JP2004524442A - 高温アルミニウム合金ブレージングシートとその製造法と使用法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、一般的には、ブレージングシート材料に応用可能な材料と方法とに関するものであり、特に高温での強度を維持するアルミニウム合金に関するもの、例えば、自動車用、輸送機関用または産業用熱交換器、そして特に給気冷却器並びにそれらの製法と用法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
様々な熱交換機に応用する上では、重量を抑え、より高い温度でも稼働可能にするための軽量小型化を目指して、室温以上の温度におけるアルミニウムブレージングシートの強度を増強することが望ましい。アルミニウムブレージングシートに含まれているのは、典型的には、3xxxの芯材合金と、それよりも融点の低い4xxxのブレージング被覆である。3xxxや4xxxはアルミニウム協会が定めた品番である。3xxxシリーズの合金は一般的には熱処理不能なものなので、ブレージングを施した状態で強度を増強する際に、まず行わなければならないことは、固溶体強化である。しかしながら、芯材合金にマグネシウムが存在していれば、ある程度の析出硬直が起こりうる。
3005を主成分とするブレージングシートが時間の経過と共に硬直することは、以前の研究において立証されている。(本出願は、例えば、以下の文献全てを参照した上で、それら全体を本出願と一体をなすものとして取り入れている。N.D.A. Kooij, J.A.H. Sontgerath, A. Burger, K. Vieregge, A. Haszler,New High Strength Alloys for Brazing with Long Life Corrosion Properties(長寿命腐食性の新規なブレージング用高強度合金), VTMS Conf. Proc., Indianapolis, IN 971882 (1997);N.D.A. Kooij, J.A.H. Sontgerath, A. Burger, K. Vieregge, A. Haszler,The Development of Two High Strength Aluminium Brazing Sheet Alloys with Long Life Corrosion Properties(長寿命腐食性の二つのブレージング用高強度アルミニウム・シート合金の開発), Alumitech Conf. Proc., Atlanta, Ga. (1997) p.185−190; 特許出願国際公開第99/55925号パンフレット from Hoogovens Aluminium Walzprodukte Aluminium alloy for use in a brazed assembly(ブレージングされた組立品で用いるためのアルミニウム合金; and H. Scott Goodrich and G.S. Murty,Age hardening effects in 3xxx series brazing sheet core alloys(3xxxシリーズのブレージングシート芯材合金における時効硬化), VTMS 4 Conf. Proc., I Mech E 1999, London, p. 483).
【0003】
時効硬化のメカニズムの一つは、(1)ブレージング被覆からのシリコンが芯材合金内部へと拡散していく、(2)ブレージング過程からの冷却中に、シリコンとマグネシウムが溶液の中に停留される、そして(3)その後、連続する輸送機関の運転またはブレージング後のエージング処理を行ううちにMg2Siが析出する、ということである。しかしながら、3xxxの合金類は一般的に熱処理できず、初期強化のメカニズムは、固体溶液強化による。3500番のような芯材にMgが含まれるような材料の時効硬化が可能であると報告されてきている。
【0004】
Age hardening effects in 3XXX series brazing sheet core alloys(3xxxシリーズのブレージングシート芯材合金における時効硬化), VTMS 4 Conf. Proc., I Mech E 1999, London, p.483というGoodrich等による研究が発表されており、本出願は、その全てを参照した上で本出願中に取り入れているが、その研究においては、様々なブレージングシートが時間の経過と共にどのように反応するかを、ブレージング実施直後に行った室温での引張り試験と104℃、150℃、175℃及び200℃で様々な時点でのエージング後の引張り試験とを通して、観察している。