DE1198168B

DE1198168B - Composite material made of aluminum alloys for structural or apparatus parts, especially a hot water tank

Info

Publication number: DE1198168B
Application number: DEA34465A
Authority: DE
Inventors: David George Vandenburgh
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Alcoa Corp
Priority date: 1959-04-21
Filing date: 1960-04-19
Publication date: 1965-08-05

Description

Verbundwerkstoff aus Aluminiumlegierungen für Bau- oder Apparateteile, insbesondere eines Heißwasserbehälters Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundwerkstoff für Bau- oder Apparateteile, insbesondere eines Heißwasserbehälters, mit hoher Korrosionsbeständigkeit gegen heißes Wasser.Composite material made of aluminum alloys for structural or apparatus parts, in particular a hot water tank. The invention relates to a composite material For structural or apparatus parts, especially a hot water tank, with high corrosion resistance against hot water.

Für die Herstellung von Lagerbehältern und von Rohren zum Fortleiten von Wasser bei gewöhnlichen Temperaturen eigneten sich zwar allgemein Aluminium und seine Legierungen; sie erwiesen sich jedoch in wasserführenden Systemen über 60°C unerwartet als erheblich korrodiert. Heißes Wasser verändert anscheinend die Oberfläche von derartigen Werkstoffen und macht sie anfälliger für die Korrosion. Nach der elektrochemischen Korrosionstheorie ergeben in einer Aluminiumlegierung einige Partikeln mit einem höheren Elektrodenpotential als das Ummantelungsmetall eine winzig kleine Zelle, wobei der Strom von der anodischen oder Hochpotentialkomponenten zu den umgebenden Bereichen niedrigen Potentials oder kathodischen Bereichen in Gegenwart eines Elektrolyten, wie Wasser, fließt; die Potentialdifferenz zwischen den Partikeln und dem Grundmaterial scheint durch heißes Wasser vergrößert zu werden.For the production of storage containers and pipes for forwarding of water at ordinary temperatures, aluminum is generally suitable and its alloys; however, they were found to be used in water-bearing systems 60 ° C unexpectedly as severely corroded. Hot water apparently changes that Surface of such materials and makes them more susceptible to corrosion. According to the electrochemical corrosion theory, results in an aluminum alloy some particles with a higher electrode potential than the cladding metal a tiny little cell, where the current comes from the anodic or high potential components to the surrounding areas of low potential or cathodic areas in Presence of an electrolyte, such as water, flows; the potential difference between the particles and the base material appear to be enlarged by hot water.

Als sehr zweckdienlich erweist sich zum Schützen eines aus Aluminiumlegierungen bestehenden Bau-oder Apparateteiles gegen Korrosion das Aufplattieren einer dünnen Lage von einer unterschiedlichen Aluminiumlegierung mit einem höheren Elektrodenpotential, d. h. einer solchen, die gegenüber der Legierung des Konstruktionsbauteiles anodisch ist. Diese Plattierung wird beim Aussetzen des für die Herstellung von Gegenständen benutzten Verbundwerkstoffes einem korrodierenden Medium bevorzugt angegriffen und allmählich aufgezehrt, wobei im wesentlichen ein Angreifen des kathodischen Bau-oder Kernteiles verhindert wird. Ein derartiger elektrischer Schutz ist besonders vorteilhaft an den Kanten eines Bleches oder einer Platte oder dort, wo die Plattierung durchlöchert und dabei der Grundwerkstoff oder das Kernmetall freigelegt wird. Nach Feststellung sind aber einige herkömmliche, als Plattierwerkstoff dienende Legierungen weniger wirksam in Gegenwart heißen Wassers, als dies aus ihrem Verhalten in Berührung mit diesem bei Raumtemperatur zu erwarten war. Dieses Versagen des Plattierwerkstoffes im Schützen eines Grundwerkstoffes oder Kernmetalls zeigt sich an den Stellen der Durchlöcherungen der Plattierung; anstatt einer normalerweise erwarteten Verhinderung der Durchdringung des aus dem Grundwerkstoff bestehenden Teiles durch seitliche Vergrößerung des eingefressenen Loches wird dieses immer tiefer. Ein derartiges Verhalten ist aber bei einem für Heißwasserrohr- oder Behälterwände benutzten Verbundwerkstoff selbstverständlich unerwünscht, da hierbei in extremen Fällen die Wandungen abgeschwächt und schließlich sogar durchlöchert werden können; dies läßt sich so erklären, daß die Plattierung ein Anodischwerden der Grundwerkstofflegierung nicht zu verhindern vermag.Proven to be very useful for protecting one made of aluminum alloys existing structural or apparatus part against corrosion the plating of a thin Location of a different aluminum alloy with a higher electrode potential, d. H. one that is anodic to the alloy of the structural component is. This plating is used when exposing for the manufacture of objects The composite material used is preferably attacked by a corrosive medium and gradually consumed, essentially attacking the cathodic construction or Core part is prevented. Such electrical protection is particularly advantageous on the edges of a sheet or plate or where the cladding perforates and thereby the base material or the core metal is exposed. After finding however, some conventional alloys used as cladding material are less so effective in the presence of hot water than this from their behavior in contact with this was to be expected at room temperature. This failure of the cladding material in protecting a base material or core metal is shown in the places of the Plating perforations; rather than a normally expected prevention the penetration of the part consisting of the base material through lateral Enlargement of the eroded hole, it becomes deeper and deeper. Such a thing Behavior is however with a composite material used for hot water pipe or container walls Obviously undesirable because in extreme cases the walls are weakened and ultimately can even be perforated; this can be explained by the fact that the plating does not prevent the base alloy from becoming anodic able.

