DE3525168A1 - Aluminium-hartlote und ihre verwendung in aluminium-waermeaustauschern - Google Patents
Aluminium-hartlote und ihre verwendung in aluminium-waermeaustauschernInfo
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Description
SCHWABE ■ SANDMAIR · MARX
STUN1TZb"!HASSt 16 8000 MÜNCHEN i
■2-
Anwaltsakte: 34 323
SUMITOMO PRECISION PRODUCTS CO., LTD HYOGO / JAPAN
Aluminium-Hartlote und ihre Verwendung in Aluminium-Wärmeaustauschern
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SCHWABE · SANDMAIR ■ MARX
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■ 3·
Anwaltsakte: 34 32 3
Die Erfindung betrifft Aluminium-Hartlote für die Montage von Aluminium-Wärmeaustauschern durch Hartlöten, und ist besonders
geeignet für die Montage von Plattenwärmeaustauschern mit Kühlrippen, verwendbar im Hochdruckbetrieb.
Aluminium-Plattenwärmeaustauscher mit Kühlrippen werden bislang durch Anwendung einer entsprechenden Hartlöttechnik, wie zum
Beispiel durch die Vakuum-Hartlöttechnik, Hartlöten in normaler Atmosphäre oder im Tauch-Hartlötverfahren hergestellt. Die dabei
verwendeten Aluminium-Hartlote enthalten üblicherweise 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium und wahlweise werden Hartlote mit einem
Zusatz von weniger als 3,0 Gew.-% Magnesium oder Hartlote mit einem Zusatz von 2,3 bis 4,7 Gew.-% Kupfer und 9,3 bis 10,7 Gew.%
Zink verwendet. Die eben beschriebenen siliziumhaltigen Hartlote können ferner Beryllium und Wismut enthalten. Alle Prozentangaben
in dieser Anmeldung entsprechen, wenn nicht anders vermerkt, Gewichtsprozenten.
Plattenwärmeaustauscher mit Kühlrippen können durch den Berstdruck,
wenn der Wärmeaustauscher aufgrund des auftretenden Innendruckes zerreißt, gekennzeichnet werden. Die Festigkeit in den
Hartlötverbindungen wird als ein bestimmender Faktor für den Reißdruck angesehen und die Festigkeit hängt im wesentlichen von
der Stärke und der Struktur der Kehllötnaht in den Lötverbindungen ab. Jedoch erlaubt es die Herstellung von großformatigen
Wärmeaustauschern nicht, aufgrund der verlängerten Hartlötzeit, eine ausreichend starke Kehlnaht zu erzeugen. Daher besitzen
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die zur Zeit verwendeten Wärmeaustauscher eine niedrige Reißdruckhöhe
.
Andererseits kann man die metallurgische Struktur in den Lötverbindungen
verfeinern und dadurch die Festigkeit erhöhen, wenn man die Abkühlrate nach dem Hartlötvorgang erhöht. Es ist
praktisch jedoch nicht möglich, die Abkühlrate bei der Konstruktion von großformatigen Wärmeaustauschern ausreichend zu erhöhen
und daher kann man eine Verfeinerung der Metallstruktur nicht erzielen. Aus diesen Gründen ist mit den Aluminiumloten, nach
dem Stand der Technik eine Verbesserung der Reißdruckhöhe nicht zu erwarten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, verbesserte Aluminium-Hartlote
zur Verfügung zu stellen, die die beschriebenen Nachteile nach dem Stand der Technik nicht besitzen und im besonderen
Aluminium-Hartlote zur Verfügung zu stellen, die besonders vorteilhaft bei der Montage von Aluminium-Platten-Wärmeaustauschern
mit Kühlrippen, geeignet für den Hochdruckbetrieb, hergestellt durch Hartlöten, sind.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Aluminium-Hartlot,
im wesentlichen bestehend aus 4,5 bis 13 Gew.-% Silizium, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Kalzium, Rest im wesentlichen Aluminium
und ferner durch ein zweites Aluminium-Hartlot, das zusätzlich zur vorhin genannten Zusammensetzung 0,3 bis 3,0 Gew.-%
Magnesium enthält, weiters durch ein drittes Aluminium-Hartlot, das entweder 2,3 bis 4,7 Gew.-% Kupfer allein oder in Kombination
mit 9,3 bis 10,7 Gew.-% Zink zusätzlich zur erstgenannten Zusammensetzung enthält, gelöst.
