Die Erfindung betrifft einen Metallgegenstand auf Aluminiumbasis, der in feuchter Umgebung eine verbesserte Beständigkeit gegen Erosionskorrosion aufweist. Dies ist von wesentlicher Bedeutung in Anbetracht der allgemeinen Ver; wendung von Aluminium in feuchter bzw. nasser Umgebung.
Beispielsweise müssen die in Wärmeaustauschern, wie Aluminiumradiatoren, verwendeten Aluminiumrohre einen hohen Widerstand gegen Erosionskorrosion aufgrund des wässrigen Wärmeaustauschmediums aufweisen.
Bei der Prüfung von Aluminiumradiatoren für Kraftfahr zeuge stellt sich heraus, dass viele Materialien geeignet wären, wenn sie nicht der Erosionskorrosion ausgesetzt wären, welche die Lebensdauer aufgrund der sich entwickelnden Lecks begrenzt. Die Lecks können sich durch Risse aufgrund der Erosionskorrosion bilden, da die Rohrwandung ausgehöhlt wird, wenn der Kühlstrom um die Hindernisse in den Rohren herumfliesst. Sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten, welche in derartigen Kanälen vorkommen könnten, können leicht zu Erosionskorrosionsschäden führen, ausser wenn das Material sehr beständig gegen diese Art von Schäden ist.
Der Erfindung liegt dementsprechend vor allem die Aufgabe zugrunde, Aluminiumverbundkörper, beispielsweise Aluminiumrohre und insbesondere solche, die in Wärmeaustauschern verwendet werden, zu schaffen, deren Erosionskorrosionsbeständigkeit in feuchter Umgebung verbessert ist.
Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem plattierten Metallgegenstand dadurch gelöst, dass der Kernwerkstoff aus einer Aluminiumlegierung mit 1,0 bis 1,5% Mangan, 0,1 bis 0,4% Chrom und 0,05 bis 0,4% Kupfer besteht und auf mindestens einer Seite mit einem Überzug aus einer Aluminiumlegierung mit 0,8-1,3% Zink sowie insgesamt höchstens 0,70% Silizium und Eisen plattiert ist. Zweckmässigerweise beträgt ein in der Überzuglegierung allfällig vorhandener Gehalt an Kupfer, Mangan und/oder Magnesium höchstens je 0,1%.
Vorzugsweise sieht die Erfindung auch ein zusammengesetztes Aluminiumrohr und einen Wärmeaustauscher mit verbesserter Erosionskorrosionsbeständigkeit in einer feuchten Umgebung vor. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Wärmeaustauscher wenigstens einen durch wenigstens ein Rohr verbundenen Behälter und eine sekundäre Wärmeaustauscherfläche, die mit dem Rohr verbunden ist. Das Rohr selbst ist ein Aluminiumverbundrohr gemäss der Erfindung. Vorzugsweise enthält es zwei parallele Behälter oder Kopfstücke, die durch mehrere zu diesen rechtwinklige Rohre verbunden sind, welche mit den Rohren verbundene Rippenkörper aufweisen.
Es wird auch ein neuartiges Wärmeübertragungsverfahren und System vorgesehen, gemäss welchem ein Metallrohr oder Rohrgestänge mit Eingangs- und Ausgangsenden angeordnet wird; die Eingangs- und Ausgangsenden mit zwei Rohrplatten verbunden werden, eine erste wässrige Flüssigkeit in das Rohr eingelassen wird, und die Aussenfläche des Rohres mit einem zweiten Strömungsmittel im Wärmeaustausch mit dem ersten Strömungsmittel in Berührung gelangt.
Im folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert; es stel- len dar:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Rohres gemäss der Erfindung:
Fig. 2 eine Vorderansicht mit ausgeblendeten Teilen eines Kraftfahrzeugradiators mit einem Rohr gemäss der Erfindung. Die Aluminiumverbundkörper gemäss der Erfindung enthalten einen Überzug aus einer Aluminiumlegierung, welche aus 0,8-1,3% Zink, maximal 0,7% Silizium und Eisen, maximal 0,10% Kupfer, maximal 0,10% Mangan, maximal 0,10% Magnesium und im übrigen im wesentlichen aus Aluminium besteht und mit wenigstens einer Seite eines Legierungskernes auf Aluminiumbasis verbunden ist, der aus Mangan zwischen 1,0-1,5%, Chrom zwischen 0,1-0,4%, Kupfer zwischen 0,05-0,4% und weiterhin im wesentlichen aus Aluminium besteht.
Wie schon ausgeführt worden ist, zeichnet sich der Aluminiumverbundgegenstand gemäss der Erfindung durch Erosionskorrosionsbeständigkeit in wässriger Umgebung aus, in welcher der Überzug aus der Aluminiumlegierung der feuchten oder wässrigen Umgebung ausgesetzt ist. Auch hat sich herausgestellt, dass diese erhöhte Beständigkeit unter Beibehaltung ausgezeichneter physikalischer Eigenschaften erreicht werden kann. Im weitern neigt dieser Verbundkörper weniger zu Lochfrass.
