WO2005010223A1 - Hochfeste legierung für wärmetauscher - Google Patents

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WO2005010223A1
WO2005010223A1 PCT/EP2004/008359 EP2004008359W WO2005010223A1 WO 2005010223 A1 WO2005010223 A1 WO 2005010223A1 EP 2004008359 W EP2004008359 W EP 2004008359W WO 2005010223 A1 WO2005010223 A1 WO 2005010223A1
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aluminum
aluminum alloy
alloy
cold
heat exchangers
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PCT/EP2004/008359
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Lothar LÖCHTE
Wolf-Dieter Finkelnburg
Pascal Wagner
Raimund Sicking
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Hydro Aluminium Deutschland Gmbh
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Publication date
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    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/047—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with magnesium as the next major constituent
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    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/05—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys of the Al-Si-Mg type, i.e. containing silicon and magnesium in approximately equal proportions

Definitions

  • the invention relates to a cold-hardenable aluminum alloy for heat exchangers, a method for producing a cold-hardenable aluminum strip and an aluminum strip or sheet.
  • Heat exchangers consisting of aluminum or aluminum alloys are increasingly being used in the automotive sector.
  • the use of aluminum instead of the previously used non-ferrous metal heat exchangers with comparable size and performance has almost halved the weight of the heat exchangers.
  • Heat exchangers made of aluminum or an aluminum alloy are today mostly used in motor vehicles for cooling the cooling water, oil and in air conditioning systems.
  • Heat exchangers for motor vehicles are usually produced from aluminum strips or sheets, in that the individual prefabricated components of the heat exchanger, such as fins, pipes and distributors, are connected to one another by soldering.
  • the loads which, in practical use, act on components manufactured in this way and installed in motor vehicles due to shock-like vibrations, longer-lasting vibrations, corrosion attack and the like are considerable.
  • the cold-hardenable aluminum alloys previously used in vacuum soldering of heat exchangers for example the aluminum alloy AA6063 (AlMgO, 7Si), AA6061 (AlMglSiCu) or AA6951 (AlMgO, 6SiCu) have relatively high magnesium contents in order to prevent oxidation of the soldering process in a vacuum by "gettering" to prevent molten aluminum solder on the components to be soldered and thus to guarantee a perfect solder connection without flux and, on the other hand, to achieve high strength values of the soldered heat exchangers after a cold aging after soldering
  • the alternative protective gas soldering also called GAB
  • GAB requires less effort from these points of view and also enables up to 20% shorter soldering cycles, but the use of the aluminum oils known from vacuum soldering is High magnesium content is not possible because the magnesium reacts with the non-corrosive flux during soldering.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a cold-hardenable aluminum alloy for heat exchangers, a method for producing an aluminum strip for heat exchangers and a corresponding aluminum strip or sheet which have high strength values a cold aging after soldering.
  • the object derived and shown above for an aluminum alloy is achieved in that the aluminum alloy has the following alloy components in% by weight: Si ⁇ 0.7%, 0.1% ⁇ Mg ⁇ 1%, Fe ⁇ 0.3%, 0.08% ⁇ Cu ⁇ 0.2%, Ti ⁇ 0.2%, Mn ⁇ 0.1%, Cr ⁇ 0.1%, Zn ⁇ 0.1%, unavoidable accompanying elements individually max. 0.1%, in total max. 0.15% and the rest aluminum.
  • heat exchangers consisting of an aluminum alloy containing the above-mentioned alloy components after cold aging at room temperature after soldering have the strength required for use in motor vehicles, in particular the yield strength RPo, 2 / , without the need for further heat treatments.
  • the reason for this is the combination of the Si and Mg contents according to the invention, which form finely divided precipitates of the Mg 2 Si type in the aluminum alloy according to the invention and lead to an increase in strength through cold aging at room temperature. This increase in strength due to cold aging is further improved by the addition of copper in the claimed range from 0.08% by weight to 0.2% by weight.
  • Limiting the Fe content to a maximum of 0.3% by weight ensures that Si is present in the aluminum alloy in the dissolved state. Furthermore, the low Cu contents of a maximum of 0.2 wt. that the increase in strength during cold aging can be increased; on the other hand, this limitation of the Cu content reduces the sensitivity of the strength of the aluminum alloy to the cooling rate after soldering. To limit the dependence of the strength of the aluminum alloy on the cooling rate after soldering, the Mn content must be limited to a maximum of 0.1% by weight. Cr contents of at most 0.1% by weight, on the other hand, increase the strength and the corrosion resistance of the aluminum alloy according to the invention.
