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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Hartlötblechs
mit einer Schicht aus Kupfer-Phosphor-Hartlötmaterial. Die vorliegende
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Durchströmungsanordnung
für Wärmetauscher,
worin die Elemente, die den Strömungsverlauf
bilden, mit einem solchen Hartlötblech
aus dieser Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
hartverlötet
sind.
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Elemente,
welche die Durchströmungswege
in Wärmeaustauschern
bilden, werden aus Cu (Kupfer) oder einer Cu-Legierung, die Cu als
Hauptkomponente enthält,
gebildet. Herkömmlicherweise
werden solche Elemente mit Hilfe eines Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterials hartverlötet. Gemäß JIS (Japanese
Industry Standards) Z 3264 enthält
ein solches Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial 4,8 bis 7,5 Massen-%
P und gegebenenfalls Ag, wobei der Rest aus Cu besteht. Da Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterialien
im Allgemeinen eine sehr schlechte Verarbeitbarkeit aufweisen, werden
sie normalerweise in Form von Drähten,
Stäben
oder Pulver geliefert. In Hartlötelementen
von Wärmeaustauschern
werden im Allgemeinen Ag-freie Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterialien
verwendet, da Ag teuer ist und in menschlichen Körpern eine Metallallergie auslösen kann.
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Beim
Hartverlöten
unter Verwendung eines Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterials ist es schwierig,
das Hartlötmaterial
in Form eines Stabes oder Pulvers zu verwenden, und das Hartlötmaterial
wird daher vorzugsweise in Form eines dünnen Blechs verwendet. Aus
diesem Grunde hat die
Japanische
Patent-Offenlegungsschrift Nr. 58-128292 beispielsweise
ein Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
vorgeschlagen, das eine hohe Kaltverarbeitbarkeit aufweist und durch
ein Verfahren hergestellt wird, welches umfasst: Herstellung eines
kristallinen, dünnen
Streifens direkt aus einer geschmolzenen Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung,
die P in einer Menge von 4 bis 10 Gew.-% enthält, durch rasches Abkühlen und
Verfestigen der geschmolzenen Legierung; und anschließende Wärmebehandlung
des Streifens.
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Die
Herstellung eines solchen Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterials erfordert jedoch
direkte und rasche Abkühlung
und Verfestigung der geschmolzenen Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung, was eine spezielle
Großproduktionsausrüstung erforderlich
macht. Darüber
hinaus ist eine spezielle Wärmebehandlung
erforderlich, um die Dehnbarkeit und Biegsamkeit des kristallinen,
dünnen
Streifens zu verbessern. Demzufolge sind Herstellungskosten und
Rentabilität
nicht unbedingt zufriedenstellend.
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Aus
der
US 1,954,168 ist
ein Kupfer-Phosphor-Hartlötmaterial
mit einer Hartlotlegierung, die Kupfer als Hauptkomponente und Phosphor
mit 2,5 bis 5 Masse-% umfasst, bekannt. Dieses Dokument beschreibt auch
ein Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Phosphor-Hartlötmaterials,
bei dem ein Gussstück
aus Kupfer-Phosphor-Hartlotlegierung zu einem dünnen Blech kaltgewalzt wird.
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Des
weiteren werden in der
US 2,290,684 ,
der
JP 55011164 A ,
sowie der
US 2,445,858 ebenfalls
Kupfer-Phosphor-Hartlötmaterialien
mit Kupfer als Hauptkomponente und mindestens 2 bis 10 Gew.-% Phosphor beschrieben.
Die
US 2,445,858 beschreibt
darüber
hinaus auch ein Hartlötblech
mit einem Metallblech und eine Metallötmaterialschicht, die auf mindestens
einer Seite des Metallblechs eine enge Verbindung mit dem Metallblech
eingeht, wobei das Hartlötmaterial
aus einer Kuper-Phosphor-Legierung mit der oben genannten Zusammensetzung
besteht.
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Die
JP 58163569 offenbart ein
Verfahren zum Herstellen eines Hartlötblechs, indem ein blechartiges Hartlötmaterial
aus Kupfer und Phosphor mit mindestens einer Seite eines Metallsubstrats übereinander
gelegt wird, und u. a. ein Kalt-Druckschweissen des Hartlötmaterials
auf das Metallsubstrat erfolgt, um ein Einzelblech zu bilden, indem
das Hartlötmaterial
eine enge Verbindung mit dem Metallsubstrat eingeht. Als aufzuwalzendes
Hartlotmaterial werden zwar Kupfer-Phosphor-Lote erwähnt, aber
es ist nicht angeführt,
wie hoch deren Phosphor-Gehalt ist.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Hartlötmaterialien
haben jedoch den Nachteil, dass sie schlecht kaltverarbeitet werden
können
und keine zufriedenstellende Hartlötbarkeit aufweisen. Es ist
außerdem
schwierig, sie zu einem Dünnblech-Hartlötmaterial
zu verarbeiten.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines Hartllötblechs
bereitzustellen, mit dem ein Einzelblech erhalten wird, das eine
hohe Kaltverarbeitbarkeit und eine ausgezeichnete Hartlötbarkeit
sowie eine hohe Benutzerfreundlichkeit aufweist und bei dem die
Herstellungskosten gegenüber
bekannten Verfahren deutlich gesenkt werden können. Außerdem soll ein Verfahren zur
Herstellung einer Durchströmungsanordnung
für Wärmetauscher
vorgeschlagen werden, bei dem der Einsatz des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Hartlötblechs
den Hartlötvorgang
erleichtert.
