅價和鋁價走勢一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景6 降低成本 在空調(diào)制冷管路和兩器中，鋁是最適合替代銅的材料。 鋁合金在防腐性、抗壓、可塑性、熱交換性等方面均可達到或接近銅的特性。表表1 1、銅鋁性能比較、銅鋁性能比較性能參數(shù)性能參數(shù)銅銅鋁鋁熔點（熔點（）10831083658658密度（密度（g/cmg/cm3 3）8.98.92.72.7抗拉強度（抗拉強度（MPaMPa）35352502508080247247延伸率（延伸率（% %）50505050導熱系數(shù)（導熱系數(shù)（W/mKW/mK）407407238238比熱容（比熱容（J/kgKJ/kgK）418418902902一、家用空調(diào)“兩

3、器”以鋁代銅背景7 降低成本 為降低家用空調(diào)成本，以鋁管代替銅管制作鋁管鋁片管翅式換熱器是最直接的選擇。圖2、全鋁管翅式換熱器一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景8 降低成本 用鋁管直接代替銅管制作兩器有以下不足： 1、性能略有降低：鋁的導熱系數(shù)比銅低、內(nèi)螺紋比銅管制作困難內(nèi)側(cè)導熱系數(shù)降低、鋁管底壁厚增加導致內(nèi)徑減小阻力增加。圖3、銅管鋁片與鋁管鋁片換熱器性能對比一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景9 降低成本 用鋁管直接代替銅管制作兩器有以下不足： 2、脹管時內(nèi)齒變形大，脹頭阻力大，鋁管易屈曲。 3、釬焊難度大，廢品率高。圖4、脹管圖5、自動火焰釬焊一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景10 提高能效 鋁

4、管鋁片換熱器較銅管鋁片換熱器性能略有下降，而空調(diào)的能效要求越來越高，因此，以鋁管代替銅管制作鋁管鋁片管翅式換熱器不是最佳選擇。 最佳選擇是微通道換熱器。微通道冷凝器微通道冷凝器微通道蒸發(fā)器微通道蒸發(fā)器圖6、微通道換熱器一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景11 提高能效 相同換熱量下微通道換熱器的體積、重量、系統(tǒng)充注量、空氣側(cè)壓降、換熱系數(shù)等均優(yōu)于管翅式換熱器。表表2、相同換熱量下管翅式換熱器與微通道換熱器的對比、相同換熱量下管翅式換熱器與微通道換熱器的對比一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景12 提高能效 微通道換熱器翅片與扁管采用釬焊連接，同種合金的原子間的結(jié)合無接觸熱阻。圖7、脹接與釬焊連接的對比

5、一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景13 提高能效 微通道換熱器扁管的迎風面積小，流形有利，氣動性能好，背風面渦流區(qū)小。 圖8、管翅式與微通道換熱器空氣側(cè)表面流場一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景14 提高能效 扁管水力直徑小，在橢圓扁管的截面積和圓管的截面積相等的條件下，橢圓扁管扁管水力直徑小，在橢圓扁管的截面積和圓管的截面積相等的條件下，橢圓扁管內(nèi)制冷劑的濕潤周長比圓管大，傳熱面積大，熱阻小，因此管內(nèi)換熱量提高。內(nèi)制冷劑的濕潤周長比圓管大，傳熱面積大，熱阻小，因此管內(nèi)換熱量提高。 圖9、微通道扁管一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景15 提高能效 微通道換熱器優(yōu)點： 1、單位體積換熱量大。 a、常用

6、的16mm扁管平行流冷凝器單位體積換熱量約為9.525內(nèi)螺紋銅管百葉窗翅片換熱器的3倍 。 b、現(xiàn)有平臺的單冷外機，基本可用相同迎風面積的16mm、甚至12mm扁管的微通道冷凝器直接替代。 c、柜機蒸發(fā)器采用微通道蒸發(fā)器，蒸發(fā)器體積可減少約50%，柜機體積可減少約30%。 2、可自動化組裝，生產(chǎn)效率高。 3、釬焊工藝參數(shù)自動控制，產(chǎn)品一致性好，適合大批量生產(chǎn)。 質(zhì)量水平：行業(yè)內(nèi)微通道換熱器廢品率最低可穩(wěn)定在8000ppm（0.8%）。 4、在轎車空調(diào)領(lǐng)域應用多年，耐腐蝕性、可靠性得到驗證。一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景16 提高能效 微通道換熱器缺點： 1、影響釬焊質(zhì)量的因素多，技術(shù)難度遠高

7、于銅管鋁片換熱器。 2、全自動組裝生產(chǎn)線初始投資大，手工組裝方式占地面積大。 3、應用范圍受限。 a、外機僅適用于單冷機型。 b、內(nèi)機僅適用于窗機、柜機，不適合掛機。 4、須合理選材，以確保耐腐蝕性。一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景17減少冷媒充注量 全球加速HCFCs的淘汰，對HFCs的地位討論也越來越多圖10、中國HCFCs淘汰進程一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景18減少冷媒充注量圖11、大多數(shù)低GWP值冷媒都可燃圖12、 EN378對于可燃性冷媒限值示意圖Mal=2.5(LFL)5/4h0A1/2目錄19一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景二、鋁合金的腐蝕行為分析三、全鋁換熱器的耐腐蝕性控制