Durch diese Eigenschaften ist das Rohr gemäss der Erfindung zur Verwendung in NYärmeaustauschern, beispielsweise Aluminiumradiatoren, ausgezeichnet geeignet und verleiht diesen eine längere Lebensdauer. Die überraschenden, gemäss der Erfindung erreichten Eigenschaften sind auch bei anderen Anwendungen, wo hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, vorteilhaft ausnutzbar.
Es hat sich herausgestellt, dass in wässriger Umgebung, in welcher Erosionskorrosion oder Angriff durch Stösse auftreten, beispielsweise auf der Innenseite oder dem Überzug 2 in Fig. 1 des die wässrige Lösung führenden Rohres, das Aluminiumverbundrohr gemäss der Erfindung sich als erstaunlich beständig erweist. Diese Beständigkeit wird erreicht, weil im Falle einer Durchlöcherung des Überzuges 2 aus der einen Aluminiumlegierung der freiliegende Kern aus der andern Aluminiumlegierung kathodisch geschützt ist, und dadurch eine weitere Lokalkorrosion verzögert oder verhindert wird.
In wässriger Umgebung ist das Überzugsmaterial gegen über dem Kernmaterial anodisch, beispielsweise in einer Antifrostlösung in Kraftfahrzeugradiatoren, und falls eine lokale Durchlöcherung des Überzugs auftritt, wie es beispielsweise bei einem Angriff durch Stösse der Fall sein kann, hat der durch die relativ grosse Anode und die kleine Kathode erzeugte Strom die Wirkung, dass er eine Durchlöcherung des Kernes verhindert und diesen gegen weitere Zerstörung kathodisch schützt.
Das als Überzug verwendete Material kann auch Verunreinigungen bis zu 0,7% Silizium und Eisen, bis zu 0,1% Kupfer, bis zu 0,1 % Mangan, bis zu 0,10je Magnesium und andere Materialien bis zu jeweils 0,05%, insgesamt 0,15%, enthalten.
Das Kernmaterial kann auch Verunreinigungen bis zu 0,6% Silizium, bis zu 0,7% Eisen, bis zu 0,1% Zink und jeweils 0,05%, insgesamt 0,15%, anderer Bestandteile enthalt ten.
Falls die wässrigen Medien um die Rohre und nicht durch diese hindurch fliessen sollten, kann naturgemäss der Über- zug auf der Aussenseite des Kernes angebracht werden, oder der Kern kann vorteilhaft auf beiden Seiten ausgekleidet werden, wenn ein erstes wässriges Medium durch das Rohr, und ein zweites wässriges Medium um das Rohr herum strömt.
Das neuartige Rohr hat in der Regel, aber nicht notwendigerweise, eine Wandstärke von weniger als 2,5 mm. Wenn das Rohr in einem Aluminiumradirator hoher Leistung verwendet wird, so kann es eine Wandstärke von 0,75 mm oder weniger, vorzugsweise eine Wandstärke von 0,25 bis 0,5 mm, aufweisen. Im allgemeinen hat das neuartige Rohr bei der Anwendung in Wärmeaustauschern am günstigsten eine Wandstärke von 2,5 mm und weniger.
Die prozentuale Dicke der Auskleidung des Rohres ge mäss der Erfindung ist nicht kritisch, sollte jedoch allgemein im Bereich von 5-25% der gesamten Dicke des Verbundkörpers liegen. Dadurch wird eine bezüglich der Festigkeit ausreichende Wandstärke des Kernmateriales sowie eine aus reichende Stärke der Auskleidung erreicht, welche eine ausreichende Lebensdauer der Anordnung im Betrieb sicherstellt.
Das neuartige Rohr kann auf herkömmliche Weise hergestellt werden. Beispielsweise können Aluminiumbarren hergestellt und in herkömmlicher Weise zu Streifen gewalzt werden; dann können Streifen des Beschichtungs- und des Kernmateriales zusammengewalzt werden. Das Material kann anschliessend zu einem Rohr der gewünschten Form zusammengeschweisst werden. Das Rohr kann jedoch auch hertz stellt werden, indem das Kern- und Beschichtungsmaterial rohrförmig übereinandergezogen und dann durch Extrudieren oder Rohrziehen miteinander verbunden werden.
