DE3319440A1

DE3319440A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE3319440A1
Application number: DE19833319440
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Amagasaki Hyogo Abiko; Hiroshi Nagoya Aichi Irie; Teruo Kurachi; Yoshihiko Sugiyama; Teruo Uno
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1982-03-10
Filing date: 1983-05-28
Publication date: 1984-11-29
Also published as: GB2139246A; JPS58156197A; FR2547037B1; DE3319440C2; US4574878A; GB8312116D0; GB2139246B; FR2547037A1; BE896893A

Description

Anwaltsakte: 30 798

Beschreibung

. Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft insbesondere einen Wärmeaustauscher aus gewellten bzw. gerippten Leitblechen, die durch Hartlöten zu einer Einheit zusammengesetzt sind, wobei eine Aluminiumlegierung/ die eine übermäßige Diffusion von Silizium der Hartlötlegierung in die (gewellten bzw. gerippten) Leitbleche unterdrückt, für die Leitbleche verwendet wird, die als Durchlaß für ein unter sehr hohem Druck stehendes Fluid dienen.

üblicherweise ist eine AA3003-Legierung mit einer guten Hartlötbarkeit in großem Umfang als Leitblechmaterial (fin stock)in aus gewellten bzw. gerippten Leitblechen (plate fin) gebildeten Wärmeaustauschern verwendet worden, die durch Hartlöten mit Hilfe einer Aluminiumlegierung hergestellt worden sind. Wenn jedoch Leitbleche für eine Verwendung bei einem sehr hohen Druck von 55kg/cm²G oder mehr ausgelegt werden, ist die AA3003-Legierung wegen ihrer unzulänglichen Zug- bzw. Zerreißfestigkeit als Leitblechmaterial oder -werkstoff unangemessen. Für einen derart hohen Druck ist folglich anstelle, der AA3003-Legierung eine AA3004-Legierung verwendet worden. Die AA3004-Legierung hat annähernc

°Q eineinhalb mal so hohe Festigkeit wie die AA3003-Legierung und eine ausreichende Formbarkeit als Leitblechmaterial oder -werkstoff. Aus einer AA3004-Legierung hergestellte Leitbleche werden normalerweise bei einer Temperatur von 580 bis 610⁰C hartgelötet, wobei eine Aluminium-Silizium-Hart-

lötlegierung verwendet wird, die etwa 6,8 bis 13 Gewicht-% Silizium enthält. Beim Herstellen von hochdichten Wärmeaustauschern, bei welchen Leitbleche mit einer größeren Plat-

tendicke und mit einem feinen Riffelungsabstand verwendet werden, dauert es sehr lange Zeit, um die hart zu verlötenden Teile anzuheizen,und um dann alle bei der vorstehend angeführten Hartlöttemperatur gleichförmig zu heizen. Folglich kann es in hartverlöteten Teilen der Leitbleche, welche die Hartlöttemperatur bei einer· verhältnismäßig kurzen Heizzeit erreichen und in Kontakt mit geschmolzener Hartlötlegierung kommen und dann lange Zeit in dem Flüssigphasenzustand sind, eine unvorteilhafte, übermäßige Diffusion von Silizium, das in der Hartlötlegierung enthalten ist, in die Leitbleche vorkommen. Infolge der übermäßigen Diffusion wird die Breite einer Hartlötstelle nach und nach geringer, und die Festigkeit der Verbindung ist stark herabgesetzt.

Bezüglich der AA3004-Legierung, die als Leitblechmaterial verwendet worden ist, ist behauptet worden, daß Mg, das in dem Leitblech in einer Menge von annähernd 1 Gewicht-% enthalten ist, die Neigung hat, die Diffusion von in der Hartlötlegierung enthaltenem Silizium in das Leitblech zu fördern.

