-
Die Erfindung betrifft eine verbesserte
Aluminiumlegierung und genauer eine Aluminiumlegierung, die kontrollierte
Mengen definierter Verbindungen enthält und durch die Kombination
aus einer hohen Strangpressfähigkeit
und einer hohen Korrosionsbeständigkeit
gekennzeichnet ist.
-
In der kraftfahrtechnischen Industrie
werden Aluminiumlegierungen aufgrund der Strangpressfähigkeit der
Legierungen in Kombination mit verhältnismäßig hoher Stärke und
geringem Gewicht bei einer Anzahl von Anwendungen, insbesondere
für verrohrungen,
verwendet.
-
Besonders nützlich sind Aluminiumlegierungen
für die
Verwendung in wärmeaustauschern
oder Klimatisierungskondensatoren. Bei dieser Anwendung muss die
Legierung eine gute Stärke,
eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit
und eine gute Strangpressfähigkeit
aufweisen.
-
Eine kennzeichnende Legierung, die
bei dieser Anwendung verwendet wird, ist AA 3102. Kennzeichnenderweise
enthält
diese Legierung 0,43 Gew.-% Eisen, 0,12 Gew.-% Silizium und 0,25
Gew.-% Mangan.
-
Im Dokument WO 97/46726 ist eine
Aluminiumlegierung beschrieben, die bis zu 0,03 Gew.-% Kupfer, zwischen
0,05 und 0,12 Gew.-% Silizium, zwischen 0,1 und 0,5 Gew.-% Mangan,
zwischen 0,03 und 0,30 Gew.-% Titan, zwischen 0,06 und 1,0 Gew.-%
Zink, weniger als 0,01 Gew.-% Magnesium, bis zu 0,50 Gew.-% Eisen,
weniger als 0,01 Gew.-% Nickel und bis zu 0,50 Gew.-% Chrom enthält.
-
Im Dokument WO 97/46726 wird behauptet,
dass keine positive Wirkung von Chrom auf die Korrosionsbeständigkeit
besteht. Es sollte auch erwähnt
werden, dass im gleichen Patent der untere Gehalt von Mangan 0,1
Gew.-% beträgt.
-
Es besteht ein ständiger Bedarf an Aluminiumlegierungen,
die die Kombination aus einer hervorragenden Strangpressfähigkeit
und einer überragenden
Korrosionsbeständigkeit
aufweisen. Die hervorragende Strangpressfähigkeit wird benötigt, um
die Kosten an der Strangpressanlage auf ein Mindestmaß zu verringert, was
einen geringeren Strangpressdruck und höhere Strangpressgeschwindigkeiten
beinhaltet.
-
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung,
eine Aluminiumlegierungszusammensetzung bereitzustellen, die eine überragende
Korrosionsbeständigkeit
und eine verbesserte Strangpressfähigkeit zeigt, während die Stärke der
gegenwärtig
handelsüblichen
Aluminiumlegierungen aufrechterhalten wird. Aus diesem Grund beinhaltet
die Aluminiumlegierung nach der vorliegenden Erfindung kontrollierte
Mengen an Eisen, Silizium, Mangan, Titan, Chrom und Zink.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine auf Aluminium beruhende Legierung bereitzustellen,
die zur Verwendung bei stranggepressten Wärmeaustauscherverrohrungen
geeignet ist.
-
Es ist eine andere Aufgabe; der vorliegenden
Erfindung, eine auf Aluminium beruhende Legierung bereitzustellen,
die zur Verwendung als Rippenmaterial für Wärmeaustauscher oder bei Folienverpackungsanwendungen,
die einer Korrosion wie beispielsweise durch Salzwasser unterworfen
sind, geeignet ist.
-
Diese Aufgaben und Vorteile werden
durch eine auf Aluminium beruhende Legierung erzielt, die aus 0,06
bis 0,25 Gew.-% Eisen, 0,05 bis 0,15 Gew.-% Silizium, 0,03 bis 0,08
Gew.-% Mangan, 0,10 bis 0,18 Gew.-% Titan, 0,10 bis 0,18 Gew.-%.
Chrom, bis zu 0, 50 Gew.-%, Kupfer, bis zu 0, 70 Gew.-%. Zink, bis
zu 0, 02 Gew.-%. anfallenden Verunreinigungen und Aluminium im Ausmaß der restlichen
Menge besteht. Diese auf Aluminium beruhende Legierung zeigt eine
hohe Korrosionsbeständigkeit,
eine gute Zugfestigkeit und eine gute Strangpressfähigkeit.
