JP2002053923A - 成形性、耐食性、及び熱間加工性の最適の組み合わせを有するアルミニウム合金、並びにその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 熱交換器で最適の性能を発現するろう付け
性、耐食性、熱間加工性の最適の組み合わせを有するア
ルミニウム合金を使用した熱交換器等の物品並びにその
製造方法を提供する。 【解決手段】重量％で、Ｓｉ；約０．０５〜０．５％、
Ｆｅ；約０．１〜１．０％、Ｍｎ；最大約２．０％、Ｚ
ｎ；約０．０６〜１．０％、Ｔｉ；約０．０３〜０．３
５％、残部がＡｌ及び不可避的不純物を含むＡｌ合金物
品において、Ａｌマトリックス全体に分散された金属間
化合物を０．５容量％以上含むように、ＭｎとＦｅの比
が約０．５〜０．６、ＦｅとＭｎの合計量が約０．３０
％超を維持されること、Ａｌマトリックスと金属間化合
物との電解電位差が約０．２Ｖ未満であり、金属間化合
物が約５．０未満のアスペクト比を有する、熱交換器等
の物品並びにその製造方法。また、熱交換器用管材は押
出加工で製作される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】(技術分野)本発明は、成形性、ろう付け
性、耐食性、及び熱間加工性の最適の組み合わせを有す
るアルミニウム合金、並びにその使用方法に関し、更に
詳しくは、熱交換器のような用途で最適の性能を発現す
るために制御された含量のマンガンと鉄、並びに制御さ
れた化学的性質及び制御された含量の金属間粒子を有す
るアルミニウム合金に関する。

【０００２】(背景技術)先行技術では、アルミニウム合
金は熱交換器用途に選択される合金である。このような
アルミニウム合金は、強度、軽量、優れた熱伝導性及び
電気伝導性、ろう付け性、最適の耐食性及び成形性を所
望の通り組み合わせるように選択される。

【０００３】熱交換器の一般的用途には、自動車のヒー
ターコアー、ラジエーター、蒸発器、凝縮器、給気冷却
器及び変速機／エンジンオイルクーラーが挙げられる。
諸特性の優れた組み合わせが必要な１つの具体的用途
は、ラジエーター、凝縮器等用の管材である。これらの
用途では、フィンストック(ｆｉｎ ｓｔｏｃｋ)は熱伝
達媒体を運ぶスタック型管材と端部薄板の間に配置され
る。この管材は、管材の層の間の熱伝達媒体流の方向を
変え、しかも熱交換器の入口と出口を含むことも出来る
ヘッダーの間に位置付けられる。

【０００４】１つの具体的用途では、この管材はＵ字型
に成形され、フィンストックにある開口部、及びフィン
ストック端部に近い端部薄板にある開口部にもねじ込ま
れる。一旦、この管材が挿入されると、この管材は内側
から直径に沿って拡管され、フィンストックと端部薄板
とが密着した隙間の無い接触、及び管材とフィンストッ
クとの間の熱交換が最大となる。

【０００５】挿入と拡管が終わると、管材の自由端部
は、取り付け用のフィンストックと端部薄板を超えてヘ
ッダーマニホールドまで延在する。既に拡管されたフィ
ンストックと端部薄板を超えた管材の延在の長さは、後
工程のヘッダーマニホールドへの取り付けには重要であ
る。拡管作業が終わり端部薄板を超えて延在するこの高
さは、普通、“スティックアップ(ｓｔｉｃｋｕｐ)高
さ”と呼ばれる。この長さが、フィンストックに差し込
まれる多数の管の１本だけにヘッダーマニホールドを取
り付けるのに不充分ならば、熱交換器全体を不合格にし
なければならない。拡管の一部として、管材端部はベル
直径(ｂｅｌｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ)を有するベル形状と
もなる。スティックアップ高さ及びこのベル直径の測定
値は、この成形性能の適切な尺度となり、この組立体を
更に加工して完全な熱交換器にすることが出来るかどう
かを決める基準として使用出来る。

【０００６】拡管過程では、管材はその寸法が変わり、
当初設置した長さから縮小する。この縮小により、フィ
ンストックとヘッダー取り付け用の端部薄板を超えて延
在する管材の自由端部のスティックアップ高さが短くな
ることがあり、熱交換器は不合格となる。従って、熱交
換器用途で一般的に使用されるアルミニウム合金と関連
するいろいろな機械的特性以外に、この“スティックア
ップ高さ”は極めて重要であり、アルミニウム合金は、
過大な縮小等をすることなく拡管を可能にするのに必要
な成形性を発現しなければならない。

【０００７】これらのタイプの用途で使用される最近の
アルミニウムは、ＡＡ３１２０である。米国アルミニウ
ム協会(Ｔｈｅ Ａｌｕｎｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉ
ｏｎ)は、この合金に対して重量パーセントで、最大
０．４０％のケイ素、最大０．７％の鉄、最大０．１％
の銅、０．０５％〜０．４０％のマンガン、最大０．０
５％の亜鉛、最大０．０３％のチタン、残部がアルミニ
ウム及び不可避的不純物で、各不純物は最大０．０３％
で不純物合計は０.１０％の構成成分を規定している。
この合金は、成形性が優れているが耐食性は劣る。従っ
て、この合金は熱交換器の製造では理想的に機能する
が、防食用には被覆しなければならない。

