JP2006022405A

JP2006022405A - 高強度アルミニウム合金からなる複合材料

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Publication number: JP2006022405A
Application number: JP2005196454A
Authority: JP
Inventors: Rahul Rajagopalan; ラヤゴパランラフル
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2006-01-26
Also published as: US7135239B2; DE102004033457B4; FR2872448A1; DE102004033457A1; US20060003181A1

Abstract

【課題】特に質量が小さく、寿命が長く、高強度で、高耐食性である熱交換器のチューブ用の複合材料を提供する。
【解決手段】複合材料（１）は、合金化成分としてａ）コア層（２）は0.2〜1.2％のシリコンSi、最大0.8％の鉄Fe、0.15〜1.0％の銅Cu、最大1.2％のマンガンMn、最大1.2％のマグネシウムMg、0.04〜0.35％のクロムCr、最大0.2％の亜鉛、最大0.25％のチタンTi及び最大0.3％のジルコニウムZrを含み、ｂ）腐食防止層（３）は最大0.6％のシリコンSi、0.7％の鉄Fe、0.10〜0.3％の銅Cu、0.9〜最大1.5％のマンガンMn、最大0.15％のマグネシウムMg、最大0.2％のクロムCr、最大0.2％の亜鉛、最大0.30％のチタンTi及び最大0.3％のジルコニウムZrを含み、ｃ）ろう付け材料層（４）は5〜15％のシリコンSi、最大0.8％の鉄Fe、最大0.3％の銅Cu、最大0.1％のマンガンMn、最大0.05％のマグネシウムMg、最大0.5％の亜鉛Zn及び最大0.20％のチタンTiを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は高強度アルミニウム合金からなる複合材料に関し、前記複合材料は輸送手段で使用されるろう付け熱交換器の生成のために特に使用される。

高強度アルミニウム合金の開発は、より軽く、かつ、より薄い壁材を製造する自動車産業の需要によって後押しされている。
アルミニウム合金又はアルミニウム合金からなる構成材は、必然的に、よい耐食性を有しているが、その機械的強度は低い。一方、マグネシウムMgなどの合金化成分を添加することによって、合金の機械的強度を高めることができるが、ろう付け後の耐食性が問題となる。特に、0.3％よりも多いマグネシウム含量を有するアルミニウム合金であって、フッ化カリウムアルミニウム、例えばNOCOLOKがろう付け材料として使用される場合、大きな問題がろう付けの際に生じる。そのような高含量のマグネシウムを有するアルミニウム合金は、アルミニウム合金のマトリックスと異なる電気化学ポテンシャルを有するいくつかの合金化成分の拡散によって腐食防止電位が低くなる。
アルミニウム合金が熱交換器のようなろう付けされた構造で使用される場合、ろう付け材料はベース材料として使用されるアルミニウム合金に対して陰極効果を有し、その結果電気化学的腐食は促進される。さらに、シリコンを含むろう付け材料に対しては、シリコンがアルミニウム合金の粒間に拡散するというリスクがあり、粒界腐食を生じる。
原則に従って、アルミニウム合金からなる構成材の腐食リスクは合金化成分、製造方法、使用部位及び使用環境条件に依存する。
従来技術においては、アルミニウム合金の腐食安定性を高めるために異なる方法が使用されている。
亜鉛の添加はろう付け材料を変性し、その結果陽極効果を有する。この場合、腐食電流はより活性なコーティング材料からアルミニウム合金へ流れる。しかしながら、時に、変性されたろう付け材料は犠牲陽極として作用し、その結果アルミニウム合金は腐食する場合がある。一方、陰極作用アルミニウム合金は、他の元素が合金化成分としてアルミニウム合金に加えられた場合に得られる。さらに、ベース材料として使用されたアルミニウム合金は粒間又は結晶間をシリコンの拡散から防ぐために、このような方法で改善できる。

