DE102004033457B4

DE102004033457B4 - Verbundwerkstoff aus einer hochfesten Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE102004033457B4
Application number: DE102004033457A
Authority: DE
Inventors: Rahul Rajagopalan
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: US7135239B2; JP2006022405A; FR2872448A1; DE102004033457A1; US20060003181A1

Abstract

Plattenförmiger oder rohrförmiger Wärmeübertrager aus einem Verbündwerkstoff (1) aus einer hochfesten Aluminiumlegierung, der ein oder mehrere anodische Fluidtransportelemente (5) aufweist, wobei der Verbundwerkstoff (1) aus einer Kernschicht (2), einer die Oberseite oder die Oberseite und die Unterseite dieser Kernschicht (2) abdeckenden Korrosionsschutzschicht (3) und einer auf der Korrosionsschutzschicht (3) aufgebrachten Lotschicht (4) besteht, wobei die Kernschicht (2) gegenüber der Korrosionsschutzschicht (3) kathodisch geschaltet ist und die Korrosionsschutzschicht (3) gegenüber der Lotschicht (4) kathodisch ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
a. die Kernschicht (2) aus 0,2 bis 1,2 % Silizium (Si); maximal 0,8 % Eisen (Fe); 0,15 bis 1,0 % Kupfer (Cu); maximal 1,2 % Mangan (Mn); maximal 1,2 % Magnesium (Mg); 0,04 bis 0,35 % Chrom (Cr); maximal 0,2 % Zink (Zn); maximal 0,25 % Titan (Ti) sowie maximal 0,3 % Zirkonium (Zr), Rest Aluminium (Al),