【０００８】ＡＡ３１２０のマトリックスの中に見られ
る金属間粒子が、優れた成形性に寄与すると考えられ
る。図１は、ＡＡ３１２０合金の顕微鏡写真の略図を示
している。この略図は、参照番号１の付いたアルミニウ
ムマトリックス、及び合金マトリックス全体に分布して
いる或る容積分率の金属間粒子３を示している。この分
布は、これらの先行技術の合金では、概ね、約３．０容
積％の金属間粒子である。同時に、金属間粒子３は主に
ＦｅＡｌ_３であり、これはアルミニウムマトリックスと
は電解電位が大幅に違う。後で更に詳細に説明するよう
に、ＦｅＡｌ_３は純粋なアルミニウムのマトリックスよ
り陰性度が小さく、このマトリックスはＳＷＡＡＴ条件
のもとで最初に腐食する。ＳＷＡＡＴ腐食試験は、公知
の試験規格、即ちＡＳＴＭ Ｇ８５付属書３を使うが本
発明を理解するのに更に説明する必要はない。従って、
ＡＡ３１２０は耐食性が劣り、熱交換器用途で使用する
時には被覆しなければならない。

【０００９】Ｓｉｒｃａｒに付与された米国特許第５，
９０６，６８９号及び第５，９７６，２７８号(引用し
てその全体を本明細書に組み入れている)に開示されて
いるように、別の合金が開発されていて、これらは高度
の熱間加工性と改良された耐食性を発現する。これらの
合金の耐食性は、合金の被覆を必要としない先行技術の
合金よりもかなり優れている。この理由の１つは、金属
間粒子、例えば耐食性に悪影響を及ぼすＦｅＡｌ_３の数
が比較的少ないことである。しかしながら、これらの新
規合金は、ＡＡ３１２０の中に存在する金属間粒子分布
／密度が不足している。図２で判るように、これらの高
度の耐食性合金は、マトリックス５を有していて、分布
型金属間粒子７を有する。図２の略図は、金属間粒子７
が僅かに約０．１％の容積分率の分布しかないことを示
している。金属間粒子７の容積分率が低いことの結果と
して、この合金は幾つかの熱交換器製造作業で必要な成
形性に不足をきたすことが度々あるかも知れない。

【００１０】従って、１つの合金の中で成形性、熱間加
工性及び耐食性を組み合わせたアルミニウム合金組成
物、及び特に熱交換器製造や用途での具体的使用に適応
する合金を提供するニーズがある。

【００１１】(発明の要約)従って、熱間加工性、ろう付
け性、耐食性及び成形性が最適に組み合わせられたアル
ミニウム合金を提供することが本発明の第１の目的であ
る。

【００１２】本発明のもう１つの目的は、熱交換器用に
使用するために本発明のアルミニウム合金を製造する方
法、又は管材ではなくシート、即ち薄板として秀れた耐
食性、ろう付け性、及び成形性の組み合わせが所望され
るあらゆる場合のその他の用途で使用するために本発明
の合金を製造する方法である。薄板製品を使って一般的
なラジエーターやヒーターコアで見られる管類を作るこ
とも出来る。

【００１３】本発明の尚、更なる目的は、アルミニウム
合金を生成する、特にこの合金を拡管するのに必要な物
品を製造する方法である。特に、本発明の方法は、管材
が組立てプロセスの一部として拡管される熱交換器の製
造の際の改良に関する。

【００１４】本発明の尚、もう１つの局面は、従来の合
金、及びＳｉｒｃａｒに付与された米国特許第５，９０
６，６８９号及び第５，９７６，２７８号に記載されて
いる従来の合金と比較して熱間加工性にさほど悪影響を
及ぼすことなく、アルミニウム合金で成形性を改良する
こと、及び秀れた耐食性を付与する能力である。

【００１５】本発明のその他の目的及び長所は、本発明
の説明が進むにつれて明らかになろう。

【００１６】(発明の開示)前述の目的及び長所を満たす
に当たって、本発明は、重量パーセントで下記の合金組
成物から作られるアルミニウム合金物品を提供する：約
０．０５〜０．５％のケイ素；約０．１％〜最大１．０
％の鉄の量；最大約２．０％のマンガンの量；約０．０
６〜１．０％の亜鉛；約０．０３〜０．３５％のチタ
ン；残部がアルミニウム及び不可避的不純物；この場
合、前記物品が、前記物品の少なくとも０．５％、好ま
しくは少なくとも約２．０％、の容積分率でアルミニウ
ムマトリックス全体に分散された金属間化合物を含むよ
うに、マンガンと鉄の比が約０．５超〜約６．０以下、
及び鉄とマンガンの合計量が約０．３０％超を維持され
ること、及び前記物品のアルミニウムマトリックスと金
属間化合物との電解電位差が約０．２ボルト未満であ
る。前記金属間化合物が約５．０未満のアスペクト比を
有することが出来る。前記金属間化合物は約０．５から
５ミクロンのサイズ範囲が可能である。

【００１７】好ましい実施態様では、マンガンと鉄の比
が更に０．７５の下限と約５．０の上限に限定され、更
に好ましくは１．０〜４．０に限定され、マンガンと鉄
の合計量が少なくとも約０．６％、そして更に好ましく
は約０．７〜１．２％である。

【００１８】本発明の合金は、管材を作る押出プロセ
ス、特に熱交換器管材を作るように設計された押出プロ
セスで使用するのが好ましい。このアルミニウム合金
は、成形性が重要である薄板形状でも使用することが出
来る。

【００１９】本発明の別の局面では、本発明の合金は、
管材の拡管段階を利用して熱交換器を製造する方法に完
璧に適している。これらのプロセスの一部として拡管さ
れる時、本発明の合金組成物は成形性の点で優れてい
て、製造プロセスで必要とされる必須のスティックアッ
プ(ｓｔｉｃｋ−ｕｐ)高さが得られる。好ましい管材サ
イズは直径で６ｍｍであるが他のサイズを使用すること
が出来る。

