DE2848652A1 - Herstellung von aluminium-hartloetblech - Google Patents

Herstellung von aluminium-hartloetblech

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DE2848652A1 DE19782848652 DE2848652A DE2848652A1 DE 2848652 A1 DE2848652 A1 DE 2848652A1 DE 19782848652 DE19782848652 DE 19782848652 DE 2848652 A DE2848652 A DE 2848652A DE 2848652 A1 DE2848652 A1 DE 2848652A1
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Description

2848852
- Ζμ _
Aluminum Company of America, Pittsburgh, Pennsylvania, V. St. A.
Herstellung von Aluminium-Hartlötblech
Die vorliegende Erfindung betrifft Hartlötblech und insbesondere die Herstellung eines Aluminium-Silizium- und Aluninium-Silizium-Magnesium-Hartlötblechs.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Aluminiumwerkstücke mit einer niedrigschmelzenden Aluminium-Silizium-Legierung und einem geeigneten Flußmittel in einem Lötofen bei einer Temperatur zwischen der Schmelztemperatur der Aluminium-Silizium-Legierung ; und der der zu verbindenden höher schmelzenden Legierung zu verbinden. Es ist ebenfalls bekannt, daß Bauteile aus Aluminium, d.h. der zu verbindenden höherschmelzenden Legierung, und die i Hartlötlegierung durch Warmwalzen miteinander verbunden werden , können, so daß man ein Verbundblech erhält, das die Hartlötle- !
i gierung auf einer oder beiden Seiten und einen Kern aus der hö- j her schmelzenden Legierung erhält. Das resultierende Verbundblech wird zur Herstellung hartgelöteter Anordnungen verwendet.
§09819/0970
Schließlich ist aus dem Stand der Technik "bekannt, Aluminiumwerkstücke mit einer niedrigschmelzenden Aluminium-Silizium-Legierung und einem geeigneten Flußmittel in einem Lötofen bei einer Temperatur zwischen der Schmelztemperatur der Aluminium-Silizium-Legierung und der der zu verbindenden höher schmelzenden Legierung zu verbinden. Es ist ebenfalls bekannt, daß Bauteile aus i Aluminium, d.h. der zu verbindenden höherschmelzenden Legierung, und die Hartlötlegierung durch Warmwalzen, miteinander verbunden I werden können, so daß man ein Verbundblech erhält, das die Hartlötlegierung auf einer oder beiden Seiten und einen Kern aus der höher schmelzenden Legierung erhält. Das resultierende Verbundblech wird zur Herstellung hartgelöteter Anordnungen verwendet.
! Schließlich ist aus dem Stand der Technik bekannt, Werkstücke '■ aus Aluminium flußmittelfrei hartzulöten, indem man die zu verbindenden Oberflächen während des Hartlötvorgangs Magnesiumdämpfen aussetzt. Dieses Verfahren ist in der US-PS 3.321.828 angegeben. Das Magnesium kann am Ort der Verbindung in Form eines Aluminiumhartlötblechs vorgesehen werden, das Magnesium und Sili-t zium enthält. Magnesium hat einen vergleichsweise hohen Dampfdruck. Die US-PS 3.891.400 lehrt daher, daß das magnesiumhaltige Element - bspw. eine Aluminiumhartlötlegierung aus im wesentlichen 5,0 - 15,0 Gew.-% Si, 0,5 - 5,0 Gew.-% Mg, 0,8 Gew.-% Fe, max. 0,25 Gew.-% Ou, max. 0,2 Gew.-% Zn, max. 0,2 Gew.-% Mn - mit einer magnesiumfreien Aluminiumlegierung beschichtet sein sollte, um ein verfrühtes Verdampfen während des Hartlötvorgangs zu verhindern.