-
Vorzugsweise beträgt der Eisengehalt der Legierung
nach der Erfindung zwischen etwa 0,06 und 0,15 Gew.-%. Auf diese
Weise sind die Korrosionsbeständigkeit
und die Strangpressfähigkeit
optimal, da beide Merkmale bei einem hohen Eisengehalt drastisch
abnehmen.
-
Zink wird sogar bei einer geringen
Konzentration die Anodisierungseigenschaften von AA 6000-Legierungen
negativ beeinflussen. Angesichts dieser verschmutzenden Wirkung
von Zink sollte der Gehalt an Zink gering gehalten werden, um die
Legierung wieder verwertbarer zu machen und um Kosten im Gusshaus
einzusparen. Im übrigen
weist Zink bis zu zumindest 0,7 Gew.-% eine positive Wirkung auf
die Korrosionsbeständigkeit
auf, doch aus dem oben angeführten
Grund beträgt
die Zinkmenge vorzugsweise zwischen 0,10 und 0,18 Gew.-%.
-
Obwohl Kupfer bis zu einem Ausmaß von 0,50
Gew.-% vorhanden sein kann, wird ein Kupfergehalt unter 0,01 Gew.-%
vorgezogen, um über
die bestmögliche
Strangpressfähigkeit
zu verfügen.
Unter manchen Umständen
könnte
es nötig
sein, der Legierung Kupfer hinzuzufügen, um das Korrosionspotential
zu steuern und das Erzeugnis weniger elektronegativ zu machen, um
einen galvanischen Korrosionsangriff des Produkts zu vermeiden.
Es wurde festgestellt, dass Kupfer das Korrosionspotential für jedes
hinzugefügte
Prozent von Kupfer um einige 100 mV erhöht, aber zugleich die Strangpressfähigkeit
wesentlich verringert.
-
Normalerweise wird die Legierung
nach dem Gießen
durch eine Hitzebehandlung bei erhöhten Temperaturen, z. B. 550
bis 610°C
im Laufe von drei bis zehn Stunden homogenisiert. Es wurde festgestellt,
dass die Strangpressfähigkeit
durch eine solche Hitzebehandlung leicht verbessert, die Korrosionsbeständigkeit
jedoch negativ beeinflusst wurde.
-
Das Aluminiumerzeugnis kann durch
eine Hitzebehandlung der Aluminiumlegierung nach dem Gießen, bei der es sich um das Vorheizen direkt vor
der Strangpressung handelt, hergestellt werden.
-
Ein derartiges Vorheizen findet bei
geringeren Temperaturen als der Homogenisierungsschritt statt und
dauert nur einige Minuten, so dass die Merkmale der Legierung hinsichtlich
der Strangpressfähigkeit
und der Korrosionsbeständigkeit
kaum beeinflusst werden.
-
In einem Versuch, die mit der erfinderischen,
auf Aluminium beruhenden Legierung verbundenen Verbesserungen gegenüber bekannten
herkömmlichen
Legierungen zu zeigen, wurden Eigenschaften im Zusammenhang mit
den mechanischen Eigenschaften, der Korrosionsbeständigkeit
und der Strangpressfähigkeit
untersucht.
-
Die nachfolgende Beschreibung führt die
Techniken, die zur Untersuchung der Eigenschaften benutzt wurden,
ausführlich
aus und bespricht die Ergebnisse der Untersuchung.
-
Eine Legierung nach der Erfindung
wurde zusammen mit anderen Legierungen, die nicht in den Umfang
der vorliegenden Erfindung fallen, hergestellt, wobei die Legierungen
nachstehend in Tabelle 1 als Legierungen A bis I angeführt sind,
In Tabelle 1 ist die Zusammensetzung dieser Legierungen in Gewichtsprozent angegeben,
wobei in Betracht gezogen ist, dass jede dieser Legierungen bis
zu 0,02 Gew.-% an anfallenden Verunreinigungen enthalten kann. In
Tabelle 1 ist auch die Zusammensetzung der herkömmlichen Legierung 3102 gezeigt.
-
Alle diese Legierungen wurden auf
herkömmliche
Weise hergestellt. Der Strangpressung des Barrens nach der Herstellung
der Legierung ging ein Vorheizen auf Temperaturen zwischen 460 und
490°C voraus.
