DE10029386B4

DE10029386B4 - Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung zum Vakuumhartlöten mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit sowie Wärmetauscher mit Hartlötplatte

Info

Publication number: DE10029386B4
Application number: DE10029386A
Authority: DE
Inventors: Masaki Nagoya Shimizu; Haruhiko Olazaki Miyachi; Thoshihiko Nagoya Fukuda; Hiroshi Nagoya Ikeda; Yoshifusa Nagoya Shoji
Original assignee: Denso Corp; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Denso Corp; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: JP2001001179A; JP3494591B2; GB2353750B; GB0015175D0; DE10029386A1; US6627330B1; GB2353750A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung zum Vakuumhartlöten, die sich durch ihre Korrosionsbeständigkeit, Walzplattiereigenschaften und Formbarkeit auszeichnet, sowie einen Wärmetauscher, in der die Aluminiumhartlötplatte verwendet wird. Die Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung besteht aus vier Schichten, die einen äußeren Zusatzwerkstoff, einen Zwischenschichtwerkstoff, einen Kernwerkstoff und einen inneren Zusatzwerkstoff umfassen, die in dieser Reihenfolge von der Außenschicht aus hintereinandergeschichtet sind, wobei der Kernwerkstoff 0,5-1,6% Mn, 0,10-0,50% Cu, 0,05-0,50% Mg und 0,06-0,30% Ti sowie als Verunreinigungen 0,5% oder weniger Fe, 0,5% Si oder weniger und 0,1% Zn oder weniger als Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wobei der Zwischenschichtwerkstoff 0,2-1,5% Mg und zumindest entweder 0,5-4% Zn, 0,005-0,2% In oder 0,01-0,2% Sn sowie als Verunreinigungen 0,3% Si oder weniger, 0,3% Fe oder weniger, 0,05% Cu oder weniger, 0,05% Mn oder weniger und 0,3% Ti oder weniger sowie als Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wobei die Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs 50 µm oder mehr beträgt und gleich oder weniger groß ist als die Dicke des Kernwerkstoffs (Dicke des Zwischenwerkstoffs/Dicke des Kernwerkstoffs <= 1) und wobei der äußere Zusatzwerkstoff und der innere Zusatzwerkstoff aus Al-Si-Mg-Legierungen bestehen, wobei der äußere Zusatzwerkstoff vorzugsweise zumindest entweder 0,005-0,2% In oder 0,01 bis 0,2% ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung sowie die Verwendung einer Hartlötplatte in einem Wärmetauscher.
Aus der US 50 21 106 A ist eine Aluminium-Silicium-Hartlötplatte bekannt, die 0,8–1,3 Gew.% Mangan, 0,04–0,1 Gew.% Indium und 0,1–2,0 Gew.% Zink enthält. Das Warmwalzen erfolgt bei Temperaturen zwischen 350–450°C ohne Homogenisierung, gefolgt von einem ersten Kaltwalzen mit Zwischenglühung bei 350–420°C und einem zweiten Kaltwalzen mit einem Abwalzgrad von 20–40%.
Aus der EP 0674 966 A1 ist ferner eine Aluminium-Silicium-Zink-Hartlötlegierung für Wärmetauscher bekannt, die aus einer Aluminium-Silicium-Zink-Pulverlegierung, einem Binder und einem Lösungsmittel hergestellt wurde. Dabei beträgt die Korngröße des Aluminium-Silicium-Zinkpulvers vorzugsweise 10–200 µm. Zur Herstellung einer Lötverbindung wird das Pulver mit dem Binder und einem Lösungsmittel z. B. einem Alkohol vermischt und als Überzug an die Lötstelle gebracht. Beim Aufheizen auf Löttemperatur verdampft der Binder mit dem Lösungsmittel, so dass die Lötlegierung an der Verbindungsstelle zurückbleibt.
Wärmetauscher aus Aluminiumlegierung finden als Wärmetauscher in Fahrzeugen in Form von Ölkühlern, Zwischenkühlern, Heizungen, Verdampfern für Klimaanlagen und als Kondensatoren sowie in Form von Ölkühlern für Hydraulikanlagen und Industriemaschinen Verwendung. Der Aufbau dieser Wärmetauscher wurde auf unterschiedliche Weise modifiziert. Für einen Verdampfer und einen Kondensator beispielsweise werden hauptsächlich Weltrippen-Wärmetauscher benutzt, die durch Hartlöten eines gewellten Rippenwerkstoffs für Hartlötplatten und einer porösen stranggepressten Flachrohrschlange hergestellt werden. Derzeit werden Lamellen- oder Rippenverdampfer, die eine bessere Wärmetauscherleistung bieten, oft als Verdampfer verwendet. Solch ein Lamellen- oder Rippenverdampfer wird durch Ausbildung eines Fluidkanals zwischen geschichteten Kernplatten gefertigt, die durch Formpressen einer Hartlötplatte entstehen, die auf beiden Seiten mit einem Zusatzwerkstoff plattiert ist, durch Aufbringen eines Wellrippenwerkstoffs aus Aluminiumlegierung auf den Kernplatten sowie durch Hartlöten dieser Werkstoffe.
Als Kernplatte für einen Lamellen- oder Rippenwärmetauscher wird eine Hartlötplatte verwendet, die aus einem Kernwerkstoff besteht, der eine Aluminiumlegierung, wie beispielsweise eine Al-Mn-, Al-Mn-Cu-, Al-Mn-Mg- oder Al-Mn-Cu-Mg-Aluminiumlegierung umfaßt, die Mn als wesentlichen Bestandteil enthält, wie z. B. eine Legierung nach japanischer Industrienorm JIS3003 oder JIS3005. Entweder eine oder beide Seiten des Kernwerkstoffs werden mit einem Al-Si-Mg-Zusatzwerkstoff plattiert. Als Rippenwerkstoff wird eine Al-Mn-, Al-Mn-Cu, Al-Mn-Mg oder Al-Mn-Zn-Aluminiumlegierung benutzt. Die Kernplatte und der Rippenwerkstoff werden im allgemeinen durch Vakuumhartlöten miteinander verbunden.
Der Kernwerkstoff der vorgenannten Hartlötplatte, der Mn als wesentlichen Bestandteil enthält, weist jedoch eine ungenügende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Lochfraß auf. Aus diesem Grund kann es aufgrund von Lochkorrosion an der Außenfläche (d. h. an der mit der Luft in Kontakt stehenden Fläche) zu Undichtheit durch Lochbildung kommen, wenn der Werkstoff in einem Fluidkanal für Kühlmittel verwendet wird. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, wonach ein Rippenwerkstoff verwendet wird, der ein niedrigeres Potential hat als der Fluidkanalwerkstoff, wie z. B. eine Al-Mn-Zn-Legierung oder eine Al-Mn-Sn-Legierung, um zu verhindern, daß der Fluidkanalwerkstoff durch den Opferanodeneffekt des Rippenmaterials korrodiert. Dieses Verfahren wirft jedoch folgende Probleme auf, wenn es auf Verdampfer angewendet wird. Insbesondere wenn ein Kühlmittel in einem Wärmetauscher verdampft, um Wärme aus der Luft zu absorbieren, sinkt die Oberflächentemperatur des Wärmetauschers und verursacht Taubildung auf den Rippen. Dieser Tau hat aufgrund des geringen Gehalts an Verunreinigungen eine deutlich geringe elektrische Leitfähigkeit. Ein vor Korrosion schützender Strom, der durch den Opferanodeneffekt der Rippe erzeugt wird, reicht nur bis in die Nähe des Fugenabschnitts der Rippe, und es entsteht kein Opferanodeneffekt außerhalb des Fugenabschnitts. Außerdem sind SO₄ ^2–-, NO₃ ^–- oder dergleichen Ionen, die in Abgasen von Fahrzeugkraftstoffen wie Diesel oder Benzin vorhanden sind oder von Fabriken ausgestoßen werden, im Tau enthalten, wodurch der Tau konzentrierter wird und die Lochkorrosion steigt. Dies fördert deutlich die Korrosion, es entsteht Lochfraß in den Kernplatten, wodurch das Kühlwasser austreten kann.
