JP2004523657A

JP2004523657A - Ｄｃ鋳造アルミニウム合金

Info

Publication number: JP2004523657A
Application number: JP2002575344A
Authority: JP
Inventors: アラン・グレイ; アンドリュー・デイビッド・ハウエルズ
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2004-08-05
Also published as: US20040182482A1; GB0107208D0; EP1370702A1; WO2002077307A1; CA2440691A1

Abstract

組成（重量％）が、Ｆｅ０．８〜１．５、Ｓｉ０．７〜０．９５、Ｍｎ０．２〜０．５、Ｚｎ０．２〜０．８、Ｍｇ０．２以下、Ｃｕ０．２以下、Ｔｉ０．１未満、Ｂ０．０１未満、Ｃ０．０１未満、不可避的不純物各々０．０５以下で総量０．１５以下、Ａｌ残部、であるＤＣ鋳造合金を開示する。また、合金をＤＣ鋳造してインゴットに成形する方法を開示する。

Description

【０００１】
本発明は、アルミニウム合金に関し、特に、ＤＣ鋳造されて熱交換器内のフィン材料に用いられるアルミニウム合金に関する。
【０００２】
自動車の熱交換器市場では、低コストで、例えば、強度と成形性と耐たわみ性と耐腐食性と熱伝導性とろう付け性等の物理的性質と化学的性質とのバランスを備えたフィン材料合金が要求されている。
【０００３】
アルミニウム合金の熱交換器は、ヘッダプレート、タンクユニット、（水性の）冷却液用管、および熱交換を促進するフィンを備えて、自動車工業およびその他の分野で広く利用されている。一般的に、フィンは、ろう付けによって管に接合されている。冷却液の液漏れにつながる管の腐食を低減するために、フィンを管よりも電気的陰性にして、フィンが犠牲陽極として機能するようにするのが共通の方法であった。これは、フィンを形成する金属に、Ｚｎ、Ｓｎ又はＩｎを添加することにより達成されている。
【０００４】
それにも拘わらず、犠牲効果を、熱交換器の寿命にわたって熱伝導性能を維持する必要性にバランスさせる必要がある。もし、ファンがあまりにも早く腐食すれば、熱伝導特性がひどく危うくなる。さらに、特定の構造物に高強度のフィン材料を用いることにより、フィン及び／又は管材料を小型化して軽量化の目的を達成する機会を提供することができる。連続鋳造された材料は、凝固速度（＞１０℃／秒）が非常に高いので、小型化する場合に要求される高い熱伝導率の水準を達成するのに利用することができる。
【０００５】
ＷＯ−Ａ−００／０５４２６は、高熱伝導率のフィン用アルミニウム合金を開示している。そこで開示された発明は、アルミニウム合金の連続ストリップ鋳造に関するもので、そこでは、フィン材料が、ろう付け後に４９．０％ＩＡＣＳより大きい熱伝導率を有する。連続鋳造の間、薄いストリップは、急冷して製造される。
【０００６】
Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ合金は、例えば、以下の文献、英国特許ＧＢ１５２４３５５、英国特許ＧＢ１５２４３５４、ＷＯ−Ａ−００／０５４２６、日本特開２０００−１６９９２６、日本特開平８−２１８１４３、日本特開平６−１４５８６１、日本特開平４−１５４９３１、日本特開平１−１９５２５７に開示されている。それらの文献に例示されている合金組成は、様々であるが、ＤＣ鋳造合金は、開示されていない。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、組成（重量％）が、Ｆｅ０．８〜１．５、Ｓｉ０．７〜０．９５、Ｍｎ０．２〜０．５、Ｚｎ０．２〜０．８、Ｍｇ０．２以下、Ｃｕ０．２以下、Ｔｉ０．１未満、Ｂ０．０１未満、Ｃ０．０１未満、不可避的不純物各々０．０５以下で総量０．１５以下、Ａｌ残部、であるＤＣ鋳造合金を提供することである。
【０００８】
合金は、例えば、ヘッダプレート又は側面支持体用の用途に用いられ、また他の使用法も有しているが、しかし、熱交換器のフィン材料用合金に主に向けられている。
【０００９】
Ｃｕは、０．０５〜０．２％の範囲で存在しているのが好ましく、より好ましくは、０．１〜０．１５％存在している。Ｃｕは、存在するときには、固溶体強化成分として含まれる。
【００１０】
Ｍｇは、強化成分として存在しているのが好ましい。高濃度にすると、ろう付け中に、金属表面に好ましくないＭｇＯの付着物が形成される。Ｍｇの濃度は、それが問題にならないレベルに調節される。高濃度のＭｇは、Ｋ_３ＡｌＦ_６とＫＡｌＦ_４との融剤混合物の共存下では、クラッドの流動性に有害な高融点のアルミニウムフッ化物を形成する。好ましくは、Ｍｇは０．０５〜０．２％の範囲で存在しているのが好ましく、０．１〜０．１５％で存在しているのがより好ましい。
【００１１】
Ｃｕ及びＭｇの強化効果は、それらの元素による熱伝導率の低下とのバランスを取らなくてはならない。
【００１２】
鉄は、より好ましい範囲の上限は１．３５％であるが、０．８〜１．４％の範囲で存在すれば好ましい。高濃度になると、過剰に大きな金属間化合物粒子の形成を引き起こす。
【００１３】
Ｓｉは、上限０．９５％以上では合金の固相線を６１０℃以下まで下げて、これは、ろう付け温度に非常に近いので容認できない。下限は、要求されるろう付け後の強度を達成するのに必要なＳｉ量により決定する。
【００１４】
Ｍｎは、もし０．５％以上存在すると、熱伝導率に悪影響を及ぼす。Ｍｎが０．２％以下であると、十分な強化効果が得られない。
【００１５】
Ｚｎは、フィン材料を熱交換器の管材料よりも電気的陰性にして犠牲陽極にするために添加される。Ｚｎが０．８％を超えると、フィンは電気的陰性になり過ぎてしまう。このように高いＺｎ濃度は、フィンの熱伝導率に悪影響を及ぼす。Ｚｎが０．２％以下であると、フィンは、犠牲陽極になるのに十分な電気的陰性度を得ることができない。０．５〜０．７％の範囲のＺｎが好ましい。
【００１６】
本発明の第２の態様は、ＤＣ鋳造のアルミニウム合金のフィン材料を提供することで、その組成（重量％）は、Ｆｅ０．８〜１．５、Ｓｉ０．７〜０．９５、Ｍｎ０．２〜０．５、Ｚｎ０．２〜０．８、Ｍｇ０．２以下、Ｃｕ０．２以下、Ｔｉ０．１未満、Ｂ０．０１未満、Ｃ０．０１未満、不可避的不純物各々０．０５以下で総量０．１５以下、Ａｌ残部、にされている。
【００１７】
フィン材料シートは、ケイ素を多く含んだアルミニウム合金で被覆することができる。別のケイ素に富む合金を用いることもできるが、好ましい合金は、ＡＡ４３４３及びＡＡ４０４５である。ケイ素富化層は、フィンをさらに電気的陰性にするＺｎ、Ｓｎ又はＩｎのような添加物を任意に含むことができる。
【００１８】
このフィン材料は、上記の好ましい又は任意の形態を有することができる。フィン材料は、ろう付け後の熱伝導率が少なくとも４５％ＩＡＣＳを有するのが好ましい。
