DE3510949A1 - Aluminiumlotlegierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlotlegierung für
das Löten mit und ohne Flußmittel.

In jüngster Zeit hat man in zunehmendem Maße Wärmeaustauscher vom Stapeltyp (plate fin type heat exchangers) verwendet, die mit einer Aluminiumlegierung gelötet wurden, um eine hohe Druckfestigkeit zu erreichen. Bei derartigen Wärmeaustauschern, die vor allem für natürliche Gase verwendet werden, besteht ein großes Bedürfnis hinsichtlich der Verbesserung der Druckfestigkeit. Die vor-

; 35109A9

liegende Erfindung betrifft eine neue Aluminiumlotlegierung. Mit dieser Lotlegierung kann die Festigkeit einer Solidusstruktur in Lötverbindungen gesteigert werden. Darüber hinaus kann auch die Druckfestigkeit von Lötverbindungen gesteigert werden.

Bisher hat man zum Löten von Wärmeaustauschern des genannten Typs als Lotmaterial Aluminiumlegierungen verwendet, wobei im Falle des Lötens mit Flußmittel eine Legierung vom Al-Si-Typ eingesetzt wurde, und wobei im Falle des Lötens ohne Flußmittel eine Legierung vom Al-Si-Mg-Typ eingesetzt wurde. Die unter Verwendung derartiger Lotmaterialien gebildeten Verbindungen liefern jedoch eine Solidusstruktur, welche eine eutektische Struktur umfaßt und brüchig ist. So führt insbesondere die Verwendung eines Lotmaterials vom Al-Si-Mg-Typ dazu, daß die Lötverbindung weiter an Festigkeit verliert. Der gleiche Effekt tritt ein, falls das Basismaterial Magnesium enthält.

Es wurden bisher umfangreiche Untersuchungen durchgeführt im Hinblick auf mögliche Verstärkungen der Lötverbindungen. Im Falle eines Wärmeaustauschers vom Stapelkühler-Typ mit plattenförmigen Rippen bestehen jedoch Beschränkungen bei der Steigerung der Festigkeit der Lötverbindungen der Rippe - wenn auch, je nach Form der Rippen, unterschiedlich - hinsichtlich der Menge des zuzuführenden Lotmaterials und der Eigenschaften des Lotmaterials. Bei einem Wärmeaustauscher des genannten Typs für Hochdruckzwecke, bei dem eine große Festigkeit der Verbindungsstelle erforderlich ist, wird daher eine Steigerung der Festigkeit der Verbindungsstruktur in den Lötstellen der Rippen als unumgänglich angesehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Schaffung einer neuen Aluminiumlotlegierung, mit der die Festigkeit der Solidusstruktur in den Lötverbindungsstellen gesteigert werden kann, welche durch Löten mit Flußmittel oder durch flußmittelfreies Löten gebildet wurden.

Im Zuge von Untersuchungen der Erfinder, bei denen Wärmeaustauscher vom Stapelkühler-Typ zur Zerstörung der gelöteten Bereiche der Rippen durch Zug- und Scherkräfte einer internen Druckbeaufschlagung unterworfen wurden, wurde festgestellt, daß die Zerstörung nicht in der α-Phase stattfindet, wo die Zugkraft am geringsten ist, sondern vielmehr im Bereich der gesamteutektischen Struktur stattfindet. Die Analyse der Bruchflächen zeigte, daß Verbindungen des Al-Si-Fe-Typs sich in großen Mengen gebildet hatten, falls das Al-Si-Typ Lotmaterial verwendet wurde. Falls das Al-Si-Mg-Typ Lotmaterial zum Einsatz gekommen war oder falls das Basismaterial Magnesium enthielt, hatten sich demgegenüber große Mengen von Verbindungen des Al-Si-Mg-Fe-Typs gebildet.

Man muß somit annehmen, daß die harten und brüchigen, eisenhaltigen Verbindungen, die über die eutektische Struktur in den Verbindungsabschnitten verstreut waren, zu einer Verringerung der Festigkeit der Lötverbindungsstruktur führen.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der obigen Beobachtung. Erfindungsgemäß wird eine Aluminiumlotlegierung für das Löten mit Flußmittel oder für das flußmittelfreie Löten vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Gehalt an Eisen auf 0,15 Gew.% oder weniger reduziert ist.

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Die erfindungsgemäße Beschränkung des Eisengehaltes in der Aluminiumlotlegierung bewirkt die nachstehend beschriebenen Effekte.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform erläutert.

