CZ20022517A3

CZ20022517A3 - Kompozitní materiál ze slitiny hliníku s vysokou pevností a zlepšenou elektrickou vodivostí, způsob výroby tohoto materiálu a jeho použití

Info

Publication number: CZ20022517A3
Application number: CZ20022517A
Authority: CZ
Inventors: Ralph M. Nener; Scott W. Haller
Original assignee: Corus L. P.
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2003-05-14
Also published as: BR0107965A; CN1243640C; CN1398223A; CZ301990B6; US6329075B1; JP4912555B2; MXPA02007497A; KR100737020B1; EP1268190A2; EP1268190B1; AU3401501A; ATE491568T1; CA2399228C; BR0107965B1; DE60143645D1; WO2001056782A3; AU771487B2; JP2003528280A; KR20020072294A; WO2001056782A2

Description

Kompozitní materiál ze slitiny hliníku s vysokou pevností a zlepšenou elektrickou vodivostí, způsob výroby tohoto materiálu a jeho použití

Oblast techniky

Vynález se týká kompozitního materiálu ze slitiny hliníku se zlepšenou elektrickou vodivostí, odolností proti korozi a vysokou pevností, a dále se týká způsobů jeho výroby a použití, konkrétně se týká kompozitního materiálu, který kombinuje materiál jádra s vysokou pevností s jednou nebo více plátovacími vrstvami s větší elektrickou vodivostí než má materiál jádra, a to s cílem zvýšení výkonu u aplikací výměníků tepla.

Dosavadní stav techniky

U dosavadního stavu techniky jsou slitiny hliníku vybírány z hlediska aplikací u výměníků tepla. Slitiny se vybírají na základě jejich potřebné kombinace pevnosti, nízké hmotnosti, dobré tepelné a elektrické vodivosti, schopnosti pájení, odolnosti vůči korozi a tvárnosti.

Typické aplikace použití se týkají zařízení pro vytápění automobilů, radiátorů, odpařovačů, kondensorů, vzduchových a olejových chladičů. Jedna konkrétní aplikace, která vyžaduje dobrou kombinaci všech zmíněných vlastností se týká žeber radiátorů. U této aplikace se chladicí žebra nachází mezi trubkami umístěnými nad sebou, ve kterých proudí chladicí médium radiátoru. Sestava trubek je situována mezi sběrnými trubkami chladiče, které obrací tok chladicího média mezi vrstvami sestavy trubek a může zahrnovat vstup do radiátoru a výstup z radiátoru. Trubky jsou obvykle pokryty pájecím materiálem a celá sestávaje spájená použitím tzv. procesu pájení v řízené atmosféře (CBA), který používá tavidlo k pájení natvrdo.

Trendem ve výrobě výměníků teplaje snaha po zmenšování rozměrů jednotlivých komponent. Tento trend klade nové požadavky na materiály používané ve výměnících tepla, a to ve smyslu jejich vlastností a výkonností. Tyto požadavky jsou zahrnuty v patentu US-A5,217,547 (Ishikawa a spol.) Tento vynález se zabývá výrobou chladicích žeber z tenčích trubek, která by vyhovovala požadavkům na vyšší výkonnost a zvýšenou kompaktnost výměníků tepla. Zatímco zmenšení tloušťky trubek má za následek zmenšení hmotnosti výměníku tepla, takové odlehčení může vést i k nižší pevnosti, konkrétně jako výsledek procesu pájení, u kterého musí výměník tepla snášet teploty nad 600°C. Zvýšená teplota může

··

-2během pájení způsobit prohnutí a ztrátu integrity chladicích žeber, čehož výsledkem je nepřijatelný pájený výrobek.

Ishikawa a spol. se snaží překonat tento problém pomocí neobvyklých hliníkových slitin typicky používaných u chladicích žeber, například slitiny série AA3OO3. Pro poskytnutí odolnosti vůči deformací vlivem vysokých teplot a odolností vůči prohnutí, Ishikawa používá hliníkovou slitinu s jistým množstvím železa, křemíku, zirkonia, zinku, cínu a india. Nedostatkem této slitiny je její obtížná výroba, a tím zvýšené náklady na pořízení materiálu chladicích žeber.

Jiným řešením problému snižování tloušťky chladicích žeber je použití materiálu ze slitiny hliníku s vyšší hodnotou pevnosti. Použitím materiálu s vyšší pevností lze získat výhodu spořívající ve zvýšeném odporu proti prohýbání a deformaci, která je způsobená vysokými teplotami, přitom se při pájení materiálů s vysokou pevností mohou při výrobě výměníků tepla vyskytovat problémy.

Často používaným procesem výroby výměníků teplaje proces CBA, který používá tavidlo typu Nicolok®. Tímto tavidíem je nerezové tavidlo vyráběné ze směsi draslíku a fluoro-alurainátů. Tavidlo při tavící teplotě funguje tak, že se taví a přitom rozrušuje a rozpouští film z oxidů. Některé prvky, které se často nachází ve slitinách s vysokou pevností, například hořčík, jsou pro proces pájení škodlivé tím, že kromě jiného, reagují s používanými tavidly. Následně platí, že použitím hliníkové slitiny s vyšší pevností je možném řešit problém prohýbání během pájení, přitom ale mohou nastat jiném problémy, a to vlivem nekompatibility mezi samotnou slitinou a procesem pájení.

Jiným problémem dosavadního stavu techniky jsou materiály pro výrobu výměníků tepla, to znamená pro výrobu chladicích žeber, které musí mít po procesu pájení jistou hodnotu pevnosti v tahu a jistou úroveň elektrické vodivosti danou požadavky zákazníka. Je těžké vyhovět požadavkům, které kombinují vysokou pevnost a elektrickou vodivost se současnými materiály při rozumné ceně. Hliníkové slitiny s vysokou pevností mají menší hodnoty elektrické vodivosti a nemohou kladeným požadavkům vyhovět. Podobně platí, že hliníkové slitiny s vysokou hodnotou elektrické vodivosti mají nedostatečnou pevnost, čímž rovněž nesplňují dané požadavky. Speciální slitiny mohou nabídnout jisté řešení zmíněného dilema, ale jejich výrobní náklady jsou pro mnoho výrobců nepřijatelné.

