DE2324311A1

DE2324311A1 - Verfahren zur herstellung und hartloetung von waermeaustauschern

Info

Publication number: DE2324311A1
Application number: DE2324311A
Authority: DE
Inventors: Andre Chartet
Original assignee: Chausson Usines SA
Current assignee: Chausson Usines SA
Priority date: 1972-05-23
Filing date: 1973-05-14
Publication date: 1973-12-06
Also published as: JPS4942552A; IT987802B; US3852873A; ES414974A1; GB1432066A; BE799460A; FR2185946A5

Description

SOCIiIIS ANONYME DES USINSS CHAUSSON 72/10

Verfahren zur Herstellung und Hartlotung von Wärmeaustauschern«

Die Erfindung betrifft die Herstellung von

Wärmeaustauschern aus Aluminium, insbesondere solchen, bei welchen eines der umlaufenden Stromungsmittel ein wasseriges Stromungsmittel ist, welches in Losung oder suspendiert verschiedene chemische Verbindungen enthalten kann, welche zu Korrosionserscheinungen Anlass geben können.

Derartige Wärmeaustauscher, insbesondere die

zur Kühlung von Warmekraftmotoren benutzten, enthalten Flüssigkeiten, deren Temperatur 100⁰C übersteigen kann, und welche not wendigerweise mit verschiedenartigen Metallen in Berührung stehen, z.B. mit Zylinderblocks aus Gusseisen oder aus einer Aluminiumlegierung, welche von den fur ihre Herstellung benutzten verschieden ist, oder auch mit Zylinderkopfdichtungen aus einer Kupferlegierung, sowie auch mit kunstlichen Gummis und verschiedenen anderen Materialien, welche nach einer langen Benutzung der Kühlflüssigkeit diese mit metallischen Chloriden und Sulfaten beladen, welche Korrosionserscheinungen erzeugen, welche zu den Korrosionen galvanischen Ursprungs hinzutreten, welche eben-

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falls auftreten können. , £3243Ii

Die modernen wärmeaustauscher, insbesondere

die mit Wärmekraftmotoren benutzten, müssen ferner der Erosion widerstehen, da die zu kühlende Flüssigkeit praktisch in allen Fallen mit einer verhältnismässig grossen Geschwindigkeit durch Pumpen in Umlauf versetzt wird, um ihre Kühlung beim Durchlaufen durch die Austauscher zu verstärken. Ferner müssen die Wärmeaustauscher unter verhältnismässig hohen Drücken arbeiten, welche mehrere Bar erreichen können.

Die obigen Bedingungen führen von selbst dazu, Aluminiumlegierungen unter verhältnismässig grossen-Dicken zu benutzen, um gleichzeitig den Wirkungen der Korrosion, der Erosion und des Drucks zu widerstehen. Dies ist jedoch in der Praxis nicht möglich, da einerseits die Benutzung von dickwandigen Austauschern die Wärmeaustauschfähigkeit verringern würde und insbesondere einen unzulässigen G-estehungspreis zur Folge haben würde, so dass Wärmeaustauscher aus Aluminium, insbesondere Kühler für Kraftfahrzeuge, nicht mit den bekannten Austauschern konkurrenzfähig sind, welche aus Kupfer- öder Eisenlegierungen hergestellt werden.

Die Wärmeaustauscher werden durch !eile, wie

Rohre, Strahlglieder, Rohrplatten, Wasserkästen und verschiedene Rohrstutzen, gebildet, welche durch verschiedene Formungsverfahren hergestellt werden, wie Ziehen, Ausschneiden, Rollen usw., welche die Benutzung von Metallen erfordern, welche diese Arbeitsgänge leicht aushalten können, damit die Ausführung der Teile sehr genau erfolgen kann und hierauf die Hartlötung der zusammengesetzten Teile möglich ist, ohne dass Lecke an den hartgelöteten Verbindungsstellen auftreten können, insbesondere an der Verbindungsstelle zwischen den Rohren und den Rohrplatten, den Rohrplatten und den Wasserkästen und den Wasserkästen und den Rohrstutzen.

Die Legierungen zur Hartlötung des Aluminiums sind nämlich im allgemeinen sehr flüssig, wenn sie sich während der Vornahme der Hartlötung in geschmolzenem Zustand befinden, und es ist wichtig, dass die Verbindung zwischen den Teilen äusserst genau ist, damit die Verbindungsstellen vollständig mit Hartlot ausgefüllt werden.

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Ferner hat sich gezeigt, dass Hartlote mit

niedrigem Schmelzpunkt, z.B. Zinkpasten, praktisch nicht benutzt werden können, da dann elektrische Elemente entstehen, sobald der Austauscher der atmosphärischen Feuchtigkeit ausgesetzt wird, so dass praktisch nur Hartlote verwendet werden können, welche durch Aluiainium-Silizium-legierungen gebildet werden, deren Schmelztemperatur hoch liegt und grössenordnungsmässig 580⁰C beträgt, so dass die zur Bildung der Teile des Austauschers verwendete Aluminiumlegierung notwendigerweise eine erheblich höhere Schmelztemperatur haben muss, um die Vornahme der Hartlotung ohne Zerstörung der Teile zu ermöglichen.

Aus den obigen Bedingungen geht hervor, dass es zur Erleichterung der Formung der Teile, insbesondere des Ziehens, offenbar zweckmassig wäre, Aluminiumlegierungen zu benutzen, welche aueh Kupfer und andere Metalle enthalten, wie die unter der Bezeichnung AM₁ bekannten legierungen, welche legiert mit Aluminium 1 bis 1,55» Mangan, 0,2$ Kupfer, 0,05$ Magnesium, 0,6?b Silizium, 0,7$ Eisen und 0,1$ Zink enthalten.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass derartige

legierungen in der Praxis nicht benutzt werden können, da die Temperatur, auf welche sie während der Vornahme der Hartlotung gebracht werden, ein Ausglühen derselben erzeugt, welches ihre mechanischen Eigenschaften erheblich herabsetzt, insbesondere ihre Oberflächenharte und ihre Bruchfestigkeit, welche meistens unter 10 Hektobar liegt.

