WO2005095660A1 - Warmfeste aluminiumlegierung für wärmetauscher - Google Patents

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WO2005095660A1
WO2005095660A1 PCT/EP2005/003398 EP2005003398W WO2005095660A1 WO 2005095660 A1 WO2005095660 A1 WO 2005095660A1 EP 2005003398 W EP2005003398 W EP 2005003398W WO 2005095660 A1 WO2005095660 A1 WO 2005095660A1
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WO
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strip
aluminum
sheet
heat exchangers
alloy
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PCT/EP2005/003398
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Raimund Sicking
Pascal Wagner
Manfred Mrotzek
Thomas Husse
Gerhard Berming
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Hydro Aluminium Deutschland Gmbh
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Publication date
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Priority to CA2558108A priority patent/CA2558108C/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/084—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from aluminium or aluminium alloys

Definitions

  • the invention relates to a heat-resistant aluminum alloy for heat exchangers, a method for producing an aluminum strip or sheet for heat exchangers and a corresponding aluminum strip or sheet.
  • heat exchangers consisting of aluminum or aluminum alloys are increasingly used.
  • the use of aluminum in place of the previously used non-ferrous metal heat exchanger with a comparable size and performance has nearly halved the weight of the heat exchanger.
  • the heat exchangers made of aluminum or an aluminum alloy are nowadays usually used in the motor vehicle for cooling the cooling water, oil, as a charge air cooler and in air conditioning systems.
  • Automotive heat exchangers are commonly made from aluminum strips or sheets in which the individual prefabricated components of the heat exchanger, such as fins, pipes and manifolds, are joined together by brazing.
  • alloying components are not usually included in aluminum alloys and show harmful effects in other applications than brazed heat exchangers.
  • alloying of the abovementioned alloy constituents poses a major problem with regard to the recyclability of the aluminum alloy even in the context of the EU end-of-life vehicle regulations.
  • the most frequently used methods for producing heat exchangers are, on the one hand, vacuum brazing without flux and, on the other hand, inert gas brazing with non-corrosive fluxes .
  • the previously used in the vacuum brazing of heat exchangers cold-hardening aluminum alloys such as
  • Aluminum alloys AA6063 (AlMgO, 7Si), AA6061 (AlMglSiCu) or AA6951 (AlMgO, 6SiCu) have relatively high magnesium contents and are usually soldered with sols containing high Mg, such as AA4004, in order to penetrate the vacuum during the soldering process.
  • sols containing high Mg such as AA4004, in order to penetrate the vacuum during the soldering process.
  • Getter an oxidation of the molten aluminum solder on the zu To prevent soldering components and thus to ensure a perfect solder joint without flux and on the other hand to achieve high strength values of the brazed heat exchanger in a cold aging after soldering.
  • a disadvantage of vacuum brazing is now that the maintenance of the vacuum and the purity requirements of the components to be soldered are costly.
  • inert gas soldering requires less effort under these aspects, since the soldering in a protective atmosphere of an inert protective gas, such as nitrogen, happens.
  • inert gas soldering allows up to 20% shorter soldering cycles, but the use of high magnesium content aluminum alloy, known as vacuum brazing, is not possible because magnesium reacts with the non-corrosive flux during brazing. The processability can be extended by using expensive cesium-containing fluxes up to higher Mg contents.
  • Protective gas soldering also known as CAB brazing, is the most important process for the production of heat exchangers for the automotive industry.
  • the salt bath soldering is still available, in which the components are preheated and then immersed in a salt bath.
  • the salt bath is at the same time flux and transport medium for the heat.
  • the liquid salt reacts with the oxide skin and allows the wetting reaction of the solder protected by the flux.
  • the heat exchangers are moved out of the salt bath, whereby the flow of the liquid salt must be ensured. Since the fluxes are generally hygroscopic in salt bath soldering and contain chlorides, all heat exchangers must be cleaned after salt bath soldering in a multi-stage process in order to avoid corrosion problems.
  • the aluminum alloy should have a solidus temperature of at least 620 ° C.
  • the object of the present invention is to provide an aluminum alloy and an aluminum strip or sheet which, with good recyclability, has a solidus temperature of at least 620 ° C. and at the same time an improved heat resistance after soldering. Moreover, the present invention has for its object to propose a method for producing a corresponding aluminum strip or sheet.
  • an aluminum alloy for heat exchangers in that the aluminum alloy has the following alloy constituents in% by weight:
  • the aluminum alloy according to the invention is not only characterized in that it has a solidus temperature of more than 620 ° C, it also has a particularly high heat resistance after soldering.
  • heat exchanger elements for example tubes
  • heat exchanger elements can be produced whose yield strength Rp0.2 after soldering of the heat exchangers is more than 65 MPa both at room temperature and at a test temperature of 250 ° C.
  • heat exchanger elements produced from the aluminum alloy according to the invention thus have an over 20% higher heat resistance, in particular even at temperatures up to 265 ° C.
  • the achievable heat resistance is attributed to the fact that a high secondary phase density is achieved by combining an increased Si-Mn and Cr content with the aluminum alloy according to the invention.
  • the aluminum alloy according to the invention has a more positive corrosion potential of -750 mV.
  • Elements made of the aluminum alloy according to the invention such as pipes, tube sheets, side parts or disks of a heat exchanger, allow the corrosion design of the heat exchanger to be designed so that the said elements of the heat exchanger have a high corrosion resistance.
  • the aluminum alloy according to the invention exhibits only a slight cold hardening, so that the aluminum strips or sheets consisting of the aluminum alloy according to the invention are not subject to a storage time limitation before processing or deformation before soldering.
  • the limitation of the Fe content of the aluminum alloy according to the invention to a maximum of 0.5 wt .-% improves in conjunction with the Cu content of the invention, the corrosion resistance of the aluminum alloy after soldering.
  • the near-surface layers of the core material of the aluminum alloy according to the invention deplete of copper, so that a protective potential gradient is formed for the nobler core material having a higher Cu content.
  • This behavior of the aluminum alloy during soldering is promoted by the low iron content.
  • the heat resistance of the aluminum alloy according to the invention drops significantly at a Cu content of less than 0.3 wt .-%, on exceeding the upper limit of the Cu content, however, the aluminum alloy tends to cracking hot during casting.
  • corrosion and soldering problems also arise at higher Cu contents, because the near-surface layers of the core material, despite depletion, have a relatively high Cu content.
  • the Mn content of the aluminum alloy according to the invention determines the size of the excretions.
  • the Mn content also has an influence on the heat resistance. If the lower limit of 1.1 wt .-% of manganese in the aluminum alloy according to the invention is exceeded, the heat resistance of the aluminum alloy is reduced. An increase in the manganese content above the upper limit of 1.8 wt .-%, however, leads to coarse precipitates in the structure, which adversely affect the overall forming capacity of the aluminum alloy.
