抗蚀3系铝合金铸棒、其热加工工艺、抗蚀制成品及抗蚀制成品的制造工艺的制作方法

本发明涉及的是一种铝合金制造领域的技术，具体是一种抗蚀3系铝合金铸棒、其热加工工艺、抗蚀制成品及抗蚀制成品的制造工艺。

背景技术：

1、随着人工智能（ai）技术的飞速发展和人类在新能源领域的不断进步，当今世界对能源及大型储能站的需求，以及对大型服务器散热的需求日益增长，这直接导致了对高效能源转换和管理系统需求的增加。换热器作为能源系统中的关键组件，能够通过热交换过程提高能源的利用效率。随着能源消耗的增加，对换热器的数量和性能要求也随之提高，这促使了换热器技术的不断创新和发展。

2、在众多换热器材料中，铜拥有良好的导热性能和成熟的加工工艺，一直是换热器制造的首选材料。铜换热器以其卓越的热传导效率和稳定的工作性能而广受好评，但是铜的产量有限且价格相对较高，这在一定程度上限制了其在大规模应用中的普及。与此同时，铝作为一种轻质、高导热性的材料，产量丰富，价格低廉，逐渐成为换热器制造的另一种选择。铝换热器具有重量轻、热传导效率高、成本效益好等优点，故在新能源领域，尤其是在汽车、航空航天和家用电器等领域的应用日益广泛。

3、然而，铝换热器在实际应用中也面临着一些挑战。由于铝的化学性质较为活泼，其在服役环境中容易受到腐蚀，特别是点腐蚀和缝隙腐蚀，严重影响换热器的使用寿命和性能。点腐蚀通常发生在铝表面的局部区域，形成小孔，而缝隙腐蚀则在铝的缝隙或接头处发生，导致材料的局部剥离和损坏。这两种腐蚀形式都会使铝管的壁厚减薄，最终导致穿孔，从而破坏换热器的整体性能。最常用的aa3xxx系列合金，即aa3003或aa3103等合金，在含氯离子的环境中对腐蚀的抵抗力不足，因为此时铝管的寿命主要由最大腐蚀坑深度确定，而点腐蚀和缝隙腐蚀的特征正是会在结构缝隙处造成贫氧和富氧区域，然后会在第二相颗粒（特别是电极电位相对铝基体较正的第二相）附近溶解铝基体，继而造成第二相颗粒脱落，形成点腐蚀坑，循环此过程，造成腐蚀直接沿着壁厚方向进行，进而加快最大腐蚀坑的腐蚀速度。事实上，在swaat测试中，aa3xxx系列合金穿孔时间少于20天。

4、此外，对于换热器而言，一般采用尽量长的盘管交货。这样做不仅能够提高产业链上下游的生产效率，而且有利于大型换热器的生产，换热管的对接作业减少，大型换热器的品质得以进一步提升。对于铝换热器而言，这需要在生产过程中增加fe和si的含量以提高停模印的质量，但是fe和si添加量的提高又会导致铝制品的耐腐蚀性能降低，造成了两难的局面。

5、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明由此而来。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种抗蚀3系铝合金铸棒、其热加工工艺、抗蚀制成品及抗蚀制成品的制造工艺，能够提高铝合金的抗点蚀和抗缝隙腐蚀性能，且能够在较低的fe、si含量基础上提高停模印的质量。

2、本发明涉及一种抗蚀3系铝合金铸棒，按重量百分比，包括以下组分的元素：

3、mn:1.00～1.50wt%、si:0.05～0.15wt%、fe:0.05～0.13wt%、cr:0.05～0.15wt%、mo:0.05～0.15wt%、zr:0.07～0.25wt%、ti:0.10～0.30wt%、v:0.05～0.15wt%，其中，0.25wt%≤fe+cr+mo≤0.43wt%，0.15wt%≤ti+v≤0.40wt%，余量为al和不可避免的杂质；