【００２０】本発明は、重量パーセントで、約０．０５
〜０．５％のケイ素、最大約２．０％のマンガンの量、
約０．１％〜最大約１．０％の鉄の量、約０．０３〜
０．３５％のチタン、及び約０．０６〜１．０％の亜
鉛、残部がアルミニウム及び不可避的不純物の合金量を
含む合金組成物を提供して前記合金組成物から前記物品
を形成することを含み、熱間加工性を損なうことなく、
アルミニウム合金物品の成形性及び耐食性を改良する方
法において、５．０未満のアスペクト比を有する金属間
化合物の約０．５超の容積分率を含んで前記物品の中に
最終の微細組織を形成するように、前記合金組成物中の
マンガンと鉄の比が約０．５〜６．０で制御され、前記
組成物中の鉄とマンガンの合計量が約０．３％超で制御
されること、及び前記物品のアルミニウムマトリックス
と前記金属間化合物との間の電解電位差が約０．２ボル
ト未満であることを特徴とする方法にも関する。

【００２１】(好ましい実施態様の説明)本発明は、耐食
性、成形性、ろう付け性及び熱間加工性が必要とされる
熱交換器の用途で具体的に使用するためのアルミニウム
合金の分野で顕著な進歩をもたらす。熱間加工性は、圧
延、押出等を含めて全ての熱間加工技術を包含すると見
なされる。具体的な使用方法は、本発明の合金を使って
管材を製造することに関するものであり、この管材は、
熱交換器製造プロセスの一部としてフィンストック(ｆ
ｉｎ ｓｔｏｃｋ)と組み合わせて拡管される。

【００２２】本発明のアルミニウム合金は、マンガンと
鉄の含量を調節して作り出されると同時に、金属間粒子
の必要な容積分率と化学的性質を維持することにより、
成形性、押出性それに耐食性との予期しない組み合わせ
が得られる。熱交換器、特に凝縮器用の管材は、フィン
ストックスタックにねじ込まれて、簡単にＵ字型に押出
及び／又は曲げられる、即ち、ゆず肌、しわ等のような
表面欠陥が極めて少ないか、又は全くない。この管材を
フィンストックに挿入した後、使用可能なスティックア
ップ高さに悪影響を及ぼすことなく拡管することが出来
る。加えて、耐食性は、熱交換器用には被覆を必要とし
ない既知の合金と少なくとも等価であり、そのような合
金よりも優れているとさえ思われる。先行技術の合金と
本発明の合金との間の耐食性の評価は、一貫性を持たせ
るためにＳＷＡＡＴ試験規格と条件に照らして行なわれ
ると理解すべきである。

【００２３】１つの実施態様では、アルミニウム合金物
品は、重量パーセントで次の組成を有する；約０．０５
〜０．５％のケイ素；約０．１〜最大１．０％の鉄の
量；最大約０．７％、好ましくは最大約０．５％、更に
好ましくは最大約０．３５％、そして最も好ましくは約
０．０３％未満の銅；最大約２．０％のマンガンの量；
約１．０％以下；好ましくは約０．５％未満、更に好ま
しくは約０．１％未満のマグネシウム、そして或る場合
には本質的にマグネシウムを含まない；最大約０．５％
のクロム；約０．０６〜１．０％の亜鉛；約０．０１％
未満のニッケル；約０．０３〜０．３５％のチタン；約
０．３％未満のジルコニウム；残部がアルミニウム及び
不可避的不純物；金属間化合物を含むこのアルミニウム
合金物品は約５．０未満のアスペクト比を有すること、
この場合、マンガンと鉄の比は約０．５超〜約６．０以
下を維持し、鉄とマンガンの合計量は約０．３０％超、
更に好ましくは約０．３２％超であり、約０．６〜３．
０％の好ましい範囲を含む。マンガンと鉄の合計量の更
に好ましい範囲は約０．８〜１．０％の範囲である。

【００２４】本発明は、アルミニウム合金全体に分散さ
れた金属間化合物(粒子)を含む合金としても説明するこ
とが出来るのであって、この化合物は、少なくとも０．
５％、好ましくは３．０％超の容積分率を有し、５．０
未満のアスペクト比を有し、短い横断方向で０．５−
５．０ミクロンの寸法範囲を有し、金属間化合物とアル
ミニウムマトリックスとの間では０．２ボルト未満、好
ましくは０．１ボルトの電解電位差を有する。この解決
策に達する１つの方法は、前記の教示が繰り返している
ように元素状合金添加物を変更することである。

【００２５】金属間粒子の量は、鉄とマンガンの含量の
関数である。合金中の鉄とマンガンの量を過少にする
と、例えばＭｎ＋Ｆｅの合計量が約０．３％、金属間粒
子の形成が不充分となり成形性が低下する。同時に、鉄
とマンガンのバランスは金属間化合物が主に(Ｆｅ、Ｍ
ｎ)Ａｌ_６若しくはＭｎＡｌ_６、又はそれらの組み合わ
せ物であるようにすると、前記の腐食の問題は防がれる
筈である。このようなバランスは、本発明の鉄とマンガ
ンに対する比率限度及び量の限度に従うことによって達
成される。

【００２６】亜鉛、ケイ素、マグネシウム、銅、チタ
ン、クロム、ニッケル、及びジルコニウムの元素のより
好ましい範囲は、Ｓｉｒｃａｒに付与された米国特許第
５，９７６，２７８号に見ることが出来る。

【００２７】本発明の更に好ましい実施態様には、Ｍｎ
／Ｆｅ比の低い方の範囲は、約０．７５又は１．０、更
に好ましくは約１．５、なお更に好ましくは約２．０、
また更に好ましくは２．５であることが挙げられる。