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Die Herstellung eines Hartlöfrblechs mit einer Silizium- oder siliziummagnesiumhaltigen Aluminiumlegierung auf einem Aluminiumkern ist nicht frei von Schwierigkeiten. Walzt man bspw. einen mit einem Silizium- oder silizium-magnesium-haltigen Hartlötblech einseitig beschichteten Knüppel, zeigt die hergestellte Platte oft die Neigung, sich zu krümmen, so daß weitere Walzdurchläufe ohne Schäden an der Walzanlage schwierig werden. Walzt man weiterhin derartige Platten in einer Durchlaufwalzstraße zu Hartlötblechdicke aus, treten andere Probleme auf - das Blech staut sich zwischen den Walzständern infolge eines Rutschens und der TJnfä- f higkeit der Walzen, das Blech beim Durchlaufen aufeinanderfolgen-j der Walzstände sicher zu ergreifen. Diese Walzprobleme sind die Ursache für bis zu 50 % des anfallenden Ausschußschrotts. Es ist also einzusehen, daß zusätzlich zu den Schrottverlusten erhebliche Unkosten für die Ausfallzeiten entstehen, in denen die Biege- oder Rutschprobleme korrigiert werden müssen.
Indem aie ein Verfahren verwendet, das im wesentlichen die Probleme des Krümmens und Rutschens während der Walzbehandlung eli- : miniert, erlaubt die vorliegende Erfindung die Herstellung von Hartlötblech auf sehr wirtschaftliche Weise.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumflußmittel- bzw. Uhterdruckhartlötblech, indem man (a) eine Anordnung aus (i) einem Knüppel bzw. Kern einer Aluminiumlegierung aus im wesentlichen 0 bis 1,5 Gew.-% Mh, max. 0,3 Gew.-% Si, 0 bis 0,7 Gew.-% Mg, max. 0,25 Gew.-% Ou, max. 0,7
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Gew.-% 3?e, Rest Muminium, und (Ii) einer auf mindestens einer Seite des Knüppels angeordneten Schicht aus einer Aluminiumhart-
lötlegierung aus im wesentlichen 5)0 "bis 13»0 Gew.-% Si, 0 "bis 2,5 Gew.-% Mg, Rest Aluminium und Zufallsverunreinigungen, hergestellt, (b) zum Walzen auf "beide Seiten der Anordnung eine zweite Schicht aus Aluminium aufbringt, die im wesentlichen aus max. 0,2 Qew.-% Ou, max. 0,7 Gew.-% Ee, max. 1,5 Gew.-# Mh, bis zu 1,0 Gew.-% Mg, wobei der Gesamtanteil von Mn plus Mg 1,5 % j nicht übersteigt, bis zu 3»0 Gew.-% Zn, Rest Aluminium und Zu-
! fallsverunreinigungen, besteht, (c) die Anordnung mit den Walzschichten bei einer Temperatur im Bereich von 4-54,4- bis 510° C (850 bis 95O0 3?) durch Warmwalzen in einem Umkehrwalzwerk zu einem Verbund verbindet und schließlich (d) diesen Verbund im Durchlauf warm zu Hartlötblech auswalzt.
In der beigefügten Zeichnung zeigt die Figur einen Querschnitt durch Hartlötblech nach der vorliegenden Erfindung.
Wie in der 3figur dargestellt, weist in einer Ausführungsform der ' vorliegenden Erfindung das Hartlötblech einen Aluminiumkern 10,
• eine Aluminiumhartlötschicht 20 auf einer Seite des Kerns sowie eine Aluminiumschicht 30 auf dem Kern 10 und der Hartlot schicht
• 20 auf. Bezüglich des Kerns 10 muß man die in ihm verwendete Aluminiumlegierung so wählen, daß man die erforderlichen Pestigkeitseigenschaften erhält. Die Legierung im Kern 10 muß also
ί 0 bis 1,5 % Mn, bis 0,7 % Mg und vorzugsweise weniger als 0,5 %
; Mg, max. 0,3 % Si und vorzugsweise max. 0,2 % Si, max. 0,7 % le,
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max. 0,25 # Cu, max. 5?O °/j Zn, max. 0,25 % Cr, Rest Aluminium und Zufallsverunreinigungen enthalten (alle Angaben Gewichtsprozente). Vorzugsweise sind solche Aluminiumlegierungen die Formlegierungen 3OO3, 3"!055 3°O5 und dergl., die sowohl höhere Festigkeiten als Aluminium in Handelsqualität als auch die strukturelle Steife bieten, die für hartgelötete Anordnungen erforderlich ist.