Die Aluminium-Hartlote der vorliegenden Erfindung erzeugen eine sehr verfeinerte metallurgische Struktur in den Lötverbindungen
durch Anwendung einer der herkömmlichen Hartlottechniken, wie zum Beispiel der Vakuum-Hartlöttechnik, Hartlöten in normaler
Atmosphäre oder des Tauchlötverfahrens, wodurch eine signifikante Verbesserung der Festigkeit der Lötverbindungen erreicht wird.
Zusätzlich bewirken die erfindungsgemäß beschriebenen Hartlote
eine verbesserte Hartlötbarkeit.
Figur 1 und 2 sind Mikrophotographien, die die metallurgische Struktur in den hartgelöteten Teilen der kreuzartigen Verbindungen,
die in den, in Beispiel 1 beschriebenen Testverfahren hartgelötet wurden, zeigen, wobei die Figur 1 das Hartlötblech,
bei dem als Plattierungsmaterial die Aluminiumhartlötlegierung der Erfindung verwendet wird und die Fiaur 2 ein Hartlötblech,
bei dem eine Vergleichs-Hartlötlegierung als Plattierung verwendet wird, zeigt.
Figur 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die oben beschriebene
kreuzförmige Lötverbindung und
Fig. 4 zeigt eine Testprobe für den Kehlnahtfülltest.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Die Erfindung besteht in Aluminiumhartlötlegierungen, die besonders
für Aluminium-Wärmeaustauscher geeignet sind und die Legierungen besitzen folgende, anschließend aufgeführte, Zusammensetzungen
:
(1) Ein Aluminium-Hartlot im wesentlichen bestehend aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Kalzium, der Rest im
wesentlichen Aluminium, und
(2) ein Aluminium-Hartlot, im wesentlichen bestehend aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Kalzium, 0,3 bis 3,0
Gew.-% Magnesium, der Rest im wesentlichen Aluminium und
(3) ein Aluminium-Hartlot, im wesentlichen bestehend aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Kalzium und zumindest
einen Kupferanteil von 2,3 bis 4,7 Gew.-% und 9,3 bis 10,7 Gew.-%
Zink, Rest im wesentlichen Aluminium.
Im folgenden wird die Funktion jedes Legierungsbestandteiles der beschriebenen Aluminium-Hartlote (1) bis (3) und der Grund
warum jede Komponente auf den oben angeführten Gehalt limitiert ist, beschrieben.
Silizium: Diese Komponente ist ein Hauptlegierungsbestandteil und reduziert in vorteilhafter Weise den Schmelzpunkt von Hartlötlegierungen,
wodurch eine signifikante Verbesserung der Fließfähigkeit bewirkt wird. Ein Siliziumgehalt von unter 4,5 Gew.-%
reduziert in unerwünschter Weise die Fließfähigkeit und führt
zu Schwierigkeiten im Hartlötprozeß. Andererseits bewirkt ein Siliziumgehalt von mehr als 13,5 Gew.-% keine genügende Formbarkeit
und führt zu Schwierigkeiten während des Arbeitsvorganges.
Kalzium: Dieser Bestandteil führt zu einer vorteilhaften Verfeinerung
der Struktur, wodurch die Festigkeit in den Lötverbindungsbabschnitten verbessert wird. Zusätzlich wirkt Kalzium dahingehend,
daß es die Hartlötbarkeit verbessert. Wenn der Kalziumgehalt weniger als 0,05 Gew.-% beträgt, werden diese Effekte
nicht ausreichend erhalten, während ein Gehalt von mehr als 0,5 Gew.-% die Hartlötbarkeit in unerwünschter Weise beeinflußt.
