DE3518407C2

DE3518407C2 -

Info

Publication number: DE3518407C2
Application number: DE3518407A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Kasugai Aichi Jp Sugiyama; Keizo Nanba; Michiki Nagoya Aichi Jp Hagiwara; Takeshi Takatsuki Osaka Jp Aoki; Shosuke Kobe Hyogo Jp Iwasaki; Tetsuo Osaka Jp Abiko
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1985-05-22
Publication date: 1993-05-27
Also published as: GB2159175A; DE3518407A1; US4673551A; GB2159175B; GB8505883D0; FR2564962A1; FR2564962B1; JPS6256941B2; JPS60248859A

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminiumlegierung als Rippenwerkstoff für durch Hartlöten hergestellte Plattenwärmeaustauscher mit Kühlrippen, die für den Hochdruckbetrieb geeignet sind.

Wegen der guten Hartlötbarkeit wird bis jetzt ausschließlich die Aluminiumlegierung AA3003 ( die Nummern der Aluminiumlegierungen in dieser Anmeldung entsprechen, wenn nicht anders an geführt, den Bezeichnungen der Aluminium Association), als Rip penwerkstoff für Plattenwärmeaustauscher die aus Aluminiumlegierungen durch Hartlöten gefertigt werden, verwendet. Jedoch für den Fall, wo die Verwendung des Wärmeaustauschers bei sehr hohen Druckverhältnissen von mindestens 55 MPa beabsichtigt ist, ergibt die Legierung AA3003 aufgrund der nicht genü genden Reißfestigkeit keine zufriedenstellende Brauchbarkeit für die beabsichtigte Anwendung. Daher wird zur Anwendung unter so hohen Druckverhältnissen die Legierung AA3004 anstelle der Legierung AA3003 als Rippenwerkstoff verwendet. Die Legierung AA3004 besitzt eine um etwa 50% höhere Festigkeit im Vergleich zur Legierung AA3003 und zeigt trotzdem eine genügende Formbarkeit als Rippenwerkstoff. Kühlrippen aus der Legierung AA3004 werden nach herkömmlichen Verfahren in einem Temperaturbereich von 580 bis 610°C, unter Verwendung einer Aluminium-Silizium- Hartlötlegierung, die eine Siliziumgehalt von etwa 6,8 bis 13 Gew.-% aufweist, hartgelötet. Besonders im Falle der sehr dichtgepackten Wärmeaustauscher, in denen dickere und feinge wellte Kühlrippen, unter dem Aspekt ihre Fläche zu vergrößern und ihre Festigkeit für einen höheren Betriebsdruck zu erhöhen, eingebaut sind, ist eine sehr lange Zeit, einschließlich der Vorerwärmungszeit, um alle Teile, welche hartgelötet werden sollen, gleichmäßig auf die Hartlöttemperatur zu erhitzen, erforderlich. Daher befindet sich in jenen Teilen, welche in relativ kurzer Zeit auf die Hartlöttemperatur erwärmt sind, und die in Kontakt mit der geschmolzenen Hartlötlegierung sind, die Hartlötlegierung für einen längeren Zeitraum im flüssigen Zustand und in dieser Zeit erfolgt leicht eine nachteilige, übermäßige Diffusion von Silizium aus der Hartlötlegierung in die Rippen. Schreitet diese Silizium-Diffusion voran, so wird die Stärke der Lötverbindung zunehmend reduziert, oder die Bin dungsstärke wird dadurch in nicht zu übersehender Weise ver mindert. Zum Beispiel wird die Stärke der Lötverbindungen in praktisch eingesetzten Wärmeaustauscherbauteilen auf einen Wert unter 30% des ursprünglichen Wertes erniedrigt und einige Bauteile können den Prüfdrucken nicht widerstehen, was zu Ris sen und Brüchen in den hartgelöteten Verbindungsteilen führt.

Es ist weiters bekannt, daß ein Magnesiumgehalt von etwa 1 Gew.-% in der Legierung AA3004 die eben beschriebene nachteilige Diffu sion von Silizium beschleunigt. Wenn das Hartlöten im Vakuum durchgeführt wird, wird außerdem ein unausweichliches Verdampfen von Magnesium in den Kühlrippen bewirkt, wodurch, auch wenn die Magnesiumkonzentration dieselbe Größe hat wie in der Legierung AA3004, eine entscheidende Verbesserung der Festigkeit der Kühlrippen, die dem Hartlötverfahren unterworfen werden, nicht erwartet werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, Rippenwerkstoffe anzugeben, die sich gut für Kühlrippen, die dem Hartlötverfahren unterworfen werden, eignen, und die die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweisen.