4、不可避免的杂质中包括mg元素和cu元素，其中，mg元素占3系铝合金铸棒的重量比不超过0.10wt%，cu元素占3系铝合金铸棒的重量比不超过0.05wt%。

5、本发明还涉及一种抗蚀3系铝合金铸棒的热加工工艺，包括熔炼步骤和铸造步骤。

6、对于熔炼步骤，根据铝合金铸棒的元素组成，按重量百分比，称取原料，如铝锭、铝锰合金锭、硅块、铝铁合金锭、铝铬合金锭、钼粉、铝钛合金锭、铝钒合金锭、铝锆合金锭，然后加入熔炼炉进行熔炼，得到铝液。

7、优选地，熔炼过程中对铝液进行精炼，优选采用惰性气体精炼和/或精炼剂精炼去除夹杂物和氢，保证铝液中氢含量低于0.15ml/100g。

8、对于铸造步骤，优选采用气滑模半连续铸造方法，控制铝液温度在675～750℃之间，进行浇铸，制得铝合金铸棒；铝合金铸棒的直径为100～400mm。为了使包晶反应充分进行，应尽量选用较低的浇铸速度，但也应考虑生产效率等问题，故将浇铸速度控制在40～80mm/min范围内。优选地，浇铸速度可以为40mm/min、50mm/min、60mm/min、70mm/min、80mm/min等。

9、进一步优选地，在浇铸前流槽中加入晶粒细化剂，如alti5b1和/或alti3b1，晶粒细化剂添加温度为710～725℃，添加量为铝液重量的0.5%～1.0%，例如添加量为0.5wt%、0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%、0.9wt%、1.0wt%等。

10、本发明中抗蚀3系铝合金铸棒的热加工工艺，还包括均质热处理步骤。

11、均质热处理步骤：以不低于400℃/h的升温速度将铝合金铸棒加热升温至520～570℃范围内，然后保温5～10h，之后加速冷却；加速冷却开始时铝合金铸棒温度不低于490℃，冷却速度在250～400℃/h之间；

12、例如，升温速度可以为410℃/h、450℃/h、500℃/h、550℃/h等；

13、例如，保温温度可以为520℃、530℃、545℃、550℃、560℃等；

14、例如，保温时间可以为6h、7h、8h、9h等；

15、优选地，加速冷却为铝合金铸棒出炉后进行水雾冷却或空气冷却；冷却开始时铝合金铸棒的温度可以为500℃、520℃、550℃等，冷却速度可以为280℃/h、300℃/h、350℃/h、360℃/h、370℃/h、380℃/h、390℃/h、400℃/h等。

16、保温时间和冷却速率会影响均质过程中材料内第二相颗粒的生成，如zral3、femncrmosi等分散相的大小和分散程度。

17、mg元素作为本发明合金中的杂质元素，含量应尽可能的低。因为3系铝合金通常需要焊接作业，如钎焊，mg元素的过量存在将大大降低钎焊性能。本发明将mg元素含量控制在0.10wt%以内，以减少mg对于3系铝合金焊接作业的影响。优选地，mg元素含量不大于0.09wt%，例如mg元素含量为0.09wt%、0.08wt%、0.07wt%等；进一步优选地，mg元素含量不大于0.06wt%，例如mg元素含量为0.06wt%、0.05wt%、0.04wt%、0.03wt%；更优选地，mg元素含量不大于0.02wt%，例如mg元素含量为0.02wt%、0.01wt%、0.005wt%等。

18、cu元素作为本发明合金中的杂质元素，含量应尽可能的低。因为cu的电极电位和al相差较大，而且cu在铝基体中极容易富集，会大大促进点腐蚀的发生概率。本发明将cu元素含量控制在0.05wt%以内，例如cu元素含量为0.05wt%、0.04wt%；优选地，cu元素含量控制在0.03wt%以内，例如cu元素含量为0.03wt%、0.025wt%等；进一步优选地，cu元素含量控制在0.02wt%以内，例如cu元素含量为0.02wt%、0.01wt%、0.005wt%等。