Magnesium: Magnesium ermöglicht das Hartlöten im Vakuum oder
in nicht oxydierender Atmosphäre ohne Erfordernis der Verwendung eines Flußmittels. Mit einem Magnesiumgehalt von weniger als
0,3 Gew.-% wird der Effekt nicht ausreichend erzielt, während ein übermäßiger Magnesiumgehalt von über 3,0 Gew.-% eine übermäßige
Verdampfung von Magnesium bewirkt und den verwendeten Ofen beträchtlich verschmutzt aufgrund des Niederschlages von verdampftem
Magnesium.
Kupfer: Kupfer reduziert den Schmelzpunkt von Hartlötlegierungen und verbessert ihre Hartlötbarkeit. Wenn Kupfer in einer Konzentration
von weniger als 2,3 Gew.-% vorhanden ist, sind die Wirkungen ungenügend, während ein Kupfergehalt der 4,7 Gew.-% überschreitet,
die Hartlötbarkeit nachteilig beeinflußt.
Zink: Zink verstärkt den eben für Kupfer beschriebenen Effekt. Ein Zinkgehalt von weniger als 9,3 Gew.-% bewirkt den Effekt
nicht in ausreichendem Maße. Andererseits, ein übermäßiger Zinkgehalt von mehr als 10,7 Gew.-% wird die Hartlötbarkeit nachteilig
beeinflußen.
Wie die Figur 3 zeigt, wird ein Hartlötblech Nr. 1 zwischen 3,3 mm starke Aluminiumbleche gelegt um eine kreuzförmige Verbindung,
die eine K-förmige Hohlkehle mit einer Fußbreite von O und einen Kehlwinkel von 45 aufweist, herzustellen, dann
erfolgt Hartlötung im Vakuum von 2 χ 10~ Torr, durch Erhitzen
bei 600° C für 3 Minuten bzw. bei 600° C für 1 Stunde. Das Hartlötblech
Nr. 1, welches hier verwendet wird, hat eine Gesamtstärke von 1,6 mm und setzt sich zusammen aus einem Kern der
Legierung AA3OO3 und einer beidseitigen Plattierung mit einem Anteil von 10 % vom Gesamtgewicht, hergestellt aus einer Aluminium-Hartlötlegierung,
bestehend aus 10 Gew.-% Silizium, 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,15 Gew.-% Kalzium, der Rest Aluminium. In
ähnlicher Weise wird als Vergleich eine kreuzförmige Verbindung unter Verwendung eines Hartlötbleches Nr. 2, das dieselbe Zusammensetzung
wie für das Hartlötblech Nr. 1 beschrieben, jedoch ohne Kalzium in der Plattierung aufweist, hergestellt und anschließend
hartgelötet. In der Figur 3 bezieht sich die Bezugsziffer 1 auf das AA3OO3 Aluminiumblech, die Bezugsziffer 2 auf
das Hartlötblech und die Bezugsziffer 3 auf eine Kehllötnaht der oben angeführten Hartlötlegierung, bestehend aus 10 Gew.-%
Silizium, 1,5 Gew.-% Magnesium mit oder ohne 0,15 Gew.-% Kalzium und Aluminium als Rest. Jede kreuzförmige Hartlötverbindung,
gebildet in der vorhin beschriebenen Art, wird auf Mikrostruktur und Festigkeit in den hartgelöteten Verbindungsteilen
überprüft und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Ergebnisse des Bruch-Versuchs an den Hartlötverbindungen (die Werte für den Reißdruck in der Tabelle sind Mittelwerte
aus fünf Messungen).
| Hartlöt blech Nr. |
600° gebrochener Teil |
C χ 3 Min. Reißdruck an der Lötverbindung (kg/irm2) |
600c gebrochener Teil |
3C χ 1 Stunde Reißdruck an der Lötverbindung (kg/irm2) |
| 1 (enthält 0,15% Ca) |
Grundplatte | nicht weniger als 10,6 |
Grundplatte | nicht weniger als 8,8 |
| 2 Ca-frei |
hartgelö teter Teil |
8,3 - 9,4 | hartgelö teter Teil |
6,7 - 8,0 |
Hartlctblech
Blechstärke: 1,6 mm
Kernmaterial: AA3OO3
Zusammensetzung des Plattierungsmaterials:
10 Gew.-% Silizium, 1,5 Gew.% Magnesium
der Rest Aluminium.
