DE3027768C2 - Plattierter Werkstoff aus Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Wärmeaustauschern - Google Patents

Plattierter Werkstoff aus Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Wärmeaustauschern

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Description

Die Erfindung betrifft einen plattierten Werkstoff aus Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Wärmeaustauschern, die als Wärmeaustauschmedium eine korrodierende Flüssigkeit enthalten können.
Plattierte Werkstoffe aus Aluminiumlegierungen zui Herstellung von Wärmeaustauschern sind aus »Aluminium-Taschenbuch«, 1974, Seite 218, bekannt Die Verwendung dieser bekannten Werkstoffe ist jedoch im allgemeinen auf die Herstellung von Wärmeaustauschern in Küfern und Kühlgeräten beschränkt deren Wärmeaustauschflüssigkeiten nicht korrodierend wirken, wie z. B. Freon. Ist die Wärmeaustauschflüssigkeit hingegen korrodierend, wie z. B. das Wasser von Automobilkühlern, das unvermeidlich korrodierende Stoffe gelöst enthält dann tritt in den aus Aluminiumlegierungen hergestellten Durchlaufkörpern, beispielsweise den Platten, Rohren oder Rahmen von Wärmeaustauschern, eine beträchtliche Lochfraßkorrosion auf und es besteht die Gefahr, daß die Wärmeaustauschflüssigkeit ausläuft
Eine wirksame Maßnahme gegen derartige Schäden ist die Verhinderung der Korrosion durch Verwendvng von Spenderanoden, die im allgemeinen aus Legierungen auf Al-Zn-Basis bestehen. Bei der Herstellung von Wärmeaustauschern aus solchen Legierungen auf Al-Zn-Basis unter Anwendung von Lötverfahren in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre und unter vermindertem Druck, beispielsweise von Lötverfahren, die unter Vakuum oder unter geregeltem Druck durchgeführt werden, verdampft das Zink während des Löten wodurch der Spenderanodeneffekt beeinträchtigt wird. Die Verwendung derartiger Legierungen auf Al-Zn-Basis für die Herstellung von Wärmeaustauschern ist daher bei Anwendung dieser Lötverfahren, die gegenüber anderen Verfahren wesentliche technische Vorteile in Bezug auf Produktivität und Verhinderung einer Luftverschmutzung bieten, ungünstig.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, zur Herstellung von Wärmeaustauschern Legierungen auf Al-Sn-Basis zu verwenden, welche die oben genannten Nachteile nicht besitzen. Dabei treten jedoch Probleme in Bezug auf die schlechte Verarbeitbarkeit dieser Legierungen aufgrund einer unerwünschten Korngrenzendiffusion und einer gelegentlichen Korngrenzenkorrosion von Sn auf.
Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Werkstoff zu finden, der für die Herstellung auch solcher Wärmeaustauscher geeignet ist, die für die Aufnahme von korrosiven Wärmeaustauschmedien geeignet sind, der unter Anwendung der üblichen Lötverfahren verarbeitet werden kann, ohne daß dabei technische oder Umweltschutzprobleme auftreten.
Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst werden kann mit einem plattierten Werkstoff aus Aluminiumlegierungen, bei dem die Kernlegiörung aus einer spezifischen Al-Mg-Legierung und die Legierung der Plattierschicht aus einer spezifischen Al-Mg-Legierung besteht
Gegenstand der Erfindung ist ein plattierter Werkstoff aus Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Wärmeaustauschern, der dadurch gekennzeichnet ist daß die Kernlegierung aus 0,01 bis 2% Magnesium und Aluminium als Rest besteht und die Legierung der Plattierschicht aus 0,02 bis 04% Zinn, 0,02 bis 2% Magnesium und Aluminium als Rest besteht
Der erfindungsgemäße plattierte Werkstoff eignet sich hervorragend für die Herstellung von Wärmeaustauschern, auch solchen, die für die Aufnahme von korrosiven Wärmeaustauschmedien vorgesehen sind, ist gegen Lochfraßkorrosion beständig und bringt bei der üblichen Verarbeitung unter Anwendung von Lötverfahren keinerlei technische oder Umweltschutzprobleme mit sich.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die ^einlegierung des plattierten Werkstoffes zusätzlich mindestens einen der Bestandteile 0,01 bis 2% Mangan, 0,01 bis 2% Silicium, 0,01 bis 0.5% Chrom, 0,01 bis 0,5% Kupfer und 0,01 bis 0,5% Zirkonium, und die Legierung der Plattieischicht des plattierten Werkstoffs enthält zusätzlich mindestens einen der Bestandteile 0,05 bis 3% Zink, 0,01 bis 0,5% Titan, 0.02 bis 1 % Indium und 0,02 bis 1 % Gallium.