-
Tabelle
1
Chemische Zusammensetzung der verschiedenen Legierungen
-
-
Um die Verbesserungen, die durch
die Legierungen nach der Erfindung erhalten wurden, zu bewerten, wurde
eine Anzahl von Versuchen ausgeführt,
deren Ergebnisse in Tabelle 2 gezeigt sind.
-
Tabelle
2
Eigenschaften der in Tabelle 1 gezeigten Legierungen
-
Zur Untersuchung der Eigenschaften
dieser Legierungen wurde ein Satz von Barren gegossen und wurde
ihre Zusammensetzung durch Elektronenanregungsspektroskopie bestimmt.
Für diese
Analyse wurde ein Instrument des Herstellers BAIRD VACUUM verwendet,
und die verwendeten Standards wurden durch Pechiney geliefert.
-
Die Strangpressfähigkeit steht mit der Mundstückkraft
und der als maximale Kraft angegebenen maximalen Strangpresskraft
in Beziehung. Diese Parameter werden durch Druckumwandler registriert,
die an der Presse angebracht sind und ein direktes Auslesen dieser
Werte bieten.
-
Zum Bestimmen der Korrosionsbeständigkeit
dieser Legierungen wurde der so genannte SWAAT-Versuch verwendet.
Die Versuchsprobe war ein stranggepresstes Rohr mit einer Wandstärke von
0,4 mm. Dieser Versuch wurde nach dem ASTM-Standard G85-85, Anhang 3, mit
abwechselnden dreißigminütigen Spxühzeiten
und neunzigminütigen
Durchtränkungszeiten
bei einer Feuchtigkeit von 698% durchgeführt. Der Elektrolyt ist künstliches
Meereswasser, das mit Essigsäure
auf einen pH-Wert
von 2,8 bis 3,0 gesäuert
ist, und eine Zusammensetzung nach dem ASTM-Standard D1141. Die
Temperatur wird bei 49°C
gehalten. Der Versuch wurde in einer Liebisch-KTS-2000-Salzsprühkammer
durchgeführt.
-
Zur Untersuchung der Entwicklung
des Korrosionsverhaltens wurden jeden dritten Tag Proben der verschiedenen
Materialien aus der Kammer entnommen. Die Materialien wurden dann
in Wasser gespült
und anschließend
bei einem ausgeübten
Druck von 10 Bar auf undichte Stellen untersucht. Falls beispielsweise
festgestellt wurde, dass eine Probe nach 35 Tagen durchlöchert war,
wurden Vergleichsproben in die Kammer eingebracht und dort vor der
ersten Untersuchung 35 Tage belassen, um das Ergebnis zu bestätigen. In
der Spalte SWAAT ist die Anzahl der Tage vor der Durchlöcherung
angegeben.
-
Die wie beschriebenen Versuche werden
in der kraftfahrtechnischen Industrie allgemein verwendet, wobei
eine annehmbare Leistung als über
zwanzig Tagen liegend qualifiziert ist.
-
Der Versuch der mechanischen Eigenschaften
wurde auf einem Zweck-Universalversuchsinstrument (Modul 167500)
und gemäß dem Euronorm-Standard
vorgenommen. Beim Versuch war das E-Modul während des gesamten Versuchs
auf 70000 N/mm2 fixiert.
-
Die Geschwindigkeit des Versuchs
lag konstant bei 10 N/mm2 pro Sekunde bis
der Verschiebewiderstand Rp ("shunt
resistance") erreicht
wurde, während
der Versuch vom Verschiebewiderstand bis zum Auftreten eines Bruchs
40% Lo/min betrug, wobei Lo die ursprüngliche Messlänge war.
-
Die Ergebnisse von Tabelle 2 zeigen,
dass sowohl die mechanischen Eigenschaften, die Strangpressfähigkeit
von der Mundstückkraft
als auch der maximalen Kraft her, als auch die Korrosionsbeständigkeit
legierungsabhängig
sind. Zuallererst ist die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen A
bis I im Vergleich zur Legierung 3102 überragend. Die Strangpressfähigkeit
ist im Allgemeinen mit jener der Legierung 3102 vergleichbar, doch
sieht man, dass die Strangpressfähigkeit
der Legierungen A und D verglichen mit jener der Legierung 3102
deutlich verbessert ist. Die mechanischen Eigenschaften von der
höchsten
Zugfestigkeit, der Verformungsfestigkeit und der Dehnung in Prozentwerten
her liegen in der gleichen Ebene wie bei der Legierung 3102. Manche
Legierungen weisen geringfügig
verringerte mechanische Eigenschaften auf.
