DE112012001795T5

DE112012001795T5 - Stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung der 1XXX-Serie

Info

Publication number: DE112012001795T5
Application number: DE112012001795.1T
Authority: DE
Inventors: Steven Kirkham; Achim Bürger; Klaus Vieregge; Adrianus Jacobus Wittebrood
Original assignee: Aleris Rolled Products Germany GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2014-01-23
Also published as: CN103501958A; WO2012143233A3; EP3081326A1; US9216467B2; WO2012143233A2; WO2012143232A1; EP2699382B1; DE112012001777T5; EP3081326B1; US20140054019A1; CN103501958B; US9180537B2; DK2699381T3; EP2699381A1; DE112012001790T5; DK2699382T3; WO2012143234A1; CN103501957A; EP2514555A1; EP2699383B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung für eine Wärmetauscheranordnung, bestehend aus einer Aluminiumlegierung der 1xxx-Serie, die weiter eine zweckbestimmte Hinzufügung eines oder mehrerer Benetzungselemente enthält, 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.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung. Genauer offenbart diese Erfindung Aluminiumrohrprodukte, die bei der Herstellung von Wärmetauschern verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauscheranordnung, die ein stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung umfasst.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wie nachfolgend deutlich wird, beziehen sich die Angaben für die Aluminiumlegierung und die Zustandsangaben, wenn nicht anders angegeben, auf die Angaben der Aluminium Association in den Aluminium-Standards und -Daten und die Registrierungsaufzeichnungen, wie sie 2010 von der Aluminium Association veröffentlicht wurden und dem Fachmann allgemein bekannt sind.
Für alle Beschreibungen von Legierungszusammensetzungen oder bevorzugte Legierungszusammensetzungen sind alle Verweise auf Prozentsätze in Gewichtsprozent, wenn nicht anders angegeben. Der Begriff ”bis zu” und ”bis zu etwa”, wie hier verwendet, enthält ausdrücklich, ist aber nicht beschränkt auf, die Möglichkeit von Null Gewichtsprozent der bestimmten Legierungskomponente, auf die er sich bezieht. Zum Beispiel kann bis zu etwa 0,1% Zn eine Legierung ohne Zn umfassen.
Wärmetauscher und andere ähnliche Ausrüstungen, wie Kondensatoren, Verdampfer und dergleichen, zur Verwendung bei Autokühlern, Klimaanlagen, industriellen Kühlsystemen usw. enthalten üblicherweise eine Anzahl von Wärmetauscherrohren, die parallel zwischen zwei Kopfteilen (Headern) angeordnet sind, wobei jedes Rohr an beiden Enden mit einem der Kopfteile verbunden ist. Gewellte Rippen sind in einem Luftstromspalt zwischen benachbarten Wärmetauscherrohren angeordnet und an die jeweiligen Rohre gelötet.
Die Rohre oder Kühlrohre werden zum Beispiel durch Falten eines Lötblechs hergestellt, das an der Außenseite mit einer Lotmaterialschicht beschichtet ist.
Alternativ werden die Rohre mittels Strangpressen erzeugt. Typische Wärmetauscher auf der Basis von Strangpressen gibt es im Wesentlichen in zwei Bauweisen. Die erste Bauweise verwendet eine Rundverrohrung und Rippen, die mechanisch an den runden Rohren befestigt werden, indem zuerst die Rohre in ausgestanzte Löcher der Rippen eingelassen und dann die Rohre ausgedehnt werden, um zu gewährleisten, dass die Außenfläche der Rohre in engem mechanischem Kontakt mit den Rippen ist.
Die zweite typische Bauweise verwendet eine Flachverrohrung oder flache Rohre, die eine Vielzahl von Kanälen in der Verrohrung haben, allgemein als Mehrloch(Multi-Void)-Verrohrung oder Mikro-Mehrloch-Verrohrung, oder stranggepresste Mehrkanal(Multi-Port-)rohre, oder Mehrhohlraum(Multi-cavity)-Verrohrung oder Mehrkammer(Multi-Porthole)-Verrohrung bezeichnet. Diese Art von Wärmetauscherverrohrung wird unter Anwendung eines Lötprozesses an den Rippen befestigt. Der Querschnitt der Flusskanäle kann variieren, z. B. kreisförmig, oval, quadratisch, rechtwinklig sein, oder andere gleichmäßige oder ungleichmäßige Formen haben. Typischerweise haben Mikro-Mehrloch- und Mehrloch-Verrohrungen eine Weite von etwa 10–80 mm und eine Höhe von etwa 1–5 mm.
Für die stranggepresste Mehrloch-Verrohrung wird eine große Vielzahl von Aluminiumlegierungen verwendet. Die Aluminiumlegierungen der AA1000-Serie werden oft gewählt, wenn eine Korrosionsbeständigkeit benötigt wird. Wenn größere Festigkeiten erforderlich sind, werden oft die AA3000- und AA6000-Serien verwendet. Es gibt verschiedene Veröffentlichungen von Aluminiumlegierungen zur Verwendung bei einer Mikro-Mehrloch- und Mehrloch-Verrohrung, wodurch die Zusammensetzung der Legierung optimiert wurde, um spezifischen Verbesserungen bei den Korrosionsbeständigkeits- oder Festigkeitsniveaus zu genügen.
Es gibt Möglichkeiten zur Verbesserung in der Technik des stranggepressten Rohrmaterials aus Aluminiumlegierung für gelötete Wärmetauscher und bei Verfahren zur Herstellung solcher gelöteten Wärmetauscher, insbesondere bei Lötverfahren, die keine Verwendung eines Hartlötflussmittels erfordern.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Gegenstand der Erfindung, ein Ausgangsmaterial für ein stranggepresstes Rohr aus Aluminiumlegierung für gelötete Wärmetauscher zur Verwendung insbesondere bei Lötverfahren bereitzustellen, die keine Anwendung eines Hartlötflussmittels erfordern.
