JP2004059939A - 耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材および該フィン材の製造方法 - Google Patents
耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材および該フィン材の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ろう付時の耐エロージョン性に優れ、かつ高強度で薄肉化が可能な熱交換器用フィン材を得る。
【解決手段】フィン材の組成を、Ｓｉ：０．６超〜１．２％未満、Ｍｎ：０．７５〜２．５％、Ｎｉ：１．０超〜５．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるものとする。上記組成のＡｌ合金を鋳造後、均質化処理を行うことなく、４００〜４８０℃でソーキングし、仕上温度２００〜３００℃で熱間圧延する。少なくとも１回の中間焼鈍を含む冷間圧延を行う。冷間圧延では、最終板厚までの総冷延率を９５％以上、最終の中間焼鈍時の板厚から最終板厚に至る最終冷延率を２０〜５０％とする。
【効果】ろう付時の耐エロージョン性およびろう付前後の強度に優れたフィン材が得られ、フィン材の薄肉、軽量化に貢献する。
【選択図】 なし
【解決手段】フィン材の組成を、Ｓｉ：０．６超〜１．２％未満、Ｍｎ：０．７５〜２．５％、Ｎｉ：１．０超〜５．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるものとする。上記組成のＡｌ合金を鋳造後、均質化処理を行うことなく、４００〜４８０℃でソーキングし、仕上温度２００〜３００℃で熱間圧延する。少なくとも１回の中間焼鈍を含む冷間圧延を行う。冷間圧延では、最終板厚までの総冷延率を９５％以上、最終の中間焼鈍時の板厚から最終板厚に至る最終冷延率を２０〜５０％とする。
【効果】ろう付時の耐エロージョン性およびろう付前後の強度に優れたフィン材が得られ、フィン材の薄肉、軽量化に貢献する。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ろう付法によって製造されるアルミニウム合金熱交換器に用いられる熱交換器用アルミニウム合金フィン材および該フィン材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車熱交換器の多くは軽量化、熱伝達率等の観点からアルミ化されており、熱交換器は所定の形状にコルゲート加工したフィンをチューブ間に組付けてろう付により接合している。上記熱交換器用のフィン材としては、通常１０００系や３０００系合金が用いられている。ろう付に際しては、上記フィン材、チューブ等を加熱炉に配し、６００℃付近の高温に加熱してろう材を溶融させ、該ろう材が流れて形成されるフィレットによって各部材を互いに接合している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の合金により製造されたフィン材は、ろう付熱処理時に著しいろうの侵食（エロージョン）が生じ、フィンが座屈等を引き起こし、ろう付後、熱交換器としての強度が低下する問題がある。また、フィン材は軽量化及びコスト低減のため、近年薄肉化の要求が高まる一方であり、より高強度化が求められている。
【０００４】
ろう付時のエロージョンに関しては、フィン材の結晶粒界がろうの侵食経路となりやすく、フィン材のろう付時の再結晶粒が微細な場合、結果として材料中に結晶粒界が多く存在することとなり、その後のろう溶融により、エロージョンが生じやすくなる。このことから、フィン材の耐エロージョン性を向上させるためには、ろう付加熱時の再結晶粒を粗大化させる必要がある。しかし、一方で従来のフィン材を用いて、薄肉・高強度化の特性を得るには、ろう付時の再結晶粒を微細化させる必要（結晶粒微細化硬化）がある。このように強度及び耐エロージョン性の両特性は相反する側面があり、これら両特性に優れる新規なＡｌ合金フィン材が求められている。
【０００５】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ろう付時エロージョンが生じにくく、しかも高強度で一層の薄肉化が可能な熱交換器用アルミニウム合金フィン材および該フィン材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の発明者等は、耐エロージョン性および強度に優れたＡｌ合金フィン材を得るべく、耐エロージョン性向上のためろう付時の再結晶粒を粗大化させる一方で、晶析出物の微細分散による強度向上を検討し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材のうち請求項１記載の発明は、質量％で、Ｓｉ：０．６超〜１．２％未満、Ｍｎ：０．７５〜２．５％、Ｎｉ：１．０超〜５．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材は、請求項１記載の発明において、さらに、質量％で、Ｚｒ：０．０５〜０．３％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材は、請求項１または２記載の発明において、さらに、質量％で、Ｚｎ：１．０超〜５．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．０１〜０．５％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材の製造方法は、請求項１〜４のいずれかに記載の組成を有するＡｌ合金を鋳造後、均質化処理を行うことなく、４００〜４８０℃の温度でソーキングを行った後、仕上温度２００〜３００℃で熱間圧延を行い、その後、少なくとも１回の中間焼鈍を含む冷間圧延を行うとともに、該冷間圧延では、最終板厚までの総冷延率を９５％以上とし、かつ最終の中間焼鈍時の板厚から最終板厚に至る最終冷延率を２０〜５０％とすることを特徴とする。