  • the strength of the aluminum alloy after brazing is additionally influenced by the Mg content. A reduction of the Mg content below 0.15% results in a lack of strength of the aluminum alloy.
  • the upper limit of the Mg content to 0.6 wt .-% ensures that the aluminum alloy according to the invention with all three common soldering methods, the vacuum, CAB and Salzbadlötvon is solderable.
  • the Cr content of the aluminum alloy according to the invention of at least 0.01% by weight ensures that the aluminum alloy according to the invention has sufficient heat resistance.
  • the formability of the aluminum alloy according to the invention is ensured by the fact that the Cr content is limited to a maximum of 0.3 wt .-%, because in the case of exceeding coarse precipitates are found in the crystal structure of the aluminum alloy.
  • the Zn content of the aluminum alloy is limited to a maximum of 0.1% by weight.
  • a higher Zn content lowers the corrosion potential of the aluminum alloy, so that the aluminum alloy is, for example, too baseless with respect to Zn-free lamellae.
  • Content of at most 0.3 wt .-% ensures that no coarse precipitates are formed in the aluminum alloy, which in turn adversely affect the forming capacity of the aluminum alloy.
  • the aluminum alloy according to the invention has the following proportions of alloy constituents in% by weight:
  • the aluminum alloy according to the invention can be processed without expensive cesium-containing fluxes by the CAB brazing method, whereby the risk of cracks during solidification of the rolling ingot reduced by the Ti content and the corrosion potential is increased by the reduced Zn content.
  • a very good compromise of maximum strength after soldering and, at the same time, high solidus temperature is, according to a further embodiment of the aluminum alloy according to the invention, achieved in that the aluminum alloy has the following proportions of the alloy constituents Si, Fe and Mn in% by weight:
  • the above object is achieved by a method for producing an aluminum strip or sheet for heat exchangers
  • a method for producing an aluminum strip or sheet for heat exchangers This is achieved by casting a billet of a heat-resistant aluminum alloy according to the invention by continuous casting, preheating the billet at 400 to 500 ° C. before hot rolling, rolling the billet to a hot strip, the hot strip temperature being 250 to 380 ° C., the hot strip rolled to a hot strip thickness of 3 to 10 mm at the end of the hot rolling and the hot strip is cold rolled to final thickness.
  • an aluminum strip can be produced which has a high secondary phase density. Due to the high secondary phase density, an aluminum strip or sheet according to the invention has a high heat resistance at room temperature and at a temperature of 250 ° C.
  • the yield strength Rp0,2 of the aluminum strip is more than 65 MPa at the temperatures mentioned.
  • the rolling ingot can be homogenized before preheating. Due to the transformations that are necessary for the production of a tube plate, side part or a disc of a heat exchanger, the aluminum strip should have a maximum forming capacity before processing to one of the latter elements of a heat exchanger. This is ensured by the homogenization before the preheating of the rolling ingot. If the aluminum strip according to the invention does not have to be subjected to strong deformations before soldering, as for example in the production of tubes, it is possible to dispense with homogenization before preheating. By homogenizing before preheating Although the yield strength Rp0.2 of the yield strength Rp0.2 of the yield strength Rp0.2 of the yield strength
  • the yield strength Rp0.2 is still more than 50 MPa, especially at
  • Test temperatures of 250 ° C, so that yield strengths are achieved, which are far above those of the standard alloy AA 3003.
  • the Umformites the aluminum strip can be further increased by the hot strip is annealed at a temperature of 300 to 450 ° C.
  • the hot strip is annealed at a temperature of 300 to 450 ° C.
  • solidifications which have arisen in the aluminum strip due to deformation are largely broken down again.
  • the aforementioned process steps ensure maximum formability during cold rolling of the aluminum strip or sheet.
  • the final state of the aluminum strip is, according to a further developed embodiment of the method, adjusted by the fact that after the cold rolling, a state annealing to the final state at a temperature of 250 to 400 ° C. If the aluminum strip is used for the production of tubesheets, side panels or discs of a heat exchanger, soft annealing takes place after cold rolling. If pipes are produced from the aluminum strip, which does not require strong transformations, the aluminum strip is merely back-annealed after cold rolling.
  • Aluminum core alloy can be adjusted. For example, by plating with an aluminum solder, the process reliability when soldering the heat exchanger elements can be increased.
  • other non-solder alloy circuit boards may be mounted on the aluminum cored bars, such as anticorrosion plating.
  • an aluminum soldering board When an aluminum soldering board is used, during hot rolling, the aluminum brazing layer is cold-welded to the core ingot so that the aluminum strip has a uniform cladding layer of an aluminum braze. During soldering, this leads to particularly homogeneous and uniform solder joints between the individual elements of the heat exchanger.
  • one-sided plating with an aluminum solder it is also possible to plate or coat the other side with another aluminum alloy, for example with an aluminum alloy serving as corrosion protection.
  • Aluminum tubes for heat exchangers are plated on one or two sides as needed. The aluminum band for side panels, however, are usually plated on one side. Tube bottoms and discs of a heat exchanger, however, are mostly used plated on both sides.
  • the method according to the invention for producing an aluminum strip can, according to a next embodiment of the method according to the invention, be improved by using as aluminum solder an aluminum alloy with 6 to 13% Si, in particular an AlSi7.5 or AlSilO. Alloy is used. Due to the high Si content of the solder, the silicon diffuses from the solder into the core of the aluminum strip and there leads to the formation of a precipitation seam of AlMnSi phases, which in comparison to the core alloy a negative
  • heat exchangers can be produced with reduced wall thickness, which nevertheless meet the increased future operating requirements.
  • the aluminum strip or sheet is a pipe band, a tube bottom band, a side band or a belt band for producing a heat exchanger.
  • a pipe tape according to the invention tube bottom band, side band or disc band corresponding elements of the heat exchanger, tubes, tubesheets, side panels or slices can be made, which despite the smaller wall thickness meet all other requirements, in particular with respect to the formability before soldering and the yield strength at room and operating temperature.
  • the weight of the heat exchanger can, according to an advantageous embodiment of the aluminum strip according to the invention, be reduced in that the pipe strip has a final thickness of 0.15 to 0.6 mm, preferably 0.15 to 0.4 mm, the tube bottom strip a final thickness of 0, 8 to 2.5 mm, preferably 0.8 to 1.5 mm, the side panel tape has a final thickness of 0.8 to 1.8 mm, preferably 0.8 to 1.2 mm, or the disk tape has a final thickness of 0.3 to 1.0 mm, preferably 0.3 to 0.5 mm.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the inventive method for producing an aluminum strip
  • Fig. 2 is a perspective view of a heat exchanger for motor vehicles.
