DE102007028139A1

DE102007028139A1 - Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher, Wärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102007028139A1
Application number: DE102007028139A
Authority: DE
Inventors: Yuji Suzuki; Yuji Hisatomi; Yoshiharu Kariya Hasegawa; Taketoshi Kariya Toyama; Masahiro Kariya Shimoya
Original assignee: Denso Corp; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Denso Corp; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-01-03
Also published as: US7989087B2; CN101097124B; US20080003451A1; CN101097124A; JP2008006480A

Abstract

Ein Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher umfasst ein Kernmaterial und einen auf jede Seite des Kernmaterials aufplattierten Zusatzwerkstoff, wobei das Kernmaterial eine Mangan enthaltende Aluminiumlegierung ist, der Zusatzwerkstoff eine 6 bis 9,5 Masse-% Silizium enthaltende Aluminiumlegierung ist, die Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff einen mittleren kreisäquivalenten Durchmesser von 3 µm oder weniger haben und das Hartlötrippenmaterial eine Dicke von 0,06 mm oder weniger aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hartlötrippenmaterial für aus einer Aluminiumlegierung bestehende Wärmetauscher. Sie betrifft insbesondere ein Hartlötrippenmaterial für aus einer Aluminiumlegierung bestehende Wärmetauscher, wie beispielsweise Kühler, Heizungswärmetauscher, Ölkühler, Zwischenkühler und Verdichter oder Verdampfer für eine Autoklimaanlage, die hergestellt werden, indem ein Rippenmaterial durch Hartlöten mit einem Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums zusammengefügt wird, und speziell ein Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher, das beim Formen einer Rippe kaum Werkzeugverschleiß verursacht, eine ausgezeichnete interkristalline Korrosionsfestigkeit aufweist und sich sehr gut zusammenfügen lässt, einen Wärmetauscher, bei dem das Hartlötmaterial verwendet wird, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Aus einer Aluminiumlegierung bestehende Wärmetauscher werden häufig als Wärmetauscher in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wie zum Beispiel als Kühler, Heizungswärmetauscher, Ölkühler, Zwischenkühler, Verdampfer und Verdichter für eine Autoklimaanlage. Ein aus einer Aluminiumlegierung bestehender Wärmetauscher wird hergestellt, indem ein Aluminiumlegierungsrippenmaterial oder ein Hartlötrippenmaterial, bei dem auf jede Seite einer Aluminiumlegierung ein Zusatzwerkstoff aufplattiert worden ist, mit einem aus einer Al-Cu-Legierung, einer Al-Mn-Legierung, einer Al-Mn-Cu-Legierung oder einem ähnlichen Material bestehenden stranggepressten Flachrohr (Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums) oder mit einem Rohr kombiniert wird, das hergestellt wird, indem ein Blechformteil, bei dem eine Seite der obigen Legierung mit einem Zusatzwerkstoff plattiert wird, zu einer flachen Form umgeformt wird, und das Rippenmaterial durch den Zusatzwerkstoff mit dem Rohr verbunden wird. Das Zusammenfügen erfolgt durch Hartlöten mit Flussmittel unter Verwendung eines Chloridflussmittels, durch Schutzgashartlöten unter Verwendung eines Fluoridflussmittels oder durch Vakuumhartlöten.
Der Zusatzwerkstoff wird auf eine Seite des Materials für die Durchleitung des Arbeitsmediums oder auf jede Seite des Rippenmaterials aufgebracht. Als Zusatzwerkstoff wird im Allgemeinen ein Zusatzwerkstoff eingesetzt, der aus einer Silizium enthaltenden Aluminiumlegierung besteht.
Bei Verwendung eines Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher, bei dem ein Zusatzwerkstoff auf ein Kernmaterial aufplattiert wird, wird zum Hartlöten der auf das Hartlötrippenmaterial aufplattierte Zusatzwerkstoff durch Erwärmen geschmolzen und fließt zum Hartlötabschnitt, um den Hartlötvorgang zu bewirken. Während der Zusatzwerkstoff zum Hartlöten erwärmt wird, diffundiert das Silizium in das Kernmaterial. Da Silizium mehr dazu neigt, in die Korngrenzen des Kernmaterials zu diffundieren als in die Körner, entsteht in der Nähe der Korngrenzen eine Zone mit niedrigem Potential, wodurch es nach dem Hartlöten häufig zur interkristallinen Korrosion im Kernmaterial kommt.
Die Festigkeit des Wärmetauscherkerns verringert sich durch die interkristalline Korrosion des Kernmaterials. Wenn der Zusatzwerkstoff nur in die Oberflächenzone des Kernmaterials diffundiert, erreicht die interkristalline Korrosion nicht die Mitte des Kernmaterials. Demzufolge ist die Festigkeit des Wärmetauscherkerns gewährleistet, wenn das Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher eine große Dicke aufweist.
In den letzten Jahren wurden aus Gründen des Umweltschutzes weitere Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen gefordert, und im Zusammenhang damit wurde immer häufiger gefordert, das Gewicht der in Kraftfahrzeugen eingesetzten Wärmetauscher zu verringern. Aufgrund dessen wurde die Dicke der Bestandteile des Wärmetauschers, wie zum Beispiel des Rippenmaterials und des Materials für die Durchleitung des Arbeitsmediums (Rohrmaterial), verringert, und es bestand Bedarf an einem Rippenmaterial mit geringer Dicke.
Wenn die Dicke des Rippenmaterials verringert wird, diffundiert der Zusatzwerkstoff während des Hartlötens entlang der Dickenrichtung in das Kernmaterial. Im Ergebnis dessen tritt nach dem Hartlöten im Kernmaterial interkristalline Korrosion entlang der Dickenrichtung auf, sodass nicht gewährleistet werden kann, dass der Wärmetauscherkern die erforderliche Festigkeit aufweist.
Um das obige Problem zu lösen, versucht JP-A-2004-84060 , die interkristalline Korrosion eines Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher zu verringern, indem beispielsweise das Kernmaterial vor dem Hartlöten ein faserartiges Gefüge erhält, die Korngröße des Gefüges nach dem Hartlöten auf 50 bis 250 μm eingestellt wird, und die Metallelemente und deren Gehalt im Kernmaterial und Zusatzwerkstoff spezifiziert werden.
Wenn die Dicke des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher aber auf 0,06 mm oder noch weniger verringert wird, kann das in JP-A-2004-84060 beschriebene Hartlötrippenmaterial die interkristalline Korrosion nicht ausreichend verhindern.
Um die Wärmeübergangsleistung des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher mit einem Kühlmedium wie beispielsweise Luft zu verbessern, wird das Bandmaterial für die Hartlötrippen mit Hilfe eines Umformwerkzeugs aufgeschlitzt und gewellt, um die Oberfläche zu vergrößern oder turbulente Strömungen zu erzeugen, wodurch es zu einem besseren Wärmeaustausch kommt. Wenn das Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher aber mit Hilfe eines Umformwerkzeugs umgeformt wird, kommt es im Vergleich zur Umformung eines Rippenmaterials ohne aufplattierten Zusatzwerkstoff zu einem hohen Werkzeugverschleiß, wodurch sich die Standzeit des Werkzeugs verringert.
Wenn die Dicke des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher verringert wird, nimmt die Menge an Zusatzwerkstoff, der während des Hartlötens zum Verbindungsabschnitt fließt, ab, wodurch sich die Fügbarkeit des Verbindungsabschnitts verschlechtert oder das Material aufgrund starker Erwärmung dazu neigt, sich zu verformen (Hochtemperatur-Verbeulen). Deshalb muss sich der Verbindungsabschnitt des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher sehr gut fügen lassen und auch dann eine sehr hohe Hochtemperatur-Beulfestigkeit aufweisen, wenn die Dicke des Hartlötrippenmaterials verringert wird.
Beim Hartlötrippenmaterial gibt es ein weiteres Problem, das darin besteht, dass die interkristalline Korrosion des Kernmaterials nicht ausreichend verhindert werden kann, wenn die Dicke des Hartlötrippenmaterials auf 0,06 mm oder weniger verringert wird. Das macht es schwierig, die Festigkeit des Wärmetauscherkerns zu gewährleisten.
Demzufolge besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, in dessen Kernmaterial es selbst dann, wenn die Dicke des Hartlötrippenmaterials auf 0,06 mm oder weniger verringert wird, nur selten zur interkristallinen Korrosion kommt, das eine ausgezeichnete Fügbarkeit des Verbindungsabschnitts gewährleistet, eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Beulfestigkeit aufweist und das beim Wellen nur selten zu Werkzeugverschleiß führt, sowie einen Wärmetauscher mit einem Rippenmaterial, bei dem es nur selten zur interkristallinen Korrosion kommt.