Um diese Probleme zu lösen, wurde ein aus vier Schichten bestehender plattierter Werkstoff vorgeschlagen ( japanische Offenlegungsschrift der Patentanmeldung Nr. 60-251243 ). In dem vierschichtigen plattierten Werkstoff wurde zwischen dem Kernwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff ein Zwischenschichtwerkstoff aus einer Aluminiumlegierung vorgesehen, die ein Potential aufweist, das 20–100 mV niedriger ist, als das des Kernwerkstoffs. Obwohl die Lochkorrosionsbeständigkeit bei diesem vierschichtigen plattierten Werkstoff verbessert wurde, ist es schwierig, die Druckbeständigkeit für Wärmetauscher wegen der mangelnden Festigkeit nach dem Hartlöten sicherzustellen. Außerdem kann die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten während des Warmwalzens ungenügend sein. Ferner zeigt der vierschichtige plattierte Werkstoff aufgrund der ungleichmäßigen Festigkeit und Längung zwischen den einzelnen Schichten die Neigung, sich zu verziehen. Zusätzlich erschwert eine ungleichmäßige Plattierungsrate die Herstellung. Um die Beständigkeit gegenüber Lochkorrosion zu verbessern, wurde vorgeschlagen, Ti, Cu, Mg und Si einer Al-Mn-Legierung zuzulegieren, die den Kernwerkstoff eines Kernplattenwerkstoffs für einen Lamellen- oder Rippenwärmetauscher bildet.
Die Zulegierung dieser Elemente ergibt eine Struktur, die periodische Unterschiede in der Ti-Konzentration in Richtung der Plattendicke aufweist. Dieser Werkstoff hat eine gute Korrosionsbeständigkeit in Gebieten, wo große Mengen Meersalzpartikel vorhanden sind. In einem Gebiet, in dem die Abgasmenge zu groß ist, ist diese Wirkung mangelhaft.
Es wurde ein Verfahren vorgeschlagen, um dem Zusatzwerkstoff des vorgenannten Kernplattenwerkstoffs Zn zuzulegieren. Dieses Verfahren dient dazu, Korrosionsbeständigkeit durch den Opferanodeneffekt von Zn zu verleihen. Zn ist wirksam als Opferanode. Da jedoch der Dampfdruck von Zn bei der Löttemperatur höher ist als der Vakuumgrad in einem Lötofen, verdampft Zn fast vollständig während des Vakuumhartlötens und bleibt nicht im Kernplattenwerkstoff erhalten, wodurch es nicht zu einem Opferanodeneffekt kommt. Es wurde ein weiteres Verfahren vorgeschlagen, welches das Aufbringen von Zn auf einen Verdampfer nach dem Hartlöten und das Diffundieren von Zn durch Erhitzen umfaßt. Dieses Verfahren erhöht jedoch die Anzahl der Herstellungsschritte und die Kosten. Wenn ein Zwischenschichtwerkstoff zwischen dem Kernwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff vorgesehen wird, haben die Festigkeits- oder Dehnungsunterschiede zwischen dem Zwischenschichtwerkstoff und dem Kernwerkstoff zur Folge, daß sich der plattierte Werkstoff während des Warmwalzens verzieht, oder es kommt dadurch zu einer schlechten Bindung zwischen den einzelnen Schichten während des Walzplattierens. Außerdem kann es zu einer ungleichmäßigen Plattierungsdicke kommen. Das Verziehen kann zu einem Teil reduziert werden, indem die Walzrate verringert wird. Das jedoch senkt den Produktionswirkungsgrad und ist nicht für die Massenproduktion geeignet.
Ferner wurde das Eindringen von geschmolzenem Zusatzmetall in den Kernwerkstoff als Problem angegeben. Im Fall eines Lamellen- oder Rippenwärmetauschers wird ein Fluidkanal durch Formpressen von geglühten Werkstoffen (weichgeglühten Werkstoffen), die als Kernplattenwerkstoffe verwendet werden, gebildet und indem die geglühten Werkstoffe durch Hartlöten verbunden werden. Die während des Formpressens verursachte elastische Verformung rekristallisiert und verschwindet während des Hartlötens. Bei einer Al-Mn-Legierung verschwindet die elastische Verformung, wenn sie nur klein ist, aufgrund der erhöhten Rekristallisationstemperatur bei der Löttemperatur jedoch nicht vollständig, wodurch eine Subkornbildung erhalten bleibt, die durch die Erholung der elastischen Verformung entsteht. Da Diffusion leicht an den Subkorngrenzen entsteht, diffundiert ein großer Teil des Si-haltigen Zusatzmetalls in den Kernwerkstoff, was zu einem Mangel an Zusatzmetall führt. Der Bereich, in den das Zusatzmetall eingedrungen ist, weist eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit und eine verringerte Festigkeit auf. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Verfahren zur Homogenisierung des Kernwerkstoffs bei hohen Temperaturen oder ein Verfahren zur Durchführung eines Schlußglühvorgangs bei hohen Temperaturen für eine lange Zeitdauer vorgeschlagen. Diese Verfahren sind jedoch noch immer ungenügend.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um eine vierschichtige plattierte Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung zum Vakuumhartlöten herzustellen, die einen Kernwerkstoff, einen Zwischenschichtwerkstoff und Zusatzwerkstoff auf beiden Seiten des Kernwerkstoffs umfaßt und die die vorgenannten Probleme in einem Fluidkanal eines Wärmetauschers aus Aluminiumlegierung lösen kann, führten die Erfinder umfassende Studien zur Zusammensetzung von Zwischenschichtwerkstoffen und zu den Eigenschaften von Kernwerkstoffen durch, um eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit zu erreichen und um die Probleme bei der Herstellung von plattierten Werkstoffen zu lösen. Als Ergebnis fanden die Erfinder heraus, daß die folgenden Phänomene (1) bis (4) auftreten, wenn (a) der Fe-Gehalt im Zwischenschichtwerkstoff begrenzt, (b) Zn dem Zwischenschichtwerkstoff zulegiert, (c) In und Sn dem Zwischenschichtwerkstoff zulegiert, und (d) es ermöglicht wird, daß eine vorbestimmte Menge an elastischer Verformung im Kernwerkstoff verbleibt.

(1) Si im Zusatzwerkstoff, der auf beiden Seiten der Hartlötplatte aufgebracht ist, diffundiert während des Erhitzens zum Hartlöten in den Zwischenschichtwerkstoff und den Kernwerkstoff. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Si erhöht sich besonders an der Kristallkorngrenze und deshalb dringt Si vorzugsweise in diesen Bereich ein. Dadurch verringert sich der Schmelzpunkt in der Nähe der Kristallkorngrenze des Zwischenschichtwerkstoffs, wodurch es zu einem örtlich begrenzten Schmelzen und einer Vergrößerung der Menge an Si-Mischkristallen kommt. Ferner diffundiert Cu im Kernwerkstoff in den Zwischenschichtwerkstoff in einer Menge, die größer ist, als die Diffusion zwischen den festen Phasen. Das verringert den anodischen Korrosionsschutzeffekt des Zwischenschichtwerkstoffs, wodurch der Zwischenschichtwerkstoff in einem frühen Stadium vom Lochfraß betroffen ist. Die Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs wird jedoch nach dem Erhitzen zum Hartlöten grob, wenn der Fe-Gehalt und der Si-Gehalt im Zwischenschichtwerkstoff begrenzt werden. Dies verringert die Linienlänge der Korngrenze pro Querschnitt, wo die Diffusion von Si stattfindet. Aufgrund dieser Tatsache kann der Zwischenschichtwerkstoff mit seinen hervorragenden anodischen Korrosionsschutzseigenschaften über einen großen Bereich gewährleistet werden, wodurch die Haltbarkeit gegenüber Lochfraß deutlich verbessert wird.
