DE3031439C2 - Hartlötbares Kühlrippen-Verbundwerkstoff für Wärmetauscher auf Basis von Aluminiumlegierungen - Google Patents

Hartlötbares Kühlrippen-Verbundwerkstoff für Wärmetauscher auf Basis von Aluminiumlegierungen

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DE3031439C2
DE3031439C2 DE3031439A DE3031439A DE3031439C2 DE 3031439 C2 DE3031439 C2 DE 3031439C2 DE 3031439 A DE3031439 A DE 3031439A DE 3031439 A DE3031439 A DE 3031439A DE 3031439 C2 DE3031439 C2 DE 3031439C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen hartlötbaren Kühlrippen-Verbundwerkstoff für Wärmetauscher auf Basis von Aluminiumlegierungen aus einem Kern und einer Hülle, wobei die Hülle aus einer Al-Si-Legierung mit 5 bis 15 Gew.-96 Silizium oder einer AI-Sl-Mg-Legierung mit 5 bis 15 Gew.-% Silizium und 0,1 bis 2 Gew.-% Magnesium und Aluminium als Rest besteht. Der hartlötbare Kühlrippen-Verbundwerkstoff für Wärmetauscher weist einen Opferanodeneffekt auf, so daß die röhren- oder plattenförmigen Flüssigkeitsleitungsteile des Wärmetauschers gegen Korrosion geschützt sind.
Luft-Kühler und -Verdampfer für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen werden In der Regel in der Welse hergestellt, daß man Kühlrippen aus hartlötbaren Blechen im Vakuum ah die H,-;uptleitungste!le anlötet, durch die ein übll-
-> ches Kühlmittel, wie z. B. Fluoren (Diphenylenmethan) fließt und die durch Strangpressen aus einer porösen Al- oder Al-Mn-Legierung hergestellt worden sind. Im allgemeinen besteht das hartlötbare Blech für die Kühlrippen aus einer Kernlegierung und einer Hüllenlegierung auf Basis einer Al-Sl-Leglerung oder Al-Sl-Mg-Legie-
Aus der US-PS 41 50 980 ist eine Aluminiumlegierung aus 0,5 ois 8% Zink, 0,5 bis 1,5% Mangan und Alumi- ·*> nium als Rest mit Verunreinigungen bekannt, die zur Herstellung von Rippen für Wärmeaustauscherrohre geeignet Ist und als Opferanode wirkt. Diese Legierung wird mit einem genormten Lötwerkstoff für das Vakuumhartlöten, der aus 9,5% Silicium, 1,5% Magnesium und Aluminium als Rest besteht, beschichtet und so als Verbundwerkstoff mit dem Rohr durch Vakuumhartlöten verbunden.
Aus der DE-OS 28 20 413 1st es bekannt, daß üblicherweise Teile von Wärmeaustauschern, wie Kühlrippen in H Form von Verbundwerkstoffen, die mit dem Hartlot beschichtet sind, durch Hartlöten mit dem Rohr verbunden werden; dabei werden das genormte AlSi-Hartlot 4343 (mit 6,8 bis 8,2% Silicium) und das für das Vakuumhartlöten geeignete AlMgSI-Lot 4004 (mit 9 bis 10,5% Silizium und 1 bis 2% Magnesium) verwendet.
Bei den in dieser Weise aufgebauten Wärmetauschern unterliegt der Wärmetauscher einer erheblichen Korrosion, wenn die luftgekühlte Seit; des Wärmetauschers sich In einer stark korrodierenden Umgebung befindet. ·><> Dies hat zur Folge, daß sein Einsatzgebiet stark eingeschränkt Ist. Die Korrosion, der herkömmliche Wärmetauscher unterliegen, ist aus Fi g. 1 der beillegenden Zeichnungen ersichtlich. In dem Wärmetauscher, bei dem eine Hauptleitung 1 mit einer Kühlrippe 2 über eine durch Vakuumlöten aus herkömmlichen Werkstoffen gebildete Kehlnaht 3 verbunden Ist, wird die Kehlnaht 3 stärker kathodisch, M) daß ein Korrosionsstrom In Richtung der Pfeile fließt, was zur Folge hat, daß eine Lochfraßkorrosion 4 in der Hauptleitung 1 auftritt.