JP-A-2003-39194 beschreibt ein Blechformteil, bei dem die im Zusatzwerkstoff enthaltenen groben Siliziumteilchen einen maximalen Durchmesser von 20 μm oder weniger haben. Da das Ziel von JP-A-2003-39194 aber darin besteht, die durch den Schmelzvorgang während des Hartlötens bewirkte Bildung von Löchern im Blechformteil zu verhindern, unterscheidet sich JP-A-2003-39194 in der Zielstellung von der vorliegenden Erfindung, bei der es darum geht, eine interkristalline Korrosion des Hartlötrippenmaterials nach dem Hartlöten zu verhindern. Da sich JP-A-2003-39194 auf die Erfindung eines Blechformteils bezieht, findet der Arbeitsgang Wellen dort keine Berücksichtigung.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um die beim jetzigen Stand der Technik bestehenden Probleme zu lösen. Im Ergebnis dieser Untersuchungen haben die Erfinder festgestellt, dass man (1) ein Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher, bei dem im Kernmaterial nur selten interkristalline Korrosion auftritt und das beim Wellen nur in geringem Umfang zu Werkzeugverschleiß führt, erhalten kann, indem die Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff verringert werden und der Siliziumgehalt innerhalb eines bestimmten Bereichs eingestellt wird, und dass man (2) einen Wärmetauscher mit Rippenmaterial, bei dem eine interkristalline Korrosion nur in geringem Maße stattfindet, erhalten kann, indem das obige Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher unter speziellen Bedingungen hartgelötet wird. Diese Erkenntnisse haben zu der vorliegenden Erfindung geführt.
Genauer gesagt wird bei der vorliegenden Erfindung ein Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher bereitgestellt, das aus einem Kernmaterial und einem auf jeder Seite des Kernmaterials aufplattierten Zusatzwerkstoff besteht, wobei das Kernmaterial eine Mangan enthaltende Aluminiumlegierung und der Zusatzwerkstoff eine Aluminiumlegierung mit 6 bis 9,5 Masse-% Silizium ist, die Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff einen mittleren kreisäquivalenten Durchmesser von 3 μm oder weniger haben, und das Hartlötrippenmaterial eine Dicke von 0,06 mm oder weniger aufweist.
Mit der vorliegende Erfindung wird auch ein Wärmetauscher bereitgestellt, der hergestellt wird, indem das Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung gewellt wird, um ein gewelltes Hartlötrippenmaterial zu erhalten, das gewellte Hartlötrippenmaterial, ein Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums und eine Wasserkammer zusammengebaut, und das zusammengebaute Produkt unter Bedingungen, bei denen die Anwärmzeit in einem Temperaturbereich von 450°C oder darüber 3 bis 10 Minuten beträgt, hartgelötet wird.
Mit der vorliegende Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers bereitgestellt, bei dem Hartlötrippenmaterial für den Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung gewellt wird, um ein gewelltes Hartlötrippenmaterial zu erhalten, das gewellte Hartlötrippenmaterial mit einem Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums und einer Wasserkammer zusammengebaut wird, und das zusammengebaute Produkt unter Bedingungen hartgelötet wird, bei denen die Anwärmzeit in einem Temperaturbereich von 450°C oder darüber 3 bis 10 Minuten beträgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher bereitgestellt werden, in deren Kernmaterial selbst dann, wenn die Dicke des Hartlötrippenmaterials auf 0,06 mm oder weniger verringert wird, nur selten interkristalline Korrosion stattfindet, das eine ausgezeichnete Fügbarkeit des Verbindungsabschnitts gewährleistet, eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Beulfestigkeit besitzt und beim Wellen kaum Werkzeugsverschleiß hervorruft. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch ein Wärmetauscher bereitgestellt werden, der ein Rippenmaterial besitzt, in dem es nur selten zur interkristallinen Korrosion kommt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Das Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kernmaterial und einen auf jede Seite des Kernmaterials aufplattierten Zusatzwerkstoff.
Bei dem Kernmaterial des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Mangan enthaltende Aluminiumlegierung.
Als Kernmaterial wird eine Aluminiumlegierung mit 1,0 bis 1,8 Masse-% Mangan, 0,3 bis 1,0 Masse-% Silizium, 0,05 bis 0,3 Masse-% Eisen und 1,0 bis 3,0 Masse-% Zink bevorzugt.
Da das Kernmaterial Mangan enthält, besitzt es eine hohe Festigkeit. Wenn der Mangangehalt des Kernmaterials zu hoch ist, werden beim Gießen eines aus der Kernmateriallegierung bestehenden Blocks meist grobkristalline Produkte erzeugt. Deshalb liegt der Mangangehalt des Kernmaterials vorzugsweise zwischen 1,0 und 1,8 Masse-%, damit die Festigkeit des Kernmaterials erhöht wird und damit verhindert wird, dass während des Gießens grobkristalline Produkte erzeugt werden.
Silizium im Kernmaterial wird an Mangan gebunden, um Al-Mn-Si-Grundverbindungen zu erzeugen, wodurch die Festigkeit des Kernmaterials erhöht wird. Wenn der Siliziumgehalt im Kernmaterial zu hoch ist, sinkt der Schmelzpunkt des Kernmaterials stark ab, wodurch das Rippenmaterial während des Hartlötens zum Schmelzen oder Verbeulen neigt. Deshalb liegt der Siliziumgehalt im Kernmaterial vorzugsweise zwischen 0,3 und 1,0 Masse-%, damit die Festigkeit des Kernmaterials erhöht und das Schmelzen bzw. Verbeulen des Rippenmaterials während des Hartlötens verhindert wird.
Da das Kernmaterial Eisen enthält, besitzt es eine hohe Festigkeit. Wenn der Eisengehalt im Kernmaterial zu hoch ist, weisen die Aluminiumkörner im Kernmaterial nach dem Hartlöten gewöhnlich eine geringere Größe auf, wodurch das Kernmaterial anfällig ist gegenüber interkristalliner Korrosion. Deshalb wird ein Eisengehalt im Kernmaterial zwischen 0,05 und 0,3 Masse-% bevorzugt, um die Festigkeit des Kernmaterials zu erhöhen und interkristalline Korrosion zu verhindern.
Da das Kernmaterial Zink enthält, wirkt das Rippenmaterial in verstärktem Maße als Opferanode. Wenn der Zinkgehalt im Kernmaterial zu hoch ist, nimmt die Eigenkorrosion des Rippenmaterials zu. Deshalb wird ein Zinkgehalt zwischen 1,0 und 3,0 Masse-% bevorzugt, um die Opferanodenwirkung des Rippenmaterials zu erhöhen und Eigenkorrosion zu verhindern.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Kernmaterial darüber hinaus eines oder zwei oder mehrere der folgenden Elemente enthält: Chrom in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Masse-%, Titan in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Masse-%, und Zirkonium in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Masse-%. Der angegebene Gehalt an zwei oder mehreren der Elemente Chrom, Titan und Zirkonium, die im Kernmaterial enthalten sind, bezieht sich auf den Gehalt an jedem einzelnen Element.
Wenn das Kernmaterial eines oder zwei oder mehrere der Elemente Chrom, Titan und Zirkonium enthält, sind die Aluminiumkörner im Kernmaterial nach dem Hartlöten größer, wodurch es kaum zu einer interkristallinen Korrosion des Kernmaterials kommt. Wenn der Gehalt an Chrom, Titan und Zirkonium im Kernmaterial zu hoch ist, kann die Verarbeitung des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher erschwert werden. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, wenn das Kernmaterial eines oder zwei oder mehrere der Elemente Chrom in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Masse-%, Titan in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Masse-% und Zirkonium in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Masse-% enthält, um die interkristalline Korrosion des Kernmaterials zu verhindern und die Verarbeitbarkeit des Rippenmaterials zu verbessern.
Wenn das Kernmaterial Kupfer enthält, neigt das Kernmaterial nach dem Hartlöten zu interkristalliner Korrosion. Deshalb ist es vorzuziehen, dass der Kupfergehalt im Kernmaterial bei 0,1 Masse-% oder darunter liegt.
Es ist vorteilhaft, wenn das Kernmaterial Indium, Zinn oder Gallium in einer Menge von 0,3 Masse-% oder weniger enthält, um eine Abnahme der Wärmeleitfähigkeit des Rippenmaterials zu verhindern und die Opferanodenwirkung des Rippenmaterials zu verstärken.