  • a first embodiment of a method according to the invention for producing an aluminum strip or sheet for heat exchangers according to the second teaching of the present invention is shown schematically.
  • Fig. 1 shows the ingot casting 1. After alloying the liquid metal, both the aluminum alloy for the core and the alloy for plating, for example, an aluminum solder are cast as ingots.
  • the plating bar is usually preheated, hot rolled to the desired thickness and split lengthwise to the board.
  • the board may also be made using alternative methods, such as by separating from a rolling billet.
  • the core ingot of an aluminum alloy according to the invention may optionally be homogenized prior to preheating, depending on the rolled product to be produced. If, for example, a tubular strip for heat exchangers is produced by the method according to the invention, however, it is also possible to dispense with homogenization prior to hot rolling, since the pipe strip is not subjected to any great deformation until the production of a tube for heat exchangers.
  • the boards needed for plating are placed on one or both sides of the core bar.
  • the resulting package of a core ingot, consisting of an aluminum alloy according to the invention, which is provided on one or two sides with sinkers, is preheated at 400 to 500 ° C before hot rolling. Subsequently, the package 4 is hot rolled in a reversing stand 5 or alternatively on a tandem stand 5a to a hot strip thickness of 3 to 10 mm.
  • the hot strip temperature during hot rolling is 250 to 380 ° C.
  • the strip After hot rolling, the strip is cold rolled on a cold roll 6.
  • the tape for example to achieve the forming properties, after hot rolling at a temperature of 300 ° C to 450 ° C are annealed.
  • This also applies to cold rolling, in which the intermediate annealing can also take place at a temperature of 300 ° C to 450 ° C before reaching the final thickness.
  • the finished cold-rolled, aluminum strip or sheet according to the invention can be subjected to a conditional annealing to the final state in a chamber furnace 7, depending on the required properties. A state annealing could also be done in a continuous furnace.
  • Fig. 2 shows a heat exchanger 8 in the tube-fin design in a perspective view.
  • the heat exchanger is constructed from a tube 9, a tube plate 10, side parts 11 and fins 12.
  • the side parts 11 and the tubesheet 10 are subjected to strong transformations before soldering, so that the aluminum strip provided for the side parts 11 and the tubesheet 10 should have correspondingly good forming properties.
  • the tubes 10 of a heat exchanger are usually produced by longitudinal seam welding.
  • the thickness of the processed during this process tube tape is between 0.15 mm and 0.6 mm, preferably 0.15 to 0.4 mm, depending on the design of the heat exchanger, the tube tape is soldered outside or on both sides.
  • An inventive aluminum strip for the tube sheet 10 typically has a thickness of 0.8 to 2.5 mm, preferably 0.8 to 1.5 mm, and is preferably in Condition "soft" produced and processed.For this purpose, the aluminum alloy according to the invention is annealed after cold rolling to the final state "soft".
  • the requirements on the formability before soldering are high in the tube bottom strip, since usually a high degree of deformation is performed, which serves for sealing and fixing, for example, a water box, collector, air connection or similar components.
  • the tube bottom band is usually plated on one side, but can also be plated on both sides.
  • the side parts 11 are produced and processed from an aluminum strip consisting of an aluminum alloy according to the invention with a wall thickness of 0.8 to 1.8 mm, preferably 0.8 to 1.2 mm, preferably in the state "soft.” As in the case of the tubesheet 10, the requirements for the forming capacity of the side parts are high.This also applies to a not shown in Figure 2 discs of a heat exchanger, which are used in heat exchangers in sliced plate type or heat exchangers in stacking disk design.
  • a high corrosion resistance is required.
  • the in-situ formation of cathodic protection against corrosion during the soldering process is made possible by the reduced iron content and copper Firstly copper diffuses from the core material into the aluminum solder layer during soldering from the areas close to the plating layer, so that a protective layer On the other hand, silicon diffuses out of the strongly silicon-containing aluminum solder into the material Core material of the aluminum strip according to the invention and there leads to a formation of a precipitation seam of AlMnSi phases. However, the AlMnSi phases have a more negative corrosion potential compared to the core alloy.
  • an aluminum strip for producing tubes for heat exchangers was produced by the method according to the invention and its heat resistance was measured.
  • the aluminum alloy of the aluminum strip produced had the following alloy composition:
  • Cu 0.4 wt.%
  • Mn 1.3 wt.%
  • Mg 0.3 wt.%
  • Ti 0.02 wt. G, unavoidable accompanying elements individually max. 0.1%, in total max. 0.15 wt .-% and the balance aluminum.
  • the hot strength was determined by measuring the yield strength.
  • the yield strength RpO, 2 was 72 MPa at a test temperature of 250 ° C.
  • Conventional aluminum alloys have significantly lower yield strengths, especially at test temperatures of 250 ° C on.
  • the yield strengths of the typically used aluminum alloys for tubes of a heat exchanger are below 65 MPa at room temperature.
  • a conventional alloy AA3003 after brazing at a temperature of 250 ° C has only a yield strength Rp0.2 of less than 40 MPa.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine warmfeste Aluminiumlegierung für Wärmetauscher, ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher sowie ein entsprechendes Aluminiumband oder -blech. Die Aufgabe, eine Aluminiumlegierung und ein Aluminiumband oder -blech zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches bei guter Recyclingfähigkeit eine Solidustemperatur von mindestens 620 °C und gleichzeitig eine verbesserte Warmfestigkeit nach dem Löten aufweist, wird für eine Aluminiumlegierung dadurch gelöst, dass die Aluminiumlegierung die folgenden Anteile an Legierungsbestandteilen in Gew.-% aufweist: 0,3 % ≤ Si ≤ 1 %, Fe ≤ 0,5 %, 0,3 % ≤ Cu ≤ 0,7 %, 1,1 % ≤ Mn ≤ 1,8 %, 0,15 % ≤ Mg ≤ 0,6 %, 0,01 % ≤ Cr ≤ 0,3 %, Zn ≤ 0,10 %, Ti ≤ 0,3 %, unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,1 %, in Summe max. 0,15 % und als Rest Aluminium.

