DE2911295A1

DE2911295A1 - Rippenmaterial fuer waermeaustauscher aus einer aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE2911295A1
Application number: DE19792911295
Authority: DE
Inventors: Yoshio Baba; Toshiyasu Fukui; Satoshi Kumura; Zenichi Tanabe
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1979-03-22
Publication date: 1979-10-04
Also published as: JPS54124811A; US4244756A; DE2911295C2; JPS5831383B2

Description

DR. 3BRG DIPL.-ING. STAPF
DIPL.-ING. SCHWABS DR, DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE 291 1 ? 9 5

Postfach 860245-8000 München 86

22. März 1979

Anwaltsakte: 29 964

tM/ei

Sumitomo Light Metal Industries Ltd. Tokyo / Japan

Rippenmaterial für Wärmeaustauscher aus einer Aluminiumlegierung

KOW) 9*1272 Teietnmme: Bankkonten: Hypo-Buifc Manchen 4410122S50

**"3 BERGSTAPCTATENT Manchen (BLZ 700200») Swift Code: HYPO DE MM

HI274 TELEX: Btyet Veftinibink München 453100 (BLZ 70020270)

^H331° 0524560 BEROQ Q§34Q/n7i2 *°Λ**«* Manchen 65343-M* (BLZ 70010080)

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Rippenmaterialien für Wärmeaustauscher aus Aluminiumlegierungen und insbesondere Rippenmaterialien für Wärmeaustauscher aus Aluminiumlegierungen, die verformungsbeständig sind und als Opferanoden dienen, sowie die Herstellung dieser Rippenmateria-ο lien.

Üblicherweise wird bei luftgekühlten Aluminium-Wärmeaustauschern ein Hartlotblech, das eine Kernmetallschicht aus Aluminium oder einer korrosionsbeständigen Aluminiumlegierung und eine auf der Kernmetallschicht gebildeten Hüllmetallschicht aus einer Aluminium/SiIicium-Grundlegierung oder einer Aluminium/Silicium/Magnesium-Grundlegierung umfaßt, entweder auf ein Fluidleitungsteil (Rohr oder Rohrabschnitt) oder die Kühlrippen auf der Luftseite aufgebracht, und es wird entweder das Fluidleitungsteil oder die Kühlrippen, auf das bzw. die das Hartlotblech nicht aufgebracht worden ist, unter Verwendung einer Aluminiumlegierung oder einer korrosionsbeständigen Aluminiumlegierung mit dem Wärmeaustauscher verlötet. Bei der Einwirkung einer stark korrodierenden Atmosphäre erfolgt jedoch eine Lochfraßkorrosion in der Wandung des Wärmeaustauschers durch Korrosion von der Luftseite her, so daß das Fluid aus den Löchern austreten kann. Daher wurden eine Reihe von Oberflächenbehandlungsmethoden entwickelt und in der Praxis angewandt,

'909840/0713

Anwaltsakte 29 964

um diese Korrosion zu verhindern. Es besteht jedoch keine perfekte Methode zur Verhinderung dieser Korrosion. Einige der herkömmlichen Verfahren sind vergleichsweise gut, bringen jedoch erhebliche wirtschaftliche Probleme mit sich.

Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, ein Material, das einen Opferanodeneffekt besitzt, als Rippenmaterial für luftgekühlte Wärmeaustauscher aus Aluminium zu verwenden. Als herkömmliches Material für Opferanoden ist die Legierung AA7072 bekannt. Wenn die Legierung AA7072 jedoch im Vakuum oder unter vermindertem Druck gelötet wird, verdampft Zink, wodurch der Opferanodeneffekt der Legierung AA7072 nicht nur beeinträchtigt wird, sondern die Lötkammer durch die verdampfte Legierung verschmutzt oder beschädigt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, der gegen eine stark korrosive Atmosphäre beständig ist, bzw. Materialien für Wärmeaustauscherrippen anzugeben, die die oben angesprochenen Nachteile der herkömmlichen

25 Opferanodenmaterialien nicht aufweisen.

Es hat sich nunmehr gezeigt, daß die oben genannte Aufgabe mit einem Rippenmaterial gelöst werden kann, das aus einer Aluminiumlegierung besteht, die

909840/0712

An waits a*, te δ?

