DE3518408A1

DE3518408A1 - Aluminium-hartlot und seine verwendung in aluminium-waermeaustauschern

Info

Publication number: DE3518408A1
Application number: DE19853518408
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Osaka Abiko; Michiki Nagoya Aichi Hagiwara; Shosuke Kobe Hyogo Iwasaki; Keizo Nanba
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1985-05-22
Publication date: 1985-11-28
Also published as: GB2159176A; FR2564862B1; FR2564862A1; US4785092A; DE3518408C2; JPS60250893A; GB2159176B; GB8507165D0

Description

SCHWABE .--SANEiMALR · MARX

PATE i^TAjvl \Ä(j^LTE:

STUNTZSTRASSE 16 8000 MÜNCHEN 80

Anwaltsakte: 34 317

SUMITOMO LIGHT METAL INDUSTRIES, LTD, TOKYO / JAPAN

SUMITOMO PRECISION PRODUCTS CO., LTD, HYOGO / JAPAlJ

Aluminium-Iiartlot und seine Verwendung in Aluminium-Wärmeaustauschern

BAD OKJGJNAL

*(065":9Ε·6Γ72-74 MJ/ab
Telex 5 24 560 Swan d

(089i 983049 KaIIe Iniotec 6350 Gr Ii + 11'

Bankkoniei Baye· Ve'e--!SCa-« \'^".c^K-:- 4;?ιΟ·; B^2"O";:;"C Hype-Bank Munc^Heⁿ 4&K'ZZ 35C ^rB^T 'X-ZOC *"- Sv,': Ooa~ r-νρς Posigi'o Manche- 65343-80; iBl2 ^o; OjSC·

SCHWABE - SANDMAI-R · MARX

PATENTANWÄLTE; STUNTZSTRASSE 16 8000 MÜNCHEN 80 3518408

Anwaltsakte: 34 317

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Aluminium-Hartlötlegierungen und deren Anwendung bei der Montage von Alununiumbauteilen, im besonderen die Verwendung beim Hartlöten von Plattenwärmeaustauschern mit Kühlrippen, geeignet zur Verwendung unter sehr hohem Betriebsdruck .

Üblicherweise werden Aluminium-Kühlrippenwärmeaustauscher durch eine entsprechende Hartlot-Technik, wie durch das Tauchlötverfahren, Vakuumlötverfahren oder durch Hartlöten in normaler Atmosphäre hergestellt, wofür normalerweise Aluminium-Hartlötlegierungen, enthaltend 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium und wahlweise zusätzlich weniger als 3 Gew.-% Magnesium oder 2,3 bis 4,7 Gew.-% Kupfer und 9,3 bis 10,7 Gew.-% Zink, verwendet werden. Diese eben genannten siliziumhaltigen Hartlötlegierungen mit oder ohne den wahlweisen Zusätzen können weiter Beryllium und Wismut unter dem Aspekt dieBenetzbarkeit zu verbessern, enthalten. In dieser Anmeldung bezeichnen, wenn nicht, anders angeführt, Prozentangaben Gewichtsprozente. Neben den bereits erwähnten Legierungen wird in der JP-OS Nr. 56-169744 die Verwendung von Aluminiumlegierungen, enthaltend 4,5 bis 13,5 Gew.-s Silizium, weniger als 3 Gew.-% Magnesium und 0,1 bis 1,5 Gew.-% Strontium, als Aluminiumlote zum Erzielen von hoher Festigkeit in den Lötverbindungen bei der Herstellung von großformatigen Wärmeaus tauschern vorgeschlagen.