【００１２】
本発明の熱交換器用アルミニウム合金フィン材によれば、ろう付時に、エロージョンに対し優れた防止効果を発揮し、座屈による強度低下を回避することができる。また、本発明の製造方法によれば、上記効果をより確実なものとすることができる。
【００１３】
以下に、本願発明における成分等の限定理由を説明する。以下に示す含有量はいずれも質量％で表されている。
【００１４】
Ｓｉ：０．６超〜１．２％未満
ＳｉはＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の微細な析出物を生じ、ろう付時に生成される再結晶粒を粗大化させ、ろう付加熱時の耐座屈性を向上させる働きと、フィン材の強度を向上させる働きがある。Ｓｉ含有量が０．６％以下であると、上記効果が小さく、一方、１．２％以上では、融点の低下により、ろう付時にフィン材が溶融する可能性がある。このため、Ｓｉ含有量を上記範囲に定める。
【００１５】
Ｍｎ：０．７５〜２．５％
Ｍｎは合金の強度を向上させるとともにＡｌ−Ｍｎ系析出物（Ａｌ６Ｍｎ等）あるいはＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ等の微細な析出物を生じ、ろう付時生成の再結晶粒を粗大化させ、ろう付加熱時の耐高温座屈性を向上させる働きとフィン材の強度を向上させる働きがある。ただし、Ｍｎの含有量が０．７５％未満であると、その効果が小さく、一方、２．５％を越えると、鋳造時の晶出物が粗大化し、加工性およびフィン材の諸特性が低下する。このため、Ｍｎ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由でさらに下限を１．０％、上限を２．０％に定めるのが望ましい。
【００１６】
Ｎｉ：１．０超〜５．０％
Ｎｉは、Ｆｅ等に比べて、非常に微細な金属間化合物を生成しやすく、ろう付時の再結晶粒をそれほど微細化させることなく耐高温座屈性を向上させるとともに強度を向上させる働きがある。ただし、Ｎｉ含有量が１．０％以下であると、その効果が小さく、一方、５．０％を超えると、鋳造時に粗大な晶出物が生じ、加工性およびフィン材の諸特性を低下させる。このため、Ｎｉ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由でさらに下限を１．０超％、上限を２．０％に定めるのが望ましい。
【００１７】
Ｚｒ：０．０５〜０．３％
Ｚｒは、ろう付時に生じる再結晶粒を粗大化させて、フィン材の耐エロージョン性を向上させるので、所望により含有させる。ただし、Ｚｒ含有量が０．０５％未満ではその効果が小さく、一方、０．３％を超えると、鋳造時の晶出物が粗大化しやすく加工性を低下させるので、所望により添加する場合の含有量は０．０５〜０．３％とする。
【００１８】
Ｚｎ：１．０超〜５．０％
Ｚｎは、フィン材の電位を卑にし、犠牲陽極効果を与える効果があり、所望により含有させる。ただし、Ｚｎの含有量が１．０％以下であるとその効果が小さく、一方、５．０％を超えると、フィン材の自己耐食性が低下するので、所望により添加する場合の含有量は１．０超〜５．０％とする。また、犠牲陽極効果を付与するには、Ｉｎ、Ｓｎ等の犠牲陽極元素の添加も有効であり、それぞれ０．３％以下添加することが可能であり、その場合、下限を０．０５％とするのが望ましい。
【００１９】
Ｃｒ，Ｖ，Ｃｏ：０．０１〜０．５％
Ｃｒ，Ｖ，Ｃｏは、固溶硬化により強度を向上させるので、所望により１種以上を含有させる。ただし、それぞれ含有量が０．０１％未満であると、その効果が小さく、一方、０．５％を超えると、鋳造時に粗大晶出物が生じやすく、加工性およびフィン材の諸特性を低下させるので、それぞれの含有量を上記範囲に定める。
【００２０】
上記成分以外の残部はＡｌと不可避不純物とからなる。不可避不純物としてはＦｅ、Ｃｕ等が挙げられるが、以下の理由により不可避不純物の含有量を規制するのが望ましい。
【００２１】
Ｆｅ：０．２％以下
ＦｅはＭｎ，Ｓｉ等と粗大な金属間化合物（Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ等）を作りやすく、それらの粗大晶出物が再結晶の核となるため、ろう付熱処理後の再結晶粒が微細になり、耐エロージョン性が低下する問題がある。このためＦｅの含有量は０．２％以下であるのが望ましい。Ｆｅ≦０．２％の場合、粗大晶出物の生成が抑制され、耐エロージョン性の向上が期待できる。なお、同様の理由でＦｅ含有量は、さらに０．１０％以下であるのが望ましい。
【００２２】
ＭｎとＳｉ、Ｆｅは、上記のように、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ系等の粗大な金属間化合物を作りやすく、加工性を低下させるとともに、フィン材の耐エロージョン性および強度等の諸特性を低下させる。粗大金属間化合物の生成に関して、上記のＭｎ含有量、Ｓｉ含有量のそれぞれの範囲内において（さらに望ましくはＦｅ：０．２％以下）、ＦｅとＭｎ，Ｓｉの比が、（Ｆｅ／（Ｍｎ＋Ｓｉ））≦０．１の式を満たすのが望ましい。上記式左辺の値が０．１を超えると、Ｍｎ，Ｓｉに対してＦｅ量の影響が強くなって、鋳造時に粗大な晶出物を生成する傾向にあり、加工性およびフィン材の諸特性が低下する。よってＦｅ、Ｍｎ、Ｓｉ含有量は、（Ｆｅ／（Ｍｎ＋Ｓｉ））≦０．１の関係を満たすのが望ましい。
【００２３】
Ｃｕ：０．０５％未満