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Diese
Aufgabe wird durch die Maßnahmen
nach den Ansprüchen
1 und 3 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Das
wesentliche der Erfindung liegt, darin, dass bei dem Verfahren zur
Herstellung eines Hartlötblechs die
folgenden Schritte durchgeführt
werden: Auflegen eines Hartlötmaterialblechs
bestehend aus einer Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung auf mindestens eine
Seite des Metallsubstrats, wobei die Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
aus nicht weniger als 2,2 Masse-% und nicht mehr als 2,9 Massen-% Phosphor und dem
Rest Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht; und Durchschieben
durch ein Walzenpaar, um das Blech und das Metallsubstrat unter
Kalt-Druckschweißen
zu einem Einzelblech zu verbinden.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben detaillierte Untersuchungen
zur Verarbeitbarkeit und zu den Hartlöteigenschaften von Phosphor-Kupfer-Hartlötlegie rungen
mit unterschiedlichen P(Phosphor)-Gehalten gemacht, und im Ergebnis
haben sie festgestellt, dass eine deutlich verbesserte Verarbeitbarkeit
erzielt werden kann, ohne dass die Hartlötbarkeit hierdurch beeinträchtigt wird,
wenn der Phosphorgehalt in einem spezifischen Bereich von 2,0 bis
3,2 Massen-% liegt.
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Durch
bloßes
Einstellen des P-Gehalts einer Phosphor-Kupfer-Legierung in einem
Bereich aus nicht weniger als 2,0 Massen-% und nicht mehr als 2,9
Massen-% wird der Legierung eine sehr hohe Kaltverarbeitbarkeit
verliehen, ohne dass sich die Hartlötbarkeit verschlechtert.
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Wenn
das Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
zu einem dünnen
Blech mit einer Dicke von 0,01 bis einschließlich 0,15 mm geformt wird,
wird das Hartlötmaterial
ausgezeichnet hinsichtlich seiner Hartlot-Benutzerfreundlichkeit
und seiner Kosteneffizienz. Da die Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung,
die das Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
bildet, ausgezeichnet kaltverarbeitbar ist, kann das dünne Blech
aus Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
einfach und leicht durch bloßes
Kaltwalzen eines heißgewalzten
Blechs aus der Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung zu einem dünnen Blech
verarbeitet werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Verfahren zur Herstellung
eines Hartlötblechs zur
Verfügung
gestellt, welches die Schritte nach Anspruch 1 umfasst.
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Im
Hartlötblech
ist die Hartlötmaterialschicht,
die eine enge Verbindung mit dem Metallblech eingeht, aus der Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
mit sehr hoher Kaltverarbeitbarkeit gebildet. Beim Hartlöten des
Metallblechs an ein anderes Metallelement erfordert das Hartlötblech somit
keine lästigen
Verfahrensschritte wie das separate Bereitstellen eines Hartlötmaterials
und das Positionieren des Hartlötmaterials
zwischen dem Metallblech und dem Metallelement. Aus diesem Grunde
weist das Hartlötblech
der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Benutzerfreundlichkeit
beim Hartlöten
auf.
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Wenn
das Metallblech des Hartlötblechs
aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist, die Kupfer als
Hauptkomponente umfasst, werden Verbesserungen bei der Druckschweißbarkeit
zwischen dem Metallblech und der Hartlötmaterialschicht, sowie bei
der Rentabilität
des Hartlötblechs
erzielt. Darüber
hinaus wird eine Verbesserung bei den Schmelzbindungseigenschaften
bzw. Benetzbarkeit zwischen den beiden beim Hartlöten erzielt,
und somit zeigt ein solches Hartlötblech eine überragende
Hartlötbarkeit.
