Verfahren zur Herstellung von Wärmeaustauschern Vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Wärmeaustauschern aus Leichtmetallegierungen und insbesondere auf die Anwendung verbesserter Legierungen zur Erleichterung. des Zusammenbaues und zur Herstellung solcher Apparate mit besseren mechanischen Eigenschaften.
Bei der Herstellung von Wärmeaustaii- schern aus Leichtmetallegierungen verwendet man allgemein Schmelzschweiss- und Hartlöt- verfahren unter Benutzung von Aluminium- Silizium-Legierungen als Zusatzwerkstoff. Die Wärmeaustauscher bestehen aus einem Zel-. lenkörper, in welchem der Wärmeübergang von einem Medium zum andern stattfindet, und Hilfseinrichtungen, um die beiden Me dien dem Zellenkörper zuzuführen.
Der Zel lenkörper besteht äus einer Anzahl nahe bei einanderliegender Kanäle, durch welche die Medien strömen, und die Wandungen dieser Kanäle bestehen aus dünnen Material, iun die Wärmeübertragung zu erleichtern.
Die Einzelelemente des Zellenkörpers werden vor zugsweise durch Tauchhartlötung miteinan der verbunden, wobei die die Verbindungen bildende, 5 bis 10% Silizium enthaltende Alu- minium-Silizium-Legierung als Vorplattierung auf das Material aufgebracht wird, während des Zusammenbaues separat in Form von Bei lageblechen oder Drähten eingeführt.
Die Hilfsanschlüsse, die so leicht als möglich sein müssen, werden durch Schmelzschweissung hergestellt und mit dem Zellenkörper durch Schweissen verbunden, wobei man Al-Si-Legie- rungen mit 5 bis 14% Si als Zusatzwerkstoff verwendet.
Infolge der hohen Temperaturen, die beim Hartlöten mit Al-Si-Legierungen als Zusatz werkstoff erforderlich sind, können nur sol che Legierungen, die einen hohen Solidus- punkt besitzen, in befriedigender Weise für die Einzelelemente des Wärmeaustauschers verwendet werden. Legierungen mit genü gend hohen Schmelzpunkten enthalten sehr wenig legierendes Element und besitzen dem zufolge eine sehr geringe Festigkeit. Dies ist ein grosser Nachteil, da Wärmeaustauscher, insbesondere in Flugzeugen, so leicht als mög lich sein und gleichzeitig den hohen Bean spruchungen unter den herrschenden Be triebsbedingungen widerstehen müssen.
Die Legierungsart, die zur Erfüllung der an hartgelötete Wärmeaustauscher gestell ten Anforderungen am vielversprechendsten scheint, sind Aluminium-Magnesiiim-Silizium- Legierungen, die verhältnismässig schwach le giert sind und noch durch Wärmebehandlung gehärtet werden können, doch ist der Bereich der Legierungen, die gegenwärtig in der Tech nik Verwendung finden und dem Material HS 10 der British Standard- Specification Nr.
1470/1948 entsprechen, dessen Haupt- Bestandteile 0,4 bis 1,5% Mg, 0,75 bis 1,3% Si, 0 bis 1,01/o, yln, '0 bis 0,
2% Ti sind wäh- rend des Tauchlötens infolge beginnenden Sehmelzens der Bildung von Hitzerissen und dem Angriff des Korngefüges unterworfen. Auch beim Löten mit der Lampe und beim Schweissen treten Hitzerisse auf.
Vorliegende Erfindung ermöglicht nun die befriedigende Herstellung von Wärmeaustau- schern, die aus Aluminiumlegierungen her- gestellt sind, welche einer Wärmebehandlung unterworfen werden können, unter Anwen dung von Hartlötverfahren, und es wurde gefunden, dass dies durch Verwendung von speziell ausgewählten und modifizierten Al- Mg-Si-Legierungen möglich ist.
Gemäss vorliegender Erfindung besteht das Verfahren zur Herstellung von Wärme austausehern der beschriebenen Art darin,- dass man die Einzelteile des Zellenkörpers aus einer Legierung herstellt, die 0,35 bis 0,55% Mg, 0,35 bis 0,55% Si, bis 0,35% Ti, bis 1% Mn,
Rest Al enthält, diese Einzelteile nach einem Hartlötverfahren miteinander verbindet, bei dem man ein Lot aus Al-Si- Legierung verwendet, die Hilfsanschlüsse des Wärmeaustausehers aus einer Legierung her- stellt, die 0,5 bis 1,0% Mg, 0,
75 bis 1,250% Si, 0,2 bis 0,350/0 Ti, bis 1% Mn, Rest A1 ent- hält und diese Anschlüsse mit dem Zellenkör per durch Hartlotung verbindet.
Ferner kann man den teilweise oder ganz zusammengelöte ten Wärmeaustauscher einer Wärmebehand- hmg unterwerfen, um eine Ausscheidungshär tung der Legierungen zu bewirken.