(2) Bei Zulegierung von Zn zum Zwischenschichtwerkstoff diffundiert Zn in den Zusatzwerkstoff nahe der Oberfläche des vierschichtigen plattierten Werkstoffen und verdampft während des Hartlötens. Zn bleibt jedoch an der Seite des Kernwerkstoffs und diffundiert in den Kernwerkstoff ein. Dadurch hat die Zn-Konzentration in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Zwischenschichtwerkstoff und dem Kernwerkstoff einen Spitzenwert und nimmt sowohl an der Seite des Zusatzwerkstoffs als auch an der des Kernwerkstoffs ab. Aufgrund dieses Sachverhalts wird das elektrische Potential des vierschichtigen plattierten Werkstoffs nahe der Grenzfläche zwischen dem Zwischenschichtwerkstoff und dem Kernwerkstoff am kleinsten und wächst allmählich zu den Innenseiten des Kernwerkstoffes hin an. Aus diesem Grund wirken der Zwischenschichtwerkstoff und der Kernwerkstoff an der Seite des Zwischenschichtwerkstoffs als Opferanode für den Kernwerkstoff, der sich an der Seite des Zusatzwerkstoffs befindet, wodurch Lochfraßkorrosion verhindert wird. Die Zulegierung von In und Sn zum Zusatzwerkstoff verbessert die Korrosionsbeständigkeit weiter, da der Zusatzwerkstoff ebenfalls als Opferanode wirkt.
(3) Wenn In und Sn dem Zwischenschichtwerkstoff zulegiert werden, diffundieren In und Sn in den Zusatzwerkstoff in der Nähe der Oberfläche des vierschichtigen plattierten Werkstoffs, aber kaum in den Kernwerkstoff. Das in den Zusatzwerkstoff diffundierte In und Sn verdampft nicht und bleibt darin vorhanden. Dadurch ist die Konzentration von In und Sn gleichmäßig über fast den gesamten Querschnitt des Zwischenschichtwerkstoffs verteilt. Der Zwischenschichtwerkstoff und der Kernwerkstoff, der mit dem Zwischenschichtwerkstoff in Kontakt ist, wirken als Opferanoden, um Lochfraßkorrosion zu verhindern. Bei Zulegierung von In und Sn zum Zusatzwerkstoff zeichnet sich der Zusatzwerkstoff durch einen deutlichen Opferanodeneffekt aus.
(4) Es ist wichtig, ausgeschiedene Körner des Kernwerkstoffs zu kontrollieren, um die Lötbarkeit zu verbessern (Erosionsbeständigkeit). Ferner wird es als vorteilhaft betrachtet, die elastische Verformung im Kernwerkstoff zu belassen und während des Erhitzens rekristallisieren zu lassen, um in einen Zustand hineinzulöten, in dem das Untergefüge nicht bestehen bleibt. Wenn die elastische Verformung jedoch im Kernwerkstoff belassen wird, tritt bei einer zu großen elastischen Verformung Rißbildung während des Formpressens auf. Wenn die elastische Verformung zu gering ist, tritt Erosion während des Erhitzens zum Hart löten auf, was zu einer verminderten Lötbarkeit führt. Es ist deshalb schwierig, gleichzeitig sowohl die Formpreßbarkeit als auch die Erosionsbeständigkeit sicherzustellen. Die Erfinder fanden heraus, daß die Größe der elastischen Verformung, die im Kernwerkstoff zurückbleibt, quantifiziert werden kann und daß deren Bereich begrenzt werden kann, indem eine Vierschichtstruktur gebildet, der Zwischenschichtwerkstoff weichgeglüht und das Verhältnis der Vickers-Mikrohärte des Kernwerkstoffs im Rohstoffzustand auf die des Kernwerkstoffs im weichgeglühten Zustand begrenzt wird, wodurch Formpreßbarkeit und Erosionsbeständigkeit gewährleistet werden können.

Die vorliegende Erfindung basiert auf den vorgenannten Erkenntnissen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung zum Vakuumhartlöten bereitzustellen, die sich durch Korrosionsbeständigkeit, Walzplattiereigenschaften und Formbarkeit auszeichnet, sowie einen Wärmetauscher vorzuschlagen, in dem die Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung angewendet wird.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist die erfindungsgemäße Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit zum Vakuumhartlöten folgendermaßen gekennzeichnet.

1. Eine Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung, die aus vier Schichten aufgebaut ist, bestehend aus einem äußeren Zusatzwerkstoff, einem Zwischenschichtwerkstoff, einem Kernwerkstoff und einem inneren Zusatzwerkstoff, die in dieser Reihenfolge, von der Außenfläche gesehen, plattiert sind, wobei der Kernwerkstoff 0,5–1,6% Mn, 0,10–0,50% Cu, 0,05–0,50% Mg und 0,06–0,30% Ti sowie als Verunreinigungen 0,5% Fe oder weniger, 0,5% Si oder weniger und 0,1% Zn oder weniger enthält, wobei der Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei der Zwischenschichtwerkstoff 0,2–1,5% Mg und zumindest entweder 0,5 –4% Zn, 0,005–0,2% In oder 0,01–0,2% Sn, sowie als Verunreinigungen 0,3% Si oder weniger, 0,3% Fe oder weniger, 0,05% Cu oder weniger, 0,05% Mn oder weniger und 0,3% Ti oder weniger enthält, wobei der Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei die Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs 50 µm oder mehr beträgt und gleich oder weniger stark ist als die Dicke des Kernwerkstoffs (Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs/Dicke des Kernwerkstoffs ≤ 1), und wobei der äußere Zusatzwerkstoff und der innere Zusatzwerkstoff aus Al-Si-Mg-Legierungen bestehen.
2. Bei der Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung gemäß vorgenanntem Punkt 1. enthält der äußere Zusatzwerkstoff ferner zumindest entweder 0,005–0,2% In oder 0,01–0,2% Sn.
3. Bei der Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung gemäß den vorgenannten Punkten 1. oder 2. beträgt die durchschnittliche Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs 60 µm oder mehr.
4. Bei der Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung gemäß einem der vorgenannten Punkte 1. bis 3. beträgt die durchschnittliche Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs nach dem Erhitzen zum Hartlöten 80 µm oder mehr.
5. Bei der Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung gemäß einem der vorgenannten Punkte 1. bis 4. enthält der Zwischenschichtwerkstoff ferner Zn, wobei die Zn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen dem Zwischenschichtwerkstoff und dem Kernwerkstoff nach dem Erhitzen zum Hartlöten 0,1–2,0% und die Zn-Konzentration im Kernwerkstoff von der Mitte der Plattendicke zur Grenzfläche zwischen dem Kernwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff hin 0,3% oder weniger beträgt.
6. Bei der Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung gemäß einem der vorgenannten Punkte 1. bis 5. beträgt das Verhältnis zwischen der Härte des Kernwerkstoffs und der des Kernwerkstoffs in einem weichen Zustand 1,15–1,75.

Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher wird unter Verwendung der Hartlötplatte gemäß einem der vorgenannten Punkte 1. bis 6. hergestellt, wobei die Zwischenschicht entweder den vorgenannten Punkt 4. oder die vorgenannten Punkte 4. und 5. über den gesamten Querschnitt erfüllt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung;
2 zeigt einen Aufriß und einen Querschnitt eines Wärmetauschers, der unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung hergestellt ist;
3 ist einen Querschnitt, der einen Wärmetauscher zeigt, der unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung hergestellt ist;
4 zeigt einen Querschnitt eines Abschnitts A in 3.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
Wie in 1 zu sehen ist, weist eine erfindungsgemäße Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit (nachfolgend "Hartlötplatte" genannt) einen Aufbau aus vier Schichten als wesentliche Struktur auf, die einen Zwischenschichtwerkstoff 3, der auf einer Seite eines Kernwerkstoffs 2 vorgesehen ist, einen inneren Zusatzwerkstoff 4, der an der anderen Seite des Kernwerkstoffs 2 vorgesehen ist sowie einen äußeren Zusatzwerkstoff 5 umfaßt, der auf dem Zwischenschichtwerkstoff 3 aufliegt. Bei dieser vierschichtigen Hartlötplatte werden bei Herstellung eines Wärmetauschers das innere Zusatzmetall und das äußere Zusatzmetall einfach verbunden, wobei der Zwischenschichtwerkstoff verhindern soll, daß der Kernwerkstoff korrodiert.
Die Bedeutung der Legierungskomponenten in der Hartlötplatte 1, die Gründe für dabei zu beachtende Begrenzungen und andere Gründe für Beschränkungen werden nachstehend beschrieben.
(1) Komponenten des Kernwerkstoffs
Si im Kernwerkstoff, das als Verunreinigung vorhanden ist, bildet eine Al-Mn-Si-Verbindung, um die Festigkeit zu verbessern. Der Si-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,5% oder weniger. Wenn der Si-Gehalt 0,5% übersteigt, kann das Zusatzmetall Si während des Hartlötens entlang der Korngrenzen eindringen, wodurch die Lötbarkeit herabgesetzt wird. Andererseits ist ein hochreines Al-Metall mit einem Si-Gehalt von nahezu 0% aufgrund der erhöhten Kosten ungeeignet. Noch besser ist ein Si-Gehalt von 0,01–0,5%.
Fe liegt im Kernwerkstoff, ebenso wie Si, als Verunreinigung vor. Der Fe-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,5% oder weniger. Wenn der Fe-Gehalt 0,5% übersteigt, wird das Kristallkorn im Kernwerkstoff zu fein, wodurch die Erosionsbeständigkeit des Kernwerkstoffs verringert wird. Andererseits ist ein hochreines Al-Metall mit einem Fe-Gehalt von nahezu 0% aufgrund der erhöhten Kosten ungeeignet. Noch besser ist ein Fe-Gehalt von 0,01–0,5%.
Cu verbessert die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit. Der Cu-Gehalt liegt vorzugsweise bei 0,10–0,50%. Ist der Cu-Gehalt geringer als 0,10%, wird das elektrische Potential des Kernwerkstoffs kleiner als das des Zusatzmetalls, wodurch die Korrosionsbeständigkeit abnimmt. Bei einem Cu-Gehalt von mehr als 0,50% werden die Erosionsbeständigkeit während des Hartlötens und die Formpreßbarkeit geringer. Noch besser ist ein Cu-Gehalt von 0,1–0,4%.
Mn wird zulegiert, um die Festigkeit zu verbessern. Der Mn-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,5–1,6%. Bei einem Mn-Gehalt von weniger als 0,5% wird die Festigkeit unzureichend. Wenn der Mn-Gehalt größer ist als 1,6%, entstehen sehr grobe Körner während des Gießens, wodurch die Walzbarkeit beeinträchtigt wird.
Mg verbessert die Festigkeit. Der Mg-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,05–0,50%. Bei einem Mg-Gehalt von weniger als 0,05% wird die Festigkeit unzureichend. Wenn der Mg-Gehalt größer ist als 0,50%, kommt es zu Korngrenzenkorrosion im Kernwerkstoff, wodurch die Korrosionsbeständigkeit herabgesetzt wird. Noch besser ist ein Mg-Gehalt von 0,1–0,3.
Ti wird zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit zulegiert. Der Ti-Gehalt liegt vorzugsweise bei 0,06–0,30%. Ist der Ti-Gehalt kleiner als 0,06%, ist die Wirkung begrenzt. Wenn der Ti-Gehalt 0,30% übersteigt, bilden sich während des Gießens sehr grobe Körner, die die Walzbarkeit beeinträchtigen. Noch besser ist ein Ti-Gehalt von 0,1–0,25%.
Zn liegt im Kernwerkstoff, wie im Falle von Si, als Verunreinigung vor. Der Zn-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,1% oder weniger. Wenn der Zn-Gehalt 0,1% übersteigt, wird das elektrische Potential des Kernwerkstoffs herabgesetzt, und die Potentialdifferenz zwischen dem Kernwerkstoff und dem Zwischenschichtwerkstoff wird gering. Dadurch wird der anodische Korrosionsschutzeffekt des Zwischenschichtwerkstoffs ungenügend, wodurch die Korrosionsbeständigkeit der Hartlötplatte verringert wird.
(2) Komponenten des Zwischenschichtwerkstoffs
Si liegt im Zwischenschichtwerkstoff als Verunreinigung vor. Der Si-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,3% oder weniger. Wenn der Si-Gehalt 0,3% übersteigt, neigt das Zusatzmetall während des Hartlötens zum Eindringen, wodurch die Lötbarkeit herabgesetzt wird. Andererseits ist ein hochreines Al-Metall mit einem Si-Gehalt von nahezu 0% aufgrund der erhöhten Kosten ungeeignet. Noch besser ist ein Si-Gehalt von 0,01–0,3%.
Obwohl Fe, ebenso wie Si, im Zwischenschichtwerkstoff als Verunreinigung vorliegt, wird der Fe-Gehalt begrenzt, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Der Fe-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,3% oder weniger. Wenn der Fe-Gehalt 0,3% übersteigt, wird die Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs zu fein, wodurch Si im Zusatzmetall in die Korngrenzen des Zwischenschichtwerkstoffs eindringt. Dies verringert die anodische Korrosionsschutzleistung des Zwischenschichtwerkstoffs, wodurch die Korrosionsbeständigkeit herabgesetzt wird. Ein hochreines Al-Metall mit einem Fe-Gehalt von nahezu 0% ist aufgrund der erhöhten Kosten ungeeignet. Noch besser ist ein Fe-Gehalt von 0,01–0,15%.
Mg verbessert die Festigkeit. Der Mg-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,2–1,5%. Bei einem Mg-Gehalt von weniger als 0,2% wird die Festigkeit ungenügend. Wenn der Mg-Gehalt größer ist als 1,5% schmelzen die Korngrenzen des Zwischenschichtwerkstoffs, wodurch die Lötbarkeit vermindert wird.
Zn wird zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit zulegiert. Der Zn-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,5–4,0%. Wenn der Zn-Gehalt unter 0,5% liegt, wird seine Wirkung, das elektrische Potential der Opferanode zu verringern, ungenügend, wodurch eine Korrosionsbeständigkeit nicht geschaffen werden kann. Wenn der Zn-Gehalt 4,0% übersteigt, schmelzen die Korngrenzen des Zwischenschichtwerkstoffs, wodurch die Lötbarkeit herabgesetzt wird. Noch besser ist ein Zn-Gehalt von 0,5–3,0 %, und besonders gut ist ein Zn-Gehalt von 0,5–2,5%.
