散熱器用鋁合金犧牲陽極材料技術綜述

張改璐 蔡旭東

摘 要：鋁合金棲牲陽極廣泛應用于車輛、船舶等基礎設施的腐蝕防護。本文主要介紹了散熱器用的鋁合金棲牲陽極材料，并對鋁合金棲牲陽極材料在國內外的專利申請量、主要申請人以及該技術領域的技術發展脈絡進行了簡要分析。

關鍵詞：鋁合金；犧牲陽極；散熱器

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

在節能減排的世界潮流之下，散熱器的緊湊化和輕量化是散熱器行業發展的方向之一。鋁制材料由于具有成本低，重量輕，壽命長，承壓高，成形性好等特點，被廣泛的應用到散熱器中[1]。散熱器工作環境惡劣，容易被腐蝕減少壽命，其腐蝕分為內部腐蝕和外部腐蝕，扁管內的熱交換介質流動造成的腐蝕即為內部腐蝕；惡劣的外部環境對散熱器造成的腐蝕，稱為外部腐蝕，也稱空氣側腐蝕。為了防止散熱器的腐蝕，可采用涂裝、添加緩蝕劑、犧牲陽極陰極保護等方法[2]。其中犧牲陽極陰極保護方法包括了優化芯材合金成分、長壽命合金應用、合金合理組合陰極保護等控制外部腐蝕方法，以及在管子內側復合一層比芯材合金腐蝕電位較低的合金作為犧牲陽極層來保護作為陰極的芯材的控制內部腐蝕方法。

本文以犧牲陽極陰極保護控制散熱器腐蝕為切入點，以中國專利數據庫（CNABS）、德溫特（DWPI）世界專利索引數據庫中截至2019年6月10日已經收錄的公開專利數據為基礎，對散熱器用鋁合金犧牲陽極材料技術的發展路線進行了研究。

2專利申請量趨勢

圖1為散熱器用鋁合金犧牲陽極材料專利申請量的年度分布情況。從圖1可知，該技術起源于1960年，自出現第一件散熱器用鋁合金犧牲陽極材料專利申請以來，該技術領域分別經過了萌芽期（1971-1981年）、平穩發展期（1982-1995年）、快速發展期（1996-2004年）、成熟期（2005-至今）。在快速發展期，申請量在2004年達到高峰，為19項，此后該項技術研究進入成熟期，申請量開始減少。

圖1 散熱器用鋁合金犧牲陽極材料相關專利申請趨勢

3 專利申請地域分布和主要申請人構成分析

專利申請的地域分布可以反映出技術發展的先進程度以及企業產品市場的重心等特點。通過對散熱器用鋁合金犧牲陽極材料申請的地域分布進行統計整理，得到圖2所示的數據，從圖中可以看出，在CNABS和DWPI中進行檢索，加以篩選共獲得相關專利申請316件。圖2為散熱器用鋁合金犧牲陽極材料專利申請地域分布圖，由圖2可知，日本的申請數量位居全球第一，占散熱器用鋁合金犧牲陽極材料相關技術專利總量的37%；接下來分別為中國和美國，分別占比13%、11%。該三國的專利產出量占總量的61%，為散熱器用鋁合金犧牲陽極材料相關技術的主要來源國。申請數量占第四和五位的是歐洲專利局EP和WO，申請數量分別占比8%、7%。綜合來看在該領域日中美有較強的技術力量集中。

圖2專利申請地域分布

從圖3中的主要申請人的國別構成來看，該領域專利申請量排名前十名中，日本申請人有8家，比例占到了80%，而中國和美國的申請人各有1家，兩者均占比為10%；且上述的申請人均為企業，說明該技術已經商業化應用。從申請人的構成來看，日本在散熱器用鋁合金犧牲陽極材料領域中已經投入了相當的研發資源進行專利布局，并且申請人都為企業，說明散熱器用鋁合金犧牲陽極材料在日本相對成熟，具有相對規模的商業化應用。中國的企業已經意識到了散熱器用鋁合金犧牲陽極材料的潛在市場價值，應多關注日本在該領域的技術及發展方向，留意行業動態。

