NO333523B1 - Aluminiumlegeringer med optimale kombinasjoner av formbarhet, korrosjonsbestandighet og varmebearbeidhet, og anvendelser av disse i varmeveksler - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen er rettet mot aluminiumlegeringer med optimale kombinasjoner av formbarhet, loddbarhet (eng: brazeability), korrosjonsbestandighet og varmbearbeidbarhet og fremgangsmåter for bruk og mer bestemt mot aluminiumlegeringer som har kontrollerte nivåer av mangan og jern, og en kontrollert kjemi og nivåer på intermetalliske partikler for å fremskaffe optimal ytelse i anvendelser slik som varmevekslere.

Bakgrunn

I kjent teknikk er det vanlig å velge aluminiumlegeringer til

varmeveksleranvendelser. Disse legeringene velges for deres gunstige kombinasjon av styrke, lav vekt, gode termiske og elektriske ledningsevner, loddbarheter, optimal korrosjonsbestandighet og formbarhet.

Typiske anvendelser for varmevekslere inkluderer bilvarmerkjerner, radiatorer, fordampere, kondensatorer, ladningsluftkjølere og overføring/motoroljeavkjølere. En bestemt anvendelse som krever god kombinasjon av egenskaper er rør for radiatorer, kondensatorer og lignende. I disse anvendelsene er lameller anordnet mellom stablede rør og endeplater som bærer varmeoverføringsmediene. Rørene er plassert mellom samlerør som omdirigerer strømmen av varmeoverføringsmediene mellom lagene av rør og som også kan inneholde varmevekslerens innløp og utløp.

I én bestemt anvendelse er rørene formet som en u-form og tredd gjennom åpninger i lamellene og også gjennom åpninger i endeplatene tilstøtende til lamellenes ender. Så fort rørene er innsatt, blir rørene internt og diametrisk ekspandert for å maksimalisere "metall-til-metall"-kontakten med lamellene og endeplatene og dermed varmeoverføringen mellom rørene og lamellene.

Etter innføring og ekspansjon strekker de frie endene til rørene seg utenfor lamellene og endeplatene for festing av samlerørmanifolden. Lengden på forlengelsen av rørene utenfor lamellene og endeplatene når de er utstrakt er kritisk for den etterfølgende festingen av samlerørmanifolden. Denne høyden som strekker seg forbi endeplatene etter ekspansjonsprosessen blir vanligvis referert til som "oppstikkingshøyde". Hvis lengden ikke er tilstrekkelig for festing av samlerørmanifolden på kun ett av de mange rørene mellomliggende i lamellene, må hele varmeveksleren avvises. Som del av ekspansjonen, blir rørendene også klokkeformet med en klokkediameter. Målingen av oppstikkelseshøyden og klokkediameteren gir et godt mål på formingsytelsen og kan anvendes som en standard for å bestemme om hvorvidt montasjen kan ytterligere prosesseres til en ferdig varmeveksler.

Under ekspansjonstrinnet vil rørene endre sin dimensjon, dvs, krympe fra deres opprinnelige installerte lengde. Denne krympingen kan resultere i en reduksjon av oppstikkelseshøyden til de frie endene til rørene som strekker seg utenfor lamellene og endeplatene på samlerørfestingen, og en avvisning av varmeveksleren. Derved, i tillegg til de andre mekaniske egenskapene forbundet med aluminiumlegeringer typisk anvendt i varmeveksleranvendelser, er denne oppstikkelseshøyden vesentlig og legeringene må utvise den nødvendige formbarheten for å tillate ekspansjon uten for stor krymping og lignende.

En legering som brukes i dag til disse typer anvendelser er AA3102. Aluminium Association spesifiserer, i vekt%, en sammensetning for denne legering på opptil 0,40 % silisium, opptil 0,7 % jern, opptil 0,1 % kobber, mellom 0,05 og 0,40 % mangan, opptil 0,05 % sink, opptil 0,03 % titan, hvor resten utgjøres av aluminium og uunngåelige urenheter, hver urenhet opptil 0,03 %, og totalt urenheter opptil 0,10 %. Denne legeringen har en utmerket formbarhet men dårlig korrosjonsbestandighet. Dermed, må legeringen selv om den fungerer ideelt i varmevekslerproduksjonen, belegges for å oppnå korrosjonsbeskyttelse.

Det er antatt at de intermetalliske partiklene som finnes i grunnmassen til AA3102 bidrar til dens gode formbarhet. Fig. 1 viser skjematisk et mikrobilde av en AA3102-legering. Skjemaet viser en grunnmasse av aluminium angitt med referansetall 1 og en volumfraksjon av intermetalliske partikler 3 fordelt utover i grunnmassen. Denne fordelingen er generelt ca. 3,0 volum% av intermetaller i disse kjente legeringene. På samme tid, er partiklene 3 hovedsakelig FeAl3, som har et elektrolyttisk potensial som avviker kraftig fra aluminiumgrunnmassen. Som forklart i større detalj nedenfor, vil grunnmassen korrodere først under SWAAT-betingelser når FeAl3er mindre negativ enn grunnmassen av ren aluminium. SWAAT-korrosjonstester anvender en svært kjent teststandard, dvs. ASTM G85 tillegg 3, og trenger ingen ytterligere beskrivelse for forståelse av oppfinnelsen. Dermed har AA3102 dårligere korrosjonsbestandighet og må belegges når den anvendes i varmeveksleranvendelser.

