DE2163265B2 - Verwendung von roehren aus einer aluminiumlegierung zur herstellung von hochleistungswaermeaustauschern mit verbesserter widerstandsfaehigkeit bei erosion- korrosionsbeanspruchung in waessriger umgebung - Google Patents

Description

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Durch die weitverbreitete Verwendung von Aluminiumröhren in wäßriger Umgebung ist die Entwicklung von Aluminiumröhren mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegen Erosion-Korrosion in wäßriger Umgebung sehr wünschenswert.

Zum Beispiel sollten Aluminiumröhren, die bei Wärmetauschern wie Aluminiumradiatoren (Aluminiumheizkörper, -strahler, -kühler) verwendet werden, eine hohe Beständigkeit gegen einen durch ein wäßriges Medium als Wärmeaustauschflüssigkeit verursachten Erosion-Korrosionsschaden aufweisen.

Aluminiumradiatoren oder -kühler für Kraftfahrzeuge sind sehr eingehend geprüft worden. Bevorzugt werden solche Materialien, die während des natürlichen Alterns des hartgelöteten Radiators eine hohe Festigkeit entwickeln und so hartgelötet werden, daß eine Bandfabrikation möglich ist. Unglücklicherweise unterliegen aber geeignete Materialien oft einer Erosion-Korrosion und haben somit durch die Entwicklung von Undichtigkeiten im Betrieb eine begrenzte Lebensdauer. Diese Undichtigkeiten können durch Kanal- oder Riefenbildung infolge Erosion-Korrosion entstehen, wobei die Röhrenwand ausgehöhlt wird, wenn der Kühlmittelstrom um Blockierungen in den Röhren herumfließt. Die in solchen Kanälen oder Riefen auftretenden, sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten führen leicht zu Erosion-Korrosionsschäden, wenn das Material nicht sehr widerstandsfähig gegen diese Beschädigungsart ist.

In der GB-PS 8 64 722 ist eine ausscheidungshärtbare Aluminium-Zink-Legierung beschrieben, bestehend aus 0,4 bis 1,5% Silizium, 0,4 bis 1,5% Magnesium, 0,1 bis 0,5% Chrom und/oder 0,1 bis 0,5% Kupfer, bis 0,7% Eisen, wobei Titan, Molybdän, Zirkonium, Mangan und Bor insgesamt 0,25% nicht überschreiten soll, Rest Aluminium und bis 0,15% an üblichen Verunreinigungen. Diese Legierung soll als Kernteil in Verbundwerkstoffen für die Herstellung von Heißwassertanks und -rohre eingesetzt werden, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen heißes Wasser aufweisen.

Aus der GB-PS 6 39 143 ist es bekannt geworden, Wärmetauscher (ölkühler) aus Aluminiumrohren herzustellen, wobei die Rohrenden unter Druck autogen miteinander verschweißt werden. Als einsetzbare Aluminiumlegierung ist dort eine Zusammensetzung von 0,25% Chrom, 0,25% Kupfer, 1,0% Magnesium. 0,6% Silizium, Rest Aluminium angegeben.

In der US-PS 35 30932 ist ein Wärmetauscher bestehend aus zwei metallurgisch miteinander verbundenen Legierungen beschrieben. Dabei ist eine Aluminiumlegierung als Kern vorgesehen, bestehend aus 0 bis 1,0% Eisen plus Silizium, 0.1 bis 0,5% Zirkonium, 0,05 bis 0^5% Chrom, 0,1 bis 1,0% Mangan. 0,05 bis 0,5% Vanadium, 0,05 bis 0,5% Molybdän, während die Plattierung aus Kupfer besteht

Diese bekannten Legierungen wurden jedoch bislang nicht für die Herstellung von Hochleistungswärmeaustauschern verwendet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Verwendung von Röhren aus einer Aluminium-Legierung für Hochleistungswärmeaustauscher vorzuschlagen, die eine verbesserte Beständigkeit gegen Erosion-Korrosion in wäßriger Umgebung aufweisen und welche Wärme gut leiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung von Röhren aus einer Aluminiumlegierung, bestehend aus 0,4 bis 1.2% Silizium. 0,3 bis 1.4% Magnesium. 0.1 bis 0.4% Chrom. 0,1 bis 0,5% Kupfer, bis 1% Eisen, bis 0,5% Mangan, bis 0.5% Zink, bis 0.2% Zirkonium, bis 0,2% Titan, bis 0.2% Nickel, bis 0,05% Bor und bis jeweils 0,05% andere Stoffe, deren Gesamtgehalt 0,15% nicht übersteigt. Rest Aluminium, gegebenenfalls im ausscheidungsgehärteten Zustand, zur Herstellung von Hochleistungswärmeaustauschern mit verbesserter Widerstandsfähigkeit bei Erosion-Korrosionsbeanspruchung in einer wäßrigen Umgebung, die mindestens ein Sammelrohrelement, das mit mindestens einer Röhre mit einer Wanddicke von maximal 2,54 mm, vorzugsweise von 0,25 bis 0,76 mm, verbunden ist, und eine mit der Röhre verbundene sekundäre Wärmeaustauschfläche aus gewelltem Rippenmaterial aufweisen, besonders derart aufgebaute Kraftfahrzeugkühler.

