CZ301990B6

CZ301990B6 - Použití kompozitního materiálu ze slitiny hliníku jako výchozí suroviny pro holá žebra výmeníku tepla

Info

Publication number: CZ301990B6
Application number: CZ20022517A
Authority: CZ
Inventors: M. Nener@Ralph; W. Haller@Scott
Original assignee: Corus L. P.
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2010-08-25
Also published as: WO2001056782A3; CZ20022517A3; MXPA02007497A; JP4912555B2; WO2001056782A2; DE60143645D1; EP1268190B1; ATE491568T1; KR20020072294A; CA2399228A1; AU771487B2; KR100737020B1; EP1268190A2; CN1398223A; BR0107965A; BR0107965B1; AU3401501A; CN1243640C; CA2399228C; US6329075B1

Abstract

Použití kompozitního materiálu ze slitiny hliníku jako výchozí suroviny pro holá žebra výmeníku tepla, pricemž kompozit slitiny hliníku obsahuje vrstvu jádra s protilehlými povrchy jádra, kdy je vrstva jádra vytvorená z materiálu první hliníkové slitiny s množstvím hliníku menším než 99 % hmotn. a s více než 1 % hmotn. kovových prvku, zvolených ze skupiny, která obsahuje Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Co, Si, Li, Ti, V, Zr, Zn, pricemž jeden nebo více kovových prvku se nachází v roztoku nebo mimo roztok ke zvýšení pevnosti materiálu první hliníkové slitiny k dosažení hodnoty pevnosti v tahu materiálu první hliníkové slitiny vetší než 103,4 MPa a hodnoty elektrické vodivosti menší než 50 % IACS, a dále kompozit obsahuje alespon jednu plátovací vrstvu o dvou površích, pricemž jeden povrch se nachází u jednoho z protilehlých povrchu jádra a je vystavený fúzi s jinou složkou hliníku, kdy alespon jedna plátovací vrstva je vytvorená z materiálu druhé hliníkové slitiny s obsahem kovových prvku, zvolených ze skupiny Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Co, Si, Li, Ti, V a Zr, v množství menším než 1 % hmotn, k dosažení hodnoty pevnosti v tahu menší než 103,4 MPa u materiálu druhé hliníkové slitiny, která obsahuje kovové prídavky dalších kovových prvku ze skupiny obsahující Ga, In a Zn do 2,5 % hmotn., které se nachází v roztoku k zajištení zvýšení negativity korozního potenciálu a k dosažení rozdílu korozních potenciálu materiálu první a druhé hliníkové slitiny alespon o 20 mV, pricemž korozní potenciál materiálu druhé hliníkové slitiny je alespon o 20 mV zápornejší než korozní potenciál materiálu první hliníkové slitiny vrstvy jádra, mající elektrickou vodivos

Description

Použití kompozitního materiálu ze slitiny hliníku jako výchozí suroviny pro holá žebra výměníku tepla

Oblast techniky

Nové použití kompozitního materiálu ze slitiny hliníku se zlepšenou elektrickou vodivostí, rezistenci vůči korozi a vysokou pevností a zejména nové použití kompozitního materiálu, který kombinuje materiál jádra s vysokou pevností s jednou nebo více plátovacími vrstvami s větší elektrickou vodivostí než má materiál jádra, ke zlepšení provozu v zařízeních tepelného výměníku.

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, odpařovaěů, 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 tepla je 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 dokumentu US 5 217 547 (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. Zatímqo zmenšení tloušťky trubek má za následek zmenšení hmotnosti výměníku tepla, takové odlehčení může vést i k nižší pevností, konkrétně jako výsledek procesu pájení, u kterého musí výměník tepla snášet teploty nad 600 °C, Zvýšená teplota může během 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 AA3003. Pro poskytnutí odolnosti vůči deformací vlivem vysokých teplot a odolnosti 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 tavidlem je nerezové tavidlo vyráběné ze směsi draslíku a fluoro-aluminátů. Tavidlo při taviči 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

-1 CZ 301990 B6 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 io 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.

i? 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 vodivosti. 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. Spis

US 4 010 315 (Mildner) uvádí použití stínícího pásu pro výrobu stíněných kabelů, 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 ve spisech US 4 146 164 (Anderson) a U 5 011 547 (Fujimoto a spol.). Tyto spisy se zabývají pájením plá30 tovaných materiálů, nikoliv holých materiálu pro výrobu chladicích žeber apod., tak, jak je tomu u tohoto vynálezu.