Det har blitt utviklet andre legeringer slik som angitt i US patent nr. 5 906 689 og

5 976 278 til Sircar, som har en høy varmbearbeidbarhet og forbedret korrosjonsbestandighet. Korrosjonsbestandigheten til disse legeringene er så overlegne kjente legeringer at behovet for belegging av legeringene er eliminert. En årsak til dette er at antallet intermetalliske partikler, f.eks. FeAl3, som negativt påvirker korrosjonsbestandigheten er mindre. Imidlertid mangler disse nye legeringene den intermetalliske partikkelfordelingen/tettheten som eksisterer i AA3102. Som det kan ses fra fig. 2, har disse høykorrosjonsbestandige legeringer en grunnmasse 5 og spredte intermetaller 7. Skjemaet i fig. 2 angir kun 0,1 volum% av intermetaller 7. Som et resultat av den lave volumfraksjon av intermetaller 7, kan disse legeringer noen ganger mangle den nødvendige formbarheten for visse varmevekslerproduksjonsoperasjoner.

Dermed eksisterer det et behov for å fremskaffe en

aluminiumlegeringssammensetning som kombinerer formbarhet, varmbearbeidbarhet og korrosjonsbestandighet i én legering, og en legering tilpasset spesielt for bestemte anvendelser i varmevekslerproduksjon og anvendelser.

Sammendrag av oppfinnelsen

Dermed er den første målsetning med denne oppfinnelsen å fremskaffe en aluminiumlegering som har en optimal kombinasjon av varmbearbeidbarhet, loddbarhet, korrosjonsbestandighet og formbarhet.

En annen målsetning med denne oppfinnelsen er en fremgangsmåte til produksjon av den oppfinneriske aluminiumlegeringen for anvendelse i

varmeveksleranvendelser eller en fremgangsmåte for å lage legeringen som en plate eller bånd istedenfor rør for anvendelse i andre anvendelser hvor kombinasjonen av utmerket korrosjonsbestandighet, loddbarhet og formbarhet er ønskelig. Plateprodukter kan også anvendes for å lage rør slik som finnes i typiske radiatorer og varme kjerner.

En ytterligere målsetning med denne oppfinnelsen er en fremgangsmåte for å produsere gjenstander som krever å forme legeringene, mer bestemt ekspandere legeringene. Spesielt er den oppfinneriske metoden rettet mot forbedringer i produksjon av varmevekslere hvor rørene ekspanderes som en del av montasjeprosessen.

Et ytterligere aspekt ved oppfinnelsen er muligheten til å forbedre formbarheten og å utvise utmerket korrosjonsbestandighet i en aluminiumlegering uten å signifikant påvirke varmbearbeidbarheten sammenlignet med konvensjonelle legeringer og de som er beskrevet i US patentene nr. 5 906 689 og 5 976 278 til Sircar.

Andre målsetninger og fordeler med denne oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelsen.

For tilfredsstillelse av de ovenstående målsetninger og fordeler, fremskaffer denne oppfinnelsen en aluminiumlegeringsgjenstand lagd av en legeringssammensetning som omfatter, i vekt%: mellom ca. 0,05 og 0,5 % silisium;

en mengde jern mellom ca. 0,1 og opptil 1,0 %;

en mengde mangan mellom ca. 0,05 opptil ca. 2,0 %;

mellom ca. 0,06 og 1,0 % sink;

mellom ca. 0,03 og 0,35 % titan;

hvor resten er aluminium og uunngåelige urenheter;

hvor mangan til jernforholdet opprettholdes større enn ca. 0,5 og mindre

eller lik ca. 6,0, og jern og manganmengdene vil til sammen være større enn ca. 0,30 % slik at gjenstanden inneholder intermetalliske forbindelser fordelt i aluminiumgrunnmassen med en volumfraksjon i gjenstanden på minst 0,5 %, fortrinnsvis minst ca. 2,0 %, og hvor en forskjell i det elektrolyttiske potensialet mellom aluminiumgrunnmassen til gjenstanden og de intermetalliske forbindelsene er mindre enn ca. 0,2 volt. De intermetalliske forbindelsene kan ha et sideforhold på mindre enn ca. 5,0. De intermetalliske forbindelsene kan ha en størrelse fra ca. 0,5 til 5 mikron.

I en foretrukket utførelse er forholdet mangan til jern ytterligere begrenset til en nedre grense på 0,75 og en øvre grense på ca. 5,0, mer fortrinnsvis mellom 1,0 og 4,0, og den totale mengden mangan og jern er minst ca. 0,6 %, og mer fortrinnsvis mellom ca. 0,7 og 1,2 %.

Den oppfinneriske legeringen vil fortrinnsvis utnyttes i ekstruderingsprosesser som lager rør, mer bestemt ekstruderingsprosesser beregnet for å lage rør til varmevekslere. Legeringen kan også anvendes i plateform hvor formbarheten er viktig.