Description

Warmfeste Aluminiumlegierung für Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft eine warmfeste Aluminiumlegierung für Wärmetauscher, ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher sowie ein entsprechendes 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. Die Wärmetauscher aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung werden heutzutage im Kraftfahrzeug zumeist zur Kühlung des Kühlwassers, Öls, als Ladeluftkühler und in Klimaanlagen eingesetzt. Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge werden üblicherweise aus Aluminiumbändern oder -blechen hergestellt, in dem 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, Korrosion hohen Betriebsdrücken, hohe Betriebstemperaturen und Temperaturwechseln einwirken, sind erheblich. Trotz der erheblichen Belastungen und steigenden Betriebsdrücken der Wärmetauscher im Kraftfahrzeug besteht weiterhin der Trend zur Gewichtseinsparung im Kraftfahrzeug und damit zu einer weiteren Wanddickenreduzierung der Wärmetauscher. Darüber hinaus ergeben sich aus den verschärften Gesetzgebungen in der EU und den USA hinsichtlich der Abgasnormen zusätzlich höhere Betriebstemperaturen, beispielsweise von Ladeluftkühlern, so dass die Anforderungen an die Warmfestigkeit der Aluminiumlegierung nach dem Löten weiter steigen. Mit den bisher eingesetzten Aluminiumlegierungen für Wärmetauscher konnten Werte hinsichtlich der die Festigkeit bestimmenden Streckgrenze Rp0,2 nur von weniger als 65 MPa, bei hohen Temperaturen von etwa 250 °C deutlich weniger als 65 MPa, nach dem Löten erreicht werden. Diese Werte für die Streckgrenze genügen vor dem Hintergrund weiterer Wandreduzierungen den zukünftigen Anforderungen an Wärmetauscher nicht mehr. Um die Warmfestigkeit von Aluminiumlegierungen zu steigern, ist es bekannt, beispielsweise die Elemente Ni , Zr oder seltene Erden in mehr oder weniger hohen Dosen der Aluminiumlegierung zu zulegieren. Diese
Legierungsbestandteile sind jedoch üblicherweise nicht in Aluminiumlegierungen enthalten und zeigen schädliche Effekte in anderen Anwendungsfällen als gelötete Wärmetauscher. Insofern stellt die Zulegierung der oben genannten Legierungsbestandteile ein großes Problem hinsichtlich der Recyclingfähigkeit der Aluminiumlegierung auch vor dem Hintergrund der EU-Altautoverordnung dar. Die am häufigsten verwandten Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern sind einerseits das Vakuumlöten ohne Flussmittel sowie andererseits das Schutzgaslöten mit nicht -korrosiven Flussmitteln. 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 und werden in der Regel mit hoch Mg- haltigen Loten, wie beispielsweise AA4004, gelötet, um einerseits beim Lötprozess im Vakuum durch „Gettern" eine Oxidation des geschmolzenen Aluminiumlots auf den zu lötenden Bauteilen zu verhindern und damit eine einwandfreie Lötverbindung ohne Flussmittel zu gewährleisten sowie um andererseits bei einer Kaltauslagerung nach dem Löten hohe Festigkeitswerte der gelöteten Wärmetauscher zu erzielen. Nachteilig beim Vakuumlöten ist nun, dass die Aufrechterhaltung des Vakuums und die Reinheitsanforderungen an die zu lötenden Bauteile kostenintensiv sind. Das alternative Schutzgaslöten erfordert zwar unter diesen Gesichtspunkten weniger Aufwand, da das Löten in einer Schutzatmosphäre aus einem inerten Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, geschieht. Ferner ermöglicht das Schutzgaslöten bis zu 20 % kürzere Lötzyklen, jedoch ist der Einsatz der vom Vakuumlöten bekannten Aluminiumlegierung mit hohen Magnesiumgehalten nicht möglich, da das Magnesium während des Lötens mit den nicht-korrosiven Flussmittel reagiert. Die Verarbeitbarkeit kann durch den Einsatz teurer cäsiumhaltiger Flussmittel bis hin zu höheren Mg-Gehalten ausgedehnt werden. Das Schutzgaslöten, auch CAB-Löten genannt, ist das wichtigste Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern für die Automobilindustrie . Daneben steht noch das Salzbadlöten zur Verfügung, bei welchem die Bauteile vorgewärmt und anschließend in ein Salzbad eingetaucht werden. Das Salzbad ist gleichzeitig Flussmittel und Transportmedium für die Wärme. Das flüssige Salz reagiert mit der Oxidhaut und ermöglicht die Benetzungsreaktion des durch das Flussmittel geschützten Lotes. Nach der Haltezeit auf Löttemperatur werden die Wärmetauscher aus dem Salzbad herausgefahren, wobei der Ablauf des flüssigen Salzes gewährleistet werden muss. Da die Flussmittel beim Salzbadlöten in der Regel hygroskopisch sind und Chloride enthalten, müssen alle Wärmetauscher nach dem Salzbadlöten in einem mehrstufigen Verfahren gereinigt werden, um Korrosionsprobleme zu vermeiden. Um ein Aufschmelzen der Aluminiumkernlegierung der zu lötenden Wärmetauscherelemente in einem der drei beschriebenen Lötverfahren zu verhindern, sollte die Aluminiumlegierung darüber hinaus eine Solidustemperatur von mindestens 620 °C aufweisen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung und ein Aluminiumband oder -blech zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches bei guter Recyclingfähigkeit eine Solidustemperatur von mindestens 620 °C und gleichzeitig eine verbesserte Warmfestigkeit nach dem Löten aufweist. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Aluminiumbandes oder -bleches vorzuschlagen .
Die oben hergeleitete Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Aluminiumlegierung für Wärmetauscher dadurch gelöst, dass die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist:
0,3 % ≤ Si < 1 % Fe < 0,5 % 0,3 % < Cu < 0,7 % 1,1 % < Mn < 1 , 8 % 0 , 15 % < Mg < 0 , 6 % 0 , 01 % ≤ Cr < 0 , 3 % Zn < 0 , 1 % Ti < 0 , 3 % unvermeidbare Begleitelemente einzeln max. 0,1 %, in Summe max. 0,15 % sowie als Rest Aluminium. Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung zeichnet sich nicht nur dadurch aus, dass sie eine Solidustemperatur von mehr als 620 °C aufweist, sie besitzt zudem eine besonders hohe Warmfestigkeit nach dem Löten. Mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung können Wärmetauscherelemente, beispielsweise Rohre, hergestellt werden, deren Streckgrenze Rp0,2 nach dem Löten der Wärmetauscher sowohl bei Raumtemperatur als auch bei einer Prüftemperatur von 250°C mehr als 65 MPa beträgt. Im Vergleich zu den üblichen Aluminiumlegierungen, insbesondere einer AA3005-Legierung, weisen aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung hergestellte Wärmetauscherelemente damit eine über 20 % höhere Warmfestigkeit, insbesondere auch bei Temperaturen bis 265 °C auf. Die erreichbare Warmfestigkeit wird darauf zurückgeführt, dass mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung eine hohe Sekundärphasendichte durch Kombination eines erhöhten Si- Mn- und Cr-Gehaltes erreicht wird. Zusätzlich hat die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung ein positiveres Korrosionspotential von -750 mV. Aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung hergestellte Elemente wie Rohre, Rohrböden, Seitenteile oder Scheiben eines Wärmetauschers ermöglichen eine Auslegung des Korrosionsdesigns des Wärmetauschers, so dass die genannten Elemente des Wärmetauschers eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Darüber hinaus zeigt die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung lediglich eine geringe Kaltaushärtung, so dass die aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung bestehenden Aluminiumbänder oder -bleche keiner Lagerzeitbeschränkung vor der Verarbeitung bzw. dem Verformen vor dem Löten unterliegen.