Die Hartlotschicht 20 kann 5,0 bis 13,0 % Si, 0 bis 2,5 % Mg, max. 0,8 °,Ό Fe, max. 0,3 % Ou, max. 0,3 % Zn, max. 0,3 % Mn, Rest Aluminium und Zufallsverunreinigungen, enthalten (Gewichtsprozente). Es ist einzusehen, daß man ähnliche Zusammensetzungsbereiche für das Flußmittellöten verwendet, wobei die Zusammensetzung jedoch normalerweise im vresentlichen frei von Magnesium ist.
Soll Flußmittel verwendet werden, um den Verbindungsvorgang zu unterstützen, verwendet man normalerweise ein Alkalihalogenidflußmittel, um den Oxidüberzug auf dem Muttermetall zu überwinden und dem Füllmaterial zu erlauben, die Oberfläche des Muttermetalls zu benetzen und über sie zu fließen. Diese Maßnahme wird für erforderlich gehalten, um die Kapillarströmung und die ununterbrochene Kehlbildung zu erhalten, die erwünscht sind. Beim Ofenlöten trägt man das Flußmittel als wässrige Suspension atif die zusammengesetzten Teile auf und trocknet es vor dem Erwärmen auf die Hartlöttemperatur. Typische Flußmittelsuspensionen enthalten 50 % oder mehr Flußmittel und lagern erhebliche und leicht sichtbare Flußmittelmengen auf den Werkstücken ab. In diesem
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Schritt typisclierweise eingesetzte Flußmittel sind in der US-PS 3.431.629 "beschrieten. Es ist einzusehen, daß beim Vorliegen von Magnesium in der Hartlötschicht die Verwendung eines Flußmittels unnötig ist, wenn das Hartlöten unter Unterdruck erfolgt.
Eine Schicht 30 aus im wesentlichen siliziumfreier Aluminiumlegierung ist auf den Kern 10 und die Hartlotschicht 20 aufgebracht, wie in der Figur gezeigt. "Im wesentlichen siliziumfreies Aluminiumlegierung" soll eine Aluminiumlegierung bezeichnen, die frei von eutektischem oder elementarem Silizium ist und im allgemeinen weniger als 0,4- Gew.-?« Si und vorzugsweise nicht mehr als 0,2 Gew.-'a Si enthält. Es ist sehr erwünscht, den Siliziumanteil so gering wie möglich zu halten. So kann weniger als 0,1 Gew.-% Si erwünscht sein. Weiterhin sollte die Legierung nicht mehr als 0,7 Gew.-?.? Fe und vorzugsweise nicht mehr als 0,5 Gew.-% Fe enthalten. Die in der Legierung vorliegende Kupfermenge sollte 0,2 Gew.-,ο und vorzugsweise 0,1 Gew.-'/a nicht übersteigen. Auch die vorliegende Hanganmenge sollte nicht größer als 1,5 Gew.-%, vorzugsweise nicht größer als 0,3 Gew.-/4 sein. Magnesium kann in der Legierung bis zu 1,0 Gew.-% vorliegen, wobei der Vorzugsanteil max. 0,3 Gew.-?o beträgt. Zusätzlich sollte der Anteil von Mangan und Magnesium zusammengenommen nicht größer als 1,5 Gew.-?£ sein. Zink kann bis zu 35O Gew.-/£ enthalten sein, wobei der Vorzugsanteil kleiner als 2,5 Gew.-% ist. Der Rest der Legierung sollte im wesentlichen Aluminium und Zufallsverunreinigungen sein. Um die Güte der hartgelöteten Gegenstände zu verbessern, kann man mindestens eine Substanz der aus Wismuth, Blei und Zinn
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bestehende Gruppe im Bereich von O bis 0,2 Gew.-/-; der Walzschicht 30 hinzuführen.