0,03 bis 0,3 Gew.-% Zinn, 0,03 bis 0,8 Gew.-% Magnesium, 0,03 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Eisen, mindestens eine Komponente aus der 0,01 bis 0,3 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium, 0,01 bis 0,3 Gew.-% Titan, 0,001 bis 0,1 Gew.-% Bor, 0,01 bis 0,8 Gew.-% Silicium, 0,01 bis 0,8 Gew.-% Kupfer, 0,01 bis 0,3 Gew.-% Indium und

nicht mehr als 1 Gew.-% Zink umfassenden Gruppe und im wesentlichen Aluminium als Restbestandteil enthält.

Nach dem Vergießen wird die Legierung aus den oben angegebenen Bestandteilen erforderlichenfalls während 1 bis 24 Stunden bei Temperaturen im Bereich von 400 bis 600 ⁰C weichgeglüht und dann durch Warmwalzen bei

einer Temperatur im Bereich von 400 bis 550 ⁰C zu

einem Blech mit einer Stärke von 1,5 bis 5 mm verformt und dann durch Kaltwalzen und Glühen zu einem Blech mit einer Dicke von 0,05 bis 0,3 mm verarbeitet.

909840/0712

Anwaltsakte 29 964

Erfindungsgemäß wird somit zur Ausbildung der Kühlrippen auf der Luftseite eines Wärmeaustauschers aus einer Aluminiumlegierung ein Material verwendet, das als Opferanode wirkt, so daß die Fluidleitungsteile des Wärmeaustauschers elektrochemisch gegen die Korrosion geschützt werden, so daß auch der Wärmeaustauscher bei extrem korrosiven Bedingungen korrosionsbeständig ist.

In der nachstehenden Tabelle I sind die Bestandteile der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen und Bestandteile von Aluminiumlegierungen, die mit den erfindungsgemäßen Legierungen verglichen werden, aufgeführt.

Im folgenden sei auf die Funktion der eingesetzten Bestandteile und der Mengenverhältnisse, in denen diese Bestandteile in den erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen verwendet werden, näher eingegangen:

Zinn:

Dieser Bestandteil dient dazu, den Opferanodeneffekt zu ergeben. Wenn der Anteil an diesem Bestandteil weniger als 0,03 Gew.-% beträgt, ist der Opferanodeneffekt nicht ausreichend. Wenn andererseits der Anteil mehr als 0,3 Gew.-% beträgt, wird es schwierig, große Blöcke der Aluminiumlegierung zu bilden und auszuwalzen, was dazu führt, daß die Qualitätskontrolle der Legierungsprodukte erschwert wird.

909840/0712

Anwcixtocus-Ufc: λ ^ j ο ι

Magnesium:

Dieser Bestandteil dient dazu, das Warmwalzen der Aluminiumlegierung zu erleichtern. Ohne das Magnesium wird das Walzen praktisch unmöglich. In Gegenwart von Zinn bildet Magnesium die intermetallische Phase Mg„Sn, die die Knickfestigkeit der Aluminiumlegierung verbessert. Wenn der Anteil des Magnesiums weniger als 0,03 Gew.-% beträgt, wird die Verbesserung der Knickfestigkeit nicht erreicht. Wenn andererseits die Magnesiummenge mehr als 0,8 Gew.-% beträgt, wird das für die praktische Anwendung durchgeführte Löten des Wärmeaustauschers erschwert, was den Ausschuß bei der

15 Herstellung des Wärmeaustauschers erhöht.

Mangan:

Dieser Bestandteil erleichtert das Verformen des Rippenmaterials und verbessert die Verformungsbeständigkeit der Rippen. Wenn der Mangangehalt weniger als 0,3 Gew.-% beträgt, wird diese Wirkung des Mangans nicht erreicht. Wenn andererseits der Mangangehalt mehr als 1,5 Gew.-% ausmacht, bildet sich während des Vergießens eine große intermetallische Phase*, die den Oberflächenzustand des Rippenmaterials verschlechtert und den Opferanodeneffekt vermindert.