Ｃｕは、電位を貴にし、フィン材の犠牲陽極効果を低下させるので、不純物として含有量を０．０５％未満とするのが望ましい。０．０５％以上であると、フィン材の電位が貴になり、チューブとの電位差が小さくなるため、期待の犠牲陽極効果が得られないとともに、鋳造時に割れ等が生じやすくなる。
【００２４】
次に、本発明の製造工程を規定した理由を説明する。
先ず、均質化処理を含まず、熱間圧延前のソーキング温度を４００〜４８０℃とすることとした理由を以下に示す。
本発明フィン材は、均質化処理およびソーキングの際に、固溶元素の析出が促進され、各元素の固溶量が低下する。このため、固溶硬化の低下により強度が低下するとともに再結晶を阻害する固溶元素が低下するため、ろう付時の再結晶が促進され、再結晶粒が微細化する（耐エロージョン性の低下）。さらには、鋳造時に生成したマトリクス中のＡｌ−Ｎｉ（Ａｌ３Ｎｉ、Ａｌ３Ｎｉ２）、Ａｌ−Ｍｎ（Ａｌ６Ｍｎ）等の金属間化合物が均質化処理およびソーキングの際に粗大化し、耐エロージョン性および強度等のフィン材の諸特性が低下する。以上の観点から、本発明の製造方法では、通常、鋳造後、熱間圧延前に行われている均質化処理を施さず、さらにはソーキングによる上記弊害を小さくするためソーキング温度を限定した。
【００２５】
ソーキング温度：４００〜４８０℃
ソーキング温度を４００〜４８０℃としたのは、４００℃未満では圧延材に付与される熱量が小さいために、熱間圧延時に材料中にクラック等が発生し、材料作製上問題が生じるためであり４００℃以上での加熱が必要である。また、４８０℃を越える温度とすると、フィン材の再結晶粒が微細化し、耐エロージョン性の低下が顕著になるので、ソーキング温度を上記範囲に定める。また、ソーキング時間は、本発明としては限定しないが、１〜２時間とするのが望ましい。これはソーキング時間が短いと圧延材に十分な熱量を付与できず、また、長時間ソーキングしても無駄であり、また固溶元素の析出がより促進されるので、上記時間を望ましいものとする。
【００２６】
熱間圧延仕上温度：２００〜３００℃
熱間圧延時には圧延時の熱量が圧延材に付与されることにより、晶析出物が粗大化するとともに、圧延後の冷却過程において、固溶元素の析出が生じるため、前記のようにフィン材の諸特性が低下する。以上より熱間圧延時の仕上温度をより低くすることにより、材料に負荷される総熱量を小さくし、熱間圧延時の晶析出物の粗大化を抑制するとともに、圧延後の冷却過程における固溶元素の析出を抑制させることができる。このために仕上がり温度は３００℃以下に限定する。ただし、熱間圧延の仕上温度が２００℃未満であると熱間圧延時に材料中にクラック等が著しく発生し、材料作製上問題が生じるため、熱間圧延時の仕上温度を上記範囲に定める。
【００２７】
冷間圧延時の中間焼鈍
上記熱間圧延を行った後に行う冷間圧延では、少なくとも１回の中間焼鈍を行う。
中間焼鈍は、熱間圧延および冷間圧延によって材料中に導入された歪みを除去し、その後の圧延性を向上させる目的で行う。最終の中間焼鈍は、最終製品での調質を制御することも目的とする。
【００２８】
中間焼鈍の回数については、特に限定されず、２回または３回以上でもよく、また１回のみも可である。さらに、中間焼鈍の温度に関しても、特に規定はしないが、圧延による歪みを除去するためには、ＣＡＬでは約３５０〜５００℃、バッチ炉では約３５０〜４００℃×３ｈ程度の焼鈍により、完全に再結晶させるのが望ましい。
【００２９】
冷間圧延の総冷延率：９５％以上
本発明フィン材を含めた各フィン材は、鋳造および熱間圧延時に晶析出物が粗大化する傾向にあるが、その後の冷間圧延において、Ａｌ−Ｎｉ（Ａｌ３Ｎｉ、Ａｌ３Ｎｉ２）、Ａｌ−Ｍｎ（Ａｌ６Ｍｎ）等の、主に針状の粗大金属間化合物が、常温での圧延の負荷によって、物理的に破壊され、いずれの金属間化合物も数μｍ以下に微細化される。このような微細な析出物の分散状態は、転位の移動を阻害するため、強度の向上に大きく寄与するとともに、粗大晶の低減により再結晶核が低減されるため、ろう付後の再結晶粒が粗大化しやすく、耐エロージョン性に優れる。この作用を得るためには、大きな冷延率で冷間圧延するのが望ましい。最終板厚に至るまでの総圧延率が９５％未満であると、部分的に数μｍ以上の比較的粗大な晶析出物が残存してしまい、上記の効果が小さくなる。したがって総圧延率を９５％以上に限定する。好ましくは９８％以上である。
【００３０】
最終中間焼鈍後の冷延率（最終冷延率）：２０〜５０％
本発明フィン材は、上記のように晶析出物を微細化しているため、ろう付加熱時の再結晶の生成が阻害されやすい。最終の中間焼鈍時の板厚から最終の板厚に至るまでの圧延率（最終冷延率という）が、２０％未満となる圧下では再結晶の駆動力となるべき歪み量が不足し、その後のろう付時に完全に再結晶せず、亜結晶粒が残存し、耐エロージョン性が大きく低下する。一方、５０％を越えると、ろう付時の再結晶粒が微細化し、耐エロージョン性が低下するため、上記最終冷延率を２０〜５０％とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明のフィン材に用いるアルミニウム合金は、上記組成に従って常法により溶製することができる。本発明のフィン材は、製造方法が特に限定されているものではないが、本発明で目的とする特性を確実かつ十分に導き出すために、本発明の上記製造方法を適用して製造するのが望ましい。常法により溶製した鋳塊は、本発明のフィン材では常法により均質化処理を行うことも可能であるが、本発明の製造方法に従って均質化処理を省略するのが望ましい。鋳塊は、熱間圧延後に面方向となる側を面削して偏析の多い部分を排除することができる。該鋳塊は、熱間圧延に先立ってソーキングを行うが、該ソーキングでは、本発明製造方法に従って加熱温度を４００〜４８０℃、加熱時間を１〜２時間に規制するのが望ましい。熱間圧延は、周知の熱間圧延機を用いて圧延を行うことができ、望ましくは、本発明の製造方法に従って仕上がり温度を２００〜３００℃とする。