【００２８】Ｍｎ／Ｆｅ比の上の方の範囲は、前述の
６．０から、好ましくは上限の５．０まで、更に好まし
くは上限の４．０まで、そして尚、更に好ましい限界は
約３．０までの範囲で可能である。

【００２９】鉄とマンガンの組成の上限及び下限は、マ
ンガンと鉄の合計量に関しては図５に示していて、鉄の
好ましい上限には、約０．７％、更に好ましくは約０．
５％、尚、更に好ましくは約０．４％、０．３％及び
０．２％が挙げられる。

【００３０】同様に、マンガンの好ましい上限の範囲に
は、前記の２．０％から好ましい値の約１．５％まで、
尚好ましくは１．０％、そして尚更に好ましい値の約
０．７５％、更には０．７％、０．６％、又は０．５％
までの範囲である。

【００３１】鉄の好ましい下限は０．２％である。マン
ガンの好ましい下限は約０．５％である。

【００３２】金属間粒子の量又は容積分率は、アルミニ
ウム合金が拡管される成形性を有するようにすべきであ
る。加えて、粒子の化学的性質は、耐食性が失われない
ように選択すべきである。前述のように、先行技術のＡ
Ａ３１２０合金は、耐食性に悪影響を及ぼす、主にＦｅ
Ａｌ_３である粒子が約３．０容積％の量で含まれる。

【００３３】このことは、先行技術の合金と本発明によ
る合金に対して実施したエネルギー分散分光法(ＥＤＳ)
プロットによって確認されると思われる。これらのプロ
ットによって特定の元素と関連のあるピークを明らかに
することによって、分析された粒子の組成が確認され
る。ピークが高ければ高いほど、粒子の組成物の中にあ
る元素の量はそれだけ多い。図３は、図１、即ちＡＡ３
１２０合金、に示されている金属間粒子の、そのような
プロットの略図である。この図は、ＡＡ３１２０合金の
粒子が主にＦｅＡｌ_３であることを示している。示され
てはいないが、図２の合金、即ち米国特許第５，９０
６，６８９号に記載されている合金、の金属間粒子のＥ
ＤＳプロットも行なった。ＡＡ３１２０で見られ、図１
に示している粒子の化学的性質と同様に、米国特許第
５，９７６，２７８号に記載されている合金からの図２
に示されている粒子も主にＦｅＡｌ_３である。

【００３４】比較すると、ＥＤＳプロットは、本発明の
合金の金属間粒子について行なわれ、１つはそのような
プロットを図４に略図で示している。このプロットは、
図３に示すマンガンのピークより高いピークを示してい
るので、本発明の合金の粒子は主に(Ｆｅ、Ｍｎ)Ａｌ_６
である。下記の理由から、本発明の合金で見られる粒子
の化学的性質が耐食性を高めるのに寄与している。これ
らの粒子は、ＡＡ３１２０合金、又は米国特許第５，９
０６，６８９号の合金でみられるのと同じ化学的性質の
ものではない。

【００３５】この点に関して、アルミニウムの耐食性
は、アルミニウムマトリックスの中の金属間粒子の化学
ポテンシャルによって影響を受ける。特に、マンガン
は、耐食性に関してはアルミニウム及びアルミニウム合
金に重要な影響を及ぼす。アルミニウムの中で形成され
るマンガン化合物は、アルミニウムの電位とはせいぜい
数ｍＶしか違わない電解電位を有する。表１は、数種の
アルミニウム合金及び化合物の電位を示している。表１
によるとマンガンが、アルミニウムの中の溶液の中にあ
るにしろ化合物としてあるにしろ、実質的に差はないの
で、アルミニウム−マンガン合金は粒界腐食にしろ応力
腐食にしろ影響を受け易くはない。このように電位の類
似性は、孔食が制約されることも意味する：即ち、マン
ガン化合物がアルミニウムより電気的陰性が小さい場合
でさえ、腐食してマンガン化合物を保護するアルミニウ
ムの量は最少である。

【００３６】更に、アルミニウムの中に溶解している少
量の銅、即ち、約０．０５−０．２０％のＣｕは、この
化合物の陽性側でアルミニウムの電位を運ぶのに充分で
ある。銅が存在すると腐食の速度は速くなる傾向にある
けれども、このマトリックスの電位は化合物の電位に対
して陽性である場合、この化合物だけが腐食するが孔食
は小さく比較的浅い。従って、含銅合金では、重量損失
は僅かに増加するが、浸透の深さは浅くなる。幾つかの
腐食条件では、このような挙動によってアルミニウム−
マンガン合金はアルミニウムより孔食に対する耐食性が
増す。化合物粒子の数はアルミニウム−マンガン合金で
は比較的多く、従って比較的多い孔食部が発生するけれ
ども、化合物粒子のみが腐食するから化合物粒子の周り
のマトリックスは腐食しないと言う事実によって、アル
ミニウムにおけるよりも孔食は激しさが減り、この合金
では、マトリックスが腐食して鉄含有化合物が保護され
る。

【００３７】アルミニウム合金の中の鉄化合物及び鉄−
ケイ素化合物は、合金マトリックスに対して強い陽性で
あり、この化合物を保護するためのマトリックスを孔食
することは厳しいかも知れない。鉄及びケイ素が、(Ｆ
ｅ、Ｍｎ)Ａｌ_６又は(ＦｅＭｎ)_３・Ｓｉ_２Ａｌ_１５化
合物に吸収されると、化合物とマトリックスとの電位差
は消失して、たとえなくならないにしても孔食は大幅に
減少する。更に、ケイ素は固溶体から析出し易く、しか
も合金の中に付け加える結晶粒界無析出ゾーンで粒界腐
食にやや影響の受け易さを発生する傾向がある。このよ
うな発生のし易さは小さく、特別な腐食条件でのみ現わ
れるが、この合金にマンガンを加えることによりケイ素
をマンガン−ケイ素化合物に吸収させることによりこの
発生のし易さを消失させることが出来る。このような腐
食減少効果は、銅、マグネシウム、亜鉛をそれほど多量
に含まない合金の中では極めて大きい、けれどもマンガ
ンは複雑な合金に対しても耐食性を改良する。

