DE68910935T2 - Lötbares Blech aus Aluminiumlegierung und Verfahren zu dessen Herstellung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein hartlötbares Aluminiumlegierungsblech und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein hartlötbares Aluminiumlegierungsblech für die Herstellung von Rippen für Wärmetauscher wie Kondensatorkühler, Verdampfer, Radiatoren und Kühler, insbesondere für Autos.
• Bekanntlich werden die Rippen von Wärmetauschern aus Aluminium-Mangan-Legierungsblechen oder aus Hartlotblechen gefertigt, die Kerne aus Aluminium-Mangan-Legierungsblechen aufweisen, welche auf einer Seite oder auf beiden Seiten mit einem Aluminium-Silizium-Hartlötmittel überzogen sind. Die Rippen und die rohrförmigen Elemente sind miteinander hartgelötet.
• Neuerdings sind strenge Anforderungen an die Leichtgewichtigkeit von Autos und an verminderte Herstellungskosten gestellt worden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden dünne Bleche hergestellt, aber dünne Bleche sind leicht zu deformieren, d.h. leicht unter Last zu verbiegen und zu verbeulen, wenn sie der Löthitze ausgesetzt werden. Daher ist es wichtig, daß die dünnen Bleche eine Biegesteifigkeit haben müssen, ohne daß die Formbarkeit beeinträchtigt wird. Um biegesteif zu sein, muß der Hitzewiderstand der Bleche erhöht werden; ebenso ist es erforderlich, daß sich die Kristalle in der Blechtextur infolge der Rekristallisierung während der Löthitze voll ausbilden. Das Wachstum der Kristalle erhöht den Hitzewiderstand der Bleche. Wenn die Kristalle klein sind, frehmen die Korngrenzen zu, wodurch ein Schmelzlotmedium in die Tiefe der Blechtextur eingeführt wird und dies Medium die Blechtextur von innen erodieren kann. Als Ergebnis verlieren die Bleche ihre Festigkeit. Große Kristalle vermindern dagegen die Kristallgrenzen, wobei das Schmelzlotmedium am Erodieren der Blechtextur gehindert wird.
• In langen Benutzungszeiten wurde festgestellt, daß das Alumiium-Mangan-Legierungsblech keine genügende Biegesteifigkeit hat.
• Zur Verbesserung dieses Nachteils ist es beispielsweise durch die japanische patentanmeldung 63-125635 bekannt, der Aluminium-Mangan-Legierung ein oder zwei der Elemente Silizium, Zinn, Zink, Magnesium und Zirkonium zuzufügen. Ferner ist es beispielsweise durch die japanische patentanineldung 63-125636 bekannt, der Legierung ein oder zwei der mit einem hohen Schmelzpunkt behafteten Metalle der Va- und Wa-Familie wie Tantal, Niob, Molybdän und Wolfram beizugeben. weiterhin ist es beispielsweise durch die japanische Patentanmeldung 63- 125635 bekannt, das abschließende Arbeiten in der Kühlperiode nach dein Glühen zu steuern, um den Herstellungsprozeß zu verbessern. Es hat bisher aber keine erfolgreiche Benutzung gegeben, die den strengen Anforderungen für dünne Rippen genügt.
• Um den Korrosionswiderstand der rohrförmigen Elemente für wärmetauscher zu erhöhen, wird Indium oder Zink zugefügt, damit die Rippen zu Opferanoden werden. Der Zusatz von Indium und Zink vermindert jedoch die Biegesteifigkeit der Bleche.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines hartlötbaren Aluminiumlegierungsblechs anzugeben Gemäß der Erfindung wird ein Aluminiumlegierungsbarren hergestellt, der 0,8 bis 1,3 Gewichts-% Mangan, 0,2 bis 0,7 Gewichts-% Silizium und einen Restanteil Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen enthält; dann wird die Aluminiuminasse bei einer Temperatur von 350º bis 450ºC ohne Durchführung einer Homogenisierungsbehandlung heiß gewalzt, woran sich ein erstes kaltes Walzen der heiß gewalzten Aluminiumlegierung anschließt; dann wird ein Glühprozeß (Verfahrensglühen) an der Legierung im Temperaturbereich von 350º bis 420º durchgeführt, wonach ein zweites kaltes Walzen der geglühten Legierung bei einem Streckprozentsatz von 20 bis 40% stattfindet.