Dále spis US 4 560 625 (Kaifu et al.) zveřejňuje kompozitní materiál hliníkové slitiny pro pájené výměníky tepla, zejména pro radiátorové sběrné trubky, které obsahují jádro ze slitiny, obsahující

0,2 až 1,0 % hmotn. Si, 0,1 až 0,5 % hmotn. Mg, přičemž hmotnostní poměr SÍ k Mg je v rozsahu až 2,5, dále 0,2 až 1,0 % hmotn. Cu, alespoň jeden prvek je zvolený ze skupiny sestávající z Mn, Cr a Zr, z nichž každý je obsažen v množství 0,05 až 0,5 % hmotn. a k vyrovnání obsahuje Al a nevyhnutelné nečistoty. Hliníková plátovací vrstva je vytvořená na jedné straně slitiny jádra, která přichází do kontaktu s vodním tepelným mediem. Plátovací vrstva je tlustá 3 až 20 % kom4(i pozítního materiálu a mírně zvýšený potenciál než slitina v hodnotě 20 až 100 mV.

Spis US 4 172 181 (Kawase) popisuje kompozitní materiál pro plátované radiátorové trubky, obsahující plátovací materiál pro podtlakové pájení, sestavený z 0,1 až 0,2 % hmotn. zinku, 0.01 až 2.0 % hmotn. lithia a k vyrovnaní hliník nebo hliníkovou slitinu, přičemž plátovací mate45 riál je kladen najeden povrch nebo na oba povrchy.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je použití kompozitního materiálu ze slitiny hliníku jako výchozí suroviny pro holá žebra výměníku tepla, přičemž kompozit slitiny hliníku obsahuje vrstvu jádra s protilehlými povrchy jádra, kdy je vrstva jádra vytvořená z materiálu první hliníkové slitiny s množstvím hliníku menším než 99 % hmotn. a s více než 1 % hmotn. kovových prvků, zvolených ze skupiny, která obsahuje Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, NÍ, Co, Si, Li, Ti, V, Zr, Zn, přičemž jeden nebo více kovových prvků se nachází v roztoku nebo mimo roztok ke zvýšení pevnosti materiálu první

hliníkové slitiny k dosažení hodnoty pevnosti v tahu materiálu první hliníkové slitiny větší než

103,4 MPa a hodnoty elektrické vodivosti menší než 50 % IACS, a alespoň jednu plátovací vrstvu o dvou površích, přičemž jeden povrch se nachází u jednoho z protilehlých povrchů jádra aje vystavený fúzi s jinou složkou hliníku, kdy alespoň jedna plátovací vrstva je vytvořená z materiálu druhé hliníkové slitiny s obsahem kovových prvků, zvolených ze skupiny Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ní, Co, Si, Li, Ti, V a Zr, v množství menším než 1 % hmotn., k dosažení hodnoty pevnosti v tahu menší než 103,4 MPa u materiálu druhé hliníkové slitiny, která obsahuje kovové přídavky dalších kovových prvků ze skupiny obsahující Ga, In a Zn do 2,5 % hmotn., které se nachází v roztoku k zajištění zvýšení negativity korozního potenciálu a k dosažení rozdílu korozních potenciálů materiálů první a druhé hliníkové slitiny alespoň 20 mV, přičemž korozní potenciál druhé hliníkové slitiny je více záporný než korozní potenciál materiálu první hliníkové slitiny vrstvy jádra, mající elektrickou vodivost větší než 50 % IACS.

Dále jc podstatou vynálezu to, že k vytvoření vrstvy jádra se použije slitina hliníku ze skupiny sérií AA2000, AA3000, AA5000, AA6000, AA7000 a AA8000 slitin hliníku a alespoň jedna plátovací vrstva je vytvořená z jiné hliníkové slitiny zvolené ze skupiny sestávající ze sérií AA1000, AA7000 a AA8000. Jedna plátovací vrstva zahrnuje alespoň dvě plátovací vrstvy v blízkosti příslušného protilehlého povrchu vrstvy jádra, přičemž každý z protilehlých povrchů plato vacích vrstev se vystaví procesu pájení, materiál jádra a plátovací vrstva je tenkostěnným materiálem, materiál jádra má první tloušťku a alespoň jedna plátovací vrstva má druhou tloušťku, přitom poměr hodnoty druhé tloušťky k hodnotě součtu první a druhé tloušťky je v rozsahu 5 až 40 %, materiál jádra má první tloušťku a každá ze dvou plátovacích vrstev má druhou tloušťku, přitom poměr každé druhé tloušťky k celkové tloušťce materiálu jádra je v rozsahu 2,5 až 20 %.