Nach dem Löten von Bauelementen eines Wärmetauschers aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung hat sich ferner überraschenderweise herausgestellt, dass trotz des erhöhten Cu-Gehaltes eine gute Korrosionsbeständigkeit erzielt wird.
Der Legierungsanteil des Legierungsbestandteils Si von 0,3 bis 1,0 Gew.-% führt in Kombination mit den Legierungsanteilen der übrigen Legierungsbestandteile dazu, dass die Festigkeit der Aluminiumlegierung nach dem Löten ausreichend hoch ist und gleichzeitig der Schmelzpunkt nicht absinkt. Wird dieser Bereich des Si- Gehaltes verlassen, so wird bei Unterschreitung der Untergrenze des Si-Gehaltes die Festigkeit der Aluminiumlegierung nach dem Löten zu gering und beim Überschreiten der Obergrenze des Si-Gehaltes verringert sich die Solidustemperatur auf einen Wert unter 620 °C. Die Beschränkung des Fe-Gehaltes der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung auf maximal 0,5 Gew.-% verbessert in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Cu-Gehalt die Korrosionsbeständigkeit der Aluminiumlegierung nach dem Löten. Beim Löten verarmen die oberflächennahen Schichten des Kernmaterials aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung an Kupfer, so dass sich ein schützender Potentialgradient zum edleren Kernmaterial mit höherem Cu-Gehalt ausbildet. Dieses Verhalten der Aluminiumlegierung beim Löten wird durch den geringen Eisengehalt gefördert. Die Warmfestigkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung sinkt bei einem Cu- Gehalt von weniger 0,3 Gew.-% deutlich ab, bei Überschreitung der Obergrenze des Cu-Gehaltes neigt die Aluminiumlegierung dagegen zu Warmrissigkeit beim Gießen. Darüber hinaus ergeben sich auch Korrosions- und Lötprobleme bei höheren Cu-Gehalten, dadurch dass die oberflächennahen Schichten des Kernmaterials, trotz Verarmung, einen relativ hohen Cu-Gehalt aufweisen. Der Mn-Gehalt der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung bestimmt einerseits die Größe der Ausscheidungen. Andererseits hat der Mn-Gehalt auch Einfluss auf die Warmfestigkeit. Wird der untere Grenzwert von 1,1 Gew.-% an Mangan in der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung unterschritten, verringert sich die Warmfestigkeit der Aluminiumlegierung. Eine Erhöhung des Mangangehaltes oberhalb der Obergrenze von 1,8 Gew.-% führt dagegen zu groben Ausscheidungen im Gefüge, welche insgesamt das Umformvermögen der Aluminiumlegierung negativ beeinträchtigen. Die Festigkeit der Aluminiumlegierung nach dem Löten wird zusätzlich durch den Mg-Gehalt beeinflusst. Eine Verringerung des Mg-Gehaltes unterhalb von 0,15 % führt zu einer mangelnden Festigkeit der Aluminiumlegierung. Durch die Obergrenze des Mg-Gehaltes auf 0,6 Gew.-% wird gewährleistet, dass die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung mit allen drei gängigen Lötverfahren, dem Vakuum-, CAB- und Salzbadlötverfahren, lötfähig ist. Der erfindungsgemäße Cr-Gehalt der Aluminiumlegierung von mindestens 0,01 Gew.-% stellt einerseits sicher, dass die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung eine ausreichende Warmfestigkeit aufweist. Andererseits wird die Umformbarkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung dadurch gewährleistet, dass der Cr-Gehalt auf maximal 0,3 Gew.-% beschränkt ist, weil im Falle der Überschreitung grobe Ausscheidungen im Kristallgefüge der Aluminiumlegierung zu finden sind. Damit die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung ideal zur Herstellung von Rohrband, Rohrbodenband, Seitenteilband und Scheibenband geeignet ist, wird der Zn-Gehalt der Aluminiumlegierung auf maximal 0,1 Gew.-% beschränkt. Ein höherer Zn-Gehalt lässt das Korrosionspotential der Aluminiumlegierung sinken, so dass die Aluminiumlegierung, beispielsweise zu unedel gegenüber Zn-freien Lamellen ist. Schließlich wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ti- Gehaltes von maximal 0,3 Gew.-% gewährleistet, dass keine groben Ausscheidungen in der Aluminiumlegierung gebildet werden, die wiederum das Umformvermögen der Aluminiumlegierung negativ beeinflussen.
Weist die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausfuhrungsform, die folgenden Anteile an Legierungsbestandteilen in Gew.-% auf:
0,15 % < Mg < 0,3 % Zn < 0,05 % 0, 01 % < Ti < 0,3 %,
kann die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung ohne teure cäsiumhaltige Flussmittel nach dem CAB-Lötverfahren verarbeitet werden, wobei gleichzeitig durch den Ti-Gehalt die Gefahr von Rissen beim Erstarren des Walzbarrens verringert und durch den verringerten Zn-Gehalt das Korrosionspotential vergrößert wird.
Einen sehr guten Kompromiss aus maximaler Festigkeit nach dem Löten und gleichzeitig hoher Solidustemperatur wird, gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung, dadurch erreicht, dass die Aluminiumlegierung folgende Anteile der Legierungsbestandteile Si, Fe und Mn in Gew.-% aufweist:
0,5 % < Si < 0,8 %, Fe < 0,35 %, l,l % ≤ Mn < l,5 % .
Gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher dadurch gelöst, dass ein Walzbarren aus einer erfindungsgemäßen warmfesten Aluminiumlegierung im Stranggussverfahren gegossen wird, der Walzbarren vor dem Warmwalzen bei 400 bis 500 °C vorgewärmt wird, der Walzbarren zu einem Warmband gewalzt wird, wobei die Warmbandtemperatur 250 bis 380 °C beträgt, das Warmband auf eine Warmbanddicke von 3 bis 10 mm am Ende des Warmwalzens gewalzt wird und das Warmband auf Enddicke kaltgewalzt wird. Durch Kombination der beschriebenen Verfahrensmerkmale zur Herstellung eines Aluminiumbandes in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung kann ein Aluminiumband hergestellt werden, welches eine hohe Sekundärphasendichte aufweist. Aufgrund der hohen Sekundärphasendichte weist ein erfindungsgemäßes Aluminiumband oder -blech bei Raumtemperatur und bei einer Temperatur von 250 °C eine hohe Warmfestigkeit auf. Die Streckgrenze Rp0,2 des Aluminiumbandes beträgt mehr als 65 MPa bei den genannten Temperaturen.