Eisen:

Dieser Bestandteil erleichtert das Verformen des Rippenmaterials und verbessert dieVerformihgsbeständigkeit der Rip-

909840/0712

Anwaltsakte 29 964

pen. Insbesondere übt das Eisen seine Wirkung in Gegenwart von Mangan aus. Wenn der Eisengehalt weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, werden die angestrebten Effekte in ungenügendem Ausmaß erreicht. Wenn andererseits die Menge mehr als 0,8 Gew.-% beträgt, wird eine große intermetallische Phase gebildet, was das Walzen und das Löten der Rippen erschwert.

Indium und Zink:

Diese beiden Bestandteile dienen dazu, den Opferanodeneffekt zu steigern. Wenn der Indiumgehalt weniger als 0,01 Gew.-% beträgt, ist der Opferanodeneffekt nicht ausreichend groß. Diese beiden Bestandteile zeigen eine erhebliche Korrosion, wenn sie in Mengen enthalten sind, die oberhalb der für sie angegebenen Obergrenze liegen. Insbesondere dann, wenn Zink in einer Menge von mehr als 1 Gew.-% enthalten ist, verdampft und verspritzt die Legierung beim Löten unter vermindertem Druck oder im Vakuum, so daß die Lötkammer durch das verspritzte Zink verschmutzt wird.

Chrom und Zirkonium:

Diese Bestandteile erleichtern das Verformen des Rippenmaterials und verbessern die Verformungsbeständigkeitder Rippen. Wenn diese Bestandteile in Mengen enthalten sind, die unterhalb der für sie angegebenen Untergrenze liegen, werden die gewünschten Effekte nicht erreicht, während bei einem Gehalt dieser Komponenten oberhalb der an-

9 0 9840/0712

Anwaltsakte 29 964

AO

gegebenen Obergrenzen große intermetallische Phasen gebildet werden, die den Oberflächenzustand des Rippenmaterials beeinträchtigen.

Titan und Bor:

Diese Bestandteile verbessern das Warmverarbeiten des Rippenmaterials dadurch, daß sie die Aluminiumlegierung des Blockes feinkörnig machen. Wenn diese Bestandteile in Mengen unterhalb der für sie angegebenen untergrenzen angewandt werden, bewirken sie den angegebenen Effekt nicht. Wenn sie andererseits in Mengen oberhalb der für sie angegebenen Obergrenze eingesetzt werden, kristallisieren die Komponenten als intermetallische Verbindungen während des Vergießens der Aluminiumlegierung aus.

Silicium und Kupfer:

Diese Bestandteile verbessern die Festigkeit der Aluminiumlegierung und die Verformungsbeständigkeit der Rippen. Sie üben ihre Wirkung in Mengen, die unterhalb der für sie angegebenen Untergrenze liegen, nicht aus, während bei einem Gehalt dieser Bestandteile in einer Menge, die oberhalb der für sie angegebenen Obergrenze liegt, der Opferanodeneffekt beeinträchtigt wird und das Formen und Löten der Rippen erschwert wird.

Herstellung der Rippen:

1. Man glüht den Legierungsblock während 1 bis 24 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis

909840/0712

Anwaltsakte 29 964

/w

600 ⁰C, wodurch, die Warmbearbeitung des Rippenmaterials verbessert wird. Weiterhin ergeben Mangan und Eisen eine feste Lösung, die eine feine und gleichmäßige Ausfällung während des Bearbeitens und der Wärmebehandlung ergibt. In gewissen Fällen kann auf den Weichglühprozeß verzichtet werden.

