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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugwärmetauschers gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Wärmetauscher an Verbrennungskraftmaschinen einzusetzen, um strömende Medien zu kühlen oder aber zu erwärmen. Hier wird beispielsweise ein Wärmetauscher eingesetzt, durch den das Kühlwasser einer Verbrennungskraftmaschine fließen kann, wobei durch den Fahrtwind oder aber einen zusätzlichen Ventilator das Kühlwasser in dem Wärmetauscher abgekühlt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist es jedoch auch bekannt, die bei dem Verbrennungsprozess entstehenden Abgase durch einen AGR-Wärmetauscher zu führen, und diese beispielsweise erneut dem Verbrennungsprozess zuzuführen, um die Emissionswerte des Verbrennungsprozesses zu senken. Das Abgas, welches durch den Verbrennungsvorgang entsteht, besitzt dabei nicht nur Temperaturen im Falle eines Ottomotors von bis zu mehr als 1.000° C, sondern enthält auch hochkorrosive Bestandteile, die den Werkstoff des Wärmetauschers stark belasten. Die abgasführenden Bauteile eines Kraftfahrzeugs müssen somit derart ausgelegt sein, dass sie möglichst wartungsarm über mehrere Jahre hinweg betrieben werden können.
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Hierzu wird für die Herstellung von Kraftfahrzeugwärmetauschern, die Abgas führen, insbesondere Edelstahl verwendet, der bereits aufgrund seiner Werkstoffzusammensetzung antikorrosive Eigenschaften besitzt. Hierzu ist es wiederum aus dem Stand der Technik bekannt, Oberflächenbehandlungen an dem Kraftfahrzeugwärmetauscher vorzunehmen, um die sich korrosiv auswirkenden Eigenschaften des Abgases auf den fluidleitenden Oberflächen des Kraftfahrzeugwärmetauschers zu minimieren oder aber einzudämmen.
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Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt aus der
DE 43 12 417 A1 eine Oxidschicht auf einem nicht rostenden Stahl zu erzeugen, um dessen Korrosionsbeständigkeit weiter zu steigern.
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Nachteilig bei einem solchen Verfahren ist es insbesondere bei Anwendung auf einen Kraftfahrzeugwärmetauscher, dass das Verfahren zum einen mit hohem Aufwand und hohen Energiekosten durchzuführen ist und zusätzlich derart in einem Medium, insbesondere in einem Tauchbad, durchzuführen ist, so dass sich der Kraftfahrzeugwärmetauscher unter Umständen nicht vollständig mit dem Medium während des Behandlungsverfahrens füllt. Eine nur teilausgebildete Oxidschicht ist die Folge.
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Die
DE 39 26 733 A1 offenbart die Verzunderung der Oberfläche eines metallischen Bauteils für eine Schichtdicke bis zu 100 µm, um den unter der Schicht liegenden Stahlwerkstoff bis an die Grenzfläche der Oxidschicht mit einem ausreichenden Härtungsgefüge aus Martensit und Karbid zu versehen.
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Ferner offenbart
US 6 284 388 B1 die Herstellung einer elektrisch isolierenden Schicht auf einem Stahlwerkstoff mittels Oxidationsverfahren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein mit einem Edelstahl hergestellter Kraftfahrzeugwärmetauscher voroxidierbar ist, wobei das Verfahren kostengünstig bei hoher Reproduzierbarkeit durchführbar ist.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugwärmetauschers gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten des vorliegenden Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugwärmetauschers, wobei ein aus einem Edelstahl hergestellter Wärmetauscher voroxidiert wird, zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:
- – Vorbehandeln der fluidleitenden Oberflächen des Kraftfahrzeugwärmetauschers,
- – Thermisches Behandeln des Kraftfahrzeugwärmetauschers in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 800 und 1200°C für eine Dauer von 1 bis 10 Minuten, wobei das Schutzgas einen Taupunkt zwischen –25°C und 30°C besitzt, wobei als Schutzgas ein exothermes Gas oder ein endothermes Gas verwendet wird,
- – Erzeugen einer Oxidschicht mit einer Schichtdicke zwischen 30 und 100µm.
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Im Rahmen der Erfindung wird somit insbesondere ein Kraftfahrzeugwärmetauscher bereitgestellt, der als fertiger Wärmetauscher in Form eines Plattenwärmetauschers oder aber Rohrbündelwärmetauschers ausgebildet ist. Die fluidleitenden Oberflächen sind bereits mit einem Vorbehandlungsverfahren hergestellt, das insbesondere der Strömungsoptimierung aber auch der Mischung des weiterfolgend beschriebenen Verfahrens dient.
