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Bandes en alliage d'aluminium pour échangeurs thermiques
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine des bandes minces (épaisseur < 0,3 mm) en
alliage
d'aluminium destinées à la fabrication des échangeurs thermiques, notamment
ceux
1 o utilisés pour le refroidissement des moteurs et la climatisation de
l'habitacle des
véhicules automobiles. Les bandes en alliage d'aluminium pour échangeurs- sont
utilisées soit nues, soit revêtues sur une ou deux faces d'un alliage de
brasage.
L'invention concerne plus particulièrement les bandes non revêtues utilisées
pour les
ailettes ou intercalaires fixés sur des tubes ou des éléments en contact avec
le fluide
de refroidissement.
Etat de la technique
Les alliages d'aluminium sont maintenant très largement utilisés dans la
fabrication
2o des échangeurs thermiques pour l'automobile en raison de leur faible
densité, qui
permet uri gain de poids, notamment par rapport aux alliages cuivreux, tout en
assurant une bonne conduction thermique, une facilité de mise en oeuvre et une
bonne résistance à la corrosion. Ces échangeurs comportent des tubes pour la
circulation du fluide interne de chauffage ou de refroidissement et des
ailettes ou
intercalaires pour assurer le transfert thermique entre le fluide interne et
le fluide
externe, et leur fabrication se fait soit par assemblage mécanique, soit par
brasage.
En plus de leur fonction de transfert thermique, les ailettes ou intercalaires
doivent
assurer une protection des tubes contre la perforation par effet galvanique,
c'est-à-
dire en prévoyant pour les ailettes un alliage présentant un potentiel
électrochimique
de corrosion plus faible que pour les tubes, de sorte que l'ailette joue le
rôle d'anode
sacrificielle. L'alliage le plus couramment utilisé pour les tubes étant
l'alliage 3003,
on utilise habituellement pour les ailettes un alliage du même type avec une
addition
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de 0,5 à 2% de zinc. La composition de l'alliage 3003 enregistrée à l'Aluminum
Association est la suivante (% en poids)
Si < 0,6 Fe < 0,7 Cu : 0,05 - 0,2_ Mn : 1,0 - 1,5 Zn < 0;1.
Les bandes en ce type d'alliage sont généralement obtenues par coulée semi-
continue
d'une plaque, homogénéisation de cette plaque, laminage à chaud, puis laminage
à
froid avec éventuellement un recuit intermédiaire et/ou un recuit final. On
peut
également les obtenir par coulée continue de bandes entre deux courroies («
twin-belt
casting ») ou entre deux cylindres refroidis (« twin-roll casting »). Il est
connu
qu'avec cette dernière technique, pour obtenir dans les alliages Al-Mn une
structure à
1o grains fins, on applique une homogénéisation de l'ébauche qui élimine les
ségrégations issues de la coulée, ce qui conduit à un bon compromis entre la
résistance mécanique et la formabilité. Ces propriétés sont décrites notamment
dans
le brevet EP 0039211 (Alcan International) pour des alliages entre 1,3 et 2,3%
de
manganèse, et dans le brevet US 4,737,198 (Aluminum Company of America) pour
des alliages contenant de 0,5 à 1,2% de fer, moins de 0,5% de silicium et de
0,7 à
1,3% de manganèse, pouvant être utilisés pour la fabrication d'ailettes
d'échangeurs.
La demande de brevet WO 98/52707 de la demanderesse décrit un procédé de
fabrication de bandes en alliage d'aluminium contenant l'un au moins des
éléments
Fe (de 0,15 à 1,5%) ou Mn (de 0,35 à 1,9%) avec Fe + Mn < 2,5%, et contenant
2o éventuellement Si (< 0,8%), Mg (< 0,2%), Cu (< 0,2%), Cr (< 0,2%) ou Zn (<
0,2%)
par coulée continue entre cylindres refroidis et frettés à une épaisseur
comprise entre
1 et S mm, suivie d'un laminage à froid, l'effort appliqué aux cylindres de
coulée,
exprimé en tonnes par mètre de largeur de bande, étant inférieur à 300 +
2000/e, e
étant l'épaisseur de la bande exprimée en mm. L'utilisation de ces bandes pour
la
fabrication d'ailettes d'échangeurs brasés est mentionnée.
La demande de brevet WO 00/05426 d'Alcan International décrit la fabrication
de
bandes pour ailettes en alliage d'aluminium de composition : Fe : l,-2 - 1,8%,
Si : 0,7 - 0,95%, Mn : 0,3 - 0,5%, Zn : 0,3 - 2%, par coulée continue de
bandes avec une vitesse de refroidissement supérieure à 10°C/s.