8、四、結(jié)論二、鋁合金的腐蝕行為分析20 大氣環(huán)境中鋁的腐蝕 大氣環(huán)境中鋁合金均勻腐蝕的速率甚至低于銅（表3），但鋁合金易發(fā)生點蝕腐蝕面小但深度大，管材極易穿孔失效。ASM Handbook Volume 13， Corrosion 9th Edition 表表3、鋁和其它幾種非鐵金屬在幾處暴露地區(qū)的大氣腐蝕速率、鋁和其它幾種非鐵金屬在幾處暴露地區(qū)的大氣腐蝕速率二、鋁合金的腐蝕行為分析21 鋁的標準電極電位 幾種純金屬的標準電極電位（對于標準氫電極，SHE）： E eMg/Mg2+ = -2.34V E eAl/Al3+ = -1.67V E eZn/Zn2+ = -0.762V E eFe/Fe

9、3+ = -0.036V E eCu/Cu2+ = 0.345V Al的活性僅比Mg弱，而比Zn強。 二、鋁合金的腐蝕行為分析22 鋁合金自然腐蝕電位（溶解電位） 鋁的溶解電位與鋁的狀態(tài)、介質(zhì)的種類、濕度以及介質(zhì)溶液的去充氣狀況有關(guān)。 表表4 4、金屬的溶解電位數(shù)據(jù)、金屬的溶解電位數(shù)據(jù)（2525，53 g/L 53 g/L NaClNaCl +3 g/L H +3 g/L H2 2O O2 2的溶液中測得，參比電極：的溶液中測得，參比電極：0.1 mol/L 0.1 mol/L 甘汞電極）甘汞電極）合金合金溶解電位，溶解電位，V V合金合金溶解電位，溶解電位，V V鉻鉻-0.40-0.40+0

10、.18+0.182219-T6,6009-T42219-T6,6009-T4，6061-T46061-T4-0.80-0.80鎳鎳-0.07-0.0743434343、40454045、40474047釬焊接頭釬焊接頭-0.82-0.82銀銀-0.08-0.081100,3003,6061-T61100,3003,6061-T6-0.83-0.83不銹鋼不銹鋼(300(300系列系列) )-0.09-0.091060,3004,50501060,3004,5050，-0.84-0.84銅銅-0.20-0.2070057005-0.94-0.94錫錫-0.49-0.4970727072-0.96

11、-0.96鉛鉛-0.55-0.55鋅鋅-1.10-1.10低碳鋼低碳鋼-0.58-0.58鎂鎂-1.73-1.73二、鋁合金的腐蝕行為分析23 鋁合金自然腐蝕電位（溶解電位） 鋁合金的溶解電位與鋁有差別：由于合金元素的加入，鋁合金制造加工和熱處理過程中會形成一系列的二相粒子，這些二相粒子為一些中間化合物，它們的存在包括種類、數(shù)量、粒子顆粒的大小、分布形態(tài)會對最終的溶解電位產(chǎn)生影響，并且這種影響是疊加的。 二、鋁合金的腐蝕行為分析24 鋁合金自然腐蝕電位（溶解電位） 鋁合金的溶解電位與鋁有差別：由于合金元素的加入，鋁合金制造加工和熱處理過程中會形成一系列的二相粒子，這些二相粒子為一些中間化合物，

12、它們的存在包括種類、數(shù)量、粒子顆粒的大小、分布形態(tài)會對最終的溶解電位產(chǎn)生影響，并且這種影響是疊加的。 表表5 5、鋁固溶體及其析出相的電極電位、鋁固溶體及其析出相的電極電位 （2525，53 g/L 53 g/L NaClNaCl +3 g/L H2O2 +3 g/L H2O2的溶液中測得，參比電極：的溶液中測得，參比電極：0.1 mol/L 0.1 mol/L 甘汞電極）甘汞電極）相相電位，電位，V V相相電位，電位，V V相相電位，電位，V VMgMg-1.73-1.73Al+1ZnAl+1Zn-0.96-0.96Al+2CuAl+2Cu-0.75-0.75AlAl3 3MgMg2 2-1

13、.24-1.24Al+7MgAl+7Mg-0.89-0.89AlAl2 2CuCu-0.73-0.73ZnZn-1.10-1.10Al+3MgAl+3Mg-0.87-0.87Al+4CuAl+4Cu-0.69-0.69Al+4MgAl+4Mg2 2ZnZn2 2-1.07-1.07AlAl6 6MnMn-0.85-0.85AlAl3 3FeFe-0.56-0.56Al+4ZnAl+4Zn-1.05-1.0599.96Al99.96Al-0.85-0.85AlAl3 3NiNi-0.52-0.52MgZnMgZn2 2-1.05-1.05Al+1MgAl+1Mg2 2SiSi-0.83-0.83