【００１９】
本発明のアルミニウム合金は、ＤＣ鋳造されるが、その理由は、後で詳しく述べる。
【００２０】
また、本発明は、上記の合金製のフィンを備えたろう付けの熱交換器を提供する。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、組成（重量％）が、Ｆｅ０．８〜１．５、Ｓｉ０．７〜０．９５、Ｍｎ０．２〜０．５、Ｚｎ０．２〜０．８、Ｍｇ０．２以下、Ｃｕ０．２以下、Ｔｉ０．１未満、Ｂ０．０１未満、Ｃ０．０１未満、不可避的不純物各々０．０５以下で総量０．１５以下、Ａｌ残部、の合金のインゴットを製造する方法を提供するものであり、その方法は、インゴットを成形する合金のＤＣ鋳造を含んでいる。
【００２２】
この態様では、本発明は、従来のＤＣ鋳造によりインゴットを製造し、それにより連続鋳造（例えば、ベルト鋳造や双ロール鋳造）を必要としないことを目的とする。ＤＣ鋳造は、固化中に徐々に冷える厚いインゴットを製造する。連続鋳造は、急速に冷える３〜２０ｍｍの薄いストリップを製造する。冷却速度の違いは、鋳造製品の冶金学的組織に大きな影響を与える。これらの違いは、インゴットを非常に薄いゲージの箔にまで加工した後にも残っている。ＤＣ鋳造を含むことにより、本発明の方法は、連続鋳造材料に匹敵する性質の材料を製造できる。ＤＣ鋳造材料の粒子寸法の調節は、こうした性質を得るのに重要である。ＤＣ鋳造製品では、冷却速度は、インゴットの厚さに依存しておよそ１〜５℃／秒である。その合金から作ったフィン材料は、ろう付け後に、良好な強度（ＵＴＳ）と腐食電位と共に、高い熱伝導率（通常は、５９５℃〜６０５℃で約２〜１０分で現れる）を有するはずである。測定を容易にするために、熱伝導率は、通常は電気伝導度を測定して示される。両者とも固溶体中の元素により低下するので、ろう付け中に固溶する可溶性元素の量を減らすことが必要である。これは、圧延シート中の金属間化合物および分散物の粒子寸法と、そのシートの化学組成と、を調節することによって達成される。
【００２３】
ＤＣ鋳造材料により達成された高い強度は、１００μｍ以下、例えば７５μｍ以下の厚み減少を可能にし、それにより新しい改良された軽量のフィンを達成することができる。さらに、合金組成は、ろう付けシートスクラップの回収（absorption）を最大にして低コスト製品手段を確立し、再利用性を最大にするように選ばれている。
【００２４】
好ましくは、この方法は、さらに、ＤＣ鋳造インゴットの加熱又は均熱化と、熱間圧延と、冷間圧延と、（中間）焼鈍との工程を含み、そして、中間焼鈍の後に、さらに冷間圧延工程を含むことができる。冷間圧延中の最終的な圧下率は、２５〜４５％であるのが好ましい。
【００２５】
均熱化工程は、５８０〜６２０℃に加熱して８時間以下で保持して、４６０〜５００℃に冷却して８時間以下で保持することを含む２段階の均熱化であってもよい。
【００２６】
代わりに、加熱工程は、４６０〜５４０℃に加熱して８時間以下で保持することを含んだ単なる加熱圧延の工程にすることができる。この単純な加熱圧延工程は、インゴットの完全な均熱化を達成するには十分ではない。熱間圧延を促進するために、インゴットを均一な温度にすることを目的としている。
【００２７】
熱間圧延は、２．５〜５．０ｍｍまで行われ、熱間圧延機からの出口温度が通常２８０〜３６０℃であるのが好ましい。中間焼鈍工程がある場合、続いて５０〜７００μｍまで冷間圧延するのが好ましい。中間焼鈍を行わない最終ゲージまでの冷間圧延では、その後に仕上げ焼鈍がなされる。