I et annet aspekt av oppfinnelsen, er den oppfinneriske legeringen ideelt egnet for fremgangsmåter for å lage varmevekslere som anvender et ekspansjonstrinn på rørene. Legeringssammensetningen til oppfinnelsen, når den ekspanderes som en del av disse prosessene er overlegen når det gjelder formbarhet og å fremskaffe den nødvendige oppstikkingshøyden påkrevd for produksjonsprosessen. En foretrukket rørstørrelse er 6 mm i diameter men andre størrelser kan også anvendes.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å forbedre korrosjonsbestandigheten og formbarheten til aluminiumlegeringsgjenstander uten tap av varmbearbeidbarhet ved å tilveiebringe en aluminiumlegeringssammensetning som omfatter legeringsmengder i vekt% på mellom ca. 0,05 og 0,5 % silisium, en mengde mangan opptil ca. 2,0 %, en mengde jern mellom ca. 0,1 og opptil ca 1,0 %, mellom ca. 0,03 og 0,35 % titan, og mellom ca. 0,06 og 1,0 % sink, hvor resten er aluminium og uunngåelige urenheter, og forme gjenstanden, hvorved forholdet mangan til jern i sammensetningen kontrolleres til mellom ca. 0,5 og 6,0, og den totale mengden jern og mangan i sammensetningen kontrolleres til å være større enn ca. 0,3 %, for å danne en ferdig mikrostruktur i gjenstanden som har en volumfraksjon av intermetalliske forbindelser som er større enn ca. 0,5 %, hvor de intermetalliske forbindelsene har et sideforhold som er mindre enn 5,0, og hvor den elektrolyttiske potensialforskjellen mellom aluminiumgrunnmassen til gjenstanden og de intermetalliske forbindelsene er mindre enn ca. 0,2 volt.

Kort beskrivelse av tegningene

Referanse gjøres til tegningen av oppfinnelsen hvor:

fig. 1 er et skjematisk mikrobilde av en AA3102-legering som viser intermetalliske partikler og deres fordeling;

fig. 2 er et skjematisk mikrobilde av en legering i henhold til US patent nr.

5 906 689 som viser intermetalliske partikler og deres fordeling;

fig. 3 viser skjematisk energifordelingen som et spektroskopisk plott som indikerer sammensetningen til intermetallene i AA3102 og intermetallene i legeringen beskrevet i US patent nr. 5 906 689;

fig. 4 viser skjematisk energifordelingen som et spektroskopisk plott som indikerer sammensetningen til intermetallene til en legering i henhold til oppfinnelsen;

fig. 5 er en graf og hovedangivelse av grensene for jern og mangan i oppfinnelsen;

fig. 6 er et skjematisk mikrobilde som viser intermetallene til en legering som inneholder mangan i overskudd sammenlignet med jern;

fig. 7 er en graf som sammenligner den totale mengden jern og mangan med mangan ut av løsningen for et antall aluminiumlegeringer;

fig. 8 er en graf som sammenligner forholdet av uløselig mangan i forhold til jern mot toppforholdet for EDS-avlesninger; og

fig. 9 er en graf som viser effekten av jern og manganinnholdet på oppstikkingshøyden til forskjellige legeringer.

Beskrivelse av foretrukne utføringer

Oppfinnelsen gir signifikante forbedringer i feltet aluminiumlegeringer for bestemte anvendelser i varmeveksleranvendelse hvor korrosjonsbestandighet, formbarhet, loddbarhet og varmbearbeidbarhet er påkrevd. Varmbearbeidbarhet er beregnet for å omfatte alle varmbearbeidingsteknikker, inkluderende rulling, ekstrudering og lignende. Bestemte anvendelser relateres til produksjon av rør ved å anvende den oppfinneriske legeringen, hvor rørene pares med lameller og ekspanderes som en del av varmevekslerproduksjonsprosessen.

Den oppfinneriske aluminiumlegeringen skreddersys ved justeringer av mangan- og jernnivåene og samtidig opprettholde den nødvendige volumfraksjon og kjemien til de intermetalliske partiklene for å oppnå en uventet kombinasjon av formbarhet, ekstruderbarhet, og korrosjonsbestandighet. Rør for varmevekslere, mer bestemt kondensatorer, kan tres inn i lamellstabler, ekstruderes og/eller bøyes til en u-form uten vanskelighet, dvs. de har minimal eller ingen overflatedefekter slik som appelsinskalleffekt, krølling eller lignende. Rørene kan innsettes i lameller og ekspanderes uten å negativt påvirke den tilgjengelige oppstikkelseshøyden. I tillegg er korrosjonsbestandigheten minst like god som kjente legeringer som anvendes i varmevekslere og som ikke er påkrevet bestrykninger, og er i tillegg antatt å være overlegne slike legeringer. Det bør forstås at målet for korrosjonsbestandighet mellom kjente legeringer og den oppfinneriske legeringen er gjort med referanse til SWAAT-teststandarder og betingelsene for holdbarhetshensikter.

I én utførelse, har aluminiumlegeringsgjenstanden en sammensetning som omfatter, i vekt%: mellom ca. 0,05 og 0,5 % silisium;

en mengde jern mellom 0,1 og opptil 1,0 %;

opptil ca. 0,7 % kobber, fortrinnsvis opptil ca. 0,5 %, mer fortrinnsvis opptil ca. 0,35 %, og mest fortrinnsvis mindre enn ca. 0,03 %;

en mengde mangan opptil ca. 2,0 %;

mindre eller lik ca. 1,0 % magnesium, fortrinnsvis mindre enn ca. 0,5 %, mer fortrinnsvis mindre enn ca. 0,1 %, og i noen tilfeller, hovedsakelig magnesiumfri;

opptil ca. 0,5 % krom;

mellom ca. 0,06 og 1,0 % sink;

mindre enn ca. 0,01 % nikkel;

mellom ca. 0,03 og 0,35 % titan;

mindre enn ca. 0,3 % zirkonium;

hvor resten er aluminium og uunngåelige urenheter, og hvor gjenstanden som inneholder intermetalliske forbindelser har et sideforhold på mindre enn ca. 5,0, hvor mangan til jern forholdet opprettholdes større enn ca. 0,5 og mindre eller lik ca. 6,0, og hvor den totale mengden jern og mangan er større enn ca. 0,30 %, mer fortrinnsvis større enn ca. 0,32 %, og inkluderer et foretrukket område på mellom ca. 0,6 og 3,0 %. Et enda mer foretrukket område på den totale mengden mangan og jern er mellom ca. 0,8 og 1,0 %.