【００３２】
熱間圧延後には、望ましくは１回以上の中間焼鈍を含むようにして、冷間圧延を行う。中間焼鈍、冷間圧延ともに周知の焼鈍炉、冷間圧延機装置を用いて行うことができる。
上記冷間圧延での総冷延率は、望ましくは９５％以上とする。該総冷延率は、最終板厚を基にして熱間圧延材の板厚を設定し、該最終板厚が得られるように所定数パスで冷間圧延することにより達成される。
また、上記冷間圧延では、望ましくは、中間焼鈍時を基に冷延率を規制する。すなわち、本発明の製造方法に従って最終中間焼鈍後の冷延率を２０〜５０％とするのが望ましい。
【００３３】
上記により得られたフィン材は、所定の形状に加工し、通常はコルゲート加工を施してフィンとする。該フィンは、単独で製造してもよく、またろう材をクラッドしたブレージングシートとして製造することもできる。上記フィンは、チューブ間に設置するなどして組み付けれられ、加熱炉にてろう付処理が行われる。ろう材の配置は、フィンをブレージングシートとしたり、チューブをブレージングシートとしたり、また、置きろうや粉末ろうの塗布などにより行うことができ、本発明としては、その方法は特に限定されない。上記加熱炉は、所定の雰囲気に調整して加熱処理を行うものであってもよい。上記ろう付によってフィンはチューブ等に接合され、アルミニウムフィンを備えた熱交換器が得られる。該熱交換器は、自動車用等の各種の用途に使用することができる。該熱交換器では、フィンにおけるろう付時エロージョンが効果的に防止されて高い強度が維持されており、薄肉化においても十分な強度を発揮し、熱交換器の軽量化に寄与する。
【００３４】
【実施例】
以下に本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。
表１に示すアルミニウム合金供試材を溶製し、得られた鋳塊（２０×５２×１２５ｍｍ）を片面につき１／４インチずつ面削した。その後、一部の供試材では５６０℃×４時間の均質化処理を行い、他の供試材では均質化処理を行わなかった。これら供試材には、４６０℃または５３０℃で１時間のソーキングを行い、厚さ２〜６ｍｍまで熱間圧延を行った。その際の仕上温度を２５０〜４００℃とした。次いで、途中で中間焼鈍を行うようにして冷間圧延を行って０．０６ｍｍ厚の冷間圧延材を得た。なお、１回目の中間焼鈍として、ＣＡＬ焼鈍（５００℃×４５秒）またはバッチ焼鈍（３６０℃×３時間）を行い、２回目の中間焼鈍として、３６０℃×３ｈのバッチ焼鈍を行った。また、上記冷間圧延では、表２に示すように、第２の中間焼鈍時板厚から最終板厚に至る冷延率を変化させた。各試験材の製造方法は表２に示すとおりであり、実施例２〜８および比較例１〜５は、実施例１と同じ製造方法を採用した。
【００３５】
上記供試材に対し以下の特性試験を行い評価した。
【００３６】
耐エロージョン性
０．３ｍｍ厚のブレージングシート（ＪＩＳ Ａ ７０７２／３００３／４３４３Ａｌ合金：犠牲陽極材／芯材／ろう材）のろう材面に、コルゲート加工した本発明フィン材および比較フィン材を組付け、これにフラックスを塗布した後、上記ろう付熱処理を実施した。なお、ろう付熱処理は、窒素ガス雰囲気中で６００℃×３ｍｉｎ保持後、−１００℃／ｍｉｎで冷却を行うものとした。
上記ろう付後、フィレットの形成状態で耐エロージョン性を評価した。すなわち、ろう侵食が全く認められないものを○印、若干のろう侵食あるものを△印、著しいろう侵食あるものを×印で示した。
【００３７】
強度
ろう付相当の熱処理を行なった本発明フィン材および比較フィン材を用いて、引張試験片を作製し、これらの試験片を用いて、引張試験を行うことにより、強度を評価した。なお、評価は、１６０ＭＰａ以上のものを◎印、１５０〜１６０ＭＰａ未満のものを○印、１５０ＭＰａ未満のものを×印で示した。
【００３８】
犠牲陽極効果
犠牲陽極効果は、チューブ芯材を想定した３００３合金と各フィン材との電位差で評価した。なお、電位差１００ｍＶ以上のものを◎印、電位差５０〜１００ｍＶ未満のものを○印、電位差５０ｍＶ未満のものを×印で示した。
【００３９】
【表１】
【００４０】
【表２】
【００４１】
上記特性試験の結果を表１、２に示す。表から明らかなように、本発明のフィン材は、耐エロージョン性および強度に優れていた。さらに本発明フィン材では、本発明製造方法を採用することにより、上記効果が顕著になっていることが確認された。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱交換器用アルミニウム合金フィン材によれば、質量％で、Ｓｉ：０．６超〜１．２％未満、Ｍｎ：０．７５〜２．５％、Ｎｉ：１．０超〜５．０％を含有し、所望により、Ｚｒ：０．０５〜０．３％を含有し、さらに所望により、Ｚｎ：１．０超〜５．０％を含有し、さらに所望によりＣｒ：０．０１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．０１〜０．５％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するので、ろう付時の耐エロージョン性およびろう付前後の強度に優れたフィン材が得られ、フィン材の薄肉、軽量化に大きく貢献する。
【００４３】