Ferner erscheint zwar das Vorhandensein von

Kupfer a priori zur Erleichterung des Ziehens, Rollens und anderer Formungsverfahren interessant, es hat sich jedoch gezeigt, dass das Vorhandensein von Kupfer in der legierung die Korrosionsgefahr erheblich erhöht.

Die gleichen Grunde haben zur Ausscheidung

anderer bekannter legierungen geführt, z.B. der in der Technik unter der Bezeichnung AU bekannten, d.h. der legierungen aus Aluminium und Kupfer. Ferner besitzen gewisse der unter der Bezeichnung AG bekannten legierungen, d.h. der legierungen mit Aluminium und Magnesium, sowie der unter der Bezeichnung AZG bekannten legierungen, d.h. der legierungen aus Aluminium, Zink und Magnesium, Schmelztemperaturen, welche der Schmelztempera-

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tür des Aluminiumhartlotes AlSi zu nahe liegen oder niedriger als diese sind, so dass sie ebenfalls ausgeschieden werden müssen. ■ .

Bei anderen ebenfalls bekannten legierungen,

wie die mit AHG bezeichneten, d.h. welche Mangan und Magnesium enthalten, die mit ASG bezeichneten, d.h. welche Aluminium, Silizium und Magnesium enthalten, und mit ASGM bezeichneten, d.h. welche Aluminium, Silizium, Magnesium und Man^gan enthalten, hat es sich gezeigt, dass sie häufig schwer bei wirtschaftlichen Fertigungen zu benutzen sind, da ihre mechanischen Eigenschaften hinsichtlich ihrer Erosionsfestigkeit und ihrer Bruchfestigkeit nach dem Hartlotungsvorgang verhältnismassig gering sind.

Die Anmelderin hat nun festgestellt, dass

eine legierung AGS, d.h. welche Aluminium, Magnesium und Silizium enthalt, befriedigende Eigenschaften aufweisen kann, wenn sie frei von Kupfer ist, im Gegensatz zu den meisten bekannten legierungen dieser Art, jedoch unter der Bedingung, dass nach Vornähme der Hartlotung zur Verbindung der Teile der Austauscher diese einer neuen Wärmebehandlung unterworfen werden, derart, dass die legierung das Wesentliche der mechanischen Eigenschaften wiederfindet, welche sie vor der Vornahme der Hartlotung besass. Es ist nämlich in der leehnik bekannt, dass derartige legierungen des 2yps AGS durch Ausfällung der binaren Verbindung Magnesium-Silizium erhärtet werden können, insbesondere wenn diese Verbindung in geringer Menge in der Legierung vorhanden ist und sich bei den Benutzungstemperaturen der Austauscher in diesen legierungen in dieser ausgefällten Form befindet.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Vornahme von Wärmebehandlungen nach der Vornahme einer Hartlotung zu einem betrachtlichen Energieverbrauch fuhrt, welcher somit den Gestehungspreis der Austauscher erhöht.

Ferner sind die legierungen des lyps AGS,

welche normalerweise eine verhaltnismassig hohe Harte haben, schwer ziehbar, so dass sie bisher von den beabsichtigten Fertigungen ausgeschlossen wurden.

Die Erfindung hat ;jedoch die oben erläuterte Aufgabe gelost/ indem sie eine Fertigung mit grosser Genauigkeit

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und eine Hartlotung der Austausclaer ermöglicht, ohne dass hierdurch ein Energieaufwand entsteht, welcher grosser als der iet, welcher inabesondere für die Hartlotung der oben erwähnten legierungen AM₁ erforderlich ist.

Das erfindungsgemasse Verfahren zur Herstellung und Hartlotung von Wärmeaustauschern ist durch folgende Arbeitsschritte gekennzeichnet :

- die Teile des Austauschers werden aus dünnen Blättern aus einer Grundaluminiumlegierung hergestellt, welche Silizium und Magnesium enthalt, welche eine Verbindung Mg₂Si bilden können ;

- der Austauscher wird der Wirkung eines Losungsmittels für Fette ausgesetzt ;

- der Austauscher wird unter Anwesenheit einer Legierung zur Hartlotung von Aluminium mit wenigstens li» und höchstens 15$ Silizium in Gegenwart von Metallen oder Metallsalzen erwärmt , welche die Verdrängung der die Grundlegierung überziehenden Oxyde und die Benetzung derselben durch die Hartlotlegierung bewirken ;

- der Austauscher wird auf eine Temperatur

von grössenordnungsmässig 580 bis 600⁰C gebracht, so dass gleichzeitig das Magnesiumsilizid Mg₉Si vollständig in den Zustand einer übersättigten Losung in der den festen Zustand beibehaltenden Grundlegierung gebracht wird, und dass die Hartlotlegierung geschmolzen wird und die Grundlegierung benetzt ;

- sobald die Grundlegierung mit der Hartlotlegierung benetzt ist, wird der Austauscher schnell mit einer Geschwindigkeit von wenigstens grossenordnungsmässig 1⁰C/β abgekühlt, und zwar bis in die Nahe der Raumtemperatur, so dass das Magnesiumsilizid der Grundlegierung in übersättigtem Zustand gehalten wird, wahrend gleichzeitig die HartlotIegierung erstarrt und erhärtet )

- hierauf wird der Austauscher von neuem bis auf eine Temperatur von wenigstens 180⁰C und höchstens 250⁰C erwärmt, bis ein Ausglühen eintritt, welches das Ausfällen des Magnesiumsilizids bewirkt und die Erhärtung der Grundlegierung erzeugt ;

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- und schlieaslicii wird der Austauscher auf

die Umgebungstemperatur zurückgebracht, ao dass die Hartlötung der ihn bildenden Teile gleichzeitig mit der Wärmebehandlung zur Erhärtung der den Austauscher bildenden Legierung durchgeführt wird.

