HUT65964A - Method of joining zinc coated aluminium members - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás alumíniumelemek kötésére, amelynek során legalább egy elemet tapadó felületi cinkvagy cinkötvözetréteggel látunk el, az elemek felületére folyósítószert hordunk fel, az elemeket előszereljük, az előszerelt elemeket kemencében meghatározott, megnövelt kötési hőmérsékletre hevítjük, és a kemencében meghatározott ideig a megnövelt kötési hőmérsékleten tartjuk. A találmány közelebbről hőcserélő alkatrészeinek forrasztására, valamint az ilyen módon előállított hőcserélőkre vonatkozik. A találmány szerinti eljárás alkalmas többek között gépkocsi-hőcserélők, radiátorok, kondenzálóberendezések, elpárologtatók és egyéb berendezések előállítására.

Forrasztott alumíniumgyártmányokat jelenleg vagy folyósítószeres forrasztással állítanak elő, amelynek során folyósítószert és (lemezszerű) forraszanyagot (AISi) alkalmaznak az alkatrészek között, vagy pedig vákuumkemencékben, mely esetben egymással kötendő alkaltrészek felületén plattírozó rétegként vagy bevonatként AISi ötvözetet alkalmaznak.

Az alumíniumból készült hőcserélők esetén nehézséget okoz a lyukkorrózió. A hőcserélők korrózióállóságánek javítására következésképpen az alumíniumszubsztrátum felületére vékony, jellegzetesen legfeljebb 5 μιη vastagságú, (35 g/m² fajlagos tömegű) felületi rétegként cinkbevonatot visznek fel, amit diffúziós hőkezelés követ. Töltőanyag biztosítására a forrasztási művelet előtt különböző forraszanyagokat, így AISi vagy AIZnSi ötvözeteket alkalmaznak az alkatrészeken bevonat alakjában. Az előzőekben tárgyalt forrasztási

- 3 eljárások hátránya általában az, hogy olyan mennyiségben kell forraszanyagokat alkalmazni, amely jelentősen növeli a gyártmány tömegét és költségét, például hőcserélőkben AISi ötvözettel plattírozott Al-bordákat használva, ahol az AlSiréteg vastagsága általában a teljes lemezvastagság 10 %-át teszi ki. A forrasztás során szilícium diffundál a lemez belsejébe, ezáltal a felületi réteg szilíciumban elszegényedik, ami növeli a likviduszhőmérsékletet. Ez a hatás bonyolulttá teszi a forrasztás műveletét, és pontos hőmérsékletszabályozást tesz szükségessé.

Ezenkívül a jelenleg használt eljárások meglehetősen bonyolultak, számos különálló műveletből állnak, és a kötési művelet előtt cinkkel nem kezelt alapanyagokkal kielégítő korrózióvédelem nem biztosítható.

Az előzőekben tárgyaltak alapján a találmány feladata új és egyszerű eljárás biztosítása alumíniumelemek kötésére, amely a kötés kialakításához nem igényel speciális, nagy fajlagos tömegű töltőfémet, és ugyanakkor az egyesített elemek kiváló korrózióvédelmét eredményezi.

A találmány további feladata olyan kötési eljárás biztosítása, amelyhez használhatók a jelenlegi forrasztókemencék és berendezések.

A találmány feladata még kis tömegű és - a kötés során a pontos hőmérsékletszabályzás elkerülése útján - csekély gyártási költségű hőcserélők biztosítása.

A találmány ezen és további feladatait az alább ismertetett új kötési eljárás teljesíti.

A fentieknek megfelelően a találmány eljárás alumí4 ·· ·· ·· ·· • · · ····· · ··· ··· ·· · ··· niumelemek kötésére, amelynek során legalább egy elemet tapadó felületi cink- vagy cinkötvözetréteggel látunk el, az elemek felületére folyósítószert hordunk fel, az elemeket előszereljük, az előszerelt elemeket kemencében meghatározott, megnövelt kötési hőmérsékletre hevítjük, és a kemencében meghatározott ideig a megnövelt kötési hőmérsékleten tartjuk, és a felületi réteg legalább egy részének az elemek anyagába diffundáltatása útján határfelületi cink-alumínium-ötvözetek alakjában töltőanyag olvadékrétegét hozzuk létre, ahol a hőmérséklet növelésével progresszív módon növekvő mennyiségű ötvözetet hozunk létre.

A találmány szerinti eljárásnak megfelelően a felületi réteg kiindulási vastagsága előnyösen 2-20 μιη, legelőnyösebben 4-6 μπι. A kötési hőmérséklet 382-630 °C, előnyösen 450-620 °C.

