[0001] Die Erfindung betrifft eine kaltaushärtbare Aluminiumlegierung für Wärmetauscher,
ein Verfahren zur Herstellung eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes sowie ein Aluminiumband
oder -blech.
[0002] Im Automobilbereich werden zunehmend Wärmetauscher bestehend aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen
eingesetzt. Dabei hat die Verwendung von Aluminium an Stelle der früher gebräuchlichen
Buntmetall-Wärmetauscher bei vergleichbarer Größe und Leistung das Gewicht der Wärmetauscher
nahezu halbiert. Wärmetauscher aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung werden
heutzutage im Kraftfahrzeug zumeist zur Kühlung des Kühlwassers, Öls und in Klimaanlagen
eingesetzt. Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge werden üblicherweise aus Aluminium-Bändern
oder -blechen hergestellt, indem die einzelnen vorgefertigten Komponenten des Wärmetauschers,
wie beispielsweise Lamellen, Rohre und Verteiler, durch Löten miteinander verbunden
werden. Die Belastungen, die im praktischen Einsatz auf derart hergestellte, in Kraftfahrzeugen
eingebaute Bauteile aufgrund von stoßartigen Erschütterungen, länger andauernden Vibrationen,
Korrosionsangriff und ähnlichem einwirken, sind erheblich. Dies betrifft insbesondere
die Lamellen, über welche die Wärmeabfuhr erfolgt. Trotz der erheblichen Belastungen
und steigender Betriebsdrücke der Wärmetauscher im Kraftfahrzeug besteht weiterhin
der Trend zur Gewichtseinsparung im Kraftfahrzeug und damit zu einer weiteren Wanddickenreduzierung
der Wärmetauscher. Dies führt jedoch zu weiter steigenden Festigkeitsanforderungen
an die Aluminiumlegierung der Wärmetauscher, insbesondere nach dem Löten. Zum Löten
der Wärmetauscher steht einerseits das Vakuumlöten ohne Flussmittel sowie das Schutzgaslöten
mit nicht-korrosiven Flussmitteln zur Verfügung. Die bisher beim Vakuumlöten von Wärmetauschern
eingesetzten kaltaushärtbaren Aluminiumlegierungen, beispielsweise die Aluminiumlegierung
AA6063 (AlMgO, 7Si), AA6061 (AlMglSiCu) oder AA6951 (AlMgO, 6SiCu) weisen relativ
hohe Magnesiumgehalte auf, um einerseits beim Lötprozess im Vakuum durch "Gettern"
eine Oxidation des geschmolzenen Aluminiumlots auf den zu lötenden Bauteilen zu verhindern
und damit eine einwandfreie Lötverbindung ohne Flussmittel zu gewährleisten und andererseits
bei einer Kaltauslagerung nach dem Löten hohe Festigkeitswerte der gelöteten Wärmetauscher
zu erzielen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die Aufrechterhaltung
des Gasschutzes und die Reinheitsanforderung an die zu lötenden Bauteile kostenintensiv
ist. Das alternative Schutzgaslöten erfordert zwar unter diesen Gesichtspunkten weniger
Aufwand und ermöglicht zudem 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. Dies kann nur durch den Einsatz teuerer cäsiumhaltiger Flussmittel verhindert
werden. Ferner besteht die Möglichkeit hoch kupferhaltige Aluminiumlegierung einzusetzen
(Cu-Gehalt > 0,5 %), welche jedoch beim Gießen zur Warmrissigkeit neigen und daher
erhöhte Anforderungen an das Gießen der Walzbarren stellt, welches unter wirtschaftlichen
Gesichtspunkten als kritisch anzusehen ist. Zudem besteht bei erhöhten Cu-Gehalten
die Gefahr einer Sensibilisierung für Lochfraß- bzw. Korngrenzenkorrosion, wenn Kupfer
in entsprechend ausgeschiedener Form im Gefüge vorliegt. Schließlich kann beim Schutzgaslöten
eine Aluminiumlegierung mit einer Zwischenplattierung als Diffusionssperrschicht eingesetzt
werden, so dass eine kaltaushärtbare Aluminiumlegierung mit relativ hohen Magnesium-Gehalten
als Kernmaterial einsetzbar ist. Allerdings ist die Zwischenplattierung mit einer
Diffusionssperrschicht mit zusätzlichen Kosten verbunden, so dass eine wirtschaftliche
Fertigung von Wärmetauschern ebenfalls nicht erreicht werden kann.