Wärmeaustauscher mit Kühlrippen, verwendbar unter besonders

BAD ÜFHGINAL

* '089, 9682'2-74 Telekoo.e'e- (389)983049 BanKKonten Bayei Vereinst»™ Muncher 4J.4100 (BLZ 7002027"

Te.ex 52456: Swan α Kaiie ntoiec 6350 Gr H + li: Hypo-Bank Munches 4410122850 (BLZ 7rX)2CiOinSwif| Code HYPC Dt VK-

Poslgire München 65343 808 (BLZ 7001008C!

hohen Druckverhältnissen, sind durch den Reißdruck aufgrund des inneren Druckes, der ein Zerreißen des Wärmeaustauschers bewirkt, gekennzeichnet. Die Festigkeit in den Lötverbindungen wird als ein beherrschender Faktor für den Reißdruck angesehen. Die Festigkeit in den Lötverbindungen hängt hauptsächlich von der Stärke der gelöteten Kehlnaht und der Struktur in den Lötverbindungsabschnitten ab. Bei der Herstellung von großformatigen Wärmeaustauschern kann eine befriedigende Verbesserung des Hartlötens nicht erreicht werden, da die Stärke der Kehl-Lötnaht hauptsächlich durch eine verlängerte Vorerwärmungszeit für das Hartlöten und durch andere Bedingungen des Verfahrens in ungünstiger Weise beeinflußt wird und der Reißdruck verbleibt auf einer niedrigen Höhe.

Im allgemeinen kann andererseits die metallurgische Struktur der Lötverbindung durch Erhöhung der Abkühlrate nach dem Lötvorgang verfeinert werden, wodurch die Festigkeit erhöht werden kann. Jedoch ist es praktisch sehr schwierig, die Abkühlrate bei der Herstellung von großformatigen Wärmeaustauschern zu erhöhen.

Aufgrund der genannten Umstände liegt der anwendbare Druck für Aluminiumwärmeaustauscher mit Kühlrippen in der Praxis höchstens in der Größenordnung von 50 kg/cm .

Weiter zeigt das vorhin genannte Aluminiumlot mit der Strontiumzusatz eine verminderte Benetzbarkeit, wodurch sich Kavitäten in den Lötbereichen entwickeln.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, verbesserte Aluminiam-Hartlötlegierungen zur Verfügung zu stellen, die die genannten Nachteile nach dem Stand der Technik nicht aufweisen, insbesondere Aluminium-Hartlötlegierungeri zur Verfügung zu stellen, die besonders vorteilhaft beim Bau von AIjminiam-Plattenwärmeaustauschern, verwendbar unter sehr hohen Druckverhältnissen, einsetzbar sind.

BAD

Gemäß der Erfindung wird eine erste Aluminium-Hartlötlegierung im wesentlichen bestehend aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 0,005 bis weniger 0,1 Gew.-% Strontium, Rest im wesentlichen Aluminium, und weiter eine zweite Aluminium-Hartlötlegierung enthaltend, zusätzlich zur ersten Legierungszusammensetzung mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0,3 bis 3,0 Gew.-% Magnesium, 2,3 bis 4,7 Gew.-% Kupfer und 9,3 bis 10,7 Gew.-% Zink, Rest im wesentlichen Aluminium, zur Verfügung gestellt.

Die Aluminium-Hartlötlegierungen der vorliegenden Erfindung entwickein eine sehr verfeinerte metallurgische Struktur in den Lötverbindungen durch Anwendung einer der üblichen Hartlöttechniken, wodurch die Festigkeit in den Lötverbindungen entscheidend verbessert wird und eine verbesserte Hartlötbarkeit erreicht wird.

Die Figuren 1 und 2 sind Mikrophotographien, die die Mikrostruktur der hartgelöteten Teile in den kreuzförmigen Verbindungen, die nach der in Beispiel 1 beschriebenen 'Weise hartgelötet wurden, zeigen. Dabei bezieht sich Figur 1 auf die Testprobe Nr. 2, entsprechend der Erfindung, und Figur 2 bezieht sich auf ein Vergleichsbeispiel. Die Figur 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die oben genannte kreuzförmige Lötverbindung und Figur 4 zeigt eine Testprobe für den Kehlnahtfülitest.

Detaillierte_3eschreibung_der_bevgrzugren_Ausführun3sformen^

In Übereinstimmung mit der Erfindung wurde gefunden, daß die vorhin beschriebenen Probleme und Nachteile, die mit den herkömmlichen Hartloten verbunden sind, durch die Verwendung von Aluminium-Hartlötlegierungen, deren Zusammensetzungen anschlies send beschrieben werden, gelöst werden können.