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Da
die Hartlötmaterialschicht
des Hartlötblechs
aus der Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
mit überragender
Kaltverarbeitbarkeit gebildet ist, kann das Hartlötblech einfach
und leicht nach einem Verfahren hergestellt werden, dessen Schritte
im Anspruch 1 angegeben sind.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Herstellung einer Durchströmungsanordnung
für Wärmeaustauscher
zur Verfügung
gestellt, umfassend
- – gegenüberliegendes Anordnen eines
Paares erster und zweiter Blechelemente, wobei die Blechelemente aus
einem Hartlötblech
umfassend ein Metallblech und eine Hartlötmaterialschicht, die mit dem
Metallblech verbunden ist, bestehen, wobei die Hartlötmaterialschicht
eine Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
bestehend aus nicht weniger als 2,2 Masse-% und nicht mehr als 2,9
Masse-% Phosphor und dem Rest Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen
ist; und das Hartlötblech
nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt ist;
Einpassen
eines wellenförmig
gebogenen Trennelements, zur Bildung eines Strömungskanals zwischen dem ersten
und zweiten Blechelement, wobei das Trennelement an den gegenüberliegenden
Flächen
der Hartlötmaterialschichten
der ersten und zweiten Blechelemente angeordnet ist, und
- – Verlöten des
Trennelements mit den Blechelemente.
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Da
die Hartlötmaterialschicht
eine Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung,
bestehend aus nicht weniger als 2,0 Massen-% und nicht mehr als
2,9 Massen-%, und dem Rest Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen ist,
und somit eine hohe Kaltverarbeitbarkeit hat, lässt sich in vorteilhafter Weise
eine Durchströmungsanordnung
nach Anspruch 3 herstellen.
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Wenn
bei dieser Durchströmungsanordnung
die ersten und zweiten Wandelemente und das Trennelement aus Kupfer
oder einer Kupferlegierung, die Kupfer als Hauptkomponente enthält, gebildet
sind, können diese
Elemente einfach und leicht mittels der oben erwähnten Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
hartverlötet und
zu einer besseren Verbindung hartverlötet werden. Da weiterhin Kupfer,
das als Hauptkomponente der Elemente verwendet wird, die die Durchströmungsanordnung
bilden, relativ kostengünstig
ist, ist die Durchströmungsanordnung
für die
Strömungswege
im Wärmeaustauscher
wirtschaftlich günstig
herzustellen.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der folgenden näheren
Beschreibung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die
beigefügte
Zeichnung. Darin gilt:
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1 ein
Diagramm, das das Verhältnis
zwischen dem P-Gehalt und der Verarbeitbarkeit (Gesamtreduzierung
auf eine beabsichtigte Blechdicke oder bis zum Auftreten eines Risses)
zeigt;
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2 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis
zwischen dem P-Gehalt und der Hartlötfestigkeit zeigt;
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3 ist
ein partielles Phasendiagramm einer Phosphor-Kupfer-Legierung;
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4 ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer Ausführungsform
eines Hartlötblechs,
das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt ist,
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5 ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform
eines Hartlötblechs,
das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt ist; und
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6 ist
eine perspektivische Teilansicht einer bevorzugten Ausführungsform
einer Durchströmungsanordnung,
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt ist.
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Beim
Hartverlöten
von Teilen oder Elementen, die jeweils aus Cu oder einer Cu-Legierung, die Cu
als Hauptkomponente umfasst, gebildet sind, mit einem Hartlötmaterial
aus Cu-Legierung bei der Herstellung von Wärmeaustauschern oder ähnlichem,
ist es bevorzugt: dass der hartgelötete Teil eine Verbindungsstärke hat, die
im Wesentlichen gleich der Zugfestigkeit von Cu ist; dass das Hartlöten sogar
dann leicht erreicht werden kann, wenn die Elemente, die miteinander
hartverlötet
werden sollen, eine komplizierte Form aufweisen; und dass das Hartlötmaterial
gegenüber
menschlichen Körpern
unschädlich
ist. P(Phosphor) ist als ein Element vorteilhaft, das zu einer Cu-Legierung
mit solchen Eigenschaften zugegeben werden soll, da die P-Cu-Legierung
in ihrer Hartlötbarkeit
im Hinblick auf Elemente mit komplizierter Form ausgezeichnet ist,
da Cu3P eine reduzierende Wirkung auf ein
Kupferoxid hat und somit selbstfließend ist, und da P gegenüber menschlichen Körpern unschädlich ist.
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Es
wurde bisher davon ausgegangen, dass der P-Gehalt (Massen-%) einer
solchen Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
mindestens etwa 4% betragen sollte, um eine Verbindungsstärke, die
praktisch gleich der Zugfestigkeit von Cu ist, zu verwirklichen.
Aus diesem Grund ist ein Problem der Verarbeitbarkeit bei solchen konventionellen
Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierungen
unvermeidlich. Ein bestimmter niedriger P-Konzentrationsbereich einer Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung,
der niedriger ist als der herkömmlicherweise
verwendete P-Konzentrationsbereich verleiht, der Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
eine deutlich verbesserte Verarbeitbarkeit, ohne Verschlechterung
der Hartlötbarkeit
(Verbindungsstärke)
der Legierung. Es wird nun eine genaue Beschreibung des Verhältnisses
zwischen dem P-Gehalt einer Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
und der Hartlötbarkeit
und Verarbeitbarkeit der Phosphor-Kupfer-Legierung gegeben.