Bei der Konstruktion eines Behälters besteht aber nicht nur das Problem einer Korrosionsverhinderung, sondern auch dasjenige für Erstellen einer dauerhaften und starken, aber nichtkostspieligen Legierung. Eine Aluminium-Magnesium-Legierung entspricht für viele Zwecke im kalgewalzten Zustand den erheblichen Anforderungen unter höchsten Korrosionsbeanspruchungen, die Plattierung muß sich aber gegenüber dem Grundwerkstoff anodisch verhalten. Bekannt hierfür war ein aus einem Verbundwerkstoff gefertigtes Erzeugnis aus einem Kernmaterial oder Grundwerkstoff, bestehend aus 10/0 Magnesium, 1,2 °/o Mangan, Rest Aluminium, und aus einem Plattierwerkstoff aus einer Legierung mit nominell 10/0 Zink, Rest Aluminium und 0,4 bis 0,7 °/o Verunreinigungen. Dieser Verbundwerkstoff eignete sich zwar gut bei vielen Anlagen zur Handhabung heißen Wassers im Hause oder in der Industrie, verhielt sich aber infolge übermäßiger Anfälligkeit zu Korrosion auf anderen Gebieten nicht zufriedenstellend und besaß auch weiterhin nicht das erwünschte Fertigkeitsniveau für einige Konstruktionen. Zur Behebung dieses Nachteiles wurde eine Legierung aus im wesentlichen 2 bis 4°/o Magnesium, 0,5 bis 10/0 Mangan, Rest Aluminium, empfohlen. Eine solche Legierung besitzt im kaltgewalzten Zustande eine Zugfestigkeit von 3080 kg/cms und eine Streckgrenze von 2450 kg/cmg; diese Werte liegen beträchtlich über den Festigkeitswerten für die obengenannten handelsgängigen Produkte.In constructing a container, however, there is not only a problem of preventing corrosion but also that of making a durable and strong but inexpensive alloy. For many purposes, an aluminum-magnesium alloy in the cold-rolled state corresponds to the considerable requirements under the highest corrosion stresses, but the cladding must behave anodically in relation to the base material. Known for this was a product made from a composite material from a core material or base material, consisting of 10/0 magnesium, 1.2% manganese, the remainder aluminum, and a cladding material made of an alloy with nominally 10/0 zinc, the remainder aluminum and 0.4 to 0.7% impurities. While this composite worked well in many domestic or industrial hot water handling systems, it did not perform well in other areas due to its excessive susceptibility to corrosion, and it still did not have the desired skill level for some constructions. To remedy this disadvantage, an alloy consisting essentially of 2 to 4% magnesium, 0.5 to 10/0 manganese, the remainder aluminum, was recommended. Such an alloy has, in the cold-rolled state, a tensile strength of 3080 kg / cms and a yield strength of 2450 kg / cmg; these values are considerably higher than the strength values for the above-mentioned commercial products.

Aber auch diese an sich feste Legierung gewährleistete nicht einen ausreichenden kathodischen Schutz für den Verbundwerkstoff, weil die Plattierung für Erzielung struktureller Vorteile ein höheres Elektrodenpotential als bisher üblich aufweisen muß.But even this solid alloy did not guarantee one adequate cathodic protection for the composite because the plating a higher electrode potential than before to achieve structural advantages must usually have.