Dále je podstatou vynálezu to, že vrstvu jádra kompozitního materiálu tvoří slitina hliníku série ΛΑ3000 a alespoň jednu plátovací vrstvu tvoří slitina hliníku ze série AA1000.

Výhodou vynálezu je použití kompozitního materiálu ze slitiny hliníku, který ideálně vyhovuje použití u aplikací při výrobě výměníků tepla, použití pro různé aplikace výroby výměníku tepla, zlepšení způsobu pájení a poskytnutí materiálu se zlepšenou elektrickou/tepelnou vodivostí, odporem proti prohýbu, s vysokou pevností, s odporem proti korozi.

Další výhodou tohoto vynálezu je poskytnutí materiálu pro holá 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 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 v množství od 0 do 2,5 % hmotn., které zvyšují negativitu korozního potenciálu, takže korozní potenciál materiálu druhé slitiny hliníku je alespoň o 20 m V zápornější, než je hodnota korozního potenciálu materiálu

- j CZ 301990 B6 první slitiny hliníku vrstvv jádra. Plátovací vrstva má hodnotu elektrické vodivosti větší jak 50 % IACS.

V preferovaném provedení, vrstva jádra je vytvořena z jedné ze sérii AA3000, AA6000 a AA8000 hliníkové slitiny a plátovací vrstva je vytvořená z jedné ze sérií AA1000 a AA7000 hliníkové slitiny. 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 slitina hliníku typu AA3000 a plátovací vrstvou byla slitina 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.

Výhodou je i to, že 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.

Kompozitní materiál pájením spojuje jednu nebo více plátovacích vrstev kompozitního materiálu s jedním nebo více komponentami z hliníkové slitiny k vytvoření pájeného výrobku jako je výměník tepla. Proces pájení je konvenčního typu, zahrnuje běžně kontrolovanou používanou atmosféru a zvláštní proudy, podtlakové pájení a podobně.

Výhodou je, že v pájených produktech, které obsahují komponenty z kompozitního materiálu, vrstva s vyšší elektrickou vodivostí je přednostně spojená s jinou částí komponentu výrobku jako výsledek procesu pájení.

Další výhodou je to, že kompozitní materiál podle vynálezu je použit jako materiál pro výrobu holých žeber výměníku tepla, který je přizpůsoben k pájení pro vytvoření pájeného plátovaného potrubí. Vlastnosti vynalezeného kompozitu kombinují rezistenci vůči korozi, pevnosti a elektrické vodivosti tak, aby vyhovovaly striktním podmínkám kladeným na aplikace v tepelných výměnících, vyžadujících extrémně tenkostěnný materiál pro žebra a potrubí.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. I znázorňuje první provedení vynálezu, obr. 2 znázorňuje druhé provedení tohoto vynálezu, obr. 3 znázorňuje provedení z obr. 1, 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, připájcncho k plátovanému potrubí výměníku tepla, obr. 5 znázorňuje graf porovnávající výsledky korozního testu SWAAT u různých materiálů.

Příklady provedení vynálezu

Vynález nabízí v oboru použití slitin hliníku jako výchozího materiálu pro holá žebra výměníku tepla pájená dohromady ke kombinování slitiny hliníku o vysoké elektrické vodivosti 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 elek-4CZ 301990 B6 trickou 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.

io

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, Ee, 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, a to tak, že čistota slitiny je menší jak 99 % hmotn. 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 % hmotn. hliníku. Plátovací vrstva může obsahovat kovové příměsi v množství od 0 do 2,5 % hmotn. 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 měně jak 1 % hmotn. 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 m V větší, než je tomu u vrstvy jádra. Bez kovových prvků ve vrstvě jádra, které zvyšují pevnost, je hodnota pevností v tahu plato vacích 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 •io D-B > 2 % IACS a A-C/C x 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 přednos, 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 příklad vrstvy jádra zahrnuje AA3003 a AA6061. Kromě elektrické vodi50 vosti lze k rozlišení materiálů vrstev jádra a plátovacích vrstev brát v úvahu í 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 MPa. U některých aplikací sc 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.

- 5 CZ 301990 B6

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 nesmíme 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 chladicí žebro může být k plátovanému potrubí připájeno pri 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 vhodné, jako kompozitní materiály podle tohoto vynálezu.

Obr. 1 znázorňuje jedno provedeni kompozitního materiálu podle tohoto vynálezu, označeného vztahovou značkou JO. 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 J_. Jelikož se povrch plátovací vrstvy 9 nachází u jádra, protilehlá vrstva 1 1 je holá, nebo připravená k připojení k jiné komponentě připájením. U provedení z obr. 1 může být tloušťka plátovací vrstvy od 5 do 40 % tloušťky celého kompozitního materiálu, to znamená kombinované tloušťky jádra a plátovací vrstvy, tj. poměr tloušťky nebo plátování. Celková tloušťka může záviset na konkrétní aplikaci kompozitního materiálu. Například u chladicího Žebra může mít tloušťka vrstvy hodnotu mezi 0,05 a 0,15 mm. 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 20.