Es werden Testmaterialien hergestellt, indem man den Eisengehalt in dem Basismetall und in dem Lotmaterial variiert, und zwar wie in Tabelle 1 angegeben. Durch die Kombination von Basismetallen und Testproben gemäß Tabelle 2 werden Wärmeaustauscher mit der in Fig. 1 dargestellten Platten-Rippen-Struktur hergestellt, und zwar durch Löten mit Flußmittel oder durch flußmittelfreies Löten. Mit den erhaltenen Testkörpern werden Berst-Tests durchgeführt, indem man sie mit einem internen Druck beaufschlagt. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 Löt-Bleche, 2 bezeichnet Rippen, 3 bezeichnet ein Lotmaterial, 4 bezeichnet Abstandshalter, 5 bezeichnet die Testdurchgänge und 6 bezeichnet Blindwege.

Testmaterial

Tabelle 1 Chemische Komponenten der Testmaterialien

Chemische Komponenten

	Legierung tt	a t»	Si	Fe	Cu	Mn	Ms	Cr	Zn	Ti	Al
entspricht 3003	Il Il	C d	0,21 0,26	0,60 0,11	0,12 0,16	1,10 0,13	0,02 0,03	0,02 0,02	0,04 0,03	0,01 0,01	Rest Il
entspricht 3004	It It Il	A B C	0,27 0,25	0,63 0,15	0,18 0,19	1,23 1,21	1,07 1,22	0,01 0,02	0,04 0,05	0,01 0,01	Il Il
entspricht 4047	Il It Il	D E F	11,7 11,3 11,3	0,65 0,15 0,04	0,01 0,02 0,01	0,01 0,01 0,01	0,01 0,01 0,01	0,02 0,02 0,03	0,01 0,01 0,01	0,01 0,01 0,01	η Il Il
entspricht 4004		10,1 9,8 10,2	0,70 0,14 0,02	0,01 0,03 0,02	0,01 0,01 0,01	1,45 1,56 1,49	0,03 0,02 0,03	0,01 0,01 0,01	0,01 0,01 0,01	Il Il Il

CD CD -Ο-CO

Lötver- Lotmaterial
fahren

Tabelle 2 Testergebnisse

Nr. Basismetalle

(Rippenmetalle)

Druck zum Bersten d.Testpro· ben (kg/cm^U)

Bruchstelle Bemerkungen

A(entspricht 4047) 1 2

tt )

3 4

a(entspr b( »

Il

tt Il

Il It

Il tt

.3003)

303 315

Lötverbindung η

(Festigkeit d.Löt verbindung nicht bestimmt)

Lötverbindung Il

(Fest.

LÖ tverbindung ti

(Fest

Lötverbindung tt

(Fest

11 Il

}

mittel

B(entspr. 4047)

Il )

5 6

a( b(

It It

It ti

It tt

11 It

)

401 408

Rippen ti

I

Rippen Il

\

Rippen Il

[

Rippen tt

I

Flußi

c(

Il )

7 8

b(

c(entspr d( »

a(entspr b( »

c(entspr d( »

)

410 417

It It

It tt

tt 11

It 11

d.Lötv. It

n.bO

-P •Η η

A(

it Λ

9 10

d(

b[

Si

.3004}

351 344

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] *>

ten ι

B(

.4004 )

11 12

d(

b(

si

]

486 480

13

c(

It )

13 14

]

492 501

d.Lötv. Il

n.b.)

D(entspr

tt )

15 16

.3003)

289 277

π Il

)

οι

E(

It )

17 18

)

395 406

rreie

P(

It )

19 20

)

403 403

.d.Lötv.

n.b.)

;teli

D(

ti )

21 22

.3004)

339 348

ti It

i

+■·

E(

23 24

492 490

h:o

F(

505 494

Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Falls der Eisengehalt in dem Lotmaterial auf 0,15 Gew.% oder weniger reduziert ist, steigt die absolute Festigkeit (Bruchfestigkeit) der Lötverbindungen der Rippen um 30 bis h9% an, verglichen mit dem Fall, daß Eisen in einer Menge enthalten ist, die sich nahe am oberen Grenzwert des standardisierten Bereichs bewegt. Erfindungsgemäß ist daher der Eisengehalt in dem Lotmaterial auf 15 Gew.% oder weniger spezifiziert.