Dieses und andere Ziele und weitere Vorteile werden von der vorliegenden Erfindung erfüllt oder übertroffen und liefern ein stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung für eine Wärmetauscheranordnung, das aus einer Aluminiumlegierung der AA1xxx-Serie gefertigt ist, die weiter eine zweckbestimmte Hinzufügung von einem oder mehreren Benetzungselementen enthält, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht 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.
Die Benetzungselemente werden aus der Gruppe ausgewählt, die aus Bi, Pb, Li, Sb, Se, Y und Th besteht, und wobei die Gesamtmenge an Benetzungselement(en) in einem Bereich von etwa 0,01% bis 0,5% liegt. Vorzugsweise übersteigt die Gesamtmenge von Benetzungselement(en) nicht 0,4%.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass diese Erfindung die Herstellung gelöteter Anordnungen ermöglicht, die Aluminiumwerkstücke umfassen, welche das stranggepresste Rohr aus Aluminiumlegierung enthalten und wobei es nicht erforderlich ist, ein Hartlötflussmaterial wie einen Fluoridflussmittel bei einem Lötprozess unter kontrollierter Atmosphäre bereitzustellen. Während des Lötzyklus diffundiert das betreffende Benetzungsmittel, welches sich an oder nahe dem Oberflächenbereich des stranggepressten Produkts befindet, vom Oberflächenbereich des stranggepressten Produkts in die geschmolzene Aluminium-Silicium-Füllerlegierung, die verwendet wird, um das stranggepresste Rohrausgangsmaterial an die anderen Bestandteile, wie Rippen und Kopfteile, zu löten, wobei das Benetzungsmittel eine gute Flussfähigkeit der geschmolzenen Füllerlegierung ermöglicht, so dass bei einem Lötprozess unter kontrollierter Atmosphäre eine gute Überlappungsbildung erhalten wird, sogar ohne Verwendung eines Flussmittels.
Es ist in der Technik bekannt, dass während des Lötens unter kontrollierter Atmosphäre in Kombination mit einem Hartlötflussmittel, zum Beispiel einem Flussmittel auf der Basis von Fluorid, der Mg-Gehalt in den Aluminiumlegierungen auf einem niedrigen Gehalt gehalten werden sollte, typischerweise niedriger als 0,2%, und noch bevorzugter niedriger als 0,05%, um jede schädliche Wechselwirkung zwischen dem Mg und dem Flussmittel zu vermeiden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass, da das Rohrmaterial aus stranggepresster Aluminiumlegierung ideal für ein flussmittelfreies Löten bei einem Lötvorgang unter kontrollierter Atmosphäre geeignet ist, es eine entsprechende Toleranz für Mg in der Aluminiumlegierung gibt. Aus diesem Grund kann Mg in wesentlich höheren Gehalten toleriert werden, oder es kann zweckbestimmt hinzugefügt werden. Wie nachfolgend ausgeführt, ist es eine weitere zweckbestimmte Aufgabe für Mg, dass es vorteilhaft mit dem angewendeten Benetzungsmittel interagieren kann, insbesondere, wenn Bi verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Element Bi aus dieser Gruppe von Benetzungselementen ausgewählt und liegt in einem Bereich von etwa 0,03% bis 0,5%, und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,03% bis 0,35% vor, und eine noch bevorzugtere Obergrenze ist 0,30%, als das wirksamste Benetzungselement für diesen Zweck bei diesen Aluminiumlegierungssystemen während eines Lötvorgangs unter kontrollierter Atmosphäre. Eine bevorzugte Untergrenze für die Bi-Hinzufügung ist 0,06%. Typischerweise liegen die Bi-Gehalte bei etwa 0,1% und etwa 0,15%.
In der Ausführungsform, bei der Bi hinzugefügt wird, und vorzugsweise nur Bi zum stranggepressten Rohr aus Aluminiumlegierung hinzugefügt wird, wird weiter bevorzugt, dass der überschüssige Gehalt an Mg bezüglich der stöchiometrischen Zusammensetzung von Bi₂Mg₃ 0,1% oder weniger und vorzugsweise 0,07% ist. Es hat sich herausgestellt, dass Bi eine niedrige Löslichkeit in Aluminium hat und dazu tendiert, sich an den Korngrenzen abzuscheiden, selbst wenn es in niedrigen Gehalten von zum Beispiel 0,1% oder 0,15% hinzugefügt wird. Dies kann zu einem unerwünschten weißen staubigen Aussehen des stranggepressten Rohrs führen, wenn es über einen langen Zeitraum gelagert wird. Um diese Wirkung zu beseitigen, formt eine kleine Menge von Mg Bi₂Mg₃, was die Abscheidung an den Korngrenzen stoppt. Diese Bi₂Mg₃-Phase löst sich aber in der Aluminiumlegierung beim Erwärmen während eines Lötzyklus auf und gibt das Bi frei, um die Oberflächenspannung des geschmolzenen AlSi-Füllstoffs zu senken.
Die stranggepresste Aluminiumlegierung ist vorzugsweise frei von jedem der Elemente Na, Li, K und Ca, um jede Interferenz mit dem Bi und jedem optionalen Mg während des Lötvorgangs unter kontrollierter Atmosphäre zu vermeiden. Unter ”frei” wird verstanden, dass keine absichtliche Hinzufügung von Na, Li, K und Ca zur chemischen Zusammensetzung durchgeführt wurde, sondern dass aufgrund von Verunreinigungen und/oder Undichtigkeiten durch den Kontakt mit einer Herstellungsausrüstung Spurenmengen von Na, Li, K und Ca trotzdem ihren Weg in das Füllerlegierungsprodukt finden können. Zum Beispiel ist weniger als 0,006% ein Beispiel einer Spurenmenge.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Aluminiumlegierung des stranggegossenen Rohrs weiter Mg in einer Menge von bis zu 0,3% enthalten.
Bevorzugte Legierungen sind diejenigen mit einer Zusammensetzung in den Bereichen von 1050, 1060, 1100, 1110, 1300, 1350, 1350A, 1370 und 1235. Bevorzugte Beschaffenheiten sind die Zustände F, O, H111 und H112.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines durch Löten verbundenen Artikels, eines Wärmetauschers, oder einer Anordnung gelöteter Bestandteile bereitgestellt, das die folgenden Schritte enthält:

(a) Bereitstellen oder Formen der zusammenzulötenden Bestandteile, von denen mindestens eines aus einem Rohrprodukt aus stranggepresster Aluminiumlegierung besteht, insbesondere ein Mehrfachkammerrohr, gemäß dieser Erfindung;
(b) Zusammenfügen der Bestandteile, des Mehrkammerrohrs und anderer Bestandteile wie Rippen, zu einer Anordnung;
(c) Löten der Anordnung ohne Anwendung eines Hartlötflussmittels auf die Anordnung von Bestandteilen, und Löten der ganzen Anordnung unter kontrollierter Inertgasatmosphäre bei einer Löttemperatur, typischerweise bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 540°C bis 615°C, z. B. etwa 600°C oder etwa 590°C, lange genug, um ein Lötmaterial, vorzugsweise ein Al-Si-Legierungslötmaterial, zu schmelzen und auszubreiten, Verbinden der verschiedenen Bestandteile, einschließlich des stranggepressten Rohrprodukts und der Rippen, z. B. mit einer Verweildauer von 2 bis 5 Minuten, typischerweise etwa 2 oder 3 Minuten, und wobei typischerweise der Sauerstoffgehalt in der Lötatmosphäre so niedrig wie angemessen möglich sein sollte, und vorzugsweise unter etwa 200 ppm, und noch bevorzugter unter etwa 100 ppm, zum Beispiel 15 ppm oder weniger, ist;
(d) Kühlen der gelöteten Anordnung, typischerweise auf unter etwa 100°C, z. B. auf Umgebungstemperatur.