• Mangan erhöht die Festigkeit der Legierung bei Raumtemperatur und erzeugt infolge seiner Reaktion mit Aluminium und Silizium Feinausfällungen auf der Al-Mn-Si-Basis. Die Feinausfällungen verzögern vorteilhafterweise die Rekristallisation, so daß die resultierenden Kristalle genügend wachsen, um die Biegesteifigkeit der Legierung zu erhöhen. Wenn der Anteil an Mangan jedoch unter 0,8 Gewichts-% fällt, wird keine wesentliche Wirkung erzielt. Überschreitet andrerseits der Mangananteil 1,3 Gewichts-%, werden Grobausfällungen erzeugt, die die Formbarkeit vermindern und die zu Kernen in den Rekristallisierungskristallen werden, so daß diese in zu feine Körner geteilt werden. Als Ergebnis vermindern sich die Hochtemperaturfestigkeit der Legierung und die Biegesteifigkeit infolge der Erosion der Blechtextur durch das Lötmittel.
• Silizium erzeugt Feinausfällungen auf der Al-Mn-Si-Basis und dient zur Rekristallisierung in große Kristalle. Wenn der Siliziumanteil jedoch geringer als 0,2 Gewichts-% ist, wird keine wesentliche Wirkung erzielt. Überschreitet der Siliziumanteil andrerseits 0,7 Gewichts-%, ergeben sich Grobausfällungen, wodurch die Gewinnung großer Rekristallisationskristalle erschwert wird.
• Indium und Zink sind besonders von Vorteil, wenn sie dem für Rippen von Wärmetauschern benutzten Blech beigegeben werden, weil sie die rohrförmigen Elemente mit einem kathodischen Schutz versehen, indem die Rippen als Opferanoden arbeiten. Für diesen Zweck sind Indium und Zink Äquivalente, so daß ihre alternative Benutzung genügt. Wenn jedoch der Indiumanteil geringer als 0,04 Gewichts-% und der Zinkanteil geringer als 0,1 Gewichts-% ist, wird keine wesentliche Wirkung erzielt. Wenn andrerseits der Indiumanteil 0,1 Gewichts-% und der Zinkanteil 2,0 Gewichts-% übersteigt, vermindert sich die Biegesteifigkeit der Legierung.
• Zusätzlich können Zirkonium und Chrom zugefügt werden. Diese Elemente erhöhen wirksam die Forinbarkeit und die Biegesteifigkeit der Legierung. Für diesen Zweck sind Zirkonium und Chrom Äquivalente, so daß eine alternative Benutzung genügt. Wenn ihr Gesamtanteil jedoch geringer als 0,04 Gewichts-% ist, wird keine wesentliche Wirkung erzielt; übersteigt ihr Gesamtanteil andrerseits 0,12 Gewichts-%, ergeben sich Grobausfällungen, was zu extrem feinen Rekristallisationskörnern führt.
• Zusätzlich zu den oben erwähnten Elementen sind in der Legierung Verunreinigungen unvermeidbar enthalten, wobei diese Verunreinigungen aus Eisen, Kupfer, Magnesium, Chrom, Zink und Titan bestehen. Eisen erzeugt Grobausfällungen auf der Al-Fe-Basis und der Al-Mn-Fe-Basis und führt zu Kernen für die Rekristallisation. Dies führt zu feinen Rekristallisationskörnern und vermindert nicht nur die Hochtemperaturfestigkeit der Legierung, sondern erlaubt es dem Lötmittel auch, die Blechtextur zu erodieren, wenn die Hartlötung ausgeführt wird. Vorzugsweise beträgt der Eisenanteil nicht mehr als 0,3 Gewichts-%. Wenn die Legierungsbleche für Rippen von Wärmetauschern verwendet werden, neigt Kupfer dazu, den Korrosionswiderstand der Bleche zu vermindern, indem die Rippen positives Potential gegenüber den rohrförmigen Elementen erhalten. Vorzugsweise ist der Kupferanteil nicht größer als 0,05 Gewichts-%.
• Es wird die Einstellung bevorzugt, bei der die Rekristallisationskristalle bei einer Löthitze von etwa 600ºC wachsen, so daß sie keinen kleineren Durchschnittsdurchmesser als 200 um aufweisen und das Verhältnis (l/d) der Länge (l) der Kristalle in Walzrichtung zu ihrem Durchmesser bzw. ihrer Dicke (d) nicht kleiner als 20 ist. Wenn der Durchschnittsdurchmesser der Rekristallisationskörner weniger als 200 um beträgt, ist die Erhöhung der Hochtemperaturfestigkeit schwierig. Eine schlechte Sache ist, daß das Eindringen eines Schmelzlotmittels die Siliziumerosion durch Körner in der Blechtextur beschleunigt. Als Ergebnis nimmt die Biegesteifigkeit des Legierungsblechs ab. Das Verhältnis l/d ist ein Längen-Dicken-Verhältnis; der Grund dafür, daß es nicht kleiner als 20 sein sollte, ist der, daß es bei kleinerem Verhältnis als 20 schwierig ist, die Hochtemperaturfestigkeit des Blechs zu vergrößern. Vorzugsweise ist das Verhältnis l/d> =25.
• Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des hartlötbaren Aluminiumlegierungsblechs beschrieben.
• Die Haupteigenschaften des Verfahrens gemäß der Erfindung sind zweierlei Art; die eine ist, daß die Bleche keiner wesentlichen Hitze ausgesetzt werden, bis sie der Löthitze in der Zusammenbaustufe unterworfen werden, wobei verhindert wird, daß der Mangananteil in große Ausfällungen wächst, die andrerseits Kerne für die Rekristallisation erzeugen würden; die andere ist, daß der Streckprozentsatz beim abschließenden Walzen in einen solchen Optimalbereich gelegt wird, daß die Treibkraft für die Rekristallisation beschränkt wird.
• Im einzelnen wird das die oben genannten Elemente enthaltende Aluminium geschmolzen und zu einem Barren gegossen. Dann wird der Barren ohne Durchführung einer Homogenisierungsbehandlung in Bleche heiß ausgewalzt. Der Grund, weshalb der Homogenisierungsprozeß weggelassen wird, ist der, daß bei Durchführung dieses Prozesses Mangan als Grobausfällung auf der Al-Mn-Basis oder der Al-Mn-Fe-Basis gebildet wird und Kerne für die Rekristallisation erzeugt werden, was zu feinen Rekristallisationskörnern führt. Das heiße Walzen erfogt in einem Temperaturbereich von 3500 bis 450ºC, so daß die Bildung von Grobausfällungen vermieden wird.
• Danach werden die heiß gewalzten Bleche kalt gewalzt, ohne einen Glühprozeß zwischen dem heißen Walzen und dem kalten Walzen durchzuführen. Der Prozeß des kalten Walzens wird in zwei Teile, einem ersten Teil und einem zweiten Teil, geteilt. Zwischen den zwei Teilen des kalten Walzens wird ein Glühprozeß in einem Temperaturbereich von 350º bis 420ºC durchgeführt. Der Grund dafür, weshalb ein Glühprozeß zwischen dem heißen Walzen und dem kalten Walzen nicht ausgeführt wird, ist der, daß bei Durchführung eines solchen Glühprozesses Grobausfällungen gebildet werden. Der Glühprozeß zwischen den beiden Teilen des kalten Walzens erfolgt deshalb, um die Streckung und damit das Walzen zu erleichtern und um den Streckprozentsatz im zweiten Teil des kalten Walzens zu steuern. Der Optimaltemperaturbereich für den Glühprozeß beträgt 350º bis 420ºC. Wenn die Glühtemperatur geringer als 350ºC ist, wird keine wesemtliche Wirkung erzielt, während beim Überschreiten von 420ºC Grobausfällungen erzeugt werden, die zu zu feinen Rekristallisationskörnern führen. Als Ergebnis nimmt die Biegesteifigkeit ab. Der Streckprozentsatz im zweiten Teil des kalten Walzens beträgt vorzugsweise 20 bis 40%. Wenn er geringer als 20% ist, erfolgt keine Rekristallisation, und die Kristalle bleiben unstabil, wenn die Hartlötung durchgeführt wird. Dies ermöglicht einem Schmelzlotmittel, in die Blechtextur durch die Korngrenzen einzudringen und die Blechtextur zu erodieren. Wenn der Streckprozentsatz 40% überschreitet, wird die Treibkraft für die Rekristallisation zu groß, und die Kristalle werden geteilt, wodurch es dem Schmelzlotmittel ermöglicht wird, die Blechtextur zu erodieren. Der zweite Teil des kalten Walzens bestimmt die Enddicke der Bleche. Die Bedingungen für den ersten Teil des kalten Walzens sind keine besonderen und können die für das gewöhnliche Kaltformen sein. Wenn die Bleche als Kerne für die hartlötbaren Aluminiumbleche benutzt werden, können die Bleche auf einer Seite oder auf beiden Seiten mit einem Hartlotmittel beim Prozeß des heißen Walzens überzogen werden.
Beispiel 1 (Tabelle 1):
• Hartlötbare Bleche sind als Proben A bis M gemäß der Erfindung und als Vergleichsproben N und O hergestellt worden, von denen jede einen Kern aus Aluminiumlegierungsblech aufwies, das die in der Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung hatte. Das Verfahren zur Herstellung der Proben war folgendes:
• Bei jeder Probe wurde eine Aluminiumlegierung geschmolzen und zu einem Barren gegossen. Der Barren wurde ohne Zwischenschaltung eines Homogenisierungsprozesses abgefast. Der abgefaste Barren wurde mit einem Hartlotmittel aus einer 15%-igen Aluminium-Silizium-Legierung auf beiden Seiten überzogen und auf eine Dicke von 3,2mm heiß ausgewalzt. Dann wurde das Blech einem ersten Teil des kalten Walzens ausgesetzt, bis es auf eine Dicke von 0,2mm ausgewalzt war, ohne das Blech einem Glühprozeß auszusetzen. Dann wurde das Blech bei 370ºC für eine Stunde geglüht und einem zweiten Teil des kalten Walzens ausgesetzt, bis das Blech eine Dicke von 0,13mm hatte. Der Streckprozentsatz beim zweiten Teil des kalten Walzens betrug 35%. Tabelle 1 Probe Zusammensetzung (Gewichts-%)
• Bemerkung: Die Proben A bis M gelten für die Erfindung; die Proben N und O dienen zum Vergleich; Fe und Cu sind als Verunreinigungen enthalten.
• Die Proben A bis O sind hinsichtlich der Biegesteifigkeit und des Korrosionswiderstandes geprüft worden. zusätzlich sind sie auf ihre Forinbarkeit untersucht worden, wobei sie zur Herstellung geriefelter, mit Belüftungsschlitzen versehener Rippen benutzt worden sind, die eine Höhe von 12mm, eine Breite von 50mm und eine Länge von 10mm aufwiesen. Die Biegesteifigkeitsprüfung ist durch zerschneiden jeder Probe in einen Barren mit einer Länge von 80mm und einer Breite von 20mm und durch Unterstützen eines von dem einen Barrenende gemessenen, 35 mm langen Barrenteils vorgenommen worden, während der übrige Barrenteil von 45mm frei hervorstand, d.h. ohne Unterstützung war, sowie durch Belasten des frei hervorstehenden Barrenteils für die Messung des Biegesteifigkeitswerts vorgenommen worden. Weiterhin sind die Rekristalisationskorngrößen (Durchmesser) nach Erhitzung und das Längen-Dicken-Verhältnis l/d gemessen worden, wobei l die Länge des individuellen Kristalls in einer walzrichtung und d die Dicke des Kristalls war. Die Korrosionswiderstandsprüfung ist durch Hartlöten jeder Probe an ein rohrförmigen Element der Aluminiumlegierung AA1100, durch Besprühen mit Salz (Salzsprühkorrosionsprüfung) und durch Messen der Zeitspanne bis zur Entstehung eines Lecks im rohrförmigen Element vorgenommen worden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt. Es sei bemerkt, daß die Proben A bis M in Verbindung mit der Erfindung gelten, während die Proben N und O zum Vergleich dienen.
Beispiel 2
• In Tabelle 3 bezeichnen die Buchstaben A bis M dieselben Probenzusammensetzungen wie in der Tabelle 1. Die Legierung ist geschmolzen und zu Barren gegossen worden; einige Barren waren homogenisiert, andere nicht. Dann ist jeder Barren abgefast und auf beiden Seiten mit einem Hartlotmittel aus einer 15%-igen Aluminium-Silizium-Legierung überzogen worden. Der Barren ist auf eine Dicke von 3,2mm heiß ausgewalzt worden- und einige Barren wurden geglüht, andere nicht. Die Tabelle 2 Legierung Biegesteifigkeit (mm) Formbarkeit Korngröße (um) Korrosions widerstand (Stunden) gut schlecht
• geglühten und nicht geglühten Barren sind einem ersten kalten Walzen unterzogen worden, bis sie eine Dicke von 0,2mm hatten. Dann sind die Bleche einem Glühprozeß und einein zweiten kalten Walzen unterzogen worden. Die Einzelheiten über die Vorgänge zur Gewinnung jeder Probe sind in Tabelle 3 gezeigt.
• Jede Probe ist in derselben Weise wie im Beispiel hinsichtlich der Biegesteifigkeit, des Korrosionswiderstandes und der Formbarkeit untersucht worden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 gezeigt.
• Bemerkung: "Homog." steht für homogenisiert;
• H.W." steht für heißes Walzen;
• "Verf.Gl." steht für Verfahrensglühen;
• "Dicke" bedeutet die Dicke jedes Biechs nach dein Tabelle 3 Probe Nr. Legier. Homog. Dicke (mm) Verf.Gl. (ºCxStd) Streck (%) Biegest (mm) Formb. Korr.W. (Std.) gut
• des ersten Walzens;
• "Streck." bedeutet den Streckprozentsatz der Kernbleche im zweiten Teil des kalten Walzens;
• "Biegesteif." bedeutet die Biegesteifigkeit;
• "Formb." steht für Formbarkeit;
• "Korr.W." steht für Korrosionswiderstand.
• Aus den Ergebnissen der Beispiele 1 und 2 kann entnommen werden, daß die hartlötbaren Aluminiumlegierungsbleche eine vergrößerte Biegesteifigkeit haben, ohne daß ihre Formbarkeit abnimmt.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von hartlötbarem Aluminiumlegierungsblech, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens-Schritte:

es wird ein Aluminiumlegierungsbarren hergestellt, der 0,8 bis 1,3 Gewichts-% Mangan, 0,2 bis 0,7 Gewichts-% Silizium und Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen sowie fakultativ 0,04 bis 0,12 Gewichts-% Zirkonium und/oder Chrom enthält;

die Aluminiumlegierungsmasse wird im Temperaturbereich von 350º bis 450ºC ohne Durchführung einer Homogenisierungsbehandlung heiß gewalzt;

es wird ein erstes kaltes Walzen der heiß gewalzten Aluminiumlegierung durchgeführt;

es wird ein Glühprozeß der Aluminiumlegierung im Temperaturbereich von 350º bis 420ºC durchgeführt;

es wird ein abschließendes kaltes Walzen der geglühten Aluminiumlegierung bei einem Streckprozentsatz von 20 bis 40% vorgenommen.

2. Verfahren zur Herstellung von hartlötbarem Aluminiumlegierungsblech, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

es wird ein Alumiumlegierungsbarren hergestellt, der 0,8 bis 1,3 Gewichts-% Mangan und 0,2 bis 0,7 Gewichts-% Silizium enthält und der ferner 0,04 Gewichts-% Indium und/oder 0,1 bis 2,0 Gewichts-% Zink und fakultativ 0,04 bis 0,12 Gewichts-% Zirkanium und/oder Chrom sowie Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist;

die Aluminiumlegierungsmasse wird im Temperaturbereich von 350º bis 450ºC ohne Durchführung einer Hoinogenisierungsbehandlung heiß gewalzt;

es wird ein erstes kaltes Walzen der heiß gewalzten Aluminiumlegierung durchgeführt;

es wird ein Glühprozeß der Aluminiumlegierung im Temperaturbereich von 350º bis 420ºC vorgenommen;

es wird ein abschließendes kaltes Walzen der geglühten Aluminiumlegierung bei einem Streckprozentsatz von 20 bis 40% durchgeführt.