2. Die Wärmerißbildung kann vermindert werden, wenn man das Warmwalzen bei Temperaturen im Bereich von 400 bis 550 ⁰C durchführt, so daß kristallisiertes Zinn und Magnesium eine feste Lösung der Formel Mg₂Sn bilden. Während des Walzens erfolgt eine Bildung der ausgefällten Kristallisationskeime und feinen Teilchen aus Mg_Sn, Mn und Fe, die feste Lösungen ergeben.

3. Die Gesamtmenge der eingerissenen Ränder, die während des Warmwalzens und des Kaltwalzens gebildet werden

und entfernt werden müssen, kann dadurch vermindert werden, daß man das Warmwalzen auf 1,5 bis 5 mm beschränkt, so daß die Herstellungsausbeute der Rippen gesteigert werden kann.
25

4. Durch Kaltwalzen des 1,5 bis 5 mm starken Bleches zu einem Blech mit einer Dicke von 0,05 bis 0,3 mm erhält man ein zähes Endprodukt.,, Das Verfahren kann auch einen Glühvorgang einschließen, und hierdurch kann das Verformen und die Verformungsbeständigkeit

909840/0712

Anwaltsakte 29 964.

der Rippen verbessert werden.

Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Rippenmaterials lötet man den Wärmeaustauscher bei einer Atmosphäre, die unterhalb des Dampfdruckes für Magnesium gehalten wird (beispielsweise 1,3 mbar (1 Torr) bei etwa 600 ⁰C). In diesem Fall werden Magnesium und Zinn, die als Mg„Sn vorliegen, getrennt, worauf Magnesium verdampft, während Zinn zurückbleibt. Wenn Mg„Sn vor dem Löten gleichmäßig verteilt ist, kann ein guter Opferanodeneffekt erreicht werden.

In der nachstehenden Tabelle II sind die Magnesium-Restmengen einer jeden Aluminiumlegierung, die unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen erhitzt worden ist, und das Potential einer jeden Legierung in einer 3 prozentigen wäßrigen Natriumchloridlösung angegeben.

20 Wenn die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen im

— 3 —3
Vakuum (1,3 χ 10 mbar (10 Torr) oder bei vermin-

-1 -1

dertem Druck (1,3 χ 10 mbar (10 Torr) erhitzt werden, ist die Magnesium-Restmenge gering und die Legierungen neigen dazu, ein negatives Potential aufzuweisen.

In der nachstehenden Tabelle III sind die Ergebnisse des Korrosionstests von Proben angegeben, die man dadurch hergestellt hat, daß man alternierend durch Vakuumlöten die aus den erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen

909840/0712

Anwaltsakte 29 964

nach der Colgate Technik gebildeten Rippen und die Rohre, die aus einem Lotblech mit einem Kernmetall aus der Legierung A3003 und einem Hüllmetall der Legierung AA χ 7 gebildet worden sind, verlötet.

In dem Fall, daß die Rippen aus der erfindungsgemäßen Legierung verwendet werden, erfolgt eine signifikante Verminderung der Korrosion des Wärmeaustauscherrohrs, wodurch der Opferanodeneffekt der erfindungsgemäßen Legierungen bestätigt wird.

In der Tabelle IV sind die Verformbarkeit und die Formbeständigkeit der Rippen bei hoher Temperatur angegeben. Die Verformbarkeit der Rippen wird über das Auftreten von Walzbarten an den Schnittkanten während der Schlitzbildung und durch die Form der gebogenen Abschnitte bei der Colgate-Behandlung bewertet. Die Verformungsbeständigkeit wird dadurch bestimmt, daß man das Ausmaß der Verformung der Rippen nach der Einwirkung von Wärme mit hoher Temperatur (Löttemperatur) bestimmt, wobei jeweils ein Ende des Legierungsbleches eingespannt und das andere freigelassen wird. Die erfindungsgemäßen Legierungen zeigen eine geringe Verformung und eine hohe Verformungsbeständigkeit und lassen sich leicht walzen.