Gemäß der Erfindung soll daher ein Leitblechmaterial oder -werkstoff geschaffen werden, bei welchem die vorstehend beschriebene Schwierigkeit aufgrund einer übermäßigen Diffusion von Silizium beseitigt ist und die eine Kombination aus Festigkeit und Formbarkeit aufweist, die mit der der AA3004-Legierung vergleichbar ist, oder höher liegt. Ferner soll gemäß der Erfindung ein Wärmeaustaustauscher aus gewellten bzw. gerippten Leitblechen für einen Betrieb bei sehr hohem Druck geschaffen werden, bei welchem die verbesserten gewellten bzw. gerippten Leitbleche verwendet sind, so daß ein Schaden an hartgelöteten Stellen aufgrund der vorstehend angeführten Siliziumdiffusion bei Verwendung dieses Leitblechmaterials oder -werkstoffs beseitigt ist. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Wärmeaustauscher aus hartverlöteten, gewellten bzw. gerippten Leitblechen entsprechend den Merkmalen in Anspruch 1 bzw. Anspruch 2 erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Wärmeaustauscher/ welcher insbesondere, aber nicht ausschließlich für unter sehr hohem Druck stehende Fluida verwendet wird, durch Hartlöten hergestellt, wobei gewellte bzw. gerippte Leitbleche verwendet sind, die aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sind, die im wesentlichen aus 0,3 bis 1,0 Gewicht-% Si, 0,05 bis 0,25 Gewicht-% Cu, 0,6 bis 1,5 Gewicht-% Mn, und 0,45 bis 0,9 Gewicht-% Mg besteht, wobei der Rest Aluminium und Fremdstoffe sind, wobei wiederum die Fremdstoffe bis zu 0,8 Gewicht-% Fe enthalten. Ferner kann außer der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung die erfindungsgemäße Legierung auch noch zumindest eine Komponente enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 0,05 bis 0,25 Gewicht-% Cr, 0,01bis 0,25 Gewicht-% Ti, 0,03 bis 0,25 Gewicht-% Zr und 0,01 bis 0,25 Gewicht-% V besteht· Das Leitblechmaterial oder der -werkstoff gemäß der Erfindung weist die sehr vorteilhafte Wirkung auf, daß die übermäßige Diffusion von in dem Hartlötmaterial enthaltenem Silizium in die Leitbleche während des Hartlötens verhindert ist, und daß es bzw. er in Festigkeit und Formbarkeit mit der AA3004-Legierung vergleichbar ist oder besser als diese ist»

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von' bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig„1 eine perspektivische Ansicht eines Prüf- oder Versuchsaufbaus mit gewellten bzw. gerippten

Leitblechen gemäß der Erfindung;

Fig.2 eine Schnittansicht eines charakteristischen Teils des Prüfaufbaus der Fig„1;

Fig.3 eine Mikrophotographie, in welcher eine Mikro-

struktur einer hartgelöteten Stelle zwischen einer Hartlötlegierung und einem Leitblech

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gemäß der Erfindung 50-fach vergrößert ist,

und

Fig.4 eine Mikrophotographie, in welcher eine Mikrostruktur einer hartgelöteten Stelle zwischen

einer Hartlötlegierung und einem Vergleichsleitblech 50-fach vergrößert ist.

Wie vorstehend bereits ausgeführt, schafft die Erfindung einen Wärmeaustauscher, der unter sehr hohem Druck verwendbar ist, wobei eine besonders gesteuerte Aluminiumlegierung als Leitblechmaterial oder -werkstoff verwendet wird. Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein Aluminiumlegierungs-Leitblechmaterial geschaffen, das im wesentlichen aus 0,3 bis 1,0 Gewicht-% Si, 0,05 bis 0,25 Gewicht-% Cu, 0,6 bis 1,5 Gewicht-% Mn und 0,45 bis 0,9 Gewicht-% Mg besteht. Der Rest ist Al und Fremdstoffe, wobei die Fremdstoffe bis zu 0,8 Gewicht-% Fe enthalten. Auch in der zweiten Ausführungsform Erfindung enthält außer der Legierungszusammensetzung der ersten Ausführungsform das Legierungsleitblechmaterial zumindest ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 0,05 bis 0,25 Gewicht-% Cr, 0,01 bis 0,25 Gewicht-% Ti, 0,03 bis 0,25 Gewicht-% Zr und 0,01 bis