-
Die besten Legierungszusammensetzungen
hinsichtlich der Korrosion werden als dann gegeben beobachtet, wenn
der Zinkgehalt verhältnismäßig hoch,
d. h., höher
als 0,5 Gew.-% ist (Legierung E und F, oder wenn zusätzlich zu
Titan und Zink Chrom beigegeben wird (Legierungen G, H und I) Im
Fall der Legierungen G, H und I ist der Zinkgehalt auf eine Ebene
verringert, die zur Verwendung in Gusshäusern geeigneter ist, während die
Korrosionsbeständigkeit
für diese
Legierungen der Korrosionsbeständigkeit
für die
Legierungen, die einen viel höheren
Zinkgehalt aufweisen, ebenbürtig
ist.
-
Es sollte daher betont werden, dass
die optimalen Eigenschaften und insbesondere die Korrosionsbeständigkeit
das Ergebnis der richtigen Kombination der Elemente Chrom, Eisen,
Titan, Mangan und Zink ist.
-
Die Korrosionsversuche wurden an
Proben vorgenommen, die an unterschiedlichen Stellen der Spule genommen
wurden. Etwa zehn Proben wurden von ganz am Anfang der Spule (von
der Vorderseite des Barrens) genommen, zehn Proben vom mittleren
Bereich der Spule (vom mittleren Bereich des Barrens) genommen,
und zehn Proben vom Ende der Spule (vom Ende des Barrens) genommen.
Jede Probe war etwa 50 cm lang. Die Ergebnisse waren sehr gleichmäßig, was
bedeutet, dass für
die verwendeten Strangpressparameter hinsichtlich der Strangpressgeschwindigkeit
und des Materialflusses während
der Strangpressung eines Barrens keine Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit
bestehen.
-
Zusätzliche Arbeiten wurden durchgeführt, um
die Auswirkung der unterschiedlichen legierenden Elemente zu bewerten.
Diese sind ebenfalls in den beiliegenden 1 bis 6 gezeigt,
in denen
-
1 den
Einfluss des Eisengehalts auf die Merkmale der Legierung nach der
Erfindung zeigt;
-
2 den
Einfluss des Mangangehalts auf die Merkmale der Legierung nach der
Erfindung zeigt;
-
3 den
Einfluss des Titangehalts auf die Merkmale der Legierung nach der
Erfindung zeigt;
-
4 den
Einfluss des Chromgehalts auf die Merkmale der Legierung nach der
Erfindung zeigt;
-
5 den
Einfluss des Zinkgehalts auf die Merkmale der Legierung nach der
Erfindung zeigt; und
-
6 den
Einfluss des Kupfergehalts auf die Merkmale der Legierung nach der
Erfindung zeigt.
-
In 1 bis 5 stellt die X-Achse den
in Gew.-% ausgedrückten
Gehalt des Legierungselements dar, während die Y-Achse eine relative Darstellung der
unterschiedlichen Ei genschaften ist, Die Vierecke werden zur Darstellung
der höchsten
Zugfestigkeit in MPa verwendet, die schwarzen Dreiecke werden zur
Darstellung der unter Verwendung der Mundstückkraft als repräsentative
Messung in Kilotonnen ausgedrückten
Strangpressfähigkeit
verwendet, und die weißen
Dreiecke werden zur Darstellung der in Tagen ausgedrückten SWAAT-Versuchsergebnisse
verwendet.
-
Wie in 1 gezeigt
ist die Korrosionsbeständigkeit
bei höheren
Eisengehalten (wobei der Siliziumgehalt bei der gleichen Ebene von
0,08 Gew.-% gehalten wird) deutlich verringert. Diese Auswirkung
tritt insbesondere bei Eisengehalten in einem Bereich von 0,2 bis
0,3 Gew.-% auf. Gleichzeitig ist die Strangpressfähigkeit
bei höheren
Eisengehalten deutlich verringert. Es sollte angemerkt werden, dass
eine Verringerung der Strangpressfähigkeit von 2 bis 3% (die als
Anstieg des Durchbruchdrucks von 2 bis 3% ausgedrückt ist)
Für eine
Strangpressanlage ein unannehmbarer Anstieg ist. Im übrigen führt ein
Anstieg des Eisengehalts zu einem Anstieg der Zugfestigkeit.