Die bevorzugte Ausführungsform besteht aus zwei parallelen Sammelrohrelementen, die mit einer Mehrzahl lotrecht zu diesen verlaufenden Röhren verbunden sind, wobei gewelltes Rippenmaterial mit den Röhren verbunden ist.

Die Metallröhren sind mit Eingangs- und Ausgangsenden versehen, diese sind an zwei Rohrplatten befestigt; durch diese Röhren wird eine erste wäßrige Flüssigkeit geleitet, und die Außenfläche der Röhren wird mit einer zweiten Flüssigkeit in Berührung gebracht, das im Wärmeaustauschverhältnis mit der ersten Flüssigkeit steht.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung ist eine teilweise weggeschnittene Vorderansicht eines Kraftfahrzeugkühlers mit den anmeldungsgemäß verwendeten Röhren gezeigt.

Die erfindungsgemäß verwendeten Röhren zeichnen sich durch eine erstaunlich verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Erosion-Korrosion in wäßriger Umgebung aus. Es ist besonders überraschend, daß sich diese verbesserte Widerstandsfähigkeit zusammen mit ausgezeichneten mechanisch-technologischen Eigenschaften erreichen läßt. Zum Beispiel weisen die erfindungsgemäß verwendeten Röhren entweder in dem wie hartgelöteten oder künstlich gealterten Zustand gute Festigkeit auf. In dem hartgelöteten Zustand betragen

-strahler, -kühler) wird ebenfalls auf herkömmliche Weise durch Hartlöten hergestellt Als besonderes Beispiel läßt sich ein Aluminiumiadiator herstellen aus erfindungsgemäß zu verwendenden Röhren mit einer Wanddicke von 0,43 mm und einem Rippenmaterial, das entweder die gleiche Zusammensetzung wie die Röhren hat oder aus einer herkömmlichen Aluminiumlegierung 6951 besteht, die beidseitig mit einer geeigneten Aluminiumlegierung der 4000-Reihe, z. B. Aluminiumle-

lse Werte für die 0,2-Dehngirenze mindestens ^, w_mm² und für die Zerreißfestigkeit mindestens i«Ywmm²- In gealtertem Zustand betrager die Werte '-jäf die 0,2-Dehngrenze mindestens ²¹ ^mm² und für T_e Zerreißfestigkeit mindestens 24^ kg/mm².

Die ausgezeichnete Beständigkeit der Röhren gegen

Erosion-Korrosion ist in Verbindung mit ihren guten

hvsikalischen sowie mechanisch-technologischen

fJenschafteft kommerziell sehr erwünscht Wegen

dieser Kombination von Eigenschaften eignen sich die i₀ gierung 4043Γ4343 oder 4045 plattiert ist Zunächst wird Röhren sehr gut für die erfindungsgemäße Verwendung eine Anordnung, welche die Gestalt des gewünschten in Hochleistungswarmeaustauschem, besonders in Aluminiumradiators hat, hergestellt Die fixierte Anordeinem Aluminiumradiator hoher Festigkeit und langer nung wird mit einem Salzflußmittel durch Eintauchen Lebensdauer. überzogen und dann kontinuierlich im Ofen hartgelötet

Inder erfindungsgemäß verwendeten Aluminiumle- 15 Die Radiatoren durchlaufen einen Wind- oder Flammoaierung beträgt der bevorzugte Chromgehalt 0,2 bis fen, worin das Hartlot schmilzt und dann erstarrt 035%. Der bevorzugte Kupfergehalt betrat 0,15 bis wodurch eine fest zusammengefügte Anordnung ent-030%· Silizium und Magnesium weisen bevorzugte steht Es können aber auch flußmittellose Hartlötverfah-Gehalte von 0,5 bis 0.90% bzw. 0,5 bis 1,0% auf. ren angewandt werden. Wenn die Anordnung den

Die Röhren weisen eine Wanddicke von nicht mehr ₂₀ Flammofen auf einem Förderband verläßt, wird sie mit , „,^-.__ _J:. ο^___ ■_ Spritzwasser abgeschreckt.