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Hierzu werden insbesondere die nachfolgend beschriebenen rostfreien Stahlsorten, insbesondere Edelstähle mit den jeweiligen Legierungselementen, ausgedrückt in Gewichtsprozent sowie jeweils mit einem Rest Eisenanteil und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen verwendet:
| 1.4301 | Kohlenstoff (C) | ≤ | 0,070 |
| | Chrom (Cr) | | 17,500–19,500 |
| | Mangan (Mn) | ≤ | 2,000 |
| | Stickstoff (N) | ≤ | 0,110 |
| | Nickel (Ni) | | 8,000–10,500 |
| | Phosphor (P) | ≤ | 0,045 |
| | Schwefel (S) | ≤ | 0,015 |
| | Silizium (Si) | ≤ | 1,0000 |
oder
| 1.4401 | Kohlenstoff (C) | ≤ | 0,070 |
| | Chrom (Cr) | | 16,500–18,500 |
| | Mangan (Mn) | ≤ | 2,000 |
| | Molybdän (Mo) | | 2,000–2,500 |
| | Stickstoff (N) | ≤ | 0,110 |
| | Nickel (Ni) | | 10,000–13,000 |
| | Phosphor (P) | ≤ | 0,045 |
| | Schwefel (S) | ≤ | 0,015 |
| | Silizium (Si) | ≤ | 1,0000 |
oder
| 1.4404 | Kohlenstoff (C) | ≤ | 0,030 |
| | Chrom (Cr) | | 16,500–18,500 |
| | Mangan (Mn) | ≤ | 2,000 |
| | Molybdän (Mo) | | 2,000–2,500 |
| | Stickstoff (N) | ≤ | 0,110 |
| | Nickel (Ni) | | 10,000–13,000 |
| | Phosphor (P) | ≤ | 0,045 |
| | Schwefel (S) | ≤ | 0,015 |
| | Silizium (Si) | ≤ | 1,0000 |
oder
| 1.4307 | Kohlenstoff (C) | ≤ | 0,030 |
| | Chrom (Cr) | | 17,500–19,500 |
| | Mangan (Mn) | ≤ | 2,000 |
| | Stickstoff (N) | ≤ | 0,100 |
| | Nickel (Ni) | | 8,000–10,500 |
| | Phosphor (P) | ≤ | 0,045 |
| | Schwefel (S) | ≤ | 0,015 |
| | Silizium (Si) | ≤ | 1,0000 |
oder
| 1.4541 | Kohlenstoff (C) | ≤ | 0,080 |
| | Chrom (Cr) | | 17,000–19,000 |
| | Mangan (Mn) | ≤ | 2,000 |
| | Nickel (Ni) | | 9,000–12,000 |
| | Phosphor (P) | ≤ | 0,045 |
| | Schwefel (S) | ≤ | 0,015 |
| | Silizium (Si) | ≤ | 1,0000 |
| | Titan (Ti) | ≤ | 0,700 |
oder
| 1.4571 | Kohlenstoff (C) | ≤ | 0,080 |
| | Chrom (Cr) | | 16,500–18,500 |
| | Mangan (Mn) | ≤ | 2,000 |
| | Molybdän (Mo) | | 2,000–2,500 |
| | Nickel (Ni) | | 10,500–13,500 |
| | Phosphor (P) | ≤ | 0,045 |
| | Schwefel (S) | ≤ | 0,015 |
| | Silizium (Si) | ≤ | 1,0000 |
| | Titan (Ti) | ≤ | 0,700 |
oder
| 1.4521 | Kohlenstoff (C) | ≤ | 0,025 |
| | Chrom (Cr) | | 17,000–20,000 |
| | Mangan (Mn) | ≤ | 1,000 |
| | Molybdän (Mo) | | 1,800–2,500 |
| | Stickstoff (N) | ≤ | 0,030 |
| | Phosphor (P) | ≤ | 0,040 |
| | Schwefel (S) | ≤ | 0,015 |
| | Silizium (Si) | ≤ | 1,0000 |
| | Titan (Ti) | ≤ | 0,800 |
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Der Kraftfahrzeugwärmetauscher wird dann erfindungsgemäß bevorzugt zunächst verlötet und/oder verschweißt, mithin als vollständige Baueinheit bereitgestellt. Diese Baueinheit wird dann oberflächenbehandelt, so dass nicht durch den Löt- oder aber Schweißvorgang die Oberflächenbehandlung wieder zerstört wird.