Umfangreiche Korrosionstests mit dem erfindungsgemäßen plattierten Werkstoff haben gezeigt, daß dieser gegen Lochfraßkorrosion außerordentlich beständig ist und daher für die Herstellung von Durchlaufkörpern, wie z. B. Platten, Rohren od?.r Rak.:;>sn, von Wärmeaustauschern verwendet werden kann. Er ist ferner gut bearbeitbar und formbar bei der Herstellung der Durchlaufkörper von Wärmeaustauschern. Der erfindungsgemäße Werkstoff ist nicht nur für die Herstellung von Konstruktionsteilen der Wärmeaustauscher in Kühlern und Kühlgeräten verwendbar, in denen nicht-korrodierende Wärmeaustauschflüssigkeiten verwendet werden, sondern er eignet sich auch für die Konstruktionsteile von Wärmeaustauscherkernen in Automobilkühlern, ölkühlern und Sonnenwärmekollektoren.
Das in der Plattierschicht enthaltene Zinn dient dazu, die Plattierschicht in der Wärmeaustauschflüssigkeit anodisch zu machen, so daß die Plattierung einen Spenderanodeneffekt ausübt. Dadurch wird die Korrosion der Kernlegierung, der Rippen und anderer Wärmeaustauscherkonstruktionsteile, die mit der Wärmeaustauschflüssigkeit in Kontakt kommen, wirksam verhindert. Liegt der Sn-Gehalt in der Plattierschicht unter 0,02 Gew.-%, wird der gewünschte Korrosionsverhinderungseffekt nicht erzielt, liegt er über 0,5Gew.-%, treten unerwünschte Effekte auf, beispielsweise eine Verkürzung der Dauer des Korrosionsverhinderungseffektes aufgrund einer schnelleren Eigenkorrosion.
Magnesium ist sowohl in der Kernlegierung als auch in der Legierung der Plattierschicht enthalten. Zusammen mit Sn bildet es in der Plattierschicht Mg2Sn, das die Diffusion von Sn erschwert, so daß die ansonsten auftretenden Nachteile von Sn, nämlich die unerwünschte Korngrenzendiffusion und Rißbildung in der
Plattierung während eines Warmwalzprozesses zuverlässig verhindert werden. Da Magnesium einen hohen Dampfdruck hat, wird es im Ofen verdampft Die Folge davon ist, daß Magnesium, das in der Plattierungsschicht vor dem Löten in nicht-oxidierender Atmosphäre in Form von Mg2Sn vorliegt, während des Lötens verdampft, so daß Sn im Aluminium ausgefällt wird und der Plattierungsschicht einen Spenderanodeneffekt verleiht
Das der Kt-alegierung zugesetzte Magneskim unterdrückt ebenfalls die unerwünschte Sn-Korngrenzendiffusion und damit auch die unerwünschte Rißbildung während des Warmwalzens und der Bearbeitung sowie die unerwünschte Korngrenzenkorrosion.
Wenn die der Kernlegierung und der Legierung der Plattierschicht zugegebenen Mg-Menge unterhalb der Mindestmenge liegt können die erwähnten Effekte nicht in ausreichendem Maße erzielt werden. Liegt die Mg-Menge andererseits über der angegebenen Höchstmenge, dann verdampft das nahe an der Oberfläche jeder Schicht gelegene Mg nicht in ausreichendem Maße und der Spenderanodeneffekt nimmt dadurch ab.