0,25 Gewicht-% V besteht.
25

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung muß der Zusammensetzungsgrenzwert des vorstehend beschriebenen Aluminiumlegierungs-Leitblechmaterials sehr eng eingehalten werden, um die durch die Erfindung angestrebten Ergebnisse zu erreichen. Die Funktion jeder Komponente und der Grund, warum jede Komponente auf den angeführten Gehaltsbereich begrenzt ist, werden nachstehend beschrieben.

Si hat in Verbindung mit Mg die Wirkung, die Festigkeit zu erhöhen; ferner wird, da Si in dem Leitblech den Si-Konzentrationsgradienten zwischen dem Leitblech und der Hartlötlegierung vermindert, eine übermäßige Diffusion von Si, das in einer Hartlötlegierung enthalten ist, in das Leitblech

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~* 7 —

unterdrückt. Wenn Si in einer Menge von weniger als 0,3 Gewicht-% vorhanden ist, werden die vorstehend angeführten Wirkungen nicht erreicht. Andererseits wird mit einem Si-Gehalt von mehr als 1,0 Gewicht-% der Schmelzpunkt auf einen unannehmbaren Wert erniedrigt.

Cu hat die Wirkung, die Festigkeit zu verbessern. Wenn jedoch der Gehalt an Cu kleiner als 0,05 Gewicht-% ist, kann diese Wirkung nicht erreicht werden. Dagegen erniedrigt ein Cu-Gahlt von mehr als 0,25 Gewicht-% die Korrosionsbeständigkeit und die Lötbarkeit.

Mn hat die Wirkung, nicht nur Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, sondern auch die Hartlötbarkeit zu verbessern. Bei einer Mn-Menge von weniger als 0,6 Gewicht-% kann die Wirkung nichtin ausreichender Weise erreicht werden. Bei einem Gehalt an Mn von mehr als 1,5 Gewicht-% wird eine unvorteilhaft große Al-Mn-Verbindung gebildet, was ein Schlechterwerden der Walzbarkeit zur Folge hat, wodurch

*® wiederum die Herstellung von (gewellten) Leitblechen schwierig wird.

Mg ist eine wesentliche Komponente, um die Festigkeit auf einen geforderten Wert zu erhöhen. Wenn jedoch der Gehalt an Mg kleiner als 0,45 Gewicht-% ist, kann diese Wirkung nicht erreicht werden, während ein Mg-Gehalt von mehr als 0,9 Gewicht-% die Konzentration von Si in der Hartlötlegierung merklich vermindert, indem Mg₃Si mit Si in der Hartlötlegierung gebildet wird, wodurch die Lötbarkeit schlechter

.,
wird.

Fe ist ein Fremdstoff bzw. eine Verunreinigung und ein übermäßiger Gehalt sollte vermieden werden. Jedoch verbessert

ein Gehalt an Fe von 0,8 Gewicht-% oder weniger die Festig-35

keit und dieRückseiten-Festigkeit bei höheren Temperaturen.

Wenn die vorstehend beschriebene Aluminiumlegierung als

— P —

Leitblechmaterial oder -werkstoff verwendet wird/ kann ohne weiteres ein Wärmeaustauscher geschaffen werden, der bei einem unter sehr hohem Druck durchgeführten Betrieb verwendet wird, und welcher eine hohe Festigkeit hat, die der von Wärmetauschern vergleichbar ist, oder höher liegt, bei welchen das aus der AA3004-Legierung hergestellte Leitblech verwendet wird, welches infolge einer guten Hartlötbarkeit ausgezeichnete hart gelötete Verbindungsstellen aufweist.