(1) Eine Aluminium-Hartlötlegierung besteht im wesentlichen aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 0,005 bis weniger 0,1 Gew.-%

Strontium, der Rest im wesentlichen Aluminium.

(2) Eine Aluminium-Hartlötlegierung bestehend im wesentlichen aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 0,005 bis 0,1 Gew.-% Strontium, und wenigstens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0,3 bis 3,0 Gew.-% Magnesium, 2,3 bis 4,7 Gew.-% Kupfer und 9,3 bis 10,7 Gew.-% Zink, der Rest im wesentlichen Aluminium.

Im folgenden wird die Funktion der einzelnen Legierungsbestandteile und der Grund, warum jede Komponente auf den oben beschriebenen Konzentrationsbereich beschränkt ist, erläutert.

Silizium: Dieses Element ist ein Hauptbestandteil von Hartlötlegierungen und reduziert in vorteilhafter Weise den Schmelzpunkt von Hartlötlegierungen, wodurch eine wünschenswerte Fließfähigkeit hergestellt wird. Ein Siliziumgehalt unter 4,5 Gew.-% reduziert in unerwünschter Weise die Fließfähigkeit und führt zu Schwierigkeiten im Hartlötprozeß. Andererseits erhöht sich der Schmelzpunkt einer Legierung bei einer Siliziumkonzentration von über 13,5 Gew.-% auf einen ungünstig hohen Viert mit der Folge, daß die Legierung zum Hartlöten nicht mehr verwendet werden kann.

Magnesium: Diese Komponente ermöglicht Hartlöten iir. Vakuum oder in nicht-oxidierender Atmosphäre, ohne das Erfordernis eines Flußmittels. Ein Magnesiumgehalt von weniger als 0,3 Gew.-% bewirkt diese Effekte nicht im ausreichenden Maße, während ein Magnesiumgehalt von über 3,0 Gew.-% zu einer starker. Verdampfung von Magnesium führt und den verwendeten Ofen in unerwünschter Weise aufgrund des Niederschlages von verdampftem Magnesium verschmutzt.

Kupfer: Kupfer reduziert den Schmelzpunkt von Hartlötlegierungen und verbessert ihre Hartlötbarkeit. Unter 2,3 Gew.-% ist die Wirkung ungenügend, während ein Kupfergehalt von mehr als 4,7 Gew.-% die Lötbarkeit nachteilig beeinflußt.

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Zink: Zink wirkt schmelzpunkterniedrigend und erleichtert den Hartlötprozeß. Ein Zinkgehalt von weniger als 9,3 Gew.-% bewirkt den Effekt nicht in ausreichender Höhe, während andererseits ein Zinkgehalt von mehr als 10,7 Gew.-% die Lötbarkeit nachteilig vermindert.

Strontium: Diese Komponente hat einen die Lötbarkeit verbessernden Effekt. Wenn Strontium in einer Konzentration von weniger als 0,005 Gew.-% vorhanden ist, ist der Effekt unzureichend, während ein Strontiumgehalt von 0,1 Gew.-% oder mehr keine befriedigende Benetzbarkeit bewirkt, wodurch die Hartlötbarkeit erniedrigt wird.

Nachstehend wird die Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Wie die Figur 3 zeigt, wird ein Hartlötblech 2 so zwischen zwei 3,3 mm dicke AA3OO3-Bleche gelegt, daß eine kreuzförmige Konstraktion entsteht. Die beiden AA3OO3-Bleche sind in einem Winkel von 45° abgeschrägt und besitzen daher eine Fußbreite Dadurch resultiert an der Auflagestelle ein K-förmiger Kehlbereich. Dieses Testmodell wird anschließend entweder im Vakuum bei 2 χ 10 Torr bei 600° C für 3 Minuten bzw. für 1 Stunde bei 600° C hartgelötet. Das Hartlötblech 2, welches hier benatzt wird, besitzt eine Gesamtstärke von 1,6 mir, und setzt sich aus einer. Kern, der aus einer Legierung AA3OO3 besteht, und einer Plattierung auf beiden Seiten der Oberfläche, bestehend aus 10 Gev/.-% Silizium, 1,5 Gew.-o Magnesium, der Rest Aluminium mit oder ohne 0,03 Gew.-% Strontium, zusammen. Das Plattierungsmaterial ist in einem Verhältnis von 10 Gew.-% des Gesamtgewichtes aufgebracht. Die Bezugsnummer 3 entspricht der Kehllötnaht der oben genannten Hartlötlegierungen, bestehend aus 10 Gew.-% Silizium, 1,5 Gew.-% Magnesium, Rest Aluminium mit oder ohne