Daher ist Ziel der Erfindung die Herstellung eines für Bau- und Apparateteile geeigneten Verbundwerkstoffes, insbesondere für einen Heißwasserbehälter, mit hoher Festigkeit wie auch Korrosionsbeständigkeit. Er besteht aus einer Aluminium-Mangan-Magnesium-Legierung als Grundwerkstoff und einer Aluminium-Zink-Legierung als Plattierwerkstoff und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff aus einer Legierung mit im wesentlichen 2 bis 4 Gewichtsprozent Magnesium, 0,5 bis 1 Gewichtsprozent Mangan, Rest Aluminium, besteht, wobei Zink nur als Verunreinigung in einer Menge von weniger als 0,035 Gewichtsprozent enthalten ist und der Plattierwerkstoff aus einer Legierung mit im wesentlichen 1 bis 4 Gewichtsprozent Magnesium, 0,5 bis 2 Gewichtsprozent Zink, Rest Aluminium, besteht und nicht mehr als insgesamt 0,15 Gewichtsprozent an Verunreinigungen enthält.Therefore, the aim of the invention is to produce one for structural and apparatus parts suitable composite material, especially for a hot water tank, with high Strength as well as corrosion resistance. It consists of an aluminum-manganese-magnesium alloy as the base material and an aluminum-zinc alloy as the cladding material and is characterized in that the base material consists of an alloy with essentially 2 to 4 percent by weight magnesium, 0.5 to 1 percent by weight manganese, the remainder aluminum, with zinc only as an impurity in an amount less than 0.035 Weight percent is included and the cladding material is made of an alloy with essentially 1 to 4 percent by weight magnesium, 0.5 to 2 percent by weight zinc, The remainder is aluminum, and no more than a total of 0.15 percent by weight of impurities contains.

In dieser Kombination verhindert die Aluminium-Magnesium-Zink-Legierung als Plattierwerkstoff jedwede Umkehrung des relativen Elektrodenpotentials der Grundwerkstoff oder Kernlegierung in heißem Wasser von etwa 87,8 oder 93,3'C. Bau- und Apparateteile aus diesem neuen Verbundwerkstoff erweisen sich als viel besser unter äußerst normwidrigen Bedingungen, z. B. dort, wo das Wasser sauer ist, gegebenenfalls Schwermetallsalze enthält und wo von den letztgenannten Ablagerungen der entsprechenden Metalle auf der berührten Aiuminiummetalloberläche zu erwarten sind.In this combination, the aluminum-magnesium-zinc alloy prevents as a cladding material, any reversal of the relative electrode potential of the base material or core alloy in hot water of about 87.8 or 93.3'C. Components and apparatus Made from this new composite material prove to be much better under extremely non-standard Conditions, e.g. B. where the water is acidic, possibly heavy metal salts contains and where of the latter deposits of the corresponding metals of the touched aluminum metal surface are to be expected.

Der Grundwerkstoff kann außerdem noch 0,1 bis 0,50/, Kupfer enthalten. Für die Kornverfeinerung und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit empfiehlt sich auch ein Zusatz von 0,05 bis 0,501, Chrom. Verunreinigungen dürfen in dieser Legierung mit maximal 0,250/, Eisen, 0,250/0 Silicium, 0,250/, Zink und 0,2°/o Titan zugegen sein, sollen aber insgesamt 0,15 Gewichtsprozent nicht überschreiten.The base material can also contain 0.1 to 0.50 /, copper. An addition of 0.05 to 0.501 chromium is also recommended for grain refinement and improvement of the corrosion resistance. Impurities may be present in this alloy with a maximum of 0.250 /, iron, 0.250 / 0 silicon, 0.250 /, zinc and 0.2% titanium, but should not exceed a total of 0.15 percent by weight.

