DE102012200828A1

DE102012200828A1 - Metallische wabenstruktur

Info

Publication number: DE102012200828A1
Application number: DE201210200828
Authority: DE
Inventors: Adrianus Wittebrood
Original assignee: Aleris Aluminum Koblenz GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-08-09
Also published as: CN102628128A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundmetallstruktur umfassend wenigstens zwei Metallelemente, welche in einem Hartlötvorgang über einen gerippten Sandwichkern aus Metall aneinander befestigt werden und wobei die gerippte Sandwichstruktur aus Metall aus einem gerippten lotplattierten Blechmaterial hergestellt ist umfassend eine Aluminiumkernschicht, welche auf beiden Seiten mit einer Aluminiumhartlötplattierungsschicht oder -schichten plattiert ist, welche ein Lotmaterial aus einer Aluminiumlegierung der 4000-Reihe bilden mit Si im Bereich von 6% bis 14% und weiter umfassend ein oder mehrere Benetzungselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (Bi 0,03% bis 0,5%, Pb 0,03% bis 0,5%, Sb 0,03% bis 0,5%, Li 0,03% bis 0,5%, Se 0,03% bis 0,5%, Y 0,03% bis 0,05%, Th 0,03% bis 0,05%), wobei die Summe dieser Elemente 0,5% oder weniger beträgt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Verbundmetallstruktur umfassend wenigstens zwei Metallelemente, welche wenigstens teilweise über einen gerippten Sandwichkern aus Metall in einem Hartlötvorgang aneinander befestigt werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen metallischen Wabenstruktur.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist zu beachten, dass sich nachstehend, sofern nicht anders angegeben, die Aluminiumlegierungsbezeichnungen und Härtegradbezeichnungen auf die Bezeichnungen der Aluminium Association in „Aluminium Standards and Data and the Registration Records”, wie sie von der Aluminium Association im Jahr 2010 veröffentlicht wurden und dem Fachmann gut bekannt sind, beziehen.
Bei der Beschreibung von Legierungszusammensetzungen oder bevorzugten Legierungszusammensetzungen beziehen sich alle Prozentangaben auf Gewichtsprozent, außer es ist anders angegeben.
Sandwich-Bauteile mit einem an sich offenen Kern, wie beispielsweise einem Wabenkern, sind an sich bekannt und werden in verschiedenen Bereichen verwendet. Sie werden zum Beispiel im Fahrzeugbau für die Luft- und Raumfahrt, im Schiffsbau und auch im Kraftfahrzeug- und Eisenbahnbau verwendet. Einer der wichtigsten Vorteile derartiger Bauteile sind die sehr hohe spezifischen Festigkeit und Steifigkeit im Verhältnis zum Gewicht.
Bei der Gruppierung nach Art der von den zwei Metallelementen gebildeten Hautunterstützung kann man zwei Hauptgruppen von Sandwichkern-Werkstoffen unterscheiden, und zwar homogene und strukturierte Kerne Homogene Kernwerkstoffe betreffen geschäumte Werkstoffe. Dagegen bestehen strukturierte Kernwerkstoffe aus einem gerippten Werkstoff, welcher eine Zellstruktur bildet, und sie können in zwei Hauptgruppen unterteilt werden, und zwar gerippte Kerntypen, bei denen die Zellöffnungen im Wesentlichen in der Ebene ausgerichtet sind, und Kerntypen, bei denen die Zellöffnungen im Wesentlichen außerhalb der Ebene ausgerichtet sind und die eine bidirektionale Stütze für die Häute und hohe Kompressionseigenschaften außerhalb der Ebene zur Verfügung stellen.
Die gerippten Kerntypen mit den Zellöffnungen in den Richtungen außerhalb der Ebene werden aufgrund der visuellen Ähnlichkeit mit einer Bienenwabe – einer sechseckigen Blattstruktur – üblicherweise als Wabenstruktur bezeichnet, wenngleich künstlich hergestellte Wabenstrukturen andere Konfigurationen aufweisen können. Im Stand der Technik werden jedoch häufig auch gerippte Kerntypen mit Zellöffnungen, die in der Ebene ausgerichtet sind, als Wabenstruktur bezeichnet.
Gerippte Kerntypen mit Zellöffnungen in den Richtungen außerhalb der Ebene können aus einer Vielfalt von Werkstoffen bestehen, wie beispielsweise Papier oder Thermoplasten, welche aufgrund ihrer geringen Festigkeit und Steifigkeit für Anwendungen mit niedrigen Belastungen verwendet werden, oder aus Aluminium oder faserverstärkten Kunststoffen, welche aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Steifigkeit für Hochleistungsanwendungen verwendet werden.
Ein Beispiel für einen Kern aus einem faserverstärkten Kunststoff ist aus der europäischen Patentveröffentlichung EP 2 266 784 A1 (veröffentlicht am 29. Dezember 2010) bekannt, für die Verwendung in einem Flugzeug oder Hubschrauber, und hierbei wird die Herstellung einer Vorform mit einer dreidimensionalen gekrümmten Form offenbart, wobei eine Vorform imprägniert wird und die Vorform mit dem Wabenkern zusammengebracht wird und die Vorform und der Wabenkern gemeinsam gehärtet werden.
