CZ20032467A3

CZ20032467A3 - Slitina hliníkuŹ výrobek ze slitiny hliníkuŹ zdokonalení výměníku teplaŹ způsob výroby slitiny hliníku a způsob výroby výměníku tepla

Info

Publication number: CZ20032467A3
Application number: CZ20032467A
Authority: CZ
Inventors: Renábaolute
Original assignee: Alcoaáinc
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2004-05-12
Also published as: AU2008202738B2; DE60211879T2; CZ304962B6; US6602363B2; KR20030087013A; HU226507B1; EP1381700A1; HUP0303218A3; US6660107B2; ATE328131T1; DE60211879D1; ES2260431T3; PL198792B1; JP2004520488A; CA2438883C; US20030029529A1; US20010032688A1; CN1496417A; BR0208080B1; DK1381700T3

Description

Oblast techniky

Vynález se týká hliníkové slitiny a způsobu její výroby a používání, a zejména hliníkové slitiny obsahující řízená množství železa, manganu, chrómu a titanu a řízené podíly zinku pro odolnost proti korozi, zejména odolnost proti mezikrystalové korozi.

Dosavadní stav techniky

V dosavadním stavu techniky byla vyvinuta řada hliníkových slitin odolných proti korozi pro použití v zařízeních s kruhovými a plochými potrubími, jako výměnících tepla, obzvláště kondenzátorech. Některé z těchto slitin jsou popsány v patentových spisech USA č.5 906 689 a 5 976 278 (oba Sircar). Patentový spis USA č.5 906 689 popisuje hliníkovou slitinu používající obsah manganu a titanu a malá množství mědi a zinku. Patentový spis USA č.5 976 278 popisuje hliníkovou slitinu s řízenými obsahy manganu, zirkonia, zinku a malá množství mědi a titanu. Řešení dle patentu USA č.5 976 278 se liší od řešení dle patentu USA č.5 906 689 v řadě hledisek, včetně příkladného uvádění vyšších množství manganu a použití zirkonia.

Oba tyto patenty jsou určeny pro výrobu korozně odolných hliníkových slitin pomocí řízení chemického složení. Jedem z důvodů lepší odolnosti proti korozi ve slitině podle • · · · · · • ·

-2USA č.5 906 689 je snížení obsahu intermetalické sloučeniny Fe-jAl, jaký je zjišťován ve slitinách dle dřívějšího stavu techniky jako AA3102. Zatímco korozní odolnost je zlepšena, má však tato slitina snížený počet intermetalických látek a může postrádat potřebnou tvarovatelnost v určitých oblastech použití, například při výrobě sestav pro výměníky tepla.

Slitiny dle patentu USA č.5 976 278 mohou také postrádat v určitých případech tvarovatelnost v důsledku přítomnosti jehlovítých intermetalických sloučenin, jakými jsou zpravidla MnAlg.

Na základě těchto nedostatků byly navrženy zlepšené hliníkové slitiny, a to v patentové přihlášce 09/564 053 podané 3.05.2000, která je založena na prozatímní přihlášce č.60/171 598 podané 23.12.1999 a přihlášce č.09/616 015 podané 13.07.2000. V těchto zdokonalených slitinách je zlepšeno rozdělení intermetalických látek a chemie částic intermetalických látek je kontrolována pro zlepšenou tvarovatelnost, odolnost proti korozi, tvářitelnost za tepla a pájíte lnost. Tyto slitiny se také vyznačují jemnozrnnou strukturou v tvářeném výrobku, zejména ve slitinách použitých v tenkostěnných konstrukcích, jako jsou ploché nebo vícedutinové trubky. Zvyšováním počtu zrn prostřednictvím zvýšení jemnosti velikosti zrn se dráha podél zrn stane nepřímější a korozi podél hranice zrn je bráněno.

Tyto zdokonalené hliníkové slitiny však stále mají nedostatky pokud jde o opotřebení nástrojů a vysoké tvářecí tlaky. V určitých případech použití se slitiny vyznačují vy-3• · · • ΜΗ · sokými deformačními napětími, průtlačné lisování se stává obtížnější a zvětšuje se opotřebení při průtlačné lisování.

Zatímco tyto zdokonalené hliníkové slitiny vykazují výbornou odolnost proti korozi v podmínkách SWAAT, mezikrystalová koroze na hranicích zrn je stále převládajícím korozním mechanismem a koroze může být problémem přes výhodnou chemii intermetalických látek a jemnost zrna. Mezikrystalová koroze může působit obzvláštní obtíže, jakmile jsou trubky spojeno pájením s žebrovým tenkým pásovým materiálem (finstock) v sestavě kondenzátoru apod. Sestava trubky a žebrového tenkého pásového materiálu především vytváří galvanický článek vzhledem k potenciálnímu rozdílu mezi žebrovým materiálem jednoho složení a trubkou jiného složení a může vzniknout galvanická koroze. Dále může být korozní potenciální rozdíl mezi určitými žebrovými tenkými pásovými materiály a trubkami významné a v těchto případech mohou trubky, které je zvlášť, náchylné na mezikrystalovou korozi, rychle degradovat. Taková degradace může působit obzvláštní obtíže, když jsou trubky tenkostěnné strubky, například mikro-vícedutinové kondenzátorové trubky. Při malých tloušťkách stěn a mechanismu mezikrystalové koroze může galvanická koroze podél hranic zrn poškodit celistvost stěny do té míry, že se trubka perforuje a celá sestava kondenzátoru musí být vyměněna.