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus einer hochfesten Aluminiumlegierung, der insbesondere zur Herstellung von in Fahrzeugen verwendeten hartgelöteten Wärmeübertragern eingesetzt wird.
Mit der Forderung der Fahrzeugindustrie, leichtere und dünnwandige Materialien herzustellen, wird die Entwicklung von hochfesten Aluminiumlegierungen forciert.
Aluminiumlegierungen bzw. Bauteile aus Aluminiumlegierungen weisen naturgemäß bei einer guten Korrosionsbeständigkeit jedoch nur eine geringe Festigkeit auf. Durch die Zugabe von Legierungsbestandteilen, wie z.B. Magnesium Mg, verbessert sich zwar einerseits die Festigkeit der Legierung, andererseits ergeben sich Probleme hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit nach dem Hartlöten. Insbesondere bei Aluminiumlegierungen mit Magnesiumanteilen von über 0,3 % und unter Verwendung von Potassium Aluminiumflourid, z.B. NOCOLOK; als Lotmittel treten nicht unerhebliche Probleme beim Hartlöten auf. Aluminiumlegierungen mit einem derartig hohen Magnesiumgehalt haben auf Grund der Diffusion einiger Legierungsbestandteile, die ein von der Matrix der Aluminiumlegierung abweichendes elektrochemisches Potenzial aufweisen, dann ein geringes Korrosionsschutzpotenzial.
Wenn Aluminiumlegierungen für hartgelötete Strukturen, wie z. B. Wärmeübertrager, eingesetzt werden, zeigt der Hartlötwerkstoff eine kathodische Wirkung auf die als Grundwerkstoff eingesetzte Aluminiumlegierung, wodurch die Korrosion auf elektrochemischem Wege erleichtert wird. Des Weiteren besteht bei Hartlötwerkstoffen, die Silizium enthalten, die Gefahr, dass das Silizium intergranular in die Aluminiumlegierung diffundiert, was zu Korngrenzenkorrosion führt.
Grundsätzlich ist die Korrosionsgefährdung von Bauteilen aus Aluminiumlegierung abhängig von den Legierungsbestandteilen, dem Herstellungsprozess, dem Einbauort und den dort herrschenden Umgebungsbedingungen.
Aus dem Stand der Technik werden deshalb unterschiedliche Verfahren eingesetzt, um die Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumlegierungen zu erhöhen.
Durch die Zugabe von Zink kann der Hartlötwirkstoff derart modifiziert werden, dass er Anodenwirkung hat. Hierbei fließt der Korrosionsstrom vom unedleren Beschichtungsstoff zur Aluminiumlegierung. Im Laufe der Zeit wirkt der modifizierte Hartlötwerkstoff jedoch als Opferanode, in dessen Folge die Aluminiumlegierung korrodieren kann.
Ein kathodisch wirkende Aluminiumlegierung wird dagegen erzielt, wenn der Aluminiumlegierung ein weiteres Element als Legierungsbestandteil zugesetzt wird. Ferner kann die als Grundwerkstoff eingesetzte Aluminiumlegierung derart verbessert werden, um die intergranulare bzw. interkristalline Diffusion von Silizium zu verhindern.
In der DE 28 18 564 A1 ist ein Verfahren zum Korrosionsschutz von Aluminiumrohren für Wärmetauscher und entsprechend hergestellter Wärmetauscher offenbart. Hierbei ist ein zumindestens teilweise aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung hergestellter Wärmetauscher mit einer Schutzlegierung überzogen. Die Schutzlegierung ist gemäß den Anmeldeunterlagen eine bis zu 12 % Silizium enthaltende Aluminiumlegierung.
Die US 2002/0142185 A1 offenbart eine 4-Schicht-Aluminiumlegierung zur Verwendung von Radiatoren. Hierbei sind zwei Zwischenschichten vorgesehen, die zur Verbesserung des Hartlötverhaltens der Kernschicht eingesetzt werden. Aus diesen Zwischenschichten kann Silizium in die Kernschicht diffundieren, um die Festigkeit der Kernschicht zu verbessern. Nachteilig an dieser Erfindung ist allerdings die schlechte Korrosionsbeständigkeit der Kernschicht.
In der DE 31 27 980 C2 ist ein Verbundwerkstoff für Rohre von hartgelöteten Wärmetauschern und dessen Verwendung beschrieben. Der Verbundwerkstoff besteht hierbei aus einer plattierten Aluminium-Kernlegierung, wobei der Plattierwerksstoff aus Reinaluminium, einer Aluminium-Mangan- oder einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Kupfergehalt von höchstens 0,2 % besteht. Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass die Kernlegierung aus 0,2 bis 2,0 % Kupfer und Aluminium und Verunreinigungen als Rest besteht. Zusätzlich kann die Kernlegierung 0,01 bis 0,5 % Zirkonium; 0,05 bis 0,5 % Mangan und 0,05 bis 0,5 % Chrom enthalten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Verbundwerkstoff, insbesondere für Rohre von Wärmeübertragern, bereitzustellen, der eine geringe Masse aufweist, der langlebig, hochfest und korrosionsbeständig ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem der Verbundwerkstoff aus einer Aluminiumlegierung aufgebaut ist, und dabei aus einer hochfesten Kernschicht, einer die Oberseite dieser Kernschicht abdeckenden Korrosionsschutzschicht und einer auf die Korrosionsschutzschicht aufgebrachten Lotschicht besteht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind jedoch zusätzlich zu der Oberseite der Kernschicht auch die Unterseite mit einer Korrosionsschutzschicht und einer darauf platzierten Lotschicht versehen. Die Schichtanzahl des doppelseitig beschichteten Verbundkörpers erhöht sich damit auf fünf Schichten gegenüber drei Schichten des nur einseitig beschichteten Verbundkörpers. Das Aufbringen der Korrosionsschutzschicht auf der Kernschicht erfolgt gemäß dem Stand der Technik durch ein Plattierverfahren oder durch ein Überziehen.
