DE202013101870U1

DE202013101870U1 - Mehrschichtiges Hartlötblechmaterial aus Aluminium

Info

Publication number: DE202013101870U1
Application number: DE202013101870U
Authority: DE
Original assignee: Aleris Rolled Products Germany GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2013-06-28
Anticipated expiration: 2023-05-01

Abstract

Mehrschichtiges Hartlötblechmaterial, bestehend aus einer Aluminiumkernlegierungsschicht, welche mit einem ersten Hartlötplattierschichtmaterial auf einer Seite der Aluminiumkernschicht und einem zweiten Hartlötplattierschichtmaterial auf der anderen Seite des Aluminiumkernschichtmaterials sowie einer Zwischenschicht, welche zwischen der Aluminiumkernlegierungsschicht und dem ersten Hartlötplattierschichtmaterial angeordnet ist, versehen ist, wobei die Kernschicht aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, welche, in Gew.-%, bis zu 0,6% Si, bis zu 0,45% Fe, 0,6% bis 1,25% Cu, 0,6% bis 1,4% Mn, 0,08% bis 0,4% Mg, bis zu 0,2% Cr, bis zu 0,25% Zr, bis zu 0,2% Ti, bis zu 0,3% Zn, Rest Aluminium und Verunreinigungen, aufweist, wobei die erste Hartlötschicht aus einer Aluminiumlegierung mit 7% bis 12% Si und bis zu 2% Mg, Rest Aluminium und Verunreinigungen, hergestellt ist, wobei die zweite Hartlötschicht aus einer Aluminiumlegierung mit 11% bis 13% Si und bis zu 0,35% Mg, Rest Aluminium und Verunreinigungen, hergestellt ist, und wobei die Zwischenschicht aus einer Aluminiumlegierung der 1xxx-Legierungsreihe hergestellt ist, und wobei die Zwischenschicht eine Dicke von 60 μm oder weniger aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Hartlötblechmaterial bestehend aus einer Aluminiumkernlegierungsschicht, welche mit einem ersten Hartlötplattierschichtmaterial auf einer Seite der Aluminiumkernschicht und einem zweiten Hartlötplattierschichtmaterial auf der anderen Seite des Aluminiumkernmaterials sowie einer Zwischenschicht oder Zwischenlage, welche zwischen der Aluminiumkernlegierungsschicht und dem ersten oder zweiten Hartlötplattierschichtmaterial positioniert ist, versehen ist. Die Erfindung betrifft weiter einen hartgelöteten Wärmetauscher umfassend verschiedene Bauteile und wenigstens ein Bauteil, welches aus dem erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungs-Hartlötblech hergestellt ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist zu beachten, dass sich nachstehend, sofern nicht anders angegeben, die Aluminiumlegierungsbezeichnungen und Härtegradbezeichnungen auf die Bezeichnungen der Aluminum Association in „Aluminum Standards and Data and the Registration Records", wie sie von der Aluminum Association im Jahr 2013 veröffentlicht wurden, beziehen.
Bei der Beschreibung von Legierungszusammensetzungen oder bevorzugten Legierungszusammensetzungen beziehen sich alle Prozentangaben auf Gew.-%, außer es ist anders angegeben.
Substrate von Aluminium oder Aluminiumlegierung in Form von Blech oder Strangpressprofilen werden für die Herstellung umgeformter oder geformter Produkte verwendet. In einigen dieser Verfahren werden Teile von (umgeformtem) Aluminium umfassend Substrate miteinander verbunden. Ein Ende eines Substrats kann mit dem anderen Ende des Substrats verbunden sein, oder ein Substrat kann mit einem oder mehreren anderen Substraten zusammengebaut bzw. -gefügt werden. Dies erfolgt üblicherweise mittels Hartlöten. In einem Hartlötverfahren wird ein Hartlötfüllmetall oder eine Hartlötlegierung oder eine Zusammensetzung, welche bei Erwärmung eine Hartlötlegierung ergibt, auf wenigstens einen Bereich des hartzulötenden Substrats aufgebracht. Nachdem die Substratteile zusammengefügt sind, werden sie erwärmt, bis das Hartlötmetall oder die Hartlötlegierung schmilzt. Der Schmelzpunkt des Hartlötmaterials ist niedriger als der Schmelzpunkt des Aluminiumsubstrats oder des Aluminiumkernblechs.