  • a maximum Ti content of 0.2% by weight has a positive effect on the resistance of the aluminum alloy according to the invention to corrosion, since the alloying element Ti contributes to the grain refinement of the structure of the aluminum alloy and thus smoothes out a corrosion attack.
  • the Zn content must be limited to a maximum of 0.1% by weight.
  • the strength of the aluminum alloy according to the invention can be further increased by cold aging after soldering in that the aluminum alloy contains Si, Mg and Cu as main alloy elements.
  • the heat exchangers made from this alloy are preferably soldered by vacuum soldering.
  • Protective gas soldering is also possible to a limited extent when using fluxes containing cesium.
  • Protective gas soldering when using cesium-containing flux is simplified in particular by the fact that the magnesium alloy content does not exceed 0.8% by weight.
  • the aluminum alloy according to the invention is readily suitable for shielding gas soldering with non-corrosive fluxes, since there is only a slight reaction with the fluxes and the use of expensive cesium-containing ones Flux can be dispensed with.
  • the aluminum alloy according to the invention is particularly advantageous in that the aluminum alloy has particularly high strength values after processing and soldering and after about 30 days of cold aging at room temperature. This material property ensures a particularly cost-effective manufacturing process, since the cold aging during the transport process already ensures very good strength without any further measures.
  • a billet is cast from an aluminum alloy according to the invention in the conventional ingot casting process
  • the rolling bar is homogenized at 500 to 600 ° C for more than 6 h, in particular for more than 12 h, and is hot rolled to a strip at at least 400 ° C, preferably 450 ° C, the final temperature during hot rolling being at least 300 ° C is
  • the hot-rolled strip is cold-rolled to its final thickness and then subjected to soft annealing at at least 300 ° C, preferably 350 ° C.
  • Corrosion resistance produces an optimized structure of the hot strip, whereby the final rolling temperature during hot rolling must be at least 300 ° C, on the one hand to ensure sufficient deformability of the rolling ingot and on the other hand to optimize the structure during hot rolling.
  • the hot strip end thicknesses can be, for example, less than 9 mm.
  • the strip cold-rolled by cold rolling to a final thickness of at most 2 mm is preferably given a final soft annealing at at least 300 ° C 350 ° C subjected.
  • heat exchangers can be produced on the basis of conventional alloy elements (Mg, Si, Cu), which after an inert gas soldering and a cold aging of approx. 30 days at room temperature, yield limits of RP 0 , 2 ⁇ 65MPa and are therefore particularly well suited for the enormous loads in the motor vehicle.
  • shielding gas soldering without the use of cesium-containing fluxes can be used to manufacture the heat exchangers be made, so that an economical production is possible.
  • the method according to the invention can be carried out with conventional means and devices with regard to the reducing rolling.
  • a particularly high level of process reliability when soldering the heat exchanger can be achieved by cladding the rolled bar with an aluminum solder after homogenization.
  • the aluminum strip produced from this rolled ingot has a uniform layer of aluminum solder, which leads to particularly homogeneous and uniform solder connections during soldering, for example between the fins, tubes and distributors of the heat exchanger. If only one side of the aluminum strip according to the invention is clad with an aluminum solder, the other side can be clad or coated, for example, with an alloy serving as corrosion protection.
  • an aluminum alloy with a silicon content of 6 to 13% by weight is preferably used as the aluminum solder, which alloy soldering has a particularly good wetting capacity with regard to the wetting of oxide layers remaining in a non-oxidizing atmosphere have on the components of the heat exchanger to be soldered with aluminum solder.
  • the object derived and shown above is achieved by an aluminum strip or sheet for the production of heat exchangers, which is produced by the method according to the invention.
  • an aluminum strip or sheet produced by the method according to the invention has improved strength values, in particular yield strength, after cold aging after soldering, so that the wall thicknesses of the heat exchangers can be further reduced.
  • shielding gas soldering with non-corrosive fluxes without the use of cesium-containing fluxes can be used to manufacture the heat exchangers.
  • the aluminum strip or sheet according to the invention preferably has a maximum thickness of 2 mm, in particular 1 mm. Due to the higher strength compared to conventional materials, the strip thickness can be reduced further when the aluminum strip according to the invention is used, thus saving material in the production of heat exchangers and a further reduction in the weight of the heat exchanger. The operational reliability of the heat exchanger is not impaired, even at higher operating pressures, due to the higher strength of the aluminum alloy.
