DE3514997A1

DE3514997A1 - Verfahren zur herstellung von aluminiumlegierung-strukturen

Info

Publication number: DE3514997A1
Application number: DE19853514997
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Osaka Abiko; Yoshio Baba; Michiki Hagiwara; Shosuke Kobe Hygo Iwasaki; Keizo Nagoya Aichi Nanba; Kantaro Ashiya Hyogo Sasaki
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 1984-04-26
Filing date: 1985-04-25
Publication date: 1985-10-31
Anticipated expiration: 2005-04-26
Also published as: FR2563536B1; GB2157995B; GB2157995A; FR2563536A1; JPS60228657A; US4626295A; GB8509999D0; JPS623229B2; DE3514997C2

Description

Aluminiumlegierung-Strukturen mit hoher Druckfestigkeit sind in jüngster Zeit auf verschiedenen Gebieten eingesetzt worden, insbesondere auch bei Wärmeaustauschern für Naturgase. Es besteht nach wie vor ein großes Bedürfnis hinsichtlich der Verbesserung der Druckfestigkeit derartiger Strukturen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren, mit dem die Festigkeit der Verbindungsbereiche gesteigert wird, die durch das Löten von Aluminiumlegierung-Strukturen entstehen. Die Festigkeitssteigerung erfolgt durch eine Verbesserung des Gefügezustands (der Solidus-Struktur) in den Lötverbindungen.

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-Μ -

Bisher hat man. zum Löten von Aluminiumlegierungs-Strukturen als IjOtmaterial 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 verwendet wurde. Die unter Einsatz derartiger Lotmaterialien gebildeten Lötverbindungen liefern jedoch eine Gefügestruktur, die eine eutektische Struktur umfaßt und brüchig ist. So führt insbesondere ein Lotmaterial vom Al-Si-Mg-Typ dazu, daß die Lötverbindung weiter an Festigkeit verliert. Der gleiche Effekt tritt ein, falls das Basismetall 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 hinsichtlich der möglichen Größe der gelöteten Bereiche der Rippen -wenn auch die erreichbare Größe der Lötverbindungen je nach der Form bzw. der Krümmung der Rippen variieren kann - hinsichtlich der Menge des zuzuführenden Lotmaterials, hinsichtlich der Eigenschaften des Lotmaterials und dergl. Im Zuge der Behandlung von Wärmeaustauschern des genannten Typs ist ferner ein Verfahren zur Steigerung der Druckfestigkeit vorgeschlagen worden, das darauf beruht, ein Basismetall des Al-Mg-Si-Typs zu altern und zu härten, und zwar unter Verwendung einer hitzebehandelten Aluminiumlegierung als Material für die Rippen, Durchführung einer Lösungs-Hitze-Behandlung nach dem Löten und Durchführung des Härtens und Temperns. Bei diesem Verfahren ist jedoch das Basismetall auf eine hitzebehandelte Aluminiumlegierung beschränkt (JA-AS 11948/1982).

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Schaffung eines Herstellungsverfahrens, bei dem die Festigkeit der Gefügestruktur innerhalb der Lötverbindungsstellen einer durch Löten mit oder ohne Fluomittel erhaltenen Aluminiumlegierung-Struktur gesteigert wird. Ausgangspunkt der Erfindung ist die Erkenntnis, daß bei einem Wärmeaustauscher vom Stapelkühler-Typ mit plattenförmigen Rippen, der für hohen Druck ausgelegt ist und bei dem deshalb die Verbindungsstellen eine große Festigkeit aufweisen müssen, eine Steigerung der Festigkeit der Struktur der Lötverbindungen der Rippen von besonderer Bedeutung ist.

Die Erfinder haben die Gefügestrukturen der Verbindungsstellen unter verschiedenen Aspekten untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß Silicium in Form von Nadeln kristallisiert vorliegt und daß Magnesium in auffallender Weise gesondert vorliegt. Ferner wurde festgestellt, daß Magnesium sich mit Aluminium, Silicium und Eisen unter Bildung von Verbindungen verbindet, die hart und brüchig sind. Durch Applikation von Druck wurden bei einem Wärmeaustauscher die Lötstellen der Rippen durch die beaufschlagten Zugkräfte oder Scherkräfte zerbrochen. Die Bruchflächen wurden mittels eines rasternden Elektronenmikroskops untersucht. Dabei zeigte sich, daß die oben erwähnten Verbindungen in großen Mengen vorliegen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Verbesserung der Gefügestruktur mit dem Ziel, eine Steigerung der Festigkeit bei der herkömmlicherweise brüchigen Gefügestruktur zu erreichen und auf diese Weise die Festigkeit der gelöteten Struktur insgesamt zu steigern.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierung-Strukturen dadurch gelöst, daß man eine Aluminiumlegierung-Struktur mindestens eine Stunde auf eine Temperatur von 500 bis 570⁰C erhitzt. Die genannte Aluminiumlegierung-Struktur wurde erhalten durch Vereinigung von Lötblechen, gebildet durch Beschichten beider Oberflächen eines Kernbauteils mit einem Lotmaterial, und einem Rippenbauteil aus einer nicht-hitzebehandelten Aluminiumlegierung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine mikroskopische Aufnahme mit 400facher Vergrößerung, in der nadelartige Siliciumkristalle in der eutektischen Struktur einer Lötverbindung dargestellt sind, wie sie dann auftreten, wenn das erfindungsgemäße Verfahren nicht angewandt wird;