実際の熱交換器稼働温度は室温よりも高いのが一般的であるので、高温での材質の物性がどのようなものであるかが、設計を行う上での関心事となる。これを応用するのに特に適しているのが給気冷却器で、ターボチャージャー付きエンジンやディーゼル・エンジンの中では、取り入れた空気をシリンダー室に注入する前にターボチャージャーで圧縮するのであるが、その圧縮された空気を冷却するために用いられるのが給気冷却器である。これを行う際に用いるのが(自動車やトラック業界で中間冷却器あるいは給気冷却器として知られている)空対空熱交換器である。空気を冷却して圧縮すると、その結果、ターボ過給から派生する最大限の性能が得られるが、それにより排気レベルが低くなり燃料効率が改善される。給気冷却器は、使用の際に、極端な温度の変動と上昇に晒されることになるので、冶金学的に、それらの構造は、設計が難しいということが判明している。3003合金のような標準的な3xxxシリーズの合金が、過去、幾つかの熱交換器への応用として用いられたことがあるが、それはシートやフィン、それにチューブに成形しやすいからである。しかしながら、それらは強度が低く、一般的には高温に耐えることが要求されるような用途に用いることはできない。3003を含めて、様々なアルミニウム合金が給気冷却器を作るのに用いられてきたが、3xxxシリーズの合金は、ブレージングを行うのは可能ではあるが、高温で必要とされる適切な加工を行ったり、機械的特性を持たせたりするには、一般的に柔らかすぎるので、給気冷却器の内部のようなところに応用して用いるのは受け入れ難い。その上、そのような材料は、177℃を越える温度に長期間晒されても大丈夫なだけの強度を示すことができなければならない。輸送機関を製造する業者の多くが、給気冷却器の製造に役立つ材料を設計するためのものとして銅と真鍮を選んで来たのは、それらの材料が給気冷却器に要求される温度(すなわち約250℃から300℃の最高温度)で稼働することが可能だからである。しかしながら、銅と真鍮は、アルミニウムよりもはるかに重くて高価で、その結果、重さも増す上に、燃料効率の点でも稼働させるのが高くついてしまうというのが典型的である。そういうわけで、銅/真鍮合金を使わずに給気冷却器に必要とされる条件の下で用いるのに相応しいアルミニウム合金があるのが望ましい。ターボチャージャー付きエンジンが、自動車でもトラックでも、ますます使われるようになっているため、アルミニウム合金を供給する業者へも、給気冷却器を稼働させるのに必要な温度特性をすべて許容して、成形しやすく、強度も許容可能な材料を手に入れたいという需要が増大している。
【0005】
給気冷却器合金での高温での強度を増す例の一つがRaybould とCapriotti LaSalleによって、米国特許第5,857,266号■Heat exchanger having aluminum alloy parts exhibiting high strength at elevated temperatures(高温で高い強度を示すアルミニウム合金部品をもつ熱交換器)で報告されており、本出願においてはそれを参照して、本出願と一体のものとして取り入れている。
【特許文献1】
国際公開第99/55925号パンフレット
【特許文献2】
米国特許第5,857,266号明細書
【非特許文献1】
N.D.A.Kooij, J.A.H. Sontgerath, A. Burger, K. Vieregge, A. Haszler,New High Strength Alloys for Brazing with Long Life Corrosion Properties(長寿命腐食性の新規なブレージング用高強度合金), VTMS Conf. Proc., Indianapolis, IN 971882 (1997);
【非特許文献2】
N.D.A. Kooij, J.A.H. Sontgerath, A. Burger, K. Vieregge, A. Haszler, The Development of Two High Strength Aluminium Brazing Sheet Alloys with Long Life Corrosion Properties(長寿命腐食性の二つのブレージング用高強度アルミニウム・シート合金の開発), Alumitech Conf. Proc., Atlanta, Ga. (1997) p.185−190;
【非特許文献3】
H. Scott Goodrich and G.S. Murty, Age hardening effects in 3xxx series brazing sheet core alloys(3xxxシリーズのブレージングシート芯材合金における時効硬化), VTMS 4 Conf. Proc., I Mech E 1999, London, p. 483).