Die Erfindung ist nachstehend beispielshalber erläutert.

Zur Ausübung des erfinduhgsgemessen Verfahrens wird folgendermaßen vorgegangen :

£ - Herstellung der Grundlegierung

Es werden dünne Blätter, Streifen oder Bänder aus einer Aluminiumlegierung mit 0,3 bis. 1,9$ Silizium und Magnesium hergestellt, welche Magnesiumsilizid als Härtemittel bilden können.

Da die Legierung bei der erfindungsgemässen

Anwendung möglichst billig sein soll, kann sie auch verschiedene Verunreinigungen enthalten, deren Menge jedoch beschrankt sein muss. So ist es z.B. zulässig", dass die Legierung bis zu 0,30$ Gewichtsprozente an Eisen, 0,50 Gewichtsprozente Zink, 0,50 Gewichtsprozente Mangan und auch Spuren von Kupfer enthält, diese Spuren müssen jedoch, wie oben bereits erwähnt, gering sein und im allgemeinen nicht 0,02$ übersteigen, wobei die obere Grenze 0,05$ ist.

Die Blätter, wobei der Ausdruck "Blätter"

auch Bänder oder Streifen bezeichnet, werden benutzt, nachdem sie eine insbesondere während ihres Walzens erhaltene Verfestigung erlitten haben, und diese Blätter werden auch ausgeglüht, oder wenigstens einer teilweisen Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands durch eine Wärmebehandlung mit verhältnismässig niedriger Temperatur unterworfen, z.B. durch Erwärmung bis auf eine zwischen 260 und 280⁰O liegende Temperatur. Das Ausglühen muss entsprechend der Art der mechanischen 3?ormungsvorgänge eingestellt werden, welchen die Blätter während der Herstellung der Teile des Austauschers unterworfen werden sollen. Es ist zweckmässig, dass Teile, welche einem Tiefziehen unterworfen werden sollen, z.B. Wasserkästen, vollständiger ausgeglüht werdan,, als Teile, welche genau ausgeschnitten werden sollen, z.B. zur Bildung von Jalousien, Streifen oder Stiften in den sekun-

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daren Warmestrahlgliedern dee Austauschen«

Ganz allgemein ist es zulassig, dass die Blatter der Grundlegierung sich in einem viertelharten Zustand befinden, was einer Bruchfestigkeit von 10 bis 15 Hektobar entspricht, wobei dieser Zustand von dem Fachmann entsprechend der den Teilen zu gebenden besonderen Form und der Art der zur Auefuhrung dieser Arbeit verfugbaren Werkzeuge eingestellt können werden muss·

II - Herstellung der Hartlotlegierung

Fur die Ausfuhrung der Hartlotung benutzt man

ein Hartlot, welches durch eine Aluminiumlegierung mit 7 bie 13 Gewichtsprozenten Silizium und gegebenenfalls anderen Zusätzen gebildet wird, es wird jedoch darauf geachtet, dass dieses Hartlot kein Kupfer enthalt.

Unter den benutzbaren Zusätzen befinden sich die Alkalimetalle wie Bor und Lithium, und die erdalkalisehen Metalle, welche in Anteilen zwischen 0,005 und 3 Gewichtsprozenten des Hartlotes benutzt werden können. Zink kann ebenfalls in einem Anteil von 0,1 bis 12 Gewichtsprozenten benutzt werden, -sowie auch Magnesium in einem Anteil von 0,01 bis 10 Gewichtsprozenten des Hartlotes. Diese Zusatzstoffe können aus mehreren Gründen benutzt werden, sie sollen aber vor allem die Benetzung der Grundlegierung durch Senkung der Viskosität des Hartlotes sowie seiner Schmelztemperatur erleichtern.

Gewisse der obigen Zusatzstoffe, insbesondere

Magnesium, sowie andere, insbesondere Wismut und Antimon, können benutzt werden, um laufend bei der Hartlötung von Aluminiumlegierungen vorgenommene Behandlungen zu verringern oder auch ganz auszuscheiden, insbesondere das Abbeizen und das Aufbringen eines Flussmittels.

Das vorbereitete Hartlot kann auf verschiedene in der Technik bekannte Weisen benutzt werden, insbesondere folgendermaßen :

a) das Hartlot kann kalt oder warm auf die Grundlegierung plattiert werden, indem z.B. das Hartlot und die Grundlegierung auf eine Temperatur von etwa 450⁰C gebracht und ein Blatt aus Grundlegierung und ein Blatt aus Hartlot zusammen gewalzt werden $

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b) das Hartlot kann auch in Form einer Paste suf wenigstens gewisse Abschnitte der hergestellten Teile aus Grundlegierung vor oder nach dem Zusammenbau derselben aufgebracht werden ;

c) das Hartlot kann auch nach der Vereinigung der aus der Grundlegierung hergestellten Teile durch Zerstauben mit dem lötrohr gleichzeitig mit einem wasserfreien Hartlotflussmittel aufgebracht werden.

Auch alle anderen in der Technik bekannten Verfahren können ohne Nachteil benutzt werden.

III - Formung der Teile

Wie bereits oben ausgeführt, werden die Blätter aus Grundlegierung, welche mit Hartlotlegierungen plattiert sind oder nicht, z.B. folgendermaßen auf ihre Form gebracht:

- durch Ziehen bei den Wasserkasten, Füllstutzen, Seitenteilen und Halteteilen des Austauschers ;

- durch Ausschneiden und Biegen bei den sekundären Strahlgliedern, insbesondere wenn diese die Form von gewellten Streifen haben ;

- durch Sollen und Ziehen bei den Rohren· Bs können auch andere Techniken hierfür benutzt werden, insbesondere Treiben und Ausdrucken bei der Herstellung von besonderen Teilen.

