NO137027B - Metallgjenstand med forbedret bestandighet mot errosjon-korrosjon. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en metallgjenstand på aluminiumsbasis, og som i fuktige omgivelser oppviser forbedret bestandighet mot erosjon-korrosjon. Dette er av vesentlig betydning i betraktning av den alminnelige anvendelse av aluminium i fuktige eller våte omgivelser. De aluminiumsrør som anvendes i varmevekslere, som f.eks. aluminiumradiatorer,

må således f.eks. oppvise en høy bestandighet mot erosjon-

korrosjon på grunn av de anvendte vandige varmeutvekslingsmedier.

Ved utprøvning av aluminiumradiatorer for motorkjøretøyer har

det vist seg at mange material sammensetninger kunne være egnet,

hvis de ikke var utsatt for erosjon-korrosjon, som nedsetter levetiden på grunn av de lekkasjer som utvikles. Disse lekkasjer kan fremkomme på grunnlag av riss-dannelser ved erosjon-korrosjon, hvorved rørveggene gjennomhulles når kjolevæsken strømmer omkring hindringer i rørene. Meget høye strømningshastigheter som kan forekomme i sådanne kanaler, kan lett føre til erosjon-korrosjons-skader, når ikke det anvendte material er meget bestandig mot denne art av skader.

På denne bakgrunn er det oppfinnelsens hovedformål å fremskaffe sammensatte gjenstander på aluminiumsbasis, f.eks. rør som fortrinnsvis inngår i varmevekslere, og hvis erosjon-korrosjon-bestandighet i fuktige omgivelser i vesentlig grad er forbedret i forhold til tidligere kjente gjenstander av denne art.

Oppfinnelsen gjelder således en metallgjenstand med forbedret bestandighet mot erosjon-korrosjon i fuktige omgivelser og sammensatt av en kjerne og et overtrekk av innbyrdes forskjellige legeringer på aluminiumsbasis, f.eks. i form av et rør for en varmeveksler, idet gjenstandens særtrekk i henhold til oppfinnelsen består i at aluminiumlegeringen i overtrekket inneholder 0,8 - 1,3% sink, høyst 0,70% silisium og jern, høyst 0,10% kobber, høyst 0,10% mangan og høyst 0,10% magnesium samt resten hovedsakelig aluminium og er anordnet på den ene eller begge sider av kjernen, som utgjøres av en aluminium!egering med innhold av 1,0 til 1,5% mangan, 0,1 til 0,4% krom og 0,05

til 0,4% kobber samt resten hovedsakelig aluminium.

Oppfinnelsesgjenstandens særtrekk og den oppnådde forbedrede bestandighet mot erosjon-korrosjon i henhold til oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet ved hjelp av anskuelig forsøk og konstruktive utførelser under henvisning til vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser en perspektivskisse av et rør i henhold til oppfinnelsen; Fig. 2 viser, sett forfra og med bortskårede deler, en motor-radiator forsynt med rør i henhold til oppfinnelsen.

Som allerede nevnt utmerker oppfinnelsens sammensatte aluminium-gjenstand seg hovedsakelig ved stor erosjon-korrosjonsbestandighet i våte omgivelser, og det er nevnte overtrekk av aluminiumlegering som utsettes for sådanne omgivelser. Det har herunder vist seg at den nevnte forbedrede bestandighet kan oppnås under bibehold av utmerkede fysikalske egenskaper. Videre er denne sammensatte gjenstand mindre utsatt for grav-korrosjon.

På grunn av de ovenfor angitte egenskaper er rør utført i henhold til oppfinnelsen særlig godt egnet for anvendelse i varmevekslere, f.eks. aluminiumradiatorer, og 'gir disse forlenget levetid. De overraskende egenskaper som oppnås i henhold til oppfinnelsen, gjør at foreliggende material også med fordel kan anvendes i andre tilfeller hvor det opptrer høye strømningshastigheter.