Jiný problém s těmito zdokonalenými slitinami spočívá v tom, že v některých případech musí být tvářený nebo průtlačně lisovaný výrobek dále tvářen za studená nebo tažen pro splnění rozměrových omezení výrobku. Toto přídavné tváření za studená má za následek vyšší energii uloženou do

matrice materiálu a tato vyšší akumulovaná energie se projeví jako zvětšená zrna při následujícím pájecím cyklu. I když jsou tyto materiály navrženy k tomu, aby měly jemnou velikost zrna pro zvládnutí mezikrystalové koroze, nezajišťuje tak vždy vytvoření jemných zrn v předpájeném výrobku, že materiál bude mít přiměřenou ochranu proti korozi v jeho konečném sestaveném stavu.

Vzhledem k těmto problémům existuje potřeba vytvořit hliníkové slitiny se zlepšenou odolností proti korozi a s menší citlivostí na velikost zrna.

Prvním cílem vynálezu ve vytvořit zlepšenou hliníkovou slitinu, která by vykazovala výbornou odolnost proti korozi, neměla by mezikrystalovou korozi jako hlavní korozní mechanismus a byla by méně citlivá na požadavky jemnosti velikost zrn pro ovládání koroze.

Dalším cílem vynálezu je přinést hliníkovou slitinu používající kontrolovatelné obsahy železa, manganu, zinku a titanu.

Jedním z dalším cílů vynálezu je vytvořit způsob použití hliníkových slitin jako složek při pájení, při němž by podobné elektrochemické potenciály matrice a hranic zrn součástek minimalizovaly korozi podél hranic zrna, zejména tam, kde může docházet ke galvanické korozi. Součástkami mohou být plech, trubky apod.

Ještě dalším cílem vynálezu je vytvořit způsob výroby hliníkové slitiny, při němž by poměr obsahu manganu k žele• · · ·

-5zu, poměr obsahu chrómu k titanu a obsah zinku byly během výroby řízeny pro snížení náchylnosti slitiny ke korozi podél hranic zrn, když se používá.

Podstata vynálezu

Vynález tedy řeší výše uvedené problémy vytvořením hliníkové slitiny používající kontrolovaná množství železa, manganu, chrómu a titanu, v důsledku čehož elektrolytický potenciál hranic zrn v podstatě odpovídá potenciálu materiálu matrice a přednostní koroze podél hranic zrn je minimalizována. Toto přizpůsobení potenciálů umožňuje silnou ochranu i v situacích, kdy dochází ke galvanické korozi, t.j. hranice zrn nekorodují přednostně vzhledem k materiálu matrice a materiál koroduje homogennějším způsobem.

Pro zajištění výše uvedených cílů přináší vynález zdokonalení z hlediska dlouhodobé životnosti u hliníkových slitin používajících nízkého obsahu mědi, a mangan, železo, zinek, titan a zirkonium jako legující prvky pro odolnost proti korozi, pájitelnost, tvárnost a tvářitelnost za tepla. Navrhovaná slitina hliníku sestává v podstatě z, v procentech hmotnosti:

od přibližně 0,05 do přibližně 0,5% křemíku množství železa od přibližně 0,05% až do 1,0%, množství manganu až přibližně 2,0%, méně než 0,1% zinku, až přibližně 0,10% hořčíku, až přibližně 0,10% niklu, až přibližně 0,5% mědi od přibližně 0,03% do přibližně 0,50% chrómu, od přibližně 0,03% do přibližné 0,35% titanu,

6* ···«*« » ψ · » » — ··· · · · · · • · · · · · · · · ·· ·· a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od přibližně 2,0 do přibližně 6,0 a obsahy chrómu a titanu jsou řízené tak, že poměr chrómu k titanu od od 0,25 do 2,0.

Ve výhodnějších provedeních se může složení slitiny obměňovat v obsažených množstvích manganu, železa, chrómu, titanu, podílu mědi a zinku následovně:

Obsah titanu může být od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.% , s výhodou od přibližně 0,08 hmotn.% do přibližně 0,25 hmotn.%. Obsah chrómu je od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.%, s výhodou od přibližně 0,08 hmotn.% do přibližně 0,25 hmotn.%. Podíly zinku mohou být menší než 0,06 hmotn.% a poměr obsahu chrómu k obsahu titanu může být od přibližně 0,5 do přibližně 1,5.

Vynález se také týká použití slitiny v použitích, kde se výrobek pájí, zejména jako část výroby sestav pro výměníky tepla. Slitina je zvlášť: účinná v sestavách, kde je použita jako potrubí, buď kruhového průřezu nebo ploché, a je pájena k odlišným materiálům jako je žebrový materiál, sběrače a rozdělovače a jiné části výměníků tepla.

Při výrobě slitiny se složení řídí tak, aby poměry obsahu manganu k obsahu železa a obsahu chrómu k obsahu titanu byly nastaveny v uvedených mezích poměrů.

Slitina může být zpracována do jakéhokoli výrobku použitím běžných procesů odlévání, homogenizace, tváření za tepla a za studená, tepelného zpracování, stárnutí, dokončo-Ί• · • · A · · · • · · · ♦ • · MM · A •AA A A A··· • A · ·· · ··· «· ·· vacího zpracování apod. Výrobky mohou být rovněž použity v kombinaci s jinými výrobky a součástkami.

Vynález přináší podstatné výhody v oblasti korozně odolných slitin hliníku, zejména těch, které se používají pro výrobu trubek, a to jak s kruhovým průřezem tak i plochých, pro výměníky tepla jaké se používají pro vozidla, například kondenzátory, a jiná použití, jako klimatizační zařízení, chladničky, apod.