Gewisse der obigen Vorgange, insbesondere das

Ziehen und das Brücken, haben als Nebenwirkung eine vollständige oder teilweise neuerliche Verfestigung der gebildeten Teile.

Fach der Formung und der etwaigen Kalibrierung der verschiedenen Teile werden diese vereinigt und so miteinander mechanisch verbunden, dass sie in ihrer richtigen gegenseitigen Stellung gehalten werden, was dadurch geschehen kann, dass verschiedene Verklammerungen zwischen den Teilen vorgesehen werden, oder durch Verschweissung gewisser dieser Teile durch elektrische Schweisspunkte, oder auch durch Halten derselben in einer sogenannten Hartlotungsmontage.

Hierauf werden die zusammengebauten Austau¹-

scher einer Entfettung unterworfen, welche z.B. dadurch erfolgt, dass sie durch ein Bad eines organischen Lösungsmittels geführt

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werden, oder dass auf sie ein Lösungsmittel aufgestäubt wird, welches z.B. Trichlorethylen sein kann. Auf diese Weise kann eine Entfettung in Dampfphase erfolgen.

Sie obigen Vorgange bilden einen gemeinsamen

Stamm fur das erfindungsgemasse Verfahren, dessen weitere Ausübung auf verschiedene Weise erfolgen kann, wobei jedesmal gleichzeitig die eigentliche Hartlotung der zusammengebauten Teile des Austauschers und eine Wärmebehandlung der Grundlegierung erfolgen, welche bewirkt, dass dieser nach der Hartlotung einen hohen Härtegrad hat.

Nachstehend ist angenommen, dass die Grundlegierung durch Plattieren mit einer Hartlotlegierung überzogen ist, wobei die Behandlungsvorgange nicht verändert werden, wenn die Hartlotlegierung auf andere Weise zugeführt wird.

Wenn die Hartlotlegierung im wesentlichen

durch eine Aluminium-Silizium-Legierung gebildet wird, werden die Austauscher einem Abbeizvorgang unterworfen, indem sie durch ein saures oder alkalisches Bad geleitet werden, worauf sie mit Wasser gespult und gegebenenfalls im "Öfen getrocknet werden· Wenn dagegen die Hartlotlegierung gewisse der oben erwähnten Zusatzstoffe enthalt, ist das Abbeizen ebenso wie die Spulung und die trocknung überflüssig.

Hierauf können verschiedene Wege eingeschlagen werdent

IV - Hartlotung im Ofen in Anwesenheit eines Flussmittels

a) Hartlotung in Anwesenheit eines Flussmittels.

In diesem Pail werden die Austauscher in

einem wasserigen Bad oder durch Zerstäubung vor ihrer Einfuhrung in den Ofen mit einem flussmittel versehen, worauf sie in dem Ofen getrocknet werden, in welchem sie anschliessend allmählich bis auf die Schmelztemperatur des Hartlotes erwärmt werden, d.h. bis auf etwa 580 bis 600⁰C. Das Flussmittel kann auch durch Zerstäubung mit dem Lotrohr aufgebracht werden, was jede trocknung vermeidet·

Wahrend dieser Erwärmung wird die Grundlegierung einer Behandlung unterworfen, welche in dem Aluminium die

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binare Verbindung in Losung bringt, welche durch das Magnesiumsilizid MgpSi gebildet wird, welche bei der Schmelztemperatur des Hartlotes vorzugsweise vollständig gelost ist.

Die Zeit, wahrend welcher die Schmelztemperatur des Hartlotes aufrechterhalten wird, wird möglichst kurz gewählt, Jedoch so lange, dass das Hartlot fliesst und die Zwischenräume der hartzulötenden Verbindungsstellen richtig ausfüllt. Diese Zeit hängt somit zum Teil von der Form der herzustellenden Verbindungen ab.

Bei einem Kuhler für Kraftfahrzeuge beträgt

die Dauer der Aufreehterhaltung der Schmelztemperatur des Hartlotes, welche bei einem Hartlot mit 10$ Silizium und 90$ Aluminium 59O⁰C beträgt, im allgemeinen grossenordnungsmassig eine Minute.

Hierauf werden die Austauscher sehr schnell

abgekühlt, ohne dass eine !Totzeit zwischen der das Schmelzen des Hartlotes bewirkenden Erwärmung und dem Beginn der beschleunigten Kühlung vorhanden ist. Diese Kühlung kann beliebig folgendermaßen vorgenommen werden :

1.) durch Blasen von Luft oder eines anderen

Gases durch den Austauscher, wobei ein Gras mit einer Temperatur benutzt wird, welche eine Senkung der Temperatur der Austauscher um wenigstens 1⁰C in der Sekunde bewirkt. Diese Kühlung durch Blasen wird fortgesetzt, bis die Temperatur der Austauscher auf etwa 300⁰O gesenkt ist. Auf diese Kühlung durch Gas erfolgt sofort eine Kühlung durch Wasser oder eine andere Flüssigkeit, insbesondere durch unmittelbares Aufspritzen von Wasser auf die Austauscher, welche so bis in die Hahe der Raumtemperatur gebracht werden.

Die erste Kühlphase durch Blasen von Gas bewirkt die Erstarrung und hierauf die Erhärtung des Hartlotes, ohne dass hierdurch ein Wärmeschock entsteht, welcher die Gefahr von Verformungen der Teile mit sich bringt, wobei gleichzeitig durch die Wahl der Kühlgeschwindigkeit in der Grundlegierung die Bildung einer feinen Kristallstruktur erzeugt wird, in welcher das Magnesiumsilizid im Zustand der Übersättigung gehalten wird, ohne ausfallen zu können, obwohl sein Gleichgewicht labil ist. Es ist ja bekannt, dass das Aluminium bei der

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Temperatur von 30O⁰G tatsächlich nur noch 0,30 Gewichtsprozente Magnesiumsilizid in Losung halt.