【００３８】表Ｉ（Ｔａｂｌｅ Ｉ） 数種のアルミニウム合金及び化合物の電解電位 (ＮａＣＬ−Ｈ２Ｏ２溶液、０．１Ｎカロメル電極基
準、単位ボルト) 合金 電位(V) Al (高純度) -0.85 Al+l% Mn （溶液中） -0.85 MnAl₆ -0.85 FeMnAl₁₂ -0.84 FeAl₃ -0.56 Fe₂SiAl₈ -0.58

【００３９】前述のように、図４は、本発明の合金の金
属間粒子が(Ｆｅ、Ｍｎ)Ａｌ_６粒子であることを表して
いる。前記の電解電位の考察に基づくと、電解電位の観
点からこれらの(Ｆｅ、Ｍｎ)Ａｌ_６はアルミニウムマト
リックスと比較的密接に適合する。従って、ＳＷＡＡＴ
条件のもとで、即ちＦｅＡｌ_３粒子は電解電位に関して
アルミニウムマトリックスとは大きく異なる、ＡＡ３１
２０と関連がある腐食現象は、本発明の組成物では起こ
らない。従って、本発明の合金はＡＡ３１２０の腐食問
題を示さなくて、しかも秀れた成形性は有している。

【００４０】本発明の合金では、金属間化合物が少なく
とも約２．０％の容積分率を有するのが好ましく、更に
好ましくは少なくとも３．０％の容積分率である。本発
明の合金の顕微鏡写真によると、金属間粒子の容積分率
分布は、図１のＡＡ３１２０の容積分率分布と似ている
ことが確認されている。米国特許第５，９０６，６８９
号に開示されている合金よりも金属間粒子のこのような
容積分率によって本発明の改良された成形性が向上する
こと考えられる。

【００４１】図５は、マンガンと鉄の限界に関する合金
組成物をグラフの形で示している。本発明は、最も広い
実施態様では、前述のような比較的狭く好ましい限界の
ボックスＦによって輪郭を描かれた範囲を包含すると考
えられる。ボックスＦは、先行技術の合金のいずれより
も優れている、成形性、熱間加工性、及び耐食性の最適
組み合わせとなる。例えば、ＡＡ３１２０のＭｎ／Ｆｅ
比は、概ね、ボックスＤに該当する０．５％未満であ
る。このような比によって、主にＦｅＡｌ_３である金属
間化合物が生成することになり、これが電食効果へとつ
ながる。米国特許第５，９０６，６８９号に開示されて
いる合金のようなその他の先行技術の合金は、金属間化
合物の容積分率が充分ではないのでボックスＢに該当し
て優れた成形性が得られない。

【００４２】６．０超のＭｎ／Ｆｅ比では、針、即ち針
状モルフォロジーを有する金属間粒子を含むアルミニウ
ム組成物となる。図６は、本発明の範囲外の過剰な含量
のマンガンを有する合金の顕微鏡写真の略図である。こ
の合金の組成物はＳｉｒｃａｒに付与された米国特許第
５，９７６，２７８号に最もよく表されている。マトリ
ックス１１に分散している９と表記された金属間化合物
は、主成分のＭｎＡｌ _６であり、針状、即ち針様のモル
フォロジーも有する。このようなモルフォロジーは成形
性には望ましくなく、マンガンの範囲が上限を超える
と、図１に示すのと同じような微細組織として容易に形
成されない微細組織を形成することを示している。従っ
て、金属間化合物が概ね、等軸モルフォロジー(等軸型)
を有するようにＭｎ／Ｆｅ比は維持すべきであり、アス
ペクト比は、図６の針様金属間化合物を形成するのに高
くなり過ぎないようにすべきである。前述のように、ア
スペクト比は約５．０を超えてはならず、好ましくは
２．０に近く、更に好ましくは約１．０である。

【００４３】本発明の合金の好ましい組成範囲は、約
０．０４〜０.１０％のＳｉ、約０．１５〜０．３５％
のＦｅ、０．０１％未満のＣｕ、約０．４％〜０．９％
のＭｎ、０．０１％未満のＭｇ、０．０１％未満のＣ
ｒ、０．１〜０．２％のＺｎ、０．１〜０．２％のＴ
ｉ、残部がアルミニウム及び不可避的不純物である。

【００４４】本発明を組成に関して説明しているけれど
も、熱交換器の用途で管材として使用される時は、この
組成物は、先行技術の管材より非常に改良されているこ
とも同様に重要である。従って、本発明は、管材、及び
優れた成形性を必要とする用途で使用される薄板製品、
特に熱交換器の用途における管材での組成物の使用方法
にも関する。

【００４５】本発明の合金の最適の性能を実現する際の
主要なファクターの１つは、金属間粒子が、ＦｅＡｌ_３
ではなく、むしろ主に(Ｆｅ、Ｍｎ)Ａｌ_６であるように
マンガンと鉄の含量を制御することである。溶液から利
用可能なマンガンは、望ましくないＦｅＡｌ_３を別にし
て金属間粒子を生成させる際に重要である。