Bei Bedarf können auch Rippen einer Legierung, beispielsweise aus der AA 4XXX-Reihe (Legierungen der Gattung Al-Si) oder aus dem Kernmaterial, auf einer freiliegenden Fläche des Kemmateriales angebracht und mit dieser verbunden werden. Dies kann beispielsweise mittels Lötmetal]zusatz oder durch eine 2usätzliche Auskleidung erfolgen, die mit dem Kern verbunden und auch zur Verbindung der Rippen geeignet ist und beispielsweise aus einer Legierung der Reihe AA 4XXX besteht.
Das Radiatorrohr wird im allgemeinen durch Nahtschweissen in im wesentlichen runde Rohre geformt und dann zu einem ovalen oder flachen Querschnitt abgeflacht. Die Verbindung des Auskleidungsmateriales mit dem Kernma- terial kann also leicht durch Walzen der Verbundmaterialien vor dem Verschweissen erfolgen. Die kleinere Abmessung liegt vorzugsweise bei 1,25-5 mm. Die grössere Abmessung liegt vorzugsweise bei 7,5-30 mm. Zum Zwecke des Wärmeaustausches hat das Rohr vorzugsweise einen Aussendurchmesser, der 6 mm - 50 mm beträgt, aber auch grösser sein kann.
Der Aluminiumradiator kann in herkömmlicher Weise hergestellt werden, indem die Lötvorgänge kontinuierlich in einer Fertigungsstrasse für Aluminiumradiatoren ausgeführt werden. Beispielsweise kann ein Aluminiumradiator aus einem Rohr mit 0,43 mm Wandstärke hergestellt werden, und der Rippenkörper kann entweder aus der gleichen Legierung wie das Kernmaterial oder aus einer herkömmlichen Alumi niumlegierung bestehen. Hierzu können Legierungen der Reihe 4XXX, beispielsweise 4043, 4343 oder 4045 verwendet werden.
TABELLE I
Zusammensetzung der Legierungen 4043, 4343, 4045
Si Fe Cu Mn Mg Zn 4043 4,5- 6,0 0,8 0,30 0,05 0,05 0,10 4343 6,8- 8,2 0,8 0,25 0,10 - 0,20 4045 9,0-11,0 0,8 0,30 0,05 0,05 0,10
Die Teile werden zu der gewünschten Anordnung des Aluminiumradiators zusammengestellt, mit einem Tauchüberzug eines Flussmittels versehen und dann kontinuierlich an einer Fertigungsstrasse in einem Lötofen behandelt. Die Radiatoren gelangen durch einen Heissluftofen, in welchem der Lötmetallzusatz schmilzt und sich dann verfestigt, so dass eine starre Anordnung geschaffen wird. Es können auch Löt verfahren ohne Flussmittel verwendet werden.
Wie schon erwähnt, kann gewünschtenfalls eine zusätzliche Beschichtung der blossgelegten Oberfläche des Kernmaterials mit einer Lötmetall-Legierung, beispielsweise der Serie AA 4XXX, zur Verbindung mit dem Rippenkörper, durchgeführt werden.
Ein für grosse Wärmewerte ausgelegter Wärmeaustauscher kann gemäss Fig. 2 aufgebaut sein. Die Radiatoranordnung enthält einen Kern oder eine Wärmeabgabeeinheit 6, welche an entgegengesetzten Enden einen oberen Behälter oder ein Einlasskopfstück 8 sowie einen bodenseitigen Behälter oder ein Ausiasskopfstück 10 aufweist. Die Behälter können mit der Abgabe- bzw. Aufnahmeleitung des Kühlsystems eines Zylinderblockes verbunden werden, so dass das wässrige Kühlmedium von einem Behälter zum anderen strömen kann.
Der Kern 6 besteht aus einer Anzahl von Strömungsmitteldurchgängen aus den neuartigen Wasserrohren 12. Die Rohre werden durch Kühlstreifen 14 voneinander getrennt. Die Kühlstreifen sind zwischen Rohren 12 gefaltet bzw. rippenförmig ausgebildet und erstrecken sich nahe den Wänden oder grenzen an die Rohre an, so dass der Raum in eine Anzahl von relativ schmalen Luftzellen 16 unterteilt wird.
Beispiel I
Drei Legierungen A, B und C werden zu Barren stranggegossen, anschliessend bei 6050C während 8 Stunden homogenisiert und dann mittels Luft gekühlt. Die Zusammensetzung der sich ergebenden Legierungen geht aus der Tabelle II hervor.
TABELLE II % Zusammensetzung
Barren Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
A 0,21 0,41 0,11 1,18 - - 0,11 0,005
B 0,19 0,35 0,20 1,18 - 0,21 0,11 0,007
C 0,03 0,24 - - - - 1,03 0,005
Beispiel 2
Die Barren A und B von Beispiel 1 wurden auf eine Dicke von 38 mm gefräst, mit Drahtbürsten abgebürstet und mittels dampfförmiger Lösungsmittel entfettet. Der Barren C wurde bei einer Temperatur von 425" auf eine Dicke von 6,25 mm gewalzt, wobei der Barren pro Stich um 2,5 mm reduziert, und bei jedem zweiten Stich wieder auf 425"C erhitzt wurde.