  • the cold-hardenable aluminum alloy for heat exchangers according to the first teaching of the invention the method for producing a cold-hardenable aluminum strip for heat exchangers according to the second teaching of the invention and the aluminum strip or sheet according to the invention Manufacture and develop production of heat exchangers according to the third teaching of the invention.
  • the single figure schematically shows a production route for realizing an exemplary embodiment of a method for producing a cold-hardenable aluminum strip for heat exchangers according to the second teaching of the invention.
  • the production route shown in the single figure comprises the ingot casting 1 made of an aluminum alloy.
  • the aluminum alloy of the exemplary embodiment has the following alloy components in% by weight
  • the low boron content of maximum 50 pp improves the recyclability of the aluminum alloy.
  • the rolled ingots cast from the aluminum alloy just described in the DC process are then homogenized in a homogenization stage 2. Particularly good results with regard to the homogenization of the billet were achieved at a temperature of 575 ° C. for more than 6 h, in particular 12 h.
  • the rolled bars are hot rolled on a tandem stand 3a to a thickness of, for example, 7 mm, the final temperature during hot rolling in particular having to be more than 300 ° C., preferably 330 ° C., in order to achieve an optimized structure during hot rolling guarantee.
  • the hot rolling can also be carried out on a reversing stand 3 and wound on a reel (not shown) and the hot rolling in the tandem stand 3a can be dispensed with.
  • the subsequent cold rolling to a final thickness of approximately 1 mm is carried out on single or multi-stand rolls 4.
  • cold rolling can also alternatively take place on a reversing stand.
  • a final soft annealing at about 350 ° C. in a chamber furnace 5 brings the aluminum strip into a state of low strength and high elongation in order to facilitate subsequent forming work in the manufacture of the components of the heat exchanger.
  • the strip for heat exchangers can be plated with an aluminum solder, for example made of an AlSi7 or ALSilO alloy, in order to avoid the subsequent application of an aluminum solder before soldering by the heat exchanger produced from the strip according to the invention.
  • the billet must be heated to a rolling temperature of at least 400 ° C, preferably 450 ° C, before hot rolling.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine kaltaushärtbare Aluminiumlegierung für Wärmetauscher, ein Verfahren zur Herstellung eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes sowie ein Aluminiumband oder -blech. Die Aufgabe, eine kaltaushärtbare Aluminiumlegierung für Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, welche den wirtschaftlichen Einsatz des Schutzgaslötens bei der Herstellung von Wärmetauschern ermöglicht und gleichzeitig hohe Festigkeitswerte nach einer Kaltauslagerung nach dem Löten aufweist, wird dadurch gelöst, dass die Aluminiumlegierung folgende Legierungsanteile in Gew.-% aufweist: Si ≤ 0,7%, 0,1% ≤ Mg ≤ 1, Fe ≤ 0,3%, 0,08% ≤ Cu ≤ 0,2%, Ti ≤ 0,2%, Mn ≤ 0,1%, Cr ≤ 0,1%, Zn ≤ 0,1%, unvermeidbare Begleitelemente einzeln max. 0,1%, in Summe max. 0,15% und als Rest Aluminium.

Description

Hochfeste Legierung für Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft eine kaltaushartbare Aluminiumlegierung für Wärmetauscher, ein Verfahren zur Herstellung eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes sowie ein Aluminiumband oder -blech.