Ein Beispiel für eine Vollmetall-Wabenstruktur unter Verwendung einer Klebeverbindung ist aus der US-Patentveröffentlichung US 4,025,681 (erteilt am 24. Mai 1977) bekannt. Die Verwendung von Klebemitteln bei der Herstellung einer Wabenstruktur bringt mehrere Nachteile mit sich. Sie führt zu mehreren zusätzlichen Verarbeitungsschritten bei der Herstellung der Wabenstruktur, u. a. diverse Schritte einer chemischen Vorbehandlung der Metalloberflächen. Ein gravierender Nachteil ist, dass die Verwendung von Klebemitteln, insbesondere angesichts der verhältnismäßig niedrigen Temperatur der Glassübergangstemperatur, die Obergrenze für die Temperaturen, bei welchen die Wabenstruktur unbedenklich verwendet werden kann, begrenzt. Und eine Arbeitsumgebung mit Feuchtigkeit oder anderer Flüssigkeit/anderen Flüssigkeiten kann zu einer Schwächung oder Aufweichung der aufgebrachten Klebemittel, und somit der Festigkeit der Bindung zwischen den Kern- und Metallelementen führen. Darüber hinaus ist die Dauerhaftigkeit der Klebemittelfestigkeit begrenzt, da die Festigkeit der Klebemittelbindungen im Laufe der Zeit abnimmt.
Ein Beispiel für einen Typ mit geripptem Kern mit den Zellöffnungen in Richtung der Ebene ausgerichtet ist aus der US-Patentveröffentlichung US 2003/0223922 A1 (veröffentlicht am 4. Dezember 2003) bekannt, wobei dieses Dokument eine Struktur und ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Wabenkernkörpers eines Katalysators beschreibt.
Ein anderes Beispiel für eine derartig Anordnung ist aus der US-Patentveröffentlichung US 2004/0217149 A1 (veröffentlicht am 4. November 2004) bekannt. Die bekannte Wabenstruktur wird durch ein Hartlötverfahren an das stützende Hautmaterial gefügt, wobei das Aufbringen eines pulverförmigen Hartlötwerkstoffs, welcher kleiner als 15% der Wellenhöhe des gerippten Films, welcher einen Teil der Wabenstruktur bildet, erforderlich ist.
Waben-Sandwich-Werkstoffe können Gewichts- und Kosteneinsparungen aufgrund ihrer hervorragenden Leistung bezogen auf das Gewicht bieten, jedoch müssen bei diesen Einsparungen die verhältnismäßig hohen Kosten der Wabenkern-Herstellung und die Komplexität der gesamten Herstellung berücksichtigt werden. Es besteht Bedarf an kostengünstigen, vereinfachten Herstellungsverfahren und hohen Produktionskapazitäten, ohne die Integrität der Verbundmetallstruktur zu gefährden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Ausführungsform einer vollständigen Verbundstruktur umfassend zwei Metallelemente, welche durch einen Hartlötvorgang über einen gerippten Sandwichkern aus Metall, welcher aus lotplattiertem Blech hergestellt ist, aneinander befestigt werden; der Einfachheit halber sind in 1 die Plattierschichten auf dem lotplattierten Blech nicht im Detail dargestellt.
2 zeigt den gerippten Kern des lotplattierten Blechs vor der Befestigung an den zwei Metallelementen; dargestellt ist das gerippte lotplattierte Blech aus Metall umfassend eine Aluminiumkernschicht, welche beidseitig mit einer Aluminiumlotplattierschicht plattiert ist.
3 zeigt eine andere Ausführungsform einer vollständigen Verbundstruktur umfassend Plattierschichten, welche sich an der Innenseite der zwei Metallelemente, welche mittels eines Kerns aus geripptem Blech aneinander befestigt sind, befinden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbundmetallstruktur mit einem gerippten Sandwichkern aus Metall zur Verfügung zu stellen, wobei die Verbundmetallstruktur einfacher herzustellen ist.
Diese und andere Aufgaben und weitere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt und übertroffen, wobei die Erfindung eine Verbundmetallstruktur zur Verfügung stellt umfassend wenigstens zwei Metallelemente, welche wenigstens teilweise durch einen Hartlötvorgang über einen gerippten Sandwichkern aus Metall aneinander befestigt werden und wobei die gerippte Sandwichstruktur aus Metall aus einem gerippten lotplattierten Blechmaterial hergestellt ist, welches eine Aluminiumkernschicht umfasst, welche auf beiden Seiten plattiert ist mit einer Aluminiumhartlötplattierschicht oder -schichten, welche ein Lotmaterial bilden aus einer Aluminiumlegierung der 4000-Reihe mit Si im Bereich von 6% bis 14% und weiter umfassend ein oder mehrere Benetzungselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: (Bi 0,03% bis 0,5%, Pb 0,03% bis 0,5%, Sb 0,03% bis 0,5%, Li 0,03% bis 0,5%, Se 0,03% bis 0,5%, Y 0,03% bis 0,05%, Th 0,03% bis 0,05%), wobei die Summe dieser Elemente 0,5% oder weniger beträgt.
Man hat herausgefunden, dass erfindungsgemäß die Verbundstoffmetallstruktur als eine Vollmetallstruktur hergestellt werden kann, wodurch alle Nachteile, welche zwangläufig mit der Verwendung von Klebemitteln verbunden sind, vermieden werden. Die Verbundstoffmetallstruktur weist ein sehr hohes Verhältnis von Festigkeit und Steifigkeit zu Gewicht auf. Ein sehr wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass sie mittels Hartlöten hergestellt werden kann, und in einer bevorzugten Ausführungsform in einem Hartlötvorgang ohne Flussmittel und unter kontrollierter Atmosphäre. Folglich besteht nicht länger Bedarf für die Anwendung, Handhabung und Verwendung eines Flussmaterials, und somit wird das Herstellungsverfahren erheblich vereinfacht. Dies führt zu Kostenvorteilen bei der Herstellung einer derartigen Wabenstruktur, aber auch zu einer größeren Prozesssicherheit im Rahmen der Herstellung und Lebensdauer derartiger Wabenstrukturen.
