CN102146540A - 用于热交换器的铝合金包层材料及用于其的铝合金包层材料用芯材 - Google Patents

用于热交换器的铝合金包层材料及用于其的铝合金包层材料用芯材 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可以充分确保耐腐蚀性、长寿命化的铝合金包层材料用芯材及铝合金包层材料。本发明的铝合金包层材料用芯材的特征在于，包含Si：0.3～1.5％(％为质量％的意思，以下相同)、Mn：0.3～2.0％、Cu：0.3～1.5％、Ti：0.01～0.5％、B：0.001～0.1％，剩余部分为Al及不可避免的杂质。

Description

用于热交换器的铝合金包层材料及用于其的铝合金包层材料用芯材
技术领域
本发明涉及一种用于汽车等热交换器的耐腐蚀性优异的铝合金包层材料。
背景技术
搭载于汽车上的散热器、冷凝器、蒸发器等热交换器，通常是将轻质且热传导性优异的铝合金的板材成型、组装、焊接而制造的。作为热交换器用的铝合金芯材，强度比较高的Al-Mn系合金是主流，为了进一步提高强度，近年来，使用添加了Cu、Si、Mg等合金元素的芯材。
将这样的热交换器用铝合金材料例如作为散热器等的管使用时，外侧面曝露于大气中，内侧面曝露于冷却水等制冷剂中。曝露于这样的腐蚀环境中时，存在局部腐蚀(点腐蚀)、形成贯通孔的可能性。作为管外侧面的防腐蚀对策，一般使用使比形成管的铝合金电位低的Al-Zn合金等所形成的散热材料(fin material)接触、即所谓的牺牲防腐蚀法是有效的。作为管内侧面的防腐蚀对策，也多使用牺牲防腐蚀法，具体而言，一般使用将比芯材的铝合金电位低的Al-Zn系合金作为牺牲阳极材料(以下，有时称为“牺牲材料”)而层叠于内面侧的包层材料来形成管。另外，为了管外侧面与上述散热材料等的焊接，多层叠Al-Si系合金等熔点低的钎焊材料。
如上所述，作为热交换器用铝合金材料，在芯材中多使用包覆了牺牲材料、钎焊材料的三层以上的包层材料。
近年来，对于热交换器用铝合金，长寿命化及薄壁化(轻质化)需求增加，要求耐腐蚀性进一步提高。作为热交换器用铝合金的耐腐蚀性提高相关的技术，例如可以举出专利文献1、2。在专利文献1中，公开了一种调整了芯材和表皮材料的组成的铝合金制焊接金属片(brazing sheet)。在专利文献2中，公开了一种调整芯材的成分组成，并且调整了Al-Mn系金属 间化合物的分布状态的铝合金包层材料。
专利文献1：日本特开2009-228010号公报
专利文献2：日本特开2008-231555号公报
在热交换器的外面，由于散热材料的牺牲防腐蚀效果，比较容易确保耐腐蚀性，但在内面侧如果没有包覆具有牺牲防腐蚀效果的牺牲材料层，则在早期就会产生由点腐蚀导致的贯通等，大多数情况下耐腐蚀性不充分。上述专利文献1、2中，利用表皮材料或金属间化合物可以确保一定程度的耐腐蚀性，但是，如果表皮材料或金属间化合物受到腐蚀或损伤，则会露出芯材，然后芯材就有可能被腐蚀。因此，为了实现进一步的长寿命化，认为需要提高芯材自身的耐腐蚀性。
发明内容
为了实现热交换器的进一步的长寿命化，本发明的目的在于，提供一种可以充分确保耐腐蚀性的铝合金包层材料用芯材及铝合金包层材料。
解决了上述课题的本发明的铝合金包层材料用芯材的特征在于，包含：Si：0.3～1.5％(％是质量％的意思。以下相同)、Mn：0.3～2.0％、Cu：0.3～1.5％、Ti：0.01～0.5％、B：0.001～0.1％，剩余部分为Al及不可避免的杂质，其耐腐蚀性优异。
上述芯材还可包含(a)Mg：1.0％以下(不包括0％)及/或Ca：1.0％以下(不包括0％)，或(b)选自由Ni：0.5％以下(不包括0％)、Cr：0.5％以下(不包括0％)、Nb：0.5％以下(不包括0％)、V：0.5％以下(不包括0％)以及Zr：0.5％以下(不包括0％)构成的组中的至少一种元素。