Im Automobilbereich werden zunehmend Wärmetauscher bestehend aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen eingesetzt. Dabei hat die Verwendung von Aluminium an Stelle der früher gebräuchlichen Buntmetall-Wärmetauscher bei vergleichbarer Größe und Leistung das Gewicht der Wärmetauscher nahezu halbiert. Wärmetauscher aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung werden heutzutage im Kraftfahrzeug zumeist zur Kühlung des Kühlwassers, Öls und in Klimaanlagen eingesetzt. Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge werden üblicherweise aus Aluminium-Bändern oder -blechen hergestellt, indem die einzelnen vorgefertigten Komponenten des Wärmetauschers, wie beispielsweise Lamellen, Rohre und Verteiler, durch Löten miteinander verbunden werden. Die Belastungen, die im praktischen Einsatz auf derart hergestellte, in Kraftfahrzeugen eingebaute Bauteile aufgrund von stoßartigen Erschütterungen, länger andauernden Vibrationen, Korrosionsangriff und ähnlichem einwirken, sind erheblich. Dies betrifft insbesondere die Lamellen, über welche die Wärmeabfuhr erfolgt. Trotz der erheblichen Belastungen und steigender Betriebsdrücke der Wärmetauscher im Kraftfahrzeug besteht weiterhin der Trend zur Gewichtseinsparung im Kraftfahrzeug und damit zu einer weiteren Wanddickenreduzierung der Wärmetauscher. Dies führt jedoch zu weiter steigenden Festigkeitsanforderungen an die Aluminiumlegierung der Wärmetauscher, insbesondere nach dem Löten. Zum Löten der Wärmetauscher steht einerseits das Vakuumlöten ohne Flussmittel sowie das Schutzgaslδten mit nicht-korrosiven Flussmitteln zur Verfügung. Die bisher beim Vakuumlöten von Wärmetauschern eingesetzten kaltaushärtbaren Aluminiumlegierungen, beispielsweise die Aluminiumlegierung AA6063 (AlMgO , 7Si) , AA6061 (AlMglSiCu) oder AA6951 (AlMgO, 6SiCu) weisen relativ hohe Magnesiumgehalte auf, um einerseits beim Lötprozess im Vakuum durch „Gettern" eine Oxidation des geschmolzenen Aluminiumlots auf den zu lötenden Bauteilen zu verhindern und damit eine einwandfreie Lδtverbindung ohne Flussmittel zu gewährleisten und andererseits bei einer Kaltauslagerung nach dem Löten hohe Festigkeitswerte der gelöteten Wärmetauscher zu erzielen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die Aufrechterhaltung des Gasschutzes und die Reinheitsanforderung an die zu lötenden Bauteile kostenintensiv ist. Das alternative Schutzgaslöten (auch GAB genannt) erfordert zwar unter diesen Gesichtspunkten weniger Aufwand und ermöglicht zudem bis zu 20 % kürzere Lδtzyklen, jedoch ist der Einsatz der vom Vakuumlöten bekannten Aluminiumlegierung mit hohen Magnesiumgehalten nicht möglich, da das Magnesium während des Lötens mit den nicht-korrosiven Flussmitteln reagiert. Dies kann nur durch den Einsatz teuerer cäsiumhaltiger Flussmittel verhindert werden. Ferner besteht die Möglichkeit hoch kupferhaltige Aluminiumlegierung einzusetzen (Cu-Gehalt > 0,5 %) , welche jedoch beim Gießen zur Warmrissigkeit neigen und daher erhöhte Anforderungen an das Gießen der Walzbarren stellt, welches unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten als kritisch anzusehen ist. Zudem besteht bei erhöhten Cu- Gehalten die Gefahr einer Sensibilisierung für Lochfraßbzw. Korngrenzenkorrosion, wenn Kupfer in entsprechend ausgeschiedener Form im Gefüge vorliegt. Schließlich kann beim Schutzgaslöten eine Aluminiumlegierung mit einer Zwischenplattierung als Diffusionssperrschicht eingesetzt werden, so dass eine kaltaushartbare Aluminiumlegierung mit relativ hohen Magnesium-Gehalten als Kernmaterial einsetzbar ist. Allerdings ist die Zwischenplattierung mit einer Diffusionssperrschicht mit zusätzlichen Kosten verbunden, so dass eine wirtschaftliche Fertigung von Wärmetauschern ebenfalls nicht erreicht werden kann.
Die Herstellung von Wärmetauschern durch Löten von aus den oben angegebenen Aluminiumlegierungen bestehenden Komponenten ist beispielsweise aus der US-Patentschrift US 4,214,925 bekannt.
