[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminiumlegierung als Korrosionsschutzschicht
auf einem Blech oder Halbzeug, ein eine entsprechende Korrosionsschutzschicht aufweisendes
Blech oder Halbzeug und einen Wärmetauscher.
[0002] Wärmetauscher, insbesondere Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge und anderer Bauteile
aus einer Aluminiumlegierung sind häufig einer korrosiven Umgebung ausgesetzt. So
sind insbesondere die das Kühlmedium führenden Teile eines Wärmetauschers bei mangelhafter
Wartung des Kühlmediums ständig einem Korrosionsangriff ausgesetzt. Beim Betrieb der
Wärmetauscher kann beispielsweise der Fall auftreten, dass das zu kühlende Medium
einen pH-Wert von ca. 3 annimmt. Die normalerweise das Aluminium schützende Aluminiumoxidschicht,
welche sich automatisch ausbildet, ist in sauren Medien nur bis etwa zu dem pH-Wert
von 4,5 unlöslich. Bei geringeren pH-Werten beginnt nach der Auflösung der Oxidschicht
die Korrosion des darunter liegenden Aluminiums. Aus dem Stand der Technik ist nun
bekannt, die Korrosionsbeständigkeit beispielsweise eines Blechs oder Halbzeugs durch
Aufbringen einer Beschichtung bestehend aus einer Aluminium-Zink-Legierung zu erhöhen.
Die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit wird darauf zurückgeführt, dass das in
der Aluminium-Zink-Legierung enthaltene Zink im Bereich der Oberfläche einen den pH-Wert
erhöhende Pufferschicht erzeugt, wobei das oberflächennahe Zink in Lösung geht. So
entsteht eine Aluminium-Zink-Legierungsschicht, welche einen zunehmenden Zinkgehalt
mit zunehmender Schichttiefe aufweist. Beim Recycling der Produktionsschrotte aus
der Blech- und/oder Halbzeugherstellung sowie die Schrotte ganzer Wärmetauscher stellt
die Legierungskomponente Zink allerdings ein Problem dar, da Zink üblicherweise in
anderen Aluminiumlegierungen nicht in den anfallenden, relativ großen Mengen verwendet
wird. Entsprechend recycelte Aluminiumlegierungen lassen sich daher nicht flexibel
in anderen Bereichen einsetzen. In der
WO 2006/041518 A1 wird ferner eine Aluminium-Mangan-Legierung beschrieben, welche zur Verbesserung
der Festigkeit und zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit einen Magnesium(Mg)-Gehalt
von 0,05 bis 0,40 Gew.-% aufweist. Magnesium kann allerdings die Löteigenschaften
beeinflussen. Insbesondere bei der Herstellung von Wärmetauschern werden Flussmittel
zum Löten verwendet, welche auf Kaliumfluorid basieren. Bei diesen Flussmitteln reagiert
das Magnesium aus der Aluminiumlegierung mit dem Fluor, so dass schlechtere Lötergebnisse
erzielt werden.
[0003] Vom dem zuvor geschilderten Stand der Technik ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung für die Verwendung als Korrosionsschutzschicht
von Blechen oder Halbzeugen sowie entsprechende Bleche oder Halbzeuge und daraus hergestellte
Wärmetauscher vorzuschlagen, so dass bei gleichbleibender Korrosionsbeständigkeit
die Lötbarkeit der Bleche oder Halbzeuge und die Recyclingfähigkeit der daraus hergestellten
Bauteile bzw. Wärmetauscher optimiert sind.
[0004] Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe
durch die Verwendung einer Aluminiumlegierung dadurch gelöst, dass die Aluminiumlegierung
als Hauptlegierungskomponente Mangan und als Nebenlegierungskomponenten Silizium,
optional Eisen, Titan und Chrom enthält sowie neben Verunreinigungen die folgenden
Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist:

[0005] Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass eine Aluminiumlegierung mit Mangan
als Hauptlegierungskomponente, welche neben Silizium nahezu magnesium- und zinkfrei
ist bzw. bei welcher der Gehalt beider Legierungskomponenten in Summe maximal 0,1
Gew.-% beträgt, eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit aufweist und gleichzeitig einfach
recycelbar und lötbar ist. Die verwendete Aluminiumlegierung ist insbesondere bei
Medien mit einem pH-Wert von etwa 3 sehr beständig und ist aufgrund der geringen Zn-
und Mg-Gehalte gut löt- und recyclebar.