Das Kernmaterial kann 0,01 Masse-% oder weniger Vanadium, Molybdän oder Nickel enthalten, um die Festigkeit des Kernmaterials zu erhöhen. Das Kernmaterial kann 0,1 Masse-% oder weniger Bor enthalten, um Oxidation zu verhindern. Das Kernmaterial darf 0,1 Masse-% (jeweiliger Gehalt) oder weniger Blei, Lithium, Strontium, Calcium, oder Natrium enthalten. Beim Vakuumhartlöten kann das Kernmaterial 0,5 Masse-% oder weniger Magnesium enthalten, um die Festigkeit des Kernmaterials zu erhöhen.
Bei dem Zusatzwerkstoff für das Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine 6 bis 9,5 Masse-% Silizium enthaltende Aluminiumlegierung. Silizium im Zusatzwerkstoff senkt den Schmelzpunkt des Zusatzwerkstoffs, um die Fließfähigkeit des geschmolzenen Zusatzwerkstoffs zu erhöhen. Wenn der Siliziumgehalt im Zusatzwerkstoff unter 6 Masse-% liegt, nimmt die Fließfähigkeit des geschmolzenen Zusatzwerkstoffs ab, wodurch sich gewöhnlich die Fügbarkeit des Verbindungsabschnitts verschlechtert. Wenn der Siliziumgehalt im Zusatzwerkstoff über 9,5 Masse-% liegt, nimmt die Menge des in das Kernmaterial diffundierten Siliziums zu, wodurch das Kernmaterial zu interkristalliner Korrosion neigt.
Der mittlere kreisäquivalente Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff beträgt 3 μm oder weniger, vorzugsweise 0,2 bis 3 μm. Wenn der mittlere kreisäquivalente Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff größer als 3 μm ist, steigt die Menge des in das Kernmaterial diffundierten Siliziums an, wodurch das Kernmaterial zu interkristalliner Korrosion neigt. Darüber hinaus kommt es beim Wellen des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher gewöhnlich zu Werkzeugverschleiß. Außerdem nimmt die Fließfähigkeit des Zusatzwerkstoffs ab, wodurch sich gewöhnlich die Fügbarkeit des Verbindungsabschnitts verschlechtert.
Der mittlere kreisäquivalente Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff wird auf den gewünschten Wert eingestellt, indem man einem aus der Kernmateriallegierung bestehenden Block, der verwendet wird, um zum Beispiel den Zusatzwerkstoff in einer ausgewählten Menge auf das Kernmaterial zu plattieren, Strontium, Natrium oder Antimon hinzufügt.
Die kreisäquivalenten Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff betragen 20 μm oder weniger, und liegen vorzugsweise bei 0,1 bis 15 μm. Wenn der Mittelwert und die Standardabweichung in der Normalverteilung der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff μ bzw. s betragen, beträgt der Wert (μ + 3s) vorzugsweise 15 μm oder weniger, wobei ein Werte von 4 bis 10 μm besonders vorzuziehen sind. Wenn die Korngröße und der Wert (μ + 3s) der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff innerhalb der obigen Grenzen liegen, wird die Wirkung der vorliegenden Erfindung hinsichtlich einer Verhinderung der interkristallinen Korrosion des Kernmaterials noch weiter verstärkt. Der mittlere kreisäquivalente Durchmesser, die kreisäquivalenten Durchmesser und der Wert (μ + 3s) der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff sind Werte, die mit Hilfe von weiter unten beschriebenen Mikrogefügeuntersuchungen gemessen wurden.
Bei dem Zusatzwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um eine Aluminiumlegierung, die (a) 6 bis 9,5 Masse-% Silizium und (b) eines oder zwei oder mehrere der folgenden Elemente enthält: Strontium in einer Menge von 0,01 bis 0,03 Masse-%, Natrium in einer Menge von 0,001 bis 0,02 Masse-% und Antimon in einer Menge von 0,05 bis 0,4 Masse-%.
Wenn der für das Aufplattieren des Zusatzwerkstoffs auf das Kernmaterial verwendete, aus der Zusatzwerkstofflegierung bestehende Block Strontium, Natrium oder Antimon enthält, haben die Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff nach dem Aufplattieren auf das Kernmaterial eine geringere Größe. Wenn der Strontium-, Natrium- oder Antimongehalt im Zusatzwerkstoff zu hoch ist, nimmt die Fließfähigkeit des Zusatzwerkstoffs gewöhnlich ab, wodurch sich die Fügbarkeit des Verbindungsabschnitts gewöhnlich verschlechtert. Deshalb ist es vorzuziehen, dass der Zusatzwerkstoff eines oder zwei oder mehrere der Elemente Strontium in einer Menge von 0,01 bis 0,03 Masse-%, Natrium in einer Menge von 0,001 bis 0,02 Masse-% und Antimon in einer Menge von 0,05 bis 0,4 Masse-% enthält, um die Größe der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff zu verringern und dem Zusatzwerkstoff eine hohe Fließfähigkeit zu verleihen.
Wenn der Zusatzwerkstoff Eisen enthält, neigt der Zusatzwerkstoff zu Eigenkorrosion. Deshalb wird ein Eisengehalt im Zusatzwerkstoff von 0,8 Masse-% oder weniger bevorzugt. Der Zusatzwerkstoff kann 0,3 Masse-% oder weniger Titan oder 0,01 Masse-% oder weniger Bor enthalten, um das Gussgefüge des aus der Zusatzwerkstofflegierung bestehenden Blocks zu verbessern. Der Zusatzwerkstoff kann 0,1 Masse-% oder weniger Indium, Zinn oder Gallium enthalten, um die Opferanodenwirkung zu erhöhen. Der Zusatzwerkstoff kann 0,1 Masse-% oder weniger Beryllium enthalten, um das Wachsen einer Oberflächenoxidschicht zu verhindern. Der Zusatzwerkstoff kann 0,4 Masse-% oder weniger Wismut enthalten, um die Fließfähigkeit des Zusatzwerkstoffs zu verbessern. Der Zusatzwerkstoff kann 0,3 Masse-% (jeweiliger Gehalt) oder weniger Chrom, Kupfer und Mangan und 0,1 Masse-% (jeweiliger Gehalt) oder weniger Blei, Lithium, und Calcium enthalten. Beim Vakuumhartlöten kann der Zusatzwerkstoff 2,0 Masse-% oder weniger Magnesium enthalten. Beim Vakuumhartlöten mit einem Fluoridflussmittel kann der Zusatzwerkstoff 0,5 Masse-% oder weniger Magnesium enthalten.
In der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Gehalt an Mangan, Silizium, Eisen, Zink, Chrom, Titan, Zirkonium, Strontium, Natrium, Antimon und dergleichen im Kernmaterial oder im Zusatzwerkstoff auf den Gehalt an dem entsprechenden Element.
Das Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung wird durch Aufplattieren des Zusatzwerkstoffs auf jede Seite des Kernmaterials erhalten. Als Verfahren zum Aufplattieren des Zusatzwerkstoffs auf das Kernmaterial kann ein Verfahren angegeben werden, bei dem ein aus einer Kernmateriallegierung bestehender Block und ein aus einer Zusatzwerkstofflegierung bestehender Block, deren Zusammensetzung aus den einzelnen Elementen der Zusammensetzung des Kernmaterials oder Zusatzwerkstoffs entspricht, gegossen werden, der Kernmateriallegierungsblock nach einem gewöhnlichen Verfahren diffusionsgeglüht und der Zusatzwerkstofflegierungsblock warmgewalzt wird, der diffusionsgeglühte Kernmateriallegierungsblock und der warmgewalzte Zusatzwerkstofflegierungsblock kombiniert werden, und die kombinierten Legierungsblöcke warmgewalzt und dann geglüht und kaltgewalzt oder warmgewalzt, kaltgewalzt und dann geglüht werden und das sich ergebende Produkt abschließend kaltgewalzt wird.
Der Zusatzwerkstofflegierungsblock sollte, da die Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff eine verringerte Größe aufweisen, vorzugsweise eines oder zwei oder mehrere der folgenden Elemente enthalten: Strontium in einer Menge von 0,01 bis 0,03 Masse-%, Natrium in einer Menge von 0,001 bis 0,02 Masse-% und Antimon in einer Menge von 0,05 bis 0,4 Masse-%.
Die Dicke des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung beträgt 0,06 mm oder weniger, vorzugsweise 0,04 bis 0,06 mm.
Die mittlere Plattierungsrate einer Seite des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise 5 bis 20%. Wenn die Plattierungsrate für eine Seite des Hartlötrippenmaterials weniger als 5% beträgt, ist die Dicke des auf das Kernmaterial aufplattierten Zusatzmetalls gering, sodass keine ausgezeichnete hartgelötete Kehlnaht erzeugt werden kann. Wenn die Plattierungsrate mehr als 20% beträgt, lässt sich keine gleichmäßige Plattierungsrate erreichen, oder das Kernmaterial neigt durch die größere Menge an geschmolzenem Zusatzwerkstoff dazu, sich aufzulösen oder zu erodieren. Außerdem neigt das Kernmaterial zu interkristalliner Korrosion, da sich die Menge des in das Kernmaterial diffundierten Siliziums erhöht.