【発明の開示】
【0006】
これらの、そしてその他の目的に沿って、本発明が提供するアルミニウム合金ブレージングシート材料は、そのような材料が、予想を上回って、長期間の高温(すなわち、最高2500時間にわたって、100℃から250℃または260℃の温度)に晒された場合に、降伏強度が増すというものである。本発明のブレージングシート材料の降伏強度が、そのように増すというのは、そのアルミニウム合金にブレージング後のエージング処理を施すことにより、実現されることがあり得る。芯材材料の降伏強度が増すというのは、予想外に長持ちするもので、そのような材料を長期間、高温に晒した後でも、あるいは、そのような材料を熱交換器の構成部品、特に給気冷却器の場合に見られるような非常な高温に晒す場合でも、保たれるものである。
【0007】
さらに、本発明によって得られるブレージングシート材料は、芯材が3xxxシリーズ合金製で、(重量%による)組成は、Si<0.2%,Fe<0.2%,Cu:0.3%−0.7%,Mn:1.3%−1.7% Mg:0.4%−0.8%,Ti<0.10そして、Cr(0.05%−0.20%),Sc(0.05%−0.20%),V(0.05%−0.20%),Zr(0.05%−0.20%),Hf(0.05%−0.20%),Ni(0.20%−1%)のうちの少なくとも一つの元素と残存アルミニウムと避けがたい不純物とからなり、しかも、その本発明によるブレージングシート材料は広い範囲の温度域にわたって強度の増加を維持するに足りるだけの処理を施されたものである。本発明には、さらに他にも目的と特徴と利点とがあるが、それらは、以下の説明において述べることになり、部分的には、その説明から明らかになるが、あるいは、本発明を実施することにより分かるものもあるかもしれない。本発明の目的、特徴そして利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘された手段と組み合わせを用いて実現し、得ることが可能である。
【0008】
図1は例2から得られた結果を描くグラフである。
【0009】
「ピークエージング」という用語はブレージング合金をブレージング過程を施し、つぎに様々な温度と時間とでエージングをさせて、その「ピークエージング」すなわち最高の強度が観察される時間と温度の組み合わせを決定する処理についていう用語である。例えば、ある特定の材料の引張り特性の評価は、それをブレージングした状態の焼き入れでも評価可能であり、また、104℃、175℃、225℃そして250℃のような様々な温度で、例えば最高2500時間までの様々な時間の経過でエージングをさせた後でも評価可能である。ある特定の材料についてのピークエージングを決定するには、どのような時間と温度の組み合わせを用いてもよいのであり、表に記載されたものは例に過ぎない。その場合、引張り試験を行う前に試料を室温にまで冷却してもよい。それぞれのエージング温度における試料の一つを室温で引張り試験にかけ、それぞれのエージング温度における試料のもう一つを再加熱して、その上昇させた温度のそれぞれにおいて、引張り試験にかけてもよい。時効硬化が、様々な稼働温度において、どの程度残っているかを、その時、評価してもよい。
【0010】
本発明に関連して分かったことは、本発明のピークエージングの合金が175℃で降伏強度は、同じ温度でのブレージングされた状態の降伏強度よりも約20%大きいということである。この点については、ブレージングシート材料を作るには、ある割合(すなわち一般的には少なくとも0.4%−0.7%)のMgを含む芯材合金をシリコンを含む被覆でブレージングする。ブレージング過程の間、被覆からのSiが芯材のMgへと移ることによりMg2 Siの析出が形成される。このような析出物の数々が形成されることによりブレージングした状態の材料の強度は損なわれ、それにより、高温でのそれらを使いにくくもなるが、それは、そのような析出物が、給気冷却器が遭遇することになる極端な(すなわち177℃で10時間から2500時間、特に50時間から100時間あるいは最高250℃、260℃または300℃にも昇るような)温度に晒されて用いているうちに癒着するからである。
【0011】
Cr,Zr,Sc,VそしてHfは分散質を形成する元素であり、アルミニウムとシリコンに接すると均質化処理するうちに析出して、小さな(すなわち直径0.05μm−0.5μmの)粒子を形成するのが典型的である。そのような析出物が形成されることは当業者には周知である。念のため申し添えると、分散質析出物が形成されるのは均質化処理の進行中であり、鋳造の最中に形成される0.5μm−10μmの共融混合物成分よりもずっと小さいが、それはそれらが典型的にはもっとも固化しにくい粒子だからである。
【0012】