Vynález se liší od principů dosavadního stavu techniky spočívajících v řízené chemii intermetalických látek a volbě jemných velikostí zrn pro bránění korozi. Slitiny podle vynálezu používají obsahy a poměry obsahů legovacích prvků tak, že se vzájemně přizpůsobí elektrochemický potenciál matrice slitiny a hranic zrn. Specifikováním a řízením obsahů legovacích prvků a jejich poměru může být udržována rovnováha mezi elektrochemickým potenciálem matrice a hranic zrn, t.j. rozdíl mezi korozním potenciálem hranic zrn a matrice je mininalizován. S takovou rovnováhou buď není lokální článkové působení hranic zrn aktivováno nebo je aktivace významně snížena nebo minimalizována. Toto vzájemné přizpůsobení potenciálů významně zlepšuje životnost trubek, když jsou sestaveny do zařízení, které nezbytně vystavují trubky prostředí vedoucímu ke korozi, a je zvlášť účinné proti prostředím, kde galvanická koroze může být problémem. Vynález také snižuje požadavky na potřebu jemné velikost zrn a správnou chemii částic ve slitině, jako je tomu u slitin dle dosavadního stavu techniky.

Dalším znakem vynálezu je to, že řízení korozního po99 9999

-8·· «9 9 · ·

9 9 9 9

9 · 9 9 9

9 9 · · 9

999 999 ·9 99 tenciálu hranic zrn a matrice snižuje citlivost materiálu na velikost zrna a požadavek na určitý procentuelní obsah intermetalických látek. To znamená, že jelikož je mezizrnné napadení na hranicích zrn významně sníženo nebo vyloučeno, může mít materiál větší velikost zrn bez ztráty odolnosti proti korozi. Tato tolerance vůči větší velikosti zrna je významná v oblastech použití, kde dokončený materiál může být podroben dalšímu zpracování za studená, například tažení. V takových procesech bude docházet k tomu, že i když bude velikost zrna vzrůstat v důsledku tažení, odolává slitina lokalizované korozi na hranicích zrn místo aby korodovala obecnějším nebo homogenním způsobem. Snížením potřeby mít jemnou velikost zrn, je také požadavek mít určitý počet jemných intermetalických látek pro řízení velikosti zrna během zpracování a/nebo v podmínkách výroby, například v protlačovacích nebo pájecích cyklech, méně kritický. Řízení složení slitiny podle vynálezu tak přináší nejen významná zdokonalení z hlediska koroze, ale také usnadňuje řízení velikosti zrna a chemie potřebné pro slitiny dle dosavadního stavu techniky. Slitina se tak dá uživatelsky jednodušeji (více user friendly) vyrábět, zejména jako výrobky ve formě trubek pro použití v sestavách jako jsou výměníky tepla.

Vynález spočívá ve zlepšení vůči sloučeninám, podrobně popsaným v patentových přihláškách č.09/564 053 a 09/616 015. Navrhovaná slitina hliníku spočívá ve zdokonalení v tom, že obsahy zinku, chrómu a titanu jsou nyní řízené ve spojitosti s řízením poměru obsahu manganu a železa, jak je popsáno v patentové přihlášce 09/564 053.

Slitina hliníku podle vynálezu sestává v podstatě z,

-9v procentech hmotnosti:

od přibližně 0,05 do přibližně 0,5% křemíku množství železa od přibližně 0,05% až do 1,0%, množství manganu až přibližně 2,0%, méně než přibližně 0,1% zinku, tedy na úrovni nečistoty, až přibližně 0,10% hořčíku, až přibližně 0,10% niklu, až přibližně 0,5% mědi od přibližně 0,03% do přibližně 0,50% chrómu, od přibližně 0,03% do přibližně 0,35% titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od přibližně 2,0 do přibližně 6,0 a obsahy chrómu a titanu jsou řízené tak, že poměr chrómu k titanu od od 0,25 do 2,0.

Přednostními poměry obsahu chrómu k obsahu titanu j sou od 0,5 do 1,5, s výhodou od 0,8 do 1,2.

Pokud jde o obsah titanu, jsou přednostní obsahy titanu od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.%, s výhodou od 0,08 do 0,25 hmotn.% a nejvýhodněji od 0,10 do 0,20 hmotn.%. Podobně jsou přednostní obsahy chrómu od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.%, s výhodou od 0,08 do 0,25 hmotn.% a nejvýhodněji od přibližně 0,10 do přibližně 0,20 hmotn.%. Obsahy chrómu a titanu jsou nastavené tak, aby splňovaly výše uvedené poměry.

Další výhodná provedení zahrnují specifikování dolního rozmezí pro poměr obsahů Mn/Fe na hodnotu přibližně 2,26 nebo i 2,5. Horní velikost poměru obsahů Mn/Fe může být od hodnoty 6,0, uvedené výše, k přednostní horní mezi 5,0, ješ·· · ·· ····

-10• · · «· • · · · 9 • ······ · • · · · • · · · · · • · · · ·· «· tě výhodnější horní mezi 4,0 a nejvýhodnější mezi přibližně 3,0.