Was die Kernlegierung anbetrifft, ist wichtig, daß die Grenzen des Silizium- und des Nagnesiuraanteils eng eingehalten werden. Es ist bekannt, daß ein Eindringen von Silizium in die Kernlegierung zu starken Schmelzerscheinungen an den Korngrenzen während des Hartlötvorgangs führen kann. D.h., daß Schmelzvorgänge im Kernmaterial auftreten können, wenn Silizium in den Kern aus der Hartlotschicht eindringt bzw. eindiffundiert. Das Magnesium in der Kernlegierung erschwert dieses Problem noch und sollte die angegebenen Grenzwerte ebenfalls nicht tibersteigen. Lange Wärmebehandlungszeiten x;ährend des Hartlötens unterstützen ebenfalls das Eindringen von Silizium in die Kernlegierung. Auch die Korngröße ist wichtig, da kleine Körner das Eindringen von Silizium in den Kern erleichtern. Es wird darauf verwiesen, daß das Eindringen von Silizium sehr unerwünscht ist, daß es zu einem Durchhängen des Bauteils führen und auch zur Korrosion zwischen den Körnern führen kann, so daß die ITutzungsdauer der hergestellten Gegenstände sinkt. Um also eine optimale Korngröße einzustellen, d.h. eine Korngröße, bei der die Widerstandsfähigkeit gegen ein Eindringen von Silizium am größten ist, hält man den Eisenanteil vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,5 Gew.-?ö und vorzugsweise 0,2 bis 0,4-5 Gew.-?o.
Bei der Herstellung von Hartlötblech nach der vorliegenden Erfindung wird ein für den Kern gedachter Al-Legierungsbarren zu-
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nächst geschält, um Oberflächenunregerrnößigkeiten zu entfernen: danach hat er normalerweise eine Dicke von 2FA- - 508 mm (10 bis 20 in.). Ein Barren aus Hartlötlegierung, der zuvor zu einer Platte mit einer Dicke von 25,7I- "bis 76,2 mm (1 "bis 3 in.) umgeformt worden ist, wird bspw. mit Bändern oder dergl. auf den als Kern benutzten Barren festgespannt. Zum Walzen befestigt man auch eine Schicht der im wesentlichen siliziumfreien Legierung auf den Außenflächen der Verbundanordnung, um nach dem Walzen einen Verbund zu erhalten, wie er im wesentlichen in der Figur dargestellt ist. Die Schicht kann auf dem Barren 6,35 "bis 25,4- mm (0,25 "bis 1,0 in.) dick sein und 0,5 "bis 10,0 °/o der fertigen Verbundanordnung darstellen. Es wird darauf verwiesen, daß das als Walzschicht verwendete Halbzeug auch vor dem Befestigen auf dem als Kernmaterial dienenden Barren bspw. durch Warmwalzen mit der Hartlötlegierung verbunden xirerden kann. Auch andere Kombinationen lassen sich einsetzen, so fern man die oben angegebenen Dickenwerte einhält. Zum Untereinanderverbinden der Verbundanordnung erwärmt man diese zunächst auf eine Temperatur im Bereich von 4-54,Lv bis 537,80C (850 bis 10000P) und walzt sie dann in einer Umkehrwalzstraße warm zu einer Dicke im Bereich von etwa 50,8 bis 101,6 mm (2,0 bis A-,0 in.) aus. Während dieses Walzens treffen infolge der siliziumfreien Schicht die Ober- und Unterwalzen des Walzwerks auf identische Legierungen, so daß ein Krümmen der Anordnung während des Walzens verhindert ist. Die siliziumfreie Schicht ist auch aus anderen Gründen wesentlich, wie im folgenden ausgeführt.
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Während die Erfinder an keine spezielle Theorie gebunden zu sein wünschen, sind sie der Auffassung, daß ein Grund für das Krümmen einer Anordnung mit unterschiedlichen Legierungen an der Ober- und der Unterseite der Unterschied der Reibungskoeffizienten zwischen den Legierungen und den Walzen ist; dabei streckt sich eine Legierung schneller als die andere. In der vorliegenden Erfindung jedoch treffen, wenn man auf dem Kern und auf der Hartlötschicht eine Schicht aus im wesentlichen siliziumfreier Legierung vorsieht, beide Walzen die gleiche Legierung, so daß das Krümmungsproblem im wesentlichen eliminiert ist.