V souladu s uvedeným se vyskytuje potřeba poskytnout materiál pro výrobu výměníku tepla, který by odstranil již popsané nedostatky dosavadního stavu techniky.Tento vynález problém tím, že poskytuje kompozitní materiál ze slitiny hliníku, který zahrnuje plátovací vrstvu s vysokou hodnotou elektrické vodivosti a jádro s nižší hodnotou elektrické ···

-3vodivosti. Kompozitní materiál vykazuje po pájení vysokou pevnost, zlepšenou elektrickou/tepelnou vodivost, vysokou odolnost proti korozi a dobrou schopnost pájení během procesu pájení, například použitím procesu CAB. Zmíněný materiál je ideálním materiálem pro pájení chladicích žeber v holé podobě, které se dále spájí s plátovanými trubkami pro výrobu výměníku tepla.

Kompozitní materiály vyrobené z hliníku lze použít při výrobě stíněných kabelů. US-A-4,010,315 (Mildner) uvádí použití stínícího pásu pro výrobu stíněných kabelu, který zahrnuje první vrstvu s čistého hliníku, která je nalepená na druhou vrstvu ze slitiny hliníku. Ve zmíněném patentuje sice uveden kompozitní materiál, ale patent se nezabývá problémy dosavadního stavu techniky při pájení, ani neuvádí žádné řešení. Jiné kompozitní materiály jsou navržené v patentech US-A-4,146,164 (Anderson) a v US-A-5,011,547 (Fujimoto a spol.). Tyto patenty se zabývají pájením plátovaných materiálů, nikoliv holých materiálů pro výrobu chladicích žeber apod,, ták jak je tomu u tohoto vynálezu.

Podstata vynálezu

Cílem tohoto vynálezu je poskytnout kompozitní matriál ze slitiny hliníku, který ideálně vyhovuje pro použití u aplikací při výrobě výměníků tepla.

Jiným cílem tohoto vynálezu je poskytnutí způsobu výroby kompozitního materiálu ze slitiny hliníku pro různé aplikace výroby výměníků tepla.

Dalším cílem tohoto vynálezu je poskytnutí zlepšeného způsobu pájení, kteiý využívá kompozitní materiál z hliníkových slitin.

Dalším cíle tohoto vynálezu je poskytnout kompozitní materiál ze slitiny hliníku, který je určen pro materiál výměníku tepla se zlepšenou elektrickou/tepelnou vodivostí, odporem proti prohýbu, s vysokou pevností, s odporem proti korozi a dobrou schopností pájení.

Dalším cílem tohoto vynálezu je poskytnout holý materiál chladicích žeber ve formě kompozitního materiálu ze slitiny hliníku, kdy se materiál chladicích žeber pájí na plátované trubky, které jsou součástí výměníku tepla, a dále poskytnout způsob výroby takového výměníku tepla použitím kompozitního materiálu podle vynálezu.

Pro splnění zmíněných cílů a výhod, tento vynález poskytuje kompozitní materiál ze slitiny hliníku, způsob jeho výroby a jeho použití při pájení. Kompozitní materiál zahrnuje vrstvu jádra s opačně orientovanými povrchy. Vrstva jádra je vytvořena z materiálu první slitiny hliníku, který tvoří 99% váhového množství hliníku a více jak 1% váhového množství jednoho nebo více kovových prvků. Jeden nebo více kovových prvků může být rozpuštěno ··

-4··· nebo volně rozptýleno ve slitině, přitom tyto prvky zvyšují pevnost materiálu první slitiny hliníku tak, že materiál první slitiny hliníku má pevnost v tahu větší jak 103,4 MPa. Materiál jádra má hodnotu elektrické vodivosti menší jak 50 % IACS.

Kompozitní materiál rovněž zahrnuje alespoň jednu plátovací vrstvu s protilehlými vrstvami, přitom jeden z protilehlých povrchů leží v blízkosti jednoho protilehlého povrchu jádra, přitom alespoň část druhého protilehlého povrchu je vystavena fúzi, to znamená procesu spájení s druhou hliníkovou komponentou. Alespoň jedna plátovací vrstva je vytvořena z materiálu druhé slitiny hliníku, která obsahuje méně jak 1 % váhového množství jednoho nebo více kovových prvků, takže materiál druhé slitiny hliníku má hodnotu pevnosti v tahu menší jak 103,4 MPa. Plátovací materiál může rovněž zahrnovat jiné kovové prvky v roztoku ve váhovém množství od 0 do 2,5 %, které zvyšují negativitu korozního potenciálu, takže korozní potenciál materiálu druhé slitiny hliníku je alespoň o 20 mV zápornější, než je hodnota korozního potenciálu materiálu první slitiny hliníku vrstvy jádra. Plátovací vrstva má hodnotu elektrické vodivosti větší jak 50% IACS.

Na základě zmíněných definicí může být vrstva jádra vytvořená z materiálu první slitiny hliníku vybraného ze skupiny sestávající ze sérií AA2000, AA3000, AA5000,

AA6000, AA7000 a AA8000 slitin hliníku. Alespoň jedna plátovací vrstva může být vytvořená z materiálu druhé slitiny hliníku vybrané ze skupiny sestávající ze sérií AA1000, AA7000, a AA8000 slitin hliníku. Tak jak to již bylo zmíněno, plátovací vrstva by měla mít hodnotu pevnosti v tahu menší jak 103,4 MPa a hodnotu korozního potenciálu o alespoň 20mV zápornější než jako má vrstva jádra, a to z důvodu zvýšeného odporu vůči korozi.

U provedení, kterému se dává přednost, je vrstva jádra vytvořená z jedné ze sérií AA3000, AA6000 a AA8000 slitiny hliníku, přitom plátovací vrstva je vytvořená z jedné ze sérií AA1000 a AA7000 slitiny hliníku. Alespoň jedna plátovací vrstva může zahrnovat dvě plátovací vrstvy, přitom každá plátovací vrstva se nachází v blízkosti příslušného protilehlého povrchu vrstva jádra. Přednost se dává tomu, aby vrstvou jádra byla shtina hliníku typu AA3000 a plátovací vrstvou byla shtina hliníku typu AA1000. Přednost se dává tomu, aby hodnota pevnosti v tahu vrstva jádra byla větší jak 138 MPa. Korozní potenciál plátovací vrstvy je alespoň o 50 mV zápornější než je tomu u vrstvy jádra.