Bei den Tests Nr. 2, 8, 14 und 20 gemäß Tabelle 2 brechen die Lötverbindungsstellen, obwohl der Eisengehalt in dem jeweiligen Basismetall gering ist. In diesen Fällen ist jedoch der Eisengehalt in dem jeweiligen Lotmaterial außerhalb des erfindungsgemäß spezifizierten Bereichs. Bei den Tests Nr. 3, 5, 9, 11, 15, 17, 21 und 23 ist andererseits die Festigkeit an den Lötverbindungsstellen derart verbessert, daß die Bruchfestigkeit der Lötverbindungen größer ist als die der Rippen selbst. Dieses Ergebnis wird erzielt, obwohl Eisen in dem Basismetall in großen Mengen enthalten ist. Der Eisengehalt in dem Lotmaterial liegt jedoch in diesen Fällen im erfindungsgemäß definierten Bereich. Es zeigt sich also, daß die absolute Festigkeit (Bruchfestigkeit) durch den Eisengehalt in dem Basismetall nur wenig beeinflußt wird. Die Festigkeit der Lötverbindung wird verbessert, falls der Eisengehalt in dem Lotmaterial so ausgewählt ist, daß er 0,15 Gew.% oder weniger beträgt. Auf diese Weise können Lötverbindungen erhalten werden, deren Festigkeit größer ist als die Bruchfestigkeit der Rippen selbst.

Die oben erwähnten Effekte werden selbst dann erhalten, wenn man ein Material vom Al-Si-Typ verwendet, das dem JIS 4047 entspricht, oder falls man ein Material vom Al-

Si-Mg-Typ verwendet, das dem JIS 4004 entspricht. Man beobachtet die Effekte auch dann, falls in dem zu verlötenden Basismetall (Metall der Rippen) Magnesium enthalten ist.

Das auf der Bruchfläche der Lötverbindung vorliegende Eisen wurde analysiert. Dabei wurde eine Probe verwendet, bei der die Lötverbindung eine größere Festigkeit aufwies als die Bruchfestigkeit der Rippen. Man stellt fest, daß Eisen nicht in Form einer Verbindung vorliegt, sondern vielmehr in Form einer festen Lösung in der α-Phase. Man kann annehmen, daß die obige Änderung im Sinne einer Steigerung der Zähigkeit der Lötverbindung wirkt und die Festigkeit der Lötverbindung insgesamt steigert.

Erfindungsgemäß kann die Festigkeit einer gelöteten Struktur so weit gesteigert werden, daß die Anforderungen erfüllt werden können, die hinsichtlich der Herstellung von großen Bauteilen gestellt werden, wo das Löten unter schwierigen Bedingungen durchgeführt wird, und hinsichtlich der Größe der Lötverbindungsstellen Beschränkungen bestehen.

Trotz der Tatsache, daß bisher allgemein angenommen wurde, daß Magnesium enthaltende Materialien durch Löten nicht in befriedigender Weise verbunden werden können, gelingt es unter Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung, die Festigkeit der Struktur so weit zu steigern, daß der erwünschte Zweck erreicht wird. Bei Verwendung von Lotmaterial des Al-Si-Mg-Typs hat sich darüber hinaus gezeigt, daß die Lötverbindungen brüchig werden, weil Magnesium in der Lötverbindung zurückbleibt. Indem man den Eisengehalt in dem Lotmaterial auf 0,15 Gew.% oder weniger absenkt, wie es von der vorliegenden Erfindung gelehrt wird,

- AO

kann die Festigkeit der Struktur so weit gesteigert werden, daß alle Anforderungen erfüllt werden.

In den anliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers vom Stapelkühler-Typ (plate fin type), wie
er dem Bersttest unterworfen wird; und

Fig. 2 eine Vorderansicht eines Teilbereichs des Wärmeaustauschers in vergrößerter Darstellung.

Bezugszeichenaufstellung:

1 - Lötbleche

2 - Rippen

3 - Lotmaterial

4 - Abstandshalter

5 - Testpfade

6 - Blindpfade

7 - Kernmaterialien.

Claims (3)

35103A0 Patentansprüche

1. Aluminiumlotlegierung für das Löten mit Flußmittel und für das flußmittelfreie Löten, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisengehalt auf 0,15 Gew.% oder weniger reduziert ist.

2. Verwendung der Aluminiumlotlegierung nach Anspruch 1 zur Herstellung von Lötverbindungen, bei denen* Hochdruckfestigkeit erforderlich ist.

3. Verwendung der Aluminiumlotlegierung nach Anspruch 1 zur Herstellung der Lötverbindungen bei einem druckbeanspruchten Wärmeaustauscher.