Pokud jde obsah železa, je přednostní horní mez přibližně 0,7 hmotn.%, výhodněji přibližně 0,5 hmotn.%, a ještě výhodněji přibližně 0,4 hmotn.%, 0,3 hmotn.% a 0,2 hmotn.%. V přednostním provedení je celkový obsah železa a manganu vyšší než přibližně 0,30 hmotn.%. Podobně je, pokud jde o obsah manganu, přednostní horní mez od hodnoty přibližně 2,0 hmotn.%, uvedené výše, k přednostní hodnotě přibližně 1,5 hmotn.%, výhodnější hodnotě 1,0 hmotn.%, a ještě výhodnějším hodnotám přibližně 0,75 hmotn.% a dokonce i 0,7 hmotn.%, 0,6 hmotn.%, 0,5 hmotn. nebo i větší než 0,4 hmotn.%.

Přednostní dolní mez obsahu železa je 0,10 hmotn.%. Přednostní dolní mez obsahu manganu je přibližně 0,5 hmotn.%.

Jiné výhodné rozmezí obsahu železa je od přibližně 0,07 hmotn.% do přibližně 0,3 hmotn.%, s rozmezím obsahu manganu od přibližně 0,5 hmotn.% do přibližně 1,0 hmotn.%.

Množství zinku je považováno jako množství mající povahu nečistot a při řízení obsahu chrómu a titanu není zinek používán v žádných účinných podílech. Obsah zinku, mající povahu nečistot, je nastaven na hodnotu přibližně 0,10 hmotn.%, ale může být mnohem těsněji ovládán na úrovně nižší než 0,08 hmotn.%, nižší než 0,06 hmotn.% a dokonce i nižší než 0,05 hmotn.%, například 0,02 nebo 0,03 hmotn.%. Vynález se v tomto ohledu významně odlišuje od slitin dle dosavadní19 ♦···

-ll·· ·· 1 · · • · 9 11

19 19 1

1 1 1 · · · 19· 11 ho stavu techniky, kde se předpokládalo, že zinek je významný činitel přispívající k celkovým vlastnostem těchto slitin s vysokou životností. Jak bude ukázáno v dalším popisu, může být přítomnost zinku účinná při ovládání koroze v podmínkách podobných těm, jaké se zjišůují při zkoušení SWAAT. Předpokládá se však, že přítomnost zinku přispívá k mezikrystalové korozi v těchto sloučeninách obsahujících zinek a koroze podél hranic zrn může vést i ke zvýšeným rychlostem koroze při náležitých podmínkách, například ke galvanické korozi.

Při řízení obsahu železa, manganu, chrómu a titanu je slitina tolerantnější pokud jde o obsah mědi. U slitin dle dosavadního stavu techniky se totiž předpokládalo, že podíly mědi by měly být minimalizovány. Změněním primárního korozního mechanismu z mezikrystalového na takový, který postihuje jak matrici tak i hranice zrn podobným způsobem, se však mohou podíly mědi zvýšit až na 0,5 hmotn.%, výhodněji až na 0,35 hmotn.%, až na 0,20 hmotn.%, až na 0,1 hmotn.% a eventuelně na 0,05 hmotn.%. Cílem je zajistit, aby obsah mědi byl takový, že měď přítomná ve slitině je v roztoku spíše než v množství, které může způsobit její precipitaci (intermetalické látky obsahující měď jsou pro odolnost proti korozi nežádoucí).

Vynález také přináší způsob výroby výrobků při použití slitiny složení podle vynálezu, a to tavícími a odlévacími postupy, jaké jsou známé v oboru. Během tavení a/nebo odlévání je složení slitiny řízeno tak, že se dosáhne náležitých obsahů a poměrů manganu a železa a chrómu a titanu. Podíly zinku, jak je uvedeno výše, jsou také řízeny. Jakmile je správná slitina roztavena a odlita, může být odlitý tvar

-1299 · • · · • 9 9 9 • 9 9999

9 9

9

9999

999

9 9

9 9 9

99 zpracováván na výrobek nebo sestavu při použití běžných zpracovávacích postupů.

Jedním z přednostních použití vynálezu je zpracovávání slitiny hliníku na trubky pro výměníky tepla. Tyto trubky (potrubí) jsou často vyráběny protlačováním litého a/nebo tvářeného tvaru, jako je ingot. Ingot je podroben vhodnému ohřevu pro průtlačné lisování, a je tepelně zpracováván a/nebo žehlazován/podrobován stárnutí odpovídajícím způsobem, závislým na požadovaných koncových vlastnostech. Trubky potom mohou být sestavovány s dalšími součástkami, například rozdělovači a sběrači, žebrovými tenkými pásovými materiály (finstock) a podrobovány pájecímu cyklu pro vzájemné spojování různých částí dohromady do celistvé sestavy.

Slitina podle vynálezu je zvlášť žádoucí, když je spojena s jinými materiály, které by mohly vyvolat vznik galvanických korozních jevů. Slitina podle vynálezu, at je ve formě trubek, kruhového průřezu nebo plochých, nebo plechu nebo jiného tvarovaného výrobku, tak koroduje homogennějším způsobem než výrobky podle dosavadního stavu techniky, jejichž chemie je náchylná k mezikrystalové korozi. Například může žebrový tenký pásový materiál (finstock), který je připájen k trubkám do sestavy výměníku tepla, vytvořit za určitých korozních podmínek s trubkami galvanický článek. Použitím chemie slitiny, která snižuje nebo odstraňuje potenciální rozdíl mezi hranicemi zrn a matricí, mohou být významně sníženy mezikrystalové korozní jevy a slitina koroduje celkovým a homogenním způsobem. Tato homogenní koroze má za následek celkové poškození povrchu materiálu, a rychlé a lokalizované korozi podél hranic zrn a následnému ·· ♦ • Φ ··*·

-13• · · φ φ • · ···· φ φ φ φ φ φ φφ φ φφφ φ • φ φ φφφ φ φ φ φ φ · φ φφ φφ porušení trubek se zamezí.