Kompozitní materiál může mít jakýkoliv tvar včetně tenké vrstvy pro chladicí žebra, pro trubky apod. Přednost se dává tomu, aby tloušťka každé plátovací vrstvy měla hodnotu mezi 5 až 40% celkové tloušťky kompozitního materiálu při použití jedné plátovací vrstvy a mezi 2,5 až 20 % celkové tloušťky při použití páru plátovacích desek.

-5··· ··

Vynález rovněž zahrnuje způsob pájení s použitím kompozitního materiálu podle tohoto vynálezu.

Přehled obrázků na výkrese

Obr. 1 znázorňuje první provedení vynálezu, obr.2 znázorňuje druhé provedení tohoto vynálezu, obr. 3 znázorňuje provedení z obr.l spojené s jinou komponentou pro vytvoření spájeného výrobku, obr.4 znázorňuje kompozitní materiál z obr.2 podle tohoto vynálezu, a to ve formě chladicího žebra připájeného k plátovanému potrubí výměníku tepla, obr. 5 znázorňuje graf porovnávající výsledky korozního testu SWAAT u různých materiálů.

Příklady provedení vynálezu

Vynález nabízí v oboru pájení slitin hliníku dohromady významné výhody, a to kombinováním slitiny hliníku s vysokou elektrickou vodivostí a relativně nízkou pevností se slitinou hliníku s nízkou elektrickou vodivostí a vyšší pevností, čehož výsledkem je kompozitní materiál se zlepšenou schopností pájení, s lepší tepelnou vodivostí, s vynikající odolností proti korozi a celkově vysokou elektrickou vodivostí. Materiálem s vysokou elektrickou vodivostí je plátovací vrstva, která pokrývá a/nebo se nachází u jednoho povrchu vrstvy materiálu jádra s nízkou elektrickou vodivostí. Elektrická vodivost plátovacího materiálu je větší jak 50 % IACS a elektrická vodivost vrstvy materiálu jádra s vyšší pevností je menší jak 50 % IACS. Kombinací plátovací vrstvy a vrstvy jádra se vytváří kompozitní materiál, který využívá vlastností materiálu s vysokou pevností a zlepšenou odolností vůči deformacím vlivem vysoké teploty, a se zlepšenou odolností vůči prohýbání. Současně není proces pájení ohrožen vlivem nekompatibility mezi variabilitami procesu pájení a obsahem materiálu slitiny hliníku jádra s vysokou pevností. U plátovacího materiálu se dává přednost větším hodnotám elektrické vodivosti jak 55 % IACS.

Vrstva jádra s vysokou pevností a nízkou elektrickou vodivostí se může definovat množstvím kovových příměsí v čistém hliníku. Tyto materiály jádra s vysokou pevností se mohou definovat jako materiály obsahující značná množství hrubých kovových příměsí, například (ale bez omezení na vyjmenované) Cr, CU, Fe, Mg, Mn, Ni, Co, Si, Li, Ti, V, Zr, a Zn. Tyto prvky jednotlivě nebo v kombinaci zvyšují pevnost slitiny v roztoku nebo mimo něj,

• ··

-6♦ ··· a to tak, že čistota slitiny je menší jak 99 % hmotnosti hliníku. Jinými slovy materiál jádra obsahuje více jak 1 % jednoho nebo více zmíněných kovových prvků zvyšujících pevnost, čímž pevnost v tahu dosahuje hodnoty nad 103,4 MPa.

Stejným způsobem jsou plátovací materiály s nízkou pevností a vysokou elektrickou vodivostí definovány jako slitiny s úrovněmi čistoty vyššími jak 99 % hmotnosti hliníku. Plátovací vrstva může obsahovat kovové příměsi v množství od 0 do 2,5 % hmotnosti těchto prvků, které vytváří korozní potenciál méně vzácný (více záporný) a jsou v roztoku udržovány tak, aby významně nesnižovaly elektrickou vodivost. Příkladem těchto prvků jsou například Ga, In a Zn. Jinými slovy, plátovací vrstva obsahuje méně jak 1% hmotnosti prvků zvyšujících pevnost a přítomných ve vrstvě jádra, ale obsahuje až 2,5 % kovových prvků obecně v roztoku, čímž se korozní potenciál plátovací vrstvy stává zápornější, přednost se dává hodnotě o 20 mV větší, než je tomu u vrstvy jádra. Bez kovových prvků ve vrstvě jádra, které zvyšují pevnost, je hodnota pevnosti v tahu plátovacích vrstev menší jak 103,4 MPa.

Kompozitní slitina podle tohoto vynálezu poskytuje elektrickou vodivost, po realizovaném procesu pájení, s hodnotou alespoň o 2 % IACS větší než je hodnota elektrické vodivosti jádra. Snížení pevnosti po pájení kompozitního materiálu je menší o 20%, než je hodnota pevnosti po pájení slitiny jádra. Kompozitní matriál může být definován následujícími hodnotami:

A = pevnost v tahu jádra po pájení

B = elektrická vodivost jádra

C = pevnost v tahu kompozitního materiálu po pájení

D = elektrická vodivost kompozitního materiálu, kde

D-B > 2 % IACS a A-C/Cx 100< 20 %

Na základě zmíněné definice, může být plátovací materiál s vysokou elektrickou vodivostí vybrán ze skupiny sérií AA1000, AA7000 a AA8000. Vysokou pevnost, materiál jádra s nízkou elektrickou vodivostí lze vybrat ze skupiny sérií slitin hliníku AA2000,

AA3000, AA5000, AA6000, AA7000 a AA8000, a to za předpokladu, že každá vybraná slitina má specifikovanou elektrickou vodivost. Slitiny, kterým se dává přednost zahrnují série slitin AA1000, a AA7000 pro plátovací materiál a série slitin hliníku AA3000, AA6000 a AA8000 pro materiály jádra. Ještě větší přednost se dává slitinám AA1000 pro plátovací materiál a buďto AA3000 nebo AA6000 pro materiál jádra. Specifický přiklad vrstvy jádra zahrnuje AA3003 a AA6061. Kromě elektrické vodivosti lze k rozlišení materiálů vrstev jádra a plátovacích vrstev brát v úvahu i mechanické vlastnosti. Vrstva jádra by měla mít pevnost v tahu větší jak 103,4 MPa a plátovací vrstva by měla mít pevnost v tahu menší jak 103,4 ·*

-7MPa. U některých aplikací se pro vrstvu jádra dává přednost slitině s minimální hodnotou pevnosti, například vyšší jak 138 MPa pevnosti v tahu, namísto slitiny s hodnotou pevnosti v tahu 103,4 MPa.

