Aluminiumknetlegierung und Wärmetauscherkomponente aus dieser Legierung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, die eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Umformeigenschaften aufweist. Aus einer solchen Aluminiumlegierung lassen sich Wärmetauscherkomponenten herstellen, insbesondere Wärmetauscherhohlprofile oder Wärmetauscherrohre, die zusammen mit Sammlerrohren und Lamellen durch Hartlöten zu einem Wärmetauscher verbunden werden.

[0002] Aluminiumwärmetauscher haben eine breite Anwendung gefunden, z.B. im Fahrzeugbau, insbesondere aufgrund ihres leichten Gewichts. Ein solcher Wärmeaustauscher muss für seine Anwendung in der Fahrzeugindustrie eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Wärmeaustauschleistung besitzen. Für die Herstellung des Wärmetauschers sind auch gute Umformeigenschaften und eine ausreichende Festigkeit des Aluminiumsmaterials wichtig.

[0003] Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit wurde bisher von den Kraftfahrzeugherstellern gefordert, dass die Wärmetauscher dem sogenannten SWAAT-Test mindestens 20 Tage überstehen. Bei diesem SWAAT-Test wird die Korrosionsbeständigkeit in einer extremen Atmosphäre geprüft. Die Wärmerauscherkomponenten werden dazu einem künstlich hergestellten Meerwasser, welches mit Essigsäure auf einen pH-Wert von ca. 2,9 eingestellt ist, ausgesetzt. Bei einer Lebensdauer von mehr als 20 Tagen in dieser hoch korrosiven Atmosphäre wird davon ausgegangen, dass ein Wärmetauscher, beispielsweise ein Wärmetauscher aus Aluminium-Wärmetauscherkomponenten, die durch Hartlöten miteinander verbunden sind, den Anforderungen im Kraftfahrzeug standhalten kann. Da es trotzdem zu Ausfällen von Wärmetauschern durch Auftreten verschiedenster Korrosionserscheinungen in der Vergangenheit gekommen ist, haben die Kraftfahrzeughersteller die Testbedingungen verschärft. Ein Wärmetauscher muss nunmehr eine Lebensdauer von mehr als 40 Tagen unter SWAAT-Test-Bedingungen zeigen.

[0004] Bisher wurden gute Testergebnisse, d.h. mehr als 20 Tage Lebensdauer unter SWAAT-Test-Bedingungen durch Zinkbeschichtungen oder Chromatieren der Aluminiumoberfläche der Wärmetauscherkomponenten erreicht. Aluminiumbauteile für Kraftfahrzeuge werden seit Inkrafttreten der Altautoverordnung jedoch aufgrund der dort enthaltenen Restriktionen nicht mehr chromatisiert. Zinkbeschichtungen für Wärmetauscherelemente sind weit verbreitet, da eine Zinkbeschichtung vorteilhaft in den Produktionsprozess integriert werden kann. So wird durch Lichtbogenspritzen Zink auf das noch heiße Profil unmittelbar nach Verlassen der Strangpresse aufgetragen. Üblich sind Beschichtungsdicken von 10 g/m2. Wird mehr Zink aufgetragen, so kann dies beim Lötprozess dazu führen, dass an der Verbindungsstelle Zinkoxid oder Zinkhydroxid gebildet wird, welches das Wärmetauscherrohr an dieser Stelle zu einer Opferanode macht. Dies kann infolge dazu führen, dass das Wärmetauscherrohr seine Verbindung zur Lamelle verliert. Die Zinkmenge zu reduzieren führt nicht zu besseren Korrosionsbeständigkeiten, da bei einer Schichtdicke von 8 g/m² etwa die technische Grenze erreicht ist. Bei geringeren Mengen kann nicht mehr gewährleistet werden, dass die Oberfläche gleichmäßig beschichtet ist, was wiederum zu schlechteren Korrosionsergebnissen führt. Dies bedeutet, dass allein mit einer Veränderung der Zinkbeschichtung die verschärften SWAAT-Bedingungen nicht erfüllt werden können.