Hartlötblechprodukte finden eine breite Anwendung in Wärmetauschern und anderer ähnlicher Ausrüstung. Herkömmliche Hartlötprodukte weisen einen Kern aus gewalztem Blech, üblicherweise, jedoch nicht ausschließlich, eine Aluminiumlegierung der 3xxx-Reihe auf, welche auf wenigstens einer Oberfläche des Kernblechs eine Aluminiumplattierschicht (auch bekannt als eine Aluminiumplattierungsschicht) aufweist. Die Aluminiumplattierschicht ist aus einer Legierung der 4xxx-Reihe hergestellt, welche Silizium in einer Menge im Bereich von 2 bis 20 Gew.-%, und bevorzugt im Bereich von etwa 7 bis 14 Gew.-%, umfasst. Die Aluminiumplattierschicht kann auf verschiedene im Stand der Technik bekannte Arten an die Kernlegierung gekoppelt oder gebunden sein, beispielsweise mittels Walzplattieren, Plattieren durch Sprühkompaktieren oder halbkontinuierliche oder kontinuierliche Gießverfahren. Diese Aluminiumplattierschichten haben eine Liquidustemperatur, welche üblicherweise im Bereich von etwa 540°C bis 615°C liegt.
Es besteht Bedarf an weiter verbesserten Hartlötblechmaterialien, welche in einem voll geglühten Härtegrad geliefert werden können und ausreichend formbar sind, um komplex (um-)geformte Aluminiumsubstrate herzustellen, und welche sowohl Vakuumhartlöten als auch Hartlöten in kontrollierter Atmosphäre (controlled-atmosphere brazing, CAB) unterzogen werden können, und hohe Niveaus an Korrosionsbeständigkeit nach dem Hartlöten erzielen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hartlötblechmaterial zur Verfügung zu stellen, welches diesen Bedarf erfüllt, oder zumindest ein Alternativprodukt, welches in der Lage ist, in einem voll geglühten Härtegrad geliefert zu werden, und welches ausreichend formbar ist, um komplex (um-)geformte Aluminiumsubstrate herzustellen, und welches sowohl Vakuumhartlöten als auch Hartlöten in kontrollierter Atmosphäre unterzogen werden kann, und welches hohe Niveaus an Korrosionsbeständigkeit nach dem Hartlöten erzielt.
Diese und andere Aufgaben und weitere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erreicht oder übertroffen, welche ein vierschichtiges Hartlötblechmaterial bestehend aus einer Aluminiumkernlegierungsschicht, welche mit einem ersten Hartlötplattierschichtmaterial auf einer Seite des Aluminiumkernmaterials und einem zweiten Hartlötplattierschichtmaterial auf der anderen Seite der Aluminiumkernschicht sowie einer Zwischenschicht, welche zwischen der Aluminiumkernlegierungsschicht und dem ersten Hartlötplattierschichtmaterial positioniert ist, zur Verfügung stellt, wobei die Kernschicht hergestellt ist aus einer Aluminiumlegierung der 3xxx-Reihe mit, in Gew.-%, bis zu 0,6% Si, bis zu 0,45% Fe, 0,6% bis 1,25% Cu, 0,6% bis 1,4% Mn, 0,08% bis 0,4% Mg, bis zu 0,2% Cr, bis zu 0,25% Zr, bis zu 0,2% Ti, bis zu 0,3% Zn, Rest unvermeidbare oder gelegentlich auftretende Verunreinigungen, üblicherweise jeweils maximal 0,05% und gesamt maximal 0,15%, und Aluminium, wobei die erste Hartlötschicht aus einer Aluminiumlegierung der 4xxx-Reihe hergestellt ist mit 7% bis 12% Si und bis zu 2% Mg, Rest Aluminium und Verunreinigungen, wobei die zweite Hartlötschicht aus einer Aluminiumlegierung der 4xxx-Reihe hergestellt ist mit 11% bis 13% Si und bis zu 0,35% Mg, Rest Aluminium und Verunreinigungen, und wobei die Zwischenschicht aus einer Aluminiumlegierung der 1xxx-Legierungsreihe hergestellt ist, und wobei die Zwischenschicht eine Dicke von 60 μm oder weniger aufweist.