I když slitina podle vynálezu je přednostně používána v průtlačném lisování pro výrobu trubek, zejména pro průtlačené lisování určené pro výrobu trubek pro výměníky tepla, slitina může být také zpracována na plechový produkt nebo jiné tvary a být použita v oblastech, kde je důležitá tvarovatelnost.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr.l graf porovnávající závislost proudové hustoty na čase a potenciálu na čase pro slitinu hliníku obsahující zinek a titan a odlišné žebrové pásové materiály, v roztoku SWAAT, obr.2 graf porovnávající závislost proudové hustoty na čase a potenciálu na čase pro slitinu hliníku obsahující chrom a titan a odlišné žebrové pásové materiály, v roztoku SWAAT, obr.3 mikrofotografii ukazující vzorek mezikrystalové koroze u slitiny dle dosavadního stavu techniky a obr.4 mikrofotografií ukazující homogenní korozi slitiny podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

V souvislosti s vynálezem byly provedeny vyšetřovací studie řady slitin hliníku se zaměřením na problém mezikrystalové koroze. Tab.l ukazuje prvky řady experimentálních materiálů. Jsou uvedeny pouze obsahy železa, manganu, chrómu, zinku a titanu, protože tyto prvky jsou považované za ty, které ovlivňují vlastnosti slitiny hliníku pro uvažovaná použití. Jiné prvky jako křemík, měď, nikl a nečistoty, jakož i hli·· ···· níkový zbytek spadají do rozmezí uvedených výše.

TAB.l

Složení experimentálních materiálů*

Slitina	Fe	Mn	Cr	Zn	Ti
1	0,54	0,01	0,005	0,02	0,01
2	0,21	0,70	0,001	0,02	0,02
3	0,21	0,71	0,001	0,02	0,17
4	0,20	0,70	0,001	0,18	0,03
5	0,13	0,52	0,11	0,03	0,02
6	0,14	0,53	0,12	0,32	0,03
7	0,16	0,59	0,001	0,17	0,12
8	0,16	0,60	0,001	0,17	0,15
9	0,14	0,52	0,11	0,03	0,10
10	0,15	0,53	0,11	0,31	0,10
11	0,19	0,68	0,005	0,18	0,14
12	0,24	0,68	0,001	0,16	0,15
*Složení	slitiny	neuvádí	obsahy i	Si, Cu, Ni,	hliníkového
zbytku a	dalších	nečistot
Ve	slitinách 1-12 v	tab.l se	obsahy legovacích prvků
liší. Například slitina 1 se	liší od slitin 2-12	v poměrech
obsahů manganu k	železu, kde	slitina	1 reprezentuje typickou

slitinu AA1100. Slitina 1 má vysoký obsah železa a nízký obsah manganu pro dosažení nízkého poměru Μη/Fe, zatímco slitiny 2-12 mají nižší obsah železa a vyšší obsah manganu pro získání vyššího poměru Mn/Fe. Například má slitina 2 poměr Mn/Fe 3,3. Poměr Μη/Fe se zpravidla udržuje stejný pro slitiny 2-12 (přibližně mezi 3,0 a 4,0) není dále uváděn pro slitiny 3.12. Změny v obsazích chrómu, zinku a titanu pro

-150 · • · · • ···· • · · ·· · ·· ·· ♦ · « • · · · · * · · · · · φ • · · · · · ♦ ·· ··· «· ·· tab.l a shrnuté níže jsou založeny na podílech zjištěných ve slitině 1, která je v podstatě bezchromová, bezzinková a beztitanová. To znamená, že slitina, která by byla podobná slitině 1, ale s přidáním chrómu, by byla popisována jako mající obsah chrómu. Následující popis uvádí přítomnost legovacích prvků pro každou ze slitin 1-12.

Slitina 1:

Nízký poměr manganu k železu, žádný chrom, žádný zinek, žádný titan.

Slitina 2:

Vysoký poměr obsahu manganu k obsahu železa, se v podstatě stejnými podíly na úrovni nečistot jako u slitiny 1 pokud jde o chrom, zinek, a titan

Slitina 3:

Žádný chrom, žádný zinek, obsah titanu.

Slitina 4:

Žádný chrom, obsah zinku, žádný titan.

Slitina 5:

Obsah chrómu, žádný zinek, žádný titan.

Slitina 6:

Obsah chrómu, obsah zinku, žádný titan.

Slitina 7:

Žádný chrom, obsah zinku, obsah titanu.

• · · · · ··· · · · · · • « · · · · · • ··«··· · · ·· • · · · · · • · a a · ··· • · • ·· ·

-16··

Slitina 8:

Podobně jako slitina 7, žádný chrom, obsah zinku a obsah titanu, přičemž obsah titanu je o něco vyšší než u slitiny 7.

Slitina 9:

Obsah chrómu, žádný zinek, obsah titanu.

Slitina 10:

Obsah chrómu, obsah zinku, obsah titanu.

Slitina 11:

Žádný chrom, žádný zinek, obsah titanu.

Slitina 12:

Podobně jako slitina 11, žádný chrom, obsah zinku a obsah titanu.

Každá ze slitin 1-12 byla podrobena korozní zkoušce SWAAT podle ASTM G85 A3. Jelikož je postup korozního zkoušení dobře známý, není další popis jeho podrobností považován za potřebný pro pochopení vynálezu. Výsledky zkoušení pro různá časová údobí, např. 20, 30 a 40 dní jsou uvedeny v tab.II.