Fig. 2 eine mikroskopische Aufnahme mit 400facher Vergrößerung, wobei granulatförmige Siliciumkristalle in einer Lötverbindung zu erkennen sind, wie sie im Falle der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beobachtet werden;

Fig. 3 als Photographie mit einer 250fachen Vergrößerung ein für EPMA charakteristisches Röntgenstrahlbild, wobei eine Metallstruktur zu erkennen ist, bei der Magnesium innerhalb einer Lötverbindung gesondert vorliegt, wie es im Falle der Nichtanwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beobachtet wird;

Fig. 4 eine Photographie mit 25Ofacher Vergrößerung eines für EPMA charakteristischen Röntgenstrahlbildes, wobei eine Metallstruktur zu erkennen ist, bei der Magnesium innerhalb einer Lötverbindung verteilt vorliegt, wie im Falle der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

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Fig. 5 als perspektivische Ansicht einen Wärmeaustauscher vom Stapelkühler-Typ mit plattenförmigen Rippen, der dem Bersttest unterworfen wurde; und

Fig. 6 eine Vorderansicht eines Teilbereichs des in Fig. 5 dargestellten Wärmeaustauschers in vergrößerter Darstellung.

Bezugszeichen-Aufstellung:

1 - Lötbleche 2- Rippen

3 - Lotmaterial 4 - Abstandshalter

5 - Testpfade 6 - Blindpfade

7 - Kernbauteile.

In den Fig. 1 bis 4 sind die Änderungen erläutert, die bei der erfindungsgemäß durchgeführten Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 500 bis 57O⁰C während mindestens einer Stunde im Bereich der Lötverbindung auftreten. Die Untersuchungen wurden an einer Lötverbindung zwischen einem Lötbauteil,entsprechend JIS-BA 4004,und einem Basisbauteil, entsprechend JIS-A 3004, durchgeführt, wobei die Lötverbindung entweder der erfindungsgemäßen Homogenisierung unterworfen wurde oder nicht. Man beobachtete dabei, daß eine gelötete Verbindungsstelle gewisse Ähnlichkeiten mit einer Gußstruktur hat, die durch Schmelzen, Abkühlen und Verfestigen erhalten wurde.

Genauer gesagt findet man vor der erfindungsgemäßen Homogenisierungsbehandlung die in Fig. 1 gezeigten, nadelförmigen Siliciumkristalle in der eutektischen Struktur vor. Nach Durchführung der erfindungsgemäßen Homogenisierung bei 540⁰C während 4 h haben sich die nadelartigen Siliciumkristalle in die in Fig. 2 dargestellten granulatförmigen Kristalle umgewandelt. Das Magnesium in der eutektischen Struktur, das vor der Homogenisierung

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in der in Pig. 3 dargestellten Form vorliegt, wird durch die erfindungsgemäße Homogenisierung bei 54O⁰C während 4 h in eine feste Lösung mit anderen Elementen umgewandelt. Dieser Zustand ist in Fig. 4 zu sehen. Man beobachtet ferner, daß die magnesiumhaltigen Verbindungen zerstreut vorliegen. Die oben erwähnten Umwandlungen führen zu einer Steigerung der Fähigkeit der Lötverbindungsstruktur, was wiederum der Lötverbindung insgesamt zu einer Steigerung der Festigkeit gegen ein Zerbrechen aufgrund von Zug- und Scherkräften verhilft.

Die oben beschriebenen Umwandlungen oder Transformationen innerhalb der Gefügestruktur der Lötverbindung werden auch dann erhalten, wenn man die Homogenisierung (die erfindungsgemäße Wärmebehandlung) durchführt, nachdem die Lötverbindung hergestellt wurde, jedoch die Verbindung nicht vollständig abgekühlt ist. Die erfindungsgemäße Homogenisierung kann auch durchgeführt werden, nachdem die Lötverbindung bereits bis fast auf Raumtemperatur abgekühlt wurde und anschließend wiederum unter den erfindungsgemäßen Bedingungen erhitzt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform erläutert.