Ausgehend von dem zuvor aufgezeigten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine kaltaushartbare Aluminiumlegierung für Wärmetauscher, ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes für Wärmetauscher sowie ein entsprechendes Aluminiumband oder -blech zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches hohe Festigkeitswerte nach einer Kaltauslagerung nach dem Löten aufweist.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe für eine Aluminiumlegierung dadurch gelöst, dass die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist: Si < 0,7%, 0,1% < Mg < 1%, Fe < 0,3%, 0,08% < Cu < 0,2%, Ti < 0,2%, Mn < 0,1%, Cr < 0,1%, Zn < 0,1%, unvermeidbare Begleitelemente einzeln max. 0,1%, in Summe max. 0,15% sowie Rest Aluminium.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass aus einer die oben angegebenen Legierungsanteile enthaltenden Aluminiumlegierung bestehende Wärmetauscher nach einer Kaltauslagerung bei Raumtemperatur nach dem Löten die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen notwendige Festigkeit, insbesondere Streckgrenze RPo,2/ aufweist, ohne dass weitere Wärmebehandlungen notwendig sind. Ursache hierfür ist die Kombination der erfindungsgemäßen Si- und Mg- Gehalte, welche feinverteilte Ausscheidungen vom Typ Mg2Si in der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung bilden und zu einer Festigkeitssteigerung durch Kaltauslagerung bei Raumtemperatur führen. Diese Festigkeitssteigerung durch Kaltauslagerung wird weiter verbessert durch die Zugabe von Kupfer im beanspruchten Bereich von 0.08 Gew.-% bis 0, 2 Gew. -% .
Durch die Begrenzung des Fe-Gehalts auf maximal 0,3 Gew.-% wird gewährleistet, das Si in der Aluminiumlegierung in gelöstem Zustand vorliegt. Ferner gewährleisten die geringen Cu-Gehalte von maximal 0,2 Gew.-% einerseits, dass der Festigkeitsanstieg beim Kaltauslagern gesteigert werden kann, andererseits wird durch diese Begrenzung des Cu-Gehaltes die Empfindlichkeit der Festigkeit der Aluminiumlegierung von der Abkühlrate nach dem Löten verringert. Ebenfalls zur Begrenzung der Abhängigkeit der Festigkeit der Aluminiumlegierung von der Abkühlrate nach dem Löten muss der Mn-Gehalt auf maximal 0,1 Gew. -% beschränkt werden. Cr-Gehalte von maximal 0,1 Gew.-% steigern dagegen die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung. Darüber hinaus hat ein Ti-Gehalt von maximal 0,2 Gew.-% einen positiven Effekt auf die Wiederstandsfähigkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung gegen Korrosion, da das Legierungselement Ti zur Kornfeinung des Gefüges der Aluminiumlegierung beiträgt und somit einen Korrosionsangriff vergleichmäßigt . Zur Vermeidung des negativen Effektes von Zink auf die Korrosion der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung muss der Zn-Gehalt auf maximal 0,1 Gew.-% beschränkt werden.
Die Festigkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung kann, gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung, durch Kaltauslagerung nach dem Löten weiter dadurch gesteigert werden, dass die Aluminiumlegierung Si, Mg und Cu als Hauptlegierungselemente enthält.
Um ein Erweichen der zu lötenden Komponenten eines Wärmetauschers während des Lötens zu vermeiden, ist es zur Durchführung eines einwandfreien Lötverfahrens vorteilhaft, wenn die Solidustemperatur der Aluminiumlegierung 610 °C nicht unterschreitet, da üblicherweise das Löten bei Temperaturen bis zu 600 °C erfolgt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Summe der Legierungsanteile von Si, Mg und Cu 1,2 Gew.-% nicht übersteigt. Dabei bewirken Legierungselemente im allgemeinen eine Erniedrigung der Solidustempratur, wobei Si eine um den Faktor 1,2 stärkere Erniedrigung der Solidustemperatur der Aluminiumlegierung als Mg und Mg wiederum eine um Faktor 3,5 wirksamere Erniedrigung der Solidustemperatur als Cu verursacht.
Dies gilt nicht für das Legierungselement Ti, so dass eine Erhöhung der Solidustemperatur der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung dadurch erreicht werden kann, dass die Aluminiumlegierung als Legierungsbestandteil Ti aufweist.
Wird die Obergrenze der beanspruchten Legierung für Magnesium ausgeschöpft, so erfolgt das Löten von aus dieser Legierung hergestellten Wärmetauschern vorzugsweise durch Vakuumlöten. Eingeschränkt ist auch hier das Schutzgaslöten beim Einsatz cäsiumhaltiger Flußmittel möglich. Das Schutzgaslöten beim Einsatz cäsiumhaltiger Flußmittel wird insbesondere dadurch vereinfacht, dass der Legierungsanteil von Magnesium 0,8 Gew. -% nicht übersteigt .