Soll das erfindungsgemäße Aluminiumband oder -blech ein Seitenteilband, Scheibenband oder Rohrbodenband sein, so kann, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausfuhrungsform der Erfindung, der Walzbarren vor dem Vorwärmen homogenisiert werden. Aufgrund der Umformungen, welche zur Herstellung eines Rohrbodens, Seitenteils oder einer Scheibe eines Wärmetauschers notwendig sind, sollte das Aluminiumband vor der Verarbeitung zu einem der letztgenannten Elemente eines Wärmetauschers ein maximales Umformvermögen aufweisen. Dieses wird durch die Homogenisierung vor dem Vorwärmen des Walzbarrens gewährleistet. Sofern das erfindungsgemäße Aluminiumband keinen starken Umformungen vor dem Löten unterzogen werden muss, wie beispielsweise bei der Herstellung von Rohren, kann auf eine Homogenisierung vor dem Vorwärmen verzichtet werden. Durch die Homogenisierung vor dem Vorwärmen verringert sich zwar die Streckgrenze Rp0,2 des
Aluminiumbandes. Allerdings beträgt die Streckgrenze Rp0,2 immer noch mehr als 50 MPa, insbesondere auch bei
Prüftemperaturen von 250 °C, so dass Streckgrenzen erzielt werden, die weit über denen der Standard-Legierung AA 3003 liegen.
Das Umformvermögen des Aluminiumbandes kann dadurch weiter gesteigert werden, dass das Warmband bei einer Temperatur von 300 bis 450 °C zwischengeglüht wird. Alternativ oder kumulativ hierzu besteht die Möglichkeit das Aluminiumband beim Kaltwalzen vor Erreichen der Enddicke bei einer Temperatur von 300 bis 450 °C zwischenzuglühen. Durch die Zwischenglühungen werden Verfestigungen, die im Aluminiumband aufgrund von Umformungen entstanden sind, weitestgehend wieder abgebaut . Die zuvor genannten Verfahrensschritte stellen ein maximales Umformvermögen beim Kaltwalzen des Aluminiumbandes oder -bleches sicher.
Der Endzustand des Aluminiumbandes wird, gemäß einer weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, dadurch eingestellt, dass nach dem Kaltwalzen eine Zustandsglühung auf den Endzustand bei einer Temperatur von 250 bis 400 °C erfolgt. Wird das Aluminiumband für die Herstellung von Rohrböden, Seitenteilen oder Scheiben eines Wärmetauschers verwendet, erfolgt nach dem Kaltwalzen ein Weichglühen. Werden Rohre aus dem Aluminiumband hergestellt, welches keine starken Umformungen erfordert, wird das Aluminiumband nach dem Kaltwalzen lediglich rückgeglüht.
Gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Vorwärmen der Walzbarren ein- oder zweiseitig mit Platinen aus einer anderen Legierung versehen. Damit können die Eigenschaften der mit einer Platine versehenen, plattierten Seite des Kernbarrens nahezu unabhängig von der
Aluminiumkernlegierung eingestellt werden. Beispielsweise kann durch Plattieren mit einem Aluminiumlot die Prozesssicherheit beim Löten der Wärmetauscherelemente gesteigert werden. Daneben können auch andere Platinen aus Nicht -Lotlegierungen auf den Aluminiumkernbarren angebracht werden, beispielsweise Korrosionsschutz - Plattierungen. Wird eine Platine aus Aluminiumlot verwendet, wird beim Warmwalzen die Aluminiumlotschicht mit dem Kernbarren kalt verschweißt, so dass das Aluminiumband eine gleichmäßige Plattierschicht eines Aluminiumlotes aufweist. Dies führt beim Löten zu besonders homogenen und gleichmäßigen Lötverbindungen zwischen den einzelnen Elementen des Wärmetauschers. Bei einseitiger Plattierung mit einem Aluminiumlot besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die andere Seite mit einer anderen Aluminiumlegierung, beispielsweise mit einer als Korrosionsschutz dienenden Aluminiumlegierung, zu plattieren oder zu beschichten. Aluminiumrohre für Wärmetauscher werden je nach Bedarf ein- oder zweiseitig plattiert. Das Aluminiumband für Seitenteile werden dagegen normalerweise einseitig plattiert. Rohrböden und Scheiben eines Wärmetauschers werden dagegen zumeist zweiseitig plattiert verwendet.
Denkbar ist auch die Anwendung anderer alternativer Lotapplikationsverfahren in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Aluminiumband.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes kann, gemäß einer nächsten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, dadurch verbessert werden, dass als Aluminiumlot eine Aluminiumlegierung mit 6 bis 13 % Si, insbesondere eine AlSi7,5- oder AlSilO- Legierung verwendet wird. Aufgrund des hohen Si-Gehaltes des Lotes diffundiert das Silizium aus dem Lot in den Kern des Aluminiumbandes hinein und führt dort zur Ausbildung eines Ausscheidungssaumes aus AlMnSi -Phasen, die im Vergleich zur Kernlegierung ein negatives
Korrosionspotential aufweisen. Bei einem Korrosionsangriff auf ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aluminiumbandes entwickelt sich die Korrosion daher entlang der Länge des Aluminiumbandes bzw. entlang des Ausscheidungssaumes. Der Kern des Aluminiumbandes bleibt korrosionsfrei und eine Perforation, beispielsweise eines aus einer entsprechenden Aluminiumlegierung hergestellten Rohres, kann somit vermieden werden. Die genannten Aluminiumlegierung mit 6 bis 13 Gew.-% Si, welche als Aluminiumlot verwendet werden, können neben Si auch weitere Elemente, beispielsweise 0,5 - 2 Gew.-% Zn, enthalten.
Wird das Aluminiumband beim Kaltwalzen auf eine Enddicke von 0,1 bis 2 mm kaltgewalzt, können Wärmetauscher mit verringerter Wandstärke hergestellt werden, welche trotzdem den gesteigerten zukünftigen Betriebsanforderungen genügen.