圖3散熱器用鋁合金犧牲陽極材料技術主要申請人構成圖

4 日本住友輕金屬株式會社散熱器用鋁合金犧牲陽極材料專利分析

下面重點就申請量較大的日本住友輕金屬株式會社的專利申請情況，分析其技術發展路線。對其技術發展路線進行研究對國內企業的生產、研發工作具有很高的指導性意義。

參見圖4該公司關于該項技術的專利申請圖，技術發展主要分為三個階段：第一階段為1995年以前，申請量較少，為17項，處于技術發展期；第二階段為1996-2005年，住友的申請量突然增加，開始對專利進行布局，特別是2001-2005之間申請量達到頂峰，在該階段住友在散熱器用鋁合金犧牲陽極材料處于快速發展期。第三階段，2006年以后，住友的申請量開始減少，尤其是近兩年，住友已不再在該領域進行專利申請，說明散熱器用鋁合金犧牲陽極材料方面的技術已經趨于成熟，專利布局基本完成。

圖4 日本住友輕金屬株式會社專利的申請圖

日本住友輕金屬株式會社專利在散熱器用鋁合金犧牲陽極材料方面的改進主要集中在包覆層方面的改進，對包覆材的改進方面的專利占了57%，基材的改進占15%，其它方面的改進占28%，這說明住友輕金屬株式會社主要研究的是包覆層的改進，并在這方面做了大量的研究。由于本研究小組在前已對包覆層犧牲陽極專利進行了分析[3]，因此本文重點就其他兩方面的專利申請情況進行技術發展路線的分析。

圖5 日本住友輕金屬株式會社專利的分布情況

4.1日本住友輕金屬株式會社關于基材犧牲陽極鋁合金專利分析

SUMITOMO公司對鋁合金犧牲陽極材料基材的改進，主要是對于合金成分的設計使材料具備犧牲陽極的效果。其中最早的研究始于1988年，專利JP320-

45-688A涉及一種熱交換器翅片用Al-Mn-Fe-Mg-Zn-Si合金材料，其具體成分為Mn 0.30-1.0%，Fe0.5- 1.0%，Mg 0.05-0.50%，Zn 0.10-0.40%，Si <=0.35，余量為鋁和不可避免的雜質，該合金具有良好的犧牲陽極效應。

JP25756596A（1996年）涉及一種熱交換器用Al-Mn-Si-Fe-Zn-Cu鋁合金翅片材料，其具體成分為按質量分數計含有Mn 1.5-2.2%，Si 0.5-1.2%，Fe 0.1-0.6%，Zn 2-5%，Cu 0.1-0.6% 余量為鋁和不可避免的雜質。該Al-Mn-Si-Fe-Zn-Cu焊接后具有犧牲陽極效果。此外，還可以根據需要添加In，Mg，Zr 和Cr元素。

JP9080398A（1998年）和JP7724499A（1999年）的兩篇專利申請都涉及鋁合金翅片材料，分別為Al-Mn-Si合金與Al-Mn-Si-Ni合金，都限定了Mn /Si含量比為1.0-3.5或1.0-2.5，由此得到具有優異的焊接性、強度、熱導率，焊接后具有良好的犧牲陽極效果的鋁合金。JP8297098A（1998年）則提供了用于機動車的Al-Mn-Si-Zn-Zr散熱器材料，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，其余為鋁和雜質，還可以根據需要加入<=0.2% Cu，形成鋁錳硅化合物，焊接后，鋁合金具有高強度、熱傳導性和犧牲陽極效果，散熱器重量減輕，使用年限增加。上述三篇專利申請的鋁合金主體都為鋁錳硅合金，在此基礎上再添加其他合金元素鎳、鋅、鋯、銅、銦、錫，且都不含有鎂元素或將其作為雜質元素限制其含量。