Pro zvýšení odporu proti korozi by korozní potenciál plátovací vrstvy měl být o 20 mV zápornější, lépe o 50 mV zápornější, než je tomu u vrstvy jádra. Později uvedeme, že řízení rozdílu korozního potenciálu nesmírně zvyšuje odpor proti korozi kompozitního materiálu, čímž se stává ideálním pro výrobu výměníků tepla. Je nutné pochopit, že výběr slitin v různých sériích slitin Aluminium Association (AA) je odrazem hodnot pevnosti v tahu, požadované elektrické vodivosti a korozního potenciálu pro vrstvu jádra a plátovací vrstvu kompozitního materiálu, tak jak to již bylo popsáno. Vhodné slitiny pro tento vynález mohou zahrnovat slitiny, které spadají pod přesně specifikované typy slitin, například AA3OO3 pro jádro, nebo to mohou být hybridy dvou i více slitin, a to za předpokladu, že pevnost a korozní potenciál vyhovují stanoveným směrnicím, například slitiny, které mají charakter sérií slitin AA3000, AA7000 a AA8000.U jednoho použití existuje ideální kompozitní matriál podle tohoto vynálezu, a to pro spájení holého chladicího žebra výměníku tepla s plátovaným potrubím ve výměníku tepla. Holé chladící žebro může být k plátovanému potrubí připájeno při zachování vynikající elektrické vodivosti po procesu pájení, odporu proti korozi a pevnosti. Pomocí této kombinace je ztráta integrity žebra a/nebo pevnosti kolony, na rozdíl od dosavadního stavu techniky, odstraněna nebo omezena. Chladicí žebro je méně náchylné k poškození, a to vlivem stálého tepelného a tlakového cyklu, se kterým se setkává tehdy, když se výměník tepla používá ve vozidle nebo jiném stroji. Zatímco chladicí žebro, podle dosavadního stavu techniky, může pro tyto typy aplikace vyhovovat požadavkům na pevnost, materiály dosavadního stavu techniky postrádají hodnoty elektrické vodivosti nutné pro výměnu tepla, a tím nejsou pro výměník tepla tak vhodně, jako kompozitní materiály podle tohoto vynálezu.

Obr. 1 znázorňuje jedno provedení kompozitního materiálu podle tohoto vynálezu označeného referenční číslicí 10. Kompozitní materiál zahrnuje vrstvu jádra I s protilehlými povrchy 3 a 5. Zobrazená je jedna plátovací vrstva 7 s jedním svým povrchem 9 sousedícím s povrchem 5 vrstvy jádra 1 Jelikož se povrch plátovací vrstvy 9 nachází u jádra, protilehlá vrstva 11 je holá, nebo připravená k připojení k jiné komponentě připájením. U provedení z obr, 1 může být tloušťka plátovací vrstvy od 5 do 40% tloušťka celého kompozitního materiálu, to znamená kombinované tloušťky jádra a plátovací vrstvy (poměr tloušťky nebp plátování). Celková tloušťka může záviset na konkrétní aplikaci kompozitního materiálu. Například u chladicího žebra může mít tloušťka vrstvy hodnotu mezi 0,05 mm a 0,015 mm.

-8*··

Jiné tvary zmíněné komponenty, například potrubí mohou mít jiný rozsah tloušťky. Tloušťka zde může například dosahovat hodnoty 0,0203 mm.

Obr.2 znázorňuje alternativní provedení 20, u kterého každý povrch 3 a 5 jádra se nachází u plátovacích vrstev 7.U tohoto provedení je hodnota poměru tloušťky každé plátovací vrstvy rozmezí mezi 2,5 % a 20% celkové tloušťky kompozitního materiálu 2Q.

Na obr. 1 a 2 je vrstva jádra popsána jako sousedící vrstva s jednou nebo více plátovacími vrstvami 7. Výraz sousedící znamená, že byly použity známé způsoby, to znamená přilnutí, vrstvení nebo spojení plátovací vrstvy s materiále vrstvy jádra, a tím vytvoření zobrazené kompozitní struktury. Výraz vrstvení zahrnuje nutné kroky k vytvoření kompozitního materiálu z jádra a plátovacích materiálů. Příklady takového vrstvení zahrnují spojení naválcováním, u kterého jsou přítlačné síly použité ke spojení existujících vrstev dohromady. Jiné formy vrstvení mohou zahrnovat plynulé odlévání, kde každá vrstva je buďto odlévaná anebo odlévaná a opracovaná tak, že vytváří kompozitní strukturu. Způsoby, pří kterých se vytváří jedna vrstva a druhá se vytvoří na ní, se mohou rovněž použít stejně, jako způsoby používané u kovových vrstev nanášených v tekutém nebo pevném stavu, jako tepelné stříkání, obloukové stříkání, práškové nanášení. Jestliže se začíná s jednou vrstvou, tato vrstva se může vytvořit použitím obvyklých ingotů nebo technikami plynulého odlévání a běžným válcování za tepla nebo za studená. Plátovací matriál se následně na zmíněnou vrstvu aplikuje tak, aby se vytvořil kompozitní materiál.