A leíráshoz csatolt ábrák közül az 1. ábra egy biner ötvözetrendszer fázisdiagramja.

A 2. ábra interdiffúziós forrasztási eljárást szemléltet, amely az alkalmazott felfűtési sebesség és hőntartási idő útján jellemezhető.

A 3. és 4. ábra bevonatmentes alumíniumbordák és cinkbevonatú alumíniumcsövek közötti kötéseket mutat be, amelyeket a 2. ábrán szemléltetett különböző hőkezelési ciklusokkal állítottunk elő.

A találmány alapjául diffúziós eljárás új és sajátos alkalmazása szolgál, amely alumínium- vagy ötvözött alumíniumelemek (a következőkben alumíniumelemek) forrasztókemencékben lefolytatott kötésével kapcsolatban játszódik le.

• · · ····· · ··· ··· ·· « · · ·

1-2 μπι vastagságú cinkbevonatot szokásosan alkalmaznak alumíniumcsöveken, de csak az alapanyag korrózióvédelmére, és ez önmagában nem elegendő megfelelő mennyiségű forrasz (töltőanyag) biztosítására ahhoz, hogy a bevonatréteg egyszerű megolvasztása útján kielégítő kötések jöjjenek létre. Az alacsony hőmérsékletű kötés (forrasztás) szokásos eljárása során 20 μιη-t meghaladó vastagságú, előnyösen 30-50 μπι vastagságú cinkbevonat szükséges kielégítő térfogatú töltőanyag biztosításához. Meglepő módon azt állapítottuk meg, hogy akár csak 2 Mm vastagságú cink- vagy cinkötvözetréteggel bevont és a találmánynak megfelelő sajátos hőkezelésnek alávetett alumíniumelemek adott kötési hőmérsékleten a cink diffúziója következtében kielégítő térfogatú és összetételű határfelületi ZnAl ötvözetet adnak, ahol a töltőanyag olvadékának in situ képződése az egyesített alumíniumelemek között kielégítő minőségű kötések képződését eredményezi.

A találmányt az 1. ábra alapján magyarázzuk, amely az AlZn ötvözetrendszer fázisdiagrammját ábrázolja, ahol a függőleges tengely a hőmérsékletet tünteti fel °C egységben, a vízszintes tengelyen pedig a % egységben megadott cinktartalom van feltüntetve.

A gyors felfűtés során kialakuló nem-egyensúlyi viszonyok között a cinkbevonat megolvadt vagy folyékony felületi réteget alkot névleges olvadáspontját (az eutektikus Zn5%Al ötvözet esetén 382 °C-ot) meghaladó hőmérsékleteken. Ezért az Al-szubsztrátum és a cinkötvözet bevonat közötti határfelületen az alumínium oldódása és a cink diffúziója egyidejűleg játszódik le.

Ez az olvadékréteg fokozatosan határfelületi ZnAl ötvözetet olvaszt meg, amely a hőmérséklet növekedésével a cinkdiffúzió következtében progresszív módon növekvő mennyiségben keletkezik az olvadék/szilárd anyag határfelületen, ezáltal a forrasz képződéséhez elegendő térfogatú megolvadt töltőanyag olvadékfázisát hozva létre. Meghatározott sajátos hőmérsékleten és egyensúlyi viszonyok között, így 600 °C-os forrasztási hőmérsékleten valamennyi 15 tömeg%-nál nagyobb cinktartalmú anyag a szolidusz fölött lesz, és ezért olvadék vagy részlegesen olvadék alakjában lesz jelen, és ezért részt vesz a forrasz kialakításában.

Számítás útján meghatároztuk, hogy 15 Mm vastagságú olvadékzóna kielégítő jó minőségű forrasz létesítéséhez a csövek és bordák között olyan hőcserélő esetén, ahol a borda és a mag közötti hézag 3 mm. A megkívánt vastagságú olvadékzóna (töltőfémréteg) képzéséhez szükséges felületi réteg legkisebb kezdeti vastagsága hőmérséklet- és időfüggő. Az AlZn diagram és Zn5%Al ötvözet alapján ilyen olvadékréteg biztosításához szükséges cink mennyiségéhez a szükséges elméleti vastagság a 620 °C hőmérséklethez tartozó 2 Mm és a 382 °C hőmérsékleten adódó 15 μτη között változik.

Alacsonyabb kötési hőmérsékleten vastagabb kezdeti cinkréteg szükséges a töltőanyagok képződéséhez szükséges kellő olvadékmennyiség biztosításához. Ép töltőanyagok képződésének biztosítására a gyakorlatban ajánlható ezen elméleti kezdeti vastagság 1,5-2,O-szeresére növelése.

