DE10251466B4

DE10251466B4 - Verfahren zur Herstellung eines Hartlötblechs aus Kupfer-Phosphor-Hartlötmaterial und Verfahren zur Herstellug einer Durchströmungsanordnung mit diesem Blech

Info

Publication number: DE10251466B4
Application number: DE10251466A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Ishio; Tsuyoshi Hasegawa; Ken Kariya Yamamoto; Norihide Kariya Kawachi; Kenichiro Sakai Kamon
Original assignee: Denso Corp; Neomax Materials Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Neomaterial Ltd
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: DE10251466A1; US20030085258A1; JP2003136278A; JP3554305B2; US6761306B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hartlötblechs (1) umfassend die Schritte:
Auflegen eines Hartlötmaterialblechs (3) bestehend aus einer Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung auf mindestens eine Seite des als Metallblech ausgebildeten Metallsubstrats (2), wobei die Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung aus nicht weniger als 2,2 Massen-% 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.

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen nach den Ansprüchen 1 und 3 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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.
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.
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.
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.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Verfahren zur Herstellung eines Hartlötblechs zur Verfügung gestellt, welches die Schritte nach Anspruch 1 umfasst.
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.
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.
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.
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.

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.
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.
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:
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;
2 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem P-Gehalt und der Hartlötfestigkeit zeigt;
3 ist ein partielles Phasendiagramm einer Phosphor-Kupfer-Legierung;
4 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Hartlötblechs, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist,
5 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Hartlötblechs, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist; und
6 ist eine perspektivische Teilansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Durchströmungsanordnung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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.
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.
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.
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.
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.

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

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Nachstehend wird eine Ausführungsform einer hartgelöteten Anordnung beschrieben, die das Hartlötblech gemäß der voranstehenden Ausführungsform als Ausgangsmaterial verwendet.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hartlötblechs (1) umfassend die Schritte: Auflegen eines Hartlötmaterialblechs (3) bestehend aus einer Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung auf mindestens eine Seite des als Metallblech ausgebildeten Metallsubstrats (2), wobei die Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung aus nicht weniger als 2,2 Massen-% 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.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Metallblech (2) reines Kupfer oder eine Kupferlegierung, die Kupfer als Hauptkomponente umfasst, verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Durchströmungsanordnung für Wärmeaustauscher, welches folgendes umfasst: gegenüberliegendes Anordnen eines Paares erster und zweiter Blechelemente (11, 11), wobei die Blechelemente (11, 11) aus einem Hartlötblech (1) umfassend ein Metallblech (2) und eine Hartlötmaterialschicht (3), die mit dem Metallblech (2) verbunden ist, bestehen, wobei die Hartlötmaterialschicht (3) eine Phosphor-Kupfer-Hartlötlegierung bestehend aus nicht weniger als 2,2 Massen-% und nicht mehr als 2,9 Massen-% Phosphor und dem Rest Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen ist; und das Hartlötblech (1) nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt ist; Einpassen eines wellenförmig gebogenen Trennelements (12), zur Bildung eines Strömungskanals zwischen dem ersten und zweiten Blechelement (11, 11), wobei das Trennelement (12) an den gegenüberliegenden Flächen der Hartlötmaterialschichten (3) der ersten und zweiten Blechelemente (11, 11) angeordnet ist, und Verlöten des Trennelements (12) mit den Blechelementen (11, 11).
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Metallblech (2) des Hartlötblechs (1) und des Trennelements (12) reines Kupfer oder eine Kupferlegierung, die Kupfer als Hauptkomponente umfasst, verwendet wird.