3o Les demandes de brevet WO 01/53552 et WO 01/53553 d'Alcan International
concernent également la fabrication de bandes pour ailettes en alliages au fer
contenant jusqu'à 2,4% de fer par coulée continue et refroidissement très
rapide. Le
but est d'obtenir un potentiel de corrosion plus négatif.
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But de l'invention
Si les ailettes ou intercalaires doivent jouer un rôle de protection
galvanique des
tubes, elles ne doivent pas cependant être trop détériorées par la corrosion
au cours
de la vie de l'échangeur. En effet, il faut maintenir une intégrité suffisante
du
matériau, car si celui-ci perfore trop rapidement, l'échange thermique sera
moins
efficace du fait de la perte de surface utile. Il pourrait même se produire
une
désolidarisation de l'ailette et du tube, ce qui bloquerait la conduction
thermique
1o entre ces composants. L'invention a ainsi pour but d'obtenir des bandes
pour ailettes
ou intercalaires d'échangeurs thermiques en alliage d'aluminium destinés
notamment
à l'industrie automobile, présentant à la fois une bonne résistance mécanique,
une
bonne formabilité et une bonne résistance à la corrosion perforante tout en
ayant un
rôle d'anode sacrificielle.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet des bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur < 0,3
mm,
destinées à la fabrication d'échangeurs thermiques, de composition (% en
poids)
2o Si < 1,5 Fe < 2,5 Cu < 0,8 Mg < 1,0 Mn : < 1,8 Zn < 2,0 In < 0.2
Sn<0.2 Bi<0.2 Ti<0.2 Cr<0.25 Zr<0.25 Si+Fe+Mn+Mg>0,8,
autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, présentant
entre la
surface et la mi-épaisseur une différence de potentiel de corrosion, mesurée
par
rapport à une électrode au calomel saturé selon la norme ASTM G69, d'au moins
10
mV.
L'invention concerne également un procédé de fabrication de telles bandes par
coulée continue dans des conditions favorisant la formation de ségrégations au
coeur
de la bande, éventuellement laminage à chaud, laminage à froid avec
éventuellement
un ou plusieurs recuits) intermédiaires) ou final de 1 à 20 h à une
température
3o comprise entre 200 et 450°C.
Description des figures
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La figure 1 représente l'évolution du potentiel de corrosion, mesuré par
rapport à une
électrode au calomel saturé, d'une bande selon l'invention en alliage de
l'exemple 1,
en fonction de la profondeur par rapport à la surface.
La figure 2 représente de la même manière l'évolution du potentiel de
corrosion
d'une bande en alliage de l'exemple 2.
Description de l'invention
La demanderesse a trouvé qu'en utilisant, pour des alliages de type 3000 (Al-
Mn) ou
1 o de type 8000 (Al-Fe) avec addition éventuelle de zinc, la coulée continue
dans des
conditions de coulée particulières et avec une gamme de transformation
adaptée, on
obtenait des bandes présentant un gradient de potentiel de corrosion dans leur
épaisseur, et que cette propriété favorisait une propagation latérale plutôt
que
perpendiculaire à la surface de la corrosion, ce qui assurait l'effet
sacrificiel tout en
évitant la perforation, et donc la détérioration de l'ailette ou de
l'intercalaire au cours
du temps. Ce gradient de potentiel est d'au moins 10 mV. Selon une hypothèse
émise
par les inventeurs, cette différence pourrait être liée à la présence, pour
les conditions
particulières de coulée sélectionnées, de ségrégations au centre de la bande,
phénomène qu'on cherche habituellement à éviter, et qui conduit à des
différences de
2o composition en solution solide dans l'épaisseur des bandes.
La teneur en zinc varie en fonction de l'alliage utilisé pour les tubes, de
manière à
obtenir une différence de potentiel électrochimique entre les tubes et les
ailettes à la
fois suffisante pour permettre à l'ailette d'assurer son rôle d'anode
sacrificielle, et
pas trop élevée pour éviter sa détérioration trop rapide. Pour abaisser le
potentiel de
corrosion de l'ailette ou intercalaire, on peut ajouter également de l'indium,
de
l'étain et/ou du bismuth jusqu'à une teneur de 0,2%. Pour des tubes en alliage
3003,
la teneur en zinc est comprise, de préférence, entre 1,0 et 1,5%. Pour des
tubes en
alliage Al-Mn plus chargé en cuivre, comme par exemple les alliages à plus de
0,4%
de cuivre décrits dans la demande de brevet EP 1075935 de la demanderesse, la
3o teneur en zinc doit plutôt être maintenue en dessous de 0,8%.
La teneur en cuivre est maintenue de préférence en dessous de 0,5%. L'addition
éventuelle de titane jusqu'à 0,2%, de zirconium jusqu'à 0,25% et/ou de chrome
jusqu'à 0,25% permet d'améliorer la tenue à chaud (« SAG resistance ») de
l'alliage.