【００２８】
（中間）焼鈍工程は、２５０〜４５０℃で、好ましくはその温度で２〜４時間保持する１段階の工程にすることができる。代わりに、３００〜５００℃に加熱（好ましくは４時間以下で保持する）し、その後に２００〜３５０℃まで冷却（好ましくは４時間以下で保持する）することを含む２段階工程であってもよい。
【００２９】
それに代えて、焼鈍は、連続焼鈍炉内で行うことができ、ストリップは、単一のストランドとして供給され、加熱速度が著しく増加し必要な保持時間が減少する。こうして、高い焼鈍温度と短い焼鈍時間とが達成される。
【００３０】
この方法は、さらにろう付け工程を含むことができて、そこでは、ろう付け中にＩＡＣＳの減少が５％単位未満になるように、圧延製品中に存在する金属間化合物及び／又は分散物の粒子寸法を十分に大きくする。
【００３１】
ろう付けサイクルの間に、小さい（サブミクロン）分散物は、容易に溶解して、溶質濃度が増加する。ろう付け後の急速な冷却により、固溶体中に溶質が実質上すべて保持され、それによってＩＡＣＳ値および熱伝導率が減少する。分散物の平均寸法が増加すると、ろう付けサイクル中の溶解量が減少して、それによりＩＡＣＳと熱伝導率との減少を緩和する。分散物の寸法は、α−Ａｌ（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｓｉ分散物を粗粒化し、恐らく金属間化合物粒子のいくつかも粗粒化する特別な均熱化及び／又は焼鈍の処理の利用により増加する。均熱化処理は、２つの温度での連続した処理で、最初の高温処理に続いて低温処理を含むのが好ましい。焼鈍処理は、同様のパターンに従うことができる。
【００３２】
これらの特別な均熱化も焼鈍処理もないときは、シート中に存在する分散物は、一般に、（平均切片法（the mean linear intercept method）により決定された）実質的に１ミクロン以下の平均寸法を有する。特別な均熱化および焼鈍処理により、平均分散物寸法は、例えば、０．５ミクロンより大きく、好ましくは１μｍより大きく、理想的には２μｍより大きくなるように増加させるが、１０μｍより小さくなるようにする。熱力学的な計算は、これらの粒子がろう付けサイクル中に相転移するとは起こりにくいことを明らかにしている。
【００３３】
金属間化合物粒子（他の元素と共にＦｅ、Ｍｎ及びＳｉを含んでいる）は、実質的に分散物よりも大きい。これらの粒径は、固化中に決まり、圧延中に破砕することがある。
【００３４】
本発明のさらなる態様によれば、組成（重量％）が、Ｆｅ０．８〜１．５、Ｓｉ０．７〜０．９５、Ｍｎ０．２〜０．５、Ｚｎ０．２〜０．８、Ｍｇ０．２以下、Ｃｕ０．２以下、Ｔｉ０．１未満、Ｂ０．０１未満、Ｃ０．０１未満、不可避的不純物各々０．０５以下で総量０．１５以下、Ａｌ残部、の合金からアルミニウム合金のフィン材料を製造する方法を提供するものであり、その方法は、合金のＤＣ鋳造、加熱又は均熱化、熱間圧延、冷間圧延、及び焼鈍又は中間焼鈍を含む。
【００３５】
本発明は、以下の図面と実施例とを参照した例示により次に記述するであろうう。
図１によれば、各工程の好ましい条件を含んだ本発明の対象範囲のＤＣインゴットの様々な処理を示している。
【００３６】
実施例１
およそ１３５０ｍｍ×６００ｍｍで重量が７５００ｋｇを超えるインゴットを、以下の組成でＤＣ鋳造した。
［表１］

【００３７】