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, při 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 JO, pripájeny k jiné komponentě, zhotovené ze slitiny hliníku. Komponenta může být, pokud to bude požadováno, přeplátovaná pájením. Na tomto

-6CZ 301990 B6 obrázku je pripájená zóna označená číslem 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 spájenéio ho výrobku, aniž by docházelo k nepříznivému ovlivňování procesu pájení. Konkrétněji, plátovací vrstva 7 z obr. 3 funguje jako difúzní bariéra vůči legujícím prvkům jádra, které by jinak proces pájení spolupůsobením s tavidlem degradovaly.

Plátovací vrstva 7 rovněž působí jako difúzní bariéra vůči roztavenému pájecímu materiálu 17, který by jinak pronikal do vrstvy jádra T Snížením hloubky a/nebo množství pájecího materiálu 17 pronikajícího do vrstvy jádra i se zlepší sedání materiálu a taviči charakteristiky pájeného výrobku. Plátovací vrstva, která obklopuje vrstv u jádra, neboje aplikovaná pouze na povrch jádra, hraje roli dvojité difúzní 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' 7 se připájí k pájením plátovanému potrubí 31, zahrnujícímu pájením plátovanou vrstvu 3_3 na jádře 35, a to použitím procesu pájení, například procesu CAB. Pájené plochy 41 a 43 fúzují 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 spis US 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 při pájet 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 testuje materiál s vysokou pevností podobný materiálu série AA3000 slitiny hliníku, přitom kompozitní materiál podle tohoto vynálezu využívá materiál s vysokou pevností jako vrstvu jádra X3, a materiál AA 1100 jako plátovací vrstvu. U jiných sérií testů, materiály s vysokou pevností, zahrnují série slitin AA3000 a AA7000, které vyhovují definici materiálu jádra a plátovacího materiálu, tak jak to již bylo uvedeno.

Chemické složení materiálu je uvedeno v tabulce 1.

-7CZ 301990 B6

Tabulka 1. Chemické složení (hmotnostní procento)*

Slitina	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ni	Zn	Zr
Jádro A 1	1	0,2	<0,01	1,58	<0,01	-	2	0,1
AA1100 i plát	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	-
Plát Y	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 Λ. Další tři materiály byly plátované materiály:

t) 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 %, io 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 plátovaeí vrstvu. Materiál jádra a plátovaeí ingoty se válcovaly za tepla na příslušné rozměry a kompozitní materiály byly sestaveny použitím drátu z nerezavěj í15 cí 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 pri teplotě 399 °C. Kompozitní matriál byl podroben za studená konečné redukci o 30 % na tloušťku 0,178 mm, přitom se vytvořil popuštěný materiál žebra. Vzorky kompozitních materiálů a neplátované chladící žebro slitinou, v tabulce 2 označené jako X3, byly zpracovány podle stejné popouštěeí metody a byly podrobeny simulovanému cyklu pájení při 593 °C, a dále byly podrobeny zhodnocení svých mechanických vlastností a elektrické vodivosti. Výsledky tohoto zhodnocení jsou uvedené v tabulce 2. Z této tabulky je zřejmé, že kompozitní 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 % 1ACS 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 výmčna tepla.

Tabulka 2

Slitina jádra	Plátovaeí slitina	Strany	Poměr plátování %	Pevnost v tahu po pájení (MPa)	Elektrická vodivost po pájení (% IACS)
X3	žádná	žádná	žádný	147	41
X3	AA1100	dvě	10	139	43
X3	AA1100	dvě	15	134	44
X3	AA1100	jedna	30	132	44

-8CZ 301990 B6

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 až 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.

io Tabulka 3. Různé vlastnosti vrstvy jádra plátovací vrstvy

Slitina	Pevnost v tahu (MPa) po pájení	Vodivost po pájení (% IACS)
AA1100	90	58
PlátX	74	56
PlátY	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 zformovais ných do kompozitního materiálu. Z této tabulky je zřejmé, že kompozitní materiály po spájení poskytují vynikající hodnoty elektrické vodivosti a pevnosti, čímž se stávají žádoucí 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 20 korozi. Tabulka 5 uvádí hodnoty korozního 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 výsledků 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 ; zma po j pájení pm
Y/B	Jádro B	PlátY	15	121	49	635
Y/B	Jádro B	PlátY	10	125	47	677
Y/Č	Jádro C	PlátY	15	121	48	203
Y/C	Jádro C	PlátY	10	129	47	441
X/D	Jádro D	Plát X	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