Oppfinnelsen kan også beskrives som en aluminiumlegering som inneholder intermetalliske forbindelser (partikler) fordelt i legeringen, hvor forbindelsene har en volumfraksjon på minst 0,5 %, fortrinnsvis større enn 3,0 %, og som har et sideforhold som er mindre enn 5,0, og et størrelsesområde på 0,5-5,0 mikron i den korte tversgående retningen, og som har en forskjell i elektrolyttisk potensial på mindre enn 0,2 volt, fortrinnsvis 0,1 volt mellom de intermetalliske forbindelsene og aluminiumgrunnmassen. En måte å oppnå denne løsningen på er å endre den elementære legeringstilsetningen slik som angitt i det ovenstående.

Mengden intermetalliske partikler er en funksjon av innholdet av jern og mangan. Hvis for lite jern og mangan tilsettes legeringen, f.eks. mindre enn total Mn+Fe på 0,3 %, vil det dannes utilstrekkelige intermetalliske partikler og formbarheten vil bli kompromittert. På samme tid, bør balansen mellom jern og mangan være slik at de intermetalliske forbindelsene er hovedsakelig (Fe, Mn)Al6eller MnAU, eller en kombinasjon av disse for å unngå problemene med korrosjon som angitt ovenfor. Denne balansen oppnås ved det følgende forhold og mengdegrense for jern og mangan i oppfinnelsen.

Mer foretrukne områder for elementene av sink, silisium, magnesium, kobber, titan, krum, nikkel og zirkonium kan finnes i US patent nr. 5 976 278 til Sircar.

Mer foretrukne utførelser av oppfinnelsen inkluderer å spesifisere den nedre grensen til Mn/Fe-forholdet til mellom ca. 0,75 eller ca. 1,0, mer fortrinnsvis ca. 1,5, enda mer fortrinnsvis ca. 2,0 og enda mer 2,5.

Det øvre området til Mn/Fe-forholdet kan variere fra 6,0 som angitt ovenfor til en foretrukket øvre grense på 5,0, en mer foretrukket øvre grense på 4,0 og en enda mer foretrukket grense på 3,0.

Mens de øvre og nedre sammensetningsgrensene til jern og mangan er vist i fig. 5 i begrep mengde mangan og jern, inkluderer en foretrukket øvre grense av jern ca. 0,7 %, mer fortrinnsvis ca. 0,5 %, og enda mer fortrinnsvis ca. 0,4 %, 0,3 % og 0,2 %.

På samme måte er de foretrukne øvre mangangrensene i området fra 2,0 % som nevnt ovenfor til mer foretrukne verdier på ca. 1,5 %, enda mer foretrukket 1,0 %, og enda mer foretrukket verdier på ca. 0,75 %, 0,7 %, 0,6 % eller 0,5 %.

En foretrukket nedre grense på jern er 0,20 %. En foretrukket nedre grense for mangan er ca. 0,5 %.

Mengden eller volumfraksjonen av intermetalliske partikler bør være slik at aluminiumlegeringen har en formbarhet for å kunne ekspanderes. I tillegg, bør partikkelkjemien velges slik at det er mindre tap av korrosjonsbestandighet. Som bemerket ovenfor, har den kjente legeringen AA3102 partikler i en mengde på ca. 3,0 volum% og består hovedsakelig av FeAl3, som negativt påvirker korrosjonsbestandigheten.

Dette er antatt å bli verifisert ved hjelp av energispredningsspektroskopiplott (EDS) basert på kjente legeringer og legeringer i henhold til oppfinnelsen. Disse plottene identifiserer sammensetningen til partiklene som blir analysert ved å vise topper som forbindes med et bestemt element. Jo høyere topp, jo mer dominant er elementet i sammensetningen til partikkelen. Fig. 3 er en skjematisk representasjon av et slikt plott for de intermetalliske partiklene vist i fig. 1, dvs. en AA3102-legering. Denne figuren viser at partiklene til AA3102-legeringen er hovedsakelig FeAl3. Selv om det ikke er angitt, ble det også lagd EDS-plott av partiklene i legeringen i fig. 2, dvs. legeringen beskrevet i US patent nr. 5 906 689. Tilsvarende som kjemien til partiklene funnet i AA3102 og angitt i fig. 1, består partiklene vist i fig. 2 fra legeringen beskrevet i US patent nr. 5 906 689 også primært av FeAl3. Til sammenligning ble det lagd EDS-plott av de intermetalliske partikler til den oppfinneriske legeringen. Et slikt plott er vist skjematisk i fig. 4. Dette plottet viser en mangantopp som overskrider den vist i fig. 3, noe som indikerer at partiklene til den oppfinneriske legeringen er primært (Fe, Mn)AU. Som forklart nedenfor, bidrar kjemien til partiklene funnet i den oppfinneriske legeringen til den økte korrosjonsbestandigheten. Disse partiklene er ikke av samme kjemi som de som finnes i AA3102-legeringen og legeringen i US patent nr. 5 906 689.