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Dans une première variante de l'invention, l'alliage utilisé est un alliage du
type
3003 avec une teneur en zinc pouvant aller jusqu'à 2%, c'est-à-dire un alliage
de
composition (% en poids)
Si < 1,0 Fe < 1,0 Cu < 0,8 Mg < 1,0 Mn : 0,8 - 1,8 Zn < 2,0 In < 0.2
5 Sn < 0.2 Bi < 0.2 Ti < 0.2 Cr < 0.25 Zr < 0.25 autres éléments < 0,05
chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.
L'addition de silicium, de préférence au-delà de 0,5% et jusqu'à 1% contribue
à
augmenter l'intervalle de solidification de l'alliage, ce qui favorise
l'apparition de
ségrégations à la coulée. Au-delà de 1%, on risque d'atteindre la température
de
1o brûlure de l'alliage au cours de l'opération de brasage de l'échangeur.
Dans une seconde variante de l'invention, on utilise un alliage de la série
8000 de
composition (% en poids)
Si : 0,2 - 1,5 Fe : 0,2 - 2,5 Cu < 0,8 Mg < 1,0 Mn : < 1,0 Zn < 2,0 In <
0.2 Sn < 0.2 Bi < 0.2 Ti < 0.2 Cr < 0.25 Zr < 0.25 Si + Fe > 0,8, autres
~ 5 éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.
Un domaine de composition particulièrement adapté est le suivant
Si : 0,8 - 1,5 Fe : 0,7 - 1,3 Mn < 0,1 Cu < 0,1 Mg < 0,1 et, de
préférence, Si : 1,0 -1,3 et Fe : 0,9 - 1,2.
Le procédé de fabrication des bandes selon l'invention comprend l'élaboration
de
20 l'alliage à partir d'une charge ajustée pour obtenir la composition
d'alliage désirée.
Le métal est ensuite coulé en continu sous forme d'une bande d'épaisseur
comprise
entre 1 et 30 mm, soit par coulée entre courroies entre 12 et 30 mm, soit, de
préférence, par coulée entre deux cylindres refroidis et frettés, à une
épaisseur
comprise entre 1 et 12 mm. Contrairement à l'enseignement de la demande de
brevet
25 WO 98/52707, on choisit des paramètres de coulée favorisant l'apparition de
ségrégations relativement importantes au coeur de la bande coulée.
Dans le cas de la coulée entre cylindres, il faut pour cela que le contact
entre le métal
et les cylindres refroidis soit le meilleur possible, de manière à augmenter
le gradient
thermique à la surface du métal durant la coulée, ce qui favorise les
ségrégations. Les
30 différents paramètres sur lesquels on peut agir sont notamment la longueur
de l'arc
de contact entre le métal et les cylindres, l'effort exercé par les cylindres
au cours de
la coulée et la température des frettes des cylindres. Un arc de contact
élevé, de
préférence supérieur à 60 mm, est favorable à la formation de ségrégations. Il
en est
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de même d'un effort élevé, de préférence supérieur à 100 + 2000/e t/m de
largeur de
bande coulée, e étant l'épaisseur de la bande coulée exprimée en mm. Enfin, la
température des frettes doit être aussi faible que possible, de préférence
inférieure à
100°C.
La bande coulée est éventuellement, dans le cas de la coulée entre courroies,
laminée
à chaud, et ensuite laminée à froid. Par contre, la bande coulée entre
cylindres est
directement laminée à froid. Si l'épaisseur finale est assez faible, il est
nécessaire de
prévoir au moins un recuit intermédiaire à une température comprise entre 200
et
450°C. Si le métal doit être livré à l'état recuit, on procède, sur la
bande laminée
1o jusqu'à l'épaisseur finale, à un recuit à une température comprise entre
200 et 450°C.
Dans le cas où le métal est livré à l'état écroui, la gamme de transformation
est
adaptée de façon à ce que le taux de réduction soit ajusté au taux
d'écrouissage visé.
Les bandes selon l'invention permettent de réaliser des ailettes ou
intercalaires
d'échangeurs thermiques présentant une résistance mécanique élevée, ce qui
permet
de diminuer l'épaisseur par rapport à une ailette ou un intercalaire selon
l'art
antérieur, tout en gardant une bonne formabilité. En service, l'ailette ou
l'intercalaire
joue son rôle sacrificiel, mais la corrosion progresse latéralement
parallèlement à la
surface, ce qui évite ou retarde la perforation, assure l'intégrité de
l'assemblage tube-
ailette, et donc un échange thermique continu. Les bandes présentent une
microstructure à grains grossiers, favorable à la tenue à chaud au cours du
brasage.
