散热器用铝合金牺牲阳极材料技术综述

张改璐 蔡旭东

摘 要：铝合金栖牲阳极广泛应用于车辆、船舶等基础设施的腐蚀防护。本文主要介绍了散热器用的铝合金栖牲阳极材料，并对铝合金栖牲阳极材料在国内外的专利申请量、主要申请人以及该技术领域的技术发展脉络进行了简要分析。

关键词：铝合金；牺牲阳极；散热器

Technical Review on the Patent Technology of the Aluminum Alloy Sacrificial Anode Materials for Heat Exchanger

Abstract： Aluminum alloy sacrificial anode materials have been widely used in anti-corrosion protections for vehicles，ships and other infrastructure constructions. The aluminum alloy sacrificial anode material for heat exchanger is introduced in this paper， while briefly analyzes the patent application quantities， the most important applicant of aluminum alloy sacrificial anode material at home and abroad and the technological develop focus.

Key words： aluminum alloy； sacrificial anode； heat exchanger

1 前言

在节能减排的世界潮流之下，散热器的紧凑化和轻量化是散热器行业发展的方向之一。铝制材料由于具有成本低，重量轻，寿命长，承压高，成形性好等特点，被广泛的应用到散热器中[1]。散热器工作环境恶劣，容易被腐蚀减少寿命，其腐蚀分为内部腐蚀和外部腐蚀，扁管内的热交换介质流动造成的腐蚀即为内部腐蚀；恶劣的外部环境对散热器造成的腐蚀，称为外部腐蚀，也称空气侧腐蚀。为了防止散热器的腐蚀，可采用涂装、添加缓蚀剂、牺牲阳极阴极保护等方法[2]。其中牺牲阳极阴极保护方法包括了优化芯材合金成分、长寿命合金应用、合金合理组合阴极保护等控制外部腐蚀方法，以及在管子内侧复合一层比芯材合金腐蚀电位较低的合金作为牺牲阳极层来保护作为阴极的芯材的控制内部腐蚀方法。

本文以牺牲阳极阴极保护控制散热器腐蚀为切入点，以中国专利数据库（CNABS）、德温特（DWPI）世界专利索引数据库中截至2019年6月10日已经收录的公开专利数据为基础，对散热器用铝合金牺牲阳极材料技术的发展路线进行了研究。

2专利申请量趋势

图1为散热器用铝合金牺牲阳极材料专利申请量的年度分布情况。从图1可知，该技术起源于1960年，自出现第一件散热器用铝合金牺牲阳极材料专利申请以来，该技术领域分别经过了萌芽期（1971-1981年）、平稳发展期（1982-1995年）、快速发展期（1996-2004年）、成熟期（2005-至今）。在快速发展期，申请量在2004年达到高峰，为19项，此后该项技术研究进入成熟期，申请量开始减少。

图1 散热器用铝合金牺牲阳极材料相关专利申请趋势

3 专利申请地域分布和主要申请人构成分析

专利申请的地域分布可以反映出技术发展的先进程度以及企业产品市场的重心等特点。通过对散热器用铝合金牺牲阳极材料申请的地域分布进行统计整理，得到图2所示的数据，从图中可以看出，在CNABS和DWPI中進行检索，加以筛选共获得相关专利申请316件。图2为散热器用铝合金牺牲阳极材料专利申请地域分布图，由图2可知，日本的申请数量位居全球第一，占散热器用铝合金牺牲阳极材料相关技术专利总量的37%；接下来分别为中国和美国，分别占比13%、11%。该三国的专利产出量占总量的61%，为散热器用铝合金牺牲阳极材料相关技术的主要来源国。申请数量占第四和五位的是欧洲专利局EP和WO，申请数量分别占比8%、7%。综合来看在该领域日中美有较强的技术力量集中。