TAB.2

Korozní výsledky (počet vzorků, který prošel zkouškou SWAAT)*

Slitina dní 0 5 dní dní ····

-17• 4 • 4 4 • 4···

5 4

5 5

5 4

10

5 5

5 4

5 5

5 5 *Zkouška SWAAT byla provedena podle ASTM G85 A3. Vzorky byly zkoušeny na tlak 20 psi po každé době vystavení

Tab.2 především ukazuje, že slitiny mající nízký poměr obsahů Mn/Fe neposkytují přijatelnou odolnost proti korozi. Slitina 1 vykazuje zcela nepřijatelné výsledky zkoušky SWAAT. To vyplývá z toho, že intermetalické sloučeniny jsou primárně FeAl₃, které podporují korozi vzhledem k jejich elektrolytickému potenciálnímu rozdílu vzhledem k hliníkové matrici.

Další závěry, patrné z tab.2, vyplývají ze srovnání slitin z hlediska přítomnosti nebo nepřítomnosti chrómu, zinku a titanu. Slitina 2, postrádající chrom, zinek a titan, poskytuje špatnou odolnost proti korozi.

Každá ze slitin 3,4a 5 používá pouze jeden z prvků představovaných chromém, zinkem a titanem. Při pohledu na počty vzorků prošlých zkouškou po 40 dnech, poskytují slitina obsahující pouze chrom (slitina 5) nebo pouze zinek (sliφφ φφφφ

-18ΦΦ Φ φ φ Φ φ φ φ Φ φ φ φφφφ φφφ φφ φ φφ φφ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φφφφ φ φ φ φφφφ φφφ φφφ φφ φφ tina 4) nebo pouze titan (slitina 3) odolnost proti korozi na mezi přijatelnosti, t.j. jen 3 z pěti prošly. To ukazuje, že pouze jeden z těchto prvků samotný nezajišťuje optimální odolnost proti korozi.

Slitina 6 je podobná slitině 5, ale také obsahuje zinek. Zkouška SWAAT ukazuje, že tato kombinace je zvlášť špatná z hlediska korozní odolnosti. To znamená, že zatímco chrom ve slitině 5 zajišťoval výsledky na mezi přijatelnosti, vedlo přidání zinku k významné ztrátě odolnosti proti korozi, a je zřejmé, že zinek je špatným činitelem, když se použije přednostní poměr obsahů Mn/Fe a chrom.

Slitina 7 obsahující pouze zinek a titan má také špatnou odolnost proti korozi. Jen jeden zkušební vzorek prošel po 40 dnech zkoušení.

Slitina 8 ukazuje, že zvýšené podíly titanu vůči obsahu ve slitině 7 zlepšuje odolnost proti korozi. Je však třeba poznamenat, že slitiny 7 a 8 jsou reprezentanty myšlení podle dosavadního stavu techniky založeného na použití zinku jako legujícího prvku. Jak bude vysvětleno níže, zatímco slitina 8 ukazuje dobrou odolnost proti korozi při zkoušce SWAAT, je mechanismus mezikrystalové koroze převládající, a slitina může stále vykazovat špatnou odolnost v podmínkách galvanické koroze. Tento typ složení tedy neposkytuje stejnou odolnost proti korozi za všech podmínek.

Slitina 9 používá chrom a titan, ale žádný zinek, a slitina 10 je podobná slitině 9, ale se zinkem. Při srovnání slitin 9 a 10 je zřejmé, že obsah chrómu a titanu, ale

-19• · · • · · · • ····· • · · žádný obsah zinku, zajišťují výbornou odolnost proti korozi v podmínkách SWAAT. Škodlivý účinek zinku pro slitinu 10 je v souladu s účinkem zinku ve slitině 6. Ještě významněji, jako je patrné na níže uváděných mikrofotografiích, vykazuje slitina 9 homogenní chování z hlediska koroze, které značně kontrastuje se slitinami podle dosavadního stavu techniky, například slitinami 7 a 8, které vykazují mezikrystalový korozní mechanismus.

Slitiny 11 a 12 jsou podobné jako slitiny 7 a 8 a vykazují dobrou odolnost proti korozi při zkouškách SWAAT. Vzhledem k použití zinku a titanu však tyto slitiny vykazují mechanismus mezikrystalové koroze a nechovají se tak dobře když jsou vystaveny galvanické korozi.

Jak bude nyní vysvětleno s odvoláním na obr.l a 2 pro slitiny 7-12, byly provedeny studie vyšetřující účinky na mezikrystalovou korozi, když se mění složení pokud jde o zinek a chrom. Obr.l znázorňuje citlivost slitiny hliníku, obsahující podíly zinku a titanu, když je v přítomnosti žebrového tenkého pásového materiálu (finstock) pro výměníky tepla. Když je slitina hliníku obsahující zinek a titan spojena s žebrovým tenkým pásovým materiálem, dochází k malé hustotě galvanického proudu a kombinace obou materiálů má dobrou odolnost proti korozi a koroze je minimální. Když je však jiný žebrový tenký pásový materiál spojen se slitinou hliníku obsahující zinek a titan, jsou vytvářeny velké proudové hustoty a odolnost proti korozi není dobrá. Jelikož dále slitina hliníku obsahující zinek a titan korodují primárně na hranicích zrn, je koroze obzvláště špatná při použitích v tenkostěnných trubkách. Slitiny hliníku s Zn-Ti z obr.l • · jsou podobné slitinám 7,8,11 a 12 z tab.I a II.