Bár a találmány szerinti kötési eljárás a szokásos (450 °C alatti) lágyforrasztási hőmérséklettől a keményfor rasztási hőmérsékletekig terjedő egész hőmérséklettartományban alkalmazható, magasabb (500 °C feletti) kötési hőmérsékleteken dolgozva az eljárás legnagyobb előnye az anyag- és tömegmegtakarítás terén nyílik. A tényleges forrasztási hőmérsékletet (az alsó határt) az a hőmérséklet határozza meg, amelynél a használt folyósítószer aktívvá válik, és a képződött forrasztóötvözet olvadékállapotban van.

A következőkben a találmányt példákkal szemléltetjük.

1. példa

Alumíniumcsöveket 5% alumíniumot tartalmazó cinkötvözettel vontunk be 2-4 μπι vastagságú réteggel úgy, hogy a csöveket a cinkötvözet olvadékának ultrahanggal kezelt fürdőjébe mártottuk be. Sima (bevonatmentes) alumíniumbordákat az előzőek szerint bevont alumíniumcsövekkel előszereltünk, az elemek kötési felületeire kálium-alumínium-fluorid folyósítószert hordtunk fel, majd az előszerelt elemeket nitrogénatmoszféra alatt forrasztókemencébe helyeztük. Az összeszerelt alumíniumelemeket 30-150 °C/perc felfűtési sebeséggel hevítettük a keményforrasztási hőmérsékletre. A keményforrasztási hőmérsékleten végezett különböző időtartamú hőntartást gyorsított lehűtés követte szobahőmérsékletre, amint az a 2. ábrán látható.

A 2. ábra hőmérséklet/idő görbe alapján szemlélteti a találmánynak megfelelően lefolytatott keményforrasztási eljárást. Az A görbe előszerelt alumíniumelemek hőmérsékletprofilját tünteti fel a kemencében 36 °C/perc felfűtési sebesség és 583 °C hőmérsékleten végzett 5 perc hőntartás ese···« · •« ·· «« ·· • · · · · « • · · ····· · »·· ··· ·· · ···

- 8 tén. A B görbe 117 °C/perc felfűtési sebesség és 585 °C hőmérsékleten 3 perc hőntartás esetére vonatkozik.

A kapott forraszokat (160-szoros nagyítással készített felvételeken) bemutató 3. és 4. ábra szemlélteti, hogy az A és B görbéknek megfelelő keményforrasztási körülmények nagyon jó minőséget eredményeznek, igazolva ezáltal a találmány szerinti eljárás rugalmasságát.

2. példa

Az 1. példa szerinti keményforrasztási körülmények szerint jártunk el azzal az eltéréssel, hogy a kemenceatmoszféra nitrogén helyett levegő volt. A kötési helyeken ép forrasz keletkezett azáltal, hogy az interdiffúziós folyamat még inért atmoszféra hiányában is biztosította a töltőfémet.

3. példa

Alumíniumcsöveket ZnAl ötvözetű bevonattal láttunk el az 1. példának megfelelően, ahol a bevonat vastagsága 20 Mm volt, majd a csöveket bevonatmentes alumínium bordaelemekkel szereltük össze. Az összeszerelést követően a kötési felületekre ammónium- és cink-klorid, valamint nátrium-fluorid elegyéből álló folyósítószert hordtunk fel. Az elemeket nitrogénatmoszféra alatt kemencében gyorsan 400 °C hőmérsékletre hevítettük, és 2 percen át ezen a hőmérsékleten tartottuk, majd levegőn lehűtöttük. Ép kötéseket kaptunk csupán a csövön lévő ZnAl ötvözetű bevonat megolvadása útján.

4. példa

Alumíniumcsöveket az 1. példának megfelelően eljárva 7,5 Mm vastagságú ZnAl ötvözetű bevonattal láttunk el, majd bevonatmentes alumínium bordaelemekkel szereltük össze. Az

- 9 összeszerelt elemekre a 3. példában leírt módon folyósítószert hordtunk fel a kötési felületeken, és nitrogénatmoszféra alatt kemencében gyorsan 500 °C hőmérsékletre hevítettük, 2 percen át ezen a hőmérsékleten tartottuk, majd levegőn lehűtöttük. A cső és a bordaelem között ép kötések képződtek, amelynek során a forrasz mennyiségét a cink alumíniumba történő diffúziója és azt követően a képződött határfelületi AlZn ötvözet megolvadása biztosította.