Die zweite Kühlphase, welche ohne Unterbrechung auf die Kühlung durch Blasen folgt, bewirkt die Fortsetzung der bereits eingeleiteten Härtewirkung, d.h. sie verhindert die Ausfallung des Magnesiumeilizids, welches so im Zustand der Übersättigung bis zu der Raumtemperatur gehalten wird, auf welche die Austauscher gebracht werden, und ausserdem erzeugt die plötzliche Wirkung des Wassers oder einer anderen Flüssigkeit, welche auf die Austauscher gebracht wird, während sich diese auf einer in der Nähe von 300°0 liegenden Temperatur befinden, einen Wärmeschock, welcher ausreicht, um das auf den Austauschern gebliebene Flussmittel zum Platzen zu bringen und abzulösen)

2.) durch zunächst sehr feine und hierauf immer stärkere Aufstäubung von Wasser auf die Austauscher, welchem gegebenenfalls Glykol oder andere Zusatzstoffe zugesetzt sind, welche die Wärmeabsorptionsfähigkeit des Wassers verringern, um wenigstens zu Beginn der Kühlung den von den Austauschern erlittenen Wärmeschock zu begrenzen. So kann z.B. die aufgespritzte Flüssigkeit zunächst atomisiert, hierauf fein zerstäubt und hierauf grob zerstäubt sein, wenn die Temperatur bereits abgenommen hat, um die gleichen Wirkungen wie oben beschrieben zu erzielen.

Nach dem Abschrecken und der Abkühlung bis

auf Raumtemperatur, welche auf die oben erwähnte Weise erfolgen, werden die Austauscher in ein Waschbad gebracht, welches vorzugsweise durch ein saures B_aa. gebildet wird und die Ausscheidung des auf den Austauscher gebliebenen Ilussmittels bewirkt. Das Waschbad wird vorzugsweise auf eine Temperatur von 50° bis 60⁰C eerwärmt, damit die Austauscher gleichzeitig mit ihrer Waschung allmählich wieder erwärmt werden. Hierauf werden die Austauscher in ein Spulbad gebracht, z.B. ein Bad aus reinem Wasser, welches vorzugsweise eine höhere Temperatur als das saure Bad hat, z.B. eine Temperatur von grossenordnungsmässig 80⁰C. Schliesslich werden die Austauscher in einen Trockenofen gebracht, in welchem ihre Temperatur allmählich auf 180° bis 24O⁰C gebracht wird, wobei die gewählte Temperatur von der

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Dauer des Aufenthalts der Austauscher im Ofen abhängt. Dies bewirkt ausser der Verdampfung des Waschwassers und des Spülwassers ein Ausglühen der Grundlegierung des Austauschers, welches die Ausfällung des Magnesiumsilizids und hierdurch die Erhärtung der Grundlegierung erzeugt.

Es hat sich als wichtig erwiesen, dass der

Temperaturanstieg von der Raumtemperatur bis auf die grösste gewählte Temperatur schwelle des Ofens s.ehr allmählich erfolgt, so dass zweekmässig die Wasch- und Spülbäder zur Erzeugung dieses allmählichen Temperaturanstiegs benutzt werden, da sich gezeigt hat, dass hierdurch die Dauer des Aufenthalts der Austausbher in dem Ofen erheblich verringert und die Härte der Legierung ebenfalls stark verbessert werden kann.

Je₁ nach der gewünschten Härte wird die Zeit des Verweilens in dem Ofen vergrössert und die Temperatur desselben gleichzeitig herabgesetzt, wobei die besten Ergebnisse dadurch erhalten werden, dass die Austauscher auf eine Temperatur von 185⁰C während etwa fünfzehn Stunden gehalten werden, nachdem diese Temperatur von 185⁰O allmählich in 15 bis 50 Minuten erreicht wurde. Es kann dann fur eine Grundlegierung mit 0,50$ Gewichtsprozenten Magnesium und 0,40 Gewichtsprozenten Silizium ein Härtegrad von 23 Hektobar erhalten werden·

Sehr befriedigende Härtegrade, welche 20 Hektobar erreichen, können jedoch auch durch sehr erhebliche Verringerung der Dauer des Ausglühens erhalten werden, insbesondere indem die Austauscher allmählich bis auf 220⁰C erwärmt und während etwa zwanzig Minuten auf dieser Temperatur gehalten werden.

V - -Hartlötung im Bad

Als Ausführungsabwandlung des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels können die Austauscher, gegebenenfalls nach Entfetten und Abbeizen, bis auf eine Temperatur von 540 bis 56O°C vorgewärmt, z.B. im Ofen, und hierauf unmittelbar in ein Flussmittelsalzbad getaucht werden, welches auf die Schmelztemperatur der ^artlötlegierung gebracht wurde, so dass die Hartlotung wie oben gleichzeitig mit dem Ausglühen der Grundlegierung vorgenommen wird, um das Magnesiumsilizid in dem Aluminium in Losung zu bringen. Hierauf werden die Austauscher sofort nach der Herausnahme aus dem Bad durch eines der oben unter 1) oder

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2) angegebenen Mittel schnell abgekühlt, um die gleichen Wirkungen der Erhaltung des Magnesiumsilizids in übersättigtem Zustand in der Grundlegierung, des Erstarrens und der Erhärtung des Hartlotes und des die Ablösung des mitgenommenen Flussmittels einleitenden Wärmeschoeks zu erzeugen, wobei die Arbeitsschrittfolge nach dem Abschreckvorgang die gleiche wie die oben unter IV angegebene bleibt.

