DE102018220516A1 - Verfahren zum Herstellen eines pulvermetallurgischen Erzeugnisses - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Aluminium-Wärmeübertragers (1). Gemäß dem Verfahren wird eine Pulvermischung bereitgestellt, welche 0,02 bis 0,4 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Silizium, 0,02 bis 0,2 Gew.-% Kupfer, 0,02 bis 0,4 Gew.-% Mangan und 0,2 bis 1,0 Gew.-% Eisen umfasst. Außerdem umfasst die Pulvermischung als restlichen Gewichtsanteil vom Gesamtgewicht der Pulvermischung im Wesentlichen Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Der Gesamtlegierungsanteil der Pulvermischung beträgt dabei 0,36 bis 2,5 Gew.-% des Gesamtgewichts. Dann wird die bereitgestellte Pulvermischung zu Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers 3D-gedruckt. Anschließend werden Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers (1), welche die 3D-gedruckten Komponenten umfassen, zu dem Aluminium-Wärmeübertrager (1) hartgelötet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Aluminium-Wärmeübertragers und einen Aluminium-Wärmeübertrager, welcher unter Durchführung dieses Verfahrens hergestellt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit solch einem Aluminium-Wärmeübertrager.
  • Es ist bekannt, Wärmeübertrager aus Aluminium herzustellen, wobei der Wärmeübertrager Komponenten umfasst die bei der Herstellung zu dem Wärmeübertrager hartgelötet werden. Üblicherweise wird hierzu bei Löttemperaturen von 593 °C ein AlSi-Lot verwendet. Dadurch kann es zu Teilaufschmelzungen der Komponenten kommen, falls diese eine Solidustemperatur von unter 593 °C aufweisen.
  • Bei der additiven Fertigung von Metall-Komponenten mit Pulvermischungen, welche dazu beispielsweise mit einem Laser geschmolzen werden, kommt es beim Aushärten häufig zu Heißrissbildungen. Üblicherweise wählt man daher, um Heißrissbildungen zu vermeiden und gleichzeitig eine hohe mechanische Beständigkeit des Wärmeübertragers zu erreichen, den Gesamtlegierungsgehalt einer für eine additive Fertigung verwendeten Pulvermischung derart, dass dieser zwischen 4 bis 10 Gew.-% des Gesamtgewichts beträgt.
  • Solche Komponenten weisen jedoch eine Solidustemperatur von unter 593° C auf, sodass sie nicht hartlötbar sind.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen Aluminium-Wärmeübertrager zu schaffen, welcher besonders gut hartlötbare und gleichzeitig heißrissfreie additiv gefertigte Komponenten umfasst. Insbesondere sollen mittels eines solchen Verfahrens Aluminium-Wärmeübertrager mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt werden, so dass die geschaffenen Aluminium-Wärmeübertrager auch eine erhöhte Lebensdauer aufweisen, wenn sie in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden und unter anderem hohen Drücken ausgesetzt sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen eines Aluminium-Wärmeübertragers. Gemäß dem Verfahren wird eine Pulvermischung bereitgestellt, welche 0,02 bis 0,4 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Silizium, 0,02 bis 0,2 Gew.-% Kupfer, 0,02 bis 0,4 Gew.-% Mangan und 0,2 bis 1,0 Gew.-% Eisen umfasst. Außerdem umfasst die Pulvermischung als restlichen Gewichtsanteil Aluminium. Auch herstellungsbedingte Verunreinigungen können in der Pulvermischung enthalten sein. Der Gesamtlegierungsanteil der Pulvermischung beträgt dabei 0,36 bis 2,5 Gew.-% des Gesamtgewichts. Dann wird die bereitgestellte Pulvermischung zu Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers additiv gefertigt. Anschließend werden Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers, welche die additiv gefertigten Komponenten umfassen, zu dem Aluminium-Wärmeübertrager hartgelötet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weisen die hartgelöteten Komponenten eine Solidustemperatur von größer als 593 °C auf. Auf diese Weise werden Teilaufschmelzungen der Komponenten beim Hartlöten derselben zu dem Wärmeübertrager besonders stark reduziert oder sogar vollständig vermieden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die additiv gefertigten Komponenten bei einer Temperatur von 593 °C zu dem Aluminium-Wärmeübertrager hartgelötet. Dies gewährleistet ein optimales Zusammenfügen der Komponenten zu dem Aluminium-Wärmeübertrager durch ausreichendes Schmelzen eines beim Hartlöten verwendeten Lots bei gleichzeitigem Reduzieren oder sogar Vermeiden von Teilaufschmelzungen der Komponenten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens beträgt der Gesamtlegierungsanteil der bereitgestellten Pulvermischung 0,95 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% des Gesamtgewichts. Diese Ausführungsform erweist sich als besonders geeignet für ein heißrissfreies additives Fertigen mechanisch beständiger Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers bei gleichzeitigem Gewährleisten der Hartlötbarkeit der Komponenten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens enthält die bereitgestellte Pulvermischung 0,02 bis 0,3 Gew.