Der Verbundwerkstoff kann als plattenförmiges, rohrförmiges oder beliebig geformtes Bauteil ausgebildet sein.
Der wesentliche Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass durch die Kombination von funktionellen Schichten der Verbundwerkstoff sehr leicht, hochfest und dabei auch nach dem Hartlöten noch korrosionsbeständig ausgebildet werden kann.
Die aus einer Aluminiumlegierung bestehende hochfeste Kernschicht des Verbundwerkstoffs ist weniger korrosionsbeständig und übernimmt im Wesentlichen eine statische Funktion. Als Legierungsbestandteile sind hierzu 0,2 bis 1,2 % Silizium Si; maximal 0,8 % Eisen Fe; 0,15 bis 1,0 % Kupfer Cu, maximal 1,2 % Mangan Mn; maximal 1,2 % Magnesium Mg; 0,04 bis 0,35 % Chrom Cr; maximal 0,2 % Zink Zn; maximal 0,25 % Titan Ti sowie maximal 0,3 % Zirkonium Zr vorgesehen.
Die auf die Kernschicht vorzugsweise mittels des Plattierungsverfahren aufgebrachte Zwischenschicht ist als Korrosionsschutzschicht ausgebildet und schützt somit die darunter liegende Kernschicht. Als bevorzugtes Material zur Bildung dieser Korrosionsschutzschicht ist eine Long-life-Legierung der Serie AA 3xxx vorgesehen. Als Legierungsbestandteile und deren Anteile an der Aluminiumlegierung der Korrosionsschutzschicht sind maximal 0,6 % Silizium Si; maximal 0,7 % Eisen Fe; 0,10 bis 0,3 % Kupfer Cu, maximal 0,9 bis 1,5 % Mangan Mn; maximal 0,15 % Magnesium Mg; maximal 0,2 % Chrom Cr; maximal 0,2 % Zink Zn; maximal 0,30 % Titan Ti sowie maximal 0,3 % Zirkonium Zr vorgesehen. Die Korrosionsschutzschicht weist erfindungsgemäß eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit hinsichtlich intergranularer Korrosion und Lochfraßkorrosion auf.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Dicke der Korrosionsschutzschicht zwischen 5 % und 20 %, und bevorzugt zwischen 5 % und 15 %, der Dicke der Kernschicht beträgt.
Die äußere Schicht des Verbundwerksstoffs wird durch eine auf die Korrosionsschutzschicht aufgebrachte Lotschicht gebildet, die erfindungsgemäß 5 bis 15 % Silizium Si; maximal 0,8 % Eisen Fe; maximal 0,3 % Kupfer Cu, maximal 0,1 % Mangan Mn; maximal 0,05 % Magnesium Mg; maximal 0,5 % Zink Zn sowie maximal 0,20 % Titan Ti als Legierungsbestandteile enthält. Zur Sicherstellung eines problemlosen Aufbringens der Lotschicht auf der Korrosionsschicht weist die Lotschicht einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Korrosionsschutzschicht und die Kernschicht auf. Die verwendete Lotschicht ist eine Al-Silizium-Legierung der Serie 4xxx.
Mit der gezielten Auswahl der Legierungsbestandteile der einzelnen Schichten, nämlich der Kernschicht, der Korrosionsschicht und der Lotschicht, des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs wird ein Korrosionsschutzpotenzial zwischen den einzelnen Schichten aufgebaut, dass auch nach dem Hartlöten Bestand hat. Dieses Korrosionsschutzpotenzial zeichnet sich dadurch aus, dass die Kernschicht gegenüber der Korrosionsschutz kathodisch und die Korrosionsschutzschicht gegenüber der Lotschicht ebenfalls kothodisch ausgebildet sind. Die Lotschicht ist gegenüber der Kernschicht somit anodisch.
Nachfolgend sind in einer Matrix die Legierungsbestandteile in Gewichts-% der einzelnen Schichten disponiert.
Durch die Zugabe von Magnesium Mg nimmt die Festigkeit der Legierung zu, insbesondere die Dehngrenze und die Zugfestigkeit. Durch die Zulegierung des Nichtmetalls Silizium Si und des Metalls Mangan Mn kann die Festigkeit der Legierung weiter erhöht werden.
Die Anwendung dieses Verbundwerkstoffs beschränkt sich nicht nur auf plattenförmige Bauteile, sondern vielmehr auch auf rohrförmige von einem Fluid durchströmte oder angeströmte Bauteile, wie diese beispielsweise in Wärmeübertragern oder Umformern eingesetzt werden. Unter dem Begriff Wärmeübertrager oder Umformer soll die Gesamtheit aller Apparate verstanden werden, in denen Wärme ausgetauscht wird. Typische Wärmeübertrager oder Umformer sind Kondensatoren, Radiatoren, Gaskühler, Verdampfer oder allgemeine Heizregister.
Mehrere rohrförmig ausgebildete erfindungsgemäße Verbundwerkstoffe können also zu einem in der Fahrzeugindustrie eingesetzten mit einem Kältemittel beaufschlagbaren Wärmeübertrager, z. B. CO₂-Gaskühler, zusammengefasst werden. Die Wärmeübertrager weisen üblicherweise einen Sammler und einen Verteiler auf, zwischen denen sich ein oder mehrere Fluidtransportelemente erstrecken. Das gegenüber der Korrosionsschutzschicht anodische Fluidtransportelement wird zum Einbringen in einen Sammler oder Verteiler des Wärmeübertragers durch die Rohrwandung geführt und entsprechend ausgerichtet. Das Fluidtransportelement steht somit in direktem Kontakt mit der Korrosionsschutzschicht.
Erfindungsgemäß beträgt die Differenz des Korrosionspotentials zwischen 20 mV und 40 mV zwischen der kathodischen Korrosionsschutzschicht und eines anodischen Fluidtransportelements.
Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:

• ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und sehr hohe Festigkeit des Verbundkörpers durch Ausbildung mehrerer funktioneller Schichten,
• wahlweise einseitig oder zweiseitig aufgebrachter Korrosionsschutz und damit gegen inneren und äußeren Korrosionsangriff stabil,
• weitere Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit des Verbundkörpers durch die Differenz des Konosionsschutzpotentials zwischen dem anodischen Fluidtransportelement und der kathodischen Korrosionsschicht und
• besonders geeignet bei aggressiven Umgebungsbedingungen bei Vorhandensein von Salzen, z. B. NaCl und CaCl₂, oder Gasen, wie z. B. Schwefeloxide SO_x und Stickoxide NO_x (Gefahr der Säurebildung).

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich dem Fachmann des Weiteren aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Hinblick auf die anliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:
1: eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus eines plattenförmigen Verbundwerkstoffs einer ersten bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt,
2: eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus eines plattenförmigen Verbundwerkstoffs einer zweiten bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt und
3: eine perspektivische Darstellung des Schichtaufbaus eines als Sammler oder Verteiler eines Wärmeübertragers ausgebildeten rohrförmigen Verbundwerkstoffs einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
Die 1 illustriert eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus eines plattenförmigen Verbundwerkstoffs 1 einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnete Kernschicht besteht aus einer hochfesten Legierung mit einem niedrigen Korrosionswiderstand. Die Kernschicht 2 umfasst im Wesentlichen die Metalle Aluminium Al, Mangan Mn, Magnesium Mg und Kupfer Cu sowie das zur Hauptgruppe 4A gehörende Silizium Si. Vorgenannte Legierungsbestandteile verleihen der Kernschicht 2 eine gewünschte Hartlötfestigkeit. Die auf der Oberseite der Kernschicht 2 aufgebrachte Korrosionsschutzschicht 3 schützt die darunter liegende Kernschicht 2 vor Korrosion, die beispielsweise durch Luftfeuchtigkeit oder ähnlichem hervorgerufen wird. Als bevorzugte Legierung für die Korrosionsschutzschicht 3 ist im Allgemeinen eine modifizierte AA 3xxx-Legierung mit einer lebenslangen Korrosionsschutzwirkung vorgesehen. Die Korrosionsschutzschicht 3 wird durch Plattieren oder durch Überziehen auf die darunter liegende Kernschicht 2 aufgebracht. Bei einer Formgebung des plattenförmigen Verbundwerkstoffs 1 zu einem Rohr weist diese Korrosionsschutzschicht 3 nach außen. Die gezielte Auswahl und die zugehörigen Anteile an Legierungsbestandteilen zur Bildung dieser Korrosionsschutzschicht 3 tragen dazu bei, diese Korrosionsschutzschicht 3 kathodisch gegenüber dem in der 3 dargestellten anodischen Fluidtransportelement 5 des Verbundwerkstoffs 1 auszubilden. Auf der Korrosionsschutzschicht 3 ist eine erfindungsgemäße Lotschicht 4 mit einer geringen Schmelztemperatur aufgebracht. Diese Lotschicht 4 ist im Allgemeinen eine Al-Si-Legierung der Serie 4xxx und wird zum Auflöten der Plattierungsblätter eingesetzt.
Eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus eines plattenförmigen Verbundwerkstoffs 1 einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird in der 2 illustriert. Während die in der 1 gezeigte und zuvor beschriebene Kernschicht 2 nur einseitig, also nur die Oberseite, beschichtet ist, wird zum Zwecke eines erhöhten Korrosionsschutzes in der 2 die Oberseite und die Unterseite der Kernschicht 2 mit einer Korrosionsschutzschicht 3 und einer Lotschicht 4 versehen. Der wesentliche Vorteil dieser doppelseitigen Beschichtung besteht darin, dass nunmehr auch die Innenseite eines von einem Kältemittel durchflossenen und rohrförmig ausgebildeten Verbundwerkstoffs 1, vor allem im Bereich der Einbringstelle des in 3 gezeigten Fluidtransportelements 5, korrosionsgeschützt ist. Diese beidseitige Beschichtung ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Dieser Verbundwerkstoff 1 ist durch folgenden Schichtaufbau von oben nach unten gekennzeichnet: eine Lotschicht 4, eine Korrosionsschutzschicht 3, eine Kernschicht 2, eine Korrosionsschutzschicht 3 sowie eine Lotschicht 4.
Die 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Schichtaufbaus eines als Sammler oder Verteiler eines Wärmeübertragers ausgebildeten erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs 1 der ersten bevorzugten Ausführungsform. Wie ersichtlich, ist der Verbundwerkstoff 1 als Rohr geformt, wobei zur besseren Darstellung die einzelnen Schichten 2 bis 4 hier schalenartig angeordnet sind. Die innenliegende Kernschicht 2 weist hierbei eine etwa 5-fache Dicke gegenüber der auf die Kernschicht 2 durch Plattieren oder Überziehen aufgebrachte Korrosionsschutzschicht 3 auf. Die äußere Hülle des Verbundwerkstoffs 1 wird durch eine Lotschicht 4 aus einer Al-Si-Legierung gebildet. Das quaderförmig ausgebildete Fluidtransportelement 5 ist vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Verbundkörpers 1 in den Verbundkörper 1 eingebracht und weist mehrere nur angedeutete Bohrungen auf. Durch diese Bohrungen strömt das Fluid in oder vom dem röhrenförmigen Verbundkörper 1. Das eingelötete Fluidtransportelement 5 steht in unmittelbarem Kontakt mit der Korrosionsschutzschicht 3 und ist zum Zwecke der Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit 3 gegenüber dieser anodisch ausgebildet. Das Einbringen bzw. Einlöten des Fluidtransportelements 5 in den Verbundkörper erfolgt vor dem Aufbringen der Lotschicht 4 auf die Korrosionsschicht 3, so dass während des Schmelzvorgangs das im flüssigen Zustand vorliegende Lot auch die Einbringstelle des Fluidtransportelements 5 des Verbundkörpers 1 zur Vermeidung einer Kapillarwirkung vollständig überzieht.