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P-Cu-Legierungen
mit unterschiedlichen P-Gehalten, die unten in Tabelle 1 gezeigt
werden, wurden durch Vakuuminduktionsschmelzen geschmolzen, und
Formstücke
der jeweiligen P-Cu-Legierung wurden bei einer Temperatur von 500
bis 600°C
heißgewalzt.
Die erhaltenen heißgewalzten
Platten (Dicke = 8 mm, Breite = 80 mm) wurden dann kaltgewalzt.
Das Kaltwalzen wurde mit dem Ziel durchgeführt, eine beabsichtigte Blechdicke
von 0,4 mm (Gesamtwalzreduzierung = 95%) zu erreichen. Bei den Proben,
bei denen das Auftreten von Kantenrissen oder Blechrissen möglich war,
bevor die beabsichtigte Blechdicke erreicht worden war, wurde die
Gesamtwalzreduzierung bis zum Auftreten eines solchen Reißens bestimmt.
Die Proben, bei denen das Auftreten von Kantenrissen bei einer Walzreduzierung
von 65% oder mehr möglich
war, wurden etwa eine Stunde lang bei etwa 500°C getempert und bis zur beabsichtigten
Blechdicke kaltgewalzt. Der Begriff ”Kantenriß”, wie hier verwendet, bedeutet
das Auftreten von zackenartigen Rissen von etwa 1 bis 2 mm an der
Seitenkante eines gewalzten Materials, während der Begriff ”Blechriß”, wie hier
verwendet, das vollständige
Reißen in
der Breite eines gewalzten Blechs bedeutet. Das Auftreten von Blechrissen
macht nachfolgendes Walzen unmöglich.
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Die
Proben, die bis zur beabsichtigten Blechdicke kaltgewalzt worden
waren, wurden bei etwa 500°C etwa
eine Stunde lang getempert und dann weiter auf eine Dicke von 0,1
mm kaltgewalzt, um Dünnblech-Hartlötmaterialien
zu erhalten. Andererseits wurden Legierungsproben, bei denen während des
Kaltwalzens Blechrisse auftraten, und die Legierungsproben, bei
denen Kantenrisse bei einer Walzreduzierung von 10% oder weniger
auftraten, durch Bearbeiten von warmgewalzten Platten zu jeweiligen
Dünnblech-Hartlötmaterialien
geformt, die jeweils eine Dicke von 0,1 mm hatten (äquivalent
zu der Dicke, die durch Walzen bis zu einer Gesamtwalzreduzierung
von 97% erreicht wird). Diese Hartlötmaterialien wurde auf ihre
Hartlötbarkeit
geprüft.
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Vierkantstäbe aus reinem
Cu, wobei jeder einen Querschnitt von 10 mm × 3 mm hatte, wurden zur Verfügung gestellt,
und ein Stab und ein anderer Stab wurden in einem aneinanderstoßendem Verhältnis durch ein
Hartlötmaterialstück (10 mm × 3 mm)
angeordnet und anschließend
10 Minuten lang in einer Wasserstoffgasatmosphäre bei 820°C gehalten, um hartlöten zu erzielen.
Der so erhaltene verbundene Stab wurde in Längsrichtung gezogen, bis er
brach, um die Zugfestigkeit an der Bruchstelle (Bindungsstärke) der
Verbindung zu messen. Die Hartlötbarkeit
eines jeden Hartlötmaterials
wurde bewertet durch die Zugfestigkeit beim Bruch der Verbindung,
die durch das Hartlötmaterial
erzeugt wurde.
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Tabelle
1 zeigt die Bewertungen der Verarbeitbarkeit der P-Cu-Legierungen
zusammen mit den gemessenen Verbindungsstärken der gelöteten Stangen. ”Gesamtwalzreduzierung” in Tabelle
1 bedeutet die gesamte Walzreduzierung, die durch geführt wurde,
bis die gewünschte
Dicke erreicht war (95%) oder bis ein Kantenriß oder Blechriß auftrat.