また、本発明の熱交換器用アルミニウム合金フィン材の製造方法によれば、上記組成を有するＡｌ合金を鋳造後、均質化処理を行うことなく、４００〜４８０℃の温度でソーキングを行った後、仕上温度２００〜３００℃で熱間圧延を行い、その後、少なくとも１回の中間焼鈍を含む冷間圧延を行うとともに、該冷間圧延では、最終板厚までの総冷延率を９５％以上とし、かつ最終の中間焼鈍時の板厚から最終板厚に至る最終冷延率を２０〜５０％とするので、上記効果が一層確実かつ向上する。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ろう付法によって製造されるアルミニウム合金熱交換器に用いられる熱交換器用アルミニウム合金フィン材および該フィン材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車熱交換器の多くは軽量化、熱伝達率等の観点からアルミ化されており、熱交換器は所定の形状にコルゲート加工したフィンをチューブ間に組付けてろう付により接合している。上記熱交換器用のフィン材としては、通常１０００系や３０００系合金が用いられている。ろう付に際しては、上記フィン材、チューブ等を加熱炉に配し、６００℃付近の高温に加熱してろう材を溶融させ、該ろう材が流れて形成されるフィレットによって各部材を互いに接合している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の合金により製造されたフィン材は、ろう付熱処理時に著しいろうの侵食（エロージョン）が生じ、フィンが座屈等を引き起こし、ろう付後、熱交換器としての強度が低下する問題がある。また、フィン材は軽量化及びコスト低減のため、近年薄肉化の要求が高まる一方であり、より高強度化が求められている。
【０００４】
ろう付時のエロージョンに関しては、フィン材の結晶粒界がろうの侵食経路となりやすく、フィン材のろう付時の再結晶粒が微細な場合、結果として材料中に結晶粒界が多く存在することとなり、その後のろう溶融により、エロージョンが生じやすくなる。このことから、フィン材の耐エロージョン性を向上させるためには、ろう付加熱時の再結晶粒を粗大化させる必要がある。しかし、一方で従来のフィン材を用いて、薄肉・高強度化の特性を得るには、ろう付時の再結晶粒を微細化させる必要（結晶粒微細化硬化）がある。このように強度及び耐エロージョン性の両特性は相反する側面があり、これら両特性に優れる新規なＡｌ合金フィン材が求められている。
【０００５】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ろう付時エロージョンが生じにくく、しかも高強度で一層の薄肉化が可能な熱交換器用アルミニウム合金フィン材および該フィン材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の発明者等は、耐エロージョン性および強度に優れたＡｌ合金フィン材を得るべく、耐エロージョン性向上のためろう付時の再結晶粒を粗大化させる一方で、晶析出物の微細分散による強度向上を検討し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材のうち請求項１記載の発明は、質量％で、Ｓｉ：０．６超〜１．２％未満、Ｍｎ：０．７５〜２．５％、Ｎｉ：１．０超〜５．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材は、請求項１記載の発明において、さらに、質量％で、Ｚｒ：０．０５〜０．３％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材は、請求項１または２記載の発明において、さらに、質量％で、Ｚｎ：１．０超〜５．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．０１〜０．５％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材の製造方法は、請求項１〜４のいずれかに記載の組成を有するＡｌ合金を鋳造後、均質化処理を行うことなく、４００〜４８０℃の温度でソーキングを行った後、仕上温度２００〜３００℃で熱間圧延を行い、その後、少なくとも１回の中間焼鈍を含む冷間圧延を行うとともに、該冷間圧延では、最終板厚までの総冷延率を９５％以上とし、かつ最終の中間焼鈍時の板厚から最終板厚に至る最終冷延率を２０〜５０％とすることを特徴とする。
【００１２】
本発明の熱交換器用アルミニウム合金フィン材によれば、ろう付時に、エロージョンに対し優れた防止効果を発揮し、座屈による強度低下を回避することができる。また、本発明の製造方法によれば、上記効果をより確実なものとすることができる。
【００１３】
以下に、本願発明における成分等の限定理由を説明する。以下に示す含有量はいずれも質量％で表されている。
【００１４】
Ｓｉ：０．６超〜１．２％未満
ＳｉはＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の微細な析出物を生じ、ろう付時に生成される再結晶粒を粗大化させ、ろう付加熱時の耐座屈性を向上させる働きと、フィン材の強度を向上させる働きがある。Ｓｉ含有量が０．６％以下であると、上記効果が小さく、一方、１．２％以上では、融点の低下により、ろう付時にフィン材が溶融する可能性がある。このため、Ｓｉ含有量を上記範囲に定める。
【００１５】
Ｍｎ：０．７５〜２．５％
Ｍｎは合金の強度を向上させるとともにＡｌ−Ｍｎ系析出物（Ａｌ６Ｍｎ等）あるいはＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ等の微細な析出物を生じ、ろう付時生成の再結晶粒を粗大化させ、ろう付加熱時の耐高温座屈性を向上させる働きとフィン材の強度を向上させる働きがある。ただし、Ｍｎの含有量が０．７５％未満であると、その効果が小さく、一方、２．５％を越えると、鋳造時の晶出物が粗大化し、加工性およびフィン材の諸特性が低下する。このため、Ｍｎ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由でさらに下限を１．０％、上限を２．０％に定めるのが望ましい。