图2专利申请地域分布

从图3中的主要申请人的国别构成来看，该领域专利申请量排名前十名中，日本申请人有8家，比例占到了80%，而中国和美国的申请人各有1家，两者均占比为10%；且上述的申请人均为企业，说明该技术已经商业化应用。从申请人的构成来看，日本在散热器用铝合金牺牲阳极材料领域中已经投入了相当的研发资源进行专利布局，并且申请人都为企业，说明散热器用铝合金牺牲阳极材料在日本相对成熟，具有相对规模的商业化应用。中国的企业已经意识到了散热器用铝合金牺牲阳极材料的潜在市场价值，应多关注日本在该领域的技术及发展方向，留意行业动态。

图3散热器用铝合金牺牲阳极材料技术主要申请人构成图

4 日本住友轻金属株式会社散热器用铝合金牺牲阳极材料专利分析

下面重点就申请量较大的日本住友轻金属株式会社的专利申请情况，分析其技术发展路线。对其技术发展路线进行研究对国内企业的生产、研发工作具有很高的指导性意义。

参见图4该公司关于该项技术的专利申请图，技术发展主要分为三个阶段：第一阶段为1995年以前，申请量较少，为17项，处于技术发展期；第二阶段为1996-2005年，住友的申请量突然增加，开始对专利进行布局，特别是2001-2005之间申请量达到顶峰，在该阶段住友在散热器用铝合金牺牲阳极材料处于快速发展期。第三阶段，2006年以后，住友的申请量开始减少，尤其是近两年，住友已不再在该领域进行专利申请，说明散热器用铝合金牺牲阳极材料方面的技术已经趋于成熟，专利布局基本完成。

图4 日本住友轻金属株式会社专利的申请图

日本住友轻金属株式会社专利在散热器用铝合金牺牲阳极材料方面的改进主要集中在包覆层方面的改进，对包覆材的改进方面的专利占了57%，基材的改进占15%，其它方面的改进占28%，这说明住友轻金属株式会社主要研究的是包覆层的改进，并在这方面做了大量的研究。由于本研究小组在前已对包覆层牺牲阳极专利进行了分析[3]，因此本文重点就其他两方面的专利申请情况进行技术发展路线的分析。

图5 日本住友轻金属株式会社专利的分布情况

4.1日本住友轻金属株式会社关于基材牺牲阳极铝合金专利分析

SUMITOMO公司对铝合金牺牲阳极材料基材的改进，主要是对于合金成分的设计使材料具备牺牲阳极的效果。其中最早的研究始于1988年，专利JP320-

45-688A涉及一种热交换器翅片用Al-Mn-Fe-Mg-Zn-Si合金材料，其具体成分为Mn 0.30-1.0%，Fe0.5- 1.0%，Mg 0.05-0.50%，Zn 0.10-0.40%，Si <=0.35，余量为铝和不可避免的杂质，该合金具有良好的牺牲阳极效应。

JP25756596A（1996年）涉及一种热交换器用Al-Mn-Si-Fe-Zn-Cu铝合金翅片材料，其具体成分为按质量分数计含有Mn 1.5-2.2%，Si 0.5-1.2%，Fe 0.1-0.6%，Zn 2-5%，Cu 0.1-0.6% 余量为铝和不可避免的杂质。该Al-Mn-Si-Fe-Zn-Cu焊接后具有牺牲阳极效果。此外，还可以根据需要添加In，Mg，Zr 和Cr元素。

JP9080398A（1998年）和JP7724499A（1999年）的两篇专利申请都涉及铝合金翅片材料，分别为Al-Mn-Si合金与Al-Mn-Si-Ni合金，都限定了Mn /Si含量比为1.0-3.5或1.0-2.5，由此得到具有优异的焊接性、强度、热导率，焊接后具有良好的牺牲阳极效果的铝合金。JP8297098A（1998年）则提供了用于机动车的Al-Mn-Si-Zn-Zr散热器材料，包括1.6- 2.0 wt% Mn，0.7-1.3 wt% Si，1.1-2.5 wt%Zn，0.06-0.2 wt% Zr， 不高于0.01% Mg，其余为铝和杂质，还可以根据需要加入<=0.2% Cu，形成铝锰硅化合物，焊接后，铝合金具有高强度、热传导性和牺牲阳极效果，散热器重量减轻，使用年限增加。上述三篇专利申请的铝合金主体都为铝锰硅合金，在此基础上再添加其他合金元素镍、锌、锆、铜、铟、锡，且都不含有镁元素或将其作为杂质元素限制其含量。