[0006] Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Aluminiumlegierung für
eine plattierte Korrosionsschutzschicht oder für eine mit dem Material des Blechs
oder Halbzeugs simultan gegossene Korrosionschutzschicht verwendet. Durch die Verwendung
des Walzplattierens können auf wirtschaftliche Weise große Mengen an Blechen mit einer
sehr genau definierten Dicke der Korrosionsschutzschicht erzeugt werden, wobei durch
das Walzplattieren eine besonders gute Verbindung zwischen Kernschicht und Korrosionsschutzschicht
erzielt wird. Simultanes Gießen der Korrosionsschutzschicht mit dem Material des Blechs
oder Halbzeugs führt zur Reduzierung der Anzahl an Arbeitschritten zur Herstellung
der Korrosionsschutzschicht auf einem Blech oder Halbzeug. Ein separates Walzplattieren
der Aluminiumlegierung für eine Korrosionsschutzschicht auf das Blech oder Halbzeug
ist dann nicht mehr erforderlich. Denkbar ist aber auch eine Kombination von Walzplattieren
und Simultangießen, beispielsweise dann, wenn weitere funktionale Schichten benötigt
werden.
[0007] Vorzugsweise weist die verwendete AlMn-Aluminiumlegierung einen Mangan-Gehalt von
1,2 bis 1,8 Gew.-% auf, so dass eine optimale Korrosionsbeständigkeit gewährleistet
ist. Unterhalb von 1,2 Gew.-% ist der Effekt von Mangan, die Korrosionsbeständigkeit
der Korrosionsschutzschicht zu gewährleisten nicht so stark ausgeprägt. Oberhalb von
1,8 Gew.-% können sich im Gefüge der Korrosionsschutzschicht grobe Manganausscheidungen
aufgrund der beschränkten Löslichkeit vom Mangan bilden. Diese groben Ausscheidungen
können prinzipiell zu einer verminderten Korrosionsbeständigkeit der Korrosionsschutzschicht
führen.
[0008] Um die Recyclingfähigkeit bei der Verwendung der Aluminiumlegierung zu verbessern,
weist die Aluminiumlegierung einen Zn-Gehalt von maximal 0,05 Gew.-% auf.
[0009] Kupfer führt schon in geringen Mengen zur Lokalelementbildung. Als Lokalelement bezeichnet
man ein kleinflächiges Korrosionselement, welches elektrisch leitend beispielsweise
durch einen Elektrolyten verbunden eine kurzgeschlossene galvanische Zelle bildet.
Dies kann zu Lochfraßkorrosion führen. Aus diesem Grund weist die erfindungsgemäß
verwendete Aluminiumlegierung einen Kupfer-Gehalt von maximal 0,05 Gew.-% auf.
[0010] Silizium führt in einem Gehalt von 0,3 bis 0,8 Gew.-% zu einer Verbesserung der Festigkeit
der Korrosionsschutzschicht durch Mischkristallverfestigung und kann so einen Beitrag
zur Festigkeit des Blechs oder Halbzeugs liefern. Bei einem Gehalt von weniger als
0,30 Gew.-% ist dieser Effekt nur gering ausgeprägt. Oberhalb von 0,8 Gew.-% verringert
sich die Schmelztemperatur der Aluminiumlegierung zu sehr, so dass diese in die Nähe
der Schmelztemperatur der Aluminiumlote, welche üblicherweise höhere Mengen an Silizium
ausweisen, gelangt. Ein Aufschmelzen der Korrosionsschutzschicht beispielsweise während
des Lötens ist allerdings nicht wünschenswert.
[0011] Optional weist die verwendete Aluminiumlegierung gemäß einer nächsten weiteren Ausführungsform
einen Chrom-Gehalt von 0,05 bis 0,25 Gew.-% auf. Chrom verbessert die Rekristallisation
der Korrosionsschutzschicht während des Lötens und führt damit zu einer Korngrößenverringerung.
Oberhalb eines Gehaltes von 0,25 Gew.-% können allerdings grobe Primärausscheidungen
entstehen, welche wiederum das Gefüge der Korrosionsschutzschicht negativ beeinflussen.