I denne sammenheng blir korrosjonsbestandigheten til aluminium påvirket av det kjemiske potensiale til de intermetalliske partiklene i aluminiumgrunnmassen. Spesielt mangan har en viktig påvirkning på aluminium og dens legeringer når det gjelder korrosjonsbestandighet. Manganforbindelser dannet av aluminium har elektrolyttiske potensialer som i det meste kun skiller seg noen få mV fra potensialet til aluminium. Tabell I viser potensialet til flere aluminiumlegeringer og forbindelser. Basert på tabell I, ser man at det er praktisk talt ingen forskjell om manganet er i løsning i aluminiumen eller som forbindelse, dermed er ikke aluminium-manganlegeringer følsomme for intergranulær eller stresskorrosjon. Likheten i potensial betyr også at gropkorrosjon er begrenset: selv når forbindelsen er mindre elektronegativ enn aluminiumen, og mengden alumininum som korroderer for å beskytte forbindelsen er minimal.

Videre har man en mindre mengde kobber i størrelsesorden på 0,05-0,20 % Cu, innløst i aluminiumet, er tilstrekkelig for å bringe potensialet til aluminiumen på den positive siden av forbindelsene. Selv om nærværet av kobber tenderer til å øke angrepshastigheten når potensialet til grunnmassen er positiv i forhold til forbindelsen, vil kun forbindelsen korrodere og gropen bli liten og smal. Dermed, i kobberholdige legeringer, er vekttapet noe økt, men penetreringsdybden er redusert. For noen korrosive betingelser vil denne oppførselen gjøre aluminium-manganlegeringer mer bestandige til gropkorrosjon enn aluminium. Selv om antallet forbindelsespartikler er mye større i aluminium-manganlegeringer og som dermed vil utvikle flere groper, vil det faktum at kun forbindelsespartiklene korroderer og ikke grunnmassen rundt den gjøre at gropproduksjon blir mindre seriøs enn i aluminium hvor grunnmassen korroderer for å beskytte de jernbærende forbindelsene.

Jern og jern-silisiumforbindelser i aluminiumlegeringer er sterkt positive i forhold til aluminiumgrunnmassen slik at gropkorrosjon av grunnmassen for å beskytte forbindelsene kan være kraftig. Når jern og silisium absorberes i (Fe, Mn)Al6eller (FeMn)3-Si2Ali5forbindelse, forsvinner forskjellen i potensialet mellom forbindelsene og grunnmassen og gropkorrosjonen blir kraftig redusert, om enn eliminert. Videre har silisium en tendens til å felle ut fra fast løsning og danne ved korngrensene utfellingsfrie soner som introduserer en mild følsomhet for intergranulær korrosjon i legeringen. Denne følsomheten er liten og inntreffer kun i spesielle korrosive betingelser, men kan lett fjernes ved å tilsette mangan til legeringen for å absorbere silisiumet i en mangan-silisium forbindelse. Disse korrosjonsreduserende effektene er maksimale i legeringer uten større mengder kobber, magnesium, sink, selv om mangan forbedrer korrosjonsbestandigheten også i de komplekse legeringene.

Som notert ovenfor, viste fig. 4 at de intermetalliske partiklene i den oppfinneriske legeringen er (Fe, Mn)Al6partikler. Basert på diskusjonen av det elektrolyttiske potensialet gitt ovenfor, er disse (Fe, Mn)Al6partiklene mer i samsvar med aluminiumgrunnmassen sett fra et elektrolyttisk potensialsynspunkt. Dermed vil korrosjonsfenomenet forbundet med AA3102 under SWAAT-betingelser, hvor FeAU-partiklene avviker kraftig i elektrolyttisk potensial i forhold til aluminiumgrunnmassen, ikke være tilstedeværende i den oppfinneriske sammensetningen. Den oppfinneriske legeringen vil derfor ikke utvise korrosjonsproblemet til AA3102 og vil fortsatt ha en utmerket formbarhet.

I den oppfinneriske legeringen, er det foretrukket å ha en volumfraksjon på minst ca. 2,0 % av intermetaller, med en mer foretrukket volumfraksjon på minst 3,0 %. Mikrobilder av den oppfinneriske legeringen bekrefter at volumfraksjonsfordelingen til intermetalliske partikler er tilsvarende til den i AA3102-legeringen i fig. 1. Det er antatt at denne volumfraksjonen av intermetaller bidrar til den forbedrede formbarheten til oppfinnelsen over legeringer slik som de angitt i US patent nr. 5 906 689.

Fig. 5 viser legeringssammensetningen gitt som grenser av mangan og jern i grafisk form. Oppfinnelsen i dens videste utførelse er antatt å omfatte regionen angitt ved boks F, med mer avgrensende og foretrukne grenser som beskrevet ovenfor. Boks F har den optimale kombinasjon av formbarhet, varmbearbeidbarhet, og korrosjonsbestandighet over andre kjente legeringer. F.eks., har AA3102 hovedsakelig et Mn/Fe-forhold som er mindre enn 0,5 %, og ligger i boks D. Et slikt forhold resulterer i dannelsen av intermetaller som er primært FeAl3, og disse bidrar til galvaniske korrosjonseffekter. Andre kjente legeringer slik som de angitt i US patent nr. 5 906 689 har et utilstrekkelig volumfraksjon av intermetaller, og faller dermed i boks B, og mangler god formbarhet.