In wird zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit zulegiert. Der In-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,005–0,2%. Liegt der In-Gehalt unter 0,005%, wird seine Wirkung, das elektrische Potential abzusenken, ungenügend, wodurch eine Korrosionsbeständigkeit nicht geschaffen werden kann. Wenn der In-Gehalt 0,2% überschreitet, schmelzen die Korngrenzen des Zwischenschichtwerkstoffs während des Hartlötens, wodurch die Lötbarkeit vermindert wird. Noch besser ist ein In-Gehalt von 0,01–0,05%.
Sn wird zulegiert, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Der Sn-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,01–0,2%. Bei einem Sn-Gehalt unter 0,01% wird die Wirkung, das elektrische Potential abzusenken, ungenügend, wodurch eine Korrosionsbeständigkeit nicht geschaffen werden kann. Wenn der Sn-Gehalt 0,2% überschreitet, schmelzen die Korngrenzen des Zwischenschichtwerkstoffs während des Hartlötens, wodurch die Lötbarkeit vermindert wird. Noch besser ist ein Sn-Gehalt von 0,01–0,05%.
Cu liegt im Zwischenschichtwerkstoff als Verunreinigung vor. Der Cu-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,05% oder weniger. Wenn der Cu-Gehalt über 0,05% liegt, wird das elektrische Potential des Zwischenschichtwerkstoffs höher, wodurch die Potentialdifferenz zwischen dem Zwischenschichtwerkstoff und dem Kernwerkstoff beseitigt wird. Als Folge wird der anodische Korrosionsschutzeffekt des Zwischenschichtwerkstoffs ungenügend, wodurch die Korrosionsbeständigkeit abnimmt.
Mn liegt im Zwischenschichtwerkstoff als Verunreinigung vor. Der Mn-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,05% oder weniger. Wenn der Mn-Gehalt über 0,05% liegt, kommt es aufgrund der Tatsache, daß die Rekristallisierungstemperatur während des Hartlötens ansteigt, während des Erhitzens zum Hartlöten zu Erosion, wodurch die Lötbarkeit vermindert wird.
Ti liegt im Zwischenschichtwerkstoff als Verunreinigung vor. Der Ti-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,3% oder weniger. Bei einem Ti-Gehalt von mehr als 0,3% entstehen sehr grobe Körner während des Gießens, wodurch die Walzbarkeit beeinträchtigt wird.
Die Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs als Rohstoff wird begrenzt, um die Lötbarkeit sicherzustellen. Die Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs beträgt vorzugsweise 60 µm oder mehr. Wenn die Korngröße unter 60 µm liegt, dringt das Zusatzmetall in die Korngrenzen des Zwischenschichtwerkstoffs ein, wodurch die Lötbarkeit verringert werden kann.
(3) Komponenten des Zusatzwerkstoffs
Als Zusatzwerkstoff wird eine Al-Si-Mg-Aluminiumlegierung verwendet, die 6–13% Si und 0,5–3,0% Mg als wichtige Komponenten enthält. Es wird ferner eine Al-Si-Mg-Aluminiumlegierung mit 0,2% Bi oder weniger und 0,2% Be oder weniger verwendet, um die Lötbarkeit zu verbessern. Als äußerer Zusatzwerkstoff (Zusatzwerkstoff an der Seite des Zwischenschichtwerkstoffs) erhält der vorgenannte Zusatzwerkstoff zu den vorgenannten Komponenten eine Beimengung von In und Sn.
In verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Der In-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,005–0,2%. Liegt der In-Gehalt unter 0,005% wird der Zulegierungseffekt ungenügend, wodurch eine Korrosionsbeständigkeit nicht geschaffen werden kann. Wenn der In-Gehalt 0,2% übersteigt, kommt es bei geseigertem In zu örtlich begrenztem Schmelzen, wodurch die Walzbarkeit verringert wird. Noch besser ist ein In-Gehalt von 0,01–0,05%.
Sn verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Der Sn-Gehalt beträgt vorzugsweise 0,01–0,2%. Liegt der Sn-Gehalt unter 0,01% wird der Zulegierungseffekt ungenügend, wodurch eine Korrosionsbeständigkeit nicht geschaffen werden kann. Wenn der Sn-Gehalt 0,2% übersteigt, kommt es bei geseigertem In zu örtlich begrenztem Schmelzen, wodurch die Walzbarkeit verringert wird. Noch besser ist ein Sn-Gehalt von 0,01–0,05%.
(4) Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs
Die Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs ist begrenzt, um die Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Die Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs beträgt vorzugsweise 50 µm oder mehr und ist gleich oder kleiner als die Dicke des Kernwerkstoffs. Wenn die Dicke unter 50 µm liegt, verringert sich die Korrosionsbeständigkeit. Wenn die Dicke größer als die Dicke des Kernwerkstoffs ist (Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs/Dicke des Kernwerkstoffs > 1), wird die Walzplattierstabilität kleiner.
(5) Verhältnis der Vickers-Mikrohärte des Kernwerkstoffs
Das Verhältnis der Vickers-Mikrohärte des Kernwerkstoffs ist begrenzt, um eine Erosion des Kernwerkstoffs zu verhindern und eine gute Formbarkeit sicherzustellen. Das Vickers-Mikrohärteverhältnis beträgt vorzugsweise 1,15–1,75. Wenn das Verhältnis kleiner als 1,15 ist, werden Erosionsbeständigkeit und Lötbarkeit herabgesetzt. Wenn das Verhältnis 1,75 übersteigt, kommt es während des Formpressens zur Rißbildung.
(6) Durchschnittliche Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs (nach Erhitzen zum Hartlöten)
Die durchschnittliche Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs wird begrenzt, um die Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen. Die durchschnittliche Korngröße beträgt vorzugsweise 80 µm oder mehr. Bei einer geringeren durchschnittlichen Korngröße als 80 µm wird die Korrosionsbeständigkeit kleiner.
(7) Zn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen Kernwerkstoff und Zwischenschichtwerkstoff (bei Zulegierung von Zn zum Zwischenschichtwerkstoff)
Die Zn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen Kernwerkstoff und Zwischenschichtwerkstoff wird zur Sicherstellung der Korrosionsbeständigkeit begrenzt. Die Zn-Konzentration beträgt vorzugsweise 0,1–2,0%. Wenn die Zn-Konzentration unter 0,1% liegt, kann der Zulegierungseffekt von Zn nicht erzielt werden. Wenn die Zn-Konzentration 2,0% übersteigt, wird der Zwischenschichtwerkstoff so rasch zerfressen, daß die Zeitspanne kurz wird, in der der Zwischenschichtwerkstoff einen anodische Korrosionsschutzeffekt ausübt, wodurch die Korrosionsbeständigkeit verringert wird.
(8) In den Kernwerkstoff diffundierte Zn-Konzentration (bei Zulegierung von Zn zum Zwischenschichtwerkstoff)
Die diffundierte Zn-Konzentration, d. h. die durchschnittliche Zn-Konzentration im Kernwerkstoff von der Mitte des Kernwerkstoffs zur Grenzschicht zwischen dem Zusatzwerkstoff und dem Kernwerkstoff, wird begrenzt, um die Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Die durchschnittliche Zn-Konzentration beträgt vorzugsweise 0,3% oder weniger. Wenn die Konzentration 0,3% übersteigt, wird das elektrische Potential des Kernwerkstoffs von der Mitte des Kernwerkstoffs zur Grenzschicht zwischen dem Zusatzwerkstoff und dem Kernwerkstoff kleiner, wodurch die Korrosionsbeständigkeit herabgesetzt wird.