In der zweiten Ausführungsform der Erfindung enthält zusätzlich zu der oben wiedergegebenen Zusammensetzung der ersten Ausführungsform ein Legierungs-Leitblechmaterial ferner zumindest ein Element, das aus der Gruppe von 0,05 bis 0,25 Gewicht-% Cr, 0,01 bis 0,25 Gewicht-% Ti, 0,03 bis 0,25 Gewicht-% Zr und 0,01 bis 0,25 Gewicht-% V ausgewählt ist.

Cr und V haben die Wirkung, die Festigkeit in dem oben genau festgelegten Gehaltbereich zu verbessern. Wenn der Gehalt dieser Komponenten unter dem oben angegebenen Grenzwert liegt, wird diese Wirkung nicht erhalten. Andererseits bilden Mengen an Cr und V, die höher als die oberen Grenzwerte liegen, Riesenverbindungen, was ein unbrauchbares Leitblechmaterial zur Folge hat.

Ti hat die Wirkung einer Verfeinerung der Struktur des Blockmetalls bzw. des Rohblocks und erhöht die Festigkeit. Wenn jedoch der Gehalt an Ti kleiner als 0,01 Gewicht-% ist, können die Wirkungen nicht erhalten werden. Ein Gehalt Ti von mehr als 0,25 Gewicht-% hat Oberflächenfehler in dem Aluminiumlegierungs-Leitblechmaterial zur Folge.

Zr hat die Wirkung,die Festigkeit, insbesondere die Festigkeit bei höheren Temperaturen und die rückseitige Festigkeit (backling resistance) zu verbessern. Diese Wirkung ist insbesondere bei Leitblechmaterial sehr wichtig, das bei Anlegen einer Belastung auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die nahe bei, aber unter dem Schmelzpunkt des Leitblechmaterials liegt. Wenn der Gehalt an Z r kleiner als 0,03 Gewicht-% ist,

kann diese Wirkung nicht erreicht werden, und wenn der Gehalt 0,25 Gewicht-% überschreitet, werden unerwünscht große intermetallische Verbindungen während des Gießens gebildet, wodurch die Eigenschaften des Leitblechmaterials schlechter werden.

Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden eine höhe Festigkeit (eine Zugfestigkeit von 16kg/m² oder höher) und eine Formbarkeit, die ausreicht, um Leitbleche zu formen, er-

IQ reicht, indem zumindest ein Element hinzugefügt wird, das aus der Gruppe ausgewählt worden ist, das aus den vorerwähnten Komponenten, d.h. Cr, V, Ti und Zr, in der Zusammensetzung der ersten Ausführungsform besteht, ohne daß die Korrosionsbeständigkeit und Hartlötbarkeit in irgendeiner Weise schlechter wird. Ferner dienen die Elemente der zweiten Ausführungsform, nämlich Cr, V, Ti und Zr dazu, eine übermäßige Siliziumdiffusion von Hartlötmaterial im Zustand der Flüssigphase in das Leitblech zu unterdrücken, und die Abnahme der Festigkeit an den hartgelöteten Stellen, die durch eine lange Lötzeit hervorgerufen worden sind, wie im Falle des herkömmlichen Leitblechmaterials zu beseitigen.

Um die Erfindung und die davon abgeleiteten Vorteile zu verstehen, werden nachstehend Beispiele beschrieben. In Tabelle 1 sind Legierungszusammensetzungen für Leitblechmaterialien oder -werkstoffe gemäß der Erfindung zum Vergleich zusammen mit Legierungszusammensetzungen dargestellt, die kein Cu enthalten, welches eine wesentliche Komponente bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist.

Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung (in Gewicht-%)

Nr. Si₁ Cu Mn Mg. 9£ Ii ' Zr. -Y_ ££ bk

1 0,89 0,22 0,82 0,68 <0,01 0,01 <0,01 <0,01 0,24

2 0,75 0,15 0,95 0,73

3 0,7 0,15 1,15 0,64 " " ■· " 0,35

4 0,5 0,20 1,3 0,52 "

5 0,66 0,18 1,2 -0,75 " " " " 0,4

6 0,43 0,10 ·1,4 0,8 2 " " " " 0,20

7 0,66 0,24 1,2 0,7 " " " " 0,38

8 " " " 0,65 0,08 ^ll " " 0,4

9 " " " " <0,01 " 0,08

10 " " " " " 0.05 <0.01

11 0,75 0,20 1,1 0,78 " <0,01 " 0,10

12 " " " " 0,10 " 0,08 <0,01

13 " " " ^H 0,09 " <0,01 0,08

14 " " " " <0,01 0,05 0,08 <0,01

15 0,60 " 1,3 0,50 " <0,01- 0,10 0,08

16 " " " " 0,08 0,05 0,70 <0,01

17 " 0,15 " " 0,07 <0,01 0,09 0,08

18 " " " " " " 0,05 0,08 0,07

19 0,5 <0,01 1,2 0,6 <0,01 0,01 0,15 <0,01 0,33

20 0,8 " 1,1 0,4 " " <0,01 0,07 0,28

Anmerkungen: Nr. 1 bis 18 Legierungen gemäß der Erfindung Nr.19 und 20 Legierungen zum Vergleich

- 11-

Prüf- oder Versuchsaufbauten des in Fig.1 und 2 dargestellten Wärmeaustauschers wurden mit Hilfe von gewellten bzw. gerippten Leitblechen geschaffen, die aus den in Tabelle 1 aufgeführten Legierungen hergestellt sind. Hierbei zeigt Fig.1 eine perspektivische Ansicht des Prüf- oder Versuchsaufbaus und Fig.2 eine Schnittansicht eines wichtigen Teils. Bei der Herstellung des Versuchsaufbaus wurden gewellte bzw. gerippte Leitbleche 2, welche eine Welligkeitshöhe von 6,35 mm, eine Plattendicke von 0,61mm und ein Perforationsmaß von 2,5 % hatten und 7 Rippen/cm (18 Rippen/Inch) hatten, zwischen Separator- oder Trennplatten 1 aus Hartlötblech mit einer Hartlöt-Legierungsauflage 3 unter den Lötbedingungen bei einer Flußtemperatur von 595⁰C und einer Eintauchdauer in den Fluß von 120min hartgelötet. Bezugszeichen 4, 5 und

¹^ 6 bezeichnen einen Abstandsstab, einen Prüffluiddurchlaß bzw. einen Schein- oder Blindfluiddurchlaß. Nach dem Fertigstellen jedes Versuchsaufbaus durch "Flußtauchlöten" wurde die Bruchfestigkeit infolge des Innendrucks geprüft; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Zum Vergleich wurde ein Prüfwärmeaustauscher mit AA3 004-Legierungen als Leitblechmaterial getestet, und die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 2 aufgeführt.

—. 1 O „

= 12 = le i

Rippenstapel (Legierungs-Nr.)	Druck beim Bruch (kg/cm² G)	Erster gebroche ner Teil
1	526
2	518	Il
3	518	Il
4	522	Il
5	520	Il
6	525	Il
7	520	Il
8	522	It
9	520	Il
10	524	Il
11	Il	It
12	526	Il
13	528	It
14	Il	Il
15	ti	Il
16	Il	Il
17	"530	Il
18 19	535 460	Il Hartgelötete Ver bindung
20	464	Il
AA3004	4 50	It

13

I- Wie aus den vorstehend wiedergegebenen Ergebnissen zu ersehen ist, haben im Falle der Verbindung hartgelötete Verbindungsstellen von Prüfaufbauten alle eine sehr hohe Bruchfestigkeit, die über der Bruchfestigkeit von Leitblechen liegt, und somit kommen Brüche zuerst in den Leitblechen vor.