Das erfindungsgemäße Hartlötblechmaterial weist eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit in sauren Umgebungen auf, kann zyklischen Temperatur- und Druckschwankungen ausgesetzt werden, wie sie üblicherweise in Automobilanwendungen anzutreffen sind (z. B. in Folge der Abgabe von Kraftstoffdampf-Kondensation), und als solches ist das Hartlötblechmaterial geeignet für die Anwendung in direkter Luft-zu-Luft-Ladeluftkühlung (charge air cooling, „CAC”) oder Zwischenkühlung, Luft-zu-Wasser-CAC, Wasser-zu-Luft-CAC, Luft-zu-Kühlmittel-CAC, Kühlmittel-zu-Luft-CAC, Abgaskühlung, Abgasrückführungssystemen, hybriden Kühlsystemen, Zweiphasenkühlsystemen usw., und bildet wenigstens ein Alternativprodukt, welches in der Lage ist, die Lebenszeit derartiger Wärmetauschereinheiten über den Leistungsumfang, welcher mit dem derzeitigen Stand der Technik erreichbar ist, hinaus zu erstrecken. Das Hartlötblechmaterial kann als Spule und Blech hergestellt werden, um Verarbeitung im Massenfertigungsrahmen zu unterstützen, und ist ausreichend formbar, um die oben bezeichneten komplex (um-)geformten Aluminiumsubstrate herzustellen. Das Hartlötblechmaterial ist von ausreichend hoher Qualität, um wiederholbares Hartlöten und eine beständige Bauteilleistung zu ermöglichen. Das Hartlötblechmaterial ist sowohl in Verfahren in kontrollierter Atmosphäre als auch in Vakuumhartlötverfahren hartlötbar und weist eine hohe thermische Stabilität bei zyklischem CAC-Betrieb auf. Darüber hinaus erzielt das Hartlötblechmaterial hohe Niveaus an innerer Reinheit nach dem Hartlöten.
In einer Ausführungsform ist die Aluminiumkernlegierung der 3xxx-Reihe aus einer Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gew.-%, bis zu 0,2% Si, bis zu 0,3% Fe, 0,7% bis 1,1% Cu, 0,7% bis 1,2% Mn, 0,1% bis 0,3% Mg, bis zu 0,2% Cr, 0,04% bis 0,2% Zr, 0,03% bis 0,15% Ti, bis zu 0,1% Zn, Rest Aluminium und Verunreinigungen, hergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aluminiumkernlegierung der 3xxx-Reihe aus einer Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gew.-%, bis zu 0,1% Si, bis zu 0,25% Fe, 0,75% bis 1,05% Cu, 0,75% bis 1,1% Mn, 0,15% bis 0,3% Mg, bis zu 0,1% Cr, 0,04% bis 0,15% Zr, 0,05% bis 0,15% Ti, bis zu 0,1% Zn, Rest Aluminium und Verunreinigungen, hergestellt.
In der Kernlegierung dient das erhöhte Ti-Niveau dazu, die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen der 3xxx-Reihe nach dem Hartlöten zu erhöhen, wie im Stand der Technik gut dokumentiert ist. Das erhöhte Zr-Niveau dient dazu, die Festigkeit nach dem Hartlöten aufgrund der altershärtbaren Charakteristika der Kernlegierung zu erhöhen.
Die erste Hartlötschicht ist hergestellt aus einer Aluminiumlegierung der 4xxx-Reihe mit 7% bis 12% Si und bis zu 2% Mg, Rest Aluminium und Verunreinigungen. Bevorzugt ist der Si-Gehalt im Bereich von 9% bis 10,5% Si. Bevorzugt ist der Mg-Gehalt im Bereich von 0,4% bis 2%, und bevorzugter 1% bis 1,8% Mg, um es zu ermöglichen, dass das Hartlötblechmaterial in einem Vakuumhartlötverfahren verwendet wird. Der Rest besteht aus Aluminium und Verunreinigungen, was in der Praxis bis zu 0,6% Fe, bis zu 0,1% Mn, bis zu 0,1% Cu, bis zu 0,2% Zn, andere jeweils < 0,05%, gesamt < 0,2%, Rest Aluminium, bedeuten würde.
In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Hartlötschicht hergestellt aus einer Aluminiumlegierung der 4xxx-Reihe mit 7% bis 12% Si und bis zu 0,35% Mg, Rest Aluminium und Verunreinigungen, idealerweise für die Verwendung in einem CAB-Verfahren.