[0012] Viele gängige Aluminiumlegierungen enthalten Eisen. Deshalb weist gemäß einer nächsten
Ausführungsform der verwendeten Aluminiumlegierung diese maximal 0,5 Gew.-% Eisen
auf. Oberhalb eines Eisen-Gehaltes von 0,5 Gew.-% kann eine Lokalelementbildung nicht
ausgeschlossen werden. Durch den Eisengehalt von maximal 0,5 Gew.-% ist es möglich,
die Kosten zur Herstellung der verwendeten Aluminiumlegierung zu verringern, indem
beispielsweise Schrotte aus eisenhaltigen Aluminiumlegierungen zur Herstellung der
für die Korrosionsschutzschicht verwendeten Aluminiumlegierung benutzt werden.
[0013] Der Titan-Gehalt der verwendeten Aluminiumlegierung gemäß einer nächsten Ausführungsform
ist auf einen Gehalt von maximal 0,05 Gew.-% beschränkt. Titan wird zur Kornfeinung
beim Gießen der herzustellenden Aluminiumlegierung zugegeben. Titan zeigt jedoch eine
Wechselwirkung mit Chrom, so dass es bei höheren Ti-Gehalten zusammen mit vorhandenem
Chrom zur unerwünschten Primärkristallbildung kommen kann, die auch zu einem schlechteren
Umformverhalten der Korrosionsschutzschicht führt.
[0014] Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigt Aufgabe
durch ein Blech oder Halbzeug umfassend mindestens eine Kernschicht aus einer ersten
Aluminiumlegierung und mindestens einer Korrosionsschutzschicht hergestellt durch
die Verwendung einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung gelöst. Wie bereits zuvor
beschrieben, können Bleche oder Halbzeuge, welche eine entsprechende Korrosionsschutzschicht
aufweisen nicht nur besonders gut recycelt werden, sie erreichen bei hoher Korrosionsbeständigkeit
auch eine gute Lötbarkeit.
[0015] Gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Blechs oder Halbzeugs
weist die Korrosionsschutzschicht eine Dicke von 10 bis maximal 100 µm auf. Bei einer
Dicke von weniger als 10 µm ist eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit bei beispielsweise
Wasser führenden Bauteilen oder Blechen nicht mehr gewährleistet. Wohingegen bei einer
Dicke von mehr als 100 µm die Korrosionsbeständigkeit nicht weiter verbessert wird.
[0016] Vorzugsweise ist die Korrosionsschutzschicht aufplattiert oder zusammen mit dem Material
des Blechs oder Halbzeugs simultan gegossen. Beim Aufplattieren wird durch gemeinsames
Warmwalzen eines Blechs/Barrens aus der Korrosionsschutzschicht und eines Blechs/Barrens
aus dem (Kern-)Material des Blechs oder Halbzeugs eine stoffschlüssige Verbindung
mit hoher Wirtschaftlichkeit erzielt. Eine weitere Verringerung der Arbeitsschritte
zur Herstellung eines Verbundes aus Blech- bzw. Halbzeugmaterial und der Korrosionsschutzschicht
aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung kann durch simultanes Gießen des Materials
des Blechs oder Halbzeugs und der Korrosionsschutzschicht erreicht werden.
[0017] Umfasst das Blech oder Halbzeug mindestens eine weitere funktionale Schicht, so können
zusätzliche Eigenschaften des Blechs oder Halbzeugs gewährleistet werden. Beispielsweise
ist häufig, insbesondere bei Blechen oder Halbzeugen für Wärmetauscher, eine zweite
Plattierschicht aus einem Aluminiumlot vorgesehen, so dass eine gute Lötbarkeit auch
bei unzugänglichen Lötstellen erreicht wird. Als andere funktionale Schichten können
beispielsweise Plattierschichten aus einer Aluminiumlegierung mit besonders hoher
Festigkeit vorgesehen sein, welche eine Erhöhung der mechanischen Steifigkeit des
Bauteils erzielen.
[0018] Besonders vorteilhaft ist schließlich das erfindungsgemäße Blech oder Halbzeug dadurch
ausgestaltet, dass das Blech oder Halbzeug zur Verwendung in einem Wärmetauscher ausgebildet
ist, da insbesondere bei der Herstellung von Wärmetauschern einerseits eine sehr gute
Lötbarkeit und andererseits aufgrund von Umweltauflagen eine verbesserte Recyclingfähigkeit
von Wärmetauschern, insbesondere von Wärmetauschern von Kraftfahrzeugen gefordert
wird.