[0003] Die Herstellung von Wärmetauschern durch Löten von aus den oben angegebenen Aluminiumlegierungen
bestehenden Komponenten ist beispielsweise aus der US-Patentschrift US 4,214,925 bekannt.
[0004] Ausgehend von dem zuvor aufgezeigten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
somit die Aufgabe zugrunde, eine kaltaushärtbare Aluminiumlegierung für Wärmetauscher,
ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes für Wärmetauscher sowie ein entsprechendes
Aluminiumband oder -blech zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches den wirtschaftlichen
Einsatz des Schutzgaslötens zur Herstellung von Wärmetauschern ermöglicht und gleichzeitig
hohe Festigkeitswerte nach einer Kaltauslagerung nach dem Löten aufweist.
[0006] Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass aus einer die oben angegebenen Legierungsanteile
enthaltenden Aluminiumlegierung bestehende Wärmetauscher nach einer Kaltauslagerung
bei Raumtemperatur nach dem Löten die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen notwendige
Festigkeit, insbesondere Streckgrenze RP
0,2, aufweist, ohne dass weitere Wärmebehandlungen notwendig sind. Ursache hierfür ist
die Kombination der erfindungsgemäßen Si- und Mg-Gehalte, welche feinverteilte Ausscheidungen
vom Typ Mg
2Si in der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung bilden und zu einer Festigkeitssteigerung
durch Kaltauslagerung bei Raumtemperatur führen. Dabei streben die Festigkeitswerte
der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung nach ca. 30 Tagen Kaltauslagerung bei Raumtemperatur
einen maximalen Wert an. Darüber hinaus ist aufgrund des geringen Mg-Gehalts von mindestens
0,1 Gew.-% bis maximal 0,3 Gew.-% die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung ohne weiteres
für das Schutzgaslöten mit nicht-korrosiven Flussmitteln geeignet, da eine Reaktion
mit den Flussmitteln nur in geringem Maße erfolgt und auf den Einsatz teuerer cäsiumhaltiger
Flussmittel verzichtet werden kann.
[0007] Durch die Begrenzung des Fe-Gehalts auf maximal 0,3 Gew.-% wird gewährleistet, das
Si in der Aluminiumlegierung in gelöstem Zustand vorliegt. Ferner gewährleisten die
geringen Cu-Gehalte von maximal 0,2 Gew.-% einerseits, dass der Festigkeitsanstieg
beim Kaltauslagern gesteigert werden kann, andererseits wird durch diese Begrenzung
des Cu-Gehaltes die Empfindlichkeit der Festigkeit der Aluminiumlegierung von der
Abkühlrate nach dem Löten verringert. Ebenfalls zur Begrenzung der Abhängigkeit der
Festigkeit der Aluminiumlegierung von der Abkühlrate nach dem Löten muss der Mn-Gehalt
auf maximal 0,1 Gew.-% beschränkt werden. Cr-Gehalte von maximal 0,1 Gew.-% steigern
dagegen die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung.
Darüber hinaus hat ein Ti-Gehalt von maximal 0,2 Gew.-% einen positiven Effekt auf
die Wiederstandsfähigkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung gegen Korrosion,
da das Legierungselement Ti zur Kornfeinung des Gefüges der Aluminiumlegierung beiträgt
und somit einen Korrosionsangriff vergleichmäßigt. Zur Vermeidung des negativen Effektes
von Zink auf die Korrosion der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung muss der Zn-Gehalt
auf maximal 0,1 Gew.-% beschränkt werden.
[0008] Die Festigkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung kann, gemäß einer ersten
vorteilhaften Ausgestaltung, durch Kaltauslagerung nach dem Löten weiter dadurch gesteigert
werden, dass die Aluminiumlegierung Si, Mg und Cu als Hauptlegierungselemente enthält.