14、硅硅-0.26-0.26CuMgAlCuMgAl2 2-1.00-1.00Al+1SiAl+1Si-0.81-0.81CuCu-0.20-0.20二、鋁合金的腐蝕行為分析25 鋁合金點蝕 圖5用Pourbaix電位-pH圖表示鋁的氧化膜的熱力學穩(wěn)定條件：在pH值約為48.5區(qū)間，鋁是鈍化態(tài)（被鋁的氧化膜保護），鈍化區(qū)的范圍隨溫度、氧化膜類型及氧化膜在電解液中溶解速率而稍有變化。 超出鈍化區(qū)范圍，鋁按照簡單化學反應腐蝕更接近均勻腐蝕，在酸性環(huán)境中產(chǎn)生Al3+離子，在堿性環(huán)境中產(chǎn)生AlO-2（鋁酸鹽離子）。少數(shù)情況下不發(fā)生腐蝕由于氧化膜不溶解或由于溶液的氧化性，使氧化膜得以保持。 點蝕發(fā)生的原因：

15、 在鈍化區(qū)內(nèi)由于保護性氧化膜上存在缺陷。 鋁合金存在第二相元素，第二相以不可溶金屬間化合物的形式存在，它們與鋁基體之間存在電位差（圖13、表5），形成電偶電池。二、鋁合金的腐蝕行為分析26 鋁合金的晶間腐蝕 鋁合金的組織是不均勻的。 鋁換熱器常用材料有1100、3003、3102合金。 1100合金中，第二相顆?；虬F或包含鐵和硅，如Al6Fe、Al3Fe和Al12Fe3Si，這些相的顯微組織顆粒相對于鋁的固溶體是陰極，在緊接著這些粒子周圍的鋁固溶體會比較早地發(fā)生腐蝕。 3003、3102等Al-Mn合金中的Al6Mn相與鋁固溶體電位差很小，但合金中的Fe使Al6Mn轉(zhuǎn)變成(Fe,Mn)Al

16、6，Si使Al6Mn轉(zhuǎn)變成Al(Fe,Mn)Si，生成的這些相降低了鋁合金的耐蝕性 。 圖圖1515、30033003合金顯微組織合金顯微組織二、鋁合金的腐蝕行為分析27 鋁合金的晶間腐蝕 釬焊接頭的組織不均勻。 圖16列出了用Al-Si共晶釬料（4047）釬焊純鋁母材時的情況，釬焊溫度600，釬縫長度200mm，六張照片是釬縫上依次截取的部分段落。 圖圖16 16 用用Al-SiAl-Si共晶釬料釬焊鋁時的釬縫結(jié)構(gòu)共晶釬料釬焊鋁時的釬縫結(jié)構(gòu)目錄28一、家用空調(diào)“兩器”以鋁代銅背景二、鋁合金的腐蝕行為分析三、全鋁換熱器的耐腐蝕性控制四、結(jié)論三、全鋁換熱器的耐腐蝕性控制291、管材晶粒度選擇：晶

17、粒度級別指數(shù)越高，晶粒越致密，耐腐蝕性越好。 按照GB/T 3246.1-2000變形鋁及鋁合金制品顯微組織檢驗方法，鋁管鋁片換熱器管材晶粒度應優(yōu)于5級 。9 9級級5 5級級2 2級級圖圖17 17 不同晶粒度的不同晶粒度的30033003管材顯微組織管材顯微組織302、母材、釬料間電位差?。罕苊怆娕几g。三、全鋁換熱器的耐腐蝕性控制表6、全鋁換熱器常用材料的化學成分合金SiFeCuMnMgCrZnTiZr其他Al單個合計1100Si+Fe0.950.050.200.050.100.050.1599.0030030.60.70.050.201.01.50.100.050.15余量31020.

18、400.70.100.050.40.300.100.050.15余量3A210.60.70.201.01.60.050.100.150.050.15余量43436.88.20.80.250.100.200.050.15余量40459.011.00.80.300.050.050.100.200.050.15余量404711130.80.300.150.100.200.050.15余量60050.60.90.350.100.100.400.60.100.100.100.050.15余量60610.400.80.70.150.400.150.61.20.040.350.250.150.050.15余

19、量60630.200.60.350.100.100.450.90.100.100.100.050.15余量G770.150.250.150.250.10.190.350.550.050.155.56.50.100.100.200.050.15余量K70A0.300.300.200.200.70.601.200.100.253.904.400.020.15 0.130.180.050.15余量313、原材料的陽極保護： 微通道換熱器扁管壁厚約0.25mm。 扁管表面電弧噴涂612 g/的Zn，釬焊加熱時Zn向扁管內(nèi)擴散，最終形成100150m深度的Zn-Al保護層：Zn-Al保護層起陽極保護作用，且Zn-Al保護層的腐蝕是均勻腐蝕。 噴鋅扁管噴鋅扁管三、全鋁換熱器的耐腐蝕性控制圖圖18 18 噴鋅扁管噴鋅扁管324、釬焊工藝：釬焊溫度盡可能低，保溫時間盡可能短，減小組織的不均勻性。NOCOLOK FLUX BRAZING TE