Die oben hergeleitete Aufgabe wird ferner gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein Aluminiumband oder -blech aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung dadurch gelöst, dass das Aluminiumband oder -blech nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
Vorzugsweise ist das Aluminiumband oder -blech ein Rohrband, ein Rohrbodenband, ein Seitenteilband oder ein Scheibenband zur Herstellung eines Wärmetauschers. Mit dem erfindungsgemäßen Rohrband, Rohrbodenband, Seitenteilband oder Scheibenband können entsprechende Elemente des Wärmetauschers, Rohre, Rohrböden, Seitenteile oder Scheiben hergestellt werden, welche trotz der geringeren Wandstärke allen übrigen Anforderungen, insbesondere hinsichtlich des Umformvermögen vor dem Löten und der Streckgrenze bei Raum- und Betriebstemperatur genügen.
Das Gewicht der Wärmetauscher kann, gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aluminiumbandes, dadurch reduziert werden, dass das Rohrband eine Enddicke von 0,15 bis 0,6 mm, vorzugsweise 0,15 bis 0,4 mm, das Rohrbodenband eine Enddicke von 0,8 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,5 mm, das Seitenteilband eine Enddicke von 0,8 bis 1,8 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,2 mm oder das Scheibenband eine Enddicke von 0,3 bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,5 mm aufweist .
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes für Wärmetauscher sowie das Aluminiumband weiterzubilden und auszugestalten. Hierzu wird einerseits verwiesen auf die den unabhängigen Patentansprüchen 1, 4 und 12 nachgeordneten Patentansprüchen sowie auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumbandes und
Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht einen Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge. In Fig. 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher gemäß der zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung dargestellt. In einem ersten Schritt zeigt die Fig. 1 den Barrenguss 1. Nach dem Legieren des flüssigen Metalls werden sowohl die Aluminiumlegierung für den Kern als auch die Legierung zum Plattieren, beispielsweise ein Aluminiumlot als Barren gegossen. Der Plattierbarren wird üblicherweise vorgewärmt, bis zur gewünschten Dicke warmgewalzt und der Länge nach zur Platine geteilt. Allerdings kann die Platine auch unter Anwendung alternativer Verfahren, beispielsweise durch Abtrennen von einem Walzbarren, hergestellt werden. Der Kernbarren aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung kann optional abhängig vom zu fertigenden Walzprodukt vor dem Vorwärmen homogenisiert werden. Wird beispielsweise ein Rohrband für Wärmetauscher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, kann jedoch auch auf eine Homogenisierung vor dem Warmwalzen verzichtet werden, da das Rohrband bis zur Herstellung eines Rohres für Wärmetauscher keinen großen Umformungen ausgesetzt ist. Die zum Plattieren benötigten Platinen werden auf eine oder beide Seiten des Kernbarrens aufgelegt. Das resultierende Paket aus einem Kernbarren, bestehend aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung, welcher ein- oder zweiseitig mit Platinen versehen ist, wird vor dem Warmwalzen bei 400 bis 500 °C vorgewärmt. Anschließend wird das Paket 4 in einem Reversiergerüst 5 oder alternativ auf einem Tandemgerüst 5a auf eine Warmbanddicke von 3 bis 10 mm warmgewalzt. Die Warmbandtemperatur beträgt beim Warmwalzen 250 bis 380 °C.
Nach dem Warmwalzen wird das Band auf einer Kaltwalze 6 kaltgewalzt. Erfindungsgemäß kann das Band, beispielsweise um die Umformeigenschaften zu erzielen, nach dem Warmwalzen bei einer Temperatur von 300 °C bis 450 °C zwischengeglüht werden. Dies gilt auch für das Kaltwalzen, bei welchem die Zwischenglühung vor Erreichen der Enddicke ebenfalls bei einer Temperatur von 300 °C bis 450 °C stattfinden kann. Das fertig kaltgewalzte, erfindungsgemäße Aluminiumband oder -blech kann abhängig von den geforderten Eigenschaften einer Zustandsglühung auf den Endzustand in einem Kammerofen 7 unterzogen werden. Eine Zustandsglühung könnte aber auch in einem Durchlaufofen erfolgen.
Fig. 2 zeigt einen Wärmetauscher 8 im Rohr-Lamellen-Design in einer perspektivischen Ansicht. Zu erkennen ist, dass der Wärmetauscher aus einem Rohr 9, einem Rohrboden 10, Seitenteilen 11 sowie Lamellen 12 aufgebaut ist. Die Seitenteile 11 sowie der Rohrboden 10 werden vor dem Löten starken Umformungen unterworfen, so dass das für die Seitenteile 11 und den Rohrboden 10 vorgesehene Aluminiumband entsprechend gute Umformeigenschaften aufweisen sollte. Die Rohre 10 eines Wärmetauschers werden in der Regel durch Längsnahtschweißung hergestellt. Die Dicke des dabei verarbeiteten Rohrbandes beträgt zwischen 0,15 mm und 0,6 mm, vorzugsweise 0,15 bis 0,4 mm, wobei je nach Bauart des Wärmetauschers das Rohrband außen oder beidseitig lotplattiert wird. Die Anforderungen an das Umformvermögen für ein Rohrband sind eher gering, da es vor dem Löten nur einfach umgeformt wird. Nach dem Löten ist die Festigkeit bzw. die Warmfestigkeit des Rohres von entscheidender Bedeutung, da in den Rohren geführte Betriebsmittel unter hohen Betriebsdrücken stehen und das Rohr zum Teil hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt ist. Ein erfindungsgemäßes Aluminiumband für den Rohrboden 10 weist typischerweise eine Dicke von 0,8 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,5 mm auf und wird vorzugsweise im Zustand „weich" hergestellt und verarbeitet. Hierzu wird die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung nach dem Kaltwalzen auf den Endzustand „weich" geglüht. Die Anforderungen an das Umformvermögen vor dem Löten sind bei dem Rohrbodenband hoch, da in der Regel eine Umformung mit hohem Umformgrad durchgeführt wird, die dem Abdichten und Befestigen, beispielsweise eines Wasserkastens, Sammlers, Luftanschlusses oder ähnlicher Bauteile dient. Das Rohrbodenband wird normalerweise einseitig plattiert, kann jedoch auch beidseitig plattiert sein. Aus
Korrosionsschutzgründen kann der Rohrboden 10 wie auch das Rohr 9 eine andere Aluminiumlegierung als
Schutzplattierung aufweisen, um noch korrosionsbeständiger zu sein. Die Seitenteile 11 werden aus einem Aluminiumband, bestehend aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung mit einer Wandstärke von 0,8 bis 1,8 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,2 mm vorzugsweise im Zustand „weich" hergestellt und verarbeitet. Ebenso wie bei dem Rohrboden 10 sind die Anforderungen an das Umformvermögen der Seitenteile hoch. Dies gilt auch für eine in der Figur 2 nicht dargestellte Scheiben eines Wärmetauschers, die bei Wärmetauschern in Scheiben-Lamellen-Bauart oder Wärmetauscher in Stapelscheiben-Bauart Verwendung finden.