Obr.2 demonstruje zjištění rozhodujícího znaku minimalizace obsahu zinku při současném dostatečném obsahu ohromu a titanu, jakož i náležitých množství železa a manganu ve slitině hliníku. Tento obrázek používá slitinu hliníku obsahující chrom a titan místo zinku a titanu, jak je použita na obr.l. Obr.2 zřetelně ukazuje, že galvanický proud vytvářený mezi trubkou používající chrom a titan a jakýmkoli typem žebrového tenkého pásového materiálu je téměř stejný. I když u slitiny obsahující chrom a titanu stále dochází ke korozi, dochází k ní mnohem homogennějším způsobem, ne mezikrystalově jako v případě se slitinami hliníku s Zn-Ti z obr.l. Vzhledem k homogennější korozi je výskyt porušení sestav výměníků tepla vyplývajících z koroze tloušťkou stěny snížený.

Rozdíl mezi homogenní korozí slitiny hliníku obsahující chrom a titan a mezikrystalovou korozí slitiny hliníku obsahující zinek a titan je dále znázorněn na obr.3 a 4. Obr.3 je mikrofotografie slitiny hliníku obsahující zinek a titan, vykazující silnou mezikrystalovou korozí. Naproti tomu obr.4, znázorňující slitinu hliníku obsahující chrom a titan, vykazuje mnohem homogennější korozi. Tyto mikrofotograf ie potvrzují, že použití chrómu s titanem, jakož i poměry manganu a železa, neočekávaně poskytují výrazně zlepšenou slitinu hliníku z hlediska odolnosti proti korozi, zejména odolnosti proti mezikrystalové korozi.

Uvedené je možné shrnout v tom, že zkoušky SWAAT a pozorování skutečných vzorků, které byly zkoušeny, jasně ukazují, že alespoň řízení obsahů zinku, chrómu a titanu je důležité při minimalizováni rozsahu koroze na hranicích zrn. Vysoké podíly zinku jsou škodlivé. Samotné obsahy chrómu a titanu jsou nedostatečné k dosažení výborné odolnosti proti korozi. Množství chrómu a titanu při podílech zinku na úrovni nečistot, například méně než 0,1% nebo méně než je podrobně vysvětleno výše, však vedou ke slitině hliníku mající výbornou odolnost proti korozi. Jak je uvedeno výše, předpokládá se, že odolnosti proti korozi se dosahuje sladěním elektrolytického potenciálu matrice a hranice zrn, takže žádná z nich, zejména hranice zrn, nejsou přednostní oblasti pro vznik koroze.

Vynález také přináší způsob výroby slitiny hliníku řízením alespoň obsahů železa, manganu, chrómu, zinku a titanu pro splnění podmínek rozsahů a poměrů uvedených výše. Při způsobu se vytváří roztavený hliník nebo tavenina slitiny hliníku a seřizuje se složení, jak bude zřejmé pro odborníka v oboru, aby slitina po odlití nebo ztuhnutí měla cílové složení.

Jakmile je slitina podle vynálezu odlita, může být zpracovávána obvyklým způsobem pro vytvoření jakéhokoli předmětu, který by vyžadoval potřebu jedné nebo více vlastností z odolnosti proti korozi, pájitelnosti, tvářitelnosti za tepla a tvarovatelnosti. Přednostní použití slitiny je výroba trubek, zejména při použití průtlačného lisování jako způsobu tváření za tepla. Trubky mohou být použity v oblasti výměníků tepla, kde se spojují s jinými částmi výměníku tepla a podrobují se pájení pro upevnění různých součástek výměníku tepla do celistvé konstrukce. Slitina podle vynálezu se v těchto použitích zvlášt hodí, protože má dobrou tváři-22telnost za tepla pro průtlačné lisování, dobrou tvarovatelnost pro výrobní operace jako roztahování pro sestavování výměníku, dobrou pájitelnost pro pájení a dobrou odolnost proti korozi.

Vynález byl popsán na základě přednostních provedení splňujících výše uvedené cíle vynálezu a poskytujících novou a zlepšenou slitinu hliníku, výrobky zhotovené z této slitiny a způsob výroby a použití výrobků zhotovených ze slitiny. Vynález samozřejmě může být podroben dalším úpravám a obměnám, zřejmým pro odborníky v oboru, aniž by se opustila jeho myšlenka, přičemž rozsah vynálezu je omezen pouze připojenými patentovými nároky.

Claims

PATENTOVÉ

NÁROKY
2-4671. Slitina hliníku, mající složení sestávající v podstatě z, v procentech hmotnosti: od přibližně 0,05 do přibližně 0,5% křemíku množství železa od přibližně 0,05% až do 1,0%, množství manganu až přibližně 2,0%, méně než přibližně 0,1% zinku, až přibližně 0,10% hořčíku, až přibližně 0,10% niklu, až přibližně 0,5% mědi od přibližně 0,03% do přibližně 0,50% chrómu, od přibližně 0,03% do přibližně 0,35% titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od přibližné 2,0 do přibližně 6,0 a obsahy chrómu a titanu jsou řízené tak, že poměr obsahu chrómu k obsahu titanu je od 0,25 do 2,0.