-% Magnesium. Auch diese Ausführungsform erweist sich als besonders geeignet für ein heißrissfreies additives Fertigen mechanisch beständiger Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers bei gleichzeitigem Gewährleisten der Hartlötbarkeit der Komponenten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens enthält die bereitgestellte Pulvermischung 0,1 bis 0,4 Gew.-% Silizium. Auch diese Ausführungsform erweist sich als besonders geeignet für ein heißrissfreies additives Fertigen mechanisch beständiger Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers bei gleichzeitigem Gewährleisten der Hartlötbarkeit der Komponenten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens enthält die bereitgestellte Pulvermischung 0,02 bis 0,1 Gew.-% Kupfer. Auch diese Ausführungsform erweist sich als besonders geeignet für ein heißrissfreies additives Fertigen mechanisch beständiger Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers bei gleichzeitigem Gewährleisten der Hartlötbarkeit der Komponenten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens enthält die bereitgestellte Pulvermischung 0,02 bis 0,3 Gew.-% Mangan enthält. Auch diese Ausführungsform erweist sich als besonders geeignet für ein heißrissfreies additives Fertigen mechanisch beständiger Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers bei gleichzeitigem Gewährleisten der Hartlötbarkeit der Komponenten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens enthält die bereitgestellte Pulvermischung 0,2 bis 0,8 Gew.-% Eisen. Auch diese Ausführungsform erweist sich als besonders geeignet für ein heißrissfreies additives Fertigen mechanisch beständiger Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers bei gleichzeitigem Gewährleisten der Hartlötbarkeit der Komponenten.
  • Besonders vorteilhaft enthält die bereitgestellte Pulvermischung zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil 0,02 bis 0,05 Gew.-% Bor. Alternativ oder zusätzlich, enthält die bereitgestellte Pulvermischung zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil 0,02 bis 0,05 Gew.-% Vanadium. Alternativ oder zusätzlich, enthält die bereitgestellte Pulvermischung zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil 0,02 bis 0,05 Gew.-% Titan. Alternativ oder zusätzlich, enthält die bereitgestellte Pulvermischung zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil 0,02 bis 0,05 Gew.-% Chrom. Es konnte gezeigt werden, dass sich auf diese Weise eine besonders hohe Kornfeinheit der additiv gefertigten Komponenten und dadurch eine besonders verbesserte mechanische Festigkeit eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Wärmeübertragers erzielen lassen.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen Wärmeübertrager, welcher mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Die vorangehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen sich somit auch auf den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, welches einen vorangehend vorgestellten Wärmeübertrager umfasst. Die vorangehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers übertragen sich somit auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige 1 illustriert ein vereinfachtes Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1. Der Aluminium-Wärmeübertrager 1 kann als Ladeluftkühler ausgebildet sein und umfasst eine Mehrzahl von sich entlang einer Längsrichtung L erstreckenden Rohrkörpern 2, die von einem Kühlmittel K durchströmt werden können. Die Rohrkörper 2 sind entlang einer Stapelrichtung S senkrecht zur Längsrichtung L im Abstand zueinander angeordnet. Im Beispiel der 1 sind exemplarisch 16 Rohrkörper 2 gezeigt; selbstverständlich ist in Varianten aber auch eine andere Anzahl an Rohrkörpern 2 möglich.