Somit kann erfindungsgemäß die hochfeste Hochleistungs-Wärmeaustauscheranordnung die Gestalt haben, die in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustauschers dargestellt ist Die Kühler- oder Radiatoranordnung umfaßt ein Wärmeableitungsaggregat oder einen Kern 11. der an den entgegengesetzten Enden einen oberen Behälter oder ein Einlaßsammelrohrelement 12 und einen unteren Behälter oder ein Auslaßsammelrohrelement 13 aufweist, die mit den Auslaß- bzw. Einlaßleitungen eines Kühlmantels eines Zyiinderblocks für den Durchfluß eines kühlenden wäßrigen Mittels von einem Behälter zu dem anderen verbunden werden können. Der Kern 11 besteht aus einer Reihe von Wasserrohren 14 für den Flüssigkeitsdurchgang. Die Röhren werden durch Rippen 15 auf Abstand gehalten. Die Rippen sind zwischen den Röhren 14 gefalzt oder gewellt und erstrecken sich zwischen den benachbarten Wänden benachbarter

als 2.54 mm auf. Werden die Röhren in einem Hochleistungsaluminiumradiator angewandt, so haben sie eine Wanddicke von 0.76 mm und weniger und vorzugsweise eine Wanddicke von 0,25 mm bis zu

Radiatorröhren sind im allgemeinen zu runden Röhren nahtgeschweißt und zu einem ovalen oder flachen Querschnitt abgeflacht. Somit haben RöLen dieser Art zwei Abmessungen. Die kleinere Abmessung beträgt vorzugsweise 1.27 bis 5,08 mm. Die größere Abmessung beträgt vorzugsweise 7,62 bis 30,48 mm. Zur allgemeinen Anwendung als Hochleistungswärmeaustauscher läßt sich das Rohrmaterial bei einem Auöendurchmesser bis zu mehreren mm und vorzugsweise mit einem Außendurchmesser von 6,35 mm bis 50.8 mm verwenden.

Die erfindungsgemäß verwendete Röhre ist auch durch eine Verbesserung der Eigenschaften nach dem Altern gekennzeichnet. Somit werden z.B., wenn das ßig kleinen Luftzellen 16 aufzuteilen. Beispiel I

Material für 15 Minuten bis zu 24 Stunden Temperatu- 40 Röhren, um den Raum in eine Anzahl von verhältnismären zwischen 93 und 204^rC unterworfen wird, "' ^11- ' ■'--■■—■"=-■■' ^:i~ wesentlich verbesserte Festigkeitseigenschaften erreicht. Die Röhren werden in einer erfindungsgemäßen
Wärmeaustauscheranlage, die den oben angedeuteten
Bedingungen unterworfen ist, im Betrieb altern.

Die Röhre läßt sich mit herkömmlichen Verfahren einfach herstellen. Zum Beispiel können Aluminiumlegierungsblöcke oder -barren in üblicher Weise hergestellt und zu Bändern ausgewalzt werden. Dann kann

45 Zwei Legierungen, die Legierungen A und B, wurden in gleicher Weise hergestellt. Die Schmelzen wurden in Durville-Blöcke gegossen. Die Gußblöcke wurden mit einer stündlichen Erwärmung von 38° C homogenisiert und für etwa 11 Stunden auf einer Temperatur von

das Material zu Röhren der gewünschten Gestalt 50 ungefähr 552°C gehalten. Dann wurden sie langsam geschweißt oder stranggepreßt werden. Die Röhre kann abgekühlt. Die Zusammensetzung der erhaltenen nachfolgend durch Ziehen oder Abflachen usw. weiter Legierungen, von denen nur die Legierung A erfindungsgemäß verwendbar ist. wird in der folgenden Tabelle I dargestellt.

verarbeitet werden.
Der Aluminiumradiator

(Aluminiumheizkörper,

Tabelle

Legierung	%Si f	% Cu	%Zn	%Mn	% Cr	% Fc	% Mg
A B	0,47 0,48	0,20 0,20	0,12 0,12	0,052 0,051	0,25	0,33 0,34	0.59 0,58