【００４６】図７は、ＡＡ３１２０、Ｓｉｒｃａｒに付
与された’６８９特許に記載されている合金、本発明に
よる異なる２種の組成物を含めて表ＩＩ(Ｔａｂｌｅ
ＩＩ)に示されている組成物について、マンガンと鉄の
合計量対、溶液からのマンガンのパーセンテージをプロ
ットしている。図７から明らかなように、マンガンの合
計量が増えるにつれて、固溶体からのマンガンの量は同
様に増える。表ＩＩ(Ｔａｂｌｅ ＩＩ)は、また、本発
明の合金が金属間化合物の容積分率ではＡＡ３１２０に
似ているので、優れた成形性を維持することも示してい
る。同時に、鉄とマンガンの含量が変化するにつれて金
属間粒子、例えばＦｅＭｎＡｌ_１２、が存在することに
なる。この化合物は、先行技術の合金ＡＡ３１２０及び
ＰＡ−Ａの化合物とは違うので、先行技術の粒子がアル
ミニウムマトリックスの中にある時は耐食性への悪影響
はない。

【表１】 表ＩＩ（Ｔａｂｌｅ ＩＩ） ＭｎＩＳ：固溶体中のマンガン％ ＭｎＯＳ：固溶体からのマンガン％ ｖｏｌ．ｆ．％：容積分率パーセント 合金量、重量パーセント ＰＡ−Ａは、米国特許第５，９０６，６８９号に記載さ
れている合金である。

【００４７】図８は、不溶性マンガン対鉄の比、及びＭ
ｎ／ＦｅのＸ線ピーク高さの比を示していて、この高さ
を図３及び４に概略的に示している。図８を見ると、不
溶性Ｍｎ／Ｆｅの比が大きくなると、ピーク高さは高く
なることが判る。言い換えると、この比が大きくなる
と、図４に示すように、マンガンが鉄を超えるピーク高
さとなる。このことは金属間粒子、例えば主に(Ｆｅ、
Ｍｎ)Ａｌ_６、の化学的性質が、電解電位でアルミニウ
ムマトリックスに更によく近付いて合致することにより
腐食は減る化学的性質であるので、好ましい状態であ
る。併せて考えると、溶液からのマンガンが増えると、
耐食性を改良する金属間化合物の生成が促進されると考
えられる。

【００４８】要約すると、表ＩＩ（Ｔａｂｌｅ ＩＩ）
は、本発明の合金が、耐食性に対して金属間化合物サイ
ズも所望の容積分率も有する所望の金属間化合物を有す
ることによって、優れた成形性と耐食性を有することを
示している。先行技術の合金ＡＡ３１２０(成形性は優
れている−耐食性は劣る)は容積分率は有するが、適切
な金属間化合物を有しない、一方、図２の合金は、優れ
た耐食性(低容積分率の望ましくない金属間化合物)を有
するが、所望より低い成形性(低すぎる容積分率の金属
間化合物)を有する。本発明の合金は、化学的性質、サ
イズ、及び量の点で適切な金属間化合物を組み合わせる
ことによりこのようなジレンマを解決する。

【００４９】加えて、本発明は、アルミニウム合金の熱
間加工性を低下させることはない。アルミニウムの中に
入れる合金元素を選択することにより熱間加工性に影響
を与えることが出来ることは周知である。この特性を高
めることが出来る元素もあれば、低下させる元素もあ
る。金属間粒子の化学的性質及び粒子の分布を制御して
本発明の教示を実施することによって全く驚くことに
は、本発明のアルミニウム合金は、優れた成形性と耐食
性ばかりでなく、ＡＡ３１２０のような従来の合金又は
米国特許第５，９０６，６８９号の合金の熱間加工性に
匹敵するか又は凌ぐ熱間加工性も有する。ＳＷＡＡＴ耐
食性の検討について、先行技術の合金と本発明の合金と
の間で比較試験を行なうと、粒子の化学的性質及び／又
は粒子の容積分率に関して先行技術から逸れるにも拘ら
ず、本発明の合金の熱間加工性は低下しなかった。

【００５０】図９は、本発明の合金が熱交換器の用途で
使用される時のスティックアップ高さの改良を示してい
る。前述のように、スティックアップ高さは、管をフィ
ンストックの中に挿入して直径に沿って拡管させた後、
フィンストックと端部シートを超えて延在する管の高さ
である。この高さは、管の自由端部を熱交換器のヘッダ
ーマニホールドに取り付けることが出来るほど充分な長
さでなければならない。図９は、本発明の教示を実施す
る時にスティックアップ高さの著しい差が実現出来るこ
とを示している。即ちマンガンと鉄の合計量が増える
と、スティックアップ高さもスティックアップ＋ベル高
さも達成される。スティックアップ高さは、約１０ｍｍ
程度なので、比較的小さい増加でも大きいパーセンテー
ジの増加となり生産性は大幅に向上する。例えば、ステ
ィックアップ高さが約９．５ｍｍから１０．５ｍｍへ増
加すると１０％の増加と言う計算になる。利用出来るス
ティックアップ高さが高くなると、拡管過程での管材の
縮小及び熱交換器ヘッダーの取り付けの場合の管の高さ
が不充分であることによる凝縮器の不合格率は下がる。

【００５１】本発明の合金の耐食性も改良されていると
も考えられる。走査電子顕微鏡写真による検査を行なっ
て、２５日間のＳＷＡＡＴ試験の後の種々の合金の表面
モルフォロジーを検証した。ＳＷＡＡＴ試験は、当業界
で周知であり前記のＳｉｒｃａｒに付与された特許で説
明されていて、本発明のこの局面を理解するためにこの
試験の詳細を説明する必要はない。本発明の検証による
と、耐食性に関しては表ＩＩ（Ｔａｂｌｅ ＩＩ）のＰ
Ａ−Ａ合金は同表のＡＡ３１２０合金より遥かに優れて
いることが判った。ＡＡ３１２０合金の表面は孔食され
ていて、凹凸が激しかった。対照的に、ＰＡ−Ａ合金
は、表面には全体的に一様な腐食の影響が見られ、この
ことにより、この材料にはこの分野で優れた性能が付与
されている。顕微鏡写真のこのような比較から、ＰＡ−
Ａ合金の腐食性能はＡＡ３１２０合金より遥かに優れて
いることは明らかである。