Wie bereits angegeben, soll für den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff der Plattierwerkstoff aus einer hochreinen Aluminium-Magnesium-Zink-Legierung mit 1 bis 4 Gewichtsprozent Magnesium und 0,5 bis 2 Gewichtsprozent Zink bestehen. Allerdings werden auch Legierungen, in denen der Gehalt an Magnesium demjenigen an Zink gleich ist oder diesen überschreitet, für Herstellung von Bau- und Apparateteilen bevorzugt. Als Verunreinigung soll Eisen 0,08 °/o, Silicium 0,10 °/o und Kupfer 0,02 °/o bei einem Maximum von je 0,01 Mangan, Nickel und Chrom und von 0,020/0 Titan nicht überschreiten. Hier soll auch die Gesamtsumme aller angegebenen Verunreinigungen keinesfalls über 0,15 Gewichtsprozent liegen. Mit diesen niedrigen Grenzen wird eine Legierung hoher Reinheit erstellt.As already stated, for the composite material according to the invention the cladding material made of a high-purity aluminum-magnesium-zinc alloy with 1 to 4 percent by weight magnesium and 0.5 to 2 percent by weight zinc. However there are also alloys in which the magnesium content is equal to that of zinc is or exceeds this, preferred for the manufacture of components and apparatus. Iron is said to be 0.08 per cent, silicon 0.10 per cent and copper 0.02 per cent as impurities do not exceed a maximum of 0.01 each of manganese, nickel and chromium and 0.020 / 0 titanium. The total sum of all specified impurities should by no means be exceeded here 0.15 percent by weight. With these low limits, an alloy becomes higher Created purity.

Der Plattierwerkstoff soll auf den Grundwerkstoff in bekannter Weise unter Wärme und Druck, z. B. durch Walzen, Pressen, Schmieden oder Auspressen, aufgebracht werden. Diese Herstellungsmethoden für den für Herstellung der Bau- und Apparateteile bestimmten Verbundwerkstoff führen zu einer plastischen Verformung und erstellen eine Verarbeitungsbeschaffenheit unterschiedlich zu derjenigen beim Vergießen oder Nichtbearbeiten. Der Plattierwerkstoff soll eine Dicke von etwa 2 bis 20 °/o, vorzugsweise 5 bis 100/0 von der Gesamtdicke des Verbundwerkstoffes aufweisen. Für die Verwendung zum Herstellen von Behältern, Rohren, Gefäßen oder Kesseln für heißes Wasser empfiehlt sich gewöhnlich eine Dicke von 0,64 bis 6,35 mm. Abhängig von dem schließliehen Gebrauch kann der Plattierwerkstoff entweder nur auf der einen oder auf beiden Seiten angebracht werden.The cladding material should be applied to the base material in a known manner under heat and pressure, e.g. B. by rolling, pressing, forging or pressing applied will. These manufacturing methods for the manufacture of components and apparatus certain composite material lead to plastic deformation and create a processing quality different from that of potting or Not edit. The cladding material should have a thickness of about 2 to 20%, preferably 5 to 100/0 of the total thickness of the composite material. For the use for making containers, pipes, vessels or kettles for hot water usually a thickness of 0.64 to 6.35 mm. Depending on the final The cladding material can be used either only on one side or on both sides be attached.

Der für den Bau eines Heißwasserbehälters in F i g. 1 wiedergegebene Behälter hat einen zylindrischen, senkrecht stehenden Wandungsteil 10; wobei die Kopfkappen 16 und der Abschlußdeckel 18 am Kopfende bzw. am Boden des zylindrischen Gehäuses angeschweißt oder anderweitig daran angesetzt sind. Das Einlaßrohr 24 für kaltes Wasser ist an einer Armatur 22 befestigt, die in einer passenden Öffnung oder Paßstück im Deckel 16 eingeschraubt ist. Als Auslaß dient das kürzere Rohr 20, das ebenfalls am Deckel angeschraubt oder auf andere Weise an ihm befestigt ist. Die Verbundausführung der zylindrischen Wand und der Kopf- und Bodenabschlußstücke ist vergrößert aus F i g. 2 zu erkennen. Der aus der erfindungsgemäßen Aluminium-Magnesium-Mangan-Legierung bestehende Grundwerkstoff oder Kern 12 ist an der Innenoberfläche mit dem aus einer hochreinen Aluminium-Magnesium-Zink-Legierung bestehenden Plattierwerkstoff 14 plattiert.The one for the construction of a hot water tank in F i g. 1 reproduced The container has a cylindrical, vertical wall part 10; where the Head caps 16 and the cover 18 at the head end and at the bottom of the cylindrical Housing welded or otherwise attached to it. The inlet pipe 24 for cold water is attached to a fitting 22 which is in a suitable opening or the adapter is screwed into the cover 16. The shorter pipe serves as the outlet 20, which is also screwed to the lid or attached to it in some other way is. The composite design of the cylindrical wall and the top and bottom end pieces is enlarged from FIG. 2 to recognize. That from the aluminum-magnesium-manganese alloy according to the invention existing base material or core 12 is on the inner surface with the one high-purity aluminum-magnesium-zinc alloy existing cladding material 14 plated.