Darüber hinaus ist bei einem geringen Mg-Gehalt bis maximal 0,3 Gew.-% die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung ohne weiteres für das Schutzgaslöten mit nicht-korrosiven Flussmitteln geeignet, da eine Reaktion mit den Flussmitteln nur in geringem Maße erfolgt und auf den Einsatz teuerer cäsiumhaltiger Flussmittel verzichtet werden kann. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfährt die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung dadurch, dass die Aluminiumlegierung nach der Verarbeitung und dem Löten und nach etwa 30 Tagen der Kaltauslagerung bei Raumtemperatur besonders hohe Festigkeitswerte aufweist. Diese Materialeigenschaft gewährleistet einen besonders kostengünstigen Herstellungsprozess, da die Kaltauslagerung im Rahmen des Transportprozesses ohne weitere Maßnahmen bereits eine sehr gute Festigkeit gewährleistet .
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe verf hrensmäßig dadurch gelöst, dass
- ein Walzbarren aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung im konventionellen Barren- Guss-Verfahren gegossen wird,
- der Walzbarren bei 500 bis 600 °C für mehr als 6 h, insbesondere für mehr als 12 h, homogenisiert wird und bei mindestens 400 °C, vorzugsweise 450°C, zu einem Band warmgewalzt wird, wobei die Endtemperatur beim Warmwalzen mindestens 300 °C beträgt,
- das warmgewalzte Band auf Enddicke kaltgewalzt wird und anschließend einer Weichglühung bei mindestens 300 °C, vorzugsweise 350°C, unterzogen wird.
Durch die Homogenisierung des im konventionellen Barren- Guss-Verf hren gegossenen Walzbarren bei Temperaturen von 500 bis 600 °C für mehr als 6 Stunden, insbesondere für mehr als 12 Stunden, wird erreicht, dass auch diffusionsträge Elemente wie Mangan und Chrom beim Abkühlen der Schmelze fein dispers ausgeschieden werden. Durch das Warmwalzen bei mindestens 400 °C wird ein im Hinblick auf die Verformbarkeit und
Korrosionsbeständigkeit optimiertes Gefüge des Warmbandes erzeugt, wobei die Endwalztemperatur beim Warmwalzen mindestens 300 °C betragen muss, um einerseits eine ausreichende Verformbarkeit des Walzbarrens und andererseits eine optimierte Gefügeausbildüng während des Warmwalzens zu gewährleisten. Die Warmbandenddicken können dabei, beispielsweise weniger als 9 mm betragen. Um das Umformen des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bandes in vorgefertigte Komponenten für den Wärmetauscher, beispielsweise Lamellen, Rohre oder Verteiler, zu erleichtern, wird das durch Kaltwalzen auf eine Enddicke von maximal 2 mm kaltgewalzte Band einem abschließenden Weichglühen bei mindestens 300 °C, vorzugsweise 350 °C, unterzogen.
Durch die Kombination der LegierungsZusammensetzung der Aluminiumlegierung in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Verfahrensmerkmalen können auf Basis konventioneller Legierungselemente (Mg, Si, Cu) Wärmetauscher hergestellt werden, die nach einem Schutzgaslöten und einer Kaltauslagerung von ca. 30 Tagen bei Raumtemperatur Streckgrenzen von RP0,2 ≥ 65MPa aufweisen und daher für die enormen Belastungen im Kraftfahrzeug besonders gut geeignet sind. Darüber hinaus kann zur Herstellung der Wärmetauscher das Schutzgaslöten unter Verzicht auf cäsiumhaltige Flussmittel angewendet werden, so dass eine wirtschaftliche Herstellung ermöglicht wird.
Erfolgt das Warmwalzen und/oder das Kaltwalzen reversierend oder einsinnig auf ein- oder mehrgerüstigen Walzen, so kann das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf das reduzierende Walzen mit konventionellen Mitteln und Vorrichtungen durchgeführt werden.
Eine besonders hohe Prozesssicherheit beim Löten der Wärmetauscher kann dadurch erzielt werden, dass der Walzbarren nach dem Homogenisieren mit einem Aluminiumlot plattiert wird. Das aus diesem Walzbarren hergestellte Aluminiumband weist eine gleichmäßige Schicht eines Aluminiumlotes auf, welches beim Löten zu besonders homogenen und gleichmäßigen Lötverbindungen, beispielsweise zwischen den Lamellen, Rohren und Verteilern des Wärmetauschers, führt. Wird nur eine Seite des erfindungsgemäßen Aluminiumbandes mit einem Aluminiumlot plattiert, kann die andere Seite beispielsweise mit einer als Korrosionsschutz dienenden Legierung plattiert oder beschichtet werden.