Bei dem lotplattierten Blechmaterial, welches für die Herstellung der gerippten Sandwichstruktur verwendet wird, ist die Kernlegierung des lotplattierten Blechmaterials auf beiden Seiten mit einem Lotmaterial einer Aluminiumlegierung der 4000-Reihe plattiert, welche bevorzugt etwa 6% bis 14% Si, und bevorzugter etwa 9% bis 12% Si, sowie wenigstens ein Benetzungselement ausgewählt aus der Gruppe Bi, Pb, Li, Sb, Se, Y und Th aufweist, und wobei die Gesamtmenge dieser Elemente zur Vereinfachung des flussmittellosen CAB-Verfahrens 0,5% oder weniger beträgt. Der Begriff „Lotmaterial” bedeutet eine Aluminiumlegierung, welche in einem Hartlötvorgang zum Hartlöten der Kernlegierung an die anderen Metallelemente verwendet wird. Und wie im Stand der Technik bekannt ist, kann die Fülllegierung aus einer einzelnen Plattierschicht bestehen oder aus zwei getrennten Plattierschichten, von denen jede aus einer Legierung der 4000-Reihe besteht, welche aneinander anhaften und während des Hartlötvorgangs schmelzen und im schmelzflüssigen Zustand beider Schichten die chemische Zusammensetzung der Fülllegierung, wie sie hier definiert wird, bilden. in einer bevorzugten Ausführungsform wird ein einziges Plattiermaterial aufgebracht.
Für die Zwecke und im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Hartlöten unter kontrollierter Atmosphäre” oder „CAB” auf ein Hartlötverfahren, welches eine Schutzgasatmosphäre, zum Beispiel Stickstoff, Argon oder Helium, beim Hartlöten von Artikeln aus Aluminiumlegierung verwendet und sich vom Vakuumhartlöten insbesondere dadurch unterscheidet, dass bei CAB die Hartlötatmosphäre im Ofen während des Hartlötvorgangs bei etwa normalem Atmosphärendruck erfolgt, wobei jedoch auch ein leichter Unterdruck (zum Beispiel Arbeiten bei einem Druck von 0,1 Bar oder mehr) oder ein leichter Überdruck verwendet werden kann, um die Steuerung der Schutzgasatmosphäre zu erleichtern und ein Einfließen von Sauerstoff-enthaltendem Gas in den Hartlötofen zu vermeiden. „Kern” bezeichnet eine Aluminiumlegierung, welche die strukturelle Stütze für die als Lotmaterial verwendete Aluminiumlegierung bildet. „Plattierung” wird verwendet für die Beschreibung der Verwendung des Lotmaterials, wenn es auf beiden Seiten des Kerns überlagert wird, optional mit Aufbringen einer Zwischenschicht zwischen dem Kern und der Plattierung, welche als Diffusionsbarriere dient oder zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Produkts im Zustand nach dem Hartlöten beiträgt. Danach wird der plattierte Kern als ein lotplattiertes Blech bezeichnet. „Kehlnaht” bedeutet eine konkave Kontaktstelle zwischen zwei Oberflächen.
Bevorzugt wird zusätzlich zu dem Benetzungselement auch Mg zugegeben und im Bereich von etwa 0,03% bis 0,9% gesteuert, und bevorzugter beträgt die Obergrenze etwa 0,5%, und bevorzugter etwa 0,3%. Eine bevorzugtere Untergrenze für den Mg-Gehalt ist 0,06%.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Element Bi aus der Gruppe der Benetzungselemente ausgewählt und liegt im Bereich von etwa 0,03% bis 0,5%, und bevorzugt im Bereich von etwa 0,05% bis 0,35%, und bevorzugter etwa 0,12% bis 0,35%, als effizientestes Benetzungselement für diesen Zweck in diesem Legierungssystem während eines flussmittellosen CAB-Vorgangs. Durch sorgfältiges Steuern der Menge an Mg und Bi in der Fülllegierung werden beide Elemente zielgerichtet der Fülllegierung zugegeben und man erzielt eine gute Kehlnahtbildung bei dem flussmittellosen CAB-Verfahren. Als Alternative für die Zugabe von Bi zu der Fülllegierung kann das Bi teilweise oder ganz durch Blei oder Antimon oder irgendein anderes der Benetzungselemente, allein oder in Kombination, ersetzt werden. Diese Benetzungselemente werden jedoch weniger bevorzugt verwendet. Idealerweise wird nur Bi der Fülllegierung zugegeben.
In der Ausführungsform, bei welcher Bi der Hartlötmaterialschicht zugegeben wird, wird weiter bevorzugt, dass jeglicher überschüssige Mg-Gehalt hinsichtlich der stöchiometrischen Zusammensetzung von Bi₂Mg₃ 0,07% oder weniger beträgt. Es hat sich gezeigt, dass Bi eine niedrige Löslichkeit in Aluminium aufweist und dazu neigt, sich an den Korngrenzen abzusondern, selbst wenn es in geringen Niveaus von zum Beispiel etwa 0,15% zugegeben wird. Zur Lösung dieses Problems bildet eine geringe Menge an Mg Bi₂Mg₃, was die Absonderung an den Kerngrenzen aufhält. Diese Bi₂Mg₃-Phase löst sich jedoch beim Schmelzen des Lotmaterials in dem Hartlötplattierschichtmaterial auf, wodurch Bi freigesetzt und die Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Lotmaterials gesenkt wird.
Die Menge an in der Fülllegierung vorhandenem Fe hängt hauptsächlich von der Herkunft des Legierungsmaterials ab und kann bis zu etwa 0,8% betragen und beträgt bevorzugt nicht mehr als etwa 0,6%. Als Kornfeinungselement kann Ti in dem Hartlötmaterial im Bereich von bis zu etwa 0,2%, bevorzugt bis zu etwa 0,15%, vorhanden sein. Im Bereich von bis zu etwa 0,3% ist Cu als Verunreinigungselement tolerierbar.