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Weiterhin wird dann erfindungsgemäß der oberflächenbehandelte Kraftfahrzeugwärmetauscher in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 800° und 1.200° C für eine Dauer von 1 bis 10 Minuten thermisch behandelt, wobei das Schutzgas einen Taupunkt zwischen –25° C und 30° C besitzt. Hierdurch wird an dem Kraftfahrzeugwärmetauscher gezielt und energieeffizient eine Oxidschicht mit einer Schichtdicke zwischen 30 μm und 100 μm an den fluidleitenden Oberflächen erzeugt.
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Die Oxidschicht besteht dabei dann je nach verwendeter Legierung aus Cr2O3, SiO2, MnO, Al2O3 und/oder TiO2. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren werden lokale Unregelmäßigkeiten in der hergestellten Oxidschicht durch den Schichtdickenaufwachs vermieden. Hierdurch wird insbesondere das Reagieren mit Chloridionen unterbunden, so dass eine Lochkorrosion vermieden wird.
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In der Folge wird der Kraftfahrzeugwärmetauscher dahingehend optimiert hergestellt, dass er eine deutlich gesteigerte Dauerhaltbarkeit erfährt, wobei auf die Verwendung von hochspezialisierten Stählen, beispielsweise aus dem maritimen Bereich, die bereits in der Anschaffung des Werkstoffs, aber auch in der Verarbeitung höhere Kosten verursachen, verzichtet werden kann.
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Im Rahmen der Erfindung findet insbesondere das Vorbehandeln selber durch Kaltwalzen und Warmglühen der einzelnen Bauteilkomponenten des Kraftfahrzeugwärmetauschers statt. Diese Oberflächenbehandlung entspricht dabei der gemäß DIN-EN 10088 definierten Oberfläche 2R.
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In einer alternativen Ausführungsvariante findet das Vorbehandeln durch Kaltwalzen, Wärmebehandeln, Beizen und Kaltnachwalzen statt. Dies entspricht der Oberflächendefinition gemäß oben genannter Norm 2B. Im Rahmen der Erfindung werden somit zunächst die einzelnen Werkstoffe zur Herstellung des Wärmetauschers vorbehandelt, dann zu dem Wärmetauscher komplettiert und anschließend mit dem erfindungsgemäßen Verfahren voroxidiert.
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Im Rahmen der Erfindung ist ein wesentlicher Vorteil darin zu sehen, dass das Verfahren in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Dabei ist es durch den gasförmigen Zustand des Schutzgases möglich, dass dieses sich in allen Hohlräumen des Wärmetauschers ausbreitet und somit sichergestellt wird, dass alle fluidleitenden Oberflächen des Wärmetauschers mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden.
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Insbesondere wird jedoch als Schutzgas ein exothermes Gas oder ein endothermes Gas verwendet. Bei einem exothermen Gas handelt es sich insbesondere um ein kostengünstiges Schutzgas, dass durch die Verbrennung von Erdgas, welches wiederum hauptsächlich aus Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen besteht, unter Sauerstoffmangel hergestellt wird. Der Prozess selber erfolgt dabei unter Energiefreisetzung, mithin exotherm. Hierbei entstehen Kohlendioxid und Wasserstoff sowie abhängig von den Gasmischungsverhältnissen und den Reaktionsbedingungen auch Kohlenmonoxidanteile durch die unvollständige Verbrennung des Methans und Wasser durch teilweise Verbrennung des Wasserstoffs. Der Wassergehalt kann wiederum durch eine Nachbehandlung des exothermen Gases reduziert werden. Geringe Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe können ebenfalls in dem Exogas enthalten sein. Der Wasserstoff in dem Exogas wirkt dabei reduzierend und verhindert somit die Oxidation bzw. Korrosion von Metallen in einem Ofen. Das Kohlendioxid als auch der Wasserdampf wirken auf den Stahl entkohlend.
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Alternativ dazu kann auch endothermes Gas oder aber Endogas genutzt werden. Das Endogas hat dabei eine ungefähre Zusammensetzung von 40 % H2, 20 % CO, 0,3 % CO2, 0,86 % H2O sowie Restanteilen von N2. Abweichungen in den zuvor genannten Mischungsverhältnissen können für das Endogas je nach Art der zu behandelnden Werkstofflegierung gewählt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, eine Schutzgasatmosphäre zu wählen, die hauptsächlich aus den Elementen H2 und N2 besteht. Besonders bevorzugt wird dabei ein Mischungsverhältnis zwischen 70 % und 80 % H2 und zwischen 20 % und 30 % N2 verwendet. Weitere Bestandteile oder aber Verunreinigungen können dabei in dem Schutzgas enthalten sein.