Die erfindungsgemäße Hartlötplatte wird wie folgt hergestellt. Die Aluminiumlegierungen, aus denen der Kernwerkstoff, der Zwischenschichtwerkstoff und der Zusatzwerkstoff bestehen, werden insbesondere jeweils beispielsweise in einem halbkontinuierlichen Stranggußverfahren gegossen und homongenisiert. Der Zwischenschichtwerkstoff und der Zusatzwerkstoff werden jeweils auf eine vorbestimmte Dicke warmgewalzt. Diese Werkstoffe und ein Block aus der Aluminiumlegierung für den Kernwerkstoff werden vereinigt und warmgewalzt, um einen vierschichtigen plattierten Werkstoff mit einem äußeren Zusatzwerkstoff, einem Zwischenschichtwerkstoff, einem Kernwerkstoff und einem inneren Zusatzwerkstoff herzustellen, wobei die Schichtung in dieser Reihenfolge erfolgt. Der vierschichtige plattierte Werkstoff wird durch Kaltwalzen, Zwischenglühen und nochmaliges Kaltwalzen auf eine vorbestimmte Dicke gebracht.
Diese Hartlötplatte 1 wird beispielsweise zu einer Kernplatte 10 eines Lamellen- oder Rippenwärmetauschers oder dergleichen gepreßt (siehe 2). Die gepreßte Kernplatte 10 ist so geschichtet, daß sich der Zwischenschichtwerkstoff 3 an der Außenseite befindet. Nun wird eine (nicht dargestellte) Rippe aus einer Aluminiumlegierung an der Kernplatte 10 an der Seite des Zwischenschichtwerkstoffs 3 befestigt. Das zusammengebaute Gebilde wird durch Vakuumhartlöten in einem Lötofen gelötet, um ein gelötetes Erzeugnis 11 des Lamelllen- bzw. Rippenwärmetauschers zu erhalten, wie z. B. einen Verdampfer.
BEISPIELE
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend genauer anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen erläutert, um die Wirkung der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Diese Beispiele illustrieren eine Ausführung der vorliegenden Erfindung und sind nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend zu betrachten.
Beispiele 1–6, 14–29, 42–49, 55–70, 71–82
Aluminiumlegierungen für einen Kernwerkstoff, die in Tabelle 1 dargestellt sind (Zusammensetzungen der Beispiele 1–6); Aluminiumlegierungen für einen Zwischenschichtwerkstoff, die in Tabelle 2 zu sehen sind (Zusammensetzungen der Beispiele 21–36) und Aluminiumlegierungen für einen Zusatzwerkstoff, die in Tabelle 4 zu finden sind und die Zusammensetzung einer Legierung nach japanischer Industrienorm JIS4104 als wesentliche Komponente aufweisen (Zusammensetzungen der Beispiele 51–58), wurden jeweils durch ein Stranggußverfahren hergestellt. Jeder Block wurde homogenisiert und geschält. Der Zwischenschichtwerkstoff und der Zusatzwerkstoff wurden auf eine vorbestimmte Dicke warmgewalzt.
Die in Tabelle 1 gezeigten Kernwerkstoffe, in Tabelle 2 enthaltenen Zwischenschichtwerkstoffe und in Tabelle 4 dargestellten Zusatzwerkstoffe wurden in der Reihenfolge Zusatzwerkstoff, Kernwerkstoff, Zwischenschichtwerkstoff, Zusatzwerkstoff hintereinandergeschichtet. Die Kombinationen aus den jeweiligen Werkstoffen in den Beispielen 1–6, 14–29 und 42–49 werden jeweils in Tabelle 5, Tabelle 7 und Tabelle 11 gezeigt. Ferner wurde jeder Werkstoff in der Reihenfolge Zusatzwerkstoff, Kernwerkstoff, Zwischenschichtwerkstoff und Zusatzwerkstoff in den Beispielen 55–70 (Tabelle 13) und in den Beispielen 71–82 (Tabelle 15) hintereinandergeschichtet, wobei das Plattierungsverhältnis des Zwischenschichtwerkstoffs zum Kernwerkstoff (Zwischenschichtverhältnis) verändert wurde. Die geschichteten Werkstoffe wurden durch Warmwalzplattieren bei 480°C gewalzt, um plattierte Werkstoffe (Hartlötplatten) mit einer Dicke von 3 mm herzustellen. Die plattierten Werkstoffe wurden danach kaltgewalzt und einer Schlußglühung bei 350–450°C unterzogen, um Hartlötplatten mit einer Dicke von 0,5 mm zu erhalten. Die Dicke der Zusatzwerkstoffs betrug 0,08 mm (80 µm) sowohl für die Kernwerkstoffseite als auch für die Zwischenschichtwerkstoffseite.
Eine runde Platte wurde aus jeder Hartlötplatte ausgeschnitten und einem Formpreßverfahren unterzogen, so daß die Seite des Zwischenschichtwerkstoffs 3, wie in 2 zu sehen ist, konvex war. Die daraus entstehenden becherförmigen Kernplatten (preßgeformtes Erzeugnis) 10 wurden wechselseitig übereinandergeschichtet, wie in 3 gezeigt ist, und im Vakuumlötverfahren bei einem Vakuumgrad von 5 × 10^–5 Torr oder weniger, einer Temperatur von 600°C und einer Haltezeit von 3 Minuten gelötet, um ein gelötetes Erzeugnis 11 herzustellen. 4 zeigt einen gelöteten Teil 12 des gelöteten Erzeugnisses 11.
Die Leistungen der Hartlötplatten wurden nach den folgenden Verfahren bestimmt.
(1) Walz- und Warmwalzeigenschaften
Bei der Herstellung der Kernwerkstoffe in den Beispielen 1–6 in Tabelle 1, der Zwischenschichtwerkstoffe in den Beispielen 21–36 in Tabelle 2 und bei der Herstellung der Zusatzwerkstoffe in den Beispielen 51–58 in Tabelle 4, wurde ein Werkstoff, der sich walzen ließ, mit einem O gekennzeichnet und ein Werkstoff, der nicht gewalzt werden konnte, wurde mit einem X versehen.
Bei der Herstellung jeder Hartlötplatte in den Beispielen 1–6 in Tabelle 5, in den Beispielen 14–29 in Tabelle 7, in den Beispielen 42–49 in Tabelle 11 und in den Beispielen 55–70 in Tabelle 13, wurde eine Hartlötplatte, die sich warmwalzen ließ, mit einem O gekennzeichnet und eine Hartlötplatte, die nicht warmgewalzt werden konnte, wurde mit einem X versehen.
(2) Fertigungstabilität
Eine Hartlötplatte, für die eine problemlose Massenproduktion möglich war, wurde mit einem O gekennzeichnet, während eine Hartlötplatte, für die eine problemlose Massenproduktion wegen der ungleichmäßigen Plattierungsrate nicht möglich war, ein X erhielt.
(3) Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs und deren Verhältnis
Eine Hartlötplatte, bei der die Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs 50 µm oder mehr betrug und deren Verhältnis der Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs zur Dicke des Kernwerkstoffs gleich 1 oder kleiner war, wurde als akzeptabel angesehen.
(4) Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs (Rohstoff)
Die Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs jeder Hartlötplatte vor dem Hartlöten wurde durch Polarisationsgefügeuntersuchungen gemessen. Eine Hartlötplatte, bei der die Korngröße kleiner als 60 µm war, wurde als nicht annehmbar angesehen.