Beispiel II

Die im Beispiel 1 hergestellten Gußblöcke wurden auf jeder Seite um 3,175 mm abgeschält, auf 427°C wiedererwärmt und warmgewalzt, wobei sie bei jedem zweiten Durchgang 5 Minuten lang auf 427°C wiedererwärmt wurden. Die warmgewalzten Bleche wurden dann auf Γ52 min kaltgewalzt. Dann wurden sie unter Verwendung eines Schachtofens in solcher Weise erwärmt und wieder abgekühlt, daß die Wirkung eines Hartlötens auf einem Aluminiumradiatorfließband nachgeahmt wird. Der Erwärmungs- und Abkühlungszyklus verläuft wie folgt. Innerhalb von 10 Minuten

wurde das Material stufenweise wie nachfolgend angegeben auf 607⁰C erwärmt: in 100 Sekunden auf 510⁰C, in 200 Sekunden auf 577⁰C, und in den folgenden 300 Sekunden auf die Höchsttemperatur von 607⁰C. Die Temperatur durfte wie folgt fallen: nach 1 Minute auf 482°C; nach 2 Minuten auf 399°C; dann wurde das Material aus dem Ofen herausgenommen und in 71⁰C warmem Wasser abgeschreckt,

Beispiel III

Die gemäß Beispiel II hergestellten Bleche wurden in passend große Probestücke geschnitten und der Beaufschlagung durch eine Anzahl Strahlen eines Frostschutzmittels ausgesetzt, wodurch die Wirkungen einer langfristigen Erosion-Korrosionsbeanspruchung in einem Kraftfahrzeugkühler nachgebildet wurde. Das Frostschutzmittel bestand aus einem handelsüblichen, wäßrigen Äthylenglykol mit einem Nennvolumen von 45% Äthylenglykol und wurde bei einer Temperatur von 93°C auf die Probestücke gerichtet. Die Strahlgeschwindigkeit betrug ungefähr 27 m/s.

Nach 24 Stunden wurden die Probestücke aus der Strahlbeaufschlagungsvorrichtung genommen, mit destilliertem Wasser und nachfolgend mit Lösungsspülungen in Methanol und Benzol gespült. Die Probestücke wurden dann in einem auf 93°C eingestellten Ofen getrocknet und wieder gewogen. Danach wurden die Probestücke durch Eintauchen in ein wäßriges Bad aus Chrom- und Phosphorsäure bei 27°C chemisch gereinigt. Ein ähnlicher Versuch wurde mit einer Einwirkzeit von 72 Stunden ausgeführt.

Die Gewichtsverlustergebnisse der ein und drei Tage dauernden Versuchsreihen mit Bezug auf die exponierten Probestücke nach der Lösungsspülung und nach der Lösungsspülung mit chemischer Reinigung sind in der Tabelle II angegeben.

Tabelle	Il	(Milligramm)	Gewichtsverlust nach	(Milligramm)
Legie		Lösungs	drei Tagen	Lösungs-
rung	Gewichtsverlust nach	spülung und	einfache	spülung
	einem Tag	ehem.	Lösungs	und ehem.
	einfache	Reinigung	spülung	Reinigung
	Lösungs	1,12		1.49
	spülung	1,93	0.80	0,95
A		1.40	0,46	1.56
	0,71	1,95	0.80	1.85
	0,90	1.85	1,25	2,35
B	0,81	1,74	1.79	2.45
	!,60		1.82
	1,45
1.23

Die Untersuchung der erodierten Flächen zweier chemisch gereinigter Probestücke der Legierung <\ (Material für die erfindungsgemäß zu verwendenden Röhren) und der Legierung B zeigte, daß der Durchmesser des erodierten Bereiches auf der Fläche der Legierung B ungefähr fünfmal größer ist als der auf der Legierung A. Dadurch ergibt sich auf der Legierung B ein ungefähr 25mal größerer Angriffsbereich als auf der Legierung A.

Die exponierten Flächen der Legierung A und B wurden mit 11 fächer Vergrößerung fotografiert. Der Kontrast des Ausmaßes der Erosion-Korrosion der beiden Flächen war sehr auffallend. Die Legierung B wies im Durchschnitt eine Angriffsfläche mit einer Ausdehnung von ungefähr 5,08 mm im Durchmesser auf. in der die ursprüngliche Fläche gänzlich verschwand«! war. Diese Angriffsfläche war von einer, über die ganze Fotografie sichtbaren Anordnung von radialen Vertiefungen umgeben. Die ursprünglichen Walzschrammen waren von der Oberfläche gänzlich verschwunden.

