CZ304962B6

CZ304962B6 - Slitina hliníku, výrobek ze slitiny hliníku, výměník tepla, způsob výroby slitiny hliníku a způsob výroby výměníku tepla

Info

Publication number: CZ304962B6
Application number: CZ2003-2467A
Authority: CZ
Inventors: Baolute Ren
Original assignee: Alcoa Inc.
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2015-02-11
Also published as: HU226507B1; PT1381700E; HUP0303218A3; ATE328131T1; CA2438883C; KR20030087013A; DK1381700T3; CN1496417A; BR0208080A; ES2260431T3; CA2438883A1; US20010032688A1; CY1107329T1; MXPA03008184A; CZ20032467A3; BR0208080B1; WO2002086175A1; JP2004520488A; US20030029529A1; PL363919A1

Abstract

Slitina, mající složení obsahující, v procentech hmotnosti: od 0,05 do 0,5 % křemíku, množství železa od 0,05 až do 1,0 %, množství manganu až 2,0 %, méně než 0,1 % zinku, až 0,10 % hořčíku, až 0,10 % niklu, až 0,5 % mědi, od 0,03 do 0,50 % chromu, od 0,03 do 0,35 % titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od 2,0 do 6,0 a obsahy chromu a titanu jsou řízené tak, že poměr obsahu chromu k obsahu titanu je od 0,25 do 2,0. Předmětem vynálezu je dále výrobek ze slitiny, zejména ve formě trubek, a výměník tepla obsahující nejméně jednu takovou trubku připájenou k žebrovému tenkému pásovému materiálu. Dále je navržen způsob výroby hliníkové slitiny s odolností proti korozi, při němž se slitina taví a alespoň odlévá do tvaru majícího výše uvedené složení. Také je navržen způsob výroby výměníku tepla, při kterém se více trubek pájí s žebrovým tenkým pásovým materiálem, přičemž trubky se vyrábějí z výše uvedené slitiny.

Description

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 5 906 689 a 5 976 278 (oba Sircar). Patentový spis USA 5 906 689 popisuje hliníkovou slitinu používající obsah manganu a titanu a malá množstvím mědi a zinku. Patentový spis USA 5 976 278 popisuje hliníkovou slitinu s řízenými obsahy manganu, zirkonia, zinku a malá množství mědi a titanu. Řešení dle patentu USA 5 976 278 se liší od řešení dle patentu USA 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 USA 5 906 689 je snížení obsahu intermetalické sloučeniny Fe₃Al, 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 5 976 278 mohou také postrádat v určitých případech tvarovatelnost v důsledku přítomnosti jehlovitých intermetalických sloučenin, jakými jsou zpravidla MnAl₆.

Na základě těchto nedostatků byly navrženy zlepšené hliníkové slitiny, a to v patentové přihlášce 09/564 053 podané 3. 05. 2000, kteráje založena na prozatímní přihlášce č.60/171 598 podané 23. 12. 1999 a přihlášce 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 pájitelnost. 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 vysokými deformačními napětími, průtlačné lisování se stává obtížnější a zvětšuje se opotřebení při průtlačném 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 spojeny 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 významný a v těchto případech mohou trubky,

- 1 CZ 304962 B6 které je zvlášť náchylné na mezikrystalovou korozi, rychle degradovat. Taková degradace může působit obzvláštní obtíže, když jsou trubky tenkostěnné trubky, 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, až se trubka perforuje a celá sestava kondenzátorů 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 ktomu, 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 je vytvořit zlepšenou hliníkovou slitinu, která by vykazovala odolnost proti korozi, neměla by mezikrystalovou korozi jako hlavní korozní mechanismus a byla by méně citlivá na požadavky jemnou velikost zrna pro ovládání koroze.

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

Jedním z dalších 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 železu, 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, tj. 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 má složení, které obsahuje, v procentech hmotnosti:

od přibližně 0,05 do přibližně 0,5 % křemíku množství železa od přibližně 0,05 % až do přibližně 1,0 %, množství manganu až přibližně 2,0 %, méně než přibližně 0,1 % zinku,

-2CZ 304962 B6 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 přibližně 0,25 do přibližně 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 v rozmezí od přibližně 0,06 % hmotn. do přibližně 0,30 % hmotn., s výhodou od přibližně 0,08 % hmotn. do přibližně 0,25 % hmotn.. Obsah chrómu může být v rozmezí 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 přibližně 0,06 % hmotn. a poměr obsahu chrómu k obsahu titanu může být přibližně od 0,5 do přibližně 1,5, s výhodou od přibližně 0,9 do přibližně 1,2. Obsahy chrómu a titanu jsou nastavené tak, aby splňovaly výše uvedené poměry.