2000-2001年的專利申請中該公司仍然對Mn /Si含量比為1.0-3.5的Al-Mn-Si系合金材料進行了研究，并分別申請了JP2000351019A、JP2001340388A、JP2001340387A三篇專利申請，分別在Al-Mn-Si合金的基礎上添加Fe、Cu 、Zn 、Zr 、Cr 、Ni元素，或調整提高了合金中元素鐵、鎳的含量，降低了錳、硅含量。圖6是關于該公司對散熱器用鋁合金犧牲陽極材料基材研究的技術演進圖。

圖6 住友關于基材犧牲陽極鋁合金的技術演進

4.2日本住友輕金屬株式會社關于犧牲陽極鋁合金其他方面專利分析

除了對自身具有犧牲陽極作用的基體材料和作為包覆層的犧牲陽極材料成分的改進，住友公司還從合金組織、合金結構、犧牲陽極層厚度等方面對犧牲陽極材料進行了改進。

JP3068279A（1979年）提供了一種熱交換器用復合鋁合金材料，其芯材采用Al-Zn-Mn合金，釬焊層采用Al-Si或Al-Si-Mg合金，通過設置工作流體通路，來提高材料的耐腐蝕性能。

JP15680493A（1987年），提供了一種熱交換器用鋁合金材料，芯材為Al-Cu合金，包覆材為純Al或鋁合金，通過使包覆層具有40-3300μm的含銅擴散層來提高合金的耐腐蝕性能。

JP32231190A（1990年），提供了一種釬焊用翅片材料，其中在芯層等兩側均包覆有Al-Si材料，兩邊均能起到犧牲陽極效果。

JP25923897A（1997年），提供了一種熱交換器用鋁合金復合板，其采用三層結構，在芯層的兩側包覆Al-Si釬焊層和犧牲陽極層，通過控制犧牲陽極層的厚度為0.05mm以上，來提高犧牲陽極的效果。圖7是關于該公司對散熱器用鋁合金犧牲陽極鋁合金其他方面研究的技術演進圖。

圖7 住友關于犧牲陽極鋁合金其他方面研究的技術演進

5 結語

本文通過對全球范圍內涉及散熱器用鋁合金犧牲陽極材料的專利申請進行統計和分析，獲取了有關該領域的專利數據，并針對相關專利數據進行統計和分析，能夠實現對散熱器用鋁合金犧牲陽極材料領域專利狀況、相關信息等的了解和掌控。通過以上分析，可以獲得以下認知：

（1）全球范圍內該技術起源于19世紀60年代，經過平穩發展、快速發展直至技術成熟，涉及該領域的專利申請主要分布在日本、中國和美國，尤其是日本，說明上述國家是散熱器鋁合金犧牲陽極材料主要的研發地區或者銷售地區，對散熱器鋁合金犧牲陽極材料的發展有重要影響；

（2）日本住友輕金屬株式會社為散熱器用鋁合金犧牲陽極材料技術最為先進的公司之一，其專利申請量最大，對其專利進行分析能夠較好的反應散熱器用鋁合金犧牲陽極材料的發展情況。研發者若想對該技術進行改進，可以參照住友在該領域的研究成果。同時也對國內企業的生產、研發工作具有很高的指導性意義，并有助于其盡早在散熱器用鋁合金犧牲陽極材料研究熱點領域進行專利布局。

參考文獻

[1]李益群.車用全銅與全鋁散熱器的發展[J].農機化研究，2005（04）：309.

[2]許淳淳.國內外化工防腐蝕技術進展[J].化工設備與防腐蝕，2001（06）：44-53.

[3]劉肖，趙宇，李艷.散熱器用鋁合金犧牲陽極材料技術綜述[J].河南科技.知識產權，2018.02

作者簡介：

張改璐（1989-）女，碩士，國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心材料工程發明審查部，審查員，主要從事材料領域發明申請的實質審查；

蔡旭東（1988-）男，碩士，國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心材料工程發明審查部，審查員，主要從事材料領域發明申請的實質審查；（等同第一作者）