Obr. 3 znázorňuje kompozitní materiál 10 připájený k jiné komponentě zhotovené ze slitiny hliníku. Komponenta může být, pokud to bude požadováno, přeplátovaná pájením.Na tomto obrázku je připájená zóna označená Číslicí 17. Procesem pájení může být jakýkoliv obvyklý proces pájení, a to včetně procesu CAB a procesu vakuového pájení. Přednost se dává procesu pájení v řízené atmosféře, u kterého se pájení provádí v podmínkách bez atmosféry (v suché atmosféře dusíku). Tento proces CAB se obecně používá pro spojení hliníkového materiálu za vyšší teploty, například 600°C, kdy dochází k efektivnímu spájení. Během těchto typů pájení se používá tavidlo, které proces pájení ulehčuje. Jedním takovým tavidlem je Nocolok® tavidlo, které může nepříznivě spolupůsobit s pájeným matriálem. Použitím kompozitního materiálu podle tohoto vynálezu prvky slitiny, které se nachází ve slitinách hliníků s vysokou pevností, se z tavidla oddělují. Výsledkem je, že se slitina hliníku s vysokou pevností může použít jako složka spájeného výrobku, aniž by docházelo k nepříznivému ovlivňování procesu pájení.. Konkrétněji, plátovací vrstva 7 z obr.3 funguje jako difuzní bariéra vůči legujícím prvkům jádra, které by jinak proces pájení spolupůsobením s tavidlem degradovaly.

-9··· »· ···'

Plátovací vrstva 7 rovněž působí jako difuzní bariéra vůči roztavenému pájecímu materiálu 13, který by jinak pronikal do vrstvy jádra i. Snížením hloubky a/nebo množství pájecího materiálu 13 pronikajícího do vrstvy jádra 1 se zlepší sedání materiálu a tavící charakteristiky pájeného výrobku . Plátovací vrstva, která obklopuje vrstvu jádra, nebo je aplikovaná pouze na povrch jádra, hraje roli dvojité difuzní bariéry.

Provedení na obr. 1 až 3 znázorňuje různé vrstvy ve formě tenké vrstvy nebo pásu. Kompozitní matriál se může vytvořit v jakékoliv formě, a to jako zvrásněné chladicí žebro, potrubí, sběrná komora kotle, nebo jako jiný tvar upravený pro pájení.

Podle obr. 4 je kompozitní materiál vytvořený jako zvrásněná holá tenká vrstva chladicího žebra 40, kde chladicí žebro zahrnuje vrstvu jádra i a pro pájení připravené vystupující plátovací vrstvy 7. Vystupující plátovací vrstvy 2 se připájí k pájením plátovanému potrubí 31 zahrnující pájením plátovanou vrstvu 33 na jádře 35, a to použitím procesu pájení, například procesu CAB. Pájené plochy 41 a 43 ťuzují do plátování 33 s plátovanými vrstvami 7 chladicího žebra 40.

Ačkoliv to není zobrazeno, potrubí 31 a chladicí žebro 30 jsou součástí výměníku tepla známého v oboru., viz například patent US-A-5,148,862, který uvádíme pro porovnání. Jelikož je jeho konstrukce dobře známá, není pro pochopení tohoto vynálezu jeho zobrazení nutné.

Zatímco obr.4 znázorňuje provedení z obr.2 jako holé chladicí žebro, zmíněné zvrásněné holé chladicí žebro s pouze jednou plátovací vrstvou 7 se může i tak připájet k plátovacímu materiálu.

Pro demonstraci neočekávaných zlepšení spojených s plátovacím materiálem, byly provedeny experimentální studie materiálu s vysokou pevností, ale i jiných materiálů podle tohoto vynálezu. U jednoho testu je materiál s vysokou pevností podobný materiálu série AA3000 slitiny hliníku, přitom kompozitní materiál podle tohoto vynálezu využívá tento materiál s vysokou pevností jako vrstvu jádra X3, a materiál AA1100 jako plátovací vrstvu. U jiných sérií testů materiály s vysokou pevností, včetně sérií slitin AA3000 a AA7000, vyhovují definici materiálu jádra a plátovacího materiálu, tak jak to již bylo uvedeno. Chemické složení materiálu je uvedeno v tabulce 1.

• ·

-10• *>

• 9 r» • _Λ Α*<

»·* · ·*;

·*

9··’ ·*· Tabulka 1. Chemické složení (váhové, procento)*

Slitina	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ni	Zn	Zr
Jádro A	1	0,2	<0,01	1,58	<0,01	-	2	0,1
1100	0,1	0,5	0,15	0,01	<0,01	-	0	-
PlátX	0,2	0,5	0,15	<0,01	<0,01	<0,01	1,2	-
PlátY	0	0,2	0,05	<0,01	<0,01	<0,01	0,8	-
Jádro B	1	1	0,15	0,5	<0,01	<0,01	1,1	0,1
Jádro C	0,8	1	0,15	0,26	0,14	0,81	1	-
Jádro D	0,7	1	0,52	0,26	<0,01	0,5	1	-
Jádro E	0,7	1	0,66	0,58	0,15	<0,01	0,5	-

*Rovnovážný stav hliníku a náhodných nečistot

V jedné sérii testů byly pro studijní účely použité čtyři materiály, přitom jeden z nich bylo holé jádro A. Další tři materiály byly plátované materiály.

1) Jádro A plátované na obou površích materiálem AA1100 při poměru plátování 10% (poměr plátování je tloušťka plátování dělena tloušťkou celého kompozitního materiálu).

2) Jádro A plátované na obou površích materiálem AA1100 při poměru plátování

15%,

3) Jádro A plátované na jednom povrchu materiálem AA1100 při poměru plátování

30%.