Die zweite Hartlötschicht ist hergestellt aus einer Aluminiumlegierung der 4xxx-Reihe mit 11% bis 13% Si und bis zu 0,35% Mg, Rest Aluminium und Verunreinigungen. Bevorzugt ist der Si-Gehalt im Bereich von 11% bis 13% Si. Bevorzugt ist der Mg-Gehalt im Bereich von 0,05% bis zu etwa 0,3%, und bevorzugter im Bereich von 0,1% bis 0,25%. Der Rest besteht aus Aluminium und Verunreinigungen, was in der Praxis bis zu 0,6% Fe, bis zu 0,1% Mn, bis zu 0,1% Cu, bis zu 0,2% Zn, andere jeweils < 0,05%, gesamt < 0,2%, Rest Aluminium, bedeuten würde.
Die Zwischenschicht oder Zwischenlage ist hergestellt aus einer Aluminiumlegierung der 1xxx-Legierungsreihe, bevorzugt Aluminium der 1050-Reihe, und weist eine Dicke von 60 μm oder weniger, beispielsweise von etwa 40 μm oder etwa 50 μm, auf, und soll eine Diffusion der Legierungselemente aus der Kernschicht in die Hartlötschicht eingrenzen, und als solche interkristalline Korrosionsausbreitung durch die Kernschicht im Zustand nach dem Hartlöten eingrenzen, und dadurch die Korrosionsleistung des Hartlötblechprodukts nach dem Hartlöten bei Anwendung in einem Wärmetauscher, insbesondere einem CAC, signifikant verbessern. Die Zwischenschicht aus der 1xxx-Reihe bietet auch galvanischen Schutz für die Aluminiumkernlegierung der 3xxx-Reihe.
Das erfindungsgemäße Hartlötblechmaterial kann durch verschiedene Techniken gefertigt werden. Beispielsweise mittels Walzplattieren, wie im Stand der Technik gut bekannt ist. Alternativ können eine oder mehrere Hartlötlegierungsschichten auf die Kernlegierungsschicht mittels thermischer Spritztechniken aufgebracht werden. Oder alternativ kann die Kernlegierungsschicht und die zweite Hartlötplattierschicht mittels Gießtechniken gefertigt werden, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentveröffentlichung WO 2004/112992 offenbart sind, wonach die anderen Plattierschichten beispielsweise mittels Walzplattieren oder thermischer Spritztechniken aufgebracht werden können.
Das erfindungsgemäße Hartlötblechmaterial weist eine übliche Dicke bei endgültiger Stärke im Bereich von 0,3 mm bis 1,2 mm auf. Das Hartlötblechmaterial ist bevorzugt etwa 1 mm, und bevorzugter bis zu etwa 0,6 mm, dick bei endgültiger Stärke.
Sowohl die erste als auch die zweite Hartlötschicht weisen üblicherweise eine Dicke von 6% bis 14% der Gesamtdicke, beispielsweise jeweils etwa 10%, auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kernschicht während ihres Fertigungswegs vor der Heißverformung zu Material dünnerer Stärke homogenisiert worden. Üblicherweise wird eine derartige Homogenisierungswärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 400°C bis 650°C während einer Durchwärmzeit im Bereich von 5 bis 48 Stunden durchgeführt, um ein O-Härtegrad-Material zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Hartlötblechmaterial in einem O-Härtegrad zur Verfügung gestellt, welcher vollständig geglüht ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Hartlötblechmaterial in einem H2x-Härtegrad zur Verfügung gestellt, wobei x = 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 ist. Bevorzugter wird es in einem H24-Härtegrad zur Verfügung gestellt.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein hartgelötetes Rohr, welches aus dem erfindungsgemäßen mehrschichtigen Hartlötblechmaterial hergestellt ist.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung einen hartgelöteten Wärmetauscher umfassend wenigstens ein Rohr aus dem erfindungsgemäßen mehrschichtigen Hartlötblechmaterial. Idealerweise ist der Wärmetauscher ein Ladeluftkühler (charge-air-cooler, „CAC”). Bevorzugter in einem Wasser-CAC, was im Stand der Technik auch als ein Flüssig-CAC bekannt ist.