Die Legierungen können bis zu 0,5% der üblichen technischen Verunreinigungen ausser Silizium enthalten doch sollte deren Anteil vorzugsweise 0,4% nicht überschreiten.
Die Einzelteile des Zellenkör-pers werden vorzugsweise durch Tauchhartlöten miteinan der verbunden, doch kann man auch die Ofen ; lötung anwenden. Vorzugsweise werden sie aus einem geeigneten Material hergestellt, das mit einer haftenden Vorplattierung aus Al-Si-Löt- legierung, die 5 bis 10% Si enthält, versehen ist.
Vorzugsweise verwendet man die binären Lötlegierungen, doch kann man gewünschten falls AI-Legierungen verwenden, die kleine Mengen Zink, Kupfer und Nickel enthalten. Die obengenannten Legierungen, aus denen die Hilfsanschlüsse gebildet werden, besitzen neben ihren guten Löteigenschaften eine be trächtlich geringere Neigung zur Rissbildung während des Schmelzschweissens als das Mate rial HS 10 der B.
S. 1470;1948, .was die Her stellung dieser Teile als solche erl'eiehtert. Nach dem Zusammenbau und der Vereini gung der Teile können die Wärmeaustauscher durch geeignete Wärmebehandlung gefestigt werden. Dies geschieht durch Erhitzen auf solche Temperaturen und während so langer Zeit, um die die Alterungshärtung von Al-Mg- Si-Legierungen bewirkenden Komponenten in feste Lösung zu bringen, und anschliessendes Abschrecken oder sonstwie genügend rasches Abkühlen, um diese in fester Lösung zu hal ten.
Das Abschrecken kann in kaltem Wasser erfolgen, wobei man dafür Sorge trägt, dass keine Verzerrungen vorkommen, oder man kann ein genügend rasches Abschrecken unter Verwendung von heissem Wasser, Sprühwas ser oder Aufblasen von Luft erreichen, wobei die Gefahr einer Verzerrung auf ein Mini mum herabgesetzt ist. Anschliessend kann man die Wärmeaustauscher einer Alterungshär- tung bei Zimmertemperatur unterwerfen, doch erhält man viel bessere mechanische Eigenschaften, wenn man die Alterung bei einer geeigneten höheren Temperatur vor nimmt.
Typische mechanische Eigenschaften, wie sie mit Legierungen im vorgenannten Zusam mensetzungsbereich nach dem Erhitzen beim Zusammenbau des Apparates, einer halbstün digen Lösungsbehandlung bei 525 C, Ab schrecken in- kaltem Wasser und 18stündiges Altern bei 160 C erhältlich sind, sind fol gende:.
EMI0003.0001
Zellenkörper <SEP> Legierung <SEP> für <SEP> die
<tb> Legierung <SEP> Hilfseinrichtungen
<tb> 0,1% <SEP> Prüfbeanspruchung <SEP> kg/cm2 <SEP> 1890 <SEP> 2J992;5
<tb> Zugfestigkeit <SEP> kg/em2 <SEP> _ <SEP> 2362,5 <SEP> 3307,5
<tb> Dehnung <SEP> o/o <SEP> auf <SEP> 5,8 <SEP> cm <SEP> 10 <SEP> 10
<tb> Vickers-Härte <SEP> 90 <SEP> 125 (Die Dehnungswerte der Legierung für die Hilfseinrichtungen können in der Nähe der Verbindungsstellen etwas niedriger sein.) Da hauptsächlich ' im Zellenkörper der Wärmeaustauscher hohe Festigkeiten erfor derlich sind, kann man zur Erhöhung der Festigkeit dieser Teile eine vereinfachte Wärmebehandlung durchführen.
Diese besteht darin, dass man den Zellenkörper unmittelbar nach dem Tauchlötbad abschreckt und dann entweder natürlich oder künstlich altert, nach dem die Hilfselemente eingefügt sind. Die beim Anlöten der Hilfselemente erforderliche Erhitzung zerstört die Wirkung der Ab schreckbehandlung in der unmittelbaren Nach barschaft der Verbindungsstellen, doch bleibt der Rest des Zellenkörpers unbeeinflusst und spricht auf die anschliessenden Alterungs- behandlungen an.
Methods of Making Heat Exchangers The present invention relates to making heat exchangers from light metal alloys and, more particularly, to using improved alloys for ease of use. assembling and manufacturing such devices with better mechanical properties.
In the manufacture of heat exchangers from light metal alloys, fusion welding and brazing processes are generally used, using aluminum-silicon alloys as filler material. The heat exchangers consist of a cell. body in which the heat transfer from one medium to the other takes place, and auxiliary devices to supply the two media to the cell body.
The cell body consists of a number of closely spaced channels through which the media flow, and the walls of these channels are made of thin material to facilitate heat transfer.
The individual elements of the cell body are preferably connected to each other by immersion brazing, with the 5 to 10% silicon-containing aluminum-silicon alloy forming the connections being applied to the material as a pre-plating, during assembly separately in the form of case sheets or Wires introduced.