Für die Zwecke dieser Erfindung, und wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff ”Löten unter kontrollierter Atmosphäre” oder ”CAB” (Controlled Atmosphere Brazing) auf einen Lötprozess, der eine Inertatmosphäre, zum Beispiel Stickstoff, Argon oder Helium, beim Löten von Artikeln aus Aluminiumlegierung verwendet, und unterscheidet sich insbesondere dadurch vom Vakuumlöten, dass mit CAB die Lötatmosphäre im Ofen während des Lötvorgangs auf etwa normalem Atmosphärendruck ist, obwohl ein leichter Unterdruck (der zum Beispiel auf einem Druck von etwa 0,1 Bar oder mehr arbeitet) oder ein leichter Überdruck verwendet werden kann, um die Steuerung der Inertgasatmosphäre zu erleichtern und einen Zufluss von Sauerstoff enthaltendem Gas in den Lötofen zu verhindern.
Während verschiedene Ausführungsformen der hier beschriebenen Technologie ausführlich beschrieben wurden, ist es klar, das Abänderungen und Anpassungen dieser Ausführungsformen für den Fachmann offensichtlich sind. Es wird aber ausführlich betont, dass solche Abänderungen und Anpassungen im Bereich und Rahmen der hier offenbarten Technologie liegen.

Claims

Stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung für eine Wärmetauscheranordnung, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung der AA1xxx-Serie, und die weiter eine zweckbestimmte Hinzufügung von einem oder mehreren Benetzungselementen enthält, 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.
Stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei das Rohr der AA1xxx-Serie weiter Mg in einem Bereich von bis zu 0,3% enthält.
Stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, wobei die AA1xxx-Legierung sowohl Bi als auch Mg enthält, und wobei der überschüssige Gehalt an Mg bezüglich der stöchiometrischen Zusammensetzung von Bi₂Mg₃ 0,1% oder weniger beträgt.
Stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Rohr nur eine zweckbestimmte Hinzufügung von Bi in einem Bereich von 0,03% bis 0,5%, und vorzugsweise von 0,03% bis 0,35% enthält.
Stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Aluminiumlegierung der AA1xxx-Serie eine Legierung ist, die aus der Gruppe: 1050, 1060, 1100, 1110, 1300, 1350, 1350A, 1370 und 1235 ausgewählt ist.
Stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das stranggepresste Rohr eine Beschaffenheit hat, die aus der Gruppe von: F, O, H111 und H112 Zustand ausgewählt ist.
Stranggepresstes Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Rohr ein Mehrkammerrohr einer Wärmetauscheranordnung ist.
Verfahren zur Herstellung eines durch Löten verbundenen Artikels oder einer Anordnung von gelöteten Bestandteilen, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Formen der Bestandteile, von denen mindestens einer aus einem stranggepressten Rohrprodukt aus Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gefertigt ist, (b) Zusammenfügen der Bestandteile zu einer Anordnung, (c) Löten der Anordnung ohne Anwendung von Hartlötflussmittel auf die Anordnung von Bestandteilen und Löten der ganzen Anordnung in einer kontrollierten Inertgasatmosphäre bei einer Löttemperatur, um eine gelötete Anordnung zu formen, und (d) Kühlen der gelöteten Anordnung.