  • Die Rohrkörper 2 sind fluidisch mit einem Kühlmittelverteiler 4 zum Verteilen des Kühlmittels K auf die Rohrkörper 2 und mit einem Kühlmittelsammler 5 zum Sammeln des Kühlmittels K nach dem Durchströmen der Rohrkörper 2 verbunden. Der Kühlmittelverteiler 4 und der Kühlmittelsammler 5 weisen dazu Schlitze 4a, 5a zum Aufnehmen der Längsenden 2b der Rohrkörper 2 auf. Der Kühlmittelverteiler 4 und der Kühlmittelsammler 5 sind im Bereich einander entlang der Längsrichtung L gegenüberliegenden Längsenden 2b der Rohrkörper 2 angeordnet. In den Rohrkörpern 2 ist eine Rippenstruktur 2a mit Rippen zum Führen des Kühlmittels K vorgesehen, an welcher sich außerdem die Innenflächen der Rohrwände der Rohrkörper 2 abstützen.
  • Durch entlang der Stapelrichtung S zwischen den Rohrkörpern 2 vorgesehene Zwischenräume sind Fluidpfade 3 zum Durchströmen mit einem Gas G, insbesondere Ladeluft, gebildet. In den Fluidpfaden 3 ist eine Rippenstruktur 3a (zur Übersichtlichkeit nicht vollständig gezeigt in 1) mit Rippen zum Führen des Gases G vorgesehen, an welcher sich außerdem die Außenseiten der Rohrwände der in Stapelrichtung S angrenzenden Rohrkörper 2 abstützen.
  • Die Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers 1, im Beispiel der 1 sind das der Rohrkörper 2, die Rippenstrukturen 2a, 3a, der Kühlmittelverteiler 4 und der Kühlmittelsammler 5, sind mittels additivem Fertigen aus einer Pulvermischung einer Aluminium-Legierung hergestellt. Außerdem weisen die Komponenten eine Solidustemperatur von größer als 593 °C auf und sind an ihren Kontaktstellen zueinander mittels hartgelöteten Verbindungen, beispielsweise mit AISi-Lot, verbunden.
  • Der Aluminium-Wärmeübertrager 1 wurde mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Aluminium-Wärmeübertragers 1 wird eine Pulvermischung bereitgestellt. Die Pulvermischung umfasst dabei 0,02 bis 0,4 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Silizium, 0,02 bis 0,2 Gew.-% Kupfer, 0,02 bis 0,4 Gew.-% Mangan und 0,2 bis 1,0 Gew.-% Eisen. Außerdem umfasst die Pulvermischung als restlichen Gewichtsanteil vom Gesamtgewicht der Pulvermischung Aluminium. Auch herstellungsbedingte Verunreinigungen können in der Pulvermischung enthalten sein. Der Gesamtlegierungsanteil der Pulvermischung beträgt dabei 0,36 bis 2,5 Gew.-% des Gesamtgewichts. Im Beispiel der 1 beträgt der Gesamtlegierungsanteil der in Schritt a) bereitgestellten Pulvermischung 0,95 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% des Gesamtgewichts.
  • In diesem Beispiel enthält die bereitgestellte Pulvermischung 0,02 bis 0,3 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Silizium, 0,02 bis 0,1 Gew.-% Kupfer, 0,02 bis 0,3 Gew.-% Mangan und 0,2 bis 0,8 Gew.-% Eisen, was zusammen den Gesamtlegierungsgehalt bestimmt. Darüber hinaus enthält die bereitgestellte Pulvermischung zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil 0,02 bis 0,05 Gew.-% Bor, 0,02 bis 0,05 Gew.-% Vanadium, 0,02 bis 0,05 Gew.-% Titan, 0,02 bis 0,05 Gew.-% Chrom. Dieser Anteil zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil ist so zu verstehen, dass die Pulvermischung entsprechen weniger Aluminium enthält.