Det er også funnet at det i vandige omgivelser hvor erosjon-korrosjon eller støtpåvirkning opptrer, f.eks. på innerveggen eller overtrekket 2 i fig. 1 for et rør som fører vandig oppløsning, at det sammensatte aluminiummaterial i henhold til foreliggende oppfinnelse har overraskende høy motstandsevne mot den nevnte ødeleggende påvirkning. Denne motstand oppnås på grunnlag av det forhold at, hvis 1egeringsovertrekket 2 i fig.l gjennomhulles, vil ytterligere lokal korrosjon bli nedsatt eller forhindret ved den katodiske beskyttelse som frembringes av den frilagte aluminiumkjerne 4. Nærmere bestemt er overtrekks-materialet anodisk i forhold til kjernematerialet i vandig omgivelse, som f.eks. ved anti-fryseoppløsning i bilradiatorer,

og hvis lokal gjennomhulling av overtrekket opptrer, som ved støtpåvirkning, vil den strøm som frembringes i forbindelse med den relativt store anode og lille katode være slik at den effektivt hindrer gjennomhulling av kjernen, som derved katodisk beskyttes mot ytterligere angrep.

Det material som anvendes som overtrekk kan også inneholde forurensninger på opp til 0,7% silisium og jern, opp til 0,1% kobber, opp til 0,1% mangan, opp til 0,1% magnesium og høyst 0,05% av andre materialer, hvilket til sammen vil utgjøre 0,15%.

Kjernematerialet kan inneholde forurensninger på opp til 0,6% silisium, opp til 0,7% jern, opp til 0,1% sink samt høyst 0,05%

av andre materialer, til sammen 0,15%.

Hvis de vandige medier skulle strømme omkring rørene og ikke gjennom disse, kan naturligvis legeringsovertrekket påføres på utsiden av kjernen, eller Kjernen kan fortrinnsvis påføres 1 egeringsovertrekk på begge sider, når et første vandig medium strømmer gjennom røret, og et annet lignende medium strømmer på rørets utside.

Det viste rør har vanligvis, men ikke nødvendigvis, en veggtykkelse på mindre enn 2,5 mm. Når dette rør anvendes i en aluminiumradiator med høy ydelse, kan det anvendes en veggtykkelse på 0,75 mm eller mindre, fortrinnsvis 0,25 til 0,5 mm. Vanligvis har røret ved anvendelse i varmevekslere hensiktsmessig en

veggtykkelse på 2,5 mm eller mindre.

Legeringsovertrekkets prosentuelle andel av veggtykkelsen er i ikke kritisk, men bør dog likevel ligge i området 5-25 % av den sammensatte gjenstands totale tykkelse. Derved oppnås med hensyn til fastheten en tilstrekkelig veggtykkelse av kjernematerialet, såvel som tilstrekkelig tykkelse av overtrekket til å sikre den tilsiktede levetid for anordningen i drift.

Røret kan tilvirkes på tidligere kjent måte. Aluminiumsbarrer kan således fremstilles på kjent måte og utvalses til strimler, hvorpå strimler av overtrekks- og kjern-materiale sammenvalses. Det sammensatte material kan så tilslutt sammensveises til rør av ønsket form. Rør av denne type kan også fremstilles ved at rør av henhv. kjerne- og overtrekksmaterial legges utenpå hverandre og derpå forbindes innbyrdes ekstrudering eller rørtrekning.

Ved behov kan også ribber av en legering, f.eks. av AA 4XXX-type (Al/Si-legeringer) eller av kjernemateriale anbringes på en frittliggende flate av kjernematerialet og forbindes med dette. Dette kan f.eks. finne sted ved påføring av loddemetall eller et ytterligere overtrekk, som er forbundet med kjernen og er egnet for forbindelse med ribbene, samt fortrinnsvis utgjøres av en legering av nevnte AA 4XXX-type.