Vorzugsweise wird als Aluminiumlot eine Aluminiumlegierung mit einem Silizium-Gehalt von 6 bis 13 Gew.-%, insbesondere eine AlSi7- oder AlSilO-Legierung, verwendet, welche beim Schutzgaslöten ein besonders gutes Benetzungsvermögen im Hinblick auf die Benetzung von in nicht oxidierender Atmosphäre verbliebener Oxidschichten auf den zu lötenden Komponenten des Wärmetauschers mit Aluminiumlot aufweisen. Schließlich wird die oben hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein Aluminiumband oder -blech zur Herstellung von Wärmetauschern, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, gelöst. Wie bereits ausgeführt, weist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Aluminiumband oder -blech nach einer Kaltauslagerung nach dem Löten verbesserte Festigkeitswerte, insbesondere Dehngrenze, auf, so dass die Wandstärken der Wärmetauscher weiter reduziert werden können. Darüber hinaus kann das Schutzgaslöten mit nicht- korrosiven Flussmitteln unter Verzicht auf cäsiumhaltige Flussmittel zur Herstellung der Wärmetauscher eingesetzt werden.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Aluminiumband oder -blech eine Dicke von maximal 2 mm, insbesondere 1 mm, auf. Durch die höhere Festigkeit gegenüber konventionellen Werkstoffen kann bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Aluminiumbandes die Banddicke weiter reduziert werden und somit Material bei der Herstellung von Wärmetauschern eingespart und eine weitere Reduzierung des Gewichtes der Wärmetauscher erzielt werden. Die Betriebssicherheit des Wärmetauschers wird, selbst bei höheren Betriebsdrücken, aufgrund der höheren Festigkeit der Aluminiumlegierung dabei nicht beeinträchtigt.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die kaltaushartbare Aluminiumlegierung für Wärmetauscher gemäß der ersten Lehre der Erfindung, das Verfahren zur Herstellung eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes für Wärmetauscher gemäß der zweiten Lehre der Erfindung sowie das erfindungsgemäße Aluminiumband oder -blech zur Herstellung von Wärmetauschern gemäß der dritten Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird beispielsweise verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1, 5 und 9 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes für Wärmetauscher gemäß der zweiten Lehre der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt die einzige Figur schematisch einen Fertigungsweg zur Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes für Wärmetauscher gemäß der zweiten Lehre der Erfindung.
Der in der einzigen Figur dargestellte Fertigungsweg umfasst in einem ersten Schritt den Barrenguss 1 aus einer Aluminiumlegierung. Die Aluminiumlegierung des Ausführungsbeispiel weist dabei die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% auf
0,60% < Si < 0,70%, 0,12% < Fe < 0,30%, 0,08% < Cu < 0,20%, 0,04% < Mn < 0,08%, 0,12% < Mg < 0,30%, Cr < 0,05%, Zn < 0,05%, 0,08% < Ti < 0,20%, B < 50 ppm, unvermeidbare Begleitelemente max. 0,03%, in Summe max. 0,1% sowie als Rest Aluminium.
Der geringe Bor-Gehalt von maximal 50 pp verbessert die Recyclingfähigkeit der Aluminiumlegierung. Die aus der eben beschriebenen Aluminiumlegierung im DC-Verfahren gegossenen Walzbarren werden anschließend in einer Homogenisierungsstufe 2 homogenisiert . Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Homogenisierung des Walzbarrens wurden bei einer Temperatur von 575 °C für mehr als 6 h, insbesondere 12 h erreicht. Anschließend an die Homogenisierung werden die Walzbarren auf einem Tandem-Gerüst 3a auf eine Dicke von beispielsweise 7 mm warmgewalzt, wobei insbesondere die Endtemperatur beim Warmwalzen mehr als 300 °C, vorzugsweise 330 °C, betragen muss, um eine optimierte Gefügeausbildüng während des Warmwalzens zu gewährleisten. Alternativ kann das Warmwalzen aber auch auf einem Reversiergerüst 3 durchgeführt werden und auf einem nicht dargestellten Haspel aufgewickelt und auf das Warmwalzen im Tandem- Gerüst 3a verzichtet werden. Das sich anschließende Kaltwalzen auf eine Enddicke von etwa 1 mm erfolgt auf ein- oder mehrgerüstigen Walzen 4. Wie das Warmwalzen kann das Kaltwalzen ebenfalls alternativ auf einem Reversiergerüst reversierend erfolgen. Durch eine abschließende Weichglühung bei etwa 350 °C in einem Kammerofen 5 wird das Aluminiumband in einen Zustand möglichst geringer Festigkeit und hoher Dehnung überführt, um nachfolgende Umformarbeiten bei der Herstellung der Komponenten der Wärmetauscher zu erleichtern.