Mn kann in der Fülllegierung im Bereich von 0 bis etwa 1,5% vorhanden sein. Wenn es als Verunreinigungselement vorhanden ist, kann es bis zu etwa 0,3% toleriert werden. Es kann jedoch auch zielgerichtet in einem Bereich von etwa 0,3% bis 1,5% zugegeben werden. Eine bevorzugtere Obergrenze für die Mn-Zugabe ist etwa 1,0%.
Der Rest besteht aus unvermeidbaren oder zufälligen Verunreinigungen, üblicherweise jeweils maximal 0,05%, und gesamt maximal 0,15%, und Aluminium.
Die Lotlegierung ist bevorzugt frei von den Elementen Na, K und Ca, um eine Wechselwirkung mit dem Benetzungselement, z. B. Bi und Mg, während des Hartlötvorgangs zu vermeiden. „Frei” bedeutet, dass keine zielgerichtete Zugabe von Na, K und Ca zu der chemischen Zusammensetzung erfolgte, dass jedoch aufgrund von Verunreinigungen und/oder Lecken durch Kontakt mit Produktionsanlagen Spurenmengen von Na, K und Ca dennoch ihren Weg in das Fülllegierungsprodukt finden können.
In einer Ausführungsform enthält die Fülllegierung weiter eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus etwa 0,4% bis 6% Zn, etwa 0,01% bis 1% In, etwa 0,01% bis 1% Sn und etwa 0,01% bis 1% Ge. Diese Legierungselemente verbessern die Korrosionsbeständigkeit des Kernmaterials, indem sie das Lotmaterial in Bezug auf das Kernmaterial anodischer machen. Liegt die Menge unter der Untergrenze, reicht der Opferanodeneffekt nicht aus, um den Opferanodeneffekt zu produzieren, und wenn mehr als die Obergrenze vorhanden ist, ergibt sich keine weitere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, während die Legierung schwieriger herzustellen ist. Wird Zn nicht zielgerichtet zugegeben, kann es als Verunreinigungselement bis zu etwa 0,4% toleriert werden.

In einer bestimmten Ausführungsform des lotplattierten Blechmaterials umfasst das Lotmaterial, in Gew.-%:

Si	6 bis 14, bevorzugt etwa 9 bis 12, and bevorzugter etwa 10%,
Mg	0,02 bis 0,5, bevorzugt etwa 0,06 bis 0,3,
Bi	0,05 bis 0,5, bevorzugt etwa 0,12 bis 0,35,
Fe	0 bis etwa 0,8, bevorzugt 0 bis etwa 0,6,
Zn	0 bis etwa 0,4,
Mn	0 bis etwa 0,3, bevorzugt 0 bis etwa 0,1,
Cu	0 bis etwa 0,3, bevorzugt 0 bis etwa 0,05,
Ti	0 bis etwa 0,2, bevorzugt 0 bis etwa 0,15,

unvermeidbare Verunreinigungen und Rest Aluminium.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist, dass das lotplattierte Blechprodukt, welches für die Herstellung des gerippten Sandwichkerns verwendet wird, keinerlei weitere metallische Schicht, welche auf die äußere Oberfläche der Fülllegierung aufgebracht wird, aufweist, wobei weitere metallische Schichten in einigen Dokumenten des Stands der Technik zur Vereinfachung des Hartlötvorgangs unter kontrollierter Atmosphäre hinzugefügt werden. Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass eine sehr gute Kehlnahtbildung erzielt wird in einem Hartlötverfahren unter kontrollierter Atmosphäre ohne Verwendung eines Hartlötflussmittels und ohne Verwendung einer Ni- oder Ni-Legierungs-Schicht, welche im Stand der Technik zur Vereinfachung des flussmittellosen CAB-Vorgangs verwendet wird, wie es beispielsweise in der internationalen Anmeldung WO 01/068312 offenbart ist, welche auch die Verwendung einer Bindungsschicht zwischen der AlSi-Plattierschicht und der Ni-Schicht offenbart. Es gilt als im Stand der Technik bekannt, dass anstelle einer Ni-Schicht auch eine Fe-Schicht oder eine Co-Schicht, oder Legierungen davon, zur Vereinfachung eines flussmittellosen Hartlötvorgangs verwendet werden können, obwohl Fe- und Co-Schichten weniger bevorzugt als Ni-Schichten verwendet werden. Andere im Stand der Technik zur Vereinfachung von flussmittellosem oder flussmittelfreiem Hartlöten in einer CAB-Umgebung beschriebene Metallschichten sind zum Beispiel in der europäischen Patentveröffentlichung EP 1 306 207 B1 offenbart, wo eine obere Schicht auf eine Aluminiumlegierung der AA1xxx-Reihe mit einem Schmelzpunkt über dem der Al-Si-Fülllegierung aufgebracht wird. Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass derartige Metallschichten nicht länger erforderlich sind, wenn die Fülllegierung in dem Hartlötvorgang unter kontrollierter Atmosphäre verwendet wird. Dies führt zu erheblichen Kasteneinsparungen bei der Herstellung des gerippten Sandwichkerns. Und darüber hinaus führt zumindest die Verwendung der Ni-Schicht zu einer geringeren Korrosionsbeständigkeit der Verbundmetallstruktur im Zustand nach dem Hartlöten, wobei dieser Nachteil in der vorliegenden Erfindung nicht auftritt.