Podle výhodného provedení vynálezu slitina obsahuje, v procentech hmotnosti:

od 0,05 % do 0,5 % křemíku množství železa od 0,10 % až do 0,50 %, množství manganu větší než 0,4 % a až 1,0 %, méně než 0,1 % zinku, až 0,10 % hořčíku, až 0,10 % niklu, až 0,1 % mědi od 0,06 % do 0,30 % chrómu, od 0,06 % do 0,30 % titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od 2,0 do 6,0 a obsahy chrómu a titanu jsou řízené tak, že poměr obsahu chrómu k obsahu titanu je od 0,25 do 2,0.

Další výhodná provedení zahrnují specifikování dolního rozmezí pro poměr obsahů Μη/Fe na hodnotu přibližně 2,25 nebo i 2,5. Horní velikost poměru obsahů Μη/Fe, může být od hodnoty 6,0, uvedené výše, k přednostní horní mezi 5,0, ještě výhodnější horní mezi 4,0 a nejvýhodnější mezi přibližně 3,0.

Pokud jde o 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.

-3CZ 304962 B6

Množství zinku je považováno jako množství mající povahu nečistot, jak bylo uvedeno výše, 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 dosavadního 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 zjišťují 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, kteiý 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 eventuálně 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 by mohlo způsobit její precipitaci (intermetalické látky obsahující měď jsou pro odolnost proti korozi nežádoucí).

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 trubky, 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, dokončovacího zpracování apod. Výrobky mohou být rovněž použity v kombinaci s jinými výrobky a součástkami.

Vynález dále přináší způsob výroby slitiny hliníku s odolností proti korozi, při němž se slitina taví a alespoň odlévá do tvaru majícího složení obsahující, v procentech hmotnosti: od přibližně 0,05 do přibližně 0,5 % křemíku množství železa od přibližně 0,05 % až do přibližně 1,0 %, množství manganu až přibližně 2,0 %, obsah zinku, až přibližně 0,10 % hořčíku, až přibližně 0,10 % niklu, až přibližně 0,5 % mědi až přibližně 0,35 % 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 obsah zinkuje menší než přibližně 0,10 %, obsah chromuje v rozmezí od přibližně 0,03 do přibližně 0,35 % a poměr obsahu chrómu k obsahu titanu se řídí na hodnotu v rozmezí od přibližně 0,25 do přibližně 2,0.

-4CZ 304962 B6

Podle výhodného provedení způsobu je obsah titan od 0,06 % hmotn. do 0,30 % hmotn., s výhodou 0,08 % hmotn. do 0,25 % hmotn., obsah chrómu je od 0,06 % hmotn. do 0,30 % hmotn., s výhodou od 0,08 % hmotn. do 0,25 % hmotn., a obsah zinku se řídí na hodnotu nižší než 0,06 % hmotn..

Podle výhodného provedení způsobu se odlitý tvar tváří na trubkový tvar.

Vynález také přináší způsob výroby výrobků při použití slitiny složení podle vynálezu, a to tavícími a odlévacími postupy, jako 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 zpracováván na výrobek nebo sestavu při použití běžných zpracovávacích postupů.

Vynález přináší způsob výroby výměníku tepla, při kterém se více trubek pájí s žebrovým tenkým pásovým materiálem, a který se vyznačuje tím, že se trubky vyrábějí z výše uvedené hliníkové slitiny, navrhované podle vynálezu.

Jedním z přednostních použití vynálezu je totiž 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 aje tepelně zpracováván a/nebo zchlazován/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 spojována s jinými materiály, které by mohly vyvolat vznik galvanických korozních jevů. Slitina podle vynálezu, ať 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 porušení trubek se zamezí.

I když slitina podle vynálezu je přednostně používána v průtlačném lisování pro výrobu trubek, zejména pro průtlačné 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.