Im folgenden Beispiel wird die Wirksamkeit des hochreinen Plattierwerkstoffes beim Schützen des Grundwerkstoffes mit einem ersteren geringer Reinheit in Vergleich gestellt. Beispiel Bei Scheibenstücken von durch Eintauchen in heißes Wasser zu prüfenden Verbundblechplatten mit einer Dicke von 1,63 mm nahm der Grundwerkstoffteil jedesmal 80 °/o und der Plattierwerkstoffteil auf jeder Oberfläche 10°/o von der Gesamtdicke ein. Der erste bestand aus einer handelsgängigen Legierung mit einer nominellen Zusammensetzung von 3 °/o Magnesium, 10/0 Mangan, Rest Aluminium und Verunreinigungen. In einem Falle (A) bestand der Plattierwerkstoff aus 3,5 °/o Magnesium, 10/, Zink, insgesamt 0,4 °/o an Verunreinigungen von Eisen, Silicium, Kupfer usw., Rest Aluminium, im anderen Falle (B) aus 3,5 °/o Magnesium, 10/, Zink, insgesamt nur 0,10°/o aus den gleichen Verunreinigungen, Rest Aluminium.In the following example, the effectiveness of the high-purity cladding material in protecting the base material is compared with a former of low purity. Example In the case of slices of composite sheet metal plates to be tested by immersion in hot water with a thickness of 1.63 mm, the base material part took up 80% of the total thickness and the clad material part on each surface 10%. The first consisted of a commercially available alloy with a nominal composition of 3 % magnesium, 10/0 manganese, the balance aluminum and impurities. In one case (A) the cladding material consisted of 3.5% magnesium, 10 % zinc, a total of 0.4% of impurities from iron, silicon, copper, etc., the remainder being aluminum, in the other case (B) from 3.5% magnesium, 10 % zinc, a total of only 0.10% from the same impurities, the remainder being aluminum.

Die Bleche mit den Plattierungen (A) und (B) wurden in angesäuertes Wasser (pH = 4,0) bei einer Temperatur von 80,0°C 35 Tage eingetaucht, dann untersucht und die Beschaffenheit und Tiefe jeglicher Lochbildungen notiert. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse waren folgende: Korrosion der dem sauren Wasser ausgesetzten Plattenproben Maximale Plattier- Kern- Plattierung Tiefe werkstoff eindringung der Löcher Dicke mm mm mm A 0,483 0,152 0,330 B 0,178 0,152 0,025 Man sieht, daß sich dort, wo die Locheinfressungen bis zum Kern gingen, dessen beträchtliche Durchdringung des Kernes bei der Plattierung (A), aber praktisch keine bei (B) zeigte. Darüber hinaus wurde beobachtet, daß der Durchmesser der Löcher bei der hochreinen Plattierung größer war. Dies weist auf einen wirksameren Schutz hin.The panels with claddings (A) and (B) were immersed in acidified water (pH = 4.0) at a temperature of 80.0 ° C. for 35 days, then examined and the nature and depth of any pitting noted. The results obtained were as follows: Corrosion of those exposed to acidic water Plate samples Maximum plating core Plating deep material penetration of the holes thickness mm mm mm A 0.483 0, 1 52 0.330 B 0.178 0.152 0.025 It can be seen that where the pitting went to the core, there was considerable penetration of the core in cladding (A) but practically none in (B). In addition, it was observed that the diameter of the holes was larger in the high purity plating. This indicates more effective protection.

Claims

Claims: 1. Composite material for structural and apparatus parts, in particular a hot water tank, with high corrosion resistance against hot water, consisting of an aluminum-manganese-magnesium alloy as the base material and an aluminum-zinc alloy as the plating material, characterized in that the base material consists of an alloy with essentially 2 to 4 percent by weight Magnesium, 0.5 to 1 percent by weight manganese, the balance aluminum, with zinc contained only as an impurity in an amount less than 0.035 percent by weight and the cladding material consists of an alloy with essentially 1 to 4 percent by weight Magnesium, 0.5 to 2 percent by weight zinc, the remainder aluminum, consists and no more contains than a total of 0.15 percent by weight of impurities.

2. Composite material according to claim 1, characterized in that the base material is 0.05 to 0.5 percent by weight Contains chrome.

3. Composite material according to claim 1 or 2, characterized in that that the base material contains 0.1 to 0.5 percent by weight copper.

4. Composite material according to claims 1 to 3, characterized in that the magnesium content of the cladding material equals or exceeds its zinc content.

5. Composite according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cladding material is a Thickness of 2 to 20%, preferably 5 to 100/0 of the total thickness of the composite material having. Documents considered: German Patent No. 918 427.