The auxiliary connections, which must be as light as possible, are made by fusion welding and connected to the cell body by welding, using Al-Si alloys with 5 to 14% Si as filler material.
As a result of the high temperatures required when brazing with Al-Si alloys as additional material, only such alloys that have a high solidus point can be used in a satisfactory manner for the individual elements of the heat exchanger. Alloys with sufficiently high melting points contain very little alloying element and consequently have very little strength. This is a major disadvantage because heat exchangers, especially in aircraft, have to be as light as possible and at the same time have to withstand the high demands under the prevailing operating conditions.
The type of alloy that appears most promising to meet the requirements placed on brazed heat exchangers are aluminum-magnesium-silicon alloys, which are relatively weakly alloyed and can still be hardened by heat treatment, but this is the range of alloys currently in use the technology used and the material HS 10 of the British Standard Specification No.
1470/1948, the main components of which are 0.4 to 1.5% Mg, 0.75 to 1.3% Si, 0 to 1.01 / o, yln, '0 to 0,
2% Ti are subject to the formation of heat cracks and the attack of the grain structure during dip soldering due to the beginning of the melting of the clay. Heat cracks also occur during lamp soldering and welding.
The present invention now enables the satisfactory production of heat exchangers made of aluminum alloys which can be subjected to heat treatment using brazing processes, and it has been found that this can be achieved by using specially selected and modified Al-Mg -Si alloys is possible.
According to the present invention, the method for producing heat exchangers of the type described consists in that the individual parts of the cell body are produced from an alloy containing 0.35 to 0.55% Mg, 0.35 to 0.55% Si, to 0.35% Ti, up to 1% Mn,
Contains the rest of Al, these individual parts are connected to one another by a brazing process in which a solder made of Al-Si alloy is used, the auxiliary connections of the heat exchanger are made from an alloy that contains 0.5 to 1.0% Mg, 0,
Contains 75 to 1.250% Si, 0.2 to 0.350 / 0 Ti, up to 1% Mn, remainder A1 and connects these connections with the cell body by hard soldering.
Furthermore, the partially or fully soldered heat exchanger can be subjected to a heat treatment in order to effect precipitation hardening of the alloys.
The alloys can contain up to 0.5% of the usual technical impurities apart from silicon, but their proportion should preferably not exceed 0.4%.
The individual parts of the cell body are preferably connected to one another by dip brazing, but the furnace can also be used; apply soldering. They are preferably made from a suitable material which is provided with an adhesive pre-plating of Al-Si solder alloy containing 5 to 10% Si.
The binary soldering alloys are preferably used, but if desired Al alloys can be used which contain small amounts of zinc, copper and nickel. The above-mentioned alloys, from which the auxiliary connections are formed, have, in addition to their good soldering properties, a considerably lower tendency to form cracks during fusion welding than the material HS 10 from B.
S. 1470; 1948, .what explains the manufacture of these parts as such. After the parts have been assembled and united, the heat exchangers can be strengthened by means of suitable heat treatment. This is done by heating to such temperatures and for such a long time as to bring the aging hardening of Al-Mg-Si alloys into solid solution, and then quenching or otherwise sufficiently rapid cooling to keep them in solid solution .
The quenching can be done in cold water, taking care that no distortions occur, or sufficiently rapid quenching can be achieved using hot water, spray water or blowing air, the risk of distortion being reduced to a minimum is. The heat exchangers can then be subjected to aging hardening at room temperature, but much better mechanical properties are obtained if the aging is carried out at a suitably higher temperature.
Typical mechanical properties, such as those obtainable with alloys in the abovementioned composition range after heating when assembling the apparatus, a half-hour solution treatment at 525 C, quenching in cold water and aging at 160 C for 18 hours, are as follows:
EMI0003.0001
Cell body <SEP> alloy <SEP> for <SEP> die
<tb> alloy <SEP> auxiliary equipment
<tb> 0.1% <SEP> test load <SEP> kg / cm2 <SEP> 1890 <SEP> 2J992; 5
<tb> Tensile strength <SEP> kg / em2 <SEP> _ <SEP> 2362.5 <SEP> 3307.5
<tb> elongation <SEP> o / o <SEP> to <SEP> 5.8 <SEP> cm <SEP> 10 <SEP> 10
<tb> Vickers hardness <SEP> 90 <SEP> 125 (The elongation values of the alloy for the auxiliary equipment can be slightly lower near the connection points.) Since high strengths are mainly required in the cell body of the heat exchanger, it is possible to increase perform a simplified heat treatment to ensure the strength of these parts.
This consists in quenching the cell body immediately after the dip solder bath and then aging either naturally or artificially after the auxiliary elements have been inserted. The heating required when soldering the auxiliary elements destroys the effect of the deterrent treatment in the immediate vicinity of the connection points, but the rest of the cell body remains unaffected and responds to the subsequent aging treatments.