Ein Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung wird hergestellt, indem das Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung gewellt wird, um ein gewelltes Hartlötrippenmaterial herzustellen, das gewellte Hartlötrippenmaterial, ein Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums und eine Wasserkammer zusammengebaut werden und das zusammengebaute Produkt hartgelötet wird.
Das zusammengebaute Produkt wird unter Bedingungen hartgelötet, bei denen die Anwärmzeit im Temperaturbereich von 450°C oder darüber 3 bis 10 Minuten und vorzugsweise 5 bis 7 Minuten beträgt. Da das durch Zusammenbauen des gewellten Hartlötrippenmaterials, des Materials für die Durchleitung des Arbeitsmediums und der Wasserkammer hergestellte Produkt von einer Temperatur von 450°C auf im Allgemeinen ca. 600°C erwärmt und auf eine Temperatur unter 450°C abgekühlt wird, wird der Zeitraum von dem Zeitpunkt, an dem die Erwärmungstemperatur 450°C erreicht, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Abkühltemperatur 450°C erreicht, auf 3 bis 10 Minuten und vorzugsweise auf 5 bis 7 Minuten eingestellt. Einen Wärmetauscher, bei dem das Rippenmaterial nur eine geringe interkristalline Korrosion aufweist, erhält man, indem das Produkt unter Bedingungen hartgelötet wird, bei denen die Anwärmzeit im Temperaturbereich von 450°C oder darüber 3 bis 10 Minuten und vorzugsweise 5 bis 7 Minuten beträgt.
Bei der Herstellung eines Wärmetauschers nach der vorliegenden Erfindung kann das Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung vor dem Wellen des Hartlötrippenmaterials in einer bestimmten Breite geschlitzt werden.
Bei dem Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums handelt es sich um ein Rohr, durch das ein Kühlmittel zirkuliert und dass zum Beispiel durch Strangpressen einer JIS-Al100-Legierung, einer JIS-A3003-Legierung oder eines ähnlichen Materials in Form eines Flachrohres erzeugt wird. Das Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums kann auch erzeugt werden, in dem ein Mangan enthaltendes Aluminiumlegierungsblech, wie zum Beispiel eine JIS-A3003-Legierung, zu einem Flachrohr umgeformt wird. Um die Festigkeit gegenüber durchgehenden Lochfraß zu erhöhen, kann die Oberfläche des Materials für die Durchleitung des Arbeitsmediums mit Zink besprüht werden, kann ein zinkhaltiges Flussmittel auf die Oberfläche des Materials für die Durchleitung des Arbeitsmediums aufgebracht werden oder auf das Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums kann eine zinkhaltige Schicht aufplattiert werden.
Der Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung wird hergestellt, indem die gewellten Hartlötrippenmaterialien und die Materialen für die Durchleitung des Arbeitsmediums abwechselnd aufeinander gestapelt werden, das sich ergebene Produkt und die Wasserkammer kombiniert werden und das kombinierte Produkt hartgelötet wird. In diesem Fall ist das hartgelötete, aus den übereinander gestapelten gewellten Hartlötrippenmaterialien und Materialien für die Durchleitung des Arbeitsmediums gebildete Produkt ein Wärmetauscherblock.
Im Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, dass die Aluminiumkorngröße im Kernmaterial nach dem Hartlöten 100 μm oder mehr beträgt, vorzugsweise 100 bis 3000 μm, da durch die geringere Anzahl von Korngrenzen im Kernmaterial kaum interkristalline Korrosion auftritt. Die Aluminiumkorngröße im Kernmaterial nach dem Hartlöten ist ein Wert, der durch weiter unten beschriebene Mikrogefügeuntersuchungen gemessen wird.
Im Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Aluminiumkorngröße der Kernmaterialtextur nach dem Hartlöten durch Regulieren der Herstellungsbedingungen des Hartlötrippenmaterials für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher auf 100 μm oder mehr eingestellt werden, und insbesondere dadurch, dass zum Beispiel die Zwischenglühbedingungen und die abschließenden Kaltwalzbedingungen reguliert werden.
Das Hartlötrippenmaterial wird im allgemeinen hartgelötet, indem die aus dem Hartlötrippenmaterial, dem Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums, der Wasserkammer und dergleichen bestehende Baugruppe mit einem speziellen Temperaturgradienten erwärmt wird, um die Produktivität zu erhöhen. Da der Zeitraum, für den der Zusatzwerkstoff auf dem Kernmaterial verbleibt, länger ist als der Zeitraum, in dem der Zusatzwerkstoff schmilzt und zum Verbindungsabschnitt fließt, muss demzufolge die Anwärmzeit verlängert werden, wodurch die Temperatur des Zusatzwerkstoffs auf dem Kernmaterial ansteigt. Da die Temperatur des Zusatzwerkstoffs auf dem Kernmaterial ansteigt, diffundiert das Silizium im Zusatzwerkstoff leichter in das Kernmaterial. Da der Zeitraum, in dem der Zusatzwerkstoff schmilzt und zum Verbindungsabschnitt fließt, länger wird, verlängert sich der Zeitraum, in dem der eine hohe Temperatur aufweisende Zusatzwerkstoff mit dem Kernmaterial in Kontakt steht. Da der Zeitraum, in dem der eine hohe Temperatur aufweisende Zusatzwerkstoff mit dem Kernmaterial in Kontakt steht, ansteigt, nimmt die Siliziummenge zu, die in das Kernmaterial diffundiert.
Im Hartlötrippenmaterial für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird, da sich die Siliziumteilchen während des Erwärmens zum Hartlöten leicht in der Aluminiumlegierung auflösen, indem der kreisäquivalente Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff auf nur 3 μm oder weniger eingestellt wird, der Zusatzwerkstoff innerhalb einer kurzen Zeit geschmolzen und fließt zum Verbindungsabschnitt, bevor er auf eine hohe Temperatur erwärmt wird. Deshalb kann die Fließfähigkeit des Zusatzwerkstoffs während des Schmelzens selbst dann verbessert werden, wenn der Siliziumgehalt im Zusatzwerkstoff auf 6 bis 9,5 Masse-% verringert wird. Bei dem Hartlötrippenmaterial für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher bewegt sich der Zusatzwerkstoff sofort vom Kernmaterial weg, bevor er auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, und die in das Kernmaterial der Rippe diffundierte Siliziummenge nimmt durch den niedrigen Siliziumgehalt des Zusatzwerkstoffs ab, wodurch die Siliziummenge, die bis in die Mitte des Kernmaterials diffundiert, verringert werden kann. Deshalb kommt eine interkristalline Korrosion des Kernmaterials nur in geringfügigem Umfang vor. Bei dem Hartlötrippenmaterial für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher nimmt die Menge an Zusatzwerkstoff, die in das Kernmaterial diffundiert, ab, da sich der Zusatzwerkstoff sofort vom Kernmaterial fort bewegt, bevor er auf eine hohe Temperatur erwärmt wird. Infolgedessen erhöht sich die Hochtemperatur-Beulfestigkeit des Hartlötrippenmaterials. Bei dem Hartlötrippenmaterial für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher verbessert sich die Fügbarkeit des Verbindungsabschnitts, da der Zusatzwerkstoff eine ausgezeichnete Fließfähigkeit besitzt. Darüber hinaus kann das Hartlötrippenmaterial für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher den Werkzeugverschleiß während des Wellen verringern, weil die Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff eine geringere Größe aufweisen.
Das Hartlötrippenmaterial für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher kann insbesondere durch Einstellen des mittleren kreisäquivalenten Durchmessers der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff auf 3 μm und des Siliziumgehalts im Zusatzwerkstoff auf 6 bis 9,5 Masse-% die interkristalline Korrosion des Kernmaterials verhindern, die Hochtemperatur-Beulfestigkeit erhöhen, die Fügbarkeit des Verbindungsabschnitts verbessern und den beim Wellen verursachten Werkzeugverschleiß verringern.
Wenn der mittlere kreisäquivalente Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff 3 μm übersteigt, nimmt der Zeitraum, der bis zum vollständigen Schmelzen des Zusatzwerkstoffs vergeht, zu, da die Siliziumteilchen während des Hartlötens nur zu einem geringen Teil in der Aluminiumlegierung gelöst werden.
Im Ergebnis dessen steigt die Temperatur des Zusatzwerkstoffs auf dem Kernmaterial zu sehr an, und der Zeitraum, in dem der eine hohe Temperatur aufweisende Zusatzwerkstoff mit dem Kernmaterial in Kontakt steht, verlängert sich. Deshalb nimmt, wenn der kreisäquivalente Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff 3 μm übersteigt, die Menge an Silizium, die in das Kernmaterial diffundiert, zu, wodurch die bis in die Mitte des Kernmaterials diffundierende Siliziummenge, zunimmt. Darüber hinaus nimmt, wenn der kreisäquivalente Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff 3 μm übersteigt, die in das Kernmaterial der Rippe diffundierende Siliziummenge zu, da der Siliziumgehalt im Zusatzwerkstoff erhöht werden muss, um die Fließfähigkeit des Zusatzwerkstoffs zu verbessern.