Bei der vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verbessern die der Plattierung zugesetzten Elemente Zn, In und Ga den Spenderanodeneffekt von Sn, während Ti die Bearbeitbarkeit der Legierung der Plattierschicht verbessert Liegen die Anteile dieser Zusätze unter den angegebenen Minimalwerten, können diese Effekte nicht erzielt werden. Werden die angegebenen Maximalwerte überschritten, kann eine schnellere Eigenkorrosion eintreten.
Die der Kernlegierung zugesetzten Metalle Si und Cu machen das Potential der Kernschicht kathodisch und erhöhen die Festigkeit derselben. Auch durch Cr, Mn und Zr wird die Festigkeit der Kernschicht erhöht Liegt der Anteil dieser Zusätze unter den angegebenen Minimalwerten, können die erwähnten Effekte nicht erzielt werden, während dann, wenn die angegebenen Maximalwerte überschritten werden, sowohl die Plattierung als auch die Kernschicht selbst für Korrosion anfällig werden. Insbesondere verursacht die übergroße Menge an Mn, Cr oder Zr Schäden in diesen Schichten, da sich in großem Umfange intermetallische Verbindungen bilden.
Bei Wärmeaustauschern, die aus dem erfindungsgemäßen plattierten Werkstoff durch Löten in nicht-oxidierender Atmosphäre und unter vermindertem Druck hergestellt werden, wirkt die zinnhaltige Aluminium-Legierung in der Nähe der Oberfläche der Platt>erungsschicht als Spenderanode, da sie anodischer ist als die Kernschicht, die Rippew aus Legierungen auf Al-Si-Basis sowie andere Wärmeaustauscherteile, die aus korrosionsbeständigen Aluminiumlegierungen, beispielsweise aus Legierungen auf Al-Mg- oder AI-Mn-Basis oder Aluminium gefertigt sind. Die Folge davon ist, daß eine Lochfraßkorrosion der Kernschicht und anderer Wärmeaustauscher-Konstruktionsteile wirksam verhindert wird.
Die Erfindung wird nachstehend unier Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
F i g. 1 den Korrosionsverhinderungseffekt eines erfindungsgemäßen plattierten Werkstoffes in einem Wasserrohr; und
F i g. 2 den Korrosionsverhinderungseffekt eines erfindungsgemäßen plattierten Werkstoffes in einer Wasserkammer.
Die Fig. 1 zeigt einen Korrosions-Wärmeaustau scher-Durchlaufkörper 3, beispielsweise ein Wasserrohr in einem Automobilkühler, der unter Verwendung eines erfindungsgemäßen plattierten Werkstoffes aus einer Plattierung 1 und einer Kernschicht 2 hergestellt ist In dem Durchlaufkörper 3 fließt ein Korrosionsstrom 5 zu einem korrodierten Teil 4 von der zinnhaltigen Aluminium-Legierung der Plattierung 1 in der Nähe des korrodierten Teils 4, so daß sich die Korrosion in Richtung der Oberfläche der Plattierung 1 ausdehnt, ohne jedoch zu einer Lochfraßkorrosion zu werden. Dadurch wird die Lebensdauer des Korrosions-Wärmeaustauscher-Durchlaufkörpers 3 beträchtlich verlängert
Die F i g. 2 zeigt eine Wasserkammer eines Automobilkühlers, die aus einem erfindungsgemäßen plattierten Werkstoff mit einer Plattierung 1 und einer Kernschicht 2 hergestellt ist An die Wasserkammer ist ein Wasserrohr 6 aus einem anderen Material angeschlossen. In diesem Falle dient die Plattierung 1 der Verhinderung einer Korrosion der Kernschicht 2 v/ie beim Durchlaufkörper 3 der Fig. 1. Zu dem Wasserrohr 6 fließt ein Korrosionsstrom 5a von der Plattierung 1 in der Nähe des Wasserrohres 6, wodurch auch dessen Lebensdauer erheblich verlängert wird.