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, tj. rozdíl mezi korozním potenciálem hranic zrn a matrice je minimalizován. S takovou rovnováhou buď není lokální článkové působení hranic zrn aktivováno, nebo je aktivace významně

-5CZ 304962 B6 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 velikosti zrn a správnou chemii částic ve slitině, jako je tomu u slitin dle dosavadního stavu techniky.

Dalším znakem vynálezu je to, že řízení korozního potenciálu hranic zrn a matrice snižuje citlivost materiálu na velikost zrna a požadavek na určitý procentuální obsah intermetalických látek. To znamená, že jelikož je mezizmné 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 tváření 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 „usere 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 09/564 053 a 09/616 015. Navrhovaná slitina hliníku spočívá ve zdokonalení vtom, 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.

Objasnění výkresů

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 graf porovnávající závislost proudové hustoty na čase a potenciálu na čase pro slitinu hliníku obsahující zinek a titan a odlišné žebrové pásové materiály, 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, obr. 3 mikrofotografii ukazující vzorek mezikrystalové koroze u slitiny dle dosavadního stavu techniky a obr. 4 mikrofotografií ukazující homogenní korozi slitiny podle vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

V souvislosti s vynálezem byly provedeny vyšetřovací studie řady slitin hliníku se zaměřením na problém mezikrystalové koroze. Tab. 1 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 hliníkový zbytek spadají do rozmezí uvedených výše.

-6CZ 304962 B6

Tab. 1 • k

Složení experimentálních materiálu (v % hmotnosti)

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 Si, Cu, Ni, hliníkového zbytku a dalších nečistot

Ve slitinách 1 až 12 v tab. 1 se obsahy legovacích prvků liší. Například slitina 1 se liší od slitin 2 až 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 nízké poměru Mn/Fe, ío zatímco slitiny 2 až 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 Mn/Fe se zpravidla udržuje stejný pro slitiny 2 až 12 (přibližně mezi 3,0 až 4,0) a není dále uváděn pro slitiny 3 až 12. Změny v obsazích chrómu, zinku a titanu pro tab. 1 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 až 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.

-7CZ 304962 B6

Slitina 6:

Obsah chrómu, obsah zinku, žádný titan.

Slitina 7:

Žádný chrom, obsah zinku, obsah titanu.

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 až 12 byla podrobena korozní zkoušce SWAAT podle ASTM G85 A3. Jelikož je postup korozního zkoušení dobře známý, není další popis jeho podrobností považován za po25 třebný pro pochopení vynálezu. Výsledky zkoušení pro různá časová údobí, např. 20, 30 a 40 dní jsou uvedeny v tab. 2.

Tab. 2

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

Slitina dní 0 5 5 dní 0 1

0 dní 0

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

-8CZ 304962 B6

Tab. 2 především ukazuje, že slitiny mající nízký poměr obsahů Μη/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 kjejich elektrolytickému potenciálnímu rozdílu vzhledem k hliníkové matrici.

Další závěry, patrně 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, 4 a 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 (slitina 4) nebo pouze titan (slitina 3) odolnost proti korozi na mezi přijatelnosti, tj. 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 Μη/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 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, jak 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. 1 a 2 pro slitiny 7 až 12, byly provedeny studie vyšetřující účinky na mezikrystalovou korozi, když se mění složení, pokud jde o zinek a chrom. Obr. 1 znázorňuje citlivost slitiny hliníku, obsahující podíly zinku a titanu, když je v přítomnosti žebrového tenkého pásového materiálu (fínstock) 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 koroduje primárně na hranicích zrn, je koroze obzvláště špatná při použitích v tenkostěnných trubkách. Slitiny hliníku s Zn-Ti z obr. 1 jsou podobné slitinám 7, 8, 11 a 12 z tab. 1 a 2.