Bei dem Hartlötrippenmaterial für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher kann selbst dann, wenn die Anwärmzeit im Temperaturbereich von 450°C oder mehr auf 3 bis 10 Minuten verringert wird, ein zuverlässiger Hartlötvorgang erreicht werden, da der Zusatzwerkstoff während des Hartlötens eine hohe Fließfähigkeit aufweist. Da die Diffusion des im Zusatzwerkstoff enthaltenen Siliziums in das Kernmaterial unterdrückt werden kann, indem die Materialen innerhalb einer kurzen Zeit unter Verwendung des Hartlötrippenmaterials für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher hartgelötet werden, kann ein Wärmetauscher hergestellt werden, in dem eine interkristalline Korrosion des Kernmaterials nur in geringfügigem Umfang vorkommt. Deshalb weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine hohe Zuverlässigkeit auf, da eine Abnahme der Festigkeit des Wärmetauscherblocks durch interkristalline Korrosion des Rippenmaterials nur in geringem Umfang zu verzeichnen ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen beschrieben, um die durch die vorliegende Erfindung bewirkten Effekte aufzuzeigen. Es liegt auf der Hand, dass die folgenden Beispiele nur einen Aspekt der vorliegenden Erfindung verdeutlichen und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden dürfen.
BEISPIELE
(Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1)
(Herstellung von Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher)
Ein Kernmateriallegierungsblock mit der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung und ein Zusatzwerkstofflegierungsblock mit der in Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzung wurden im Stranggießverfahren gegossen. Der Kernmateriallegierungsblock wurde diffusionsgeglüht. Der Zusatzmetalllegierungsblock wurde auf eine bestimmte Dicke warmgewalzt. Nachdem der Zusatzwerkstofflegierungsblock an jede Seite des Kernmateriallegierungsblocks platziert worden war, wurde das sich ergebende Produkt warmgewalzt, um ein plattiertes Material herzustellen, bei dem jede Seite des Kernmaterials mit Zusatzwerkstoff plattiert wurde. Das plattierte Material wurde dann kaltgewalzt, zwischengeglüht und kaltgewalzt, um ein Hartlötrippenmaterial mit einer Dicke von 0,06 mm herzustellen (Beispiele A bis T und Vergleichsbeispiele a bis p). Die Plattierungsrate betrug 10%. Der mittlere kreisäquivalente Durchmesser, die kreisäquivalenten Durchmesser und der Wert (μ + 3s) der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff des sich ergebenden Hartlötrippenmaterials wurden durch Mikrogefügeuntersuchungen gemessen. Die Werkzeugverschleißeigenschaften des sich ergebenden Hartlötrippenmaterials wurden ausgewertet. Die Ergebnisse werden in den Tabellen 3 und 5 gezeigt.
<Analyse der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff>
Nach dem Polieren der Oberfläche des Hartlötrippenmaterials wurde die Oberfläche des Hartlötrippenmaterials unter Verwendung einer 1%igen Flusssäurelösung geätzt. Die Teilchengrößenverteilung der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff wurde ermittelt, indem die Verteilung der pro 1 mm² vorhandenen Siliziumteilchen mit Hilfe eines Bildverarbeitungsgeräts (Mikrogefügeuntersuchung) gemessen wurde. Der kreisäquivalente Durchmesser wurde als Siliziumteilchendurchmesser verwendet. Der mittlere kreisäquivalente Durchmesser, die kreisäquivalenten Durchmesser und der Wert (μ + 3s) der Siliziumteilchen wurden bestimmt.
<Auswertung der Werkzeugverschleißeigenschaften des Hartlötrippenmaterials>
Das Hartlötrippenmaterial wurde wiederholt mit einer völlig neuen Schere aus SUS304 geschnitten. Nachdem das Hartlötrippenmaterial 400 Mal geschnitten worden war, wurden die Scherenblätter unter einem Mikroskop untersucht.
Ein Fall, bei dem die Blätter keinen Verschleiß aufwiesen, wurde als "gut" bewertet, ein Fall, bei dem die Blätter geringfügig verschlissen waren, wurde als "zufriedenstellend" bewertet, und ein Fall, bei dem die Blätter stark verschlissen waren, wurde als "schlecht" bewertet.
(Herstellung der Kernprobe)
Das Hartlötrippenmaterial wurde gewellt und an einem Rohr (Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums) angebracht, das aus einem porösen Flachrohr aus reinem Aluminium (50 Stufen) geformt wurde, dessen Oberfläche einer Zinkbehandlung unterzogen worden war. Das sich ergebende Produkt wurde mit einem Wasserkasten und einem Seitenblech mit einrastenden Abschnitten kombiniert. Nach dem Besprühen mit einem Fluoridflussmittel wurde das Produkt in einer Schutzgasatmosphäre bei 600°C (maximale Temperatur) hartgelötet, um eine Kernprobe herzustellen. Das Produkt wurde unter Bedingungen hartgelötet, bei denen die Anwärmzeit im Temperaturbereich von 450°C oder darüber 8 Minuten betrug. Die Fügerate nach dem Hartlöten, die Verbindungslänge des Verbindungsabschnitts, das Auftreten oder Fehlen von Schmelzebeulen im Verbindungsabschnitt, die interkristalline Korrosionsfestigkeit und die Korrosionstiefe des Rohrs wurden ausgewertet. Die Ergebnisse werden in den Tabellen 4 und 6 gezeigt.
<Fügerate>
Nach dem Hartlöten wurde eine Vorrichtung gegen das Hartlötrippenmaterial gedrückt, um zu bewirken, dass das Rippenmaterial bricht, und die Verbindungsstelle zwischen der Oberfläche des Rohrmaterials und dem Rippenmaterial wurde untersucht. Die Anzahl der gefügten Rippen wurde gezählt, um mit Hilfe des folgenden Ausdrucks (1) die Fügerate zu berechnen. Fügerate (%) = (Anzahl der gefügten Rippen/Gesamtanzahl der Wellungen) × 100 (1)
<Verbindungslänge>
Es wurde ein repräsentativer Bereich des Verbindungsabschnitts entnommen und in ein Harz eingebettet. Der Mittelwert der Verbindungslänge des Verbindungsabschnitts wurde gemessen. Ein Fall, bei dem die mittlere Verbindungslänge 1,0 mm oder mehr betrug, wurde als "gut" bewertet und ein Fall, bei dem die mittlere Verbindungslänge geringer war als 1,0 mm, wurde als "schlecht" bewertet.
<Vorhandensein oder Fehlen von Schmelzebeulen im Verbindungsabschnitt>
Es wurde ein repräsentativer Bereich des Verbindungsabschnitts entnommen und in ein Harz eingebettet. Dann wurde untersucht, inwieweit Schmelzebeulen vorhanden sind oder nicht. Ein Fall, bei dem keine Schmelzebeulen festgestellt wurden, wurde als "gut" bewertet, und ein Fall, bei dem Schmelzebeulen festgestellt wurden, wurde als "schlecht" bewertet.
<Interkristalline Korrosionsfestigkeit>
Die Kernprobe wurde vier Wochen lang einem SWAAT-Korrosionstest (ASTM G85-85) unterworfen, und anschließend wurde die Querschnittstextur des Rippenmaterials untersucht, um die interkristalline Korrosionsfestigkeit zu bestimmen. Ein Fall, bei dem die interkristalline Korrosion nicht bis zur Mitte des Kernmaterials vordrang, wurde als "gut" bewertet, und ein Fall, bei dem die interkristalline Korrosion die Mitte des Kernmaterials erreichte, wurde als "schlecht" bewertet. Wenn aufgrund der Korrosion der gesamten Rippe die Querschnittstextur nicht untersucht werden konnte, wurde die Eigenkorrosionsfestigkeit als "schlecht" bewertet.
<Korrosionstiefe des Rohres>
Die Oberfläche des Rohres, das dem obigen SWAAT-Korrosionstest unterworfen worden war, wurde unter einem Stereomikroskop untersucht. Die Korrosionstiefe des korrodierten Abschnitts wurde mit Hilfe eines Tiefenschärfeverfahrens gemessen.
Ein einzelnes Blech des Hartlötrippenmaterials wurde unter den obigen Hartlötbedingungen erwärmt. Nach der zum Hartlöten durchgeführten Erwärmung wurden die Festigkeit des Rippenmaterials und die Aluminiumkorngröße im Rippenmaterial gemessen. Die Ergebnisse werden in den Tabellen 4 und 6 gezeigt.
<Festigkeit des Rippenmaterials nach dem Erwärmen zum Hartlöten>
Ein Prüfling mit der JIS-Nr. 5 (JIS Z2201) wurde nach dem Erwärmen zum Hartlöten aus dem Rippenmaterial hergestellt und einer Zugprüfung gemäß JIS Z2241 unterzogen, um die Festigkeit des Rippenmaterials zu messen.
<Aluminiumkorngröße im Rippenmaterial nach dem Erwärmen zum Hartlöten>