2000-2001年的专利申请中该公司仍然对Mn /Si含量比为1.0-3.5的Al-Mn-Si系合金材料进行了研究，并分别申请了JP2000351019A、JP2001340388A、JP2001340387A三篇专利申请，分别在Al-Mn-Si合金的基础上添加Fe、Cu 、Zn 、Zr 、Cr 、Ni元素，或调整提高了合金中元素铁、镍的含量，降低了锰、硅含量。图6是关于该公司对散热器用铝合金牺牲阳极材料基材研究的技术演进图。

图6 住友关于基材牺牲阳极铝合金的技术演进

4.2日本住友轻金属株式会社关于牺牲阳极铝合金其他方面专利分析

除了对自身具有牺牲阳极作用的基体材料和作为包覆层的牺牲阳极材料成分的改进，住友公司还从合金组织、合金结构、牺牲阳极层厚度等方面对牺牲阳极材料进行了改进。

JP3068279A（1979年）提供了一种热交换器用复合铝合金材料，其芯材采用Al-Zn-Mn合金，钎焊层采用Al-Si或Al-Si-Mg合金，通过设置工作流体通路，来提高材料的耐腐蚀性能。

JP15680493A（1987年），提供了一种热交换器用铝合金材料，芯材为Al-Cu合金，包覆材为纯Al或铝合金，通过使包覆层具有40-3300μm的含铜扩散层来提高合金的耐腐蚀性能。

JP32231190A（1990年），提供了一种钎焊用翅片材料，其中在芯层等两侧均包覆有Al-Si材料，两边均能起到犧牲阳极效果。

JP25923897A（1997年），提供了一种热交换器用铝合金复合板，其采用三层结构，在芯层的两侧包覆Al-Si钎焊层和牺牲阳极层，通过控制牺牲阳极层的厚度为0.05mm以上，来提高牺牲阳极的效果。图7是关于该公司对散热器用铝合金牺牲阳极铝合金其他方面研究的技术演进图。

图7 住友关于牺牲阳极铝合金其他方面研究的技术演进

5 结语

本文通过对全球范围内涉及散热器用铝合金牺牲阳极材料的专利申请进行统计和分析，获取了有关该领域的专利数据，并针对相关专利数据进行统计和分析，能够实现对散热器用铝合金牺牲阳极材料领域专利状况、相关信息等的了解和掌控。通过以上分析，可以获得以下认知：

（1）全球范围内该技术起源于19世纪60年代，经过平稳发展、快速发展直至技术成熟，涉及该领域的专利申请主要分布在日本、中国和美国，尤其是日本，说明上述国家是散热器铝合金牺牲阳极材料主要的研发地区或者销售地区，对散热器铝合金牺牲阳极材料的发展有重要影响；

（2）日本住友轻金属株式会社为散热器用铝合金牺牲阳极材料技术最为先进的公司之一，其专利申请量最大，对其专利进行分析能够较好的反应散热器用铝合金牺牲阳极材料的发展情况。研发者若想对该技术进行改进，可以参照住友在该领域的研究成果。同时也对国内企业的生产、研发工作具有很高的指导性意义，并有助于其尽早在散热器用铝合金牺牲阳极材料研究热点领域进行专利布局。

参考文献

[1]李益群.车用全铜与全铝散热器的发展[J].农机化研究，2005（04）：309.

[2]许淳淳.国内外化工防腐蚀技术进展[J].化工设备与防腐蚀，2001（06）：44-53.

[3]刘肖，赵宇，李艳.散热器用铝合金牺牲阳极材料技术综述[J].河南科技.知识产权，2018.02

作者简介：

张改璐（1989-）女，硕士，国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心材料工程发明审查部，审查员，主要从事材料领域发明申请的实质审查；

蔡旭东（1988-）男，硕士，国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心材料工程发明审查部，审查员，主要从事材料领域发明申请的实质审查；（等同第一作者）