Neben hohen Festigkeitswerten der Aluminiumlegierung wird insbesondere eine hohe Korrosionsbeständigkeit gefordert. Bei einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung wird durch den reduzierten Eisengehalt und erhöhten Kupfergehalt eine „in-situ-Ausbildung" eines kathodischen Korrosionsschutzes während des Lötprozesses ermöglicht. Zunächst diffundiert Kupfer beim Löten aus den der Plattierschicht nahen Bereiche aus dem Kernmaterial in die Aluminiumlotschicht, so dass ein schützender Potentialgradient zum edleren Kernmaterial hin entsteht. Zum anderen diffundiert aus dem stark siliziumhaltigen Aluminiumlot Silizium in das Kernmaterial des erfindungsgemäßen Aluminiumbandes und führt dort zu einer Ausbildung eines Ausscheidungssaumes aus AlMnSi-Phasen. Die AlMnSi-Phasen haben allerdings im Vergleich zur Kernlegierung ein negativeres Korrosionspotential. Kommt es zu einem Korrosionsangriff auf ein gelötetes Rohr, welches aus einem erfindungsgemäßen Aluminiumband hergestellt ist, wird die Korrosion aufgrund des Ausscheidungssaumes sich zunächst entlang der Länge des Rohres weiterentwickeln und nicht in das Kernmaterial eindringen, so dass eine Perforation des Rohres verhindert werden kann.
Schließlich wurde gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Aluminiumband zur Herstellung von Rohren für Wärmetauschern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und dessen Warmfestigkeit gemessen. Die Aluminiumlegierung des hergestellten Aluminiumbandes wies dabei folgende LegierungsZusammensetzung auf:
Si = 0,6 Gew. Fe = 0,3 Gew. — o , Cu = 0,4 Gew. -%, Mn = 1,3 Gew. -%, Mg = 0,3 Gew. -%, Cr = 0,1 Gew. Zn = 0,01 Gew. -%, Ti = 0,02 Gew. g, unvermeidbare Begleitelemente einzeln max. 0,1 %, in Summe max. 0,15 Gew.-% und als Rest Aluminium.
Nach dem Löten wurde durch Messung der Streckgrenze die Warmfestigkeit bestimmt. Die Streckgrenze RpO , 2 betrug 72 MPa bei einer Prüftemperatur von 250 °C. Konventionelle Aluminiumlegierungen weisen deutlich geringere Streckgrenzen, insbesondere bei Prüftemperaturen von 250 °C, auf. Die Streckgrenzen der typischerweise verwendeten Aluminiumlegierungen für Rohre eines Wärmetauschers liegen bei Raumtemperatur unterhalb von 65 MPa. Beispielsweise weist eine konventionelle Legierung AA3003 nach dem Löten bei einer Temperatur von 250°C lediglich eine Streckgrenze Rp0,2 von unter 40 MPa auf. Durch den Zugewinn an Warmfestigkeit besteht daher mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung und dem erfindungsgemäßen Aluminiumband die Möglichkeit, die Wandstärken der Rohre, Rohrboden, Seitenteile und Scheiben eines Wärmtauschers weiter zu reduzieren, ohne die Betriebssicherheit der Wärmetauscher zu gefährden.

Claims

Patentansprüche
Warmfeste 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 Anteile an Legierungsbestandteilen in Gew.-% aufweist:
0,3 % < Si ≤ 1 % Fe < 0,5 % 0,3 % < Cu < 0,7 % 1,1 % < Mn < 1 , 8 % 0,15 % < Mg < 0,6 % 0,01 % < Cr < 0,3 % Zn < 0,10 % Ti < 0,3 % unvermeidbare Begleitelemente einzeln max. 0,1 %, in Summe max. 0,15 % und als Rest Aluminium.
Aluminiumlegierung für Wärmetauscher nach Anspruch 1, 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 Anteile an Legierungsbestandteilen in Gew.-% aufweist:
0,15 % ≤ Mg ≤ 0,3 % Zn < 0, 05 % 0, 01 % < Ti < 0,3 %,
3. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 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 Aluminiumlegierung folgende Anteile der Legierungsbestandteile Si, Fe, Mn in Gew.-% aufweist:
0,5 % < Si < 0,8 %, Fe < 0,35 %, 1,1 % < Mn < 1 , 5 % .
4. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher aus einer warmfesten 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 ein Walzbarren im Stranggussverfahren gegossen wird, der Walzbarren vor dem Warmwalzen bei 400 bis 500 °C vorgewärmt wird, der Walzbarren zu einem Warmband gewalzt wird, wobei die Warmbandtemperatur 250 bis 380 °C und die Warmbanddicke am Ende des Warmwalzens 3 bis 10 mm beträgt und das Warmband auf Enddicke kaltgewalzt wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher nach Anspruch 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 vor dem Vorwärmen der Walzbarren homogenisiert wird.
6. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 oder 5, 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 Warmband bei einer Temperatur von 300 bis 450 °C zwischengeglüht wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 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 das Aluminiumband beim Kaltwalzen vor dem Erreichen der Enddicke bei einer Temperatur von 300 bis 450 °C zwischengeglüht wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 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 nach dem Kaltwalzen eine Zustandsglühung auf den Endzustand bei 250 bis 400 °C erfolgt.
9. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 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 der Walzbarren vor dem Vorwärmen ein- oder zweiseitig mit Platinen aus einer anderen Legierung versehen wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher nach Anspruch 9, 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 Platinen aus einer Lotlegierung bestehen und als Lotlegierung ein Aluminiumlot, insbesondere eine Aluminiumlegierung mit 6 bis 13 Gew.-% Si, vorzugsweise eine AlSi7,5- oder AlSilO-Legierung verwendet wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes oder -bleches für Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 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 das Warmband auf eine Enddicke von 0,1 bis 2 , 0 mm kaltgewalzt wird.
12. Aluminiumband oder -blech aus einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 4 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 ein Rohrband, ein Rohrbodenband, ein Seitenteilband oder ein Scheibenband zur Herstellung eines Wärmetauschers ist.
14. Aluminiumband oder -blech nach Anspruch 13, 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 Rohrband eine Enddicke von 0,15 bis 0,6 mm, vorzugsweise 0,15 bis 0,4 mm, das Rohrbodenband eine Enddicke von 0,8 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,5 mm oder das Seitenteilband eine Dicke von 0,8 bis 1,8 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,2 mm oder das Scheibenband eine Enddicke von 0,3 bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,5 mm aufweist.
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