本发明还包含一种热交换器用铝合金包层材料，其为在上述记载的芯材的一面或两面包覆了钎焊材料的铝合金包层材料，其中，所述钎焊材料为Al-Si系合金、Zn合金或Sn合金。另外，本发明还包含一种热交换器用铝合金包层材料，其为在上述记载的芯材的一面包覆钎焊材料并且在另一面上包覆牺牲材料的铝合金包层材料，其中，所述钎焊材料为Al-Si系合金、Zn合金或Sn合金，所述牺牲材料为Al-Zn系合金。
使用上述铝合金包层材料的汽车的钎焊型散热器管也包含在本发明中。另外，将上述铝合金包层材料用于汽车的热交换器也是优选的方式。
本发明的铝合金包层材料用芯材由于包含Cu、Ti，并且也添加适量的B，因此，可以发挥优异的耐腐蚀性，结果，可以实现长寿命。进而，本发明的铝合金包层材料用芯材即使在包层材料中省略牺牲材料层，也可以发挥优异的耐腐蚀性，用于汽车等的热交换器管等时，可以同时实现由于管的薄壁化而带来的轻质化和长寿命化。
具体实施方式
本发明人等对可以确保充分的耐腐蚀性(长寿命化)的热交换器用铝合金材料进行了研究。热交换器用铝合金材料由于板厚薄至约0.3mm以下，因此需要抑制由点腐蚀导致的穿孔。在现有的使用牺牲材料的防腐蚀方法中，通过由比构成芯材的铝合金电位低的Al-Zn系合金构成的牺牲材料的牺牲防腐蚀来抑制点腐蚀。即，现有的防腐蚀方法通过使用电位低的牺牲材料使整体的电位降低且不超过芯材的点腐蚀电位(超过点腐蚀电位时产生点腐蚀的临界电位)的方式来抑制点腐蚀的产生。
对此，本发明人等着眼于即使在因牺牲材料的腐蚀或损伤而导致牺牲防腐蚀作用发挥不充分的情况或在省略牺牲材料层的情况下，也可通过提高(增大)芯材自身的点腐蚀电位来抑制点腐蚀。为了提高芯材自身的点腐蚀电位，复合添加适量的Cu和Ti是非常有效的。在此，Cu具有提高铝合金的点腐蚀电位的作用，同时也有大大地促进腐蚀的阴极反应的弊病，仅使用Cu有可能导致铝合金的耐腐蚀性变差。关于该Cu的弊病，本发明人等发现如果在添加Cu的同时添加适量B(硼)，可以消除因Cu而导致的阴极反应促进作用，即，可以在不使耐腐蚀性变差的情况下提高点腐蚀电位。
对于本发明的铝合金包层材料用芯材，除了耐腐蚀性以外，为了满足作为热交换器的管等构件所必需的强度及电焊性等特性，需要使成分组成最优化。下面，对用于本发明的铝合金包层材料用芯材的成分元素的添加理由及添加量进行说明。
Si：0.3～1.5％
Si是对提高铝合金强度有效的元素。特别是在同时添加Mn的情况下，利用Si-Mn系析出物，可以得到进一步提高强度的效果。对于Si量不足 0.3％的情况而言，由于固溶Si量少，因此，提高强度的效果不充分。另一方面，Si量超过1.5％时，由于熔点降低，因此，导致在焊接时芯材熔融。因此，规定Si量为0.3～1.5％。Si量的优选下限为0.35％，更优选为0.4％，进一步优选为0.55％。Si量的优选上限为1.45％，更优选为1.4％，进一步优选为1.0％。
Mn：0.3～2.0％
Mn和Si相同，为对提高铝合金强度有效的元素。为了有效地发挥这样的作用，规定Mn量为0.3％以上。另一方面，Mn量过剩时，由于析出粗大的结晶物，加工性降低，因此，在加工成热交换器的管等时，不优选。因此，规定Mn量为2.0％以下。Mn量的优选下限为0.35％，更优选为0.40％，进一步优选为0.70％。Mn量的优选上限为1.9％，更优选为1.8％，进一步优选为1.6％。
Cu：0.3～1.5％
Cu为提高铝合金的点腐蚀电位而使点腐蚀难以产生的元素。而且，由于Cu具有提高铝合金的强度的效果，因此，是包层材料的高强度化必需的材料。为了有效地发挥这样的作用，规定Cu量为0.3％以上。另一方面，Cu量过剩时，由于熔点降低，导致在焊接时产生熔融，故不优选。因此，规定Cu量为1.5％以下。Cu量的优选下限为0.35％，更优选为0.40％，进一步优选为0.50％。Cu量的优选上限为1.45％，更优选为1.4％，进一步优选为1.0％。
Ti：0.01～0.5％