【００１６】
Ｎｉ：１．０超〜５．０％
Ｎｉは、Ｆｅ等に比べて、非常に微細な金属間化合物を生成しやすく、ろう付時の再結晶粒をそれほど微細化させることなく耐高温座屈性を向上させるとともに強度を向上させる働きがある。ただし、Ｎｉ含有量が１．０％以下であると、その効果が小さく、一方、５．０％を超えると、鋳造時に粗大な晶出物が生じ、加工性およびフィン材の諸特性を低下させる。このため、Ｎｉ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由でさらに下限を１．０超％、上限を２．０％に定めるのが望ましい。
【００１７】
Ｚｒ：０．０５〜０．３％
Ｚｒは、ろう付時に生じる再結晶粒を粗大化させて、フィン材の耐エロージョン性を向上させるので、所望により含有させる。ただし、Ｚｒ含有量が０．０５％未満ではその効果が小さく、一方、０．３％を超えると、鋳造時の晶出物が粗大化しやすく加工性を低下させるので、所望により添加する場合の含有量は０．０５〜０．３％とする。
【００１８】
Ｚｎ：１．０超〜５．０％
Ｚｎは、フィン材の電位を卑にし、犠牲陽極効果を与える効果があり、所望により含有させる。ただし、Ｚｎの含有量が１．０％以下であるとその効果が小さく、一方、５．０％を超えると、フィン材の自己耐食性が低下するので、所望により添加する場合の含有量は１．０超〜５．０％とする。また、犠牲陽極効果を付与するには、Ｉｎ、Ｓｎ等の犠牲陽極元素の添加も有効であり、それぞれ０．３％以下添加することが可能であり、その場合、下限を０．０５％とするのが望ましい。
【００１９】
Ｃｒ，Ｖ，Ｃｏ：０．０１〜０．５％
Ｃｒ，Ｖ，Ｃｏは、固溶硬化により強度を向上させるので、所望により１種以上を含有させる。ただし、それぞれ含有量が０．０１％未満であると、その効果が小さく、一方、０．５％を超えると、鋳造時に粗大晶出物が生じやすく、加工性およびフィン材の諸特性を低下させるので、それぞれの含有量を上記範囲に定める。
【００２０】
上記成分以外の残部はＡｌと不可避不純物とからなる。不可避不純物としてはＦｅ、Ｃｕ等が挙げられるが、以下の理由により不可避不純物の含有量を規制するのが望ましい。
【００２１】
Ｆｅ：０．２％以下
ＦｅはＭｎ，Ｓｉ等と粗大な金属間化合物（Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ等）を作りやすく、それらの粗大晶出物が再結晶の核となるため、ろう付熱処理後の再結晶粒が微細になり、耐エロージョン性が低下する問題がある。このためＦｅの含有量は０．２％以下であるのが望ましい。Ｆｅ≦０．２％の場合、粗大晶出物の生成が抑制され、耐エロージョン性の向上が期待できる。なお、同様の理由でＦｅ含有量は、さらに０．１０％以下であるのが望ましい。
【００２２】
ＭｎとＳｉ、Ｆｅは、上記のように、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ系等の粗大な金属間化合物を作りやすく、加工性を低下させるとともに、フィン材の耐エロージョン性および強度等の諸特性を低下させる。粗大金属間化合物の生成に関して、上記のＭｎ含有量、Ｓｉ含有量のそれぞれの範囲内において（さらに望ましくはＦｅ：０．２％以下）、ＦｅとＭｎ，Ｓｉの比が、（Ｆｅ／（Ｍｎ＋Ｓｉ））≦０．１の式を満たすのが望ましい。上記式左辺の値が０．１を超えると、Ｍｎ，Ｓｉに対してＦｅ量の影響が強くなって、鋳造時に粗大な晶出物を生成する傾向にあり、加工性およびフィン材の諸特性が低下する。よってＦｅ、Ｍｎ、Ｓｉ含有量は、（Ｆｅ／（Ｍｎ＋Ｓｉ））≦０．１の関係を満たすのが望ましい。
【００２３】
Ｃｕ：０．０５％未満
Ｃｕは、電位を貴にし、フィン材の犠牲陽極効果を低下させるので、不純物として含有量を０．０５％未満とするのが望ましい。０．０５％以上であると、フィン材の電位が貴になり、チューブとの電位差が小さくなるため、期待の犠牲陽極効果が得られないとともに、鋳造時に割れ等が生じやすくなる。
【００２４】
次に、本発明の製造工程を規定した理由を説明する。
先ず、均質化処理を含まず、熱間圧延前のソーキング温度を４００〜４８０℃とすることとした理由を以下に示す。
本発明フィン材は、均質化処理およびソーキングの際に、固溶元素の析出が促進され、各元素の固溶量が低下する。このため、固溶硬化の低下により強度が低下するとともに再結晶を阻害する固溶元素が低下するため、ろう付時の再結晶が促進され、再結晶粒が微細化する（耐エロージョン性の低下）。さらには、鋳造時に生成したマトリクス中のＡｌ−Ｎｉ（Ａｌ３Ｎｉ、Ａｌ３Ｎｉ２）、Ａｌ−Ｍｎ（Ａｌ６Ｍｎ）等の金属間化合物が均質化処理およびソーキングの際に粗大化し、耐エロージョン性および強度等のフィン材の諸特性が低下する。以上の観点から、本発明の製造方法では、通常、鋳造後、熱間圧延前に行われている均質化処理を施さず、さらにはソーキングによる上記弊害を小さくするためソーキング温度を限定した。
【００２５】
ソーキング温度：４００〜４８０℃
ソーキング温度を４００〜４８０℃としたのは、４００℃未満では圧延材に付与される熱量が小さいために、熱間圧延時に材料中にクラック等が発生し、材料作製上問題が生じるためであり４００℃以上での加熱が必要である。また、４８０℃を越える温度とすると、フィン材の再結晶粒が微細化し、耐エロージョン性の低下が顕著になるので、ソーキング温度を上記範囲に定める。また、ソーキング時間は、本発明としては限定しないが、１〜２時間とするのが望ましい。これはソーキング時間が短いと圧延材に十分な熱量を付与できず、また、長時間ソーキングしても無駄であり、また固溶元素の析出がより促進されるので、上記時間を望ましいものとする。