Materiály byly vyrobené použitím laboratorně odlitého materiálu DC ingotu pro vrstvu jádra a výrobně odlitého DC odlitku pro plátovací vrstvu. Materiál jádra a plátovací ingoty se válcovaly za tepla na příslušné rozměry a kompozitní materiály byly sestaveny použitím drátu z nerezavějící oceli. Kompozitní materiál se znovu zahřál na teplotu 482°C a válcoval se za tepla za účelem připojení plátovacího materiálu k materiálu jádra. Výstupní tloušťka kompozitních materiálů měla hodnotu 8,89 mm. Kompozitní materiál se válcoval za studená na přechodnou tloušťku (pro žíhání) s hodnotou 0,254 mm, a dále se žíhal v sérii po dobu dvou hodin při teplotě 399°C. Kompozitní matriál byl podroben konečné studené redukci o 30% na tloušťku 0,178 mm, přitom se vytvořil popuštěný materiál žebra H1X. Vzorky kompozitních materiálů a neplátované chladicí žebro slitinou X3 byly zpracovány podle stejné popouštěcí metody H1X a byly podrobeny simulovanému cyklu pájení při 593°C, a dále byly podrobeny zhodnoceni svých mechanických vlastností a elektrické vodivosti. Výsledky tohoto zhodnocení jsou uvedené v tabulce 2. Z této tabulky je zřejmé, že

-11kompozitní materiál podle tohoto vynálezu vykazuje mnohem lepší hodnotu elektrické vodivosti přes vyšší pevnost u neplátovaného materiálu, čímž se tento materiál stal vhodným kandidátem pro materiál výměníku tepla, který je schopný pájení. Zvýšení hodnoty elektrické vodivosti po pájení z 41,0 % IACS na jednu z hodnot 41,0 % IACS a 44,0 % IACS je významným zvýšením, jelikož takové zvýšení elektrické vodivosti ukazuje na zlepšení tepelné vodivosti, čímž se zlepšuje výměna tepla.

Tabulka 2

Slitina jádra	Plátovací slitina	Strany	Poměr plátování%	Pevnost v tahu po pájení (MPa)	Elektrická vodivost po pájeni (%IACS)
X3	žádná	žádná	žádný	147	41
X3	1100	dvě	10	139	43
X3	1100	dvě	15	134	44
X3	1100	jedna	30	132	44

Byly provedeny další série testů, které sledovaly již zmíněné experimentální procedury pro jádro A a sérii slitiny AA1100, a které používaly další materiály z tabulky 1. Tabulka 3 znázorňuje hodnoty pevnosti v tahu po pájení a vodivosti pro AA1100, plátování X a B, a jádra B-E, dále jak jsou různé materiály ve vzájemném vztahu s definicemi vrstev jádra a plátovacích vrstev, tak jak to již bylo uvedeno. Tabulka 3 uvádí, že plátované materiály mají pevnost v tahu menší jak 103,4 MPa a elektrickou vodivost větší jak 50 % IACS, zatímco všechny slitiny jádra převyšují hodnotu pevnosti v tahu 103,4 MPa a mají vodivost menší jak 50 % IACS.

Tabulka 3. Různé vlastnosti vrstvy jádra plátovací vrstvy

Slitina	Pevnost v tahu (MPa) po pájení	Vodivost po pájení (%IACS)
1100	90	58
PlátX	74	56
Plát Y	48	59
Jádro B	156	45
Jádro C	146	44
Jádro D	145	48
Jádro E	145	45

Tabulka 4 uvádí hodnoty pevnosti v tahu a vodivosti plátovacích vrstev a vrstev jádra zformovaných do kompozitního materiálu. Z této tabulky je zřejmé, že kompozitní materiály po spájení poskytují vynikající hodnoty elektrické vodivosti a pevnosti, čímž se stávají • ·

-12žádoucí všude tam, kde se požaduje dobrá vodivost a pevnost, například u holých chladicích žeber výměníku tepla.

Jak to již bylo uvedeno, nutnou vlastností materiálu určeného pro výměnu teplaje odolnost proti korozi. Tabulka 5 uvádí hodnoty korozní ho potenciálu testovaného matriálu a obr.5 graficky znázorňuje korozní chování při testování SWAAT. Jelikož tento typ testování pod ASTM G85 je dobře známý, není pro pochopení výsledku testu nutné uvádět detaily testování.

Tabulka 4. Vlastnosti vyrobených kompozitních materiálů

Stanovení kompozitního materiálu	Typ jádra	Typ plátování	Poměr tloušťky %	Pevnost po spájení MPa	Vodivost po spájení % IACS	Velikost zrna po spájení μ
Y/B	Jádro B	PlátY	15	121	49	635
Y/B	Jádro B	PlátY	10	125	47	677
Y/C	Jádro C	PlátY	15	121	48	203
Y/C	Jádro C	PlátY	10	129	47	441
X/D	Jádro D	PlátX	15	125	50	597
Y/D	Jádro D	PlátY	10	135	50	251
X/E	Jádro E	PlátX	15	123	47	535
X/E	Jádro E	PlátX	10	138	47	339

Tabulka 5. ASTM G69 Elektrochemický korozní potenciál

Slitina	Korozní potenciál mVvs.S.C.E
1100	-746
PlátX	-892
PlátY	-782
Jádro A	-892
Jádro B	-803
Jádro C	-742
Jádro D	-720
Jádro D	-720

Obr.5 znázorňuje materiály série slitiny AA1100, plát A a plát Y, které mají mnohem zápornější potenciály, a to alespoň o 20mV, než je tomu u některé z jader B-E. Vysoký korozní potenciál jádra A může být přisouzen velkému množství přítomného zinku, a proto se nedá očekávat, že by korozní chování plátu AA1100 na jádru A bylo lepší, než u samotného jádra A.

Významnější hodnoty odporu proti korozi lze získat ovládáním potenciálu plátovací vrstvy tak, aby byl alespoň o 20 mV zápornější než je tomu u materiálu jádra. Podle obr.5

-13• · · • · · • ··· jsou doby odporu proti korozi SWAAT vyznačeny proti různým materiálům včetně holým materiálům jádra a kompozitním materiálům, přitom některé z nich jsou materiály podle tohoto vynálezu. Holé materiály jádra AA3003, AA7013 a jádra B-E bez plátování nevykazují výraznější odpor proti korozi. Kompozitní materiály plátu Y na jádře C a plát X a Y na jádře D vykazují výraznější odpor proti korozi v porovnání s neplátovanými jádry D nebo E. Kompozitní materiály, podle tohoto vynálezu, rovněž vykazují zlepšené hodnoty odporu proti korozi, a to v porovnání se slitinami dosavadního stavu techniky AA3003 a AA7013.

Kompozitní materiál je rovněž prospěšný v tom, že se k vytváření zlepšených pájených výrobků nepožadují neobvyklé a speciální prvky slitin a techniky zpracování. Ve skutečnosti lze využít standardní slitiny na základě vlastností elektrické vodivosti, a to jak pro materiály jádra, tak i pro plátovací materiály používané k vytvoření kompozitního materiálu a výrobku. Podle toho co již bylo uvedeno, slitiny se mohou vyrábět mnohem ekonomičtěji, přitom vzniklé úspory se odráží v nákladech na výrobu pájených výrobků.