Die Aluminiumkorngröße im Rippenmaterial nach dem Erwärmen zum Hartlöten wurde mit einem Kristallgefügeuntersuchungsverfahren gemessen. Nach dem Erwärmen zum Hartlöten wurde die Oberfläche des Rippenmaterials poliert, um die Zusatzwerkstoffschicht zu entfernen, elektrolytisch geätzt und unter einem Polarisationsmikroskop untersucht. Die Korngröße wurde mit einer ASTM-Karte gemessen. TABELLE 1

		Mn	Si	Fe	Zn	Cr	Ti	Zr
Kernmaterial des Beispiels	Kern 1	1,65	0,82	0,18	1,5	–	–	–
	Kern 2	1,08	0,82	0,18	1,5	–	–	–
	Kern 3	1,76	0,82	0,18	1,5	–	–	–
	Kern 4	1,65	0,35	0,18	1,5	–	–	–
	Kern 5	1,65	0,95	0,18	1,5	–	–	–
	Kern 6	1,65	0,82	0,08	1,5	–	–	–
	Kern 7	1,65	0,82	0,25	1,5	–	–	–
	Kern 8	1,65	0,82	0,18	1,1	–	–	–
	Kern 9	1,65	0,82	0,18	2,8	–	–	–
	Kern 10	1,65	0,82	0,18	1,5	0,14	–	–
	Kern 11	1,65	0,82	0,18	1,5	–	0,13	–
	Kern 12	1,65	0,82	0,18	1,5	–	–	0,16
Kernmaterial des Vagleichsbeispiels	Kern 13	0,95	0,82	0,18	1,5	–	–	–
	Kern 14	2,3	0,88	0,18	1,5	–	–	–
	Kern 15	1,65	0,26	0,18	1,5	–	–	–
	Kern 16	1,65	1,22	0,18	1,5	–	–	–
	Kern 17	1,65	0,80	0,60	1,5	–	–	–
	Kern 18	1,65	0,81	0,18	0,4	–	–	–
	Kern 19	1,65	0,85	0,18	3,8	–	–	–
	Kern 20	1,65	0,85	0,18	1,5	0,4	–	–
	Kern 21	1,65	0,85	0,18	1,5	–	0,4	–
	Kern 22	1,65	0,85	0,18	1,5	–	–	0,4