Der Rippenwerkstoff soll sowohl eine gute Festigkeit als auch eine gute Formbarkeit, mindestens vergleichbar oder besser als die der Legierung AA3004, aufweisen.

Unter dem Aspekt dieser Aufgabenstellung wurden verschiedene Studien und Versuche unternommen und dabei wurde gefunden, daß die zuvor angeführten Probleme und Nachteile durch die Verwendung einer Aluminiumlegierung (1) oder vorzugsweise (2) gelöst werden können.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Verwendung einer Aluminiumlegierung gemäß Anspruch 1 oder vorzugsweise 2.

Im folgenden wird die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen ver wendeten Werkstoffe näher beschrieben.

(1) Eine Aluminiumlegierung, bestehend aus 0,6 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 0,75 Gew.-% Magnesium und 0,05 bis weniger als 0,3 Gew.-% Silizium, Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen, wobei der Eisenanteil in diesen Verunreinigungen bis 0,8 Gew.-% beträgt.
(2) Eine Aluminiumlegierung, bestehend aus 0,6 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 0,75 Gew.-% Magnesium und 0,05 bis weniger als 0,3 Gew.-% Silicium, und mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: 0,05 bis 0,25 Gew.-% Zirkonium, 0,01 bis 0,25 Gew.-% Titan, 0,05 bis 0,25 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 0,25 Gew.-% Vanadium, der Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen, wobei der Eisengehalt in diesen Verunreinigungen bis 0,8 Gew.-% beträgt.

Legierungen, die mit den Aluminiumlegierungen (1) und (2) ver gleichbare Zusammensetzungen aufweisen sind aus der EP-0 097 319 A2 und der CH-PS 2 39 996 bekannt.

Fig. 1 ist die Schrägansicht eines Probekörpers eines Wärme austauschers, deren Kühlrippen, entsprechend der erfindungsgemäßen Verwendung durch Hartlöten eingebaut hat.

Fig. 2 ist die vergrößerte Vorderansicht eines Hauptbestand teiles des Probekörpers entsprechend Fig. 1.

Gemäß der erfindungsgemäßen Verwendung werden Kühlrippenwerkstoffe aus den Aluminiumlegierungen (1) oder (2) hergestellt.

Anschließend wird die Funktion der einzelnen Komponenten der Legierungen und der Grund, warum jede Komponente auf den vorhin genannten Konzentrationsbereich beschränkt ist, im De tail beschrieben.

Mangan:
Mangan hat einen Effekt nicht nur auf die Verbesserung der Festigkeit und des Korrosionswiderstandes, sondern auch auf die Hartlötbarkeit. Mangan in einer Konzentration von weniger als 0,6 Gew.-% kann diese Effekte nicht befriedigend erreichen. Ande rerseits wird bei einem Mangangehalt von mehr als 1,5 Gew.-% eine unerwünscht grobkörnige Aluminiumverbindung gebildet, die die Walzbarkeit des Materials herabsetzt und dadurch die Herstellung der Kühlrippen schwierig macht.

Kupfer:
Kupfer erhöht die Festigkeit. Ein Kupfergehalt von we niger als 0,1 Gew.-% erreicht diese Wirkung nicht. Andererseits bildet ein Kupfergehalt von mehr als 1,0 Gew.-% grobe in termetallische Verbindungen und wird die sich ergebenden Werk stoffe ungünstig beeinflussen.

Magnesium:
Magnesium besitzt einen signifikanten Effekt auf die Erhöhung der Festigkeit. Jedoch, wenn der Magnesiumgehalt we niger als 0,1 Gew.-% beträgt, kann die Wirkung nicht erreicht werden, während ein Magnesiumgehalt von mehr als 0,75 Gew.-% sich mit Silizium aus dem Hartlötmaterial verbindet und Mg₂Si bildet, wodurch die Konzentration von Silizium im Hartlötmaterial bemerkenswert vermindert wird und zu einer beträchtlichen Erniedrigung der Hartlötbarkeit führt.