Det er antatt at Mn/Fe-forhold som overskrider 6,0 resulterer i en legeringssammensetning som inneholder intermetalliske partikler som har en nål eller nållignende morfologi. Fig. 6 er et skjematisk mikrobilde av en legering som har overskuddsnivåer av mangan som er på utsiden av rammen til oppfinnelsen. Sammensetningen til denne legeringen er best representert ved US patent nr. 5 976 278 til Sircar. De angitte intermetaller 9 fordelt i grunnmassen 11 er både predominant MnAU og har en nål eller nållignende morfologi. Denne morfologien er uønsket for formbarheten og er en indikasjon på at når man overskrider de øvre grensene til området av mangan, så vil det produseres en mikrostruktur som ikke er så lett formbar som den som angitt i fig. 1. Dermed bør Mn/Fe-forholdet opprettholdes slik at intermetallene generelt har likeaksial morfologi (være likeaksede), hvor sideforholdet ikke bør være for høyt slik at det dannes nållignende intermetaller som i fig. 6.1 denne sammenheng, kan partikkelformen være kuler, kuber eller en blanding av disse. Som bemerket ovenfor, bør ikke sideforholdet overskride ca. 5,0, og det er fortrinnsvis nærmere 2,0 og enda mer fortrinnsvis ca. 1,0.

Et foretrukket sammensetningsområde for den oppfinneriske legeringen er mellom ca. 0,04 og 0,10 % silisium, mellom ca. 0,15 og 0,35 % Fe, mindre enn 0,01 % kobber, mellom ca. 0,4 og 0,9 % mangan, mindre enn 0,01 % Mg, mindre enn 0,01 % Cr, mellom 0,1 og 0,2 % Zn, mellom 0,1 og 0,2 % Ti, hvor resten utgjøres av aluminium og uunngåelige urenheter.

Selv om oppfinnelsen beskrives som en sammensetning, er det like viktig at denne sammensetningen når den anvendes til rør i varmeveksleranvendelser er kraftig forbedret over kjente rør. Dermed gjelder oppfinnelsen også anvendelsen av slike sammensetninger til rør og plateprodukter som skal anvendes der anvendelsen krever god formbarhet, spesielt rør i varmeveksleranvendelser.

En av de viktige faktorene for å oppnå den optimale ytelsen til den oppfinneriske legeringen er kontrollen av mangan- og jerninnholdene slik at de intermetalliske partiklene er primært (Fe, Mn)AU istedenfor FeAl3. Den tilgjengelige manganen ut av løsningen er viktig for å drive den intermetalliske partikkeldannelsen bort fra det uønskede FeAl3.

Fig. 7 plotter den totale mengden av mangan og jern i forhold til prosenten av mangan ut av løsningen for sammensetningene vist i tabell II, inkluderende AA3102, legeringen beskrevet i Sircar '689 patentet, og to andre sammensetninger i henhold til oppfinnelsen. Som det klart fremgår av fig. 7, vil mengden mangan ut av løsning øke når den totale mengden av mangan øker. Tabell II viser også at den oppfinneriske legeringen er tilsvarende i volumfraksjon til de intermetalliske forbindelsene i AA3102, og vil dermed opprettholde en god formbarhet. På samme tid, resulterer nivåene av jern og mangan i nærværet av intermetalliske partikler, f.eks. FeMnAln. Denne forbindelsen er forskjellig fra den i de kjente legeringene AA3102 og PA-A, f.eks. FeAl3, og eliminerer dermed de skadelige effektene av korrosjonsbestandigheten når disse kjente partiklene er i en aluminiumgrunnmasse.

Fig. 8 plotter forholdet av uløselig mangan i forhold til jern og forholdet av røntgentopphøyden Mn/Fe, denne høyden er vist skjematisk i fig. 3 og 4. Fig. 8 viser at når forholdet av uløselig Mn/Fe øker, vil topphøyden øke. Med andre ord, en økning i dette forholdet vil resultere i en topphøyde hvor mangan overskrider jern som vist i fig. 4. Dette er den ønskede situasjonen da kjemien til de intermetalliske partiklene, dvs. primært (Fe, Mn)Al6er én som er passende i elektrolyttisk potensial til aluminiumgrunnmassen, og dermed reduserer korrosjon. Når sett sammen, er økningen i mangan ut av løsning antatt å drive dannelsen av intermetallene som deretter resulterer i den forbedrede korrosjonsbestandigheten.

I sammendrag, tabell II indikerer at legeringen til oppfinnelsen har god formbarhet og korrosjonsbestandighet ved å ha de ønskede intermetallene for korrosjonsbestandighet samtidig som den har den ønskede volumfraksjonen og størrelsen til intermetallene. Den kjente legeringen AA3102 (god formbarhet - dårlig korrosjonsbestandighet) har volumfraksjonen men ikke de rette intermetall, mens fig. 2-legeringen har god korrosjonsbestandighet (lav volumfraksjon av uønskelige intermetaller) men mindre ønskelige formbarheter (for lav volumfraksjon av intermetall). Den oppfinneriske legeringen løser dette dilemma ved å kombinere de rette intermetallene i den rette kjemien, størrelse og mengde.