19、mn元素是3系铝合金中的主要合金元素，当mn含量添加低于1.5wt%时，在室温到600℃的热加工（铸造）区间，与铝基体形成较小尺寸（＜3μm）的第二相颗粒mnal6，mnal6与铝基体的电极电位接近，因此相对其它系的铝合金，3系铝合金具有较好的耐腐蚀性能，同时能提高耐点腐蚀性能。但mn元素不适宜添加过多，根据al-mn二元相图，当mn的质量分数超过1.8wt%时，在656℃左右会发生共晶反应形成粗大的mnal6共晶相，降低强度的同时，给抗腐蚀性能带来不利影响。本发明中mn元素的含量为1.00～1.50wt%，例如mn元素含量为1.0wt%、1.1wt%、1.2wt%、1.3wt%、1.4wt%、1.5wt%等。

20、si元素在本发明合金中能够和fe，及其他过渡族元素mn、cr、mo等结合形成稳定的高温分散相fe（x）si。本发明将si元素含量控制在0.05～0.15wt%范围内，确保高温稳定分散相fe（x）si的生成，提高合金的高温力学性能，并且能够改善因为在换棒过程中挤压机的短暂停留而造成的部分材料的组织性能与基体组织性能之间的差异，提高制成品在此接头处性能的一致性；同时通过控制过渡族元素fe、cr、mo的添加量，避免生成尺寸过大的高温分散相，以免对铝合金在含氯离子环境下的抗点蚀性能产生不良影响。例如控制si元素含量为0.05wt%、0.07wt%、0.10wt%、0.11wt%、0.13wt%、0.15wt%等。

21、fe元素作为过渡族元素，其含量过高会在铸造过程中形成晶粒间初生β-fe相，该β-fe相尺寸较大，即使通过均质化转化和有序轧制过程转化，仍能保持在数微米到十几微米之间，该尺寸级别的β-fe相作为第二相颗粒和铝基体之间形成电化学反应，容易增加点腐蚀坑形成概率。本发明将fe元素含量控制在0.05～0.13wt%范围内，能够减少β-fe相的生成。例如fe元素含量可以为0.05wt%、0.07wt%、0.10wt%、0.11wt%、0.13wt%等。

22、除了fe，本发明合金中还添加了过渡族元素cr和mo，cr的含量为0.05～0.15wt%、mo的含量为0.05～0.15wt%，且fe+cr+mo的总含量控制在0.25～0.43wt%范围内。通过fe、cr和mo微量复合添加，实现了微合金化，微合金化形成的第二相颗粒大小弥散、电极电位平均，最大限度地减弱大颗粒第二相的形成，从而降低大颗粒第二相促进点腐蚀坑形成的概率。cr元素含量可以为0.05wt%、0.07wt%、0.10wt%、0.11wt%、0.13wt%、0.15wt%等，mo的含量可以为0.05wt%、0.07wt%、0.10wt%、0.11wt%、0.13wt%、0.15wt%等。

23、zr在本发明合金制造过程中通常与al形成zral3析出相，一般会在400～600℃范围内析出，本发明将zr元素的含量控制在0.07～0.25wt%范围内，弥补超低含量fe和si导致的铝合金热加工性能不足；该范围内的zr在铸造阶段凝固过程中不会和al形成粗大相，且会在均质化处理过程中形成微米级的弥散相，该弥散相在挤压过程中部分溶解同时钉扎晶界，从而提高铝合金的热加工性能。在铝合金盘管制造过程中具体表现为提高停模印区域的强度，随后拉拔过程不容易断管。zr元素的含量可以为0.07wt%、0.10wt%、0.12wt%、0.15wt%、0.18wt%、0.23wt%、0.25wt%等。