[0009] Um ein Erweichen der zu lötenden Komponenten eines Wärmetauschers während des Lötens
zu vermeiden, ist es zur Durchführung eines einwandfreien Lötverfahrens vorteilhaft,
wenn die Solidustemperatur der Aluminiumlegierung 610 °C nicht unterschreitet, da
üblicherweise das Löten bei Temperaturen bis zu 600 °C erfolgt. Erfindungsgemäß wird
dies dadurch erreicht, dass die Summe der Legierungsanteile von Si, Mg und Cu 1,2
Gew.-% nicht übersteigt. Dabei bewirken Legierungselemente im allgemeinen eine Erniedrigung
der Solidustempratur, wobei Si eine um den Faktor 1,2 stärkere Erniedrigung der Solidustemperatur
der Aluminiumlegierung als Mg und Mg wiederum eine um Faktor 3,5 wirksamere Erniedrigung
der Solidustemperatur als Cu verursacht.
[0010] Dies gilt nicht für das Legierungselement Ti, so dass eine Erhöhung der Solidustemperatur
der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung dadurch erreicht werden kann, dass die Aluminiumlegierung
als Legierungsbestandteil Ti aufweist.
[0011] Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete und
aufgezeigte Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass
- ein Walzbarren aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung im konventionellen Barren-Guss-Verfahren
gegossen wird,
- der Walzbarren bei 500 bis 600 °C für mehr als 6 h, insbesondere für mehr als 12 h,
homogenisiert wird und bei mindestens 400 °C, vorzugsweise 450°C, zu einem Band warmgewalzt
wird, wobei die Endtemperatur beim Warmwalzen mindestens 300 °C beträgt,
- das warmgewalzte Band auf Enddicke kaltgewalzt wird und anschließend einer Weichglühung
bei mindestens 300 °C, vorzugsweise 350°C, unterzogen wird.
[0012] Durch die Homogenisierung des im konventionellen Barren-Guss-Verfahren gegossenen
Walzbarren bei Temperaturen von 500 bis 600 °C für mehr als 6 Stunden, insbesondere
für mehr als 12 Stunden, wird erreicht, dass auch diffusionsträge Elemente wie Mangan
und Chrom beim Abkühlen der Schmelze fein dispers ausgeschieden werden. Durch das
Warmwalzen bei mindestens 400 °C wird ein im Hinblick auf die Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit
optimiertes Gefüge des Warmbandes erzeugt, wobei die Endwalztemperatur beim Warmwalzen
mindestens 300 °C betragen muss, um einerseits eine ausreichende Verformbarkeit des
Walzbarrens und andererseits eine optimierte Gefügeausbildung während des Warmwalzens
zu gewährleisten. Die Warmbandenddicken können dabei, beispielsweise weniger als 9
mm betragen. Um das Umformen des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Bandes in vorgefertigte Komponenten für den Wärmetauscher, beispielsweise Lamellen,
Rohre oder Verteiler, zu erleichtern, wird das durch Kaltwalzen auf eine Enddicke
von maximal 2 mm kaltgewalzte Band einem abschließenden Weichglühen bei mindestens
300 °C, vorzugsweise 350 °C, unterzogen.
[0013] Durch die Kombination der Legierungszusammensetzung der Aluminiumlegierung in Verbindung
mit den zuvor beschriebenen Verfahrensmerkmalen können auf Basis konventioneller Legierungselemente
(Mg, Si, Cu) Wärmetauscher hergestellt werden, die nach einem Schutzgaslöten und einer
Kaltauslagerung von ca. 30 Tagen bei Raumtemperatur Streckgrenzen von RP
0,2 ≥ 65MPa aufweisen und daher für die enormen Belastungen im Kraftfahrzeug besonders
gut geeignet sind. Darüber hinaus kann zur Herstellung der Wärmetauscher das Schutzgaslöten
unter Verzicht auf cäsiumhaltige Flussmittel angewendet werden, so dass eine wirtschaftliche
Herstellung ermöglicht wird.
[0014] Erfolgt das Warmwalzen und/oder das Kaltwalzen reversierend oder einsinnig auf ein-
oder mehrgerüstigen Walzen, so kann das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf
das reduzierende Walzen mit konventionellen Mitteln und Vorrichtungen durchgeführt
werden.