Et radiatorrør formes vanligvis ved sømsveising til et hovedsakelig rundt rør og avflates derpå til et ovalt eller flatt tverrsnitt. Forbindelsen mellom overtrekksmaterial og kjernematerial kan også lett oppnås ved sammenvalsning av vedkommende materialer før nevnte sveiseprosess. Den mindre dimensjon ligger fortrinnsvis i området 1.25 - 5 mm, mens den større dimensjon fortrinnsvis ligger i området 7,5 -30 mm. For varmevekslerformål har røret fortrinnsvis ytre dimensjoner mellom 6 og 50 mm, men kan også være større.

Den viste radiator av aluminiumlegering kan fremstilles på tidligere kjent måte, idet de nødvendige lodde-prosessene utføres fortløpende langs en tilvirkningsbane for radiatorene. En sådan radiator kan f.eks. fremstilles av et rør med 0,43 mm veggtykkelse, mens ribbestrimlene enten kan utføres av samme legering som kjernematerialet eller av en tidligere kjent aluminiumlegering. Herunder kan legeringer av typen 4XXX, f.eks. 4043, 4343 eller 4045, anvendes.

TABELL I

Tilsatsmaterialer i legeringene 4043, 4343, 4045 angitt i prosentandeler.

Delene sammenstilles til den ønskede utførelse av radiatoren, forsynes med et neddypningsovertrekk av et flussmiddel og loddes deretter kontinuerlig på en tilvirkningsbane. Radiatorene føres herunder gjennom en varmluftovn, hvori loddemetallovertrekket smelter og atter størkner, således at en stiv konstruksjon frembringes. Det kan også anvendes en loddeprosess uten flussmiddel.

Som tidligere nevnt kan et ytterligere overtrekk av loddelegering, f.eks. av typene AA 4XXX, påføres den frilagte overflate av kjermematerialet, for forbindelse med ribbestrimlene. En varmeveksler for utveksling av store varmemengder, kan være oppbygd som angitt i fig. 2. Radiatoranordningen omfatter en kjerne eller varmeavgivelsesenhet 6, som ved sine motstående ender er forsynt med en øvre innløpsbeholder eller hodestykke 8 og en nedre utløpsbeholder eller hodestykke 10. Beholderne kan være forbundet med henhv. utløps- og innløpsledningen for kjøle-kanaler i en sylinderblokk, således at det vandige kjølemedium kan strømme fra den ene til den annen beholder. Kjerneenheten 6 utgjøres av et antall strømningskanaler i form av væskerør 12 utført i henhold til oppfinnelsen. Rørene er anordnet innbyrdes adskilt ved hjelp av kjølestrimler 14. Kjølestrimlene er i bølgeform mellom rørene 12, og strekker seg frem til områder i nærheten av de motstående endevegger, således at mellomrommene mellom rørene oppdeles i et antall relativt smale luftceller 16.

EKSEMPEL I

Tre aluminiumlegeringer A, B og C strengstøpes til barrer og homogeniseres deretter ved 605°C i 8 timer samt avkjøles tilslutt ved hjelp av luft. Sammensetningen av de nevnte legeringer vil fremgå av Tabell II.

TABELL II

Tilsatsmaterialer angitt i prosentandeler.

EKSEMPEL II

Barrene A og B i eksempel I ble nedfrest til en tykkelse på

38 mm, avbørstet med trådbørster og avfettet ved hjelp av et løsningsmiddel i dampform. Barrene C ble på sin side nedvafset flere trinn til en tykkelse på 6,25 mm ved en temperatur på

425°C, hvorunder barrene ble nedvalset med 2,5 mm i hvert trinn og etter annenhvert nedvalsingstrinn atter oppvarmet til 425°C. Det varmevalsede material ble så koldvalset ned til 1.25 mm.

Materialet i barren C med en tykkelse på 1,25 mm ble så sammensveiset med hver av barrene A og B på fire sider, for dannelse av sammensatt materiale med A, henhv. B, hvorved det ved en av smalsidene ble etterlatt 25 mm lange åpninger i sveisesømmen for at luft under den foresatte valseprosess kunne drives ut. De sammenstilte plater ble så oppvarmet til 425°C og utsatt for utjevningsvalsning ved en avvalsningsgrad på ca. 3%, med lufteåpningen vendt motsatt valseretningen. Stykkene ble så atter oppvarmet til 425°C og v varmvalset ned til 6 mm, samt deretter koldvalset til 1.25 mm.