VI - Eartlötung im Ofen ohne Plussmittel

Das Hartloten ohne Benutzung von Plussmittel erfolgt unter Benutzung einer Hartlötlegierung mit z.B. 7 bis Silizium, wobei die Austauscher in einem Ofen bis auf die temperatur dieser Legierung und das Inlosunggehen des Magnesiumsilizids in der Grundlegierung erwärmt werden, d.h. bis auf eine Temperatur von etwa 59O⁰C. Diese Erwärmung erfolgt so, dass in der Nähe deijhartzulotenden Verbindungsstellen Magnesium in me- tallischem Zustand gehalten und in dem Ofen ein Vakuum von etwa 10 mm Hg erzeugt wird, oder auch durch Herstellung einer neutralen Atmosphäre in demselben. *

Um das Magnesium in metallischer Form in die Nähe der hartzulotenden Verbindungsstellen zu bringen, können verschiedene Möglichkeiten benutzt werden. Das Magnesium kann in dem Hartlot selbst enthalten sein, welches dann die Porm einer Aluminiumlegierung mit 7 bis 15$ Silizium und 0,4 bis 10# Magnesium hat.Diese legierung besitzt die Eigenschaft, bei etwa 551⁰C zu schmelzen. Es ist auch möglich, das Magnesium durch Diffusion im Vakuum bis auf die hartzulötenden Verbindungsstellen zu bringen, auf welchen es sich niederschlägt. Das Magnesium kann auch dadurch zugeführt werden, dass es in einem fluchtigen Träger, z.B. Methylzellulose, suspendiert und auf den hartzulotenden Verbindungsstellen oder den gesamten Austauschern abgelagert wird, so dass nach der Verdampfung des fluchtigen Trägers eine feine Magnesiumpulverschicht bestehen bleibt.

Wie bei den obigen Ausführungsformen gemäss ' IV und V bewirkt die fur das Schmelzen der Hartlotlegierung erforderliche Temperaturerhöhung das Inlosunggehen des Magnesiumsilizids, wobei ebenso wie bei den obigen Beispielen die sofortige Kühlung vorgenommen wird, welche die Härtung der Grundlegierung bewirkt.

Da das Hartloten bei Abwesenheit eines Pluss-

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mittels erfolgt, sind ein Waschen und ein Spulen nicht mehr erforderlich, so dass die Kühlung allein durch Blasen vorgenommen werden kann, obwohl sie auch durch Aufspritzen von Flüssigkeit erfolgen kann. Hierauf werden die auf die Raumtemperatur gebrachten Austauscher von neuem dem oben genauer unter IV erläuterten Ausglühvorgang ausgesetzt.

Unabhängig von der Form, in welcher das oben

beschriebene Verfahren ausgeübt wird, ist es-wichtig, dass die Grundlegierung eine hohe Anbrenntemperatur besitzt, damit ein möglichst grosser temperaturunterschied zwischen dieser Anbrenntemperatur der Grundlegierung und der Schmelztemperatur der Hartlotlegierung besteht, wobei unter der Anbrenntemperatur die Temperatur zu verstehen ist, bei welcher sich eine schmelzbare Verbindung an der Verbindungsstelle der Korner der Oberflächenschichten der Grundlegierung zu bilden beginnt, welche dann einen schlechten Zusammenhalt dieser Oberflächenschicht zur Folge hat.

In der Praxis enthalten in dieser Hinsicht zufriedenstellende legierungen s

- Magnesium 0,3 bis 0,8$

- Silizium 0,10 bis 0,50 #

- Eisen 0,8 $

- Kupfer 0,05 ^

- Zink 0,30 $>

- Mangan 0,30 i>

- Aluminium qsp 100 $

Bs ist besonders wichtig, dass die Mengen an

Verunreinigungen, d.h. Eisen, Zink und Mangan, gering sind, wobei es zusätzlich wünschenswert ist, dass die Kupferspuren möglichst klein sind, da es sich gezeigt hat, dass bei der betrachteten Anwendung der Wärmeaustauscher das Vorhandensein von Kupfer selbst in geringer Menge die Korrosionsgefahr beträchtlich vergrossert, insbesondere eine punktweise Korrosion.

Legierungen mit der obigen Zusammensetzung haben die Eigentümlichkeit, dass die Gesamtheit der Magnesiums ilizidver bindung Mg2Si in dem Aluminium der Grundlegierung bei der Schmelztemperatur der Hartlotlegierung gelost ist, da bekanntlich bei 595°C das feste Aluminium 1,85$ MggSi lösen kann, und bei 500⁰C die in Lösung befindliche Menge noch 1,05$

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betragt. Da jedoch die binäre Verbindung KggSi einerseits die Schmelztemperatur der sie enthaltenden Legierung zu senken sucht und andererseits die Verringerung der Menge der Verbindung MgpSi in der Legierung die mechanische Festigkeit verringert, hat es sich als zweckmassig erwiesen, dass, wenn gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Schmelztemperatur gewünscht wird, die Legierung folgende Zusammensetzung hat :

- Magnesium 0,45 bis 0,65 $>

- Silizium 0,37 bis 0,47 %

- Eisen 0,20 #

- Kupfer 0,02 fi

- Zink 0,10 #

- Mangan 0,10 #

wobei das Eisen, das Kupfer, das Zink und das Mangan Verunreinigungen sind, welche besser ausgeschieden wurden, aber zugelassen werden, um die Vornahme kostspieliger Veredlungsvorgange zu vermeiden. Legierungen mit der obigen Zusammensetzung haben eine Schmelztemperatur von 620⁰C, so dass sie eine leichte Ausfuhrung der vorzunehmenden H_artlötungen mit den Hartlotlegierungen AlSi gestatten.