Beim erfindungsgemäß verwendeten lotplattierten Blechmaterial besteht die Kernlegierungsschicht aus einer Aluminiumlegierung. Die Aluminiumkernlegierungen sind bevorzugt Aluminiumlegierungen der Reihen 1000, 2000, 3000, 5000, 6000, 7000 oder 8000, beispielsweise eine Aluminiumlegierung vom Typ AA1230, AA3003, AA3103, AA3004, AA3005, AA5052, AA6060, AA6063, AA8006 oder AA8011.
Das erfindungsgemäß verwendete lotplattierte Blechmaterial weist üblicherweise eine endgültige Stärke im Bereich von etwa 0,02 mm bis 4 mm auf. Das lotplattierte Blechmaterial weist bevorzugt eine endgültige Stärke von bis zu etwa 350 μm, und bevorzugter im Bereich von etwa 70 μm bis 260 μm, z. B. 240 μm, auf.
Die Hartlötplattiermaterialschicht weist vorzugsweise eine Dicke auf, welche etwa 2% bis 15% der Gesamtdicke des lotplattierten Blechmaterials aus einer Aluminiumlegierung ausmacht, z. B. 6% oder 8%.
Das für die erfindungsgemäße Verbundmetallstruktur verwendete lotplattierte Blechmaterial kann durch verschiedene Techniken hergestellt werden. Zum Beispiels mittels Walzplattieren, was im Stand der Technik gut bekannt ist und bevorzugt wird. Alternativ kann die Al-Si-Hartlötlegierungsschicht auf die Kernlegierungsschicht mittels thermischer Spritztechniken aufgebracht werden. Oder alternativ kann die Kernlegierungsschicht und das hartlotplattierte Material aus Al-Si-Legierung mittels Gießtechniken hergestellt werden, wie sie zum Beispiel in den internationalen Patentveröffentlichungen WO 2004/112992 , WO 2010/000553 und WO 2010/114740 offenbart sind.
Das lotplattierte Blechmaterial kann gewalzt, gestanzt, gepresst oder durch andere im Stand der Technik bekannte Techniken zu einer gerippten Form mit einer Vielzahl von Zellen umgeformt werden. Für die Ausführungsform, bei welcher die gerippte Form eine Zellstruktur mit Zellöffnungen in Richtung der Ebene aufweist, kann die Form abwechselnd vordere und rückwärtige Vorsprünge aufweisen, welche sich vor und hinter einer Mittelebene nach außen erstrecken, wobei jeder Vorsprung eine Bindungsoberfläche oder Anschlussfläche aufweist, welche ausgebildet ist, an eine entsprechende Oberfläche eines anderen Metalls hartgelötet zu werden.
Bei der erfindungsgemäßen Verbundmetallstruktur sind die wenigstens zwei aneinander über den gerippten Sandwichkern aus Metall befestigten Metallelemente entweder eines oder beide aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe Aluminium, Aluminiumlegierung, Edelstahl und Titan hergestellt. Somit können beide Metallelemente aus Aluminiumlegierungen hergestellt sein, was bevorzugt wird. Alternativ können beide Metallelemente aus Edelstahl oder Titan hergestellt sein, da sich gezeigt hat, dass zum Beispiel Edelstahl an den Aluminiumsandwichkern in einem flussmittellosen Hartlötvorgang unter kontrollierter Atmosphäre gefügt werden kann, da sich eine sehr gleichmäßige und feste Kehlnaht zwischen dem Edelstahl und dem gerippten Sandwichkern bildet. Oder ein Metallelement kann aus einer Aluminiumlegierung und das andere Element aus Edelstahl oder Titan sein. Es kann auch ein Metallelement, z. B. ein Blech aus kohlenstoffarmen Stahl, welches mit einer Schicht aus Edelstahl oder Titan beschichtet oder plattiert ist, verwendet werden. Es kann eine große Vielfalt von Edelstahlklassen für die erfindungsgemäße Verbundmetallstruktur verwendet werden. Besonders geeignete Edelstahlklassen sind diejenigen mit 0101% bis 0,35% Kohlenstoff und 11% bis 27% Cr, wie es durch die internationalen Werkstoffnummern, wie die Einteilung aufgrund des Ferritgehalts, zum Beispiel ASTM 409, 410S, 430, des Martensitgehalts, zum Beispiel ASTM 420, des Gehalts von zwei Elementen, zum Beispiel ASTM 329, S31803, des Austenitgehalt, zum Beispiel ASTM 301, 304L, 321, 316, und die Einteilung aufgrund der Wärme- und Kriechfestigkeit, zum Beispiel ASTM 309S, 304H, definiert ist.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundmetallstruktur weist der gerippte Sandwichkern aus Metall eine Zellstruktur mit Zellöffnungen in einer Richtung außerhalb der Ebene auf. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können verschiedene Zellformen mit Zellöffnungen in der Richtung außerhalb der Ebene und Geometrien, wie beispielsweise hexagonal, viereckig, achteckig oder andere Formen, in dem lotplattierten Blech gebildet werden sowie verschiedene Zellgrößen entsprechend den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Umformbarkeit, Steifigkeit und Stauchung. Es kann zum Beispiel wünschenswert sein, dass einige Zonen der metallischen Wabenstruktur leichter gestaucht werden können (z. B. um „Stauchungszonen” in einer Automobilkarosserie zu bieten) oder starrer oder flexibler sind. Wenn zum Beispiel Stauchungszonen gewünscht werden, kann die Wabenstruktur (oder wenigstens bestimmte Bereiche der Wabenstruktur) so gestaltet werden, dass sie leichter gestaucht werden kann, was dazu beitragen kann, Verletzungen bei Automobilzusammenstößen zu vermeiden, während andere Bereiche der Automobilkarosserie (z. B. Dächer) steifer sind, was mehr Schutz bietet.