あるインゴット（図１のルート１）を、出口温度およそ３２５℃で３．０ｍｍまで熱間圧延する前に、５２０℃に加熱して約４時間保持した。そして、コイルを、４００μｍの移送ゲージでまで冷間圧延し、次いで９５μｍのゲージまで冷間圧延して、２７０℃で２時間の中間焼鈍をして、そしてさらに最終ゲージの６３μｍ（最後の圧下率は約３４％）まで冷間圧延した。
【００３８】
ろう付け後の特性は、ＵＳＴが１３８ＭＰａ、％ＩＡＣＳが４６％ＩＡＣＳ、電位が−７５５ｍＶ（アルミニウム合金の腐食電位の測定用のＡＳＴＭＧ６９規格試験法による）である。
【００３９】
実施例２
実施例１に従って移送ゲージ（４００μｍ）の範囲まで製造した材料を入手して、６３μｍのゲージまで冷間圧延する前に、２００〜４００℃の間の範囲で２時間の中間焼鈍温度を付与した。
【００４０】
ろう付け後の強度の傾向を、図２−中間焼鈍のルートに示す。
腐食電位の傾向を、図３−中間焼鈍のルートに示す。
熱伝導率の値は、およそ４５％ＩＡＣＳである。
【００４１】
さらに、移送ゲージの材料は、６３μｍまで直接に冷間圧延されて、２００〜４００℃の間の温度で部分的に焼鈍（後焼鈍）された。
【００４２】
ろう付け後の強度の傾向を、図２−後焼鈍のルートに示す。
腐食電位の傾向を、図３−後焼鈍のルートに示す。
熱伝導率の値は、およそ４５．５％ＩＡＣＳである。
【００４３】
実施例３
実施例１に従って移送ゲージ（４００μｍ）に製造した材料を入手して、
２５３μｍ、１２５μｍ、９５μｍ、及び８９μｍのゲージに冷間圧延し、そして６３μｍのゲージに冷間圧延する前に、２００〜４００℃の間の範囲で２時間の中間焼鈍温度を付与した。最終圧延の圧下率は、それぞれ
７０％以上、５０％、３４％、及び３０％であった。
【００４４】
ろう付け後の強度を、図４（１３５〜１４０ＭＰａの間）に示す。
腐食電位を図５に示しており、中間焼鈍ゲージによりそれほど大きい影響を受けていない。
熱伝導率の値は、およそ４５％ＩＡＣＳである。
【００４５】
中間焼鈍ゲージは、ろう付けサイクル中の耐たわみ性に役立つろう付け後の粒子寸法を最大にするために変化している。例えば、中間焼鈍ゲージが厚くなるほど、ろう付け後の粒子寸法が小さくなる。さらに、中間焼鈍ゲージが減少すると、結晶粒のアスペクト比（厚さ方向に対する冷間加工方向の長さ）が増加する。
【００４６】
実施例４
実施例１に記した組成に従って製造した材料を入手して、３．０ｍｍのゲージまで熱間圧延する前に、４６０℃に加熱して約４時間保持した。そして、コイルを移送ゲージの４００μｍまで冷間圧延して、続いて、最終ゲージの６３μｍまで冷間圧延し３６０℃で中間焼鈍した。最終パスの圧下率は、４５〜２５％の範囲であった。
【００４７】
図６に、ろう付け後のＵＴＳと結晶粒径との関係を示す。最大ＵＴＳを達成するためには、平均結晶粒径を５０μｍ未満にする必要がある。しかしながら、ろう付け後の結晶粒径の減少は、材料の耐たわみ性を低下させる。
【００４８】
ろう付け後の結晶粒径とＵＴＳと耐たわみ性との釣り合いは、
予熱温度と加熱時間
中間焼鈍ゲージ
最終冷間圧延圧下率
の特定の組み合わせを選ぶことにより達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の様々な工程を示す流れ図である。
【図２】ろう付け後の強度の傾向を示すグラフである。
【図３】腐食電位の傾向を示すグラフである（各組の左列は、中間焼鈍したもので、右列は、後焼鈍すなわち最終ゲージまで冷間圧延した後で焼鈍したものである）。