Die Beziehung zwischen dem P-Gehalt und der Bewertung der Verarbeitbarkeit
(Gesamtwalzreduzierung) ist in
1 gezeigt,
während
die Beziehung zwischen dem P-Gehalt und der Verbindungsstärke in
2 gezeigt
ist. Tabelle 1
Beispiel
Nr. | P-Gehalt
Massen-% | Bewertung
der Verarbeitbarkeit | Gesamtwalzreduzierung
% | Verbindungsstärke kgf/mm2/N/mm2 |
1 | 0,81 | Kein
Riß | 95 | (0)
0 |
2 | 1,28 | Kein
Riß | 95 | (4,10)
41,06 |
3 | 1,63 | Kein
Riß | 95 | (7,87)
77,13 |
4 | 1,76 | Kein
Riß | 95 | (8,51)
83,40 |
5 | 2,01 | Kein
Riß | 95 | (17,5)
173,50 |
6 | 2,22 | Kein
Riß | 95 | (18,56)
181,89 |
7 | 2,35 | Kein
Riß | 95 | (17,31)
169,54 |
8 | 2,47 | Kein
Riß | 95 | (19,16)
187,77 |
9 | 2,6 | Kein
Riß | 95 | (20,68)
198,11 |
10 | 2,74 | Kein
Riß | 95 | (19,54)
191,49 |
11 | 2,86 | Kein
Riß | 95 | (20,01)
196,10 |
12 | 2,97 | Kantenriß trat auf | 78 | (18,14)
177,77 |
13 | 3,06 | Kantenriß trat auf | 65 | (17,6)
172,48 |
14 | 3,52 | Kantenriß trat auf | 10 | (18,2)
178,36 |
15 | 3,89 | Blechriß trat auf | 2 | (19,1)
187,18 |
16 | 4,9 | Blechriß trat auf | 0 | (18,8)
184,24 |
17 | 7,02 | Blechriß trat auf | 0 | (18,59)
182,18 |
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Wie
aus Tabelle 1 und 1 ersichtlich ist, war die Kaltverarbeitbarkeit
günstig,
wenn der P-Gehalt nicht mehr als 3,2% betrug; insbesondere, wenn
der P-Gehalt nicht mehr als 2,90% betrug, was als kritischer Punkt
angesehen werden muss, wurde die Kaltverarbeitbarkeit sprunghaft
verbessert, während
gleichzeitig keinerlei Blechrisse oder Kantenrisse auftraten.
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Auch
wurde eine Untersuchung zur Verarbeitbarkeit der Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierungen
im Hinblick auf die Textur durchgeführt. Wie im partiellen Phasendiagramm
des binären
P-Cu-Systems in 3 gezeigt ist, umfasst die erhaltene
Textur eine feste Lösung
von P-Cu (Cu-reicher Anteil) in einem primären Kristallisationsstatus,
entstanden in der Textur, sowie eine eutektische Struktur, in der
Cu3P und Cu übereinander gelagert sind (P-reicher
Anteil), wenn der P-Gehalt im Bereich von 1,75% < P < 13,98%
(eutektische Zusammensetzung) liegt. Das heißt, der Cu-reiche Anteil und der P-reiche Anteil
koexistieren in dieser Textur. Bei Betrachtung der Texturen von
tatsächlich
heißgewalzten
Hartlötmaterialblechen
unter einem Mikroskop, lagen die meisten P-reichen Anteile isoliert
voneinander innerhalb eines Cu-reichen Anteils vor, wenn der P-Gehalt nicht
mehr als 3,2% betrug, während,
wenn der P-Gehalt mehr als 3,2% betrug, die P-reichen Anteile innerhalb des
Cu-reichen Anteils
kontinuierlich wurden, und diese Tendenz wurde mit zunehmendem P-Gehalt
noch auffälliger.
Bei der Betrachtung der Texturen von kaltgewalzten Blechen, bei
denen ein Blechriß aufgetreten
war, wurde beobachtet, dass Bleche, die mehr als 3,2% P enthielten,
aufgrund des Walzens eine Vielzahl von Rissen aufwiesen, die sich
entlang eines P-reichen Anteils erstreckten. Durch diese Beobachtungen
wurde festgestellt, dass P = 3,2% ein P-Grenzgehalt ist, der es
P-reichen Anteilen, welche spröde
sind und leicht reißen, ermöglicht,
praktisch isoliert voneinander innerhalb des Cu-reichen Anteils
vorzuliegen.
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Wie
aus Tabelle 1 und 2 auch ersichtlich ist, hatten
alle Legierungen, die nicht weniger als 2,0% P enthielten, eine
Zugfestigkeit von etwa 176,40 N, was praktisch gleich der von reinem
Cu ist; insbesondere, wenn der P-Gehalt nicht kleiner als 2,2% war,
wurde eine überragende
Verbindungsstärke
erzielt. Selbst wenn der P-Gehalt weniger als 2,0% betrug und nicht
weniger als etwa 1,2%, wurde bis zu einem gewissen Grade eine Verbindungsstärke erzielt.
Wie aus dem Phasendiagramm in 3 ersichtlich
ist, sollte theoretisch eine Legierung, die nicht mehr als 1,75%
P enthält,
nicht als Hartlötmaterial
verwendet werden, weil nur eine feste P-Cu-Lösung erhalten wird, und somit
eine eutektische Struktur nicht zu einer Legierung führt. Tatsächlich führt jedoch
die Entmischung von P zu einem partiellen Bereich von P > 1,75%, von dem anzunehmen
ist, dass er zur Eignung als Hartlötmaterial beiträgt. Es sei
angemerkt, dass alle Bereiche, bei denen im Zugversuch ein Bruch
auftrat, hartgelötete
Bereiche waren.