2. Slitina hliníku podle nároku 1, vyznačená tím, že obsah titanu je od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.% a obsah chrómu je od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.%.
3. Slitina hliníku podle nároku 2, vyznačená tím, že obsah titanu je v rozmezí od přibližně 0,08 hmotn.% do přibližně 0,25 hmotn.% a obsah chrómu je v rozmezí od přibližně 0,08 hmotn.% do přibližně 0,25 hmotn.%.
4. Slitina hliníku podle nároku 1, vyznačená tím, že podíly zinku jsou menší než 0,06 hmotn.%.

• 9

-24• · * 99 99

9 9 9 9 · · • · 9999 · · _t • 9 9 · ₉ ·· · 999 999

4 9
5. Slitina hliníku podle nároku 1, vyznačená tím, že poměr obsahu chrómu k obsahu titanu je od přibližně 0,5 do přibližně 1,5.
6. Výrobek zhotovený ze slitiny podle nároku 1.
7. Výrobek podle nároku 6, vyznačený tím, že výrobkem je trubka nebo trubky.
8. Zdokonalení výměníku tepla, majícího trubku nebo trubky připájené k žebrovému tenkému pásovému materiálu, vyznačené tím, že trubka nebo trubky jsou vyrobeny ze slitiny podle nároku 1.
9. Způsob výroby hliníkové slitiny s odolností proti korozi, při němž se slitina taví a alespoň odlévá do tvaru majícího složení sestávající v podstatě z, v procentech hmotnosti:

od přibližně 0,05 do přibližně 0,5% křemíku množství železa od přibližně 0,05% až do 1,0%, množství manganu až přibližně 2,0%, obsahu zinku, až přibližně 0,10% hořčíku, až přibližně 0,10% niklu, až přibližně 0,5% mědi až přibližně 0,50% chrómu, od přibližně 0,03 do přibližně 0,35% titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od přibližně 2,0 do přibližně 6,0, přičemž zdokonalení způsobu • 4 ····

-25·· · • 4 4 • 4 4 4 • 4 4444 •44 spočívá v tom, že se při vytváření slitiny řídí obsah zinku, chrómu a titanu tak, že obsah zinku je menší než 0,10%, obsah chrómu je v rozmezí od 0,03 do 0,35% a poměr obsahu chrómu k obsahu titanu se řídí na hodnotu od přibližně 0,25 do přibližně 2,0.
10. Způsob podle nároku 9, vyznačený tím, že obsah titanu je od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.% a obsah chrómu je od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.%.
11. Způsob podle nároku 10, vyznačený tím, že obsah titanu je v rozmezí od přibližně 0,08 hmotn.% do přibližně 0,25 hmotn.% a obsah chrómu je v rozmezí od přibližně 0,08 hmotn.% do přibližně 0,25 hmotn.%.
12. Způsob podle nároku 9, vyznačený tím, že obsah zinku se řídí na hodnotu nižší než 0,06 hmotn.%.
13. Způsob podle nároku 9, vyznačený tím, že se odlitý tvar tváří na trubkový tvar.
14. Způsob podle nároku 13, vyznačený tím, že se trubka nebo trubky sestavují s žebrovým tenkým pásovým materiálem do sestavy výměníku tepla.
15. Způsob výroby výměníku tepla, při kterém se více trubek pájí s žebrovým tenkým pásovým materiálem, vyznačený tím, že se trubky vyrábějí ze slitiny mající složení sestávající v podstatě z, v procentech hmotnosti:

od přibližně 0,05 do přibližně 0,5% křemíku ·· · · « • · · · • · · · · • ♦ · · · ··· ·· ·9

-26·· ···« množství železa od přibližně 0,05% až do 1,0%, množství manganu až přibližně 2,0%, méně než přibližně 0,1% zinku, až přibližně 0,10% hořčíku, až přibližně 0,10% niklu, až přibližně 0,5% mědi od přibližně 0,03 do přibližně 0,50% chrómu, od přibližně 0,03 do přibližně 0,35% titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od přibližně 2,0 do přibližně 6,0 a obsahy chrómu a titanu jsou řízené tak, že poměr obsahu chrómu k obsahu titanu je od 0,25 do 2,0.
16. Způsob podle nároku 15, vyznačený tím, že obsah titanu je od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.% a obsah chrómu je od přibližně 0,06 hmotn.% do přibližně 0,30 hmotn.%.
17. Způsob podle nároku 16, vyznačený tím, že obsah titanu je v rozmezí od přibližně 0,08 hmotn.% do přibližně 0,25 hmotn.% a obsah chrómu je v rozmezí od přibližně 0,08 hmotn.% do přibližně 0,25 hmotn.%.
18. Způsob podle nároku 15, vyznačený tím, že obsah zinku je nižší než 0,06 hmotn.%.
19. Způsob podle nároku 15, vyznačený tím, že poměr obsahu chrómu k obsahu titanu je od přibližně 0,5 do přibližně 1,5.

«· ····

-27• · · • ···· » · 1 * · · 1 ·· ··
20. Slitina hliníku mající složení sestávající v podstatě z, v procentech hmotnosti: od přibližně 0,05% do přibližně 0,5% křemíku množství železa od přibližně 0,10% až do 0,50%, množství manganu většího než 0,4% a až přibližně 1,0%, méně než přibližně 0,1% zinku, až přibližně 0,10% hořčíku, až přibližně 0,10% niklu, až přibližně 0,1% mědi od přibližně 0,06% do přibližně 0,30% chrómu, od přibližně 0,06% do přibližně 0,30% titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od přibližně 2,0 do přibližně 6,0 a obsahy chrómu a titanu jsou řízené tak, že poměr obsahu chrómu k obsahu titanu je od 0,25 do 2,0.