【００５２】本発明の合金も同じＳＷＡＡＴ試験条件の
もとで検討し、そして比較のために走査電子顕微鏡写真
を撮った。本発明の合金、即ち表ＩＩ（Ｔａｂｌｅ Ｉ
Ｉ）のＩＮＶ Ａ及びＩＮＶ Ｂ、の表面エッチングによ
ると、高度の耐食性ＰＡ−Ａ合金より遥かに均一であ
る、即ち表面での侵入は比較的深くないと思われる表面
モルフォロジーを示した。このことから、本発明の合金
は、先行技術の合金と少なくとも同等の優れた耐食性を
有し、先行技術の向上した耐食性合金と比較しても遥か
に向上した耐食性を有することが出来る。

【００５３】改良されたアルミニウム合金に関する以外
に、本発明は、熱交換器の製造、特に拡管段階を採用し
ているプロセスも包含する。或る実施態様では、本発明
は方法の改良であり、その改良により管材が押出されて
Ｕ字型の形状にされ、次にフィンストックと端部薄板の
開口部にねじ込まれた後、直径に沿って拡管して管材と
フィンストックとの間の接触が確かめられる。このよう
な方法では、本発明のアルミニウム合金は、拡管用及び
熱交換器組立体用の管材料として使用される。勿論、こ
の組成物は、必要に応じて、耐食性、熱間加工性及び成
形性の最適の組み合わせが必要とされるその他の形状に
成形することが出来る。

【００５４】互換的に使用出来て(周期表の似た族な
ど)、開示された添加物により当業界で周知のいずれの
合金添加物もこの用途によって保護される。

【００５５】アルミニウム合金は、インゴット又は連続
鋳造、均質化、熱間及び冷間加工、並びに加工製品を管
材への押出、薄板の圧延等のような公知の技術を使って
作ることが出来る。これらの技術は慣用されているとみ
なされるので、本発明を理解するために更なる説明は必
要がないと考えられる。

【００５６】薄板の用途に対しては、或る例として、前
述のマグネシウム含量を高めると、強化目的には好まし
いことがある。

【００５７】尚別の実施態様では、本発明は、アルミニ
ウム合金をアルミニウム合金物品へ作る時にアルミニウ
ム合金の鉄とマンガンを制御することにより耐食性と成
形性を改良することが出来る。前述のように、その他の
合金元素と組み合わせて合金の化学的性質を鉄とマンガ
ンの所望の比と含量に調整することにより、耐食性又は
熱間加工性を損なうことなく成形性の改良が達成され
る。

【００５８】以上の通り、本発明は、前述の本発明の目
的の各々とその全てを実現し、新規で改良されたアルミ
ニウム合金、熱交換器の用途での使用方法、及び製造方
法を提供する本発明の好ましい実施態様について説明し
てきた。

【００５９】勿論、本発明の教示から、いろいろな変
更、修正及び改変は、本発明の意図する精神及び範囲を
逸脱することなく当業者が考えることは可能である。本
発明は、添付の特許請求の範囲の項目によってのみ限定
されると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属間粒子及びそれの分布を示す、ＡＡ３１２
０合金の顕微鏡写真の略図である。

【図２】金属間粒子及びそれの分布を示す、米国特許第
５，９０６，６８９号の合金の顕微鏡写真の略図であ
る。

【図３】ＡＡ３１２０の金属間粒子及び米国特許第５，
９０６，６８９号に記載されている合金の金属間粒子の
構成成分を示すエネルギー分散分光チャートの略図であ
る。

【図４】本発明の合金の金属間粒子の構成成分を示すエ
ネルギー分散分光チャートの略図である。

【図５】本発明の鉄とマンガンの限界の概要を示すグラ
フと要点である。

【図６】鉄と比較して過剰のマンガンを含む合金の金属
間粒子を示す顕微鏡写真の略図である。

【図７】多数のアルミニウム合金について鉄とマンガン
の合計量を固溶体からのマンガンと比較したグラフであ
る。

【図８】ＥＤＳの読み値に対して、不溶性マンガン対鉄
の比とピーク高さの比とを比較したグラフである。

【図９】種々の合金に対して鉄とマンガン含量がスティ
ックアップ高さに及ぼす効果を示すグラフである。

【符号の説明】

１、５、１１ アルミニウムマトリックス ３ 金属間粒子 ７ 分布型金属間粒子 ９ 金属間化合物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２１Ｋ 21/00 Ｂ２１Ｋ 21/00 Ｆ２８Ｆ 21/08 Ｆ２８Ｆ 21/08 Ｂ // Ｂ２１Ｃ 23/00 Ｂ２１Ｃ 23/00 Ａ 23/08 23/08 Ａ (72)発明者 サブハシシュ サーカー アメリカ合衆国、ペンシルバニア州 15069−0001、アルコアセンター、100 テ クニカルドライブ、アルコア テクニカル センター (72)発明者 ウィリアム エー カサダ 三世 アメリカ合衆国、ペンシルバニア州 15069−0001、アルコアセンター、100 テ クニカルドライブ、アルコア テクニカル センター Ｆターム(参考） 4E029 AA06 CA00 4E087 BA04 CA22 HB02