[0019] Das Blech oder Halbzeug kann insbesondere für die Verwendung in einem Wärmetauscher
dadurch besonders einfach ausgebildet sein, dass das Blech oder Halbzeug zu einem
Rohr umgeformt worden ist, wobei zumindest die Wasser führende Innenseite des Rohres
die Korrosionsschutzschicht aufweist. Mit entsprechenden Rohren ausgerüstete Wärmetauscher
zeigen eine besonders hohe Korrosionsbeständigkeit auch bei sauren Medien mit einem
pH-Wert von etwa 3.
[0020] Schließlich wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch einen Wärmetauscher, bei welchem
zumindest die Wasser führenden Bauteile aus einem erfindungsgemäßen Blech oder Halbzeug
hergestellt sind. Besonders vorteilhaft sind Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge, da
diese als Teil von Kraftfahrzeugen strengen Recyclingvorschriften unterliegen. Hinsichtlich
der weiteren Vorteile der Wärmetauscher wird auf die Ausführungen zu den erfindungsgemäßen
Blechen oder Halbzeugen verwiesen.
[0021] Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die erfindungsgemäße Verwendung einer
Aluminium-Mangan-Legierung als Korrosionsschutzschicht auf einem Blech oder Halbzeug,
die Bleche oder Halbzeuge sowie entsprechend daraus hergestellte Wärmetauscher auszugestalten
und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen
1 und 10 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
- Fig. 1
- eine schematische Schnittansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Blechs,
- Fig. 2
- eine schematische Schnittansicht eines aus dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 hergestellten
Halbzeugs für einen Wärmetauscher und
- Fig. 3
- eine schematische Schnittansicht eines Wärmetauschers hergestellt unter Verwendung
des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2.
[0022] In der Fig. 1 ist nun in einer schematischen Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Blechs 1 dargestellt. Das Blech 1 weist eine Korrosionsschutzschicht
2, eine Kernschicht 3 und eine zusätzliche Funktionsschicht 4, vorzugsweise eine Aluminiumlotschicht
auf. Die Korrosionsschutzschicht 2 hat eine Dicke von 10 µm bis 100 µm und besteht
aus einer Aluminiumlegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen in Gew.-%:
1,2 % ≤ Mn ≤ 1,8 %,
0,3 % ≤ Si ≤ 0,8 %,
Mg + Zn ≤ 0,1 %
Fe ≤ 0,5 %,
Cu ≤ 0,05 %,
Ti ≤ 0,05 %,
unvermeidbare Verunreinigungen max. in Summe 0,1 %, einzeln max. 0,05 % und Rest Al.
[0023] Optional kann auch noch ein Chromgehalt von 0,05 bis 0,25 Gew.-% in der Aluminiumlegierung
der Korrosionsschutzschicht 2 vorgesehen sein. Die Korrosionsschutzschicht 2 zeigt
einerseits ein gutes Korrosionsschutzverhalten auch bei Kontakt mit Medien, welche
einen pH-Wert von etwa 3 aufweisen. Der Magnesium-Gehalt der Korrosionsschutzschicht
ist erfindungsgemäß gering, so dass nahe zu keine Reaktionen mit kaliumfluoridhaltigen
Flussmitteln entstehen. Beim Löten eines mit einer entsprechenden Korrosionsschutzschicht
2 ausgestatteten Blechs werden daher gute Ergebnis erzielt. Zusätzlich kann das Blech
1 und daraus hergestellte Halbzeuge sowie bei der Produktion anfallende Schrotte sehr
gut recycelt werden, da die Legierungszusammensetzung fast zinkfrei ist.
[0024] In Fig. 2 ist nun ein aus dem Blech 1 hergestelltes Rohr 5 in einer schematischen
Querschnittsansicht dargestellt. Die Korrosionsschutzschicht 2 sowie die Aluminiumlotschicht
4 werden üblicherweise durch Walzplattieren mit der Kernschicht 3 verbunden. Die Verbindung
wird beim Walzplattieren dadurch erreicht, dass die Kernschicht 3 zusätzlich zusammen
mit den Schichten 2 und 4 warmgewalzt wird, so dass aufgrund der hohen Temperatur
eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Schichten erzielt wird. Ein
entsprechend hergestelltes Blech 1 kann deshalb auch gut zu einem Rohr 5 umgeformt
werden. Im Inneren des Rohres 5 kann beispielsweise ein Kühlmedium geführt werden,
wobei die Korrosionsschutzschicht 2 die Kernschicht 3 vor Korrosion schützt. Die vorzugsweise
aus einem Aluminiumlot 4 bestehende äußere Schicht des Rohres 5 dient dazu, das Rohr
5 beispielsweise bei der Herstellung eines Wärmetauschers 6 mit den übrigen Bauteilen
des Wärmetauschers zu verlöten.