Die Figuren 1 und 2 sind Mikrophotographien (100-fache Vergrösserung),
die die mikroskopische Struktur in den hartgelöteten Verbindungsabschnitten für das Hartlötblech Nr. 1 bzw. für das
Hartlötblech Nr. 2 zeigen. Die Figur 1 zeigt eine deutlich verfeinerte eutektische Struktur, wogegen die Figur 2 eine grobe
eutektische Struktur aufweist.
Hartlötbleche, 1 mm stark, mit beidseitigen Plattierungen, die hergestellt sind aus den entsprechenden, in der nachfolgenden
Tabelle aufgeführten Legierungen, und in einem Verhältnis von 10 % des Gesamtgewichtes aufgebracht sind, werden mit einem
AA3OO3-O Hartlötblech kombiniert, um ein Testmodell, in einer
Anordnung wie in Figur 4 gezeigt, herzustellen, um die Hartlotbarkeit
zu überprüfen. Die Versuchsergebnisse werden in Tabelle 2 aufgeführt. In der Figur 4 bezieht sich die Bezugsziffer 4
auf ein Hartlötblech, 50 mm χ 25 mm groß und 1 mm stark, die Bezugsziffer 5 auf ein AA3OO3-O Aluminiumblech, 60 mm χ 60 mm
groß und 1 mm stark und die Bezugsziffer 6 auf eine Kehllötnaht aus jeder Hartlötlegierung, die in Tabelle 2 beschrieben
ist.
Hartlötblech Nr.
Plattierungsmaterial (Hartlötlegierung) Zusammensetzung im Hartlötblech
Haupt- Zusätzl. bestand- Menge teil an Ca
Kehlnaht
Füllung
L/Lo χ
100 (%)
Füllung
L/Lo χ
100 (%)
Aussehen der Hartlötbedingungen Lötverbindung
| *3 | 4 | Al-10% Si- | 0 | 74 | gut | Il | Vakuum Lötverfahrei |
| 5 | 1,5% Mg | Auftreten von | (ohne Flußmittel) | ||||
| 6 | (entsprechend | Kavitäten | Durchführung im | ||||
| zu AA4OO4) | 0,08 % | 76 | Vacuum von 2x10 | ||||
| *7 | Il | 0,15 % | 72 | Il | Torr bei 6000C für | ||
| Il | 0,82 % | 73 | 3 Min. | ||||
| Il | |||||||
| 0,82 % | 35 | ||||||
| Il | |||||||
t>- "■
Tabelle 2 (Fortsetzung)
| Hartlöt blech Nr. |
Plattierungsitaterial (Hartlötlegierung) Zusammensetzung im Hartlötblech |
0,08 % | Al-IO % Si- | 0,08 % | Al-10 % Si- | Kehlnaht Füllung L/Lo χ 100 (%) |
Aussehen der Lötverbindung |
Hartlötbedingungen |
| * 8 | Haupt- Zusatz1. bestand- Menge teil an Ca |
0,15 % | 4 % Cu (ent- 0 | 0,15 % | 4 % Cu-10% Zn 0 | gut | ||
| Al-IO % Si | " 0,40 % | sprechend | 0,40 % | 0,08 % | 77 | Ofen-Hartlötver | ||
| (entsprechend 0 | JIS BA4145) | 0,15 % | fahren (Verwen | |||||
| 9 | zu JIS BA4O45) | 0,82 % | 0,82 % | 0,40 % | 75 | Il | dung eines Fluß | |
| 10 | 73 | Il | mittels) in nor | |||||
| 11 | 0,82 % | 78 | Il | maler Luft bei | ||||
| Auftreten von | 60O0C für 3 Min. | |||||||
| *12 | 41 | Kavitäten | ||||||
| *13 | ||||||||
| 78 | gut | |||||||
| Ofenhartlötver | ||||||||
| fahren (Verwen | ||||||||
| 14 | 77 | Il | dung eines Fluß | |||||
| 15 | 76 | Il | mittels in Luft | |||||
| 16 | 74 | Il | bei 580° C für | |||||
| Auftreten von | 3 Min. | |||||||
| *17 | 43 | Kavitäten | ||||||
| *18 | ||||||||
| 76 | gut | |||||||
| 19 | 75 | Il | Ofenhartlötver | |||||
| 20 | 77 | Il | fahren (Verwendung | |||||
| 21 | 73 | Il | eines Flußmittels) | |||||
| Auftreten von | in Luft bei 56O°C | |||||||
| *22 | 45 | Kavitäten | für 3 Min. | |||||
Hartlötblech: Blechstärke: 1 mm, Kemmaterial: Legierung AA3OO3
Ϋ: Hartlötbleche zum Vergleich
Weiters, die Hartlötbleche Nr. 8 und Nr. 9, angeführt in der Tabelle 2, werden mit einem AA3OO3 Aluminiumblech kombiniert,
um eine kreuzförmige Lötverbindung auszubilden, in derselben Art, wie für das Beispiel 1 beschrieben, und dann in Luft durch
Erhitzen bei 600° C für 30 Min. hartgelötet. Anschließend werden die Lötverbindungen im Bruchversuch getestet, die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
Ergebnisse aus dem Bruch-Versuch an den Lötverbindungen (Die Werte für den Reißdruck in der Tabelle sind die
Mittelwerte aus fünf Messungen).