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Nach
den obigen Erkenntnissen sollte der P-Gehalt einer Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung,
die das Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
der vorliegenden Erfindung bildet, im Bereich von nicht weniger
als 2,0 Massen-% bis nicht mehr als 3,2 Massen-% liegen, was sowohl
eine Verbindungsstärke
im herkömmlichen
Bereich gewährleistet,
als auch eine so gute Verarbeitbarkeit, dass man bis zu einer Walzreduzierung
von 95% oder mehr kaltwalzen kann. Der P-Gehalt liegt vorzugsweise
im Bereich von nicht weniger als 2,2 Massen-% bis nicht mehr als
2,9 Massen-%. Der Rest besteht im wesentlichen aus Cu. Der Ausdruck ”der Rest
besteht im wesentlichen aus Cu”,
wie hier verwendet, ist so zu verstehen, dass er den Fall einschließt, wo der
Rest aus Cu und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, und dass
er nicht die Zugabe irgendeines anderen Elements ausschließt, das
mit der Cu-P-Legierung legiert werden kann, solange es nicht die
Funktion und Wirkung des in der Legierung enthaltenen P beeinträchtigt.
Obgleich eine Temperatur, die höher
ist, als die eutektische Temperatur von P-Cu (714°C), als Hartlöt-Temperatur
für das
Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
ausreicht, liegt die Hartlöt-Temperatur üblicherweise
im Bereich von etwa 780°C
bis etwa 850°C.
Vorzugsweise wird das Hartlöten
mit dem Hartlötmaterial(-legierung)
der vorliegenden Erfindung im Vakuum oder in einer reduzierenden
Gasatmosphäre,
wie beispielsweise Wasserstoffgas, durchgeführt.
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Die
oben erwähnte
P-Cu-Hartlötlegierung,
die eine hervorragende Kaltverarbeitbarkeit aufweist, kann leicht
zu unterschiedlichen Formen verarbeitet werden und kann somit Hartlötmaterialien
mit geeigneten Formen bilden, wie beispielsweise ein dünnes Blech
und einen Draht. In dem Fall, wo die Legierung zu einem Blech kaltgewalzt
wird, wird die Dicke des Blechs vorzugsweise so eingestellt, dass
sie im Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 0,15 mm liegt, um sowohl
eine zufriedenstellende Hartlöt-Benutzerfreundlichkeit
und die erforderliche Verbindungsstärke sicherzustellen, als auch
um die Menge an Hartlötmaterial
zu reduzieren, das verloren geht, ohne zum Hartlöten beizutragen.
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Obgleich
das Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
auch allein verwendet werden kann, kann es unter Ausnutzung seiner
guten Kaltverarbeitbarkeit erfindungsgemäßes an ein geeignetes Metallblech
druckverschweißt
werden, um ein Hartlötblech 1, 1A zu
bilden, bei dem eine Hartlötmaterialschicht 3 aus
der Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Metallblechs 3 eine
enge Verbindung mit dem Metallblech 3 eingeht, wie in 4 oder 5 gezeigt.
Auch in diesem Fall wird die Dicke der Hartlötmaterialschicht 3 vorzugsweise
so eingestellt, daß sie
im Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 0,15 mm liegt. Mit Hilfe eines
solchen Hartlötblechs 1, 1A kann
dessen Metallblech 2 leicht in einem einfachen Arbeitsvorgang mit
einem Metallelement hartverlötet
werden, indem man das Metallelement vor dem Erhitzen so hält, dass
es an die Hartlötschicht 3 des
Hartlötblechs 1, 1A anstößt. Somit
weist das Hartlötblech
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt eine hervorragende Benutzerfreundlichkeit beim Hartlöten auf.
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Ein
solches Metallblech 2 besteht vorzugsweise aus reinem Cu
oder einer Cu-Legierung,
die Cu als Hauptkomponente umfasst (beide werden nachstehend generell
als ”Cu-basiertes
Metall” bezeichnet).
Die Verwendung eines Metallblechs 2 aus einem solchen Cu-basierten
Metall ergibt Verbesserungen bei der Druck-Schweißbarkeit zwischen dem Metallblech 2 und
der Hartlötmaterialschicht 3 und
bei der Rentabilität des
erhaltenen Hartlötblechs.
Weil darüber
hinaus die Schmelzbindungseigenschaften oder Benetzbarkeit zwischen
beiden beim Hartverlöten
verbessert werden, weist das Hartlötblech eine ausgezeichnete
Hartverlötbarkeit
auf.
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Eine
Legierung, deren Bestandteile vollständig im Zustand einer festen
Lösung
vorliegen, wie beispielsweise Cu-Ni-Legierung oder Cu-Mn-Ni-Legierung,
wird vorzugsweise als Cu-basiertes Metall verwendet. Beim Cu-basierten
Metall ist es ausreichend, dass es einen Cu-Gehalt von etwa 85%
oder mehr besitzt. Dem Cu-basierten Metall kann eine winzige Menge
eines anderen Elements zugegeben werden, sofern das Element in der
Lage ist, eine feste Lösung
mit Cu zu bilden, und die Verarbeitbarkeit des Hartlötmaterials
oder die Eigenschaften eines Stücks
Hartlötmaterial
in einer durch Hartlöten
gebildeten Verbindung nicht beeinträchtigt.