本発明の合金において、MgとMnのレベルは銅の含有量の多い3003合金(すなわちCu含有量が多くなった3003合金)で典型的に用いられるものよりは、ある程度高くなっている。Mgの含有量は0.4%−0.8%であり、Mnの含有量は1.3%−1.7%である。本発明のもう一つの別の実施例においては、ある量のNiがその合金に含まれている。3003のようなブレージングシート材料にはNiは含まれないというのが典型的ではあるが、本発明の一つの実施例においては、Niの含有量は、0.2%−1%、より望ましいのは0.3%−0.65%、そして幾つかの実施例については0.5%あたりが適している。一般的にはNiは分散質を形成する元素として知られているものではないが、本発明において、それを材料に含ませると、意外にもブレージングシート材料の引張り強度特性を増強することが分かった。
【0013】
Scがその合金に含まれる分散質形成元素であって自然に発生する微量のものでない場合には、Scの含有量は0.05%−0.2%であり、できれば0.08%−0.15%であることが望ましい。
【0014】
Vがその合金に含まれる分散質形成元素であって自然に発生する微量のものでない場合には、Vの含有量は0.05%−0.2%であり、できれば0.08%−0.15%であることが望ましい。
【0015】
Zrがその合金に含まれる分散質形成元素であって自然に発生する微量のものでない場合には、Zrの含有量は0.05%−0.2%であり、できれば0.08%−0.15%であることが望ましい。
【0016】
Hfがその合金に含まれる分散質形成元素であって自然に発生する微量のものでない場合には、Hfの含有量は0.05%−0.2%であり、できれば0.08%−0.15%であることが望ましい。
【0017】
もう一つの選択肢としての実施例においては、少なくとも二つの分散質形成元素がブレージングシート芯材材料に含まれている。この点については、少なくとも二つの分散質形成元素を含ませたことで、引張り強度(降伏強度)を増すことについて相乗効果が発揮されたものと信じられる。他のもう一つの実施例においては、Niを一つの分散質形成元素と共に含ませる。ある一つの望ましい実施例においては、本発明の材料の組成は以下のとおりである。
【0018】
【表1】
【0019】
材料に、例えば、業界において周知のH24焼き入れを施してもよい。
【0020】
本文中で表示する重量は全て、その合金の全重量に基づく重量パーセントである。
【0021】
本発明をさらに説明するため、以下のような例を示す。これらの例は、いかなる形式あるいは態様においても、本発明を限定するものではない。
【0022】
例1 以下のような組成の材料があり、
【0023】
【表2】
【0024】
その材料を鋳造し、4045ブレージング合金で被覆し熱間圧延して2.8mmの厚みにし、371℃で2時間焼き鈍し、冷間圧延して0.305mmにした。それを282℃で2時間焼き鈍すことによりH24焼き入れを施した後(ブレージング前)、ブレージングした後(ブレージング後)、そしてブレージング後のピークエージング処理を施した後に特徴を調べたところ、引張り特性をブレージング状態の焼き入れで様々に温度を変えて評価し、ピークエージングの焼き入れと比較した。
【0025】
ブレージング前状態の焼き入れでの引張り特性(降伏強度、極限引張り強度そして伸び率%)は以下のように報告されている。
【0026】
【表3】
【0027】
様々な温度のブレージング状態の焼き入れでの引張り特性(降伏強度、極限引張り強度そして伸び率%)は以下のように報告されている。
【0028】
【表4】
【0029】
【表5】
【0030】
表6は、ブレージングされた状態での結果を要約したものである。
【0031】
【表6】
【0032】
様々な温度でのピークエージング焼き入れでの引張り特性(降伏強度、極限引張り強度そして伸び率%)は以下のように報告されている。
【0033】
【表7】
【0034】
【表8】
【0035】
表9はピークエージングの結果を要約したものである。
【0036】
【表9】
【0037】
以上の結果により、ブレージングされた状態の焼き入れでは、本発明の合金の降伏強度は良好なレベルのものであることが示されている。試験されたサンプルは全て175℃で90MPaを越えており、225℃で88MPaを越えている。降伏強度の以上のレベルは、予想を越えて、175℃でのブレージング後ピークエージング焼き入れで110MPaを越えるまでに高められ、250℃でのブレージング後ピークエージング焼き入れで100MPaを越えたままになっている。これは給気冷却器に応用するについては、特に有益である。
【0038】
例2
様々な温度で単軸一定振幅疲労試験を、ASTM−E466−82規格による材料の例1で実施した。一定振幅負荷をR=0.1、試験周波数10Hzで掛けた。応力範囲は13.5〜25ksi(125〜172MPa)であった。試料の寸法は0.5“(12.7mm)幅2“(50mm)均一標準寸法であった。サンプルのうち九つを室温(RT)で試験し、六つを302°F(150℃)、五つを392°F(200℃)、五つを437°F(225℃)そして四つを482°F(250℃)で試験した。
【0039】
それに対応する結果が図1に記されており、本発明の合金の高温での疲労性能が室温での疲労性能に匹敵するものであることが示されている。高温での疲労性能がそれほど失われていないということは、典型的な稼働温度が約177℃である、給気冷却器においては特に有益である。