Hartlot- gebrochener Teil Reißdruck an der Lötverbindg. »,
blech Nr. (kg/mm2)
8 hartgelöteter Teil 8,3 - 9,2 (Ca-frei)
9 Grundplatte nicht weniger als 10,6 (enthält Ca)
Wie in der Figur 1 eindeutig gezeigt wird, entwickeln die Aluminium-Hartlote
der Erfindung eine deutlich verfeinerte Struktur in den Lötverbindungen durch jeden herkömmlichen Hartlötprozeß,
zum Beispiel, Vakuum-Hartlöten in normaler Atmosphäre oder Tauch-Hartlöten, wodurch, wie aus den vorhin angeführten
experimentellen Resultaten ersichtlich ist, für eine hochfeste Hartlötverbindung im Vergleich zur herkömmlichen Aluminiumhartlötlegierung
einschließlich Aluminium-Silizium, Aluminium-Silizium-Magnesium
und Aluminium-Silizium-Kupfer oder Aluminium-Silizium-Kupfer-Zink Hartlötlegierung gesorgt wird und eliminie-
ren die Bruch- oder Reißprobleme aufgrund des inneren Druckes oder anderer zerstörerischer Kräfte. Weiters zeigen die Aluminium-Hartlötlegierungen
eine sehr gute Hartlötbarkeit.
Solche überlegenen Eigenschaften machen die Aluminium-Hartlötlegierungen
der Erfindung besonders vorteilhaft bei der Montage durch Hartlöten von Aluminium-Wärmeaustauschern, speziell von
Platten-Wärmeaustauschern mit Kühlrippen, verwendbar im Hochdruckbetrieb .
- Leerseite -
Claims (3)
1. Aluminium-Hartlot und seine Verwendung zum Bau von Aluminium-Wärmeaustauschern
durch Hartlöten,
dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium-Hartlot im wesentlichen aus 4,5 bis 13,5 Gew.% Silizium,
0,05 bis 0,5 Gew.-% Kalzium, Rest im wesentlichen Aluminium, besteht.
2. Aluminium-Hartlot und seine Verwendung zum Bau von Aluminium-Wärmeaustauschern
durch Hartlöten, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot im wesentlichen aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium,
0,05 bis 0,5 Gew.-% Kalzium, 0,3 bis 3,0 Gew.-% Magnesium, Rest im wesentlichen Aluminium, besteht.
3. Aluminium-Hartlot und seine Verwendung zum Bau von Aluminium-Wärmeaustauschern
durch Hartlöten, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot im wesentlichen aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium,
0,05 bis 0,5 Gew.-% Kalzium, mindestens einen Kupferanteil von 2,3 bis 4,7 Gew.-% und 9,3 bis 10,7 Gew.-% Zink,
Rest im wesentlichen Aluminium, besteht.
7Δ TplekoDierer /0891 983049 Bankkonten Bayer Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270)
KNm0", ^ ^11 Hypo-Bank München 4410122850 (BLZ 70020011) Swift Code HYPO DE MM
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