1: Verbundwerkstoff
2: Kernschicht
3: Korrosionsschutzschicht
4: Lotschicht
5: Fluidtransportelement

Claims

Plattenförmiger oder rohrförmiger Wärmeübertrager aus einem Verbündwerkstoff (1) aus einer hochfesten Aluminiumlegierung, der ein oder mehrere anodische Fluidtransportelemente (5) aufweist, wobei der Verbundwerkstoff (1) aus einer Kernschicht (2), einer die Oberseite oder die Oberseite und die Unterseite dieser Kernschicht (2) abdeckenden Korrosionsschutzschicht (3) und einer auf der Korrosionsschutzschicht (3) aufgebrachten Lotschicht (4) besteht, wobei die Kernschicht (2) gegenüber der Korrosionsschutzschicht (3) kathodisch geschaltet ist und die Korrosionsschutzschicht (3) gegenüber der Lotschicht (4) kathodisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Kernschicht (2) aus 0,2 bis 1,2 % Silizium (Si); maximal 0,8 % Eisen (Fe); 0,15 bis 1,0 % Kupfer (Cu); maximal 1,2 % Mangan (Mn); maximal 1,2 % Magnesium (Mg); 0,04 bis 0,35 % Chrom (Cr); maximal 0,2 % Zink (Zn); maximal 0,25 % Titan (Ti) sowie maximal 0,3 % Zirkonium (Zr), Rest Aluminium (Al),
die Korrosionsschutzschicht (3) aus maximal 0,6 % Silizium (Si); maximal 0,7 % Eisen (Fe); 0,10 bis 0,3 % Kupfer (Cu); maximal 0,9 bis 1,5% Mangan (Mn); maximal 0,15 % Magnesium (Mg); maximal 0,2 % Zink (Zn); maximal 0,25 % Titan (Ti) sowie maximal 0,3 % Zirkonium (Zr), Rest Aluminium (Al) sowie c. die Lotschicht (4) aus 5 bis 15 % Silizium (Si); maximal 0,8 % Eisen (Fe); maximal 0,3 % Kupfer (Cu); maximal 0,1 % Mangan (Mn); maximal 0,05 % Magnesium (Mg); maximal 0,5 % Zink (Zn) sowie maximal 0,20 % Titan (Ti), Rest Aluminium (Al) bestehen.
Plattenförmiger oder rohrförmiger Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Korrosionsschutzschicht (3) zwischen 5 % und 20 % beträgt.
Plattenförmiger oder rohrförmiger Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Korrosionsschutzschicht (3) zwischen 5 % und 15 % der Dicke der Kernschicht (2) beträgt.
Plattenförmiger oder rohrförmiger Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (3) des Wärmeübertragers gegenüber den Fluidtransportelementen (5) kathodisch geschaltet ist.
Plattenförmiger oder rohrförmiger Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem anodischen Fluidtransportelement (5) und der kathodischen Korrosionsschutzschicht (3) eine Differenz des Korrosionsschutzpotenzials zwischen 20 mV und 40 mV ausgebildet ist.