Das warmgewalzte Material wurde dann auf 1,25 mm kaltgewalzt. Das Material des Barrens C mit einer Stärke von 1,25 mm wurde dann mit je einem der Barren A und B auf vier Seiten verschweisst, unter Bildung von Verbundkörpern von A bzw. B, wobei auf einer der Schmalseiten 25 mm lange öffnungen in der Schweissnaht offen gelassen wurden, so dass die Luft während des weiteren Walzvorganges herausgetrieben werden konnte. Die Verbundkörper wurden dann während 5 Min. auf 4250C erhitzt und durch Egalisierstiche mit einem Abwalzgrad von je etwa 3% reduziert, wobei die Entlüftungsöffnung in bezug auf die Walzrichtung jeweils hinten war. Die Stücke wurden dann wieder auf 4250C erhitzt, auf 6 mm warmgewalzt und dann auf 1,25 mm kaltgewalzt.
Die Dicke des Überzuge-s der Verbundbleche von A und B wurde dann an polierten Abschnitten gemessen und betrug 0,038 bzw. 0,041 mm.
Die Verbundbleche mit den Zusammensetzungen von Beispiel 1 wurden dann unter Verwendung eines Schachtofens erhitzt und abgekühlt, so dass die Wirkung des Lötverfahrens in einer kontinuierlich arbeitenden Herstellungsstrasse für Aluminiumradiatoren nachgebildet wurde. Dieses wurde in Anbetracht von Diffusionseffekten vorgenommen, die zu einer Herabsetzung der Differenz des Elektrodenpotentiales zwischen den Bestandteilen jedes Verbundkörpers während der Herstellung der Aluminiumradiatoren führen könnten.
Der Erwärmungs- und Abkühlungszyklus verläuft folgender massen: Die Verbundbleche wurden auf 620"C erhitzt, innerhalb von zwei Minuten mit einer konstanten Abkühlungsgeschwindigkeit auf 425"C abgekühlt und dann bei 70"C in Wasser abgeschreckt.
Beispiel 3
Die Verbundbleche der Beispiele 1 und 2 wurden auf eine geeignete Grösse zurechtgeschnitten und dann mit mehreren Strahlen eines wässrigen Antifrostmateriales beaufschlagt, um die Wirkung der Langzeitkorrosion bei Automobilradiatoren zu simulieren. Zu Vergleichszwecken wurde die unplattierte, auf 1,25 mm abgewalzte Legierung A von Beispiel 1 und das Verbundblech mit dem Kernmaterial A verwendet. Das Antifrostmittel bestand aus einem im Handel erhältlichen wässrigen Äthylenglycol (45 Gewichtsprozent), welches bei einer Temperatur von etwa 93 OC mit einer Geschwindigkeit von 29 m/s auf die Proben gespritzt wurde.
Dieser Test dauerte sechs Tage.
Am Ende der Untersuchung wurden die Proben entfernt, vorerst in destilliertem Wasser und danach in einem Lösungsmittel, bestehend aus Methanol und Benzol, gespült. Die Proben wurden dann chemisch gereinigt, indem sie bei 80"C in ein wässriges Bad aus Chrom- und Phosphorsäuren getaucht wurden. Anschliessend wurden die Proben in destilliertem Wasser gespült und getrocknet, und es wurde die Tiefe der sich durch den Aufprall ergebenden kleinen Krater gemessen. Das Verbundblech aus den Materialien A und C (Plattierblech A) und das unplattierte Legierungsmaterial A zeigten eine Angriffstiefe von höchstens etwa 0,075 mm, während die Angriffstiefe der Verbundbleche aus den Materialien B und C (Plattierblech B) maximal etwa 0,045 mm betrug.
Der freigelegte Kern des Plattierbleches B, d.h. die Legierung B, hatte, wegen des galvanischen Schutzes der Legierung B durch den Überzug aus der Legierung C, im wesentlichen keine Angriffsspuren, wogegen das freigelegte Kernmaterial des Plattierbleches A, d.h. die Legierung A, verschiedene kleine Risse aufwies, die zeigen, dass der galvanische Schutz der Legierung A durch den Überzug aus der Legierung C praktisch nicht existierte.
Die Plattierung neben dem freigelegen Kern der Zusammensetzung B war im wesentlichen verbraucht, wodurch angezeigt wurde, dass ein kathodischer Schutz der Legierung B des Kernes erreicht wurde, wogegen die Auskleidung am Kraterrand des Vergleichsplattierbleches A weniger verbraucht war.
Beispiel 4
Aus diesem Beispiel geht die Potentialdifferenz zwischen den Legierungen der Verbundkörper hervor.