DE 28 18 564 A1には、熱交換器用アルミニウムチューブの腐食防止方法及び対応する作製された熱交換器が開示されている。少なくとも部分的にアルミニウム又はアルミニウム合金から作られた熱交換器は保護合金によってコートされる。保護合金は、その特許のデータによれば、12％までのシリコンを含むアルミニウム合金である。
US 2002/0142185 A1には、ラジエータで使用される４層アルミニウム合金が開示されている。コア層のろう付け特性を高めるために使用される２つの中間層が備わっている。これら中間層から、シリコンはコア層の強度を改善するためにコア層に拡散できる。コア層の腐食安定性が低いということは、この発明の欠点である。
DE 31 27 980 C2には、ろう付け熱交換器のチューブ用複合材料及びこの複合材料の使用が開示されている。複合材料は、純粋なアルミニウム、アルミニウム-マンガン合金又はアルミニウム-シリコン合金からなるめっき材料でめっきした、最大0.2％の銅含量を有するアルミニウムコア合金である。コア合金が0.2〜２％の銅及びアルミニウムからなり、その残りとして不純物を含むことは、この発明の特徴である。さらに、コア合金は0.01〜0.5％のジルコニウム、0.05〜0.5％のマンガン及び0.05〜0.5％のクロムを含んでもよい。

本発明の目的は、特に質量が小さく、寿命が長く、高強度で、高耐食性である熱交換器のチューブ用の複合材料を提供することである。

本発明によれば、複合材料がアルミニウム合金の構造を有し、高強度コア層、このコア層を被覆する腐食防止層及び腐食防止層に施されるろう付け材料層からなることによって前記課題が解決される。
本発明の好ましい実施態様において、コア層の上面に加えて、底面にも腐食防止層を、その上に配置されたろう付け材料層を備える。したがって、両側をコートした複合体の層の数は片側のみをコートした複合体の３層と比較して５層に増えている。従来技術によれば、腐食防止層はめっき方法又はコーティングによってコア層に施される。
複合材料は、プレート形状又はチューブ形状の構成材又は任意の形状の構成材として構造化される。
本発明の明らかな利点は、機能層の組み合わせによって、ろう付け後であっても、複合材料が非常に軽く、高強度及び高耐食性であるように構成され得ることである。
アルミニウム合金からなる複合材料の高強度コア層はより低い耐腐食性を有し、本質的に静的に機能する。合金化成分は、0.2〜1.2％のシリコンSi、最大0.8％の鉄Fe、0.15〜1.0％の銅Cu、最大1.2％のマンガンMn、最大1.2％のマグネシウムMg、0.04〜0.35％のクロムCr、最大0.2％の亜鉛、最大0.25％のチタンTi及び最大0.3％のジルコニウムZrであるように与えられる。

めっきによってコア層に好ましく施される中間層は、腐食防止層として構成され、したがってその下層のコア層を保護する。AA 3xxxシリーズの長寿命合金は、この腐食防止層のための好ましい材料として与えられる。腐食防止層のアルミニウム合金における合金化成分及びその含有量として、最大0.6％のシリコンSi、0.7％の鉄Fe、0.10〜0.3％の銅Cu、0.9〜最大1.5％のマンガンMn、最大0.15％のマグネシウムMg、最大0.2％のクロムCr、最大0.2％の亜鉛、最大0.30％のチタンTi及び最大0.3％のジルコニウムZrが与えられる。本発明の腐食防止層は粒間腐食及び孔食に対して優れた腐食安定性を有する。
腐食防止層の厚さはコア層の厚さの５〜20％、好ましくは５〜15％であることは、特に利点を与える。
複合材料の外層は腐食防止層に施されるろう付け材料層によって形成され、本発明のろう付け材料層は、５〜15％のシリコンSi、最大0.8％の鉄Fe、最大0.3％の銅Cu、最大0.1％のマンガンMn、最大0.05％のマグネシウムMg、最大0.5％の亜鉛Zn及び最大0.20％のチタンTiを合金化成分として含む。ろう付け材料層が腐食防止層に容易に施すことができることを保証するために、ろう付け材料層は腐食防止層及びコア層よりも低い融点を有する。使用されるろう付け材料層は4xxxシリーズのアルミニウム-シリコン合金である。

本発明の複合材料の個々の層、すなわちコア層、腐食防止層及びろう付け材料層の合金化成分の計算された選択、個々の層の間の腐食保護電位はろう付け後も持続するように生成される。この腐食保護電位は、コア層が腐食防止層に対して陰極を構成し、腐食防止層がろう付け材料層に対して陰極を構成することを特徴とする。したがって、ろう付け材料層はコア層に対して陽極である。
下記表に個々の層の合金化成分を重量％で示す。

マグネシウムMgの添加は、合金の機械的強度、特に耐力及び引張強さを高める。非金属シリコンSi及び金属マンガンMnの添加は、合金の機械的強度をさらに高めることができる。