-
Wie aus 2 klar wird, weist das Erhöhen des
Mangangehalts über
0,10 Gew.-% praktisch keine Auswirkung auf die Beständigkeit
gegenüber
Korrosion auf (wobei Eisen und Silizium konstant gehalten werden).
Ein Anstieg des Mangangehalts führt
zu einer Verringerung der Strangpressfähigkeit und führt leicht
zu einem unannehmbaren Niveau. Im übrigen verbessern sich die
mechanischen Eigenschaften mit einem Anstieg des Mengengehalts.
Es ist daher nötig,
dass die Mengenmenge unter 0,08 Gew.-% gehalten wird, um über einen
optimalen Ausgleich zwischen der Beständigkeit gegenüber Korrosion,
der Strangpressfähigkeit und
den mechanischen Eigenschaften zu verfügen.
-
Wenn Eisen, Silizium und Mangan bei
einer konstanten Ebene von 0,15, 0,08 bzw. 0,08 Gew.-% gehalten
werden, wird ein Anstieg des Titangehalts von 0,07 auf 0,15 Gew.-%
wie in 3 gezeigt zu
einer verbesserten Beständigkeit
gegenüber
Korrosion Führen.
Gleichzeitig wird die Strangpressfähigkeit nur geringfügig verringert,
während
die Zugfestigkeit mit 2 bis 3 MPa erhöht wird.
-
Die Auswirkung von Veränderungen
des Chromgehalts von 0,08 auf 0,12 Gew.-%, während Eisen, Silizium und Mangan
bei der gleichen Ebene beibehalten werden, ist wie in 4, dass die Korrosionsbeständigkeit
erhöht
wird, die Strangpressfähigkeit
geringfügig
verringert wird, und die mechanischen Eigenschaften etwas erhöht werden.
-
Der Einfluss von Zink bei einem Beibehalten
von Eisen, Silizium, Titan und Mangan bei der gleichen Ebene von
0, 15, 0, 08 bzw. 0,08 Gew.-% ist hinsichtlich der Strangpressfähigkeit
und der mechanischen Eigenschaften praktisch Null, doch die Korrosionsbeständigkeit
wird mit zunehmendem Zinkgehalt erhöht.
-
Die Verwendung von Kupfer ist optional
und von der tatsächlichen
Verwendung der Legierung abhängig.
In 6 wird ein Diagramm
gezeigt, das den Einfluss von Kupfer auf die Strangpressfähigkeit
und auf das Korrosionspotential zeigt. An der X-Achse ist die Kupfermenge
in Gewichtsprozent gezeigt, während
die linke Y-Achse die in kN ausgedrückte Strangpresskraft und die
rechte Y-Achse das gemäß ASTM G69
in mV ausgedrückte
Korrosionspotential ist. Die obere Linie im Diagramm ist die Entwicklung
des Korrosionspotentials, während
die untere Linie die Entwicklung der Strangpresskraft ist.
-
Aus diesem Diagramm wird klar werden,
dass ein abnehmender Kupfergehalt zu einer deutlichen Erhöhung der
Strangpressfähigkeit
führt,
während
ein Anstieg von Kupfer um 1 Gew.-% das Korrosionspotential um 100
mV weniger negativ macht.
-
Normalerweise könnte es bevorzugt werden, eine
Legierung mit der geringsten möglichen
Menge an Kupfer zu verwenden, da Kupfer einen negativen Einfluss
auf die innewohnende Be ständigkeit
gegenüber
Korrosion des blanken Rohrs aufweist und die Strangpressfähigkeit
stark negativ beeinflusst.
-
Es ist jedoch unter Umständen, unter
denen das stranggepresste Erzeugnis wie etwa ein Wärmeaustauscherrohr
mit einem anderen Erzeugnis wie etwa einem Sammelrohr mit einer
Verkleidung, die kein Zink enthält,
möglich,
das Korrosionspotential des stranggepressten Erzeugnisses durch
Kupferzusätze
in einer solchen Weise abzuändern,
dass das Rohr edler (weniger negativ) als das Sammelrohrmaterial
wird. Dies wird jedwede Angriffe des Rohrs aufgrund einer galvanischen
Korrosion beschränken.