Ferner wurde der Diffusionszustand von in der Hartlötlegierung enthaltenem Silizium in die Leitbleche an dem Versuchsaufbau geprüft, bei dem· Leitbleche verwendet wurden, die aus Leitblechmaterial der Legierung Nr. 18 hergestellt worden sind, und es wurde eine in Fig.3 dargestellte Mikrophotographie mit 50-facher Vergrößerung erhalten. Wie in Fig.3 dargestellt, wurde ein gewünschte MikroStruktur erhalten, bei welcher Silizium der Hartlötlegierung in mäßigem Umfang in die Leitbleche diffundierte. Wenn als Leitblechmaterial eine AA3004-Legierung verwendet wurde, diffundierte übermäßig viel Silizium der Hartlötlegierung in das Leitblech.

Bei der Fertigung eines Wärmeaustauschers erfordert das Hartlöten mehr Zeit als im Falle der Herstellung des vorstehend beschriebenen Versuchsaufbaus. Folglich wird die Diffusion von Silizium noch stärker beobachtet. Aus den vorstehenden Beispielen ist klar zu ersehen, daß der Wärmeaustauscher gemaß der Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Wärmeaustauscher, bei welchem AA3004 verwendet wird, eine sehr höhe Festigkeit sowohl in den hartgelöteten Verbindungsstellen als auch in dem Leitblechteil hat. Somit ist gemäß der Erfindung ein Wärmeaustauscher mit einer höheren Druckfestig-

³^ keit als der herkömmliche Wärmeaustauscher geschaffen, und die hohe Druckfestigkeit gemäß der Erfindung geht über 500 kg/cm²G hinaus, was die Herstellung von Wärmeaustauschern mit einer hohen Druckfestigkeit möglich macht, die auch in Anwendungsfällen mit einem sehr hohen Druck verwendbar sind.

Ende der Beschreibung

Claims

BER^- -STAPF ■ SCHWABE · SANDMAIR

PATENTANWÄLTE 3 3 1 9 A A O

MAUERKIRCHERSTRASSE 45 8000 MÜNCHEN 80

Anwaltsakte: 30 798

Sumitomo Precision Products Co.,Ltd. Hyogo/Japan

Wärmeaustauscher

Patentansprüche

Wärmeaustauscher aus hartverlöteten gewellten bzw. gerippten Leitblechen für einen Betrieb bei sehr hohem Druck, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellten bzw. gerippten Leitbleche (2) des Wärmeaustauschers aus einer Legierung hergestellt sind, die im wesentlichen aus 0,3 bis 1,0 Gewichts-% Si, 0,05 bis 0,25 Gewicht-% Cu, 0,6 bis 1,5 Gewicht-% Mn und 0,45 bis 0,9 Gewicht-% Mg besteht, wobei der Rest Aluminium und Fremdstoffe sind, wobei die Fremdstoffe bis zu 0,8 Gewicht-% Fe enthalten.
2. Wärmeaustauscher aus hartverlöteten gewellten bzw. gerippten Leitblechen für einen Betrieb bei sehr hohem Druck, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellten bzw. gerippten Leitbleche (2) des Wärmeaustauschers aus

• - 2 VII/XX/Ha

» (089) 9882 72-74 Telex: 0524560 BERG d Bankkonten: Baver. Vereinsbank Miinrhpn «lifinmi 7 rnnirn in.

einer Legierung hergestellt sind, die im wesentlichen aus 0,3 bis 1,0 Gewicht-% Si, 0,05 bis 0,25 Gewicht-% Cu, 0,6 bis 1,5 Gewicht-% Mn, 0,45 bis 0,9 Gewicht-% Mg besteht, und daß mindestens eine Komponente aus der Gruppe gewählt ist, die aus 0,05 bis 0,25 Gewicht-% Cr, 0,01 bis 0,25 Gewicht-% Ti, 0,03 bis 0_y25 Gewicht-% zr und 0,01 bis 0,25 Gewicht-% V besteht, wobei der Rest Aluminium und Fremdstoffe sind, wobei wiederum die Fremdstoffe bis zu 0,8 Gewicht-% Fe enthalten.