(5) Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs (nach dem Vakuumlöten)
Jede Hartlötplatte wurde vor dem Formpreßverfahren zum Vakuumhartlöten erhitzt. Die Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs vor und nach dem Hartlöten wurde durch Polarisationsgefügeuntersuchungen gemessen. Eine Hartlötplatte, bei der die Korngröße kleiner als 80 µm war, wurde als nicht annehmbar eingestuft.
(6) Härteverhältnis
Bei allen Hartlötplatten wurde eine Hartlötplatte, bei dem das Verhältnis der Vickers-Mikrohärte des Kernwerkstoffs im Rohstoffzustand zu der des Kernwerkstoffs im weichen Zustand über 1,00 und unter 1,15 oder über 1,75 lag, als inakzeptabel angesehen.
(7) Formpreßbarkeit
Eine Hartlötplatte, bei der während des Formpressens keine Rißbildung auftrat, wurde mit einem O gekennzeichnet, während eine Hartlötplatte, bei der Risse auftraten, mit einem X versehen wurde.
(8) Lötbarkeit
Die Profilstruktur der gelöteten Erzeugnisse jeder Hartlötplatte wurde mit Hilfe eines Mikroskops betrachtet, um die Erosion durch das Zusatzmetall zu untersuchen. Eine Hartlötplatte, bei der die maximale Erosionstiefe im Kernwerkstoff unter 50 µm lag, wurde mit einem ^© versehen, bei 50–100 µm wurde ein O vergeben und bei mehr als 100 µm wurde mit einem X gekennzeichnet.
(9) Zugfestigkeit nach dem Vakuumlöten
Eine Hartlötplatte, deren Zugfestigkeit nach dem Vakuumhartlöten 110 MPa oder weniger betrug, wurde als unannehmbar eingestuft.
(10) Zn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen Kernwerkstoff und Zwischenschichtwerkstoff
Eine Hartlötplatte, deren Zn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen Kernwerkstoff und Zwischenschichtwerkstoff 0,5–2,0% betrug, wurde als annehmbar angesehen.
(11) Durchschnittliche Zn-Konzentration im Kernwerkstoff
Die Zn-Verteilung im Kernwerkstoff jeder Hartlötplatte wurde durch Elektronenstrahl-Mikroanalyse (EPMA) in Richtung der Plattendicke untersucht, um die durchschnittliche Zn-Konzentration zu messen. Eine Hartlötplatte, deren durchschnittliche Zn-Konzentration im Kernwerkstoff bei 0,3% oder darunter lag, wurde als annehmbar eingestuft.
(12) Korrosionsbeständigkeit
Für jedes gelötete Erzeugnis wurde ein Korrosionstest mit Sprüh-Trocknungs-Zyklus durchgeführt, der Drainagewasserbildung in einer tatsächlichen Umgebung simuliert. Als korrosive Lösung wurde eine wäßrige Lösung mit 10 ppm Cl^– und 200 ppm SO₄ ^2– verwendet. Diese korrosive Lösung wurde auf das gelötete Erzeugnis bei 50°C für 6 Stunden aufgesprüht und anschließend bei 50°C für 6 Stunden getrocknet. Abgesehen von der Zusammensetzung der korrosiven Lösung entsprachen die Sprühbedingungen einem Salzsprühtest (japanische Industrienorm Z2371). Das Auftreten von Undichtigkeiten (Lochbildung) wurde bei einer maximalen Testdauer von 3000 Stunden beobachtet. Die Korrosionsbeständigkeit jedes gelöteten Erzeugnisses wurde wie folgt bewertet.
Ein gelötetes Erzeugnis, das keinerlei Lochbildung innerhalb von 3000 Teststunden aufwies, hatte der Bewertung zufolge eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und wurde mit einem ^© gekennzeichnet.
Ein gelötetes Erzeugnis, bei dem Lochbildung erst frühestens nach 2500 Teststunden auftrat, hatte der Bewertung zufolge eine gute Korrosionsbeständigkeit und wurde mit einem O versehen.
Ein gelötetes Erzeugnis, bei dem die Lochbildung bereits nach weniger als 2500 Teststunden auftrat, hatte der Bewertung zufolge eine schlechte Korrosionsbeständigkeit und wurde mit einem X gekennzeichnet.
Vergleichsbeispiele 7–13, 30–41, 50–54, 83–84
Aluminiumlegierungen für einen Kernwerkstoff, die in Tabelle 1 dargestellt sind (Zusammensetzungen der Vergleichsbeispiele 7–13), Aluminiumlegierungen für einen Zwischenschichtwerkstoff, die in Tabelle 2 zu sehen sind (Zusammensetzungen der Vergleichsbeispiele 37–47) und Aluminiumlegierungen für einen Zusatzwerkstoff, die in Tabelle 4 zu finden sind und die Zusammensetzung einer Legierung nach japanischer Industrienorm JIS4104 als wesentliche Komponente aufweisen (Zusammensetzungen der Beispiele 59–63), wurden jeweils durch Stranggußverfahren hergestellt und in der gleichen Weise behandelt wie die vorgenannten Beispiele.
Diese Werkstoffe wurden in den Kombinationen, die in den Vergleichsbeispielen 7–13 in Tabelle 5, Vergleichsbeispielen 30–41 in Tabelle 9 und in den Vergleichsbeispielen 50–54 in Tabelle 11 zu sehen sind, in der Reihenfolge Zusatzwerkstoff, Kernwerkstoff, Zwischenschichtwerkstoff, Zusatzwerkstoff hintereinandergeschichtet. Außerdem wurde jeder Werkstoff in der Reihenfolge Zusatzwerkstoff, Kernwerkstoff, Zwischenschicht werkstoff und Zusatzwerkstoff hintereinandergeschichtet, wobei das Plattierungsverhältnis des Zwischenschichtwerkstoffs zum Kernwerkstoff (Zwischenschichtverhältnis) in den Vergleichsbeispielen 83 und 84 in Tabelle 15 verändert wurde. Diese geschichteten Werkstoffe wurden in der gleichen Weise zu plattierten Werkstoffen (Hartlötplatten) verarbeitet wie die vorgenannten Beispiele. Aus jeder Hartlötplatte wurde ein gelötetes Erzeugnis gefertigt.
Auf die gleiche Art und Weise, wie in den vorgenannten Beispielen, wurden (1) Walz- und Warmwalzeigenschaften, (2) Fertigungsstabilität, (3) Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs und deren Verhältnis, (4) Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs (Rohstoff), (5) Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs (nach dem Vakuumlöten), (6) Härteverhältnis, (7) Formpreßbarkeit, (8) Lötbarkeit, (9) Zugfestigkeit nach dem Vakuumlöten, (10) Zn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen Kernwerkstoff und Zwischenschichtwerkstoff, (11) durchschnittliche Zn-Konzentration im Kernwerkstoff und (12) Korrosionsbeständigkeit bewertet.
Die Ergebnisse der Bewertungen der Beispiele und Vergleichsbeispiele sind in den Tabellen 1–16 zu finden.
Wie in den Tabellen 1–16 zu sehen ist, wurde in den erfindungsgemäßen Beispielen eine tadellose Hartlötplatte hergestellt, die gute Leistungen in den obigen Bewertungen erbrachte, eine exzellente Zugfestigkeit während des Hartlötens, keine Rißbildung während des Formpressens zur Becherform und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufwies, bei der keine Undichtigkeit (Lochbildung) im gelöteten Erzeugnis während des Korrosionstests über 2500 Stunden und mehr auftrat. Dagegen wiesen die Werkstoffe und Hartlötplatten in den Vergleichsbeispielen zumindest eine geringe Leistung in den Bewertungen auf.