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Das
Hartlötblech 1, 1A kann
einfach und leicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden,
welches umfasst: Übereinanderlegen
eines Hartlötmaterialblechs
aus der Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
auf eine oder beide Seiten eines Metallsubstrats; Durchschieben
durch ein Walzenpaar, um das Blech und das Metallsubstrat unter
Kalt-Druckschweißen
zu verbinden. Das Kalt-Druckschweißen liefert
ein Laminat, das die Hartlötmaterialschicht 3,
abstammend vom Hartlötmaterialblech,
und das Metallblech 2, abstammend vom Metallsubstrat, umfaßt, wobei
die Hartlötmaterialschicht 3 eine
enge Verbindung mit dem Metallblech 2 auf einer oder auf
beiden Seiten des Metallblechs 2 eingeht.
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Die
Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
kann als Hartlötmaterial
für unterschiedliche
Anwendungen, wie beispielsweise das Verbinden von herkömmlichen
Verbindungselementen, das Verbinden von Rohrleitungen und das Hartlöten eines
elektrischen Kontakts verwendet werden. Wie bereits beschrieben,
kann die Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
dank ihrer hervorragenden Kaltverarbeitbarkeit zu verschiedenen
Formen verarbeitet werden. Die Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
kann daher vorteilhafterweise besonders bei einer Anwendung eingesetzt
werden, wo das Hartlötmaterial
zu einer gewünschten
Form verarbeitet wird und dann an dem Ort positioniert wird, wo
Teile oder Elemente durch Hartlöten
verbunden werden sollen. Wenn beispielsweise ein Rohrelement mit
kleinem Durchmesser mit einem Rohrelement mit großem Durchmesser
hartverlötet
werden soll, indem ein Endstück
des Rohrelements mit kleinem Durchmesser in ein Endstück des Rohrelements
mit großem
Durchmesser eingeführt
wird, kann die Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung zu einem ringförmigen Hartlötmaterial
verarbeitet werden, welches dann zwischen den Endstücken dieser
Rohrelemente angeordnet wird, um die Rohrelemente miteinander zu
verlöten.
In einer anderen Anwendung, bei der ein erstes Kolbenelement mit
einem hohlen, zylindrischen Endstück, dessen innere Wandung aus
einer Vielzahl von Rillen gebildet wird, die parallel zur Kolbenachse
verlaufen, mit einem zweiten Kolbenelement verlötet wird, das ein Endstück hat,
dessen äußere Wandung
aus einer Vielzahl von Stegen gebildet wird, die in die Rillen einrasten
sollen, und wobei die beiden Kolbenelemente so angeordnet werden,
daß die
Stege auf der äußeren Wandung
des Endstücks
des zweiten Kolbenelements in die Rillen in der inneren Wandung
des hohlen, zylindrischen Endstücks
des ersten Kolbenelements einrasten, kann die Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
zu einem ringförmigen
Hartlötmaterial
verarbeitet werden, das einen solchen Umfang und unregelmäßige Form
hat, dass es genau in den Zwischenraum zwischen den Rillen des ersten
Kolbenelements und den Stegen des zweiten Kolbenelements passt,
um so das erste Kolbenelement mit dem zweiten zu verlöten.
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Wie
vorher beschrieben, ist die Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung
dank ihrer ausgezeichneten Kaltverarbeitbarkeit und Kalt-Druckschweißbarkeit
für die
Hartlötmaterialschicht 3 des
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Hartlötblechs 1, 1A geeignet.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Cu-P-Hartlötblech macht
es möglich,
den Hartlötvorgang
zu vereinfachen. Darüber
hinaus kann das Hartlötblech
leicht zu Verbindungselementen mit verschiedenen Formen und den
jeweiligen Hartlötmaterialschichten
geformt werden, da die Hartlötmaterialschicht 3,
die eine enge Verbindung mit dem Metallblech 2 eingeht,
leicht zu verschiedenen Formen verarbeitet werden kann.
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Nachstehend
wird eine Ausführungsform
einer hartgelöteten
Anordnung beschrieben, die das Hartlötblech gemäß der voranstehenden Ausführungsform
als Ausgangsmaterial verwendet.
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6 ist
eine perspektivische Teilschnittansicht einer erfindungsgemäß hergestellten
Durchströmungsanordnung
für Wärmeaustauscher
gemäß dieser
Ausführungsform.