Claims

1. Kompozitní materiál ze slitiny hliníku zahrnuje:

a) vrstvu jádra s protilehlými povrchy jádra, kdy je vrstva jádra vytvořená z materiálu první hliníkové slitiny s hodnotou váhového množství hliníku menší jak 99 % a hodnotou váhového množství jednoho nebo více kovových prvků větší jak 1 %, přitom jeden nebo více kovových prvků se nachází v roztoku nebo mimo roztok, přitom zvyšují pevnost materiálu první hliníkové slitiny tak, že hodnota pevnosti v tahu materiálu první hliníkové slitiny je větší jak 103,4 MPa a hodnota elektrické vodivosti je menší jak 50 % IACS,

b) alespoň jednu plátovací vrstvu s protilehlými povrchy, přitom jeden protilehlý povrch se nachází u jednoho z protilehlých povrchů jádra a je vystavený fúzi s jinou složkou hliníku, kdy alespoň jedna plátovací vrstva je vytvořená z materiálu druhé hliníkové slitiny s obsahem váhového množství kovových prvků menším jak 1%, takže materiál druhé hliníkové slitiny má hodnotu pevnosti v tahu menší než 103,4 MPa, dále má váhové množství dalších kovových prvků s hodnotou od 0 do 2,5 %, které s nachází v roztoku a zvyšují korozní potenciální negativitu, čímž korozní potenciál materiálu druhé hliníkové slitiny je alespoň o 20 mV zápornější než je korozní potenciál materiálu první hliníkové slitiny vrstvy jádra, a dále má hodnotu elektrické vodivosti větší jak 50% IACS.

2. Kompozitní materiál podle nároku 1,vyznačující se tím, že vrstva jádra je vytvořena z jedné ze sérií AA3000, AA6000 a AA8000 slitin hliníku a plátovací vrstva je vytvořená z jedné ze sérií AA1000 a AA7000 slitin hliníku. ,

3. Kompozitní materiál podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že alespoň jedna plátovací vrstva zahrnuje dvě plátovací vrstvy v blízkosti příslušného protilehlého povrchu vrstvy jádra, kde každý z jiných protilehlých povrchů plátovacích vrstev je vystaven procesu pájení.

4. Kompozitní materiál podle kteréhokoliv nároku laž 3, vyznačující se tím, že materiál jádra a plátovací vrstvy je materiálem ve formě tenké vrstvy.

5. Kompozitní materiál podle kteréhokoliv nároku laž 4, vyznačující se tím, že materiál jádra má první tloušťku a alespoň jedna plátovací vrstva má druhou tloušťku,

-15přitom poměr hodnoty každé druhé tloušťky ke kombinaci hodnot první a druhé tloušťky leží v rozsahu 5 až 40 %.

ó.Kompozitní materiál podle nároku 3, vyznačující se tím, že materiál jádra má první tloušťku a alespoň jedna plátovací vrstva má druhou tloušťku, přitom poměr hodnoty každé druhé tloušťky ke kombinaci hodnot první a druhé tloušťky leží v rozsahu 2,5 až 20 %.

7. Kompozitní materiál podle kteréhokoliv nároku laž 6, vyznačující se tím, že vrstvu jádra tvoří série AA3000 slitiny hliníku a alespoň jednu plátovací vrstvu tvoří série AA1000 slitiny hliníku.

8. Způsob vytváření spájeného výrobku spájením alespoň dvou komponent slitin hliníku k sobě zahrnuje:

a) poskytnutí kompozitního materiálu ze slitiny hliníku včetně

i) vrstva jádra s protilehlými povrchy jádra, která je vytvořená z materiálu první hliníkové slitiny s hodnotou váhového množství hliníku menší jak 99 % a s hodnotou váhového množství jednoho nebo více kovových prvků větší jak 1 %, přitom jeden nebo více kovových prvků se nachází ve slitině nebo mimo ní a zvyšuje pevnost materiálu první slitiny hliníku tak, že materiál první slitiny hliníku má hodnotu pevnosti v tahu větší jak 103,4 MPa a hodnotu elektrické vodivosti menší jak 50 % IACS, ii) alespoň jednu plátovací vrstvu s protilehlými povrchy, kdy jeden z protilehlých povrchů se nachází u jednoho protilehlého povrchu jádra, přičemž alespoň část jiných protilehlých povrchů je vystavená fúzi s jinou komponentou z hliníku, kdy alespoň jedna plátovací vrstva, zhotovená z materiálu druhé slitiny hliníku, má hodnotu váhového množství jednoho nebo více kovových prvků menší jak 1 %, takže materiál druhé slitiny hliníku má hodnotu pevnosti v tahu menší jak 103,4 MPa a obsahuje v roztoku 2,5 % váhového množství jiných kovových prvků a má vyšší korozní potencionální negativitu, takže korozní potenciál materiálu druhé slitiny hliníku je o alespoň 20mV zápornější než je hodnota korozního potenciálu materiálu první slitiny hliníku vrstvy jádra, přitom hodnotu elektrické vodivosti má větší jak 50 % IACS,

b) poskytnutí alespoň jedné pájené plátované komponenty slitiny hliníku,

-Ιός) připájení alespoň jedné pájené plátované komponenty slitiny hliníku k Části exponovaného protilehlého povrchu slitiny hliníku, a to s cílem vytvoření spájeného výrobku.

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že krok pájení dále zahrnuje použití tavidlá pro pájení s ovládanou atmosféru.

10. Způsob podle nároku 8 nebo 9, vyznačující se tím, že kompozitním materiálem slitiny hliníku je materiál holého chladicího žebra výměníku tepla a pájenou plátovanou komponentou slitiny hliníku je pájené plátované potrubí.

11. Způsob podle kteréhokoli nároku 8 až 10, v y z n a č u j í c í se t í m , že pár plátovacích vrstev se nachází u každého protilehlého povrchu vrstvy jádra a komponenta slitiny hliníku je připájená ke každému exponovanému povrchu plátovacích vrstev.