Beispiele 85–112
Aluminiumlegierungen für einen Kernwerkstoff, die in Tabelle 1 dargestellt sind (Zusammensetzungen der Beispiele 1–6); Aluminiumlegierungen für einen Zwischenschichtwerkstoff, die in Tabelle 2 zu sehen sind (Zusammensetzungen der Beispiele 21–36) und Aluminiumlegierungen für einen Zusatzwerkstoff, die in Tabelle 4 zu finden sind und die Zusammensetzung einer Legierung nach japanischer Industrienorm JIS4104 als wesentliche Komponente aufweisen (Zusammensetzungen der Beispiele 51–58), wurden jeweils durch ein halbkontinuierliches Stranggußverfahren gegossenen und auf die gleiche Weise hergestellt, wie in Beispiel 1.
Diese Werkstoffe wurden in den Kombinationen, die in den Beispielen 85–100 in Tabelle 17 und in den Beispielen 101–112 in Tabelle 19 zu sehen sind, in der Reihenfolge Zusatzwerkstoff, Kernwerkstoff, Zwischenschichtwerkstoff und Zusatzwerkstoff hintereinandergeschichtet, wobei jedoch die Härte des Kernwerkstoffs verändert wurde. Diese Werkstoffe wurden in der gleichen Weise zu plattierten Werkstoffen (Hartlötplatten) verarbeitet, wie im vorgenannten Beispiel 1. Aus jeder Hartlötplatte wurde ein gelötetes Erzeugnis gefertigt.
In der gleichen Weise wie im vorgenannten Beispiel 1 wurden (1) Walz- und Warmwalzeigenschaften, (2) Fertigungsstabilität, (3) Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs und deren Verhältnis, (4) Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs (Rohstoff), (5) Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs (nach dem Vakuumlöten), (6) Härteverhältnis, (7) Formpreßbarkeit, (8) Lötbarkeit, (9) Zugfestigkeit nach dem Vakuumlöten, (10) Zn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen Kernwerkstoff und Zwischenschichtwerkstoff, (11) durchschnittliche Zn-Konzentration im Kernwerkstoff und (12) Korrosionsbeständigkeit bewertet. In der Bewertung des Punktes (6) Härteverhältnis wurde das Verhältnis der Vickers-Mikrohärte des Kernwerkstoffs im Rohstoffzustand zu der des Kernwerkstoffs in einem hochgeglühten Zustand auf 1 oder mehr eingestellt, indem ein Schlußglühen bei einer Temperatur durchgeführt wurde, die unter der Rekristallisationstemperatur des Kernwerkstoffs und insbesondere bei 200–350°C lag.
Vergleichsbeispiele 113–114
Plattierte Werkstoffe (Hartlötplatten) wurden unter Verwendung der Werkstoffe von Beispiel 105 unter denselben Bedingungen hergestellt, mit Ausnahme des Härteverhältnisses des Kernwerkstoffs, das so verändert wurde, daß es außerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs lag. Aus jeder Hartlötplatte wurde ein gelötetes Erzeugnis hergestellt. Die Leistungen der Hartlötplatten wurden in der gleichen Weise beurteilt, wie in den Beispielen.
Die Ergebnisse der Bewertungen der Beispiele und Vergleichsbeispiele sind in den Tabellen 17–20 zu finden.
Wie aus den Tabellen 17–20 klar ersichtlich ist, zeichneten sich die Hartlötplatten der Beispiele in der Bewertung mit hervorragenden Leistungen aus. Dagegen zeigten die Hartlötplatten in den Vergleichsbeispielen zumindest eine geringe Leistung in den Bewertungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein plattierter Werkstoff aus Aluminiumlegierung zum Vakuumhartlöten, der hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Walzplattiereigenschaften, Formbarkeit, Lötbarkeit und Festigkeit aufweist, bereitgestellt werden. Die Hartlötplatte ist als Werkstoff für Fluiddkanäle für Wärmetauscher aus Aluminiumlegierungen geeignet, insbesondere als Kernplattenwerkstoff für einen Lamellen- oder Rippenwärmetauscher oder dergleichen. Bei Verwendung der Hartlötplatte kann die Dicke und damit auch das Gewicht der Werkstoffe für Wärmetauscher reduziert werden.
Es ist offensichtlich, daß zahllose Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Licht der obigen Lehre möglich sind. Es versteht sich deshalb, daß die Erfindung im Umfang der beiliegenden Ansprüche auch anders als hier beispielhaft beschrieben, ausgeübt werden kann.

Claims

Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung, die aus vier Schichten aufgebaut ist, die einen äußeren Zusatzwerkstoff, einen Zwischenschichtwerkstoff, einen Kernwerkstoff und einen inneren Zusatzwerkstoff umfassen und die in dieser Reihenfolge von der Außenschicht aus hintereinandergeschichtet sind, wobei der Kernwerkstoff 0,5–1,6% Mn, 0,10–0,50% Cu, 0,05–0,50% Mg, und 0,06–0,30% Ti, sowie als Verunreinigungen 0,5% Fe oder weniger, 0,5% Si oder weniger, und 0,1% Zn oder weniger sowie Al als Rest und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wobei der Zwischenschichtwerkstoff 0,2–1,5% Mg und zumindest entweder 0,5–4% Zn, 0,005–0,2% In oder 0,01–0,2% Sn sowie als Verunreinigungen 0,3% Si oder weniger, 0,3% Fe oder weniger und 0,05% Cu oder weniger, 0,05 Mn oder weniger und 0,3% Ti oder weniger sowie Al als Rest und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wobei die Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs 50 µm oder mehr beträgt und gleich oder weniger stark ist als die Dicke des Kernwerkstoffs (Dicke des Zwischenschichtwerkstoffs zur Dicke des Kernwerkstoffs ≤ 1), wobei der äußere Zusatzwerkstoff und der innere Zusatzwerkstoff aus Al-Si-Mg-Legierungen bestehen.
Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Zusatzwerkstoff ferner zumindest entweder 0,005–0,2% In oder 0,01–0,2% Sn enthält.
Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs 60 µm oder mehr beträgt.
Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs nach dem Erhitzen zum Hartlöten 80 µm oder mehr beträgt.
Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenschichtwerkstoff ferner Zn enthält, wobei die Zn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen dem Zwischenschichtwerkstoff und dem Kernwerkstoff nach dem Erhitzen zum Hartlöten 0,1–2,0% und die Zn-Konzentration im Kernwerkstoff von der Mitte der Plattendicke zur Grenzfläche zwischen dem Kernwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff hin 0,3% oder weniger beträgt.
Hartlötplatte aus Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Härte des Kernwerkstoffs und der des Kernwerkstoffs in einem weichgeglühten Zustand 1,15–1,75 beträgt.
Verwendung einer Hartlötplatte nach mindestens einem der Ansprüche 1–6 in einem Wärmetauscher, wobei über den gesamten Querschnitt der Zwischenschicht entweder die durchschnittliche Korngröße des Zwischenschichtwerkstoffs nach dem Erhitzen zum Hartlöten 80 µm oder mehr beträgt oder der Zwischenschichtwerkstoff ferner Zn enthält, wobei die Zn-Konzentration an der Grenzfläche zwischen dem Zwischenschichtwerkstoff und dem Kernwerkstoff nach dem Erhitzen zum Hartlöten 0,1–2,0% und die Zn-Konzentration im Kernwerkstoff von der Mitte der Plattendicke zur Grenzfläche zwischen dem Kernwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff hin 0,3% oder weniger beträgt.