Die Erfindung ermöglicht somit die Herstellung von Wabenstrukturen für die Anwendungen im Automobilbereich, insbesondere Crashbox, Aussteifungselemente, Bodenblech, Bodenplatten, Innenseite eines Motorhauben- oder Kofferraumdeckels, zur Erhöhung der Sicherheit der Fußgänger.
In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundmetallstruktur weist der gerippte Sandwichkern aus Metall eine Zellstruktur mit Zellöffnungen in Richtung der Ebene auf.
Dies ermöglicht die Herstellung von starren Verbundmetallstrukturen. Im Fall, dass die Zellstruktur wenigstens teilweise offen gehalten wird, ermöglicht sie den Durchfluss von Fluiden (z. B. flüssigen und/oder gasförmigen Substanzen) durch die offenen Zellen und kann auch als Durchflusssystem ausgebildet sein.
Die Rippenformen des Sandwichkerns können vielfach variiert werden, sie können zum Beispiel sinusförmig, viereckig und/oder dreieckeckige Rippen oder Wellen aufweisen. Es können auch zwei oder mehr Schichten gerippter Formen aufeinander gelegt und in dem Hartlötvorgang aneinander gefügt werden.
Diese Rippen- oder Wellenformen erlauben vorteilhafterweise die Bildung von metallischen Schichten, aus welchen eine große Zahl unterschiedlicher Wabenkörper mit unterschiedlichen Zellformen und/oder Dichtewerten gebaut werden kann.
Die Erfindung ermöglicht somit die Herstellung eines Wabenkörpers oder eines Katalysators oder einer Trägermatrix für eine katalytisch aktive Beschichtung, welche für die chemische Umwandlung schädlicher Substanzen in den Abgasen beispielsweise eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs geeignet ist.
Darüber hinaus können Wabenstrukturen dieses Typs auch zum Beispiel für die Lagerung von Kohlenwasserstoffen oder im Abgassystem des Abgases verwendet werden und sie später wieder freisetzen. So sind zum Beispiel Absorber dieses Typs für die vorübergehende Lagerung von Stickoxiden (NO_x) bekannt.
Darüber hinaus können Wabenstrukturen dieses Typs in Sonnenkollektoren verwendet werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundmetallstruktur weist der gerippte Sandwichkern aus Metall eine offenzellige tetraedische Gitterbalkenzellstruktur auf. Ein Beispiel einer tetraedischen Gitterbalkenzellstruktur und ihr Herstellungsverfahren sind bekannt aus der Veröffentlichung "Inertial stabilization of buckling at high rates of loading and low test temperature: Implications for dynamic crush resistance of aluminium-alloy-based sandwich plates with lattice core", Xin Tang u. a., veröffentlicht in Acta Materialia, 55 (2007), S. 2829–2840, insbesondere aus jeder der 1 bis 5 und der dazugehörigen Beschreibung, und dieses Dokument wird hier als Ganzes durch Bezugnahme aufgenommen.
In jeder Ausführungsform der Zellstruktur (in Richtung einer angenommenen Bezugsebene oder außerhalb der Richtung einer angenommenen Bezugsebene der Zellstruktur) kann die Wabenstruktur für Wärmeschutzpaneele in Autos oder Lastwägen oder in der Nähe anderer motorisierter Strukturen verwendet werden.
In einer alternativen Form der Erfindung weisen die wenigstens zwei Metallelemente, welche dem gerippten Sandwichkern aus Metall zugewandt sind, das hier beschriebene Lotmaterial auf, um Hartlöten in einem flussmittellosen CAB-Vorgang zum Fügen an den gerippten Sandwichkern aus Metall zu ermöglichen.
Derartige Metallelemente mit einer Schicht Lotmaterial können ähnlich hergestellt werden wie das oben beschriebene lotplattierte Blechmaterial, z. B. durch Walzplattieren, thermisches Sprühen oder durch bestimmte Gießtechniken.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Metallelemente mit dem AlSi-Legierung-Lotmaterial unter Verwendung eines oder mehrerer der definierten Benetzungselemente sind beide Metallelemente aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Es kann, wie oben beschrieben, eine große Vielfalt an Aluminiumlegierungen verwendet werden.
Die Metallelemente sind wenigstens auf der dem gerippten Sandwichkern zugewandten Seite mit einer das Lotmaterial bildenden Schicht versehen. Die Metallelemente können auf der anderen Seite mit einem ähnlichen Lotmaterial oder alternativ mit einer Beschichtung oder Schicht aus einem anderen Metall beschichtet sein. Alternativ kann die andere Seite der Metallelemente bloß bleiben.