Silizium:
Silizium hat einen Effekt auf die Erhöhung der Festig keit in Verbindung mit Magnesium und, da Silizium in der Rippe den Silizium-Konzentrations-Gradienten zwischen der Rippe und der Hartlötlegierung reduziert, wird eine übermäßige Diffusion von Silizium, das im Hartlötmaterial enthalten ist, in die Rippen wirkungsvoll unterdrückt. Wenn Silizium in einer Konzentration von weniger als 0,05 Gew.-% vorliegt, können die eben beschriebenen Wirkungen nicht erreicht werden. Andererseits wird mit einem Siliziumgehalt von 0,3 Gew.-% oder mehr der Schmelzpunkt auf einen nicht akzeptablen Wert erniedrigt.

Eisen:
Eisen ist eine der Verunreinigungen und ein übermäßiger Eisengehalt sollte vermieden werden. Ein Eisengehalt von 0,8 Gew.-% oder weniger verbessert jedoch die Festigkeit und den Knickwiderstand bei erhöhten Temperaturen, in Abhängigkeit von seinem Gehalt, ohne wesentliche Beeinträchtigung des er haltenen Werkstoffes.
Weiters enthält der erfindungsgemäß bevorzugt verwendete Rippenwerkstoff (2) zu sätzlich mindestens eine Komponente aus gewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkonium, Titan, Chrom und Vanadium in den benannten Bereichen.

Zirkonium:
Zirkonium erhöht die Festigkeit, im besonderen die Festigkeit bei erhöhter Temperatur und den Knickwiderstand. Besonders der Knickwiderstand ist ein sehr wichtiger Faktor, da Rippenwerkstoffe hartgelötet werden bei Hartlöttemperaturen knapp unter dem Schmelzpunkt der Rippen unter Druckanwendung.
Wenn der Zirkoniumgehalt weniger als 0,05 Gew.-% beträgt, wird der Effekt nicht erreicht, und wenn der Gehalt 0,25 Gew.-% über steigt, werden unerwünschte, grobe intermetallische Verbindungen während des Gießens gebildet, die die Eigenschaften des Rippen werkstoffes herabsetzen.

Titan:
Titan verfeinert das Gefüge des gegossenen Materials und verhindert die Bildung eines groben Korns, wodurch die Fe stigkeit erhöht wird. Beträgt jedoch die Konzentration weniger als 0,01 Gew.-%, erhält man den Effekt nicht. Andererseits, ein Titangehalt von mehr als 0,25 Gew.-% wird Schäden an der Ober fläche des Rippenwerkstoffs verursachen.

Chrom und Vanadium:
Chrom und Vanadium verbessern die Festigkeit im oben ausgeführten Konzentrationsbereich. Wenn der Ge halt dieser Bestandteile unter den oben ausgeführten Untergren zen liegt, wird die Wirkung nicht erreicht. Andererseits, wenn Chrom und Vanadium über den angegebenen Obergrenzen liegen, bilden sie grobe intermetallische Verbindungen, wodurch eine mangelhafte Oberfläche resultiert.

Die Erfindung wird im folgenden näher anhand der bevorzugten Ausführungsformen und Vergleichsbeispiele beschrieben.

Beispiel

Anschließend sind in Tabelle 1 erfindungsgemäß verwendete Legierungszusammensetzungen für Rippenwerkstoffe, zusammen mit den Legierungen AA3003 und AA3004 als Vergleichsbeispiele, dar gestellt.

Tabelle 1

Testproben, 0,05 mm stark und 70 mm×70 mm groß werden aus den ent sprechenden Legierungen, aufgeführt in der Tabelle 1 oben, her gestellt und auf jede Testprobe wird ein Hartlötmaterial (10 Gew.-% Silizium, 1,5 Gew.-% Magnesium, Rest Aluminium, bezeichnet als Legierung AA4004) mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Stärke von 1,5 mm gelegt. Anschließend wird für jede Testprobe ein Ausbreittest durch Erhitzen bei 600°C für 4 Stunden im Vakuum bei 2,8 × 10^-5 mbar durchgeführt und die maximale Eindringtiefe des Hartlötmaterials in jede Testprobe geprüft.