Im Gegensatz dazu wies die Oberfläche der Legierung A als sichtbare Beschädigung nur ein kleines sichelförmiges Muster zusammengewachsener Korrosionsnarben mit einem Durchmesser von ungefähr 2,54 mm auf. Die Walzschrammen waren immer noch über die gesamte Fläche sichtbar.

Dies zeigt eindeutig, daß sich ein bedeutender und überraschender Vorteil hinsichtlich der verminderten Erosion-Korrosion ergibt, die bei erfindungsgemäßer Verwendung des Materials auftritt.

Beispiel IV

Messungen der mechanisch-technologischen Eigenschaften wurden an den Legierungen A und B in dem hier schon zuvor beschriebenen nachgebildeten Hartlötzustand und nach dem 16 Stunden dauernden künstlichen Altern bei 168°C vorgenommen. Die Ergebnisse sind aus der Tabelle III ersichtlich.

Tabelle III

Material

0.2-DehTtgrenze	Zerreißfestigkeit	Bruchdehnung
kg/mm1	kg/mm*	%
IU	2Z9	20,9
28.1	31.9	1Z2
10.6	29.5	24,8
28	32.1	11.3

Legierung A hartgelötet Legierung A, hartgelötet und gealtert Legierung B. hartgelötet Legierung B. hartgelötet und gea hen

Daraus wird offensichtlich, daß in dem erfindungsgemäß verwendeten Material mit seiner Beständigkeit gegen Erosion-Korrosionsbeanspruchung diese Verbesserungen erreicht werden, ohne dabei weder in dem hartgelöteten noch in dem künstlich gealterten Zustand einen Festigkeitsverlust zu erleiden.

Beispiel V

Die Bleche aus Beispiel Il wurden 16 Stunden lang bei Probestücke jeder Legierung an jedem Versuch

einer Temperatur von t68°C gealtert Sie wurden dann teilnahmen. Die Ergebnisse sind in der nachstehender

der Strahlbehandlung nach Beispiel III in 3 getrennten Tabelle enthalten, zweitägigen Versuchsreihen unterworfen, wobei zwei

Tabelle IV

Legierung Gewichtsverlust (Milligramm)

1. Versuch 2. Versuch

3. Versuch

Erreichbarer Gewichtsverlust (Milligramm)

1.09
0,95

4,80
3,95

0,10
0,03

4,79
6,01

Beispiel VI

NachBeispiel I wurdeeinezusätzliche^ichterfindungsgemäß verwendbare Legierung hergestellt Diese Legierung wird als Legierung C bezeichnet und weist die in der nachfolgenden Tabelle angegebene Zusammensetzung auf.

Tabelle V

Legie- Si % Cu °/o Zn% Mn "/0 Cr 0/0 Fe % Mg⁰A rang

C 0,49 - 0,12 0,049 0,28 0,33 0,56

^0,40
3,95

4,04
5,59

1,09 4,86

handlung gemäß Beispiel Il in zweitägigen Versuchsrei hen unterworfen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgen den Tabelle dargestellt.

Tabelle Vl

Legierung

Gewichtsverlust nach 2Tagei Milligramm

Die Legierungen A, B und C wurden wie im Beispiel II behandelt und zusätzlich 16 Stunden lang bei 168⁹C C gealtert. Die Probebleche wurden dann der Strahlbe-0,40 2,95

4,79 6,01

3,42 6,42

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verwendung von Röhren aus einer Aluminiumlegierung, bestehend aus 0,4 bis 1,2% Silizium, 03 bis 1.4% Magnesium, 0,1 bis 0,4% Chrom, 0,1 bis 0,5% Kupfer, bis 1% Eisen, bis 0,5% Mangan, bis 0,5% Zink, bis 0,2% Zirkonium, bis 0,2% Titan, bis 0,2% Nickel, bis 0,05% Bor und bis jeweils 0.05% andere Stoffe, deren Gesamtgehalt 0,15% nicht übersteigt Rest Aluminium, gegebenenfalls im ausscheidungsgehärteten Zustand, zur Herstellung von Hochleistungswärmeaustauschern mit verbesserter Widerstandsfähigkeit bei Erosion-Korrosionsbeanspruchung in iiner wäßrigen Umgebung, die mindestens ein Sammelrohrelement, das mit mindestens einer Röhre mit einer Wanddicke von maximal 2,54 mm, vorzugsweise 0,25 bis 0.76 mm. verbunden ist, und eine mit der Röhre verbundene sekundäre Wärmeaustauschfläche aus gewelltem Rippenmaterial aufweisen, besonders derart aufgebaute Kraftfahrzeugkühler.