Stranggegossene Barren der folgenden Zusammensetzung wurden homogenisiert und, wie in Beispiel 2 beschrieben, auf 1,25 mm heruntergewalzt und dann einem simulierten Vorgang unterzogen.
TABELLE III Barren Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
A 0,20 0,41 0,20 1,28 - - 0,094 0,006
B 0,20 0,41 0,20 1,28 - 0,20 0,095 0,006
Es wurden Proben aus den Legierungen A und B und aus dem Plattiermaterial C des Beispiels 1 mit einer Dicke von 1,25 mm herausgeschnitten und wie im Beispiel 3 einem Pralltest unterzogen. Ein Teil jeder Probe wurde durch eine spezielle Abdichtung aus Silikonkautschuk in die Strahlkammer des Strahltestgerätes geführt, ohne dass bei festgezogener Abdichtung ein elektrischer Kontakt mit dem Flansch hergestellt wurde oder Antifrostmittel hindurchleckte. Die Proben konnten so befestigt werden, ohne dass irgendwelche elektrische Leckströme zu der Strahikammer aus rostfreiem Stahl fliessen konnten.
Auf diese Weise war es möglich, Proben aus verschiedenen Materialien in den Strahlkammern anzuordnen und den Stromfluss zwischen ihnen zu messen, während diese Proben bei irgendeiner gewünschten Temperatur dem Aufprall des Strahles aus Antifrostmittel ausgesetzt waren.
Der Stromfluss wurde gemessen, indem der Potentialabfall an einem Widerstand von 2 Ohm gemessen wurde, welcher auf der Aussenseite parallel zu den Elektroden geschaltet war. Der Wert des Widerstandes betrug weniger als 0,5% des gesamten elektrolytischen Widerstandes in dem Antifrostmittel zwischen den beiden Proben. Auf diese Weise wurde der Stromfluss zwischen der Legierung C des Beispiels 1 und der Legierung A des vorliegenden Beispiels sowie der Legierung C des Beispiels 1 und der Legierung B des vorliegenden Beispiels überwacht, während das Antifrostmittel mit einer Geschwindigkeit von 29,4 m/s auf die Proben aufprallte. Die Temperatur wurde während drei aufeinanderfolgenden Zyklen zwischen 400C und 1050C verändert.
Die Richtung des Stromflusses während des Temperaturzyklus stellte sich derart ein, dass die Legierung C des Beispiels 1 für beide Paare anodisch hlieb.
Es zeigte sich, dass während diesen mehrfachen Tempe raturzyklen der Strom des Legierungspaares B/C etwa 5 mal grösser war als derjenige des Legierungspaares A/C. Durch das mit der Legierung B verbundene Anodenmaterial der Legierung C ergibt sich also ein unerwartet grosser kathodischer Schutzstrom, insbesondere innerhalb des Temperaturbereiches von 900C bis 105"C, in welchem Fahrzeugkühler üblicherweise arbeiten. Insbesondere ergab das Legierung paar A/C im abfallenden Teil des dritten Temperaturzyklus, bei 93,3"C, einen Strom von 16 uA, während das Legierungspaar B/C bei der gleichen Temperatur 100 u,A ergab.
PATENTANSPRUCH I
Plattierter Metallgegenstand auf Aluminiumbasis, insbesondere Rohr, mit verbesserter Beständigkeit gegen Erosionskorrosion in feuchter Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff aus einer Aluminiumlegierung mit 1,0-1,5% Mangan, 0,1-0,4% Chrom und 0,05-0,4% Kupfer besteht und auf mindestens einer Seite mit einem Überzug aus einer Aluminiumlegierung mit 0,8-1,3% Zink, sowie insge samt höchstens 0,7% Silizium und Eisen, plattiert ist.
UNTERANSPRÜCHE
1. Metallgegenstand nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern beidseitig mit dem Überzugsmaterial plattiert ist.
2. Metallgegenstand nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug jeweils höchstens 0,1% Kupfer, Mangan und/oder Magnesium enthält.
3. Metallgegenstand nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug jeweils höchstens 0,58%, insgesamt höchstens 0,15%, übrige Bestandteile aufweist.
4. Metallgegenstand nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern höchstens 0,6% Silizium, höchstens 0,7% Eisen, höchstens 0,1% Zink und jeweils höchstens 0,05%, insgesamt höchstens 0,15%, andere Bestandteile aufweist.
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The invention relates to an aluminum-based metal article which has improved resistance to erosion corrosion in a humid environment. This is essential in view of the general ver; Use of aluminum in a damp or wet environment.
For example, the aluminum tubes used in heat exchangers such as aluminum radiators must have a high resistance to erosion corrosion due to the aqueous heat exchange medium.