12. Způsob podle kteréhokoli nároku 8ažll, vyznačuj ící se tím, že vrstva jádra je vytvořená z jedné ze sérií AA3000, AA6000 a AA8000 slitiny hliníku a plátovací vrstva je vytvořená z jedné ze sérií AA1000 a AA7000 slitiny hliníku.

13. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že vrstva jádra je vytvořená z jedné ze sérií AA3000, AA6000 a AA8000 slitiny hliníku a plátovací vrstva je vytvořená z jedné ze sérií AA1000 a AA7000 slitiny hliníku.

14. Způsob výroby kompozitního materiálu slitiny hliníku zahrnuje:

a) poskytnutí vrstvy jádra s protilehlými povrchy jádra, která je vytvořená z materiálu první slitiny hliníku s 99 % váhového množství hliníku a více jak 1 % váhového množství jednoho nebo více kovových prvků, kdy jeden nebo více kovových prvků se nachází v roztoku nebo mimo něj, přitom zmíněné prvky zvyšují pevnost materiálu první slitiny hliníku tak, že materiál první slitiny hliníku má hodnotu pevnosti v tahu větší jak 130,4 MPa a hodnotu elektrické vodivosti menší jak 50 % IACS,

b) poskytnutí alespoň jedné plátovací vrstvy vytvořené z materiálu druhé slitiny hliníku, který obsahuje méně než 1 % váhového množství jednoho nebo více kovových prvků, takže materiál první slitiny hliníku má hodnotu pevnosti v tahu menší jak 103,4 MPa, • «

-17obsahuje jiné kovové prvky v množství 0 až 2,5 % váhového množství, které jsou obsaženy v roztoku a má zvýšenou negativitu korozního potenciálu, takže korozní potenciál materiálu druhé slitiny hliníku je alespoň o 20mV zápornější než je tomu u materiálu první slitiny hliníku, a dále má hodnotu elektrické vodivosti větší než 50 % IACS,

c) potažení materiálu jádra alespoň jedním plátovacím materiálem pro vytvoření kompozitního materiálu ze slitiny hliníku, a to s alespoň jednou vrstvou plátovacího materiálu u materiálu jádra a s alespoň částí plátovací vrstvy určenou k pájení po kroku potažení.

15. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že materiál jádra zahrnuje první tenkou vrstvu a alespoň jeden plátovací materiál zahrnující druhou tenkou vrstvu, kde krok potažení zahrnuje naválcování a spojení první a druhé tenké vrstvy na sebe, a to s cílem vytvořit kompozitní materiál ze slitiny hliníku.

16. Způsob podle nároku 14 nebo 15, vyznačující se tím, že plátovací materiál se nachází v pevném nebo roztaveném kovovém stavu, kde krok potažení zahrnuje uložení plátovacího materiálu na materiál jádra s cílem vytvořit kompozitní materiál ze slitiny hliníku.

17. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že krok uložení zahrnuje nástřik.

18. Způsob podle kteréhokoli nárokul4 až 17, vyznačující se tím, že materiál jádra je vytvořen z jedné ze sérií slitin hliníku AA3000, AA6000 a AA8000 a plátovací materiál je vytvořen z jedné ze sérií slitin hliníku AA1000 a AA7000.

19. Materiál holého chladicího žebra výměníku tepla zahrnuje:

a) vrstvu jádra s protilehlými povrchy jádra, která je vytvořená z materiálu první slitiny hliníku s 99 % váhového množství hliníku a více jak 1 % váhového množství jednoho nebo více kovových prvků, kdy jeden nebo více kovových prvků se nachází v roztoku nebo mimo něj, přitom zmíněné prvky zvyšují pevnost materiálu první slitiny hliníku tak, že

-18• · ···· materiál první slitiny hliníku má hodnotu pevnosti v tahu větší jak 130,4 MPa a hodnotu elektrické vodivosti menší jak 50 % IACS,

b) alespoň jednu plátovací vrstvu s protilehlými povrchy, kdy jeden z protilehlých povrchů se nachází u jednoho protilehlého povrchu jádra, přičemž alespoň část jiných protilehlých povrchů je vystavená fůzi s jinou komponentou z hliníku, kdy alespoň jedna plátovací vrstva zhotovená z materiálu druhé slitiny hliníku má hodnotu váhového množství jednoho nebo více kovových prvků menší jak 1 %, takže materiál druhé slitiny hliníku má hodnotu pevnosti v tahu menší jak 103,4 MPa a obsahuje v roztoku 2,5 % váhového množství jiných kovových prvků a má vyšší negativitu korozního potencionálu, takže korozní potenciál materiálu druhé slitiny hliníku je o alespoň 20mV zápornější než je hodnota korozního potenciálu materiálu první slitiny hliníku vrstvy jádra, přitom hodnotu elektrické vodivosti má větší jak 50 % IACS.

20. Materiál holého chladicího žebra podle nároku 19, vyznačující se tím, že alespoň jedna plátovací vrstva zahrnuje dvě plátovací vrstvy, kdy každá plátovací vrstva se nachází u příslušného protilehlého povrchu vrstvy jádra, kde každý z protilehlých povrchů plátovací vrstvy je vystaven procesu pájení.

21. Materiál holého chladicího žebra podle nároku 19 nebo 20, vyznačující se tím, že materiál jádra má první tloušťku a alespoň jedna plátovací vrstva má druhou tloušťku, přitom poměr druhé tloušťky vůči kombinaci první a druhé tloušťky má hodnotu mezi 5 a 40 %.

22. Materiál holého chladicího žebra podle kteréhokoliv nároku 20 až 21, vyznačující se tím, že materiál jádra má první tloušťku a alespoň jedna plátovací vrstva má druhou tloušťku, přitom poměr druhé tloušťky vůči kombinaci první a druhé tloušťky má hodnotu mezi 5 a 40 %.

23. Ve výměníku tepla, který zahrnuje množství trubek plátovaných slitinou hliníku a materiál chladicích žeber ze slitiny hliníku připájený mezi sousední plátované trubky, kdy zlepšení zahrnuje materiál chladicího žebra ze slitiny hliníku, který je materiálem holého chladicího žebra výměníku tepla podle kteréhokoliv nároku 19 až 22.