■»5 Aufgabe der Erfindung war es daher, einen hartlötbaren Kühlrippen-Verbundwerkstoff zu finden, bei dem die obengenannten Probleme und Nachtelle nicht auftreten und der insbesondere die Lochfraßkorrosion der Hauptleitung verhindert.
Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem einen Opferanodeneffekt aufweisenden hartlötbaren Kühlrippen-Verbundwerkstoff mit dem eingangs genannten Aufbau gelöst werden kann, der die •S(> Lochfraßkorrosion der Hauptleitungen verhindert, so daß der Wärmetauscher eine bemerkenswert lange Lebensdauer besitzt und auf vielen Gebieten eingesetzt werden kann.
Gegenstand der Erfindung Ist ein hartlötbarer Kühlrippen-Verbundwerkstoff mit der Im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung hat er die im Anspruch 2 angegebene Zusammensetzung.
^ Der erfindungsgemäße hartlötbare Kühlrippen-Verbundwerkstoff umfaßt einen Kern aus einer Aluminiumlegierung mit einer Korngröße von 100 μήι oder mehr, die aus 0,5 bis 2 Gew.-% Mangan plus Elsen, wobei der Mangangehalt größer ist als der Eisengehalt, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Zink, 0,001 bis weniger als 0,02 Gew.-% Zinn und Aluminium mit zufälligen Verunreinigungen als Rest besteht, und eine Hülle (Überzug), die aus einer Al-Sl-Legierung mit 5 b's 15 Gew.-% Silizium oder einer Al-Si-Mg-Leglerung mit 5 bis 15 Gew.-% Silizium und m 0,1 bis 2 Gew.-% Magnesium, vorzugsweise einer Al-Si-Leglerung mit 5 bis 15 Gew.-% Silizium, 0,001 bis 0,2 Gew.-% Wismut und 0,001 bis 0,1 Gew.-% Beryllium und Aluminium als Rest besteht.
Durch Verwendung von Kühlrippen aus dem erfindungsgemäßen Kühlrippen-Verbundwerkstoff zur Herstellung von Wärmetauschern auf Basis von Aluminiumlegierungen werden die Hauptleitungen des Wärmetauschers gegen Lochfraßkorrosion geschützt, so daß der Wärmetauscher eine bemerkenswert lange Lebensdauer <" besitzt und auf vielen Gebieten eingesetzt werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt Flg. 1 den Korrosionszustand eines Teils eines herkömmlichen Wärmetauschers und
Fig. 2 eine Ausführungsform eines Warmverformungs-Beständlgkeltstests.
Das In dem Kern aus der Aluminiumlegierung enthaltene Zink dient dazu, die Kühlrippen anodischer zu machen und die Lochfraßkorrosion der Hauptleitungen zu verhindern. Wenn der Zinkgehalt weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, wird der gewünschte Effekt nicht in dem notwendigen Ausmaß erreicht. Wenn der Zinkgehalt andererseits mehr als 0,7 Gew.-% beträgt, verdampft eine große Menge des Zinks während des Vakuumhartlötens, so daß die Lötbarkeit beeinträchtigt 1st.
Mangan und Elsen erhöhen die Festigkeit der Kühlrippe, wobei dann, wenn ihr Gesamtgehalt weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, die erreichte Festigkeitssteigerung nicht genügend groß ist. Wenn andererseits ihr Gesamtgehalt 2 Gew.-% übersteigt, ergeben sich Riesenverbindungen in dem Barren, wodurch der durch Mangan und Eisen verursachte Effekt beeinträchtigt wird. Der erfindungsgemäße Kühlrippen-Verbundwerkstorf ist dadurch charakterisiert, daß der Kern eine Korngröße von 100 μπι oder mehr aufweist, wobei diese Korngröße dann erreicht i" wird, wenii der Mangangehalt höher 1st als der Eisengehalt. Aus diesem Grunde sollte die Legierung mehr Mangan als Elsen enthalten.