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量パーセントで：約０．０５〜０．５
   ％のケイ素；約０．１％〜最大１．０％の鉄の量；最大
   約２．０％のマンガンの量；約０．０６〜１．０％の亜
   鉛；約０．０３〜０．３５％のチタン；残部がアルミニ
   ウム及び不可避的不純物を含む合金組成物から作られる
   アルミニウム合金物品において、前記物品が、前記物品
   の少なくとも０．５％の容積分率でアルミニウムマトリ
   ックス全体に分散された金属間化合物を含むように、マ
   ンガンと鉄の比が約０．５超〜約６．０以下、及び鉄と
   マンガンの合計量が約０．３０％超を維持されること、
   及び前記物品のアルミニウムマトリックスと前記金属間
   化合物との電解電位差が約０．２ボルト未満であって前
   記金属間化合物が約５．０未満のアスペクト比を有する
   こと、を特徴とする前記物品。
2. 【請求項２】 マンガンと鉄の比が更に０．７５の下限
   及び約５．０の上限に限定され、マンガンと鉄の合計量
   が少なくとも約０．６％であることを特徴とする、請求
   の範囲第１項に記載の物品。
3. 【請求項３】 マンガンと鉄の比が約１．０〜４．０で
   あり、マンガンと鉄の合計量が約０．７０〜１．２％で
   あることを特徴とする、請求の範囲第２項に記載の物
   品。
4. 【請求項４】 前記金属間化合物が主に鉄−アルミニウ
   ム−マンガン化合物又はマンガン−アルミニウム化合物
   の少なくとも１種であることを特徴とする、請求の範囲
   第１項に記載の物品。
5. 【請求項５】 前記比では鉄が約０．１５〜０．３５％
   のＦｅであり、マンガンが約０．４〜０．９％であり、
   マンガンと鉄の合計量が約０．６〜３．０％の範囲であ
   ることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の物品。
6. 【請求項６】 前記容積分率が約２．０％超であること
   を特徴とする、請求の範囲第１項に記載の物品。
7. 【請求項７】 更に最大約０．７％の銅、約１．０％未
   満のマグネシウム；約０．０１％未満のニッケル、及び
   最大約０．５％のクロムを含むことを特徴とする、請求
   の範囲第１項に記載の物品。
8. 【請求項８】 前記金属間化合物が約０．５〜５ミクロ
   ンのサイズ範囲を有することを特徴とする、請求の範囲
   第１項に記載の物品。
9. 【請求項９】 熱交換器管材を直径に沿って拡管(ｅｘ
   ｐａｎｄｉｎｇ)する段階を含む熱交換器の製造方法に
   おいて、前記管材を請求項１項の合金組成物から直径に
   沿って拡管させることを特徴とする改良方法。
10. 【請求項１０】 前記管材が押出管材であることを特徴
    とする、請求の範囲第９項に記載の方法。
11. 【請求項１１】 直径に沿った拡管に先立って管材の端
    部を熱交換器の端部薄板へ挿入し、熱交換器ヘッダーに
    取り付けるための直径に沿った拡管段階の後に各管材の
    長軸が端部薄板を超えて延在することにより、前記合金
    組成物の改良された成形性によってヘッダーに取り付け
    るための充分な長さが容易に無理なく得られることを特
    徴とする、請求の範囲第９項に記載の方法。
12. 【請求項１２】 アルミニウム合金出発材料から管材を
    押出す方法において、前記アルミニウム合金出発材料を
    請求項１項の合金組成物から作ることを特徴とする改良
    方法。
13. 【請求項１３】 更に押出管材を使って熱交換器を作る
    ことを特徴とする、請求の範囲第１２項に記載の方法。
14. 【請求項１４】 請求項１項の前記合金から作られる部
    品を有する熱交換器。
15. 【請求項１５】 前記部品が管材又は薄板製品であるこ
    とを特徴とする、請求の範囲第１４項に記載の熱交換
    器。
16. 【請求項１６】 重量パーセントで、約０．０５〜０．
    ５％のケイ素、最大約２．０％のマンガンの量、約０．
    １％〜最大約１．０％の鉄の量、約０．０３〜０．３５
    ％のチタン、及び約０．０６〜１．０％の亜鉛、残部が
    アルミニウム及び不可避的不純物の合金量を含む合金組
    成物を提供して前記合金組成物から前記物品を形成する
    ことを含み、熱間加工性を損なうことなく、アルミニウ
    ム合金物品の成形性及び耐食性を改良する方法におい
    て；５．０未満のアスペクト比を有する金属間化合物の
    約０．５超の容積分率を含んで前記物品の中に最終の微
    細組織を形成するように、前記合金組成物中のマンガン
    と鉄の比が約０．５〜６．０で制御され、前記組成物中
    の鉄とマンガンの合計量が約０．３％超で制御されるこ
    と、及び前記物品のアルミニウムマトリックスと前記金
    属間化合物との間の電解電位差が約０．２ボルト未満で
    あること、を特徴とする前記方法。
17. 【請求項１７】 マンガンと鉄の比が更に０．７５の下
    限及び約５．０の上限に限定され、マンガンと鉄の合計
    量が少なくとも約０．６％であることを特徴とする、請
    求の範囲第１６項に記載の方法。
18. 【請求項１８】 前記金属間化合物が主に鉄−アルミニ
    ウム−マンガン化合物又はマンガン−アルミニウム化合
    物の少なくとも１種であることを特徴とする、請求の範
    囲第１６項に記載の方法。
19. 【請求項１９】 前記比では、鉄が約０．１５〜０．３
    ５％のＦｅであり、マンガンが約０．４〜０．９％であ
    り、マンガンと鉄の合計量が約０．６〜３．０％の範囲
    であることを特徴とする、請求の範囲第１６項に記載の
    方法。
20. 【請求項２０】 前記容積分率が約２．０％超であるこ
    とを特徴とする、請求の範囲第１６項に記載の方法。