  • Dann wird die bereitgestellte Pulvermischung zu 3D-Komponenten additiv gefertigt, wobei die Pulvermischung mittels eines Lasers geschmolzen wird.
  • Anschließend werden die Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers 1, welche die additiv gefertigten Komponenten umfassen, zu dem Aluminium-Wärmeübertrager 1 hartgelötet. Die additiv gefertigten Komponenten werden dabei bei einer Temperatur von 593 °C zu dem Aluminium-Wärmeübertrager 1 hartgelötet.
  • Selbstverständlich kann die Löttemperatur von den hier vorgegebenen 593 °C unter Beachtung der eutektischen Temperatur von 577 °C des AISi-Lots einige Kelvin nach oben oder unten abweichen, ohne dass die Lehre der vorliegenden Druckschrift im Wesen verändert wird.
  • Auf vorangehend dargestellter Weise lassen sich ebenso andere mechanisch beständige Aluminium-Erzeugnisse herstellen, welche hartlötbare, additiv gefertigte Komponenten umfassen.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Aluminium-Wärmeübertragers (1), umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Pulvermischung, umfassend: - 0,02 bis 0,4 Gew.-% Magnesium; - 0,1 bis 0,5 Gew.-% Silizium; - 0,02 bis 0,2 Gew.-% Kupfer; - 0,02 bis 0,4 Gew.-% Mangan; - 0,2 bis 1,0 Gew.-% Eisen; - sowie als restlichen Gewichtsanteil Aluminium; - wobei der Gesamtlegierungsanteil der Pulvermischung 0,36 bis 2,5 Gew.-% des Gesamtgewichts beträgt; b) Additives Fertigen der in Schritt a) bereitgestellten Pulvermischung zu Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers; c) Hartlöten von Komponenten des Aluminium-Wärmeübertragers (1), welche die in Schritt b) additiv gefertigten Komponenten umfassen, zu dem Aluminium-Wärmeübertrager (1).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt c) hartgelöteten Komponenten eine Solidustemperatur von größer als 593 °C aufweisen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die in Schritt b) additiv gefertigten Komponenten bei einer Temperatur von 593 °C zu dem Aluminium-Wärmeübertrager (1) hartgelötet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtlegierungsanteil der in Schritt a) bereitgestellten Pulvermischung 0,95 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% des Gesamtgewichts beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) bereitgestellte Pulvermischung 0,02 bis 0,3 Gew.-% Magnesium enthält.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) bereitgestellte Pulvermischung 0,1 bis 0,4 Gew.-% Silizium enthält.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) bereitgestellte Pulvermischung 0,02 bis 0,1 Gew.-% Kupfer enthält.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) bereitgestellte Pulvermischung 0,02 bis 0,3 Gew.-% Mangan enthält.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) bereitgestellte Pulvermischung 0,2 bis 0,8 Gew.-% Eisen enthält.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die in Schritt a) bereitgestellte Pulvermischung zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil 0,02 bis 0,05 Gew.-% Bor enthält, und/oder - die in Schritt a) bereitgestellte Pulvermischung zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil 0,02 bis 0,05 Gew.-% Vanadium enthält, und/oder - die in Schritt a) bereitgestellte Pulvermischung zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil 0,02 bis 0,05 Gew.-% Titan enthält, und/oder - die in Schritt a) bereitgestellte Pulvermischung zusätzlich zum Gesamtlegierungsanteil 0,02 bis 0,05 Gew.-% Chrom enthält.
  11. Aluminium-Wärmeübertrager (1), hergestellt mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Kraftfahrzeug, - mit einem Aluminium-Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 11.
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US20160138400A1 (en) * 2014-11-17 2016-05-19 Alcoa Inc. Aluminum alloys having iron, silicon, vanadium and copper
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