Der gerippte Sandwichkern aus Metall weist eine der hier beschriebenen Zellstrukturen auf, und der Kern kann aus einem Metallblech hergestellt sein, welches unter Verwendung des beschriebenen Lotmaterials gefügt werden kann. Geeignete Metalle beinhalten Aluminiumlegierungen, Edelstahl und Titan oder Metallblech mit einer Beschichtung oder Plattierung aus einer Aluminiumlegierung, Edelstahl oder Titan. Die Verwendung einer Aluminiumlegierung für den gerippten Sandwichkern wird bevorzugt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt für die Herstellung einer Verbundmetallstruktur umfassend wenigstens zwei Metallelemente, welche wenigstens teilweise in einem Hartlötvorgang über einen gerippten Sandwichkern aus Metall aneinander befestigt werden, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Bereitstellen von wenigstens zwei Metallelementen und auch Bereitstellen von einem lotplattierten Blechmaterial, wie es hier definiert wird, und Rippen des lotplattierten Blechmaterials zur Bildung des gerippten Sandwichkerns aus Metall; oder alternativ Bereitstellen eines gerippten Sandwichkernmaterials aus Metall und wenigstens zwei Metallelementen, welche wenigstens auf der dem gerippten Sandwichkern aus Metall zugewandten Seite mit einem Lotmaterial, wie es hier definiert wird, versehen sind;
(b) wenigstens Schichten und/oder Wickeln des gerippten Sandwichkernblechs zwischen zwei Metallelemente zur Bildung einer Baugruppe;
(c) Hartlöten der Baugruppe ohne Aufbringen eines Hartlötflussmaterials auf die oder in die Baugruppe und Hartlöten der Baugruppe in einer Edelgasatmosphäre bei einer Hartlöttemperatur, üblicherweise bei einer Temperatur im Bereich von etwa 540°C bis 615°C, z. B. bei etwa 590°C oder bei etwa 600°C, während eines Zeitraum, welcher ausreichend lang ist, dass das Material der Aluminiumhartlötplattierschicht schmilzt und sich ausbreitet, um die Metallelemente wenigstens teilweise über das lotplattierte Blechmaterial aneinander zu fügen; z. B. unter Verwendung einer Verweildauer von etwa 2 bis 5 Minuten, üblicherweise etwa 2 bis 3 Minuten; und üblicherweise sollte der Sauerstoffgehalt in der Hartlötatmosphäre möglichst gering sein, und bevorzugt unter etwa 500 ppm, und bevorzugter unter etwa 100 ppm, sein;
(d) Abkühlen der hartgelöteten Baugruppe, welche die Verbundmetallstruktur bildet, auf unter etwa 100°C, z. B. auf Umgebungstemperatur.

Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von Vollmetall-Verbundmetallstrukturen mit einem sehr hohen Verhältnis von Festigkeit und Steifigkeit zu Gewicht und vermeidet alle Nachteile, welche zwangsläufig bei der Verwendung von Klebemitteln auftreten. Ein sehr wichtiges Merkmal ist, dass sie durch einen flussmittellosen Hartlötvorgang unter kontrollierter Atmosphäre hergestellt werden können. Folglich ist es nicht länger erforderlich, ein Flussmittel aufzubringen, handzuhaben und zu verwenden, wodurch das Herstellungsverfahren erheblich vereinfacht wird. Dies führt zu Kostenvorteilen bei der Herstellung einer derartigen Wabenstruktur, aber auch zu höherer Prozesssicherheit im Rahmen der Herstellung und Standzeit derartiger Wabenstrukturen.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform beinhaltend eine vollständige Verbundstruktur 2, welche zwei Metallelemente 4, 8 umfasst, welche aneinander in einem Hartlötvorgang über einen gerippten Sandwichkern aus Metall, welcher aus einem lotplattierten Blech 6 hergestellt ist, befestigt sind. Insbesondere umfasst das gerippte lotplattierte Blechmaterial 6 eine Aluminiumkernschicht, welche auf beiden Seiten mit einer Aluminiumhartlötplattierschicht oder -schichten plattiert ist, welche ein Lotmaterial aus einer Aluminiumlegierung der 4000-Reihe bilden mit Si im Bereich von 6% bis 14% und weiter umfassend eines oder mehrere Benetzungselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: (Bi 0,03% bis 0,5%, Pb 0,03% bis 0,5%, Sb 0,03% bis 0,5%, Li 0,03% bis 0,5%, Se 0,03% bis 0,5%, Y 0,03% bis 0,05%, Th 0,03% bis 0,05%), und wobei die Summe dieser Elemente 0,5% oder weniger beträgt. Der Einfachheit halber zeigt 1 nicht die plattierten Schichten auf dem lotplattierten Blech.
2 zeigt schematisch den gerippten Kern aus Metall aus lotplattiertem Blech 6 vor Befestigung an den zwei Metallelementen; gezeigt ist das gerippte lotplattierte Blech aus Metall umfassend eine Aluminiumkernschicht 10, welche auf beiden Seiten mit einer Aluminiumhartlötplattierschicht 12 plattiert ist.
3 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer vollständigen Verbundstruktur 20, bei welcher sich Plattierschichten 22 an der Innenseite der zwei Metallelemente 24 befinden, wobei die zwei Metallelemente über einen Metallkern aus geripptem Blech 26 aneinander befestigt werden sollen. Insbesondere umfasst bei dieser Struktur die Verbundmetallstruktur 20 wenigstens zwei Metallelemente 24, welche in einem Hartlötvorgang über den gerippten Sandwichkern aus Metall 26 aneinander befestigt werden. Jedes der zwei Metallelemente 24 ist auf der der gerippten Sandwichstruktur aus Metall zugewandten Seite versehen mit einem AluminiumLotmaterial aus einer Aluminiumlegierung der 4000-Reihe mit Si im Bereich von 6% bis 14% und weiter umfassend eines oder mehrere Benetzungselemente, welche ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: (Bi 0,03% bis 0,5%, Pb 0,03% bis 0,5%, Sb 0,03% bis 0,5%, Li 0,03% bis 0,5%, Se 0,03% bis 0,5%, Y 0,03% bis 0,05%, Th 0,03% bis 0,05%), und wobei die Summe dieser Elemente 0,5% oder weniger beträgt.