When testing aluminum radiators for motor vehicles, it turns out that many materials would be suitable if they were not exposed to the erosion corrosion which limits the service life due to the leaks that develop. The leaks can form through cracks due to erosion corrosion, as the pipe wall is hollowed out when the cooling stream flows around the obstacles in the pipes. Very high flow velocities, which could occur in such channels, can easily lead to erosion corrosion damage, unless the material is very resistant to this type of damage.
Accordingly, the main object of the invention is to create aluminum composite bodies, for example aluminum tubes and in particular those which are used in heat exchangers, whose erosion corrosion resistance is improved in a humid environment.
According to the invention, this object is achieved for a clad metal object in that the core material consists of an aluminum alloy with 1.0 to 1.5% manganese, 0.1 to 0.4% chromium and 0.05 to 0.4% copper and is plated on at least one side with a coating of an aluminum alloy with 0.8-1.3% zinc and a total of at most 0.70% silicon and iron. Expediently, any copper, manganese and / or magnesium content in the coating alloy is at most 0.1% each.
Preferably, the invention also provides a composite aluminum tube and heat exchanger with improved erosion corrosion resistance in a humid environment. According to a preferred embodiment, the heat exchanger contains at least one container connected by at least one tube and a secondary heat exchanger surface that is connected to the tube. The pipe itself is an aluminum composite pipe according to the invention. It preferably contains two parallel containers or head pieces which are connected by several tubes which are at right angles to these and which have rib bodies connected to the tubes.
A novel heat transfer method and system is also provided in which a metal pipe or pipe string with input and output ends is placed; the inlet and outlet ends are connected to two tube plates, a first aqueous liquid is admitted into the tube, and the outer surface of the tube comes into contact with a second fluid in heat exchange with the first fluid.
In the following two preferred embodiments of the invention are explained with reference to the drawing; it represent:
1 shows a perspective view of a pipe according to the invention:
2 shows a front view with hidden parts of a motor vehicle radiator with a tube according to the invention. The aluminum composite bodies according to the invention contain a coating of an aluminum alloy, which consists of 0.8-1.3% zinc, a maximum of 0.7% silicon and iron, a maximum of 0.10% copper, a maximum of 0.10% manganese, a maximum of 0, 10% magnesium and otherwise consists essentially of aluminum and is connected to at least one side of an alloy core based on aluminum, which consists of manganese between 1.0-1.5%, chromium between 0.1-0.4%, copper between 0 , 05-0.4% and furthermore consists essentially of aluminum.
As has already been stated, the aluminum composite article according to the invention is distinguished by erosion corrosion resistance in an aqueous environment, in which the coating made of the aluminum alloy is exposed to the moist or aqueous environment. It has also been found that this increased resistance can be achieved while maintaining excellent physical properties. Furthermore, this composite body is less prone to pitting.
These properties make the tube according to the invention extremely suitable for use in heat exchangers, for example aluminum radiators, and give them a longer service life. The surprising properties achieved according to the invention can also be used advantageously in other applications where high flow velocities occur.
It has been found that in an aqueous environment in which erosion corrosion or attack by impacts occur, for example on the inside or the coating 2 in FIG. 1 of the pipe carrying the aqueous solution, the aluminum composite pipe according to the invention proves to be surprisingly stable. This resistance is achieved because, in the event of a perforation in the coating 2 made of one aluminum alloy, the exposed core made of the other aluminum alloy is cathodically protected, and further local corrosion is delayed or prevented as a result.
In an aqueous environment, the coating material is anodic to the core material, for example in an antifreeze solution in motor vehicle radiators, and if local perforation of the coating occurs, as can be the case, for example, when attacked by impacts, the relatively large anode and the small cathode, electricity produced the effect that it prevents perforation of the core and cathodically protects it against further destruction.
The material used as a coating can also contain impurities up to 0.7% silicon and iron, up to 0.1% copper, up to 0.1% manganese, up to 0.10 per magnesium and other materials up to 0.05% each. , a total of 0.15%.
The core material can also contain impurities up to 0.6% silicon, up to 0.7% iron, up to 0.1% zinc and 0.05% each, a total of 0.15%, of other components.
If the aqueous media should flow around the pipes and not through them, the coating can of course be applied to the outside of the core, or the core can advantageously be lined on both sides when a first aqueous medium flows through the pipe, and a second aqueous medium flows around the tube.
The novel pipe usually, but not necessarily, has a wall thickness of less than 2.5 mm. If the tube is used in a high-powered aluminum radiator, it can have a wall thickness of 0.75 mm or less, preferably a wall thickness of 0.25 to 0.5 mm. In general, when used in heat exchangers, the novel tube has a wall thickness of 2.5 mm and less at best.
The percentage thickness of the lining of the pipe according to the invention is not critical, but should generally be in the range of 5-25% of the total thickness of the composite body. This achieves a wall thickness of the core material which is sufficient in terms of strength and a sufficient thickness of the lining, which ensures a sufficient service life of the arrangement in operation.