Exemple
Exemple 1
On a préparé au four de fusion un alliage de composition (% en poids)
Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti
0,80 0,55 0,10 1,0 0,0690,002 0,005 1,4 0,015
On a coulé une bande d'épaisseur S mm sur une installation de coulée continue
Jumbo 3Cm TM de la société Pechiney Rhenalu, à une largeur de 1420 mm, avec un
effort entre les cylindres de 780 t, un arc de contact de 70 mm et une
température des
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frettes des cylindres de 70°C. La bande a été ensuite laminée à froid
en une passe
jusqu'à l'épaisseur 0,7 mm, puis soumise à un recuit intermédiaire de 12 h
dans un
four à air programmé à 520°C pour amener le métal à une température de
l'ordre de
380°C, et laminée à froid en trois passes jusqu'à 130 gym.
Une première partie de la bande a subi un recuit de restauration de 2 h à
350°C, puis
un laminage jusqu'à 100 gym. Une seconde partie a subi un recuit de
recristallisation
de 2 h à 400°C, puis un laminage jusqu'à 100 ~,m. Enfin, une troisième
partie a subi
le même recuit, mais un laminage jusqu'à 75 gym. Pour comparaison, on a
fabriqué
des bandes en alliage 3003 au zinc de composition
lo
Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti
0,22 0,57 0,12 1,15 1,4
selon la même gamme de fabrication, mais en partant d'un procédé de coulée
semi-
continue verticale, avec un recuit de restauration de 2 h à 350°C, et
un laminage
jusqu'à 100 gym.
On a mesuré sur ces bandes les caractéristiques mécaniques statiques : limite
d'élasticité Ro,2, résistance à la rupture Rm et allongement A. Les résultats,
sont
indiqués au tableau 1
Gamme Epaisseur Ro,2 (MPa) Rm (MPa) A (%)
(q,m)
CC Rec. 100 235 248 3,2
350C
CC Rec. 100 188 197 2,4
400C
CC Rec. 75 213 227 1,8
400C
CV Rec. 100 158 162 1,5
350C
* CC = coulée continue L V = coulée sema-connnue verticale
On constate que le métal obtenu par coulée continue présente à la fois une
meilleure
résistance mécanique et un meilleur allongement que le métal issu de coulée
traditionnelle.
Sur la bande d'épaisseur 75 ~.m, on a mesuré, par rapport à une électrode au
calomel
saturé selon la norme ASTM G69, l'évolution du potentiel de corrosion dans
l'épaisseur. On constate sur la figure la présence, sous la surface, et sur
une
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profondeur d'environ 15 gym, d'une zone dans laquelle le potentiel évolue
rapidement
de -890 mV à -870 mV.
Exemple 2
On a préparé un alliage de composition (% en poids)
Si Fe Cu Mn Mg
1.2 1.1 <0.1 < 0.1 < 0.1
On a coulé une bande d'épaisseur 6,1 mm sur une installation de coulée
continue
I o Davy TM de la société Pechiney Eurofoil, à une largeur de 1740 mm, avec un
effort
entre les cylindres de 550 t, un arc de contact de 60 mm et une température
des
frettes des cylindres de 42°C. La bande a été ensuite laminée à froid
jusqu'à
l'épaisseur de 80 gym, pour obtenir un état métallurgique de type H19.
Les caractéristiques mécaniques de cette bande sont les suivantes
R", (MPa)Ro.2 (MPa)A%
311 256 7.3
On constate que ce métal, produit par coulée continue, présente un excellent
compromis résistance mécanique / allongement.
On a ensuite appliqué au métal, dans un four sous atmosphère d'azote, un cycle
de
brasage typique, comportant un palier de 2 minutes à 600°C.
Les caractéristiques mécaniques obtenues après ce traitement sont les
suivantes
Rm (MPa)Ro.2 (MPa)A%
135 53 13.2
La limite élastique après brasage, Ro.2, égale à 53 MPa est significativement
supérieure à celle obtenue pour des bandes en alliage 3003 traditionnellement
utilisé,
obtenues par coulée classique (de l'ordre de 40-45 MPa).
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Du point de vue de la résistance à la corrosion, on retrouve sur ces alliages
8xxx,
comme on peut le voir à la figure 2, et toujours en liaison avec le procédé de
coulée
utilisé, une évolution du potentiel de corrosion dans l'épaisseur du métal,
dont le
caractère bénéfique a été explicité plus haut pour les alliages 3xxx.
Afin d'adapter le potentiel de corrosion à celui des alliages utilisés pour
les tubes
auxquels les intercalaires vont être couplés, il est possible de réaliser une
addition de
zinc, élément qui n'a que très peu d'influence sur les caractéristiques
mécaniques ou
la conductivité thermique.
to