In der nachfolgenden Tabelle I sind rleispiele für erfindungsgemäße Plattierungsschichten sowie ihre jeweilige Zusammensetzung angegeben. In der weiter unten folgenden Tabelle II sind Beispiele für erfindungsgemäße Kernschichten und ihre jeweilige Zusammensetzung angegeben.
Die Beispiel A6 bis A8 sowie B6 bis B8 dienen zum Vergleich mit den erfindungsgemäSen Beispielen. Der Hauptbestandteil der Plattierungen und Kernschichten, die in diesen Tabellen aufgeführt sind, ist Aluminium.
Tabelle I (Plattierlegierung)
35 Nr. Zusammensetzung (Gew.-%) Mg Zn Ti Mn Si Cr In Ga
Sn 0,04 02
Al 0,04 0,1 - 0,1 — —
A2 0,06 0,2 - - 0,1 —
40 A3 0,06 0,4 - - — 0,1
a: 0,1 0,8 0,1 0,05 — 0,05
A5 0,4 0,5
A6 _ _ _ — —
45 A7 0,1 2,0 — —
A8 1,0 II (Kernlegierung)
Tabelle Zusammensetzung (Gew.-%)
50 Nr. Mg Cu Zr
Bl 1,5 — — — —
B2 1,0 0,5 — 0,1 —
55 B3 0,5 — — — —
B4 0,5 1,0 0,5 _ 0,1
B5 0,03 1,5 — 0,1 0,2
B6 0,1 0,1
60 B7 — 1,0 0,2 1,0 —
B8 3,0 0,1
0,2
In Tabelle IH sind die Ergebnisse von Potentialmessungen an den obigen Plattierungen und Kernschichten zusammengestellt. Die Messungen wurden unter Verwendung einer 10-fach konzentrierten ASTMD 2570-Testflüssigkeit (lOCO ppm Cl-, SO4 2-, HCO3-) durchgeführt.
Tabelle HI
Nr. 85° C
Potential (V) Raumtemperatur
Al
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
BI
B2
B3
B4
B5
B6 B7 B8
-0,90 -0,92 -0,96 -0,98 -036
-0,65 -053 -0,94
-0,65 -0.65 -0,64 -0,65 -0,64
-0,69 -0,68 -0,71
-1,4 -1,4 -1,4 -1,4 -1,4
-1.2 -1,4 -1,4
-1.2 -1,1 -1,1 -1,1 -1,0
-1.4 -U -U
Die Tabelle IV zeigt die Testergebnissc bezüglich der Diffusionstiefe von Sn in jede Kernschicht eines 1 mm dicken plattierten Werkstoffes aus Kombinationen der in den Tabellen I und II aufgeführten Plattierungen bzw. Kernschichten, wenn dieser plattierte Werkstoff walzplattiert und bearbeitet wurde. In der Tabelle IV ist die Sn-Diffusionstiefe als die Entfernung von der Grenze zwischen Plattierung und Kernschicht bis zu dem Punkt in der Kernschicht angegeben, an dem die Sn-Konzentration 0,01 Gew.-% beträgt. Die Beipiele Cl 3 bis C20 sind Vergleichsbeispiele.
Tabelle IV Kern Walzplattierungs- Tiefe der _ 8G
Nr. schicht Verhalten Sn-Diffu- >400
Kombination von sioi: L d. 200
Plattie B3 Kernschicht 100
rung B3 gut 30 500
Cl B4 gut 30 15
C2 Al B4 gut 20
C3 A2 B4 gut 25
C4 A3 BI gut 30
C5 A4 B2 gut 15
C6 A5 B3 gut 20
C7 A3 B4 gut 20
C8 A3 B5 gut 30
C9 A3 B2 gut 50
C10 A2 B5 gut 20
CIl A2 B3 gut 50
Cl 2 A4 B3 gut
C13 A4 Beträchtliche
C14 A6 B3 Kantenrisse
A7 B6 Kantenrisse
Cl 5 B7 gut
C16 A8 B8 gut
C17 A3 B6 gut
C18 A3 B7 gut
ClS A3 Beträchliche
C20 A6 Kantenrisse
A7
Mit den in Tabelle IV aufgeführten Werkstoffen wurden Korrosionstests durchgeführt, die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengestellt.