-9CZ 304962 B6

Obr. 2 demonstruje zjištění rozhodujícího znaku minimalizace obsahu zinku při současném dostatečném obsahu chrómu 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. 1. Obr. 2 zřetelně ukazuje, že galvanický proud vytvářený mezi trubkou používa5 jící 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. 1. 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, znázorňují slitinu hliníku obsahující chrom a titan, vykazuje mnohem homogennější koro15 zi. Tyto mikrofotografie 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 mezikrystalově 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 minimalizování rozsahu koroze na hranicích zm. 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 % hmotn. nebo méně, jak 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 zm, takže žádná z nich, zejména hranice zm, 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 vytvo35 ření 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 vy40 nálezu se v těchto použitích zvlášť hodí, protože má dobrou tvářitelnost 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

1. Slitina hliníku, mající složení obsahující, v procentech hmotnosti:

od 0,05 do 0,5 % křemíku množství železa od 0,05 % až do 1,0 %, množství manganu až 2,0 %, méně než 0,1 % zinku, až 0,10 % hořčíku, až 0,10 % niklu, až 0,5 % mědi, od 0,03 % do 0,50 % chrómu, od 0,03 % do 0,35 % titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od 2,0 do 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 v rozmezí od 0,06 % hmotn. do 0,30 % hmotn. a obsah chrómu je v rozmezí od 0,06 % hmotn. do 0,30 % hmotn.

3. Slitina hliníku podle nároku 2, vyznačená tím, že obsah titanu je v rozmezí od 0,08 % hmotn. do 0,25 % hmotn. a obsah chrómu je v rozmezí od 0,08 % hmotn. do 0,25 % hmotn.

4. Slitina hliníku podle nároku 1, vyznačená tím, že podíly zinku jsou menší než 0,06 % hmotn.

5. Slitina hliníku podle nároku 1, vyznačená tím, že poměr obsahu chrómu k obsahu titanu je od 0,5 do 1,5.

6. Slitina hliníku podle nároku 1, obsahující, v procentech hmotnosti:

od 0,05 % do 0,5 % křemíku, množství železa od 0,10 % až do 0,50 %, množství manganu větší než 0,4 % a až 1,0 %, méně než 0,1 % zinku, až 0,10 % hořčíku, až 0,10 % niklu, až 0,1 % mědi, od 0,06 % do 0,30 % chrómu, od 0,06 % do 0,30 % titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od 2,0 do 6,0 a obsahy chrómu a titanu jsou řízené tak, že poměr obsahu chrómu k obsahu titanu je od 0,25 do 2,0.

7. Výrobek zhotovený ze slitiny podle nároku 1.

8. Výrobek podle nároku 7, vyznačený tím, že výrobkem je trubka.

- 11 CZ 304962 B6

9. Výměník tepla, obsahující nejméně jednu trubku připájenou k žebrovému tenkému pásovému materiálu, vyznačený tím, že uvedená nejméně jedna trubka je vyrobena ze slitiny podle nároku 1.

10. Způsob výroby slitiny hliníku s odolností proti korozi, při němž se slitina taví a alespoň odlévá do tvaru a má složení obsahující, v procentech hmotnosti:

od 0,05 % do 0,5 % křemíku, množství železa od 0,05 % až do 1,0 %, množství manganu až 2,0 %, obsah zinku, až 0,10 % hořčíku, až 0,10 % niklu, až 0,5 % mědi, až 0,35 % chrómu, od 0,03 % do 0,35 % titanu, a zbytek je hliník a nevyhnutelné nečistoty, přičemž poměr obsahu manganu k obsahu železa je udržován od 2,0 do 6,0, přičemž obsah zinku je menší než 0,10 %, obsah chromuje v rozmezí od 0,03 do 0,35 % a poměr obsahu chrómu k obsahu titanu se řídí na hodnotu v rozmezí od 0,25 do 2,0.

11. Způsob podle nároku 10, vyznačený tím, že obsah titanu je od 0,06 % hmotn. do 0,30 % hmotn. a obsah chromuje od 0,06 % hmotn. do 0,30 % hmotn.

12. Způsob podle nároku 11, vyznačený tím, že obsah titanu je v rozmezí od 0,08 % hmotn. do 0,25 % hmotn. a obsah chromuje v rozmezí od 0,08 % hmotn. do 0,25 % hmotn.

13. Způsob podle nároku 10, vyznačený tím, že obsah zinku se řídí na hodnotu nižší než 0,06 % hmotn.

14. Způsob podle nároku 10, vyznačený tím, že se odlitý tvar tváří na trubkový tvar.

15. Způsob výroby výměníku tepla, při kterém se více trubek pájí s žebrovým tenkým pásovým materiálem, vyznačený tím, že se trubky vyrábějí ze slitiny hliníku podle kteréhokoli z nároků 1 až 6.