[0015] Eine besonders hohe Prozesssicherheit beim Löten der Wärmetauscher kann dadurch erzielt
werden, dass der Walzbarren nach dem Homogenisieren mit einem Aluminiumlot plattiert
wird. Das aus diesem Walzbarren hergestellte Aluminiumband weist eine gleichmäßige
Schicht eines Aluminiumlotes auf, welches beim Löten zu besonders homogenen und gleichmäßigen
Lötverbindungen, beispielsweise zwischen den Lamellen, Rohren und Verteilern des Wärmetauschers,
führt. Wird nur eine Seite des erfindungsgemäßen Aluminiumbandes mit einem Aluminiumlot
plattiert, kann die andere Seite beispielsweise mit einer als Korrosionsschutz dienenden
Legierung plattiert oder beschichtet werden.
[0016] Vorzugsweise wird als Aluminiumlot eine Aluminiumlegierung mit einem Silizium-Gehalt
von 6 bis 13 Gew.-%, insbesondere eine AlSi7- oder AlSi10-Legierung, verwendet, welche
beim Schutzgaslöten ein besonders gutes Benetzungsvermögen im Hinblick auf die Benetzung
von in nicht oxidierender Atmosphäre verbliebener Oxidschichten auf den zu lötenden
Komponenten des Wärmetauschers mit Aluminiumlot aufweisen.
[0017] Schließlich wird die oben hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gemäß einer dritten
Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein Aluminiumband oder -blech zur Herstellung
von Wärmetauschern, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist,
gelöst. Wie bereits ausgeführt, weist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes
Aluminiumband oder -blech nach einer Kaltauslagerung nach dem Löten verbesserte Festigkeitswerte,
insbesondere Dehngrenze, auf, so dass die Wandstärken der Wärmetauscher weiter reduziert
werden können. Darüber hinaus kann das Schutzgaslöten mit nicht-korrosiven Flussmitteln
unter Verzicht auf cäsiumhaltige Flussmittel zur Herstellung der Wärmetauscher eingesetzt
werden.
[0018] Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Aluminiumband oder - blech eine Dicke von
maximal 2 mm, insbesondere 1 mm, auf. Durch die höhere Festigkeit gegenüber konventionellen
Werkstoffen kann bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Aluminiumbandes die Banddicke
weiter reduziert werden und somit Material bei der Herstellung von Wärmetauschern
eingespart und eine weitere Reduzierung des Gewichtes der Wärmetauscher erzielt werden.
Die Betriebssicherheit des Wärmetauschers wird, selbst bei höheren Betriebsdrücken,
aufgrund der höheren Festigkeit der Aluminiumlegierung dabei nicht beeinträchtigt.
[0019] Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die kaltaushärtbare Aluminiumlegierung
für Wärmetauscher gemäß der ersten Lehre der Erfindung, das Verfahren zur Herstellung
eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes für Wärmetauscher gemäß der zweiten Lehre der
Erfindung sowie das erfindungsgemäße Aluminiumband oder -blech zur Herstellung von
Wärmetauschern gemäß der dritten Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden.
Hierzu wird beispielsweise verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1, 5
und 9 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
eines Verfahrens zur Herstellung eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes für Wärmetauscher
gemäß der zweiten Lehre der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung.
[0020] In der Zeichnung zeigt die einzige Figur schematisch einen Fertigungsweg zur Verwirklichung
eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines kaltaushärtbaren
Aluminiumbandes für Wärmetauscher gemäß der zweiten Lehre der Erfindung.
[0022] Der geringe Bor-Gehalt von maximal 50 ppm verbessert die Recyclingfähigkeit der Aluminiumlegierung.