Ti和Cu相同，为提高铝合金的点腐蚀电位而使点腐蚀难以产生的元素。为了有效地发挥这样的作用，规定Ti量为0.01％以上。另一方面，Ti量过剩时，由于存在加工性降低的不良影响，因此，Ti量设定为0.5％以下。Ti量的优选下限为0.02％，更优选为0.03％，进一步优选为0.10％。Ti量的优选上限为0.45％，更优选为0.4％，进一步优选为0.35％。
B：0.001～0.1％
B由于具有消除上述Cu的阴极反应促进作用的作用，是提高本发明的芯材的耐腐蚀性所必需的不可或缺的元素。认为这样的B的作用是基于通过B腐蚀溶解而形成硼酸盐，对阴极反应具有抑制效果的发现而获得 的。为了有效地发挥这样的效果，规定B量为0.001％以上。另一方面，为了使铝合金制造时的铸造性降低，规定B为0.1％以下。B的优选下限为0.002％，更优选为0.003％，进一步优选为0.01％。B量的优选上限为0.095％，更优选为0.09％，进一步优选为0.07％。
本发明的铝合金包层材料用芯材的基本成分如上所述，剩余部分实质上为铝。其中，当然容许包含因原料、资材、制造设备等的状况而带入的不可避免的杂质(Fe、Zn等)。另外，本发明的铝合金包层材料用芯材根据需要可以包含以下的元素。
Mg：1.0％以下(不包括0％)及/或Ca：1.0以下(不包括0％)
Mg及Ca均是通过溶解显示pH上升作用、并抑制Al发生溶解的局部阳极中的水解反应导致的pH降低而抑制腐蚀反应、对提高耐腐蚀性有效的元素。另外，特别是使Mg和Si共存时，析出Mg2Si等化合物而有助于提高强度。为了有效地发挥这样的作用，Mg量及Ca量都优选为0.01％以上。另一方面，Mg量及Ca过剩时，在使用氟化物系焊剂的焊接中焊接性变差。因此，Mg量及Ca量都优选为1.0％以下。Mg量及Ca量的更优选的下限都为0.02％，进一步优选为0.03％，特别优选为0.1％。Mg量及Ca量的更优选上限都为0.95％，进一步优选为0.9％，特别优选为0.7％。
选自由Ni：0.5％以下(不包括0％)、Cr：0.5％以下(不包括0％)、Nb：0.5％以下(不包括0％)、V：0.5％以下(不包括0％)以及Zr：0.5％以下(不包括0％)构成的组中的至少一种元素。
Ni、Cr、Nb、V及Zr强化在铝合金表面上形成的钝化膜而点腐蚀难以产生，具有提高耐腐蚀性的作用。通过使各元素以稳定的氧化物的形式进行表面浓缩而呈现这样的作用。为了有效地发挥这样的作用，优选将添加量都设定为0.01％以上。另一方面，由于这些元素过剩时加工性降低，因此，优选将任一元素都设定为0.5％以下。Ni、Cr、Nb、V及Zr的添加量的更优选的下限都为0.02，进一步优选为0.03％。Ni、Cr、Nb、V及Zr的添加量的更优选的上限为0.45％，进一步优选为0.4％，特别优选为0.3％。
本发明还包含(i)一种热交换器用铝合金包层材料，其为在上述的芯材 的一面或两面包覆了钎焊材料的铝合金包层材料，其中，所述钎焊材料为Al-Si系合金、Zn合金或Sn合金以及(ii)一种热交换器用铝合金包层材料，其为在上述的芯材的一面包覆了钎焊材料并且在另一面包覆了牺牲材料的铝合金包层材料，其中，所述钎焊材料为Al-Si系合金、Zn合金或Sn合金，所述牺牲材料为Al-Zn系合金。
关于钎焊材料
本发明中的Al-Si系合金是指包含5～15％左右的Si的铝合金，还可以为除Si以外还分别包含1％左右的Fe、Cu、Zn等的铝合金。Si由于具有降低铝合金的熔点的效果，所以为钎焊材料的必需成分。Al-Si系合金中的Si添加量优选设定为5％以上。Si在降低熔点作用的基础上还具有提高流动性的效果，因此，通过将Si量设定为5％以上，可以进一步确保热交换器所必需的焊接性。另一方面，Si量过剩时，加工性变差，在加工成热交换器的管形状等方面不优选，因此，钎焊材料的Al-Si系合金中的Si量优选为15％以下。钎焊材料中的Si量更优选为8～12％。作为这样的Al-Si系合金，例如可以举出：JIS4045合金、4343合金、4004合金等。
本发明中的Zn合金是指Zn为60％以上的Zn合金，另外，Sn合金是指Sn为60％以上的Sn合金。作为这样的Zn合金及Sn合金，例如可以举出JIS Z3281(铝用焊锡)中记载的S-Zn95Al5及S-Sn85Zn15等。