この複合材料の使用は、プレート形状の構成材に制限されないが、流体が通る、又は例えば熱交換器又はトランスにおいて使用されるような流体の流れによって攻撃されるチューブ形状の構成材で使用することもできる。用語熱交換器又はトランスは熱が交換されるすべての装置の全体を参照する。典型的な熱交換器又はトランスは凝縮器、放熱体、ガスクーラー、エバポレータ又は一般的な発熱エレメントである。
したがって、本発明の複数のチューブ形状複合材料は、冷媒に適用できる自動車業界で使用されるＣＯ₂ガスクーラーのような熱交換器に統合される。熱交換器は、通常コレクター及び分配器を有し、その間に１又は複数の流体輸送要素が広がっている。腐食防止層に対して陽極である流体輸送要素はチューブ壁を貫通し、好ましくは熱交換器のコレクターと分配器に流れるように配置される。したがって、流体輸送要素は腐食防止層に直接接している。

本発明によれば、腐食電位差は、陰極腐食防止層と陽極流体輸送要素との間の20〜40mVである。
従来技術に対する本発明の明らかな利点及び特徴は本質的に以下の通りである。
− 複数の層の構造による複合体の優れた耐食性及び非常に高い機械的強度、
− 必要により片面又は両面に施されてもよい腐食防止層、それによって内部及び外部腐食攻撃に対する安定性、
− 陽極流体輸送要素と陰極腐食防止層との間の腐食保護電位差による複合体の耐食性のさらなる改善、
− ＮａＣｌ及び／又はＣａＣｌ₂などの塩又は酸化硫黄ＳＯ_x及び／又は酸化窒素ＮＯ_xなどの気体が存在する侵食環境条件（酸形成の危険）下で特に適している。

図１は本発明の第１の好ましい実施態様のプレート形状複合材料の層状構造の略図を示す。参照番号２を付したコア層は耐食性の低い高強度合金からなる。コア層２は本質的に金属アルミニウムAl、マンガンMn、マグネシウムMg及び銅Cu並びに主族４ＡのシリコンSiを含む。これらの合金化元素はコア層２に所望のろう付け安定性を与える。コア層２の上面に施された腐食防止層３はその下に配置されたコア層２を例えば空気湿度などによってもたらされる腐食から保護する。一般に、その寿命まで耐食性を有する変性AA 3xxx-合金は腐食防止層３について好ましい合金として提供される。腐食防止層３はめっき又はコーティングによってその下に配置されたコア層２に施される。プレート形状複合材料１がチューブに形成され、腐食防止層３は外側に向かっている。この腐食防止層３を形成する合金化成分の慎重な選択及び関連した部分は、複合材料１の、図３で陽極として示された流体輸送要素５に対してこの腐食防止層３を陰極にする。融解温度が低い本発明のろう付け材料層４は腐食防止層３に施される。このろう付け材料層４は、一般に、4xxxシリーズのAl-Si-合金であり、めっきシートをろう付けするために使用される。

第２の好ましい実施態様のプレート形状複合材料１の層状構造の略図を図２に示す。上述の、図１に示されるコア層２は片面、すなわち上面のみコートされるが、図２においては、コア層２の上面及び底面の両方に腐食防止効果の増大を達成するために腐食防止層３及びろう付け材料層４を有する。この両面コーティングの明らかな利点は、冷媒が通るチューブ形状複合材料１の内部表面が、特に図３に示される流体輸送要素５の挿入場所での腐食から保護されるという点にある。しかしながら、この両面コーティングは必須ではない。この複合材料１は以下の層状構造を特徴とする：上から下まで、ろう付け材料層４、腐食防止層３、コア層２、腐食防止層３及びろう付け材料層４。

図３には、熱交換器のコレクター又は分配器として構成される第１の好ましい実施態様の複合材料１の層状構造の略図を示す。示されるように、複合材料１は明瞭さのための構造として構成される２から４までの個々の層を有するチューブとして形作られる。内部表面に配置されるコア層２は、この場合、めっき又はコーティングによってコア層２に施される腐食防止層３と比較して約５倍の厚さを有する。複合材料１の外側のカバーはAl-Si-合金のろう付け材料層４によって形成される。平行６面体の形状を有する流体輸送要素５は複合体１の長手方向軸に好ましくは垂直に複合材料１に挿入され、示される複数のホールのみを有する。流体はこれらの穴を通ってチューブ形状の複合体１に入り、出て行く。ろう付け流体輸送要素５は腐食防止層３と直接接し、耐食性を向上させるためにこの腐食防止層３に対して陽極を構成する。複合体への流体輸送要素５の挿入又はろう付けは、ろう付け材料層４が腐食防止層３に施されて、溶解の際に任意の毛管現象を避けるために複合体１の流体輸送要素５の挿入部分をも液体ろう付け材料が完全にコートする前に行われる。