Alternativ zu dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bandes für Wärmetauscher kann der Walzbarren nach dem Homogenisieren in der Homogenisierungsstufe 2 mit einem Aluminiumlot, beispielsweise aus einer AlSi7- oder ALSilO- Legierung plattiert werden, um das nachträgliche Auftragen eines Aluminiumlotes vor dem Löten von dem aus dem erfindungsgemäßen Band hergestellten Wärmetauschern zu vermeiden. Hierzu muss der Walzbarren vor dem Warmwalzen auf eine Anwalztemperatur von mindestens 400 °C, vorzugsweise 450 °C, aufgeheizt werden. Beim Löten von aus dem erfindungsgemäßen Aluminiumband oder -blech hergestellten Wärmetauschern konnten insbesondere beim Schutzgaslöten unter Verzicht auf cäsiumhaltige Flussmittel mit Temperaturen bis 600 °C und typischen Abkühlgeschwindigkeiten von 30 °C/min von 600 °C bis 200 °C sowie einer Kaltauslagerung von ca. 30 Tagen bei Raumtemperatur nach dem Löten besonders hohe Festigkeitswerte des Wärmetauschers, insbesondere Werte für die Dehnungsgrenze von RPo,2 ≥ 65 Mpa, erzielt werden. Die Abkühlung von 200 °C auf Raumtemperatur muss dabei nicht exakt definiert erfolgen.

Claims

P AT E N T AN S P R U C H E
1. Kaltaushartbare Aluminiumlegierung für Wärmetauscher d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist:
Si < 0,7%, 0,1% < Mg < 1%, Fe < 0,3%, 0,08% < Cu < 0,2%, Ti < 0,2%, Mn < 0,1%, Cr < 0,1%, Zn < 0,1%, unvermeidbare Begleitelemente einzeln max. 0,1%, in Summe max. 0,15% sowie als Rest Aluminium.
2. Kaltaushartbare Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, d a s s die Aluminiumlegierung Si, Mg und Cu als Hauptlegierungselemente enthält.
3. Kaltaushartbare Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Summe der Legierungsanteile von Si, Mg und Cu 1,2 Gew.-% nicht übersteigt.
. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Aluminiumlegierung als Legierungsbestandteil Ti aufweist .
5. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Legierungsanteil von Mg 0 , 8 Gew.-% nicht übersteigt .
6. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Legierungsanteil von Mg 0,3 Gew.-% nicht übersteigt .
7. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Aluminiumlegierung nach der Verarbeitung und dem Löten und nach etwa 30 Tagen der Kaltauslagerung bei Raumtemperatur besonders hohe Festigkeitswerte aufweist .
8. Verfahren zur Herstellung eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes für Wärmetauscher aus einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
- ein Walzbarren im konventionellen Barren-Guss- Verfahren gegossen wird, - der Walzbarren bei 500 bis 600 °C für mehr als 6 h, insbesondere für mehr als 12 h, homogenisiert wird,
- der Walzbarren bei mindestens 400 °C, vorzugsweise 450 °C, zu einem Band warmgewalzt wird, wobei die Endtemperatur beim Warmwalzen mindestens 300 °C beträgt,
- das warmgewalzte Band auf Enddicke kaltgewalzt wird und anschließend einer Weichglühung bei mindestens 300 °C, vorzugsweise 350 °C, unterzogen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Warmwalzen und/oder das Kaltwalzen reversierend oder einsinnig auf ein- oder mehrgerüstigen Walzen erfolgt .
10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n t, d a s s der Walzbarren nach dem Homogenisieren mit einem Aluminiumlot plattiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s als Aluminiumlot eine Aluminiumlegierung mit einem Silizium-Gehalt von 6 - 13 Gew.-%, insbesondere eine AlSi7- oder AlSilO-Legierung, verwendet wird.
12. Alumihiumband oder -blech zur Herstellung von Wärmetauschern bestehend aus einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11.
13. Aluminiumband oder -blech nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Aluminiumband oder -blech eine Dicke von maximal 2 mm, vorzugsweise 1 mm, aufweist.
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