[0005] Es gab bereits in der Vergangenheit viele Bestrebungen, Wärmetauscherelemente aus korrosionsbeständigen Aluminiumlegierungen herzustellen, die keiner Zinkbeschichtung bedürfen. Eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit weist eine reine Aluminiumbasislegierung auf, die wenig Verunreinigungen enthält. Eine solche Legierung zeigt jedoch sehr geringe Festigkeiten, so dass sie für industrielle Anwendungen nicht in Frage kommt. Es ist bekannt, zur Erhöhung der Festigkeit dem Aluminium verschiedenste Legierungselemente zuzusetzen. Diese haben jedoch einen unterschiedlich hohen Einfluss auf die zu erreichenden Korrosionsbeständigkeitseigenschaften der entstehenden Legierung.

[0006] In der europäischen Patentschrift EP 996 754 B 1 wird eine Aluminiumlegierung beschrieben, die im Vergleich zu der standardisierten Legierung 3102, einer AlMn0.4-Legierung, eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist. Dies wird insbesondere auf Legierungselemente wie Zirkonium, Chrom und Zink zurückgeführt, die vorzugsweise in Gehalten von 0,1 bis 0,18 Gew% enthalten sind. Darüber hinaus werden die Anteile an Eisen, Silizium und Mangan niedrig gehalten. In dem europäischen Patent EP 1 017 865 B 1 ist eine vergleichbare korrosionsbeständige Aluminiumlegierung offenbart, bei der das Zirkonium durch Titan ersetzt wurde. Diese Aluminiumlegierungen besitzen jedoch aufgrund der niedrigen Mangangehalte für viele Anwendungen keine ausreichende Festigkeit.

[0007] In einem weiteren europäischen Patent EP 866 746 B 1 wird für Wärmetauscherrohre eine Aluminiumlegierung offenbart, bei der ebenfalls die Eisen- und Siliziumgehalte streng kontrolliert werden, ebenso auch die Zinkgehalte. Die Kupfergehalte sollen vorzugsweise zwischen 0,5 und 1 Gew.% liegen. Der mögliche Anteil an Mangan wird mit 0,7 bis 1,5 Gew% angegeben. Angaben zur Lebensdauer solcher Wärmertauscherrohre sind nicht enthalten, insbesondere keine vergleichbaren SWAAT-Test-Ergebnisse. Solche hohen Kupfergehalte führen in der Regel zu Kupferausscheidungen, die in nachteiliger Weise als Korrosionselemente wirken können.

[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Aluminiumlegierung, insbesondere für Wärmetauscherkomponenten, zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig verbesserten Umformeigenschaften für das Strangpressen aufweist.

[0009] Diese Aufgabe wird mit einer Aluminiumlegierung der Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 erfüllt.

[0010] Bevorzugt ist eine Aluminiumlegierung mit minimalen Anteilen an Verunreinigungen von Eisen, Silizium, Zink, Chrom und Zirkonium. Diese Verunreinigungen sind bereits in der Basislegierung enthalten. Um diese Anteile möglichst gering zu halten, wird als Basiswerkstoff ein reines Aluminiummaterial mit mindestens 99.85 Gew% Aluminium verwendet. Dieser Basiswerkstoff wird aus Frischmetall hergestellt und enthält in der Regel nicht mehr als 0,06 Gew% Silizium sowie 0,06 Gew% Eisen. Einer solchen Basislegierung werden beim Gießen die gewünschten Legierungsbestandteile Mangan, Kupfer und Titan zugesetzt. Titan dient hierbei als Kornfeinerungsmittel, wobei Gehalte von 0,003 bis 0,01 Gew% Titan optimal sind.