I tillegg kompromitterer ikke oppfinnelsen varmbearbeidbarheten til aluminiumlegeringen. Det er kjent at valget av legeringselementer av aluminium kan påvirke varmbearbeidbarheten. Noen elementer kan øke denne karakteristikken, mens andre elementer er skadelige. Ved å praktisere læren til oppfinnelsen gjennom kontroll av intermetalliske partikkelkjemi og partikkelfordeling, har den oppfinneriske aluminiumlegeringen ganske oppsiktsvekkende ikke bare god formbarhet og korrosjonsbestandighet, men også varmbearbeidbarhet som enten passer eller overskrider den til konvensjonelle legeringer slik som AA3102 eller legeringen til US patent nr. 5 906 689. Når man utfører komparative tester mellom kjente legeringer og oppfinnelsen for SWAAT-korrosjonsbestandighet, har ikke varmbearbeidbarheten til legeringen i henhold til oppfinnelsen blitt kompromittert til tross for avvikene fra kjente legeringer når det gjelder partikkelkjemi og/eller partikkelvolumfraksjon.

Fig. 9 viser forbedringene i oppstikkingshøyde når den oppfinneriske legeringen anvendes i en varmeveksleranvendelse. Som bemerket ovenfor, er oppstikkelseshøyden, høyden av røret som strekker seg over lamellene og endeflatene etter at det har blitt innsatt i lamellene og diametrisk ekspandert. Denne høyden må være lang nok for å tillate festing av rørenes frie ende til samlerørmanifolden til varmeveksleren. Fig. 9 viser at en kraftig endring i oppstikkingshøyde kan oppnås når man praktiserer læren til oppfinnelsen. Det vil si, når man øker den totale mengden av mangan og jern, vil en økning i både oppstikkingshøyde + klokkehøyde realiseres. I og med at oppstikkingshøyden er i størrelsesorden på ca. 10 mm, vil en relativt liten økning resultere i signifikant prosentgevinst og en kraftig forbedring i produksjonens produktivitet. F.eks. vil en økning av oppstikkingshøyden fra ca. 9,5 til 10,5 mm tilsvare en 10 % gevinst. En økning av den tilgjengelige oppstikkingshøyden reduserer avvisningshastigheten av kondensere på grunn av krymping av røret under ekspansjonstrinnet og utilstrekkelig rørhøyde for festing av varmevekslersamlerør.

Det er også antatt at den oppfinneriske legeringen kan ha forbedret korrosjonsbestandighet. Scanningelektronmikroskopistudier har blitt utført for å undersøke overflatemorfologien til de forskjellige legeringer etter 25 dager med SWAAT-testing. SWAAT-testing er vel kjent i teknikken, og er forklart i Sircar patentene nevnt ovenfor, slik at detaljene til dette er ikke nødvendig for forståelsen av denne oppfinnelsen. Denne studien viser at PA-A-legeringen i tabell II overskrider kraftig AA3102-legeringen i samme tabell når det gjelder korrosjonsbestandighet. Overflaten til AA3102-legeringenvar tæret og lite homogen. Som en kontrast, viste PA-A-legeringen en generell og homogen korrosjonseffekt på overflaten, og gir dette materialet overlegne ytelser i feltet. Fra denne sammenligningen av mikrobilder, er det klart at korrosjonsbestandigheten til PA-A-legeringen er kraftig overlegen AA3102-legeringen.

Legeringene til oppfinnelsen ble også undersøkt i de samme SWAAT-testbetingelsene og scanningelektronmikrobilder ble tatt for

sammenligningshensikter. Overflateetsninger av legeringer i henhold til oppfinnelsen, INV A og INV B i tabell II, viser at overflatemorfologien er enda mer homogen enn den høykorrosjonsbestandige PA-A-legering, dvs. mindre penetreringsdybde ved overflaten. Fra dette kan man slutte at den oppfinneriske legeringen har i det minste like god korrosjonsbestandighet som kjent teknikk og kan til og med ha en økt korrosjonsbestandighet når det sammenlignes med de faste kjente legeringene.

I tillegg til den forbedrede aluminiumlegeringen, omfatter oppfinnelsen også produksjon av varmevekslere, mer bestemt prosesser som anvender ekspansjonstrinn. I én modus, er oppfinnelsene forbedringer i metoden hvor rør blir ekstrudert, og deretter formet til en u-form, som så tres inn i åpningen til en lamell og endeplate, og deretter diametrisk ekspanderes for å sikre kontakt mellom røret og lamellen. I disse metodene, anvendes de oppfinneriske aluminiumlegeringene som rørstaver for ekspansjon og varmevekslermontasje. Sammensetningen kan selvfølgelig dannes til andre former som krever optimale kombinasjoner av korrosjonsbestandighet, varmbearbeidbarhet og formbarhet hvis ønskelig.

Enhver legeringstilsetning kan gjensidig byttes (via tilsvarende periodiske grupper osv.) men de som er angitt er også beskyttet i denne søknaden.

Aluminiumlegeringen kan også lages ved kjente teknikker slik som valseblokk eller kontinuerlig støping, homogenisering, varm eller kald bearbeiding, og ekstrudering av det bearbeidede produktet til rør, som valses til plater, og lignende. I og med at disse teknikkene er betraktet som konvensjonelle, er det ikke nødvendig å gi en ytterligere forklaring for forståelsen av denne oppfinnelsen.

For flate anvendelser, kan det i noen tilfeller være ønskelig med høyere magnesiumnivåer enn de som bemerkes ovenfor for å øke styrken.