Um das Verbundblech weiter auf die Hartlötblechdicke abzuwälzen, d.h. bspw. 0,0505 bis 3,175 mm (0,012 - 0,125 in.)» walzt man es in einer mehrgerüstigen Durchlaufwalzstraße aus. In diesem Auswalzvorgang hat eine im wesentlichen siliziumfreie Schicht besondere Wichtigkeit. In der Durchlaufstraße kann das "Vorliegen von eutektischem Silizium in der äußeren bzw. Decksicht zu wesentlichen Rutschproblemen führen, d.h. zum Stauen von Blech zwischei den Gerüsten der Straße. Offensichtlich wird das Blech dabei verwunden, verkratzt und verformt, so daß man die Straße stillegen und das Blech aus ihr entfernen muß. Dieses Problem wird erschwert durch die Tatsache, daß die vorhergehenden Walzvorgänge erheblich beeinträchtigt werden; oft muß ein teilweise ausgerollter Barren bzw. Platte erneut auf geeignete Walztenperaturen erwärmt werden. Dies ist ersichtlich unwirtschaftlich und erhöht den Energiebedarf für das Walzen erheblich.
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Das Rutschen resultiert größtenteils aus dem "Vorliegen von eutektischem oder elementarem Silizium in der Außenschicht. D.h., daß das elementare Silizium in der Außenschicht eine Oberfläche bewirkt, die eine geringe Reibung und schlechte Einzugseigenschaften gegenüber den Walzen der Walzstraße aufweist. Um das Blech in die Straße einziehen zu können, kann es erforderlich werden, kleinere Äuswalzgrade vorzusehen, was einen schlechten Wirkungsgrad bedeutet und zusätzliche WaIzdurchlaufe erfordert, um die gewünschte Blechdicke zu erreichen - ein teures und energieaufwendiges Verfahren. Bei einer mehrgerüstigen Walzstraße, d.h. einer Durchlaufstraße, kann ein Gerüst bezüglich des Blechs und der Dicke der Hartlötlegierung ausreichende Reib- und Einzieheigenschaften haben, während beim nächsten Gerüst die Reib- und Einzieheigenschaften für die für einen wirksamen Betrieb erforderlichen Dickenreduzierung nicht ausreichend, so daß sich Blech zwischen den Gerüsten staut. Bei herkömmlichen silizium-aluminiummagnesium-aluminiumbeschichteten Hartlötblech können bis zu 20 % der Verbundbleche beim Warmwalzen rutschen. Sieht man Jedoch die Beschichtung auf dem Kern und auf der Hartlotschicht nach der vorliegenden Erfindung vor, läßt das Rutschen sich auf weniger ! als 3 % <ler gewalzten Barren reduzieren.
I Es wird darauf verwiesen, daß man, falls erwünscht, eine Schicht I einer Aluminiumlegierung - bspw. 1145, 1100, 3003, 7072 oder
I dergl. - zwischen der Hartlotschicht und dem Kernmaterial anordnen kann. ι
I I
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Bei Durchlaufwalzen wird die Temperatur des Blechs vorzugsweise zwischen 260 und 426,7°0 (500 - 8000F) gehalten. In "bestimmten Fällen, wenn das Hartlöfrblech auf Dicken von weniger als 3,175 mm (0,125 in·) ausgewalzt werden soll, kann es erwünscht sein, das Blech vorher zu glühen. Zum Glühen hält man das Blech ein "bis zwei Stunden auf einer Temperatur von etwa 31556 - 371,10O (600 7000G) vor.