断面図における第１の好ましい実施態様のプレート形状複合材料の層状構造の略図である。断面図における第２の好ましい実施態様のプレート形状複合材料の層状構造の略図である。熱交換器のコレクター又は分配器として構成される第１の好ましい実施態様のチューブ形状複合材料の層状構造の略図である。

符号の説明

１複合材料
２コア層
３腐食防止層
４ろう付け材料層
５流体輸送要素

Claims

高強度アルミニウム合金の複合材料（１）であって、プレート形状又はチューブ形状複合材料（１）はコア層（２）、コア層（２）の上面を覆う腐食防止層（３）及び腐食防止層（３）に施されるろう付け材料層（４）からなり、
合金化成分として
ａ）コア層（２）は0.2〜1.2％のシリコンSi、最大0.8％の鉄Fe、0.15〜1.0％の銅Cu、最大1.2％のマンガンMn、最大1.2％のマグネシウムMg、0.04〜0.35％のクロムCr、最大0.2％の亜鉛、最大0.25％のチタンTi及び最大0.3％のジルコニウムZrを含み、
ｂ）腐食防止層（３）は最大0.6％のシリコンSi、0.7％の鉄Fe、0.10〜0.3％の銅Cu、0.9〜最大1.5％のマンガンMn、最大0.15％のマグネシウムMg、最大0.2％のクロムCr、最大0.2％の亜鉛、最大0.30％のチタンTi及び最大0.3％のジルコニウムZrを含み、
ｃ）ろう付け材料層（４）は5〜15％のシリコンSi、最大0.8％の鉄Fe、最大0.3％の銅Cu、最大0.1％のマンガンMn、最大0.05％のマグネシウムMg、最大0.5％の亜鉛Zn及び最大0.20％のチタンTiを含む、前記複合材料。
高強度アルミニウム合金の複合材料（１）であって、プレート形状又はチューブ形状複合材料（１）はコア層（２）、コア層（２）の上面及び底面を覆う腐食防止層（３）及び両腐食防止層（３）に施されるろう付け材料層（４）からなり、
合金化成分として
ａ）コア層（２）は0.2〜1.2％のシリコンSi、最大0.8％の鉄Fe、0.15〜1.0％の銅Cu、最大1.2％のマンガンMn、最大1.2％のマグネシウムMg、0.04〜0.35％のクロムCr、最大0.2％の亜鉛、最大0.25％のチタンTi及び最大0.3％のジルコニウムZrを含み、
ｂ）腐食防止層（３）は最大0.6％のシリコンSi、0.7％の鉄Fe、0.10〜0.3％の銅Cu、0.9〜最大1.5％のマンガンMn、最大0.15％のマグネシウムMg、最大0.2％のクロムCr、最大0.2％の亜鉛、最大0.30％のチタンTi及び最大0.3％のジルコニウムZrを含み、
ｃ）ろう付け材料層（４）は5〜15％のシリコンSi、最大0.8％の鉄Fe、最大0.3％の銅Cu、最大0.1％のマンガンMn、最大0.05％のマグネシウムMg、最大0.5％の亜鉛Zn及び最大0.20％のチタンTiを含む前記複合材料。
複数のチューブ形状複合材料（１）は冷媒に適用できるCO₂ガスクーラーのような熱交換器に統合される、請求項１又は２記載の高強度アルミニウム合金の複合材料（１）。
熱交換器に１つ又は複数の陽極流体輸送要素（５）が備わっており、陽極流体輸送要素（５）と陰極腐食防止層（３）の間に20〜40mVの腐食電位差が存在する、請求項３記載の高強度アルミニウム合金の複合材料（１）。
ろう付け材料層（４）が腐食防止層（３）及びコア層（２）よりも低い融点を有する、請求項１〜４のいずれか１項記載の高強度アルミニウム合金の複合材料（１）。
腐食防止層（３）の厚さがコア層（２）の厚さの５〜20％、好ましくは５〜15％である、請求項１〜５のいずれか１項記載の高強度アルミニウム合金の複合材料（１）。