Die aus der eben beschriebenen Aluminiumlegierung im DC-Verfahren gegossenen Walzbarren
werden anschließend in einer Homogenisierungsstufe 2 homogenisiert. Besonders gute
Ergebnisse hinsichtlich der Homogenisierung des Walzbarrens wurden bei einer Temperatur
von 575 °C für mehr als 6 h, insbesondere 12 h erreicht. Anschließend an die Homogenisierung
werden die Walzbarren auf einem Tandem-Gerüst 3a auf eine Dicke von beispielsweise
7 mm warmgewalzt, wobei insbesondere die Endtemperatur beim Warmwalzen mehr als 300
°C, vorzugsweise 330 °C, betragen muss, um eine optimierte Gefügeausbildung während
des Warmwalzens zu gewährleisten. Alternativ kann das Warmwalzen aber auch auf einem
Reversiergerüst 3 durchgeführt werden und auf einem nicht dargestellten Haspel aufgewickelt
und auf das Warmwalzen im Tandem-Gerüst 3a verzichtet werden. Das sich anschließende
Kaltwalzen auf eine Enddicke von etwa 1 mm erfolgt auf ein- oder mehrgerüstigen Walzen
4. Wie das Warmwalzen kann das Kaltwalzen ebenfalls alternativ auf einem Reversiergerüst
reversierend erfolgen. Durch eine abschließende Weichglühung bei etwa 350 °C in einem
Kammerofen 5 wird das Aluminiumband in einen Zustand möglichst geringer Festigkeit
und hoher Dehnung überführt, um nachfolgende Umformarbeiten bei der Herstellung der
Komponenten der Wärmetauscher zu erleichtern.
[0023] Alternativ zu dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Bandes für Wärmetauscher kann der Walzbarren nach dem Homogenisieren
in der Homogenisierungsstufe 2 mit einem Aluminiumlot, beispielsweise aus einer AlSi7-
oder ALSi10-Legierung plattiert werden, um das nachträgliche Auftragen eines Aluminiumlotes
vor dem Löten von dem aus dem erfindungsgemäßen Band hergestellten Wärmetauschern
zu vermeiden. Hierzu muss der Walzbarren vor dem Warmwalzen auf eine Anwalztemperatur
von mindestens 400 °C, vorzugsweise 450 °C, aufgeheizt werden. Beim Löten von aus
dem erfindungsgemäßen Aluminiumband oder -blech hergestellten Wärmetauschern konnten
insbesondere beim Schutzgaslöten unter Verzicht auf cäsiumhaltige Flussmittel mit
Temperaturen bis 600 °C und typischen Abkühlgeschwindigkeiten von 30 °C/min von 600
°C bis 200 °C sowie einer Kaltauslagerung von ca. 30 Tagen bei Raumtemperatur nach
dem Löten besonders hohe Festigkeitswerte des Wärmetauschers, insbesondere Werte für
die Dehnungsgrenze von RP
0,2 ≥ 65 Mpa, erzielt werden.
2. Kaltaushärtbare Aluminiumlegierung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aluminiumlegierung Si, Mg und Cu als Hauptlegierungselemente enthält.
3. Kaltaushärtbare Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
die Summe der Legierungsanteile von Si, Mg und Cu 1,2 Gew.-% nicht übersteigt.
4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aluminiumlegierung als Legierungsbestandteil Ti aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung eines kaltaushärtbaren Aluminiumbandes für Wärmetauscher
aus einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Walzbarren im konventionellen Barren-Guss-Verfahren gegossen wird,
- der Walzbarren bei 500 bis 600 °C für mehr als 6 h, insbesondere für mehr als 12
h, homogenisiert wird,
- der Walzbarren bei mindestens 400 °C, vorzugsweise 450 °C, zu einem Band warmgewalzt
wird, wobei die Endtemperatur beim Warmwalzen mindestens 300 °C beträgt,
- das warmgewalzte Band auf Enddicke kaltgewalzt wird und anschließend einer Weichglühung
bei mindestens 300 °C, vorzugsweise 350 °C, unterzogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
das Warmwalzen und/oder das Kaltwalzen reversierend oder einsinnig auf ein- oder mehrgerüstigen
Walzen erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6
dadurch gekennzeichnet, dass
der Walzbarren nach dem Homogenisieren mit einem Aluminiumlot plattiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7
dadurch gekennzeichnet, dass
als Aluminiumlot eine Aluminiumlegierung mit einem Silizium-Gehalt von 6 - 13 Gew.-%,
insbesondere eine AlSi7- oder AlSi10-Legierung, verwendet wird.
9. Aluminiumband oder -blech zur Herstellung von Wärmetauschern bestehend aus einer Aluminiumlegierung
nach einem der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren nach
einem der Ansprüche 5 bis 8.
10. Aluminiumband oder -blech nach Anspruch 9
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aluminiumband oder -blech eine Dicke von maximal 2 mm, vorzugsweise 1 mm, aufweist.