24、ti和v元素在本发明合金制造过程中促进了凝固包晶反应的进行，即在凝固过程中沿晶界形成富含ti和v的固溶区域，该固溶区域经过挤压后形成沿挤压方向的元素富集带，这层元素富集带可以抵御腐蚀沿厚度方向进行，从而使晶间腐蚀倾向大大降低，变成层状腐蚀，大大降低了铝合金腐蚀穿孔的概率，增加了铝合金制品的寿命。但过多ti和v的添加可能会形成alti3和v3al等金属间化合物，降低基体力学性能和抗腐蚀性能，促进点蚀的发生。本发明控制ti的含量为0.10～0.30wt%，v的含量为0.05～0.15wt%，ti+v的总含量为0.15～0.40wt%；例如ti元素的含量可以为0.10wt%、0.12wt%、0.14wt%、0.15wt%、0.18wt%、0.20wt%、0.23wt%、0.25wt%、0.30wt%等，v元素的含量可以为0.05wt%、0.06wt%、0.07wt%、0.08wt%、0.09wt%、0.10wt%、0.11wt%、0.12wt%、0.13wt%、0.14wt%、0.15wt%等。

25、本发明还涉及一种抗蚀制成品，作为换热器构件，采用上述抗蚀3系铝合金铸棒制成。具体地，抗蚀制成品根据模具的结构可以为抗蚀铝合金换热圆管或抗蚀铝合金换热扁管。

26、本发明还涉及上述抗蚀制成品的制造工艺，包括挤出成型步骤、盘卷步骤和拉拔步骤。

27、挤出成型步骤：将经历均质热处理步骤后的抗蚀3系铝合金铸棒加热至460～510℃之间，然后挤出得到铝合金型材，挤压出口温度控制在550～600℃之间；挤出后冷却至室温25～30℃，并干燥。

28、优选地，若挤压棒长度大于700mm，应设置温度梯度70～100℃/m，保证挤压出口温度波动在±7℃范围以内。挤压比在100～300之间，不同挤压比对应的挤出速度不同。

29、优选地，挤出后通过水槽冷却至室温，水槽冷却后高压空气吹干表面水分，保证后续盘卷处理时铝合金型材已冷却至室温且表面干燥。

30、优选地，挤出成型步骤中，还包括换棒操作。换棒时间会影响停模印的性能，因为此刻挤出成型模具内的材料（当前铝合金铸棒）和模具出口处材料（上一铝合金铸棒）经历的热历史不同，换棒时间过长将导致相邻两铝合金铸棒在挤出界面处出现粗大晶粒和纤维晶结构，致使拉拔步骤中出现断管问题。换棒操作优选在上一铝合金铸棒末端挤出至模具出口处后25s内完成，避免拉拔步骤中出现断管问题。

31、盘卷步骤：对铝合金型材进行拉伸张紧，张紧变形量不超过5%；优选地，张紧变形量为2%～3%、3%～4%，4%～5%等。

32、拉拔步骤：对经盘卷步骤处理的铝合金型材进行拉拔处理，单道次拉拔变形量不大于60%，总拉拔变形量不大于85%；进一步优选地，采用浮游芯头或外模空拉的方法拉拔。

33、此外，抗蚀制成品的制造工艺还可以包括退火步骤。即在拉拔后采用在线退火、电炉退火、天然气炉退火等方式进行热处理。退火温度350～550℃，退火时间根据加热炉不同做相应的选择。通过退火处理可以使抗蚀制成品具有较好的机械性能，能够进行进一步的冷热加工处理，包括并不限于扩口、胀管、弯曲、焊接等等。

34、与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

35、1）本发明最大限度地减少了3系铝合金中fe、si、cu等容易引起点蚀的元素的含量，采用过渡族元素fe、cr、mo复合微量添加的手段，结合zr、ti、v元素的添加，在本发明均质热处理条件下，在铝合金铸棒中形成大量的微米级别及微米级别以下的分散相，不仅提高了抗点蚀和抗缝隙腐蚀的性能，而且替代fe、si等大颗粒分散相保证了材料的热加工性能，实现了铝合金制品连续的盘卷拉拔生产，且能够在挤压成型工序中形成沿挤压方向的元素偏析带，进一步减少厚度方向的穿透腐蚀，大大提高了铝合金制品的寿命。

36、2）本发明制造的铝合金制品swaat测试结果达到80天不泄露，比普通3003和3103圆管的20天不泄露的寿命延长数倍；因此非常适合应用于各种铝制热交换器和散热微通道扁管中，具有耐点蚀和缝隙腐蚀特性好、寿命长、成本低等优点。