TABELLE 2

		Si	Sr	Na	Sb
Zusatzwerkstoff des Beispiels	Zusatzwerkstoff 1	8,9	0,021	–	–
	Zusatzwerkstoff 2	7,5	0,021	–	–
	Zusatzwerkstoff 3	9,4	0,021	–	–
	Zusatzwerkstoff 4	8,9	0,013	–	–
	Zusatzwerkstoff 5	8,9	0,030	–	–
	Zusatzwerkstoff 6	8,9	–	0,003	–
	Zusatzwerkstoff 7	8,9	–	0,015	–
	Zusatzwerkstoff 8	8,9	–	–	0,003
	Zusatzwerkstoff 9	8,9	–	–	0,34
Zusatzwerkstoff des Vergleichsbeispiels	Zusatzwerkstoff 10	5,3	0,021	–	–
	Zusatzwerkstoff 11	10,1	0,021	–	–
	Zusatzwerkstoff 12	8,9	–	–	–
	Zusatzwerkstoff 13	8,9	0,05	–	–
	Zusatzwerkstoff 14	8,9	–	0,03	–
	Zusatzwerkstoff 15	8,9	–	–	0,6

TABELLE 3

Beispiel Nr.	Kernmaterial	Zusatzwerkstoff	Mittlerer Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff (μm)²	Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff (μm)²	(μ + 3σ)-Wert (μm)	Werkzeugverschleißverhalten
A	1	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
B	2	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
C	3	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
D	4	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
E	5	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
F	6	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
G	7	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
H	8	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
I	9	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
J	10	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
K	11	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
L	12	1	1,8	0,3 to 8,5	5,2	gut
M	1	2	1,8	0,3 to 8,3	5,0	gut
N	1	3	1,8	0,3 to 8,8	6,3	gut
O	1	4	2,3	0,3 to 9,4	8,5	gut
P	1	5	1,7	0,3 to 8,0	4,8	gut
Q	1	6	2,1	0,3 to 10,2	9,5	gut
R	1	7	1,9	0,3 to 8,5	7,4	gut
S	1	8	2,3	0,3 to 10,8	10,2	gut
T	1	9	1,8	0,3 to 8,0	7,2	gut

1) Mittlerer kreisäquivalenter Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff
2) Kreisäquivalente Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff

Beispiel Nr.	Kernmaterial	Zusatzwerkstoff	Festigkeit des Rippenmaterials nach dem Hartlöten (MPa)	Aluminiumkorngröße nach dem Hartlöter (μm)	Fügerate (%)	Verbindungslange	Schmelzebeulen	Interkristalline Korrosionsfestigkeit	Korrosionstiefe des Rohres mm (mm)
A	1	1	165	250	100	gut	gut	gut	0,03
B	2	1	150	270	100	gut	gut	gut	0,02
C	3	1	170	250	100	gut	gut	gut	0,03
D	4	1	158	350	100	gut	gut	gut	0,03
E	5	1	172	240	100	gut	gut	gut	0,03
F	6	1	165	350	100	gut	gut	gut	0,01
G	7	1	168	120	100	gut	gut	gut	0,03
H	8	1	163	240	100	gut	gut	gut	0,04
I	9	1	166	230	100	gut	gut	gut	0,03
J	10	1	165	320	100	gut	gut	gut	0,03
K	11	1	164	320	100	gut	gut	gut	0,03
L	12	1	163	350	100	gut	gut	gut	0,03
M	1	2	163	250	95	gut	gut	gut	0,03
N	1	3	169	260	100	gut	gut	gut	0,02
O	1	4	164	250	100	gut	gut	gut	0,03
P	1	5	165	240	100	gut	gut	gut	0,03
Q	1	6	165	240	100	gut	gut	gut	0,04
R	1	7	166	250	100	gut	gut	gut	0,03
S	1	8	164	260	100	gut	gut	gut	0,03
T	1	9	164	260	100	gut	gut	gut	0,02

1) Aluminiumkorngröße im Rippenmaterial nach dem Erwärmen zum Hartlöten

Vergleichsbeispiel Nr.	Kernmaterial	Zusatzwerkstoff	Mittlerer Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff (μm)¹⁾	Durchmesser der Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff (μm)²⁾	(μ + 3s)-Wert (μm)	Werkzeugverschleißverhalten
a	13	1	1,8	0,3–8,5	5,2	gut
b	14	1	1,8	Konnte aufgrund unzureichenden Walzens nicht bewertet werden
c	15	1	1,8	0,3–8,5	5,2	gut
d	16	1	1,8	0,3–8,5	5,2	gut
e	17	1	1,8	0,3–8,5	5,2	gut
f	18	1	1,8	0,3–8,5	5,2	gut
g	19	1	1,8	0,3–8,5	5,2	gut
h	20	1	1,8	Konnte aufgrund unzureichenden Walzens nicht bewertet werden
i	21	1	1,8	Konnte aufgrund unzureichenden Walzens nicht bewertet werden
j	22	1	1,8	Konnte aufgrund unzureichenden Walzens nicht bewertet werden
k	1	10	1,8	0,3–7,8	4,6	gut
l	1	11	1,8	0,3–10,5	8,2	gut
m	1	12	4,8	0,3–20	14,8	schlecht
n	1	13	1,5	0,3–8,0	4,8	gut
o	1	14	1,4	0,3–8,0	4,9	gut
p	1	15	1,6	0,3–8,0	5,2	gut

Vergleichs Beispiel Nr.	Kernmaterial	Zusatzwerkstoff	Festigkeit des Rippenmaterials nach dem Hartlöten (MPa)	Aluminiumkorngröße nach dem (μm)	Fügerate (%)	Verbindungslänge	Schmelzebeulen	Interkristalline Korrosionsfestigkeit	Korrosionstiefe des Rohres (mm)
a	13	1	145	280	100	gut	gut	gut	0,03
b	14	1	Konnte aufgrund unzureichenden Walzens nicht bewertet werden
c	15	1	138	400	100	gut	gut	gut	0,03
d	16	1	130	120	100	gut	schlecht	schlecht	0,03
e	17	1	166	70	100	gut	schlecht	schlecht	0,03
f	18	1	167	240	100	gut	gut	gut	0,07
g	19	1	165	230	100	gut	gut	Eigenkorrosionsfestigkeit war schlechte²⁾	0,01
h	20	1	Konnte aufgrund unzureichenden Walzens nicht bewertet werden
i	21	1	Konnte aufgrund unzureichenden Walzens nicht bewertet werden
j	22	1	Konnte aufgrund unzureichenden Walzens nicht bewertet werden
k	1	10	160	220	70	schlecht	gut	gut	0,03
l	1	11	164	260	100	gut	schlecht	schlecht	0,03
m	1	12	167	240	100	gut	gut	schlecht	0,03
n	1	13	166	250	85	schlecht	gut	gut	0,03
o	1	14	166	250	80	schlecht	gut	gut	0,03
p	1	15	168	250	85	schlecht	gut	gut	0,03

1) Aluminiumkorngröße im Rippenmaterial nach dem Erwärmen zum Hartlöten
2) Die interkristalline Korrosionsfestigkeit konnte aufgrund einer starken Eigenkorrosion nicht bewertet werden.

Beispiele A bis T
Obwohl das Hartlötrippenmaterial eine geringe Dicke von 0,06 mm hatte, besaß das Hartlötrippenmaterial eine hohe Festigkeit nach dem Hartlöten, eine ausgezeichnete Hartlötbarkeit und eine ausgezeichnete interkristalline Korrosionsfestigkeit.
Vergleichsbeispiele a bis p