Die vorliegende Erfindung ist dahingehend sehr vorteilhaft, daß sie die sehr wirkungsvolle Herstellung von einseitig "beschichtetem Hartlöfblech erlaubt, wie in der Figur gezeigt. Wie einzusehen ist, hat einschichtiges Lötblech viele Anwendungen - bspw. bei geschweißten Heizkörperrohren, Tanks und dergl.. Zusätzlich dazu ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft darin, daß sie ein sehr; wirkungsvolles Ausrollen von einseitig mit Hartlot versehenem ;
j Blech erlaubt. i
Infolge der Eontrolle in der Zusammensetzung der Kernlegierung ist diese im wesentlichen frei von Silizium-Eindringvorgängen. Probleme wie die Kornkorrosion und das Durchhängen des Kerns sind damit praktisch eliminierto
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Claims (10)

1BERLIN33 8MUNCHEN80 Dr. RUSCHKE &. PARTNER SSÄSf PATENTANWÄLTE Tel. (030)8 26 38 95/8 26 44 81 BERLIN-MÜNCHEN T"L I089)980324'987268 Telegramm-Adresse: Telegramm-Adresse: Quadratur Berlin Quadratur München TELEX: 183786 TELEX: 522767 A 172Π Pat ent anspräche
1. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumflußmittel- bzw. Unterdruckhartlötblechs, "bei dem ein Al-Legierungswerkstoff mit einer Al-Si-Hartlötlegierung beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man (a) eine Anordnung aus (i) einem Knüppel bzw. Kern aus Aluminiumlegierung mit im wesentlichen O bis 1,5 Gew.-% I1In, max. 0,3 Gew.-# Si, O bis 0,7 Gew.-?j Hg, max. 0,25 Gew.-/£ Ou, max. 0,7 Gew.-/4 Fe, Rest Aluminium, und (ii) einer Schicht einer Al-Hartlötlegierung auf mindestens einer Seite des Knüppels vorsieht, die im wesentlichen aus 5,0 bis 13,0 Gew.-% Si, 0 bis 2,5 Gew.-% Mg, Rest Aluminium und Zufallsverunreinigungen, besteht, (b) zum Walzen auf beide Seiten der Anordnung eine zweite Schicht aus Aluminium anbringt, die im wesentlichen frei von elementaren Silizium ist und im wesentlichen aus max. 0,2 Gew.-% Ou, max. 0,7 Gew. -% ie, max 1,5 Gew.-% Mn, bis zu 1,0 Gew.-% Mg, wobei der Gesamtanteil von Mn plus Mg 1,5 °/° nicht übersteigt, und bis zu 3,0 Gew.-% Zn, Rest Aluminium und Zufallsverunreinigungen, besteht, (c) die Anordnung und die Walzenschicht zu einem Verbund durch Walzen bei einer Temperatur im Bereich von 454,4- bis 5100O (850 - 95O0S1) in einer Umkehrwalzstraße miteinander verbindet, und (d) den Verbund zu Hartlötblech in
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einer Durr.hlaiu'straße warn auswalzt.
2. Verfahren nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Verbund bei einer Temperatur im Bereich von 260 "bis 426,70O (500 bis GoO0F) im Durchlauf warm auswalzt.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Pe-Anteil in Schritt (a) in Bereich von 0,2 bis 0,45 Gew.-f:· hält.
4. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß man in Schritt (b) den Si-Anteil in der zweiten Schicht auf weniger als 0,2 Gexv.-/j hält.
5- Verfahren nach einen der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (b) die zweite Al-Schicht maximal 0,5 Gew.-/j Fe sowie O bis 0,3 Gew.-A> Mg enthält.
6. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt (c) den Verbund zu einer Dicke von 19,05 bis 38,1 mm (0,75 bis 1,5 in.) auswalzt.
7. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Aluminiumschicht im Schritt (b) bis zu 0,2 Gevr.-% mindestens eines der Elemente Bi, Pb und Sn enthält.
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8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß im Schritt (b) die Hartlötlegierungsschicht auf einer Seite des Knüppels bzw. Kerns vorgesehen wird.
9. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche zur Herstellung eines Al-Flußmittelhartlötblechs, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartlötlegierung im Schritt (a) im wesentlichen frei von Magnesium ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung eines Al-Ünterdruckhartlötblechs, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (a) die Hartlötlegierungsschicht bis zu 2,5 Gew.-^ Hg enthält.
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