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Die Behandlung selber wird in einem Temperaturbereich zwischen 900° und 1050° C, insbesondere zwischen 950° und 1.000° C als bevorzugte Ausführungsbehandlung durchgeführt. Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere darauf zu achten, dass bei einem gelöteten Kraftfahrzeugwärmetauscher die Temperatur in dem Ofen zwischen 50° und 100° C unterhalb des Schmelzpunkts des verwendeten Lotes eingesetzt wird. Weiterhin ist die Temperatur in Abhängigkeit der gewünschten Schichtdicke zu wählen.
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Als weiterer Parameter für die thermische Behandlung innerhalb des Ofens ist darüber hinaus der Behandlungszeitraum zu sehen. So wird die Behandlung insbesondere in einem Zeitraum zwischen 1 und 7 Minuten, ganz besonders bevorzugt in einem Zeitraum zwischen 2 und 5 Minuten durchgeführt. In Verbindung mit der erfindungsgemäß gewählten Temperatur ergibt sich ein Optimum aus Energieeinsatz zum Aufheizen des Ofens und Verweildauer des Kraftfahrzeugwärmetauschers in dem Ofen selber. Die Schädigung der Oberflächeneigenschaften oder aber der Lotstellen wird erfindungsgemäß vermieden.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn der Taupunkt des Schutzgases bzw. der Schutzgasatmosphäre klar definiert wird. Bevorzugt liegt dieser in einem Bereich zwischen –20° C bis +20° C und insbesondere bei circa +15° C. Hierbei wird eine Oxidschicht hergestellt, insbesondere eine Oxidschicht, die die Legierungsbestandteile Chrom, Sauerstoff, Mangan, Eisen, Titan, Silizium und/oder Nickel besitzt. Insbesondere wird die Fehlstellendichte in der Oxidschicht deutlich verringert, bevorzugt in einem Maße, dass keine Lochkorrosion auftritt. Weiterhin bevorzugt wird eine Oxidschicht mit Chromoxid, Titanoxid und/oder Siliziumoxid, je nach verwendetem Werkstoff, hergestellt. Insbesondere enthält die hergestellte Oxidschicht keine CO2-Anteile, da dies gerade in Verbindung mit dem später über die fluidleitende Oberflächen strömenden Abgases schädlich für die Dauerhaltbarkeit ist. Es ergeben sich dabei charakteristische Oberflächenfarben, die insbesondere im Bereich dunkelblau oder aber dunkelgrün liegen.
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Durch Wahl der zuvor benannten Verfahrensparameter sowie der eingesetzten Werkstoffe ergibt sich insbesondere eine Oxidschicht mit einer Schichtdicke zwischen 35 μm und 90 μm, insbesondere mit einer Schichtdicke von 40 μm bis 85 μm. Gegenüber einem ursprünglich bereitgestellten Werkstoff wird die Schichtdicke somit von circa 0,5 μm bis 1 μm auf die zuvor benannten Bereiche durch Wachstum angehoben.
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Im Ergebnis ist der erfindungsgemäß behandelte Kraftfahrzeugwärmetauscher deutlich unanfälliger gegenüber Korrosion und erfährt dadurch eine Steigerung der Dauerhaltbarkeit. Die zur Durchführung des Verfahrens vorzunehmenden Schritte sind mit minimalem Aufwand betreibbar, so dass die Produktionskosten pro Stück mit Hinblick auf die erreichte Verbesserung der Dauerhaltbarkeit gegenüber der Alternative des Einsatzes teurerer Ausgangswerkstoffe zu vernachlässigen ist.
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Im Rahmen der Erfindung ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante zur Voroxidation dadurch gekennzeichnet, dass ein Exogas bei einer Temperatur zwischen 1.000° und 1.020° C, insbesondere bei im Wesentlichen 1.010° C in einem Ofen verwendet wird und das Exogas einen Taupunkt von circa +15° C besitzt. Die zu behandelnden Wärmetauscher werden mit einer Bandgeschwindigkeit von 500 mm/s durch den Ofen befördert, was zu einem Schichtdickenwachstum der Oxidschicht auf bis zu 45 μm bis 50 μm führt. Ein Förderband durch den Ofen ist bevorzugt zwischen 30 und 40 m lang.