关于牺牲材料
本发明中的Al-Zn系合金是指包含1～10％左右Zn的铝合金，还可以为除Zn以外还包含0～1％左右的Fe、0～0.1％左右的Mg的铝合金。作为这样的Al-Zn系合金，例如可以举出JIS 7072合金等。
以上，对本发明的包层材料中的芯材、钎焊材料及牺牲材料进行了说明，本发明的包层材料也优选进一步在芯材和钎焊材料之间形成中间材料。在焊接中，使用氟化系焊剂时，芯材中的Mg及Ca与焊剂中的氟化物发生反应而使焊接性降低。在此，为了消除这样的不良情况，有效的是在钎焊材料和芯材之间形成Mg量及Ca量少的中间材料。特别是在芯材中以Mg：0.5～1.0％及/或Ca：0.5～1.0％的范围包含Mg和Ca时，可以有效地发挥中间材料的效果。此时，优选以Mg：不足0.5％及/或Ca：不足0.5％的范围包含中间材料中的Mg和Ca，Mg量及Ca量的上限都更优选 设定为0.4％以下，进一步优选为0.3％以下。中间材料中的Mg及Ca以外的组成设定为与芯材中的组成相同即可。
本发明中，为了满足作为热交换器的管等构件所必需的耐腐蚀性、强度、焊接性等基本特性，也优选调整包覆率(各层的厚度的比率)或厚度。为了提高焊接性，优选满足钎焊材料的包覆率(钎焊材料的厚度与包层材料的总厚度的比)为5％以上及钎焊材料的厚度为20μm以上的至少任一个条件。另一方面，钎焊材料过厚时，从强度的观点考虑不优选，因此，优选满足钎焊材料的包覆率为30％以下及钎焊材料的厚度为50μm以下中的至少任一个主要条件。另外，如上所述，使用中间材料作为Mg及Ca这样的使焊接性降低的元素的扩散障壁时，优选满足中间材料的包覆率(中间材料的厚度与包层材料的总厚度的比)为10％以上及厚度为20μm以上中的至少任一个条件。另一方面，中间材料过厚时，产生强度不足的问题，因此，优选满足包覆率为50％以下及中间材料的厚度为100μm以下中的至少任一个条件。
得到本发明的铝合金包层材料的方法没有特别的限定，例如可以通过以下的方法进行制造。首先，对芯材及钎焊材料，以分别成为规定的成分组成的方式进行溶解及铸造，制成铸块，再根据需要进行倒角及均质化处理，制造芯材用铸块及钎焊材料用铸块。将各铸块热轧制至规定厚度，或机械切片成规定厚度，制成芯材用构件及钎焊材料用构件。设置牺牲材料和中间材料时，通过与上述相同操作，制造牺牲材料用构件及中间材料用构件。
接着，在芯材用构件的一面侧或两面侧重叠钎焊材料用构件(设置牺牲材料时，在与钎焊材料不同的面上设置牺牲材料用构件，或根据需要，在芯材和钎焊材料之间设置中间材料用构件)，对该重叠成的构件进行热处理(再加热)，再通过热轧制进行压接。然后，进行冷轧制、中间退火，进一步进行冷轧制。需要说明的是，冷轧制后也可以进行退火加工。在不给上述工序带来不良影响的范围内，在各工序间及工序前后，可以包含例如变形矫正处理等工序。
实施例
以下，举出实施例更具体地说明本发明。本发明不受实施例的限制， 当然，也可以在能够适合于上述、后述的主旨的范围内进行适当的变更来实施，这些都包含于本发明的技术范围中。
试验材料的制作
通过连续铸造具有表1～3所示的化学组成的芯材用铝合金，并进行熔解、铸锭，在700℃的铸造温度下铸造得到铸块，在530℃(6小时以下)进行均质化处理后，进行热轧制而制造芯材用构件。
表1
Figure BSA00000431458800081
表2
Figure BSA00000431458800082
表3
作为钎焊材料，熔解并铸造与JIS4045相当的Al-10％Si合金，对得到的铸块在500℃下实施3小时的均质化处理后，进行热轧制，得到钎焊材料用构件。
在上述芯材用构件的一侧重叠钎焊材料用构件，在400～550℃进行热轧制，其后，进行冷轧制、中间退火，进而再进行冷轧制，制造最终板厚为0.25mm的包层材料。得到的包层材料的构成如表4～6所示。