【図４】ろう付け後の機械的特性を示すグラフである。
【図５】腐食電位を示すグラフである。
【図６】ろう付け後のＵＴＳと結晶粒径との間の関係を示すグラフである。

Claims

組成（重量％）が、Ｆｅ０．８〜１．５、Ｓｉ０．７〜０．９５、Ｍｎ０．２〜０．５、Ｚｎ０．２〜０．８、Ｍｇ０．２以下、Ｃｕ０．２以下、Ｔｉ０．１未満、Ｂ０．０１未満、Ｃ０．０１未満、不可避的不純物各々０．０５以下で総量０．１５以下、Ａｌ残部、であるＤＣ鋳造合金。
Ｃｕが０．０５〜０．２の範囲で存在している請求項１に記載の合金。
Ｃｕが０．１〜０．１５の範囲で存在している請求項１又は２に記載の合金。
Ｍｇが０．０５〜０．２の範囲で存在している請求項１ないし３のいずれかに記載の合金。
Ｍｇが０．１〜０．１５の範囲で存在している請求項１ないし４のいずれかに記載の合金。
Ｆｅが０．８〜１．４の範囲で存在している請求項１ないし５のいずれかに記載の合金。
組成（重量％）が、Ｆｅ０．８〜１．５、Ｓｉ０．７〜０．９５、Ｍｎ０．２〜０．５、Ｚｎ０．２〜０．８、Ｍｇ０．２以下、Ｃｕ０．２以下、Ｔｉ０．１未満、Ｂ０．０１未満、Ｃ０．０１未満、不可避的不純物各々０．０５以下で総量０．１５以下、Ａｌ残部、であるＤＣ鋳造合金のフィン材料。
ろう付け後に少なくとも４６％ＩＡＣＳ伝導率を有する請求項７に記載のフィン材料。
請求項１ないし６のいずれかに記載の合金のフィンを有するろう付けした熱交換器。
組成（重量％）が、Ｆｅ０．８〜１．５、Ｓｉ０．７〜０．９５、Ｍｎ０．２〜０．５、Ｚｎ０．２〜０．８、Ｍｇ０．２以下、Ｃｕ０．２以下、Ｔｉ０．１未満、Ｂ０．０１未満、Ｃ０．０１未満、不可避的不純物各々０．０５以下で総量０．１５以下、Ａｌ残部、である合金からインゴットを製造する方法であり、該方法が合金をＣＤ鋳造してインゴットに形成することを含んでいる方法。
さらに、ＤＣ鋳造インゴットの加熱又は均熱化、熱間圧延、冷間圧延、及び焼鈍又は中間焼鈍の工程を含む請求項１０に記載の方法。
さらに、中間焼鈍工程の後に冷間圧延工程を含む請求項１１に記載の方法。
中間焼鈍後の冷間圧延工程中の圧下率が２５〜４５％である請求項１２に記載の方法。
均熱化工程が、インゴットを５８０〜６２０℃に加熱して８時間以下で保持して、４６０〜５００℃に冷却して８時間以下で保持することを含む２段階均熱化である請求項１１ないし１３のいずれかに記載の方法。
加熱工程が、４６０〜５４０℃で加熱して８時間以下で保持することを含む請求項１１ないし１３のいずれかに記載の方法。
焼鈍又は中間焼鈍工程が、２５０〜４５０℃の１段階の工程を含む請求項１１ないし１５のいずれかに記載の方法。
焼鈍又は中間焼鈍工程が、３００〜５００℃に加熱して２００〜３５０℃に冷却する２段階工程である請求項１１ないし１５のいずれかに記載の方法。
さらに、ろう付け工程を含み、圧延製品中に存在する金属間化合物及び分散物の粒子寸法が十分に大きく、ろう付け中のＩＡＣＳの減少率が５％単位未満である請求項１１ないし１７のいずれかに記載の方法。
組成（重量％）が、Ｆｅ０．８〜１．５、Ｓｉ０．７〜０．９５、Ｍｎ０．２〜０．５、Ｚｎ０．２〜０．８、Ｍｇ０．２以下、Ｃｕ０．２以下、Ｔｉ０．１未満、Ｂ０．０１未満、Ｃ０．０１未満、不可避的不純物各々０．０５以下で総量０．１５以下、Ａｌ残部、の合金からアルミニウム合金のフィン材料を製造する方法であり、
該方法が、合金のＤＣ鋳造、加熱又は均熱化、熱間圧延、冷間圧延、及び焼鈍又は中間焼鈍を含んでいる方法。