5. példa

Alumíniumcsövekre fémszórással 2-4 μτα vastagságú, 5% alumíniumot tartalmazó cinkötvözet-bevonatot vittünk fel. Ezeket a csöveket bevonatmentes alumínium bordaelemekkel szereltük, az 1. példában ismertetett módon folyósítószert hordtunk fel, és nitrogénatmoszféra alatt gyorsan 605 °C hőmérsékletre hevítettük, amit 1 perc időtartamú bemerítés és levegőn végzett hűtés követett. Az ismertetett módon eljárva ép forraszt kaptunk.

6. példa

Alumíniumcsöveken fémszórással 4 μιη vastagságú cinkbevonatot képeztünk. Ezeket a csöveket bevonatmentes alumínium bordaelemekkel szereltük, és az 1. példa szerint eljárva folyósítószert hordtunk fel. A szerelt elemeket 2 perc alatt nitrogénatmoszférában 580 °C hőmérsékletre hevítettük, amit 1 perc időtartamú bemerítés és levegőn végzett hűtés követett. Az ismertetett eljárással ép forraszokat kaptunk.

A fenti kötési eljárás és a kapott termékek számos előnnyel járnak. Az alumínium bordaelemeken jelenleg hasz10 nált AISi plattírozott réteg helyettesítése a csöveken lévő cinkkel vagy cinkötvözettel 20 %-ig terjedő tömegcsökkenést eredményez a hőcserélő találmány szerinti kötési eljárással előállított belső magja tekintetében. A gyártás során további költségmegtakarítást eredményez a bordaelemek alakításához használt szerszám kopásának csökkenése. Egyidejűleg kiváló korrózióvédelmet biztosítunk egyetlen műveletben csupán a cink alumíniumcsőbe történő diffúziója útján, ami a korrózióvédelmet szolgáló oldódó rétegként szolgál.

Ezenkívül a találmány szerinti eljárás lehetővé teszi a szokásos keményforrasztó kemencék és eljárások használatát, valamint nagyfokú rugalmasságot biztosít az optimális keményforrasztási paraméterek, így a keményforrasztási hőmérséklet és a bevonat vastagsága tekintetében. Bármelyik alkalmas, kereskedelmi forgalomban kapható folyósítószer alkalmazható, amely biztosítja a kötendő elemek felületén lévő oxidrétegek felszakítását. Környezeti és korróziós szempontok miatt előnyösek a halogéntartalmú komponenseket, különösen alkálifémek és alumínium fluoridjait tartalmazó folyósítószerek. A folyósítószerek a kemencékben lévő tényleges védőatmoszféra részét is képezhetik. A találmány szerinti kötési eljárást lefolytathatjuk különböző kemenceatmoszférákban, ezáltal elkerülhető költséges inért gáz használata.

Az előzőekben ismertetett találmány nem korlátozódik a bemutatott példákra. Egyéb cinkötvözetek és az alumíniumszubsztrátnál alacsonyabb olvadáspontú egyéb fémek, így cink helyett ón is használható anélkül, hogy a találmány oltalmi körétől eltávolodnánk.

Claims (7)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Eljárás alumíniumelemek kötésére, amelynek során legalább egy elemet tapadó felületi cink- vagy cinkötvözetréteggel látunk el, az elemek felületére folyósítószert hordunk fel, az elemeket előszereljük, az előszerelt elemeket kemencében meghatározott, megnövelt kötési hőmérsékletre hevítjük, és a kemencében meghatározott ideig a megnövelt kötési hőmérsékleten tartjuk, azzal jellemezve, hogy a felületi réteg legalább egy részének az elemek anyagába diffundáltatása útján határfelületi cink-alumíniumötvözetek alakjában töltőanyag olvadékrétegét hozzuk létre, ahol a hőmérséklet növelésével progresszív módon növekvő mennyiségű ötvözetet hozunk létre.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az eleme (ke) t 2-20 μπι vastagságú felületi réteggel látjuk el.
3. 3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az eleme(ke)t 4-6 gm vastagságú felületi réteggel látjuk el.
4. 4. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kemencében inért atmoszférát tartunk fenn.
5. 5. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kemencében levegőamoszférát tartunk fenn.
6. 6. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemez- ve, hogy 450-620 °C kötési hőmérsékleten folytatjuk le.

   • * · • · ··<·
7. 7. Hőcserélő, különösen gépkocsi-hőcserélő, amely az

   1-6. igénypontok bármelyike szerinti eljárással van előállítva, azzal jellemezve, hogy az alumíniumelemek közötti forrasztott kötések kizárólag az elemek közötti cink-alumínium-ötvözetű töltőfém in situ képződött rétegével, külön forrasztófémtől mentesen vannak kialakítva.