BAD O

0,03 Gew.-% Strontium. Jedes dieser Testmodelle wird anschließend auf die Mikrostruktur und die Festigkeit in den Hartlötverbindungen überprüft, die Ergebnisse zeigt Tabelle I

Tabelle I

Ergebnisse der Bruchversuche an den Lötverbindungen (Die Werte für die Reißkraft in der Tabelle sind die Mittelwerte aus fünf Messungen).

Testprobe

600^υ C χ 3 Min.

600^υ C χ 1 Std.

gebrochener Reißdruck am gebrochener Reißdruck am Teil gelöteten Teil gelöteten

Teil
(kg/mm )

Teil
(kg/miTi )

Nr. 1 Sr-frei

Nr. 2 (enthält 0,03% Sr)

hartgelö- 8,6 - 9,5 hartgelöte- 6,6 - 8,2 teter Teil teter Teil

Grundplatte nicht weni- Grundplatte nicht weniger als 10,5 ger als 8,9

Beispiel 2

Ein Hartlötblech, bestehend aus einem Kernmaterial der Legierung ΑΛ3ΟΟ3 und einer Plattierung, hergestellt nach jeder der in Tabelle II aufgeführten Legierungen, ist beidseitig in einem Verhältnis von 10 Gew.-% des Gesamtgewichtes auf die Oberflächen des Kernes aufgebracht, wird mit einer. AA3OO3-O- Legierungsblech zu einem Probekörper, wie in der Anordnung, gezeigt in Fig. 4, kombiniert, und an jedem Probekörper wird zur Überprüfung der Hartlötbarkeit der Kehlnahtfülltest durchgeführt. In der Figur 4 entspricht die Bezugsziffer 4 einer. Hartlöt-

BAD CSiGiNAL

blech, 50 mir, χ 25 mm Seitenlange, 1 mn; Wandstärke, die Bezugsziffer 5 entspricht einem AA3OO3-O-Aluminiumblech mit den Abmessungen 60 mm χ 60 mm und 1 mm Wandstärke, und die Bezugsziffer 6 entspricht der Kehllötnaht entsprechend den Hartlötlegierungen, aufgeführt in Tabelle II. Die Testergebnisse sind in der Tabelle II dargestellt.

Tabelle II

3AD OAi

	Hartlöt blech Nr.	Hartlötlegierungs-	Zusätzl. Konzentra	Tabelle II	optisches	Hartlöt	I	<
		Zusammensetzung im	tion an Sr	Füllung	Erscheinungs	verfahren	I
	⁺ 1	Hartlötblech		durch die	bild der hart
			0	Kehllötnaht	gelöteten Stelle
		Hauptan teile in der		L/Lo χ 100 (%)		Vakuum Hartlötverfah
		Legierung				ren	GO
	2	ΛΙ-lOl Si-	0,03 %		gut	(flußmittelfrei)	cn
	3	1,5% Mg	0,07 %	75		im Vakuum von	—*
		(entspr.				2 χ 1O~^J Torr	CX) J>*
		ΛΛ4ΟΟ4)			gut	bei 600° C für 3 Min.	O
	⁺4	Il	0,12 %	76	gut		OO
	⁺5	ti	1 %	73
	⁺6				auftreten von
			0		Kavitäten	Ofenlötverfahren
	7	Il	0,03 %	48	Il	(Verwendung von
		11		10		Flußmittel) in Luft
	3	Al-10% Si. (entspr.	0,07 %		gut	bei G00° C für 3 Min.
		JIG ΒΛ4Ο4^Γ3)		78	gut
	⁺9	ti	0,12 %	77
					gut
	⁺ 10	Il	1 %	75	Vorkommen von
S				Kavitäten
D		It	53
O			Il
P	It	20
> r-

Hartlötblech Nr.