909840/0712

Anwaltsakte 29 964

Tabelle I

Chemische Bestandteile der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen und der Vergleichslegierungen

Nr	Sn	Mg	Mn	Fe	Cr	Zr	Ti	B	Si	Cu	In	Zn	Rest Al
1	0,05	0,08	0,8	0,5								0,3
2	0,2	0,5	1,0	0,4							0,1
3	0,1	0,2	0,4	0,2	0,1
4	0,28	0,7	1,2	0,7		0,2
5	0,08	0,1	0,5	0,2			0,1
6	0,25	0,6	0,8	0,5				0,01
7	0,1	0,1	1,2	0,5					0,3
8	0,04	0,06	1,0	0,4						0,2
9	0,15	0,3	1,3	0,3	0,2	0,1
10	0,2	0,4	0,5	0,7						0,1	0,05
11	0,05	0,08	1,0	0,5					0,1			0,4
12	0,15	0,1	0,7	0,6	0,15		0,05	0,01
13	0,1	-	1,0	0,3
14	0,2	0,4	-	-
15	-		1,2	0,5

Fußnote: Legierungen 1 bis-12: erfindungsgemäße Legierungen Legierungen 13 bis 15: Vergleichslegierungen

909840/0712

Tabelle II

Restliche Magnesiummenge und mögliche Veränderung dieser Menge nach dem Erhitzen während
des Lötens **)

	Restmenge Magnesium Gew.-%	1,3 χ 10 mbar (ΙΟ"¹ Torr)	1013 mbar (760 Torr)	Potential in 3%iger NaCl-Lösung V **)	,3 χ 10 ntoar 10 Torr)	wäßriger
Nr.		0,05	0.08		-0,90
	1,3 χ 10 mbar (IO"⁵ Torr)	0,20	0,45	1,3 χ 10~⁵nfcar (IO"⁵ Torr)	-0,89	1013 mbar (760 Torr)
1	0,03	0,10	0,21	-0,98	-0,87	-0,70
2	0,08	0,25	0,60	-0,99	-0,80	-0,71
3	0,05	0,05	0,10	-0,92	-0.90	-0,70
4	0,10	0,32	0,55	-0.90	-0,80	-0,68
5	0,02	0,06	0,10	-1,10	-0,89	-0,70
6	0,08	0,04	0,06	-0,91	-0,90	-0,67
7	0,02	0,10	0,28	-0,99	-0,86	-0,70
8	0,01	0,20	0,37	-1,12	-0,79	-0,71
9	0,10		-0,92	-0,70
10	0,08	-0,90	-0,68

Tabelle II (Fortsetzung)

cö C3 CO OO

	Restmenge Gew.-	1	Magnesium	1013 mbar (760 Torr)	Potential in 3%iger wäßriger NaCl-Lösung V **)	,10	1,3 χ 10 mbar (IO"¹ Torr)	1013 (760	mbar Torr)
Nr.				0,08		,05	-0,90	-0	,72
				0,1		,15	-0,89	-0	,70
11	-5 1,3 χ 10 mbar (10~⁵ Torr)		,3 χ 10 mbar (IO"¹ Torr)	<0,01		,90	-1,15	-1	,12
12 ,	0,01		0.05	0,36		,63	-0,80	-0	,69
13	0,02		0,07	<0,01	1,3 χ 10 mbar (10~⁵ Torr)		-0,63	-0	,62
14	<0,01	<0,01	-1
15	0,10	0,20	-1
<0,01	«CO,Ol	-1
		-0
	-0

-5 —5 *) Lötbedingungen: 600 ⁰C χ 5 min, 1,3 χ 10 mbar (10 Torr) bis etwa 1013 mbar (760 Torr)

**) Gesättigte Standard Calomelelektrode

<D

K)
CO

cn

(D H

rt

Dl

rt (D

K)

ID

Anwaltsakte 29 964

AT-

Tabelle III Ergebnisse des Korrosionstests *)