Anschließend an den vorherigen Test wird für jede Testprobe, die im Hochvakuum von 2,8×10^-5 mbar bei 600°C für 4 Stunden er hitzt worden war, ein Zerreißtest durchgeführt, um die Reißfestigkeit zu überprüfen. Die Resultate dieser Tests sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Als nächstes werden Kühlrippen hergestellt unter Verwendung der entsprechenden Legierungen, aufgeführt in Tabelle 1 und dann wer den kleinformatige Probekörper von Plattenwärmeaustauschern mit Kühlrippen, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, hergestellt, die die Kühlrippen eingebaut haben. Fig. 1 zeigt in einer Schräg ansicht den Probekörper und Fig. 2 zeigt die Vorderansicht eines Hauptbestandteiles dieses Probekörpers. Eine einfache Kühlrippe vom Typ 2, die eine Wellhöhe von 6 mm, eine Plattenstärke von 0,5 mm und eine Durchbohrungsrate von 2,5% und 17 Rippen pro 2,54 cm besitzt, wird zwischen den Separator-Platten 1, hergestellt aus einem Hartlötblech, das eine Schicht der Hartlötlegierung 3 besitzt, bei 590°C für 30 Min. bei einem Druck von 2,8×10^-5 mbar hartgelötet.

Die Bezugsziffern 4, 5 und 6 bezeichnen ein Zwischenstück, einen Durchlauf für die Testflüssigkeit und einen Leerdurchlauf.

An jedem Probekörper, hergestellt auf die eben beschriebene Art und Weise, unter Verwendung von Rippen, bestehend aus den ent sprechenden Legierungen, aufgeführt in Tabelle 1, werden die Brüche aufgrund des Innendrucks überprüft. Die Testergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt, in der die Rippennummern den Legierungs nummern, aufgeführt in Tabelle 1, entsprechen.

Tabelle 3

Aus der Tabelle 2 ergibt sich eindeutig, daß die Silizium-Diffu sion, die während des Hartlötprozesses auftritt, in der erfindungsgemäß verwendeten Legierung im Ver gleich zur Legierung AA3004 beträchtlich reduziert ist, und die Reißfestigkeit nach einer Hochtemperaturbelastung viel höher ist, als für die Legierung AA3004. Aus Tabelle 3 kann man ent nehmen, daß die Wärmeaustauscherbaugruppen, die durch Hartlöten hergestellt werden, durch die erfindungsgemäße Verwendung des verbesserten Rippenwerkstoffs eine höhere Festigkeit an den hartge löteten Abschnitten zeigen, die deutlich über der Reißfestigkeit der Rippenanteile liegt und demzufolge treten die Brüche im Rip penanteil auf.

Auch wenn das Hartlötmaterial für längere Zeit, aufgrund des lang andauernden Hartlötvorgangs, in einem Flüssigzustand gehalten wird, vermindern die in dieser Erfindung verwendeten Rippenwerkstoffe die übermäßige Silizium-Diffusion aus dem verwendeten Hartlötmaterial in die Rippen, wodurch die unerwünschte Reduzierung der Festigkeit in den Hartlötverbindungen, hervor gerufen durch Hartlöten für einen langen Zeitraum, eliminiert wird.

Demzufolge besitzt der Wärmetauscher, mit Kühlrippen gemäß der erfindungsgemäßen Verwendung eine sehr hohe Festigkeit, sowohl an den Hartlötverbindungen und im Rippenbereich, verglichen mit einem herkömmlichen Wärmetauscher, der Rippen, hergestellt aus der Legierung AA3004 verwendet. Insbesondere, da Wärmetauscher, die den Rippenwerkstoff gemäß der erfindungsgemäßen Verwendung benutzen, einen sehr hohen Reißdruck von mindestens 45,0 MPa besitzen, können Plattenwärmeaustauscher mit Kühlrippen, geeignet für die Verwendung im Hochdruckbetrieb, zum Beispiel bis zu über 8,82 MPa durch einen Hartlötprozeß, im besonderen durch Vakuum-Hartlöten, fluß mittelfreies Hartlöten in einer nicht oxydierenden Atmosphäre, wie zum Beispiel Stickstoff, hergestellt werden.

Claims

1. Verwendung einer Aluminiumlegierung aus 0,6 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 0,75 Gew.-% Magnesium und 0,05 bis weniger als 0,3 Gew.-% Silizium, Alu minium als Rest mit zufälligen Verunreinigungen, wobei der Eisengehalt in diesen Verunreinigungen kontrollierter weise bis 0,8 Gew.-% beträgt, als Rippenwerkstoff für durch Hartlöten hergestellte, für den Hochdruckbetrieb geeignete Plattenwärmeaustauscher.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die zusätzlich mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe 0,05 bis 0,25 Gew.-% Zirkonium, 0,01 bis 0,25 Gew.-Titan, 0,05 bis 0,25 Gew.-% Chrom und 0,01 bis 0,25 Gew.-% Vanadium, ent hält, für den Zweck nach Anspruch 1.