Das in Kombination mit dem Zink eingesetzte Zinn dient dazu, die Kühlrippen sowohl vor als auch nach dem Vakuumhartlöten anodischer als die Hauptleitungen zu machen und damit die Lochfraßkorrosion der Hauptleitungen zu verhindern. Wenn der Zinngehalt weniger als 0,001 Gew.-% beträgt, kann der oben angespro- '? chene Effekt nicht in der angestrebten Weise erreicht werden. Wenn andererseits der Zinngehalt mehr als 0,02 Gew.-% beträgt, werden die Kühlrippen zu stark anodisch und neigen zu einer zu starken Selbstkorrosion. Durch die übermäßige Selbsikorroslon wird die Lebensdauer der Kühlrippen während ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung beeinträchtigt. Weiterhin führt ein übermäßig großer Zinngehalt nicht nur zu einer Verringerung der Festigkeit des Kühlrippenmaterials, sondern auch zu einer Beeinträchtigung der Warmvervormbarkeit des für den Kern verwendeten Aluminiumlegierungsblocks, so daß der Umhüllungsvorgang oder Beschichtungsvorgang sehr stark erschwert wird.
Die Korngröße des Kerns des erfindungsgemäßen Kühlrippenmaterial sollte 100 μπι oder mehr betragen, da bei einer Korngröße von weniger als 100 μιη die Knickfestigkeit unter den erforderlichen Wert absinkt. Um in dem Kern des Kühlrippen-Verbundwerkstoffs eine Korngröße von 100 μαι oder mehr zu erzeugen, wird die 2S oben beschriebene Kernlegierung bei einer Temperatur von 450 bis 550° C warmgewalzt und durch Erhitzen auf eine Temperatur von mindestens 300° C während 30 Minuten oder mehr einer Rekristallisations-Warmbehandlung unterworfen.
Die oben angesprochene Aluminiumlegierung für den Kern kann weiterhin als zufällige Verunreinigungen bis zu 1 Gew.-% Silizium, bis zu 0,5 Gew.-% Magnesium, bis zu 0,3 Gew.-% Kupfer, bis zu 0,3 Gew.-% Chrom, bis w zu 0,3 Gew.-% Titan, bis zu 0,3 Gew.-% Zirkonium, bis zu 0,1 Gew.-96 Bor und/oder bis zu 0,1 Gew.-% Gallium enthalten, ohne daß sich dadurch eine wesentliche Beeinträchtigung der Eigenschaften des Verbundwerkstoffs ergibt.
Die Hüllenschicht für den oben angesprochenen Kern besteht aus einer Al-Si- oder einer Al-Si-Mg-Legierung. Eine geeignete Hüllenlegierung für ein Hartlötverfahren, bei dem ein Flußmittel verwendet wird, 1st eine -?5 Aluminiumlegierung mit 5 bis 15 Gew.-% Silizium, während man für das Vakuumhartlöten eine Aluminiumlegierung mit 5 bis 15 Gew.-96 Silizium und 0,1 bis 2 Gew.-% Magnesium einsetzt. Für das normale Hartlöten bei Atmospharendruck kann man vorzugsweise eine aus 5 bis 15 Gew.-% Silizium, 0,001 bis 0,2 Gew.-% Wismut und 0,001 bis 0,1 Gew.-% Beryllium und Aluminium als Rest bestehende Aluminiumlegierung einsetzen. Das Hüllenverhältnis des erfindungsgemäßen Kühlrippen-Verbundwerkstoffs beträgt vorzugsweise 5 ·»» bis 20%.
Wie oben bereits beschrieben, ergeben die Auswahl und die Kombination der Legierungen für den Kern und für die Hülle einen wesentlich verbesserten, hartlötbaren Kühlrippen-Verbundwerkstoff mit sehr guter Verformbarkeit, hohem Fließvermögen und einem Opferanodeneffekt, der ausreicht, den Hauptleitungen den gewünschten kathodischen Korrosionsschutz zu verleihen.
Die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Bei diesen Beispielen werden Aluminiumlegierungen mit den in der nachstehenden Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen als Kernlegierungen verwendet.
Tabelle I
Nr. Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) Fe Zn Sn Si Cu Rest: Al Cr Ti
1 Mn 0,30 0,6 0,003 0,15 0,02 Mg 0,05 0,01
Erfindungs 2 0,40 0,45 0,20 0,018 0,10 0,01 0,02 0,01 0,05
gemäße Kern 3 0,50 0,40 0,50 0,005 0,10 0,01 0,10 0,02 0,02
legierungen 4 0,8 0,35 0,40 0,015 0,08 0,02 0,01 0,01 0,02
5 1,2 0,25 0,40 0,015 0,10 0,05 0,05 0,01 0,01
6 1,5 0,15 0,50 0,01 0,07 0,01 0,02 0,01 0.01
Vergleichs 7 0,01 0,50 0,4 0,06 0,12 0,02 0.01 0,02 0.01
legierungen 8 1,0 0,30 1.5 0,03 0,10 0,10 0,02 0,02 0,02
9 1,2 0.40 _ _ 0,15 0.15 0,01 0,01 0,02
1.2 0,05
Fortsetzurm
Nr.
Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) Mn Fe Zn Sn Si
Rest: Al Mg Cr
10 1,5 0,8 0,50 0,01 0,20 0,01 0,10 0,01 0,01
11 0,20 0,20 0,40 0.01 0,15 0,02 0,01 0,01 0,01
12 0,30 0,40 0,40 0,01 0,10 0,02 0,01 0,01 0,01
13 1,0 0,30 0,05 0,01 0,10 0,01 0,02 0,01 0,01
14 1.0 0,35 0,8 0,01 0,12 0,01 0,02 0,01 0,01
15 1,0 0,25 0,20 0,0005 0,12 0,01 0,02 0,01 0,01
Man umhüllt eine Kernschicht aus den in der obigen Tabelle ! angegebenen Legierungen mit einer Hüüenschicht aus einer Aluminiumlegierung mit 10 Gew.-% Silizium und 1,5 Gew.-% Magnesium auf beiden Selten der Kernschicht unter Bildung eines hartlötbaren Kühlrippen-Verbundwerkstoffs. Dann untersucht man die Gießbarkeit, die Walzbarkeit und die Wellenverformbarkeit (d. h. die Verformbarkeit unter Bildung eines gewellten Materials). Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 11 zusammengestellt.
Tabelle 11
Texiurfehler des Barrens ') Walzbarkeit -') Well-Verf'ormbarkeit des
Kühlrippen-Verbundwerkstoffs 3)
1 gut gut gut
2 gut gut gut
3 gut gut gut
4 gut gut gut
5 gut gut gut
6 gut gut unebene Kühlrippenwellung
7 Segregation von Sn aus der Auftreten erheblicher Randrisse gut
Grund verbindung
S gut Auftreten von Randrissen gut
9 gut gut gut
10 Bildung von intermetallischen gut schlechte Schneidbarkeit der
Riesenverbindungen Kühlschlitze
11 gut gut gut
12 gut gut gut
13 gut gut gut
14 gut gut gut
15 gut gut gut
, n,e iprpirhen der oben aneesDrochenen Leeieruneen herauseeschnitten und elektronen-
mikroskopisch unlersuchi
:i D:e Wal^barkeil wird durch das Auftreten von Randrissen nach dem Warmwalzen bewertet.
;) Man verformt den 0,16 mm starken Kühlrippen-Verbundwerkstoff zu gewellten Kühlrippen mit Kühlschlitzen, worauf Formungleichmaßigkeiten bewertet werden.
65
Weiterhin bildet man durch Einstellen der Herstellungsbedingungen, wie das Wärmebehandeln der Blöcke, das Warmwalzen und das zwischenzeitig durchgeführte Wärmebehandeln hartlötbare Kühlrippen-Verbundwerkstoffe (mit einer Breite von 25 mm, einer Länge von 70 mm und einer Dicke von 0,16 mm), dessen Kerne verschiedene Korngrößen aufweisen, die in der nachstehenden Tabelle III angegeben sind. Dann bestimmt man die Knickfestigkeit durch Messen der Warmverformung S einer jeden Kühlrippe A, nachdem man eines der Enden der Kühlrippe A in die Klemmbacken P eingespannt hat, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, und während 30 Minuten auf 600° C erhitzt hat. In der Fig. 2 stehen a bzw. b für Längen von 70 mm bzw. 30 mm. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II! zusammengestellt.