-9 CZ 301990 B6

Tabulka 5. ASTM G69 Elektrochemický korozní potenciál

Slitina	Korozní potenciál mV vs. Standardní kalomelová elektroda.
1100	-746
PlátX	-892
Plát Y	-782
Jádro A	-892
Jádro B	-803
Jádro C	-742
Jádro D	-720
Jádro D	-720

Obr. 5 znázorňuje materiály série slitiny AA1100, jádro A a plát Y, které mají mnohem zápornější potenciály, a to alespoň o 20mV, než je tomu u některé ze slitin jader B až E. Vysoký korozní potenciál jádra A může být přisouzen velkému množství přítomného zinku, a proto se nedá očekávat, že by korozní chování plátu A A I 100 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 jsou doby odporu ío 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 až 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 porovnám 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

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Použití kompozitního materiálu ze slitiny hliníku jako výchozí suroviny pro holá žebra výměníku tepla, přičemž kompozitní slitina hliníku obsahuje:

a) vrstvu jádra s protilehlými povrchy jádra, kdy je vrstva jádra vytvořená z materiálu první hli55 níkové slitiny s množstvím hliníku menším než 99 % hmotn. a s více než 1 % hmotn. kovových prvků, zvolených ze skupiny, která obsahuje Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Co, Si, Li, Ti, V, Zr, Zn, přičemž jeden nebo více kovových prvků se nachází v roztoku nebo mimo roztok ke zvýšení pevnosti materiálu první hliníkové slitiny k dosažení hodnoty pevnosti v tahu materiálu první hliníkové slitiny větší než 103,4 MPa a hodnoty elektrické vodivosti menší než 50 % IACS: a 40

- 10 CZ 301990 B6

b) alespoň jednu plátovací vrstvu o dvou površích, přičemž jeden 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 kovových prvků, zvolených ze skupiny Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Co, Si, Li, Ti, V a Zr, v množství menším než 1 %

5 hmotn., k dosažení hodnoty pevnosti v tahu menší než 103,4 MPa u materiálu druhé hliníkové slitiny, která obsahuje kovové přídavky dalších kovových prvků ze skupiny obsahující Ga, In a Zn do 2,5 % hmotn., které se nachází v roztoku k zajištění zvýšení negativity korozního potenciálu a k dosažení rozdílu korozních potenciálů materiálů první a druhé hliníkové slitiny alespoň o 20 mV, přičemž korozní potenciál materiálu druhé hliníkové slitiny je alespoň o 20 mV zápor10 nejsi než je korozní potenciál materiálu první slitiny vrstvy jádra, mající elektrickou vodivost větší než 50 % IACS.
2. Použiti podle nároku 1, vyznačující se tím, že k vytvoření vrstvy jádra se použije slitina hliníku ze sérií AA3000, AA6000 a AA8000 slitin hliníku a plátovací vrstvy tvoří i? jedna ze slitin hliníku série AA1000 a AA7000.
3. Použití kompozitního materiálu podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že jedna plátovací vrstva zahrnuje alespoň dvě plátovací vrstvy v blízkosti příslušného protilehlého povrchu vrstvy jádra, přičemž každý z protilehlých povrchů plátovacích vrstev se vystaví procesu

20 pájení.
4. Použití kompozitního materiálu podle kteréhokoliv nároku 1 až 3, vyznačující se tím, že materiál jádra a plátovací vrstvy je tenkostěnným materiálem.

25
5. Použití kompozitního materiálu podle kteréhokoliv nároku laž4, vyznačující se tím, že materiál jádra má první tloušťku a alespoň jedna plátovací vrstva má druhou tloušťku, přitom poměr hodnoty druhé tloušťky k hodnotě součtu první a druhé tloušťky je v rozsahu 5 až 40 %.

io
6. Použití kompozitního materiálu podle nároku 3, vyznačující se tím, že materiál jádra má první tloušťku a každá ze dvou plátovacích vrstev má druhou tloušťku, přitom poměr každé druhé tloušťky k celkové tloušťce materiálu jádra je v rozsahu 2,5 až 20 %.
7. Použití kompozitního materiálu podle kteréhokoliv nároku lažó, vyznačující se .35 tím, že vrstvu jádra kompozitního materiálu tvoří slitina hliníku série AA3000 a alespoň jednu plátovací vrstvu tvoří slitina hliníku ze série AA1000.