Claims (20)

1. Aluminiumlegeringsgjenstand lagd av en legeringssammensetning,karakterisert vedat den omfatter i vektprosent: mellom 0,05 og 0,5 % silisium; en mengde jern mellom 0,1 og opptil 1,0 %; en mengde mangan mellom 0,05 og opptil 2,0 %; mellom 0,06 og 1,0 % sink; mellom 0,03 og 0,35 % titan; hvor resten utgjøres av aluminium og uunngåelige urenheter; hvor mangan til jernforholdet opprettholdes større enn 0,5 og mindre eller lik 6,0, og hvor de totale jern- og manganmengdene er større enn 0,30 % slik at gjenstanden inneholder intermetalliske forbindelser fordelt utover aluminiumsgrunnmassen i en volumfraksjon i gjenstanden på minst 0,5 %, hvor forskjellen i elektrolyttisk potensial mellom aluminiumsgrunnmassen til gjenstanden og de intermetalliske forbindelsene er mindre enn 0,2 volt, og hvor de intermetalliske forbindelsene har et sideforhold som er mindre enn 5,0.

2. Gjenstand i henhold til krav 1, karakterisert vedat forholdet mangan til jern ytterligere begrenses til en nedre grense på 0,75 og en øvre grense på 5,0, og den totale mangan- og jernmengden er minst 0,6 %.

3. Gjenstand i henhold til krav 2, karakterisert vedat mangan til jernforholdet er mellom 1,0 og 4,0, og total mengde mangan og jern er mellom 0,70 og 1,2 %.

4. Gjenstand i henhold til krav 1, karakterisert vedat de intermetalliske forbindelsene er primært minst én av jern-aluminium-mangan-forbindelser eller mangan-aluminium-forbindelser.

5. Gjenstand i henhold til krav 1, karakterisert vedat jern holdes mellom 0,15 og 0,35 % og mangan mellom 0,4 og 0,9 %, og de totale mengdene mangan og jern ligger mellom 0,6 og 3,0 %.

6. Gjenstand i henhold til krav 1, karakterisert vedat volumfraksjonen er større enn 2,0 %.

7. Gjenstand i henhold til krav 1, karakterisert vedat den ytterligere omfatter opptil 0,7 % kobber, mindre enn 1,0 % magnesium, mindre enn 0,01 % nikkel, og opptil 0,5 % krom.

8. Gjenstand i henhold til krav 1, karakterisert vedat de intermetalliske forbindelsene har et størrelsesområde på mellom 0,5 og 5 mikron.

9. Fremgangsmåte for å lage varmeveksler som inkluderer trinnet å diametrisk ekspandere varmevekslerrørene, karakterisert vedat den omfatter å lage rørene som skal diametrisk ekspanderes fra legeringssammensetningen i krav 1.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert vedat rørene er ekstruderte rør.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert vedat enden til rørene innsettes i en endeplate til varmeveksleren før den diametriske ekspansjonen, og en lengde som for hvert rør strekker seg utover endeplaten etter det diametriske ekspansjonstrinnet for påfesting av varmevekslersamlerør, forbedret formbarhet til legeringssammensetningen øker den konsistente genereringen av en tilstrekkelig lengde for samlerørpåføring.

12. Fremgangsmåte for å ekstrudere rør fra en aluminiumlegering som startmateriale, karakterisert vedat den omfatter å lage et aluminiumlegeringsstartmateriale fra legeringssammensetningen i krav 1.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, karakterisert vedat den ytterligere omfatter å anvende ekstruderte rør for å lage varmevekslere.

14. Varmeveksler som har en komponent fra legeringen i krav 1.

15. Varmeveksler i henhold til krav 14, karakterisert vedat komponenten er et rør eller plateprodukt.

16. Fremgangsmåte for å forbedre formbarheten og korrosjonsbestandigheten til en aluminiumlegeringsgjenstand uten tap av varmbearbeidbarhet,karakterisert vedat den omfatter: å fremskaffe en legeringssammensetning som omfatter legeringsmengder i vektprosent på mellom 0,05 og 0,5 % silisium, en mengde mangan opptil 2,0 %, en mengde jern mellom 0,1 % og opptil 1,0 %, mellom 0,03 og 0,35 % titan, og mellom 0,06 og 1,0% sink, hvor resten utgjøres av aluminium og uunngåelige urenheter, og danne gjenstanden fra legeringssammensetningen; hvor forholdet mangan til jern i legeringssammensetningen kontrolleres til mellom 0,5 og 6,0, og den totale mengden jern og mangan i sammensetningen kontrolleres til å være større enn 0,3 % for å danne en endelig mikrostruktur i gjenstanden som er større enn 0,5 volumfraksjoner av intermetalliske forbindelser, hvor de intermetalliske forbindelsene har et sideforhold som er mindre enn 5,0, og hvor den elektrolyttiske potensialforskjellen mellom aluminiumgrunnmassen til gjenstanden og de intermetalliske forbindelsene er mindre enn 0,2 volt.

17. Fremgangsmåte i henhold til krav 16, karakterisert vedat forholdet mangan til jern ytterligere begrenses til en nedre grense på 0,75 og en øvre grense på 5,0, og hvor den totale mengden mangan og jern er minst 0,6 %.

18. Fremgangsmåte i henhold til krav 16, karakterisert vedat de intermetalliske forbindelsene er primært minst én av jern-aluminium-mangan-forbindelser eller mangan-aluminium-forbindelser.

19. Fremgangsmåte i henhold til krav 16, karakterisert vedat jern er mellom 0,15 og 0,35 % og mangan mellom 0,4 og 0,9 % for forholdet og at den totale mengden av mangan og jern er i området mellom 0,6 og 3,0 %.

20. Fremgangsmåte i henhold til krav 16, karakterisert vedat volumfraksjonen er større enn 2,0 %.