The novel tube can be manufactured in a conventional manner. For example, aluminum ingots can be made and rolled into strips in a conventional manner; then strips of the coating and core material can be rolled together. The material can then be welded together to form a tube of the desired shape. The pipe can, however, also be produced by pulling the core and coating material over one another in the form of a pipe and then connecting them to one another by extrusion or pipe drawing.
If necessary, ribs of an alloy, for example from the AA 4XXX series (alloys of the Al-Si type) or from the core material, can be attached to and connected to an exposed surface of the core material. This can be done, for example, by adding solder or by an additional lining that is connected to the core and is also suitable for connecting the ribs and consists, for example, of an alloy of the AA 4XXX series.
The radiator tube is generally seam welded into substantially round tubes and then flattened into an oval or flat cross-section. The connection of the lining material to the core material can therefore easily be done by rolling the composite materials before welding. The smaller dimension is preferably 1.25-5 mm. The larger dimension is preferably 7.5-30 mm. For the purpose of heat exchange, the tube preferably has an outside diameter which is 6 mm - 50 mm, but can also be larger.
The aluminum radiator can be manufactured in a conventional manner in that the soldering operations are carried out continuously in a production line for aluminum radiators. For example, an aluminum radiator can be made from a tube with a wall thickness of 0.43 mm, and the fin body can be made of either the same alloy as the core material or a conventional aluminum alloy. Alloys of the 4XXX series, for example 4043, 4343 or 4045, can be used for this.
TABLE I.
Composition of alloys 4043, 4343, 4045
Si Fe Cu Mn Mg Zn 4043 4.5- 6.0 0.8 0.30 0.05 0.05 0.10 4343 6.8- 8.2 0.8 0.25 0.10-0.20 4045 9.0-11.0 0.8 0.30 0.05 0.05 0.10
The parts are assembled to the desired arrangement of the aluminum radiator, provided with a dip coating of a flux and then continuously treated on a production line in a soldering furnace. The radiators pass through a hot air oven in which the solder additive melts and then solidifies, creating a rigid arrangement. Soldering methods without flux can also be used.
As already mentioned, if desired, the exposed surface of the core material can be additionally coated with a soldering metal alloy, for example of the AA 4XXX series, for connection to the rib body.
A heat exchanger designed for high heat values can be constructed according to FIG. The radiator arrangement contains a core or a heat dissipation unit 6, which has an upper container or an inlet head piece 8 and a bottom container or an outlet head piece 10 at opposite ends. The containers can be connected to the delivery or receiving line of the cooling system of a cylinder block, so that the aqueous cooling medium can flow from one container to the other.
The core 6 consists of a number of fluid passages from the novel water pipes 12. The pipes are separated from one another by cooling strips 14. The cooling strips are folded or rib-shaped between tubes 12 and extend close to the walls or adjoin the tubes, so that the space is divided into a number of relatively narrow air cells 16.
Example I.
Three alloys A, B and C are continuously cast into bars, then homogenized at 6050C for 8 hours and then cooled by means of air. The composition of the resulting alloys is shown in Table II.
TABLE II% Composition
Ingots Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
A 0.21 0.41 0.11 1.18 - - 0.11 0.005
B 0.19 0.35 0.20 1.18 - 0.21 0.11 0.007
C 0.03 0.24 - - - - 1.03 0.005
Example 2
The bars A and B from Example 1 were milled to a thickness of 38 mm, brushed off with wire brushes and degreased using vaporous solvents. Ingot C was rolled at a temperature of 425 "to a thickness of 6.25 mm, the ingot being reduced by 2.5 mm per pass, and reheated to 425" C with every other pass.
The hot rolled stock was then cold rolled to 1.25 mm. The material of the bar C with a thickness of 1.25 mm was then welded to one of the bars A and B on four sides, forming composite bodies of A and B, with openings 25 mm long in the weld seam on one of the narrow sides were left open so that the air could be driven out during the further rolling process. The composite bodies were then heated to 4250 ° C. for 5 minutes and reduced by leveling passes with a degree of rolling of about 3% each, the ventilation opening being at the rear in relation to the rolling direction. The pieces were then reheated to 4250C, hot rolled to 6 mm and then cold rolled to 1.25 mm.
The thickness of the coating of the composite sheets of A and B was then measured on polished sections and was 0.038 and 0.041 mm, respectively.
The composite sheets with the compositions of Example 1 were then heated and cooled using a shaft furnace so that the effect of the soldering process was simulated in a continuously operating production line for aluminum radiators. This was done in view of diffusion effects which could lead to a reduction in the difference in the electrode potential between the components of each composite body during the manufacture of the aluminum radiators.