Tykkelsen av overtrekkene på platene fremstilt henholdsvis

av A og B, ble så målt på polerte snitt og beløp seg til henhv. 0,038 og 0,41 mm.

De sammensatte plater med material sammensetninger i henhold til eksempel I ble så opphetet under anvendelse av en sjaktovn og deretter avkjølt, for simulering av loddeprosessen på en kontinuerlig arbeidende fremstil1ingsbane for aluminiumradiatorer. Dette ble gjort for å ta i betraktning diffusjonsvirkning som kunne resultere i nedsettelse av elektrodepotensialforskjellen mellom bestanddelene i de sammensatte deler under fremstilling av radiatorer. Oppvarmnings- og avkjølingssyklen forløp herunder på følgende måte: De sammensatte plater ble oppvarmet til 620°C , nedkjølt i jevn avkjølingstakt til 425°C i løpet av 2 minutter og derpå bråkjølt i vann ved 70°C.

EKSEMPEL III

De sammensatte plater i henhold til eksempel I og eksempel II

ble avskåret til passende størrelse og derpå påsprøytet vandig antifrysemiddel med flere væskestråler, for å simulere virkningen av langtidskorrosjon i bilradiatorer. For sammenligning ble den ubelagte legering A nedvalset til 1.25 mm i henhold til eksempel I og den sammensatte plate med kjernematerial A, utsatt for samme behandling.Antifrysemidlet bestod av handelsvanlig acetylglykol i vandig løsning (45 vektprosent), som ble påsprøytet ved en temperatur på omkring 93°C med en strålehastighet på 29 m/s. Denne prøve varte 6 dager.

Ved slutten av prøvesprosessen ble så prøvene først avspylt i destillert vann og deretter i et løsningsmiddel bestående av metanol og benzol. Prøvestykkene ble så kjemisk rengjort ved neddypping i en løsning av krom- og fosforsyre ved 80°C. Tilslutt ble prøvene avspylt i destillert vann og tørket, hvorpå dybden av de kratere som er dannet under korrosjonsbehandlingen ble målt. Den sammensatte plate av materialene A og C (overtrekksplate A)

og det upletterte legeringsmaterial A viste en angrepsdybde på høyst 0,075 mm, mens angrepsdybden for de sammensatte plater av materialene B og C (overtrekksplate B) beløp seg til høyst 0,045 mm. Den frilagte kjerne av overtrekksplaten B, hvilket vil si legeringen B, oppviste imidlertid, på grunn av den oppnådde galvaniske beskyttelse av legeringen B i samvirke med overtrekket av legeringen C, hovedsakelig ingen spor av angrep, mens det frilagte kjernematerial av overtrekksplaten A, hvilket vil si legering A, oppviste forskjellige små rissdannelser, hvilket viste at galvanisk beskyttelse av legering A ved overbrekk med legering C parkatisk talt ikke forelå.

Overtrekket i nærheten av den frilagte kjerne av sammensetning B var hovedsakelig forbrukt, hvilket viste at en katodisk beskyttelse av kjernelegeringen B var oppnådd, mens overtrekket.langs krater-randen på overtrekksplaten A var forbrukt i vesentlig mindre grad.

EKSEMPEL IV

Potensialforskjellen mellom de respektive legeringer i den sammenstilte gjenstand i henhold til oppfinnelsen vil fremgå av dette eksempel.

Strengstøpte barrer av den angitte sammensetning i tabell III

ble homogenisert og , som beskrevet i eksempel II, nedvalset til 1,25 mm, samt deretter underkastet en simuleringsprosess.