【００２６】
熱間圧延仕上温度：２００〜３００℃
熱間圧延時には圧延時の熱量が圧延材に付与されることにより、晶析出物が粗大化するとともに、圧延後の冷却過程において、固溶元素の析出が生じるため、前記のようにフィン材の諸特性が低下する。以上より熱間圧延時の仕上温度をより低くすることにより、材料に負荷される総熱量を小さくし、熱間圧延時の晶析出物の粗大化を抑制するとともに、圧延後の冷却過程における固溶元素の析出を抑制させることができる。このために仕上がり温度は３００℃以下に限定する。ただし、熱間圧延の仕上温度が２００℃未満であると熱間圧延時に材料中にクラック等が著しく発生し、材料作製上問題が生じるため、熱間圧延時の仕上温度を上記範囲に定める。
【００２７】
冷間圧延時の中間焼鈍
上記熱間圧延を行った後に行う冷間圧延では、少なくとも１回の中間焼鈍を行う。
中間焼鈍は、熱間圧延および冷間圧延によって材料中に導入された歪みを除去し、その後の圧延性を向上させる目的で行う。最終の中間焼鈍は、最終製品での調質を制御することも目的とする。
【００２８】
中間焼鈍の回数については、特に限定されず、２回または３回以上でもよく、また１回のみも可である。さらに、中間焼鈍の温度に関しても、特に規定はしないが、圧延による歪みを除去するためには、ＣＡＬでは約３５０〜５００℃、バッチ炉では約３５０〜４００℃×３ｈ程度の焼鈍により、完全に再結晶させるのが望ましい。
【００２９】
冷間圧延の総冷延率：９５％以上
本発明フィン材を含めた各フィン材は、鋳造および熱間圧延時に晶析出物が粗大化する傾向にあるが、その後の冷間圧延において、Ａｌ−Ｎｉ（Ａｌ３Ｎｉ、Ａｌ３Ｎｉ２）、Ａｌ−Ｍｎ（Ａｌ６Ｍｎ）等の、主に針状の粗大金属間化合物が、常温での圧延の負荷によって、物理的に破壊され、いずれの金属間化合物も数μｍ以下に微細化される。このような微細な析出物の分散状態は、転位の移動を阻害するため、強度の向上に大きく寄与するとともに、粗大晶の低減により再結晶核が低減されるため、ろう付後の再結晶粒が粗大化しやすく、耐エロージョン性に優れる。この作用を得るためには、大きな冷延率で冷間圧延するのが望ましい。最終板厚に至るまでの総圧延率が９５％未満であると、部分的に数μｍ以上の比較的粗大な晶析出物が残存してしまい、上記の効果が小さくなる。したがって総圧延率を９５％以上に限定する。好ましくは９８％以上である。
【００３０】
最終中間焼鈍後の冷延率（最終冷延率）：２０〜５０％
本発明フィン材は、上記のように晶析出物を微細化しているため、ろう付加熱時の再結晶の生成が阻害されやすい。最終の中間焼鈍時の板厚から最終の板厚に至るまでの圧延率（最終冷延率という）が、２０％未満となる圧下では再結晶の駆動力となるべき歪み量が不足し、その後のろう付時に完全に再結晶せず、亜結晶粒が残存し、耐エロージョン性が大きく低下する。一方、５０％を越えると、ろう付時の再結晶粒が微細化し、耐エロージョン性が低下するため、上記最終冷延率を２０〜５０％とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明のフィン材に用いるアルミニウム合金は、上記組成に従って常法により溶製することができる。本発明のフィン材は、製造方法が特に限定されているものではないが、本発明で目的とする特性を確実かつ十分に導き出すために、本発明の上記製造方法を適用して製造するのが望ましい。常法により溶製した鋳塊は、本発明のフィン材では常法により均質化処理を行うことも可能であるが、本発明の製造方法に従って均質化処理を省略するのが望ましい。鋳塊は、熱間圧延後に面方向となる側を面削して偏析の多い部分を排除することができる。該鋳塊は、熱間圧延に先立ってソーキングを行うが、該ソーキングでは、本発明製造方法に従って加熱温度を４００〜４８０℃、加熱時間を１〜２時間に規制するのが望ましい。熱間圧延は、周知の熱間圧延機を用いて圧延を行うことができ、望ましくは、本発明の製造方法に従って仕上がり温度を２００〜３００℃とする。
【００３２】
熱間圧延後には、望ましくは１回以上の中間焼鈍を含むようにして、冷間圧延を行う。中間焼鈍、冷間圧延ともに周知の焼鈍炉、冷間圧延機装置を用いて行うことができる。
上記冷間圧延での総冷延率は、望ましくは９５％以上とする。該総冷延率は、最終板厚を基にして熱間圧延材の板厚を設定し、該最終板厚が得られるように所定数パスで冷間圧延することにより達成される。
また、上記冷間圧延では、望ましくは、中間焼鈍時を基に冷延率を規制する。すなわち、本発明の製造方法に従って最終中間焼鈍後の冷延率を２０〜５０％とするのが望ましい。
【００３３】
上記により得られたフィン材は、所定の形状に加工し、通常はコルゲート加工を施してフィンとする。該フィンは、単独で製造してもよく、またろう材をクラッドしたブレージングシートとして製造することもできる。上記フィンは、チューブ間に設置するなどして組み付けれられ、加熱炉にてろう付処理が行われる。ろう材の配置は、フィンをブレージングシートとしたり、チューブをブレージングシートとしたり、また、置きろうや粉末ろうの塗布などにより行うことができ、本発明としては、その方法は特に限定されない。上記加熱炉は、所定の雰囲気に調整して加熱処理を行うものであってもよい。上記ろう付によってフィンはチューブ等に接合され、アルミニウムフィンを備えた熱交換器が得られる。該熱交換器は、自動車用等の各種の用途に使用することができる。該熱交換器では、フィンにおけるろう付時エロージョンが効果的に防止されて高い強度が維持されており、薄肉化においても十分な強度を発揮し、熱交換器の軽量化に寄与する。
【００３４】
【実施例】