Tabelle V
Nr. 10 Plattie- Maximale Korrosionstiefe
rungs- Alternierender Hochtempe-
verhältnis Naß-Trocken- ratur-
(%) Test Zirkulation
C2
C3
C5
C6
C7
CS
C9
CIl
C12
C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20
10
10
10
10
10
10
10
i0
10
10
5
15
10
10
10
10
10
10
25
30
50 <40
50 <40
40 <40
40 <40
40 <40
40 <40
50 <40
50 <40
60 <40
70 <40
40 <40
80 <40
400 >4Ο0
110 180
200 210
200·) 360*)
240·) 260·)
180 320
*οο·) >400#)
260 140·)
·) Korngrenzenkorrosion.
Die alternierenden Naß-Trocken-Tests der Tabelle V wurden durchgeführt, indem jeder plattierte Werkstoff 30 min in dnc 5%:ge NaC!-Lösung mit pH 3 eingetaucht und dann mit einem Luftgebläse bei 500C getrocknet wurde. Dieses Verfahren wurde ohne Unier- brechung 1 Monat lang durchgeführt und für jeden plattierten Werkstoff wurde die maximale Korrosionstiefe gemessen.
Die Hochtemperatur-Zirkulationstests wurden gemäß ASTMD 2570 durchgeführt, die Testlösung wurde
« 10-fach konzentriert
Die erfindungsgemäßen Werkstoffe weisen den besten Korrosionsverhinderungseffekt auf, wenn in nichtoxidierender Atmosphäre und unter vermindertem Druck gelötet wird, z. B. im Vakuum unter 13· 10-7 bar.
Wird jedoch bei geregeltem Druck gelötet, z. B. bei 13-10-4 bis 1,3-10-3 bar in N2-Atmosphäre, dann zeigen die Werkstoffe einen ebenfalls stark verbesserten Korrosionsverhinderungseffekt Wird bei Atmosphärendruck gelötet, dann haben die Werkstoffe im Ver- gleich zu herkömmlichen nackten, nicht-plattierten Werkstoffen einen deutlichen korrosionsverhindernden Effekt der allerdings nicht besser ist als in den beiden oben angeführten Fällen. Werden also die erfindungsgemäßen Werkstoffe verwendet dann ist das Löten im Vakuum oder bei geregeltem Druck zu empfehlen. Jedoch ist auch normales Löten bei Atmosphärendruck durchführbar. Die erfindungsgemäßen Werkstoffe können auch in nicht-gelöteten Wärmeaustauschern, so z. B. in zusammengebauten Wärmeaustauschern, verwendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

10 Patentansprüche:
1. Plattierter Werkstoff aus Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Wärmeaustauschern, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernlegierung aus 0,01 bis 2% Magnesium und Aluminium als Rest besteht und die Legierung der Plattierschicht aus 0,02 bis 0,5% Zinn, 0,02 bis 2% Magnesium und Aluminium als Rest besteht
2. Plattierter Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernlegierung zusätzlich mindestens einen der Bestandteile 0,01 bis 2% Mangan, 0,01 bis 2% Silicium, 0,01 bis 0,5% Chrom, 0,01 bis 0,5% Kupfer und 0,01 bis 0,5% Zirkonium ent- η hält, und daß die Legierung der Plattierschicht zusätzlich mindestens einen der Bestandteile 0,05 bis 3% Zink, 0,01 bis 0,5% Titan, 0,02 bis 1% Indium und 0,02 bis 1% Gallium enthält
20
DE3027768A 1979-07-23 1980-07-22 Plattierter Werkstoff aus Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Wärmeaustauschern Expired DE3027768C2 (de)

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