在热交换器的制作中应用焊接法时，由于焊接加热时的热扩散，产生添加元素的扩散。例如，Si从Si添加量相对多的钎焊材料向Si添加量相对少的芯材或中间材料扩散等，从而在深度方向上产生添加元素的浓度梯度。因此，为了模拟这样的在焊接加热时添加元素热扩散的状态，对上述得到的包层材料，在作为焊接等效条件的600℃下实施5分钟的加热处理，制成腐蚀试验用的试验材料。从热处理后的铝合金包层材料切出60mm×50mm的腐蚀试验用试验片。将切出的试验片在丙酮中清洗后，将芯材侧的50mm×40mm的范围作为试验面，将试验面以外的、即距芯材侧的面的端部5mm的区域、侧面整个区域及钎焊材料侧的整个面用硅密封剂覆盖。
腐蚀试验
为了评价散热器内面环境的腐蚀特性，将在上述得到的试验片浸渍在模拟冷却水的溶液中，研究其腐蚀状况。需要说明的是，使用的溶液为 OY水(Cl-：195质量ppm、SO42-：60质量ppm、Cu2+：1质量ppm、Fe3+：30质量ppm、pH：3.0)。对浸渍试验片的溶液，进行1个月的从室温经1小时加热到88℃、在88℃保持7小时后、经1小时冷却到室温、然后在室温下保持15小时这样的1日1循环的温度循环。在本实施例的腐蚀试验中，以每次5张表4～6所示的各铝合金包层材料的方式进行腐蚀实验，测定腐蚀试验后的试验面(芯材面侧)的局部腐蚀深度。局部腐蚀深度的测定中，对各铝合金包层材料(5张)，通过焦深法测定局部腐蚀深度，将最深的局部腐蚀深度作为各试验No.的最大腐蚀深度。需要说明的是，在试验后的局部腐蚀深度测定前，通过将试验片浸渍在硝酸中除去腐蚀产物。结果示于表4～6。
表4
Figure BSA00000431458800101
表5
Figure BSA00000431458800111
表6
Figure BSA00000431458800112
表4中的No.1、2、3分别为由于芯材中的Cu量、Ti量、B量小而耐腐蚀性不充分，因局部腐蚀导致包层材料贯通的例子。
相对于此，No.4～42由于适当地调整了Cu、Ti、B量，因此，耐局部腐蚀性提高。特别是No.14～16中，在添加了Cu、Ti、B的基础上进一步添加了Mg及/或Ca，No.17～28中，在添加了Cu、Ti、B的基础上进一步添加了选自Ni、Cr、Nb、V及Zr中的至少任一种，因此，耐局部腐蚀性进一步提高。进而，No.29～42中，由于在添加了Cu、Ti、B的基础上进一步添加了Mg及/或Ca和选自Ni、Cr、Nb、V及Zr中的至少任一种， 因此，最大腐蚀深度不足50μm，非常小，结果是，耐局部腐蚀性非常优异。

Claims (7)

1.一种铝合金包层材料用芯材，其特征在于，包含：
Si：0.3～1.5质量％、
Mn：0.3～2.0质量％、
Cu：0.3～1.5质量％、
Ti：0.01～0.5质量％、
B：0.001～0.1质量％，
剩余部分为Al及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的铝合金包层材料用芯材，其中，
还包含Mg：1.0质量％以下及/或Ca：1.0质量％以下，其中所述1.0质量％以下不包括0％。
3.如权利要求1或2所述的铝合金包层材料用芯材，其中，
还包含选自由Ni：0.5质量％以下、Cr：0.5质量％以下、Nb：0.5质量％以下、V：0.5质量％以下以及Zr：0.5质量％以下构成的组中的至少一种元素，其中所述0.5质量％以下不包括0％。
4.一种铝合金包层材料，其是在权利要求1所述的芯材的一面或两面包覆了钎焊材料的铝合金包层材料，其中，
所述钎焊材料为Al-Si系合金、Zn合金或Sn合金。
5.一种铝合金包层材料，其是在权利要求1所述的芯材的一面包覆了钎焊材料并且在另一面包覆了牺牲材料的铝合金包层材料，其中，
所述钎焊材料为Al-Si系合金、Zn合金或Sn合金，
所述牺牲材料为Al-Zn系合金。
6.如权利要求4或5所述的铝合金包层材料，其用于汽车的热交换器。
7.一种汽车的钎焊型散热器管，其使用权利要求4或5所述的铝合金包层材料。
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