[0025] Statt des zuvor genannten Walzplattierens der Korrosionsschutzschicht 2 und der Aluminiumlotschicht
4 auf die Kernschicht 3 ist es auch möglich, die Kernschicht 3, die Korrosionsschutzschicht
2 und/oder die Aluminiumlotschicht 4 simultan zu einem entsprechenden Schichtverbundwerkstoff
zu gießen und in nachfolgenden Arbeitsschritten zu einem Rohr 5 umzuformen.
[0026] Einen Wärmetauscher 6 in einer schematischen Querschnittsansicht zeigt die Fig. 3.
Der Wärmetauscher 6 besteht vorzugsweise aus einem Blechlamellenpaket 7 sowie den
das Kühlmedium führenden Rohren 5. Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Ausführungsform
eines Wärmetauschers stellt selbstverständlich nur eine mögliche Ausführung eines
Wärmetauschers dar. Charakteristisch ist, dass Wärmetauscher zumeist gelötet werden
und Kühlmedien führende Bauteile, wie Rohre etc. aufweisen. Jedenfalls können die
im Inneren, an der das Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, führenden Innenseite mit der
Korrosionsschutzschicht 2 beschichteten Rohre 5 und Bauteile eines Wärmetauschers
auch mit einem Kühlmedium betrieben werden, welches zumindest zeitweise einen pH-Wert
von etwa 3 aufweist, ohne dass die Korrosionsbeständigkeit des Wärmetauschers gefährdet
ist. Gleichzeitig können die Wärmetauscher 6 auch besonders einfach recycelt werden,
da der Zinkanteil in der verwendeten Aluminiumlegierung sehr gering ist.
1. Verwendung einer Aluminium-Mangan(AlMn)-Legierung als Korrosionsschutzschicht auf
einem Blech oder Halbzeug,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung als Hauptlegierungskomponente Mangan und als Nebenlegierungskomponenten
Silizium, optional Eisen, Titan und Chrom enthält sowie neben Verunreinigungen die
folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist:
2. Verwendung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung für eine plattierte Korrosionsschutzschicht oder für eine
mit dem Material des Blechs oder Halbzeugs simultan gegossene Korrosionschutzschicht
verwendet wird.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Mangan-Gehalt von 1,2 bis 1,8 Gew.-% aufweist.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Zn-Gehalt von maximal 0,05 Gew.-% aufweist.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Kupfer-Gehalt von maximal 0,05 Gew.-% aufweist.
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Silizium-Gehalt von 0,3 bis 0,8 Gew.-% aufweist.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Chrom-Gehalt von 0,05 bis 0,25 Gew.-% aufweist.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Eisen-Gehalt von kleiner als 0,5 Gew.-% aufweist.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Titan-Gehalt von maximal 0,05 Gew.-% aufweist.
10. Blech oder Halbzeug umfassend mindestens eine Kernschicht aus einer ersten Aluminiumlegierung
und mindestens einer Korrosionsschutzschicht bestehend aus einer Aluminiumlegierung
gemäß Anspruch 1 bis 9.
11. Blech oder Halbzeug nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht eine Dicke von 10 bis maximal 100 µm aufweist.
12. Blech oder Halbzeug nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht aufplattiert ist oder die Korrosionsschutzschicht mindestens
zusammen mit dem Material des Blechs oder Halbzeugs simultan gegossen ist.
13. Blech oder Halbzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Blech oder Halbzeug mindestens eine weitere Schicht oder Plattierschicht aus
einem Aluminiumlot umfasst.
14. Blech oder Halbzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das Blech oder Halbzeug zur Verwendung in einem Wärmetauscher ausgebildet ist.
15. Blech oder Halbzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Blech oder Halbzeug zu einem Rohr umgeformt worden ist, wobei zumindest die Wasser
führende Innenseite des Rohres die Korrosionsschutzschicht aufweist.
16. Wärmetauscher dessen Wasser führende Bauteile aus einem Blech oder Halbzeug nach einem
der Ansprüche 9 bis 14 hergestellt sind.