Hartlötlegierungs-Zusammensetzung im
Hartlötblech

Hauptanteile in der
Legierung

Zusätzl. Konzentration an Sr

Füllung durch die Kehllötnaht L/Lo χ 100 (%)

Optisches Erscheinungsbild der hartgelöteten Stelle

Hartlötverfahren

Al-10% Si

4% Cu (entspr.

JIS BA4145)

0,03
0,07

0,12% 1%

gut

gut gut

Vorkommen von Kavitäten

Ofenlötverfahren (unter Verwendung eines Flußmittels) in Luft bei 58O°C für 3 Min.

16	Λ1-1Ο% Si- 4% Cu-10%	Zn	0	77
17			0,03	76
18			0,07	74
Il
Il

0,12%

gut gut

gut

Vorkommen von Kavitäten

Ofenhartlötverfahren (unter Verwendung eines Flußmittels) in Luft bei 560° C f.3 Min.

Hartlötbleche zum Vergleich

Weiter werden die Hartlötbleche Nr. 6 und 7, beschrieben in der Tabelle II, mit einem Aluminiumblech AA3OO3 zur Bildung einer kreuzförmigen Hartlötverbindung wie in Beispiel 1 ausgeführt, kombiniert und anschließend in Luft durch Erhitzen auf 600° C für 3 Minuten hartgelötet. Anschließend werden die hartgelöteten Testproben im Bruchtest überprüft, die Ergebnisse isnd in Tabelle III dargestellt.

Tabelle III

Ergebnisse des Bruchversuches an den Hartlötverbindungen (Werte für den Reißdruck in der Tabelle sind Mittelwerte aus fünf Messungen).

Testprobe " gebrochener Teil Reißkraft an der gelöteten

Teile (kg/mm²)

Nr. 1 hartgelöteter Teil 8,3 - 9,0

(Sr-frei)

Nr. 2 Grundplatte nicht weniger als 10,5

(enthält Sr)

Wie in der Figur 1 deutlich gezeigt ist, entwickeln die Aluminium-Hartlötlegierungen der Erfindung eine sehr viel feinere Struktur an den hartgelöteten Verbindungsstellen, durch Anwendung jedes der herkömmlichen Hartlötverfahren, zum Beispiel Vakuumhartlöten, Hartlöten in Stickstoffatmosphäre, etc., durch das Tauchhartlötverfahren, und dadurch sorgen sie, wie aus den Ergebnissen der Experimente, Tabelle I bis III, ersichtlich ist, für eine hochfeste Hartlötverbindung im Vergleich zu herkömm-

BAD 0*-."V'.,₄,

- yL -

lichen rlartlotlegxerungen, einschließlich Aluminium-Silizium, Aluminiura-Silizium-Magnesium und Aluminium-Siliziuin-Kupfer (oder -Zink)-Kartlötlegierungen und eliminieren die Bruch- oder Reißprobleme aufgrund des Innendruckes oder andere zerstörende Kräfte. Weiters wird das Vorkommen von Kavitäten, welches unvermeidbar mit der Aluminium-Silizium-Strontium-Hartlötlegierung, offengelegt in der JP-Patentanmeldung Nr. 56-169744, zusammenhängt, in dieser Erfindung in den Lötverbindungen nicht gefunden und das Hartlöten kann unter einer guten Bedingung durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Aluminium-Hartlot und seine Verwendung zum Bau von Aiuminiur Wärmeaustauschern durch Hartlöten, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumhartlot im wesentlichen aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 0,005 bis weniger
0,1 Gew.-% Strontium, Rest im wesentlichen Aluminium, besteht.

2. Aluminium-Hartlot und seine Verwendung zum Bau von Aluminium-Wärmeaustauschern durch Hartlöten, dadurch gekennzeichnet , daß das Aluminiumhartlot im wesentlichen aus 4,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 0,005 bis weniger
0,1 Gev.-.-% Strontium, mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 0,3 bis 3,0 Gew.-% Magnesium, 2,3 uis 4,7 Gew.-% Kupfer und 9,3 bis 10,7 Gew.-% Zink,
Rest in wesentlicnen Aluminium besteht.

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