The heating and cooling cycle is as follows: The composite sheets were heated to 620 "C, cooled to 425" C over two minutes at a constant cooling rate, and then quenched at 70 "C in water.
Example 3
The composite sheets of Examples 1 and 2 were cut to a suitable size and then exposed to several jets of an aqueous antifreeze material in order to simulate the effect of long-term corrosion on automobile radiators. For comparison purposes, the unclad alloy A from Example 1, rolled to 1.25 mm, and the composite sheet with the core material A were used. The antifreeze agent consisted of a commercially available aqueous ethylene glycol (45 percent by weight) which was sprayed onto the samples at a temperature of about 93 ° C. at a speed of 29 m / s.
This test lasted six days.
At the end of the investigation, the samples were removed, first rinsed in distilled water and then in a solvent consisting of methanol and benzene. The samples were then chemically cleaned by immersing them in an aqueous bath of chromic and phosphoric acids at 80 ° C. The samples were then rinsed in distilled water and dried, and the depth of the small craters resulting from the impact was measured The composite sheet made from materials A and C (cladding sheet A) and the unclad alloy material A showed a depth of attack of at most about 0.075 mm, while the attack depth of the composite sheets made of materials B and C (cladding sheet B) was a maximum of about 0.045 mm.
The exposed core of cladding sheet B, i. Alloy B, because of the galvanic protection of alloy B by the coating of alloy C, had essentially no signs of attack, whereas the exposed core material of cladding sheet A, i.e. Alloy A exhibited various small cracks, which show that the galvanic protection of alloy A by the coating of alloy C was practically nonexistent.
The plating adjacent to the exposed core of composition B was essentially consumed, indicating that cathodic protection of alloy B of the core was achieved, whereas the lining on the crater rim of comparative cladding sheet A was less consumed.
Example 4
This example shows the potential difference between the alloys of the composite bodies.
Continuously cast ingots of the following composition were homogenized and, as described in Example 2, rolled down to 1.25 mm and then subjected to a simulated process.
TABLE III Ingots Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
A 0.20 0.41 0.20 1.28 - - 0.094 0.006
B 0.20 0.41 0.20 1.28 - 0.20 0.095 0.006
Samples were cut out from alloys A and B and from the cladding material C of Example 1 with a thickness of 1.25 mm and subjected to an impact test as in Example 3. A part of each sample was fed into the blasting chamber of the blasting test device through a special seal made of silicone rubber without electrical contact being made with the flange or anti-freezing agent leaking through when the seal was tightened. The samples could thus be attached without any electrical leakage currents flowing to the stainless steel jet chamber.
In this way it was possible to place samples of different materials in the blasting chambers and to measure the current flow between them while these samples were exposed to the impact of the jet of antifreeze at any desired temperature.
The current flow was measured by measuring the drop in potential across a resistor of 2 ohms, which was connected on the outside parallel to the electrodes. The resistance value was less than 0.5% of the total electrolytic resistance in the antifreeze between the two samples. In this way, the current flow between the alloy C of the example 1 and the alloy A of the present example as well as the alloy C of the example 1 and the alloy B of the present example was monitored while the antifreeze agent was rising at a speed of 29.4 m / s the samples bounced. The temperature was changed between 400C and 1050C for three consecutive cycles.
The direction of the current flow during the temperature cycle was set in such a way that alloy C of Example 1 remained anodic for both pairs.
It was found that during these multiple temperature cycles the current of the alloy pair B / C was approximately 5 times greater than that of the alloy pair A / C. The anode material of alloy C connected to alloy B results in an unexpectedly large cathodic protective current, in particular within the temperature range of 90 ° C to 105 ° C, in which vehicle radiators usually work. In particular, the alloy pair resulted in A / C in the sloping part of the third Temperature cycle, at 93.3 "C, a current of 16 µA, while the alloy pair B / C gave 100 µA at the same temperature.
PATENT CLAIM I
Clad metal object based on aluminum, in particular pipe, with improved resistance to erosion corrosion in a damp environment, characterized in that the core material is made of an aluminum alloy with 1.0-1.5% manganese, 0.1-0.4% chromium and 0.05 -0.4% copper and is plated on at least one side with a coating of an aluminum alloy with 0.8-1.3% zinc, as well as a total of at most 0.7% silicon and iron.
SUBCLAIMS
1. Metal object according to claim I, characterized in that the core is clad on both sides with the coating material.
2. Metal object according to claim I, characterized in that the coating contains at most 0.1% copper, manganese and / or magnesium.
3. Metal object according to claim I, characterized in that the coating has a maximum of 0.58%, in total a maximum of 0.15%, of other components.
4. Metal object according to claim I, characterized in that the core has a maximum of 0.6% silicon, a maximum of 0.7% iron, a maximum of 0.1% zinc and a maximum of 0.05% each, a maximum of 0.15% in total, other components having.
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