[0011] Kupfer wird in Gew% von 0,15 bis 0,5 Gew% zugesetzt, vorzugsweise 0,2 bis 0,4 Gew%, besonders bevorzugt 0,3 Gew% Kupfer. Der Anteil an Kupfer in der Aluminiumlegierung verbessert an sich nicht die Korrosionseigenschaften der Aluminiumlegierung. Es wird lediglich die auftretende Korrosionsform verändert. Ist kein Kupfer oder sind nur sehr geringe Anteile an Kupfer in der Legierung enthalten, so neigt die Aluminiumlegierung zu Lochfraßkorrosion. Die erfindungsgemäßen Anteile an Kupfer in den Legierungen führen, wenn Korrosionserscheinungen auftreten sollten, zu einer Kontaktkorrosion. Diese ist im Gegensatz zu der punktuell auftretenden Lochfraßkorrosion eine über die gesamte Oberfläche gleichmäßig verteilte Korrosionserscheinung, die Aluminiumbauteile in wesentlich geringerem Maße negativ beeinflusst. Mehr als 0,5 Gew% Kupfer sollte der Legierung nicht zugegeben werden, da sich ansonsten die Verpressbarkeit aufgrund auftretender AlCu-Phasen verschlechtert.

[0012] Mangan ist als Verstärkungskomponente in der Aluminiumlegierung und beeinflusst die mechanischen Eigenschaften. Sehr hohe Mangangehalte größer 0,7 Gew%, wie in dem vorbekannten Patent EP 866 746 angeben, führen zu größeren Ausscheidungen in der Legierung, die dann als Korrosionselemente wirken können. Zudem sind Aluminiumlegierungen mit hohen Anteilen an Mangan relativ schlecht umformbar, d.h., eine solche Aluminiumlegierung kann nur mit geringer Pressgeschwindigkeit zu Profilen verarbeitet werden, was insbesondere bei den dünnwandigen Wärmetauscherkomponenten zu einem hohen Werkzeugverschleiß führt. Untersuchungen haben gezeigt, dass Gewichtsanteile von 0,2 Gew% und größer bis zu einem Anteil von weniger als 0,7 Gew% Mangan zu einer Aluminiumlegierung führen, die eine ausreichende Festigkeit bei guter Umformbarkeit aufweist.

[0013] Ein getesteter Wärmetauscher mit Mehrkammerhohlprofilen aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung zeigte bei einem SWAAT-Test nach 40 Tagen keinerlei Korrosionserscheinungen. Dies ist des Weiteren darauf zurückzuführen, dass die Fügepartner des Mehrkammerhohlprofils in dem Aluminiumwärmetauscher, nämlich die Sammlerrohre und die Lamellen aus einem Aluminiumwärmestoff bestehen, der unedler ist als die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung. So wurden insbesondere gute Ergebnisse erreicht, wenn es sich bei dem Aluminiumwerkstoff der Fügepartner um eine Aluminiumlegierung mit einem Gewichtsanteil an Zink größer 0,1 Gew%, bevorzugt 1 bis 2 Gew% handelt und/oder einem Gewichtsanteil an Kupfer von weniger als 0,15 Gew%.

Ansprüche

1. Aluminiumknetlegierung mit guten Umformeigenschaften und einer sehr hohen Korrosionsbeständigkeit, insbesondere einer Lebensdauer von mehr als 40 Tagen unter SWAAT-Bedingungen,
hergestellt aus einem Aluminiummaterial mit mindestens 99.85 Gew% Aluminium, also mit maximal 0.15 Gew% unvermeidbare Verunreinigungen insgesamt, davon:

maximal 0.1	Gew%	Eisen,
maximal 0.1	Gew%	Silizium,
maximal 0.05	Gew%	Zink,
maximal 0.01	Gew%	Chrom,
maximal 0.01	Gew%	Zirkonium,

durch Zugabe von Mangan, Kupfer und Titan, so dass sich folgende Zusammensetzung der Aluminiumlegierung ergibt:

0.2 bis kleiner 0.7	Gew%	Mangan,
0.15 bis 0.5	Gew%	Kupfer,
0.003 bis 0,01	Gew%	Titan,
maximal 0.15	Gew%	unvermeidbare Verunreinigungen insgesamt,
Rest		Aluminium.

2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise bis 0.7 Gew% Mangan enthalten sind.

3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise 0.4 bis 0.6 Gew% Mangan und 0.2 bis 0.4 Gew% Kupfer enthalten sind.

4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 0.5 Gew% Mangan und 0.3 Gew% Kupfer enthalten sind.

5. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass maximal 0.8 Gew% Eisen, vorzugsweise maximal 0.6 Gew% Eisen, enthalten sind.

6. Wärmetauscherkomponente aus einer Aluminiumknetlegierung mit einer Zusammensetzung:

0.2 bis kleiner 0.7	Gew%	Mangan,
0.15 bis 0.5	Gew%	Kupfer,
0.003 bis 0,01	Gew%	Titan,
maximal 0.15	Gew%	unvermeidbare Verunreinigungen insgesamt,
Rest		Aluminium.

7. Wärmetauscherkomponente nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Strangpressen zu einem Rohr oder Hohlprofil, vorzugsweise zu einem flachen Mehrkammerhohlprofil geformt ist.

8. Wärmetauscher mit Sammlerrohren und Lamellen jeweils aus Aluminiumlegierungsmaterial sowie Wärmetauscherhohlprofile oder Wärmetauscherrohren aus einer Aluminiumknetlegierung gemäß Anspruch 1, wobei die Sammlerrohre oder Lamellen mit den Wärmetauscherhohlprofilen oder Wärmetauscherrohren durch Hartlöten miteinander verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sammlerrohre und/oder Lamellen aus einer weniger edleren Aluminiumlegierung bestehen als die Wärmetauscherhohlprofile oder Wärmetauscherrohre.

9. Wärmetauscher gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammlerrohre und/oder Lamellen aus einer Aluminiumlegierung mit mehr als 0.1 Gew% Zink, vorzugsweise 1 bis 2 Gew% Zink, bestehen.

10. Wärmetauscher gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammlerrohre und/oder Lamellen aus einer Aluminiumlegierung mit weniger als 0.15 Gew% Kupfer bestehen.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.

1. Aluminiumknetlegierung mit guten Umformeigenschaften und einer sehr hohen Korrosionsbeständigkeit, insbesondere einer Lebensdauer von mehr als 40 Tagen unter SWAAT-Bedingungen, mit der folgende Zusammensetzung:

0.2 bis kleiner 0.7	Gew%	Mangan,
0.15 bis 0.5	Gew%	Kupfer,
0.003 bis 0,01	Gew%	Titan,
maximal 0.15	Gew%	unvermeidbare Verunreinigungen insgesamt,
	davon:
	maximal 0.1 Gew%	Eisen,
	maximal 0.1 Gew%	Silizium,
	maximal 0.05 Gew%	Zink,
	maximal 0.01 Gew%	Chrom,
	maximal 0.01 Gew%	Zirkonium,
Rest	Aluminium.

2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise 0.4 bis 0.6 Gew% Mangan und 0.2 bis 0.4 Gew% Kupfer enthalten sind.

3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 0.5 Gew% Mangan und 0.3 Gew% Kupfer enthalten sind.

4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass maximal 0.06 Gew% Eisen, enthalten sind.

5. Wärmetauscherkomponente aus einer Aluminiumknetlegierung gemäß Anspruch 1.

6. Wärmetauscherkomponente nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Strangpressen zu einem Rohr oder Hohlprofil, vorzugsweise zu einem flachen Mehrkammerhohlprofil geformt ist.

7. Wärmetauscher mit Sammlerrohren und Lamellen jeweils aus Aluminiumlegierungsmaterial sowie Wärmetauscherhohlprofile oder Wärmetauscherrohren aus einer Aluminiumknetlegierung gemäß Anspruch 1, wobei die Sammlerrohre oder Lamellen mit den Wärmetauscherhohlprofilen oder Wärmetauscherrohren durch Hartlöten miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammlerrohre und/oder Lamellen aus einer weniger edleren Aluminiumlegierung bestehen als die Wärmetauscherhohlprofile oder Wärmetauscherrohre.

8. Wärmetauscher gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammlerrohre und/oder Lamellen aus einer Aluminiumlegierung mit mehr als 0.1 Gew% Zink, vorzugsweise 1 bis 2 Gew% Zink, bestehen.

9. Wärmetauscher gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammlerrohre und/oder Lamellen aus einer Aluminiumlegierung mit weniger als 0.15 Gew% Kupfer bestehen.