Es werden Wärmeaustauscher mit der in Fig. 5 gezeigten Platten-Rippen-Struktur hergestellt durch Löten mit Flußmittel oder durch flußmittelfreies Löten gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Wärmeaustauscher werden mit Druck beaufschlagt, um einen Bersttest durchzuführen. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 Lötbleche, mit 2 sind Rippen, mit 3 ein Lotmaterial, mit 4 Abstandshalter und mit 5 Testpfade bezeichnet. Für das Löten mit Flußmittel wurde ein Lotmaterial entsprechend

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JIS-BA 4047 verwendet in Kombination mit verschiedenen Aluminiumlegierung-Rippenmaterialien, die zuvor keiner Wärmebehandlung unterworfen wurden. Für das flußmittelfreie Löten wurde ein Lotmaterial entsprechend JIS-BA 4004 verwendet in Kombination mit verschiedenen Alumini· umlegierung-Rippenmaterialien, die zuvor keiner Wärmebehandlung unterworfen wurden.

Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die absolute Festigkeit (Bruchfestigkeit) der Lötverbindungen der Rippen um 45 bis 114% gesteigert, verglichen mit dem Fall der Nichtanwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dank dieser Verbesserung werden Lötverbindungen der Rippen mit einer Festigkeit erhalten, die höher ist als die absolute Festigkeit der Rippen selbst.

Lötver- Lot- Basisfahren material metall

(Rippenmaterial)

Wärmebehandlungsbedingung

⁰C χ h

Tabelle 1

Druck zum Bersten d. Testproben kg/om²UbDr.

Bruchstelle Bemerkungen

1100

Löten
mit
Flußmittel

4047

5005

keine 500 χ 570 χ

320 326 319

Rippen

Il

(a)

Il

	keine	362	Rippen	(a)
3003	500 χ 1	383	It	η
	570 χ 24	370	It	η
	keine	355	Lötverbindungen
3004	500 χ 1	508	Rippen	(a)
	570 χ 24	515	η	η

keine	267	Lot
500 χ 1	416	Il
570 χ 24	430	Il

Lötverbindungen

-Ρ·« CD CD

Lötver- Lotma- Basismetall fahren terial (Rippenmaterial)

Tabelle 1 (Forts.)

Wärmebehandlungs- Druck zum Ber- Bruchstelle Bemerkungen bedingung sten d.Testproben
⁰C χ h kg/cm²t)berdruck

1100

flußmittelfrei- 4004
es Löten

5005

keine	292	Lötverbind.
500 χ 1	320	Rippen
570 χ 24	325	ti

keine	190
500 χ 1	399
570 χ 24	407

Lötverbind.

Il

(a)

	keine	314	Lötverbind.	(a)
3003	500 χ 1	383	Rippen	Il
	570 χ 24	381	Il
	keine	344	Lötverbind.
3004	500 χ 1	500	η	(a)
	570 χ 24	528	Rippen

(a) Festigkeit der Lötverbindung nicht bestimmt

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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich, die Festigkeit einer gelöteten Struktur, insbesondere die Festigkeit der Lötverbindung selbst, so weit zu steigern, daß die Anforderungen erfüllt werden können, die hinsichtlich der Herstellung von großen Bauteilen gestellt werden, wo das Löten unter schwierigen Bedingungen durchgeführt wird und wo im allgemeinen Lötverbindungsstellen mit einer ausreichenden Größe nicht erhalten werden können, wo also hinsichtlich der Größenausdehnung der Lötverbindungsstellen Beschränkungen bestehen.

Darüber hinaus kann man bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Festigkeit der Gefügestruktur von Lötverbindungen selbst im Falle des Einsatzes von Lötmaterialien vom Al-Si-Mg-Typ so weit steigern, daß der erwünschte Zweck erreicht wird. Derartige Lötverbindungen neigten bisher zur Brüchigkeit, weil Magnesium in der Lötverbindung zurückbleibt.

Erfindungsgemäß ist es erstmals möglich, mit einem flußmittelfreien Lötverfahren unter Verwendung eines Lotmaterials vom Al-Si-Mg-Typ einen Wärmeaustauscher aus einer Aluminiumlegierung mit einer Platten-Rippen-Struktur herzustellen, die einem Innendruck von 500 kg/cm (Überdruck) standhalten kann.

AZ
- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierung-Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Aluminiumlegierung-Struktur, die erhalten wurde durch die Vereinigung von Lötblechen, welche aus einem auf beiden Oberflächen mit einem Lotmaterial überzogenen Kernbauteil bestehen, mit einem Rippenbauteil aus einer nicht wärmebehandelten Aluminiumlegierung, bei einer Temperatur von 500 bis 57O⁰C während mindestens einer Stunde einer Hitzebehandlung unterzieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man unter Anwendung von Flußmittel lötet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Löten ohne Flußmittel durchführt.