In dem Fall der Hartlotung mit einem Fluse-

mitteHJhat sich die mit AS 10 bezeichnete Hartlötlegierung am gunstigsten erwiesen, welche 10 Gewichtsprozente Silizium enthält, und deren Schmelztemperatur zwischen 577⁰C und 592⁰C liegt, da dann, wenn der die Hartlotung erzeugende Abschnitt des Ofens auf einer Temperatur von 590° bis 600⁰C gehalten wird, welche leicht überwacht werden kann, sichergestellt ist, dass eine Hartlotung hoher Qualität erfolgt, ohne dass die Gefahr des Aiibrennens der Grundlegierung besteht, wobei ferner eichergestellt ist, dass die ^anze Verbindung MggSi in dem Aluminium der Grundlegierung in Lösung gebracht wird» Da ferner das Hartlot AS 10 nicht eine ebenso grosse Flüssigkeit erreicht, wie die mehr Silizium enthaltenden Hartlote, begrenzt dieses Hartlot die Gefahren von für die gute Ausführung der Verbindungsstellen schädlichen Fliesserscheinungen.

In dem Fall der Hartlötung ohne Flussmittel

erzeugt das Vorhandensein von Magnesium in metallischer Form mit dem. Aluminium und dem Silizium eine ternäre Legierung Al-Si-Mg, welche bei einem Gehalt von 5 Gewichtsprozenten Magne-

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sium, 13 Gewichtsprozenten Silizium und 82 Gewichtsprozenten Aluminium eine bei 551⁰C schmelzende eutektische Legierung bildet, was gestattet, in voller Sicherheit die !Temperatur des Ofens zwischen 580 und 59O⁰C oder sogar auf einer etwas darunter liegenden Temperatur zu halten, wobei die Gewissheit der richtigen Ausfuhrung der. Hartlötung ohne Gefahr "eines Anbrennens der Grundlegierung besteht, in welcher die Verbindung MgpSi ebenfalls vollständig gelöst ist.

Pur die praktische Anwendung der obigen Erfindung ist es besonders zweckmassig, die aufeinanderfolgenden Arbeitsgänge während eines kontinuierlichen Arbeitszyklus vorzunehmen, wobei die Bewegung der Austauscher ohne Unterbrechung erfolgt.

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Claims

- 17 Patentansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung und Hartlotung von Wärmeaustauschern, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Teile des Austauschers unter Ausgang

von dünnen Blattern aus einer Grundaluminiumlegierung hergestellt werden, welche Silizium und Magnesium enthalt, welche eine Magne-8iumsilizidverbindung Mg«Si bilden können ;

- der Austauscher der Wirkung eines Lösungsmittels für Fette ausgesetzt wird ;

- der Austauscher in Gegenwart einer Legierung zur Hartlotung von Aluminium erwärmt wird, welche wenigstens 7 $> und höchstens 15 fi Silizium bei Anwesenheit von Metallen oder Metallsalzen enthalt, welche die Verdrängung der die Grundlegierung überziehenden Oxyde und die Benetzung derselben durch die Hartlotlegierung bewirken ;

- der Austauscher bis auf eine Temperatur von grossenordnungsmässig 580 bis 600° C gebracht wird, so dass gleichzeitig das Magnesiumsilizid vollständig in den Zustand einer übersättigten Losung in der ihren festen Zustand beibehaltenden Grundlegierung gebracht und die Hartlotlegierung geschmolzen wird und die Grundlegierung benetzt ;

- von der Benetzung der Grundlegierung durch die Hartlotlegierung/der Austauscher mit einer Geschwindigkeit von wenigstens grossenordnungsmässig 1° C in der Sekunde abgekühlt wird, und zwar bis in die Nähe der Baumtemperatur, derart, dass das Magnesiumsilizid der Grundlegierung im Zustand der Übersättigung gehalten wird und gleichzeitig die Hartlotlegierung erstarrt und erhärtet ;

- hierauf der Austauscher von neuem bis auf

eine Temperatur von mindestens 180° C und höchstens 250° C erwärmt wird, bis ein Ausglühen auftritt, welches die Ausfällung des Magnesiumsilizids bewirkt und die Erhärtung der Grundlegierung gewährleistet ; und

- schliesslich der Austauscher auf Raumtemperatur gebracht wird, so dass die Hartlotung der ihn bildenden Teile gleichzeitig mit der Wärmebehandlung zur Erzeugung der Erhärtung der den Austauscher bildenden Legierung vorgenommen wird·

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-

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kennzeichnet, dass die in der Grundlegiyrung enthaltene Menge an Silizium und Magnesium so gewählt wird, dass die Gesamtheit des gebildeten binaren Systems Mg^Si in dem Aluminium bei der Schmelztemperatur der Hartlotlegierung in Losung gebracht wird, so dass das Magnesiumsilizid mit dem Aluminium bei dieser H_artlottemperatur ein quasi-binäres System bildet und bei seiner Ausfallung am Ende des am Ende der Hartlotung vorgenommenen Ausglühens vollständig als Hartungselement benutzt wird.

3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Magnesiumsilizid in der Aluminiumlegierung zwischen 0,3 und 1,9 Gewichtsprozenten liegt.

4.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartlotlegierung zwischen 7 und 15 $>i vorzugsweise zwischen 10 und 12 f°, Silizium enthält, so dass die Schmelztemperatur dieser Legierung unter 5©0° 0 liegt, und dass die Grundlegierung zwischen 0,30 und 0,80 $, vorzugsweise 0,45 bis 0,65 $, Magnesium und 0,20 bis 0,50 $, vorzugsweise 0,37 bis 0,47 $, Silizium enthält, so dass die Schmelztemperatur der Grundlegierung zwischen 615 und 625° C liegt, wobei die Anbrenngrenstemperatur hoher als 600° C ist.»

5.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms 4» dadurch gekennzeichnet, dass die Grundlegierung so hergestellt wird, dass sie kein Kupfer oder nur Spuren dieses Metalle enthält, deren obere Grenze unter 0,05 Gewichtsprozenten und vorzugsweise unter 0,02 Gewichtsprozenten liegt.