Det ble utskåret prøvestykker av legeringene A og B med overtrekksmaterial C i henhold til eksempel I og med en tykkelse på 1,25 mm, hvoretter prøvene ble utsatt for en sprøytéprøve i henhold til eksempel III. En del av hvert prøvestykke ble gjennom en spesiell avtetning av silikongummi innført i prøveutrustningens væskestrålekammer, uten at det ved fasttrukket avtetning ble dannet elektrisk kontakt med flensmaterialet eller antifrysemiddel lekker ut. Prøvestykkene var herunder festet slik at elektriske lekkstrømmer ikke kunne flyte til væske-strålekammeret av rustfritt stål. På denne måte var det mulig å anbringe prøver av forskjellige materialer i kammeret og måle den elektriske strøm mellom disse, samtidig som prøvene ved en hvilken som helst ønsket temperatur ble utsatt for påsprøytning av antifrysemiddel.

Den elektriske strøm ble fastlagt ved måling av potensial tall over en motstand på 2 ohm, som på utsiden var koblet parallelt med elektrodene. Denne motstandsverdi beløp seg til mindre enn 0,5 % av den samlede elektrolyttiske motstand i antifrysemidlet mellom de to prøvestykker. På denne måte ble strømmen målt mellom legering C i eksempel I og legering A i foreliggende eksempel, såvel som mellom legering C i eksempel I og legering B i foreliggende eksempel, mens antifrysemiddel hele tiden ble påsprøytet prøvene med en sprøytehastighet på 29,4 m/s. Temperaturen ble variert mellom 40°C og 105°C i tre påfølgende prøvesykler. Retningen av strømmen under temperatursyklen innstilte seg herunder på slik måte at legeringen C i eksempel I forble anodisk for begge de angitte elektrodepar.

Det viste seg under flere sådanne temperatursykler at strømmen

i legeringsparet B/C holdt seg ca. 5 ganger høyere enn strømmen i 1egeringsparet A/C. Ved anodematerial i form av legering C i forbindelse med legering B ble det således oppnådd en overraskende høy katodisk beskyttelsesstrøm, særskilt innenfor temperaturområdet mellom 90 og 105°C, hvilket tilsvarer det vanlige arbeidsområdet for kjøretøykjølere. Ved legeringsparet A/C ble det således under den avtagende del av den annen temperatursykel, ved 93,3°C,

oppnådd en strøm på 16 ^,uA, mens det ved samme temperatur ble oppnådd en strøm på lOO^uA ved legeringsparet B/C.

Claims (4)

1. Metallgjenstand med forbedret bestandighet mot errosjon-

korrosjon i fuktige omgivelser og sammensatt av en kjerne og et overtrekk av innbyrdes forskjellige legeringer på aluminium-basis, f.eks. i form av et rør for en varmeveksler,karakterisert ved at aluminiumlegeringen i overtrekket inneholder 0,8 - 1,3% sink, høyst 0,70% silisium og jern, høyst 0,10% kobber, høyst 0,10% mangan og høyst 0,10% magnesium samt resten hovedsakelig aluminium og er anordnet på den ene eller begge sider av kjernen, som utgjøres av en alu.miniumlegering med innhold av 1,0 til 1,5% mangan, 0,1 til 0,4% krom og 0,0 5 til 0,4% kobber samt resten hovedsakelig aluminium.

2. Metallgjenstand som angitt i krav 1,karakterisert ved at aluminiumlegeringen i overtrekket foruten de angitte bestanddeler inneholder øvrige bestanddeler i mengdeandeler på høyst 0,05% hver og tilsammen høyst 0,15%.

3. Metallgjenstand som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert ved at kjernematerialet i tillegg til de angitte bestanddeler omfatter opptil 0,6% silisium, opptil 0,7% jern, opptil 0,1% sink samt høyst 0,5% av hver og ikke over 0,15% tilsammen av ytterligere bestanddeler.

4. Metallgjenstand som angitt i krav 1, karakterisert ved at overtrekket er påført på den ene side av kjernen, mens et loddeskikt av en Al/Si-legering er påført på den annen side av kjernen.