【0040】
例3
例1からの材料を以下の二つの焼き入れでASTM G85によるSWAAT について試験した。
1.ブレージングされた状態
2.ピークエージングへの処理を行った後(ブレージング後のピークエージング)
【0041】
以上の各焼き入れにおいて六つのサンプルを試験した。得られたデータを表10に報告する。
【0042】
【表10】
【0043】
SWAAT 試験の結論として言えることは、本発明の材料はその種の材料について要求される典型的な性能に適したものであり、実際、それを越える性能のものであって、エージング処理をしない材料と類似の性能を示している。(約800時間を越えるものは何であれ、業界では、必要の範囲を越えているものと考えられている。典型的な要求は800時間を越えるものではない)。
Claims (15)
- 芯材合金と被覆ブレージング合金からなるアルミニウム合金ブレージングシート材料であり、その材料の芯材合金は(重量%で)
Si<0.2%,Fe<0.2%, Mn:1.3%−1.7% Mg:0.4%−0.8%,Cu:0.3%−0.7%, Ti<0.2%と、
そしてCr(0.05%−0.20%),Sc(0.05%−0.20%),V(0.05%−0.20%),Zr(0.05%−0.20%),Hf(0.05%−0.20%),Ni(0.20%−1%)のうちの少なくとも一つの元素と、残存アルミニウムと不可避の不純物とからなる材料。 - Cr,Sc,V,Zr,Hf,Niのうちの少なくとも二つの元素が含まれている、請求項1に記載のアルミニウム合金。
- Scが0.08%〜0.15%含まれている、請求項1または請求項2に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
- Vが0.08%〜0.15%含まれている、請求項1または請求項2に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
- Zrが0.08%〜0.15%含まれている、請求項1または請求項2に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
- Niが0.3%〜0.65%添加されている、前記請求項1または請求項3に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
- 少なくとも最高で325℃の温度で用いられる前記請求項1から請求項6に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
- 少なくとも一つの芯材合金と被覆合金とからなり、給気冷却器に応用して用いるに適したアルミニウム合金ブレージングシート製品の降伏強度を増強する方法で、その芯材合金の組成は重量%で、
Si<0.2%,Fe<0.2%, Mn:1.3%−1.7%, Mg:0.4%−0.8%,Cu:0.3%−0.7% Ti<0.1%と、
そしてCr(0.05%−0.20%),Sc(0.05%−0.20%),V(0.05%−0.20%),Zr(0.05%−0.20%),Hf(0.05%−0.20%),Ni(0.20%−1%)のうちの少なくとも一つの元素と、残存アルミニウムと不可避の不純物とからなり、
その方法の手順は、前記ブレージングシート製品をブレージング過程で、そのブレージングした状態のシート製品に、そのピークエージング温度でのエージング処理を施すことである、方法。 - Niがその芯材合金に0.3%〜0.65%含まれている前記請求項8に記載の方法。
- 前記請求項1から請求項7に記載のアルミニウム合金ブレージングシート製品から作られる給気冷却器。
- ブレージングした状態で焼き入れした場合に175℃で90MPaを越える降伏強度を示す、請求項1から請求項7に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
- ブレージング後、ピークエージング状態で焼き入れした場合に175℃で110MPaを越える降伏強度を示す、請求項11に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
- ブレージングした状態で焼き入れした場合に225℃で88MPaを越える降伏強度を示す、請求項1から請求項7に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
- ブレージング後のピークエージング状態で焼き入れした場合に225℃で100MPaを越える降伏強度を示す、請求項1から請求項7に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
- ブレージングした状態で焼き入れした場合よりも、ピークエージングで焼き入れした場合の方が225℃で20%大きい降伏強度を示す、請求項1から請求項7に記載のアルミニウム合金ブレージングシート材料。
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