Es wurden hier zwar verschiedene Ausführungsformen der hier beschriebenen Technologie detailliert beschrieben, dennoch sind für den Fachmann Abwandlungen und Anpassungen dieser Ausführungsformen offensichtlich. Es bleibt jedoch ausdrücklich festzuhalten, dass derartige Abwandlungen und Anpassungen im Geist und Schutzumfang der vorliegend offenbarten Technologie umfasst sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2266784 A1 [0008]
US 4025681 [0009]
US 2003/0223922 A1 [0010]
US 2004/0217149 A1 [0011]
WO 01/068312 [0030]
EP 1306207 B1 [0030]
WO 2004/112992 [0034]
WO 2010/000553 [0034]
WO 2010/114740 [0034]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM 409 [0036]
410S [0036]
430 [0036]
ASTM 420 [0036]
ASTM 329 [0036]
S31803 [0036]
ASTM 301 [0036]
304L [0036]
321 [0036]
316 [0036]
ASTM 309S [0036]
304H [0036]
”Inertial stabilization of buckling at high rates of loading and low test temperature: Implications for dynamic crush resistance of aluminium-alloy-based sandwich plates with lattice core”, Xin Tang u. a., veröffentlicht in Acta Materialia, 55 (2007), S. 2829–2840 [0046]

Claims

Verbundmetallstruktur umfassend wenigstens zwei Metallelemente, welche durch einen Hartlötvorgang über einen gerippten Sandwichkern aus Metall aneinander befestigt werden und wobei die gerippte Sandwichstruktur aus Metall hergestellt ist aus einem gerippten lotplattierten Blechmaterial umfassend eine Aluminiumkernschicht, welche auf beiden Seiten mit einer Aluminiumhartlötplattierungschicht oder -schichten plattiert ist, welche ein Lotmaterial bilden aus einer Aluminiumlegierung der 4000-Reihe mit Si im Bereich von 6% bis 14% und weiter umfassend ein oder mehrere Benetzungselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: (Bi 0,03% bis 0,5%, Pb 0,03% bis 0,5%, Sb 0,03% bis 0,5%, Li 0,03% bis 0,5%, Se 0,03% bis 0,5%, Y 0,03% bis 0,05%, Th 0,03% bis 0,05%), wobei die Summe dieser Elemente 0,5% oder weniger beträgt.
Verbundmetallstruktur umfassend wenigstens zwei Metallelemente, welche aneinander in einem Hartlötvorgang über einen gerippten Sandwichkern aus Metall befestigt werden und wobei jedes der Metallelemente auf seiner der gerippten Sandwichstruktur aus Metall zugewandten Seite mit einem AluminiumLotmaterial aus einer Aluminiumlegierung der 4000-Reihe versehen ist mit Si im Bereich von 6% bis 14% und weiter umfassend ein oder mehrere Benetzungselemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (Bi 0,03% bis 0,5%, Pb 0,03% bis 0,5%, Sb 0,03% bis 0,5%, Li 0,03% bis 0,5%, Se 0,03% bis 0,5%, Y 0,03% bis 0,05%, Th 0,03% bis 0,05%), wobei die Summe dieser Elemente 0,5% oder weniger beträgt.
Verbundstoffmetallstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens zwei Metallelemente über die Wabenstruktur aus Metall mittels eines flußmittellosen Hartlötvorgangs unter kontrollierter Atmosphäre aneinander befestigt werden.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der gerippte Sandwichkern aus Metall eine Zellstruktur mit Zellöffnungen aufweist, die außerhalb der Ebene ausgerichtet sind.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der gerippte Sandwichkern aus Metall eine Zellstruktur mit Zellöffnungen aufweist, die in der Ebene ausgerichtet sind.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der gerippte Sandwichkern aus Metall eine tetraedische Gitterbalkenzellstruktur aufweist.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Lotmaterial wenigstens ferner Mg im Bereich von 0,03% bis 0,9% umfasst.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Lotmaterial, in Gew.-%, umfasst: Si 6 bis 14, bevorzugt 9 bis 12, Mg 0,02 bis 0,5 Bi 0,05 bis 0,5 Fe 0 bis 0,8 Zn 0 bis 0,4 Mn 0 bis 0,3 Cu 0 bis 0,3 Ti 0 bis 0,2,

unvermeidbare Verunreinigungen und Rest Aluminium.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei von den wenigstens zwei aneinander über den gerippten Sandwichkern aus Metall befestigen Metallelementen eines oder beide aus einer Aluminiumlegierung, Titan oder Edelstahl hergestellt sind.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die wenigstens zwei aneinander über den gerippten Sandwichkern aus Metall befestigen Metallelemente beide aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sind.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Verbundstoffmetallstruktur Teil einer Automobilstruktur ist, und bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Crashbox, Aussteifungselement, Bodenblech, Innenseite einer Motorhaube oder eines Kofferraumdeckels.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Verbundstoffmetallstruktur Teil einer Flugzeugstruktur ist.
Verbundstoffmetallstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Verbundstoffmetallstruktur ein Kernkörper eines Katalysators ist.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundstoffmetallstruktur umfassend wenigstens zwei Metallelemente, welche wenigstens teilweise in einem Hartlötvorgang über einen gerippten Sandwichkern aus Metall aneinander befestigt werden, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Bereitstellen von wenigstens zwei Metallelementen und einem lotplattierten Blechmaterial nach einem der Ansprüche 1, 2, 7 oder 8 und Rippen des lotplattierten Blechmaterials zur Bildung des gerippten Sandwichkerns aus Metall; (b) wenigstens Schichten und/oder Wickeln des gerippten lotplattierten Blechs zwischen zwei Metallelemente zur Bildung einer Baugruppe; (c) Hartlöten der Baugruppe ohne Aufbringen eines Hartlötflussmaterials auf die oder in die Baugruppe und Hartlöten der Baugruppe in einer Edelgasatmosphäre bei einer Hartlöttemperatur, um die Metallelemente wenigstens teilweise über den gerippten Sandwichkern aus Metall aneinander zu fügen; (d) Abkühlen der hartgelöteten Baugruppe, welche die Verbundmetallstruktur bildet.