a: Das Hartlötrippenmaterial besaß nach dem Hartlöten infolge des niedrigen Mangangehalts im Kernmaterial eine geringe Festigkeit.
b: Ein Blechformteil konnte aufgrund des hohen Mangangehalts im Kernmaterial nicht hergestellt werden.
c: Das Hartlötrippenmaterial wies nach dem Hartlöten infolge des niedrigen Siliziumgehalts im Kernmaterial eine geringe Festigkeit auf.
d: Im Hartlötrippenmaterial traten während des Hartlötens aufgrund des hohen Siliziumgehalts Schmelzebeulen auf. Das Kernmaterial besaß nach dem Hartlöten eine geringe Festigkeit, und die interkristalline Korrosion reichte bis zur Kernmitte.
e: Die Körner waren nach dem Hartlöten klein, und im Hartlötrippenmaterial traten während des Hartlötens Schmelzebeulen auf aufgrund des hohen Eisengehalts im Kernmaterial. Die interkristalline Korrosion reichte bis in die Mitte des Kernmaterials.
f: Die Korrosionstiefe des Rohrs nahm aufgrund des niedrigen Zinkgehalts im Kernmaterial zu.
g: In der Rippe kam es durch den hohen Zinkgehalt im Kernmaterial im großen Umfang zu Eigenkorrosion.
h: Ein Blechformteil konnte aufgrund des hohen Chromgehalts im Kernmaterial nicht hergestellt werden.
i: Ein Blechformteil konnte aufgrund des hohen Titangehalts im Kernmaterial nicht hergestellt werden.
j: Ein Blechformteil konnte aufgrund des hohen Zirkoniumgehalts im Kernmaterial nicht hergestellt werden.
k: Die Fügerate war aufgrund des niedrigen Siliziumgehalts im Zusatzwerkstoff niedrig und die Verbindungslänge unzureichend.
l: Die interkristalline Korrosion reichte aufgrund des hohen Siliziumgehalts im Zusatzwerkstoffbis in die Mitte des Kernmaterials.
m: Es wurde Verschleiß festgestellt, der auf den großen Siliziumteilchendurchmesser im Zusatzwerkstoff zurückzuführen war. Die interkristalline Korrosion reichte bis in die Mitte des Kernmaterials.
n: Die Fügerate war aufgrund des hohen Strontiumgehalts im Zusatzwerkstoff niedrig und die Verbindungslänge unzureichend.
o: Die Fügerate war aufgrund des hohen Natriumgehalts im Zusatzwerkstoff niedrig und die Verbindungslänge unzureichend.
p: Die Fügerate war aufgrund des hohen Antimongehalts im Zusatzwerkstoff niedrig und die Verbindungslänge unzureichend.

(Vergleichsbeispiel 2)
(Erzeugung von Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher)
Ein Kernmateriallegierungsblock mit der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung und ein Zusatzwerkstofflegierungsblock mit der in Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzung wurden im Stranggießverfahren gegossen. Der Kernmateriallegierungsblock wurde anschließend diffusionsgeglüht. Der Zusatzwerkstofflegierungsblock wurde auf eine bestimmte Dicke warmgewalzt. Nachdem der Zusatzwerkstofflegierung auf jede Seite des Kernmateriallegierungsblocks platziert worden war, wurde das sich ergebende Produkt warmgewalzt, um ein plattiertes Material herzustellen, bei dem der Zusatzwerkstoff auf jede Seite des Kernmaterials aufplattiert war. Das plattierte Material wurde dann kaltgewalzt, zwischengeglüht und kaltgewalzt, um ein Hartlötrippenmaterial mit einer Dicke von 0,06 mm herzustellen (Vergleichsbeispiele q bis s). Die Plattierungsrate betrug 10%.
(Herstellung der Kernprobe)

Das Hartlötrippenmaterial wurde gewellt und an einem Rohr (Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums) angebracht, das aus einem porösen Flachrohr aus reinem Aluminium (50 Stufen) geformt wurde, dessen Oberfläche einer Zinkbehandlung unterzogen worden war. Das sich ergebende Produkt wurde mit einem Wasserkasten und einem Seitenblech mit einrastenden Abschnitten kombiniert. Nach dem Besprühen mit einem Fluoridflussmittel wurde das Produkt in einer Schutzgasatmosphäre bei 600°C (maximale Temperatur) hartgelötet, um eine Kernprobe herzustellen. Das Produkt wurde unter Bedingungen hartgelötet, bei denen die Anwärmzeit im Temperaturbereich von 450°C oder darüber 20 Minuten betrug. Die Fügerate nach dem Hartlöten, die Verbindungslänge des Verbindungsabschnitts, das Auftreten oder Fehlen von Schmelzebeulen im Verbindungsabschnitt, die interkristalline Korrosionsfestigkeit und die Korrosionstiefe des Rohrs wurden ausgewertet. Die Ergebnisse werden in Tabelle 7 gezeigt. TABELLE 7

Vergleichs Beispiel Nr.	Kernmaterial	Zusatzwerkstoff	Festigkeit des Rippenmaterials nach dem Hartlöten (MPa)	Aluminiumkomgröße nach dem (μm)	Fügerate (%)	Verbindungslänge	Schmelzebeulen	Interkristalline Korrosionsfestigkeit	Korrosionstiefe des Rohres (mm)
q	1	1	170	250	100	gut	gut	schlecht	0,03
r	1	7	172	250	100	gut	gut	schlecht	0,03
s	1	9	169	260	100	gut	gut	schlecht	0,02

Vergleichsbeispiele q bis s
In Vergleichsbeispiel q bis s reichte die interkristalline Korrosion bis in die Mitte des Kernmaterials, weil die Anwärmzeit im Temperaturbereich von 450°C oder darüber lang.
Es ist angesichts der obigen Ausführungen offensichtlich, dass für die vorliegende Erfindung zahlreiche Modifikationen und Variationen möglich sind. Demzufolge liegt es auf der Hand, dass die Erfindung im Rahmen der angehängten Ansprüche auch auf andere Weise als hier beschrieben, in die Praxis umgesetzt werden kann.

Claims

Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher, das ein Kernmaterial und einen auf jede Seite des Kernmaterials aufplattierten Zusatzwerkstoff umfasst, wobei das Kernmaterial eine Mangan enthaltende Aluminiumlegierung ist, der Zusatzwerkstoff eine 6 bis 9,5 Masse-% Silizium enthaltende Aluminiumlegierung ist, Siliziumteilchen im Zusatzwerkstoff einen mittleren kreisäquivalenten Durchmesser von 3 μm oder kleiner haben, und das Hartlötrippenmaterial eine Dicke von 0,06 mm oder weniger aufweist.
Hartlötrippenmaterial nach Anspruch 1, bei dem das Kernmaterial eine 1,0 bis 1,8 Masse-% Mangan, 0,3 bis 1,0 Masse-% Silizium, 0,05 bis 0,3 Masse-% Eisen und 1,0 bis 3,0 Masse-% Zink enthaltende Aluminiumlegierung ist, und der Zusatzwerkstoff eine Aluminiumlegierung mit (a) 6 bis 9,5 Masse-% Silizium und (b) einem oder zwei oder mehr der Bestandteile Strontium in einer Menge von 0,01 bis 0,03 Masse-%, Natrium in einer Menge von 0,001 bis 0,02 Masse-% und Antimon in einer Menge von 0,05 bis 0,4 Masse-% ist.
Hartlötmaterial für Wärmetauscher nach Anspruch 2, bei dem das Kernmaterial außerdem ein oder zwei oder mehr der Bestandteile Chrom in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Masse-%, Titan in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Masse-% und Zirkonium in einer Menge von 0,05 bis 0,3 Masse-% umfasst.
Wärmetauscher, der hergestellt wird, indem das Hartlötrippenmaterial für Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gewellt wird, um gewelltes Hartlötrippenmaterial zu erhalten, das gewellte Hartlötrippenmaterial, ein Material für die Durchleitung des Arbeitsmediums und eine Wasserkammer zusammengebaut werden und das zusammengebaute Produkt unter Bedingungen hartgelötet wird, bei denen die Anwärmzeit in einem Temperaturbereich von 450°C oder darüber 3 bis 10 Minuten beträgt.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, bei dem die Aluminiumkorngröße im Kernmaterial nach dem Hartlöten 100 μm oder mehr beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, das das Wellen des Hartlötrippenmaterials für Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, um ein gewelltes Hartlötrippenmaterial zu erhalten, das Zusammenbauen des gewellten Hartlötmaterials, eines Materials für die Durchleitung des Arbeitsmediums und einer Wasserkammer und das Hartlöten des zusammengebauten Produkts unter Bedingungen, bei denen die Anwärmzeit in einem Temperaturbereich von 450°C oder darüber 3 bis 10 Minuten beträgt, umfasst, um einen Wärmetauscher zu erhalten.