Das Hartlötblechmaterial ist geeignet für die Anwendung auch in Luft-zu-Wasser-CAC, Wasser-zu-Luft-CAC, Wasser-zu-Kühlmittel-CAC, Kühlmittel-zu-Luft-CAC, Abgaskühlung, Abgasrückführungssystemen, hybriden Kühlsystemen und Zweiphasenkühlsystemen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004/112992 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Aluminum Standards and Data and the Registration Records”, wie sie von der Aluminum Association im Jahr 2013 [0002]

Claims

Mehrschichtiges Hartlötblechmaterial, bestehend aus einer Aluminiumkernlegierungsschicht, welche mit einem ersten Hartlötplattierschichtmaterial auf einer Seite der Aluminiumkernschicht und einem zweiten Hartlötplattierschichtmaterial auf der anderen Seite des Aluminiumkernschichtmaterials sowie einer Zwischenschicht, welche zwischen der Aluminiumkernlegierungsschicht und dem ersten Hartlötplattierschichtmaterial angeordnet ist, versehen ist, wobei die Kernschicht aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, welche, in Gew.-%, bis zu 0,6% Si, bis zu 0,45% Fe, 0,6% bis 1,25% Cu, 0,6% bis 1,4% Mn, 0,08% bis 0,4% Mg, bis zu 0,2% Cr, bis zu 0,25% Zr, bis zu 0,2% Ti, bis zu 0,3% Zn, Rest Aluminium und Verunreinigungen, aufweist, wobei die erste Hartlötschicht aus einer Aluminiumlegierung mit 7% bis 12% Si und bis zu 2% Mg, Rest Aluminium und Verunreinigungen, hergestellt ist, wobei die zweite Hartlötschicht aus einer Aluminiumlegierung mit 11% bis 13% Si und bis zu 0,35% Mg, Rest Aluminium und Verunreinigungen, hergestellt ist, und wobei die Zwischenschicht aus einer Aluminiumlegierung der 1xxx-Legierungsreihe hergestellt ist, und wobei die Zwischenschicht eine Dicke von 60 μm oder weniger aufweist.
Hartlötblechprodukt nach Anspruch 1, wobei die Kernschicht aus einer Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gew.-%, bis zu 0,2% Si, bis zu 0,3% Fe, 0,7% bis 1,1% Cu, 0,7% bis 1,2% Mn, 0,1% bis 0,3% Mg, bis zu 0,2% Cr, 0,04% bis 0,2% Zr, 0,03% bis 0,15% Ti, bis zu 0,1% Zn, Rest Aluminium und Verunreinigungen, hergestellt ist.
Hartlötblechprodukt nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kernschicht aus einer Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gew.-%, bis zu 0,1% Si, bis zu 0,25% Fe, 0,75% bis 1,05% Cu, 0,75% bis 1,1% Mn, 0,15% bis 0,3% Mg, bis zu 0,1% Cr, 0,04% bis 0,15% Zr, 0,05% bis 0,15% Ti, bis zu 0,1% Zn, Rest Aluminium und Verunreinigungen, hergestellt ist.
Hartlötblechprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Hartlötschicht aus einer Aluminiumlegierung der Reihe 4xxx mit 9% bis 10,5% Si und 0,4% bis 2% Mg, und bevorzugt 1% bis 1,8% Mg, hergestellt ist.
Hartlötblechprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Hartlötschicht aus einer Aluminiumlegierung der Reihe 4xxx mit 11% bis 13% Si und bis zu 0,3% Mg hergestellt ist.
Hartlötblechprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mehrschichtige Hartlötblechprodukt eine Gesamtdicke im Bereich von 0,3 bis 1,2 mm aufweist.
Hartlötblechprodukt nach Anspruch 6, wobei sowohl die erste als auch die zweite Hartlötschicht eine Dicke von 6% bis 14% der Gesamtdicke aufweist.
Hartlötblechprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kernschicht homogenisiert worden ist.
Hartlötblechprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Hartlötblechprodukt in einem O-Härtegrad zur Verfügung gestellt wird.
Hartgelötetes Rohr, hergestellt aus dem mehrschichtigen Hartlötblechmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Wärmetauscher, umfassend ein hartgelötetes Rohr hergestellt aus dem mehrschichtigen Hartlötblechmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Ladeluftkühler, beinhaltend ein hartgelötetes Rohr hergestellt aus dem mehrschichtigen Hartlötblechmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Wasserladeluftkühler, beinhaltend ein hartgelötetes Rohr hergestellt aus dem mehrschichtigen Hartlötblechmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9.