以下に本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。
表１に示すアルミニウム合金供試材を溶製し、得られた鋳塊（２０×５２×１２５ｍｍ）を片面につき１／４インチずつ面削した。その後、一部の供試材では５６０℃×４時間の均質化処理を行い、他の供試材では均質化処理を行わなかった。これら供試材には、４６０℃または５３０℃で１時間のソーキングを行い、厚さ２〜６ｍｍまで熱間圧延を行った。その際の仕上温度を２５０〜４００℃とした。次いで、途中で中間焼鈍を行うようにして冷間圧延を行って０．０６ｍｍ厚の冷間圧延材を得た。なお、１回目の中間焼鈍として、ＣＡＬ焼鈍（５００℃×４５秒）またはバッチ焼鈍（３６０℃×３時間）を行い、２回目の中間焼鈍として、３６０℃×３ｈのバッチ焼鈍を行った。また、上記冷間圧延では、表２に示すように、第２の中間焼鈍時板厚から最終板厚に至る冷延率を変化させた。各試験材の製造方法は表２に示すとおりであり、実施例２〜８および比較例１〜５は、実施例１と同じ製造方法を採用した。
【００３５】
上記供試材に対し以下の特性試験を行い評価した。
【００３６】
耐エロージョン性
０．３ｍｍ厚のブレージングシート（ＪＩＳ Ａ ７０７２／３００３／４３４３Ａｌ合金：犠牲陽極材／芯材／ろう材）のろう材面に、コルゲート加工した本発明フィン材および比較フィン材を組付け、これにフラックスを塗布した後、上記ろう付熱処理を実施した。なお、ろう付熱処理は、窒素ガス雰囲気中で６００℃×３ｍｉｎ保持後、−１００℃／ｍｉｎで冷却を行うものとした。
上記ろう付後、フィレットの形成状態で耐エロージョン性を評価した。すなわち、ろう侵食が全く認められないものを○印、若干のろう侵食あるものを△印、著しいろう侵食あるものを×印で示した。
【００３７】
強度
ろう付相当の熱処理を行なった本発明フィン材および比較フィン材を用いて、引張試験片を作製し、これらの試験片を用いて、引張試験を行うことにより、強度を評価した。なお、評価は、１６０ＭＰａ以上のものを◎印、１５０〜１６０ＭＰａ未満のものを○印、１５０ＭＰａ未満のものを×印で示した。
【００３８】
犠牲陽極効果
犠牲陽極効果は、チューブ芯材を想定した３００３合金と各フィン材との電位差で評価した。なお、電位差１００ｍＶ以上のものを◎印、電位差５０〜１００ｍＶ未満のものを○印、電位差５０ｍＶ未満のものを×印で示した。
【００３９】
【表１】
【表２】
上記特性試験の結果を表１、２に示す。表から明らかなように、本発明のフィン材は、耐エロージョン性および強度に優れていた。さらに本発明フィン材では、本発明製造方法を採用することにより、上記効果が顕著になっていることが確認された。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱交換器用アルミニウム合金フィン材によれば、質量％で、Ｓｉ：０．６超〜１．２％未満、Ｍｎ：０．７５〜２．５％、Ｎｉ：１．０超〜５．０％を含有し、所望により、Ｚｒ：０．０５〜０．３％を含有し、さらに所望により、Ｚｎ：１．０超〜５．０％を含有し、さらに所望によりＣｒ：０．０１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．０１〜０．５％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するので、ろう付時の耐エロージョン性およびろう付前後の強度に優れたフィン材が得られ、フィン材の薄肉、軽量化に大きく貢献する。
【００４３】
また、本発明の熱交換器用アルミニウム合金フィン材の製造方法によれば、上記組成を有するＡｌ合金を鋳造後、均質化処理を行うことなく、４００〜４８０℃の温度でソーキングを行った後、仕上温度２００〜３００℃で熱間圧延を行い、その後、少なくとも１回の中間焼鈍を含む冷間圧延を行うとともに、該冷間圧延では、最終板厚までの総冷延率を９５％以上とし、かつ最終の中間焼鈍時の板厚から最終板厚に至る最終冷延率を２０〜５０％とするので、上記効果が一層確実かつ向上する。
Claims (5)
- 質量％で、Ｓｉ：０．６超〜１．２％未満、Ｍｎ：０．７５〜２．５％、Ｎｉ：１．０超〜５．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材。
- さらに、質量％で、Ｚｒ：０．０５〜０．３％を含有することを特徴とする請求項１記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材。
- さらに、質量％で、Ｚｎ：１．０超〜５．０％を含有することを特徴とする請求項１または２記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材。
- さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜０．５％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．０１〜０．５％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の組成を有するＡｌ合金を鋳造後、均質化処理を行うことなく、４００〜４８０℃の温度でソーキングを行った後、仕上温度２００〜３００℃で熱間圧延を行い、その後、少なくとも１回の中間焼鈍を含む冷間圧延を行うとともに、該冷間圧延では、最終板厚までの総冷延率を９５％以上とし、かつ最終の中間焼鈍時の板厚から最終板厚に至る最終冷延率を２０〜５０％とすることを特徴とする耐エロージョン性および強度に優れた熱交換器用アルミニウム合金フィン材の製造方法。
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