	Maximale Korrosionstiefe (mm)	Salzsprühkorro-	Alternierender Tauch	CASS-Test ****)
	sionstest **)	test ***)
	0,10	0,19	0,21
1	0,11	0,21	0,20
2	0,13	0,23	0,25
3	0,15	0,26	0,25
4	0,09	0,21	0,22
5	0,15	0,28	0,28
6	0,10	0,21	0,20
7	0,09	0,21	0,22
8	0,16	0,28	0,27
9	0,16	0,29	0,28
10	0,10	0,21	0,21
11	0,10	0,19	0,20
12	0,09	0,21	0,23
13	0,16	0,26	0,27
14	0,44	0,63	0,70
15

*) Materialkombination:

Rohr: Hartlotblech A3003 (Kernmetall) - χ 7 (Hüllmetall) Rippen: Legierungen Nr. 1 bis 15

**) Gemäß der Japanischen Industrievorschrift JIS-Z-2371 während eines Monats

***) 3%ige wäßrige Natriumchloridlösung (pH = 3); man taucht während

309840/0712

Anwaltsakte 29 964

30 Minuten bei 40 ⁰C ein und trocknet während 30 Minuten bei 50 ⁰C. Dieser Zyklus wird während eines Monats wiederholt.

****) Gemäß der Japanischen Industrievorschrift JIS-H-8681 während eines Monats.

909840/0712

Anwaltsakte 29 964

1911295

Tabelle IV

Walzen der Rippen, Verformbarkeit der Rippen und Verformungsbeständigkeit der Rippen

Nr. Walzen *)	Verformbarkeit der Rippen **)	Verformungsbestän digkeit ***)
1 Gut	Gut	Gut
2 "	Il	Il
3	Il	Il
4	II	Il
5 "	Il	Il
6 "	Il	Il
7 "	Il	Il
8	It	Il
9	Il	Il
10 "	Il	It
11	It	Il
12	Il	It
13 Auftreten von Randrissen	Gut	Verformt sich
14 Gut	Auftreten von Walz barten und schlech ter Rippenform	Erhebliche Verfor mung
15	Gut	Gut

*) Das Walzverhalten wird durch das Auftreten von Randrissen während des Warmwalzens bewertet.

**) Man bewertet die Verformbarkeit der Rippen durch das Auftreten von Walzbarten während der Kühlschlitzbildung und durch die Biegeform der Rippen während der Colgate-Bearbeitung.

***) Man bewertet die Verformungsbeständigkeit durch das Ausmaß der Verformung der Rippen beim Erhitzen auf 600 ⁰C.

909840/0712

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Rippenmaterial für Wärmeaustauscher aus einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Aluminiumlegierung aus

0,03 bis 0,3 Gew.-% Zinn, 0,03 bis 0,8 Gew.-% Magnesium, 0,3 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Eisen, mindestens einer Komponente aus der 0,01 bis 0,3 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium, 0,01 bis 0,3 Gew.-% Titan, 0,001 bis 0,1 Gew.-% Bor, 0,01 bis 0,8 Gew.-% Silicium, 0,01 bis 0,8 Gew.-% Kupfer, 0,01 bis 0,3 Gew.-% Indium und nicht mehr als 1 Gew.-% Zink

umfassenden Gruppe und im wesentlichen aus Aluminium
als Rest besteht.

2. Rippenmaterial nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß es nach einem Verfahren erhältlich ist, das darin besteht, daß man die Aluminiumlegierung durch Warmwalzen bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 550 ⁰C zu einem 1,5 bis

5 mm starkem Blech formt und dann das Blech durch Kaltwalzen und Glühen zu einem Blech mit einer Stärke von

909840/0712

Anwaltsakte 29 964

0,05 bis 0,3 mm verformt.

3. Rippenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es nach einem Verfahren erhältlich ist, das darin besteht, daß man

- die Aluminiumlegierung nach dem Vergießen während 1 bis

24 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von bis 600 ⁰C weichglüht und

- die Aluminiumlegierung durch Warmwalzen bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 550 ⁰C zu einem 1,5 bis 5 mm starken Blech verformt und dann das Blech durch Kaltwalzen und Glühen zu einem Blech mit einer Dicke von 0,05 bis 0,3 mm verformt.

903840/0712