6.) Verfahren naeh einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengesetzten Austauscher gegebenenfalls nach dem SntfettungsVorgang einem Äbbeiz» vorgang durch Durchgang durch ein saures oder alkalisols.es Bad und hierauf einer Iroeknung vor der Erwärmung bis auf die Hartlottemperatur ausgesetzt werden.

7.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch, gekennzeichnet, dass die Hartlotung in Gegenwart eines Plussmittels vorgenommen wird, welches durch Eintauschen, Aufspritzen, auf feuchtem Wege oder auf trockenem Wege aufgebracht wird, worauf die unmittelbar auf die Hartlotung folgende Abkühlung schnell durchgeführt wird, derart, dass gleichzeitig

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das Magnesiumsilizid in der Grundleg>.erung in Losung gehalten, das schnelle Erstarren und die schnelle Erhärtung der Hartlotlegierung und ein Wärmeschock erzeugt wird, welcher die Trennung des Flussmittels von den von ihm überzogenen Teilen bewirkt, worauf die bis in die Nähe der Raumtemperatur abgekühlten Austauscher einer Waschung in einem warmen sauren Bad und einer Spulung in einem wässerigen Bad, dessen Temperatur etwas hoher als die des sauren Bades ist, ausgesetzt werden, derart, dass gleichzeitig die Ausscheidung der restlichen Spuren von Flussmittel und die allmähliche Einleitung der Ausgluhbehandlung, durch welche das Magnesiumsilizid zur Ausfällung in der Grundlegierung gebracht wird, erfolgen.

8.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, dass die schnelle, unmittelbar nach der Hartlörung vorgenommene Kühlung zunächst durch Blasen bis auf eine Temperatur in der Nähe von 500°0 und hierauf durch Aufspritzen von Flüssigkeit bis auf Raumtemperatur vorgenommen wird, derart, dass der die Ablösung an den Austauschern haften gebliebenen Flussmittelspuren erzeugende Wärmeschock nur bei etwa 300° C erzeugt wird, so dass die Gefahr einer Verformung der Teile des Austauschers ausgeschlossen wird.

9.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, dass die schnelle Kühlung durch Aufspritzen von Flüssigkeit gemäss einem Arbeitsspiel erfolgt, welches zunächst die Temperatur der Grundlegierung schnell senkt und hierauf einen Warmeschock bei etwa 300° C erzeugt, wobei dieses Aufspritzen zunächst in fein atomisierter Form und hierauf in Form einer in wachsender Menge aufgespritzten Flüssigkeit erfolgt, wobei diese Flüssigkeit auf wasseriger Basis gebildet ist und Zusatzstoffe enthält, welches das Wärmeabsorptionsvermogen des Wassers verringern.

10.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartlotlegierung Zusatzstoffe enthält, welche ihre Benetzbarkeit vergrossern, insbesondere Alkalimetalle und Erdalkalimetalle, so dass wenigstens der der Aufbringung des Flussmittels vorausgehende Abbeizvorgang in Fortfall gebracht wird.

11.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

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10, dadurch, gekennzeichnet, dass die Aufbringung eines Flussmittels dadurch in !Portfall gebracht wird, dass der Hartlötvorgang, während welchem die Austauscher auf eine in der Nahe von 600° 0 liegende Temperatur gebracht werden, in Gegenwart von Magnesium in metallischer Form vorgenommen wird, welches durch Diffusion im Vakuum, in Pulverform, in Suspension in einem flüchtigen Träger oder als Zusatzstoff zu der Hartlotlegierung zugeführt wird, welche dann bis zu 15 /« Silizium und 5 bis 10 fo Magnesium zur Bildung einer ternären Legierung mit einem in der Nahe von 550° liegenden Schmelzpunkt enthält, wobei dann die Hartlorung in einem in der Nahe von 10 mm Hg liegenden Vakuum oder in einer neutralen Atmosphäre erfolgt·

12.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, -dass der Ausglühvorgang darin besteht, dass die Austauscher im Ofen auf eine zwischen 180 und 240° C liegende Temperatur erwärmt werden.

13.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1

bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausglühvorgang mit der Trocknung der Austauscher zusammenfällt, wenn diese einem Waschvorgang ausgesetzt wurden.

14.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausglühvorgang in zwei ^ Schritten vorgenommen wird, von denen der erste in einer langsamen Temperaturerhöhung bis auf einen zwischen 180 und 240° C liegenden Schwellenwert besteht, während bei dem zweiten die Austauscher auf der Temperaturschwelle gehalten werden, auf welche sie gebracht wurden.

15«) Verfahren nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt des Ausglühvorgangs während einer zwischen 20 und 60 Minuten liegenden Zeit vorgenommen wird.

16.) Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt des Ausglühvorgangs bei einer zwischen 210 und 225° C liegenden Temperatur während 15 bis 30 Minuten vorgenommen wird.

17.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1

bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Blätter aus der Grundlegierung vor der Herstellung der Teile durch Formung wenigstens

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einem Verfestigungsvorgang ausgesetzt werden, auf welchen eine Wärmebehandlung zur wenigstens teilweiaen Wiederherstellung des ursprunglichen Zustande folgt, welche bei 250 bis 290° C wahrend einer Zeit vorgenommen wird, welche entsprechend der mechanischen Arbeit eingestellt wird, welcher diese Blatter ausgesetzt werden sollen.

18.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartlotlegierung auf die Blatter aus der Grundlegierung beliebig durch Plattieren wahrend der Herstellung der Blätter oder später durch Zufuhr der Hartlotlegierung in Form einer Paste, oder eines, insbesondere mit dem Lotrohr gleichzeitig mit dem Aufspritzen eines wasserfreien Flussmittels aufgestäubten Pulvers aufgebracht wird.

19.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

18, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartlotlegierung so hergestellt wird, dass sie kein Kupfer enthält.

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