Warmverformung 30 31 439 Korngröße Korngröße
Tabelle III Korngröße 200 - 300 μιι > 300 μπι
Nr. < 100 μΠΙ der Kühlrippe (mm) 3 2
15 Korngröße 3 2
15 100 - 200 μΓΠ 3 i
1 12 4 2 1
2 12 3 2 1
3 10 4 >25 >25
4 >25 3 3 2
5 15 3 2 1
6 12 >25 3 1
12 4 2 1
8 10 4 12 10
9 >25 3 7 5
10 20 3 2 1
Π 12 25 10 7
12 20 10 2 1
13 12 3
14 15
15 3
Die oben beschriebenen hartlötbaren Kühlrippen-Verbundwerkstoffe, die Kerne aus den Aluminiumlegierungen der Nr. 1 bis 15 und Hüllen aus einer Aluminiumlegierung mit 10 Gew.-% Silizium und 1,5 Gew.-96 Magnesium aufweisen, werden durch Vakuumhartlöten bei einer Temperatur von 600° C während 3 Minuten unter einem Unterdruck von 1,3 χ 10"5 mbar an Röhren die durch normales Strangpreßverformen aus der Legierung A 1050'* oder der Legierung A 30032' hergestellt worden sind, unter Ausbildung von Wärmetauschereinheiten angelötet. Zur Untersuchung der Korrosionsbeständigkeit der in dieser Weise aufgebauten Wärmetauschereinheiten werden alternierende Naß/Trocken-Tests durchgeführt, indem man jede Wärmetauschereinheit während 30 Minuten bei 40° C in eine 3%ige Natriumchloridlösung (pH-Wert = 39) eintaucht und dann während 30 Minuten bei 50° C trocknet. Diese Verfahrensweise wird kontinuierlich während eines Monats durchgeführt, worauf die maximale Korrosionstiefe einer jeden Wärmetauschereinheit untersucht wird. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle IV zusammengestellt. Die In der Tabelle IV angegebenen Potentiale stehen für die Potentiale der Kerne der hartlötbaren Kühlrippen-Verbundwerkstoffe, die in einer 3%igen wäßrigen Natriumchloridlösung unter Verwendung einer gesättigten Kalomel-Standard-Elektrode ermittelt wurden.
Tabelle IV
Nr. Potential (V) Maximale Korrosionstiefe (mm) Rohr aus der
Rohr aus der Legierung A3003 2)
Legierung A1050 ')
1 -0,88 0,41
2 -0,83 0,50
3 -0,85 0,47
4 -0,88 0,40
5 -0,85 0,40
6 -0,87 0,42
7 -0,96 0,40
8 -0,90 0,41
9 -0,68 0,80
10 -0,88 0,42
11 -0,86 0,41
12 -0,86 0,40
0,21 0,25 0,23 0,20 0,20
0,23 0,18 0,19 0,65 0,22 0,20 0.21
Fortsetzung
Nr. Potential (V) Maximale Korrosionstiefe (mm) Rohr aus der Rohr aus der Legierung A1050 ') Legierung A3003 2)
0,80 0,60
0,40') 0,2O1)
0,80 0,58
Ij ') Legierung AI050: ü.02% Nn. 0,25% Fe. 0.02% Zn. 0,10% Si. 0.02% Cu. 0.01% Mg. 0.01% Cr.
ψ 0.01% Ti, 99,54% ΛΙ
;) Legierung A3003: 1.20% Mn. 0.02% Zn. 0.10% Si, 0.02% Cu. 0.25% Fe, 0.01% Mg. 0,01% Cr. 15 0,01% Ti, Rest Al
Il ■') Auftreten einer erheblichen Selbstkorrosion der Kühlrippen
13 -0,74
14 -0,88
15 -0,76
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
20

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Hartlötbarer Kühlrippen-Verbundwerkstoff für Wärmetauscher auf Basis von Aluminiumlegierungen aus einem Kern und einer Hölle, wobei die Hülle aus einer Aluminium-Silizium-Legierung mit 5 bis 15% SiIizlum oder einer Aluminlum-Silizlum-Magnesium-Legiening mit 5 bis 15% Silizium und 0,1 bis 2% Magnesium und Aluminium als Rest besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einer Aluminiumlegierung mit 0,5 bis 2% Mangan plus Eisen, wobei der Mangangehalt größer 1st als der Eisengehalt, 0.1 bis 0,7% Zink, 0,001 bis weniger als 0,02% Zinn und Rest Aluminium mit zufälligen Verunreinigungen besteht, die eine Korngröße von 100 μπι oder mehr aufweist.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einer Aluminium-Silizium-Legierung mit 5 bis 15% Silizium, 0,001 bis 0,2% Wismut und 0,001 bis 0,1% Beryllium und Aluminium als Rest besteht.
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