Wie gezeigt, umfasst die Durchströmungsanordnung ein Paar gegenüberliegender
Blechelemente 11, 11 mit einem vorgegebenen Abstand
dazwischen, sowie ein faltenbalgförmiges Trennelement 12,
das abschnittsweise wellenförmig
gebogen ist, wobei das Trennelement 12 zwischen den beiden
Blechelementen 11, 11 eingepasst ist. Die Blechelemente 11, 11 umfassen
jeweils das oben genannte, zu einer geeigneten Form verarbeitete
Hartlötblech 1.
Das Trennelement 12 umfasst beispielsweise ein dünnes Kupferblech,
das faltenbalgförmig
gebogen wurde. In dieser Ausführungsform
ist das Hartlötblech 1,
das jeweils das Blechelement 11 bildet, von der Art, dass
es die Hartlötmaterialschicht 3,
wie in 4 gezeigt, auf einer Seite des Metallblechs 2 hat.
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Die
obersten Enden oder Wellenberge des Trennelements 12 werden
mittels der Hartlötmaterialschicht 3 des
oberen Blechelements 11 mit der Unterseite des Metallblechs 2 des
oberen Blechelements 11 verlötet. In gleicher Weise werden
die untersten Enden oder Wellentäler
des Trennelements 12 mittels der Hartlötmaterialschicht 3 des
unteren Blechelements 11 mit der Oberseite des Metallblechs 2 des
unteren Blechelements 11 verlötet. Die Metallbleche 2, 2,
die einen Teil der jeweili gen Blechelemente 11, 11 bilden,
entsprechen den ersten und zweiten Wandelementen.
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In
dieser Ausführungsform
dient eine Vielzahl von unterteilten Zwischenräumen, die durch das Trennelement 12 zwischen
den beiden Blechelementen 11, 11 definiert werden,
als Durchströmungskanal
für ein Fluid,
wie beispielsweise Wasser, das erhitzt oder gekühlt werden soll. Obgleich nicht
gezeigt, gibt es an der Außenseite
des Blechelements 1 eine Heiz- oder Kühlvorrichtung, in der ein Heiz-
oder Kühlmedium
fließt,
um das im Strömungskanal
strömende
Fluid zu erhitzen oder zu kühlen.
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Die
erfindungsgemäß hergestellte
Durchströmungsanordnung
für Wärmeaustauscher
sollte nicht dahingehend betrachtet werden, dass sie auf die vorangehende
Ausführungsform
beschränkt
ist. Beispielsweise kann die Anzahl der Blechelemente 11 und
die Zahl der Ebenen für
die Durchströmungskanäle eines
Fluids, das erhitzt oder gekühlt
werden soll, definiert durch ein Paar gegenüberliegender Blechelemente 11 (Zahl
der Blechelemente 11 minus 1), wie gewünscht festgelegt werden. Beim
Verlöten
der Trennelemente 12 mit den gegenüberliegenden Seiten des Blechelements 11,
ist das Hartlötblech,
das das zu verwendende Blechelement 11 bildet, das Hartlötblech 1A von
dem Typ, bei dem Hartlötmaterialschichten
auf beiden Seiten des Metallblechs 2 mit dem Metallblech 2 verbunden
sind, wie in 5 gezeigt. Wenn eine Flüssigkeit
(ein Fluid), die (das) erhitzt oder gekühlt werden soll, im Strömungskanal,
der mit dem Trennelement 12 aus der vorangehenden Ausführungsform
ausgestattet ist, fließen
(strömen)
kann, kann man ein Heiz- oder Kühlmedium
darin fließen
lassen, um ein Objekt, das sich außerhalb des Blechelements 1 befindet,
zu erhitzen oder zu kühlen.
Die erfindungsgemäß hergestellte
Durchströmungsanordnung
ist anwendbar für
unterschiedliche Wärmeaustauscher,
die in Klimaanlagen verwendet werden, welche in Gebäuden, Fahrzeugen,
Industrieanlagen, elektronischen Geräten und ähnlichem installiert sind.
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Das
Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
wird aus einer Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung gebildet, die Kupfer
als Hauptkomponente und Phosphor mit nicht weniger als 2,0% bis
nicht mehr als 3,2% umfasst. Das Hartlötmaterial dieser Zusammensetzung
hat eine sehr hohe Kaltverarbeitbarkeit und zufriedenstellende Hartlötbarkeit.
Das Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
kann daher leicht zu einem Dünnblech-Hartlötmaterial
verarbeitet werden, das ausgezeichnete Hartlöt-Benutzerfreundlichkeit und Handhabbarkeit
aufweist. Das Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial
kann wie beim erfindungsgemäßen Verfahren
leicht mit einem Metallblech druckverschweißt werden, um ein Hartlötblech zu
bilden. Daher kann das Phosphor-Kupfer-Hartlötmaterial vorteilhafterweise
als Hartlötmaterial
beim Hartlöten
einer hartgelöteten
Struktur, wie beispielsweise einer Fließwegstruktur für Wärmeaustauscher,
verwendet werden.