JP2006176852A - 耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材および熱交換器並びに高強度アルミニウム合金クラッド材の製造方法 - Google Patents
耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材および熱交換器並びに高強度アルミニウム合金クラッド材の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材および熱交換器並びにクラッド材の製造方法を提供する。
【解決手段】 芯材２の一面２ａに犠牲陽極皮材３が、他面２ｂにはＡｌ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系の合金からなるろう材４がそれぞれ貼り合わされ、犠牲陽極皮材３の組成が、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｚｎ：０．２％以上８．０％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．００５％以上３．０以下、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｇ：０．０１％以上２．０％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材１を採用する。
【選択図】 図１
【解決手段】 芯材２の一面２ａに犠牲陽極皮材３が、他面２ｂにはＡｌ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系の合金からなるろう材４がそれぞれ貼り合わされ、犠牲陽極皮材３の組成が、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｚｎ：０．２％以上８．０％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．００５％以上３．０以下、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｇ：０．０１％以上２．０％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材１を採用する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材および熱交換器並びに高強度アルミニウム合金クラッド材の製造方法に関する。
一般に、自動車のラジエータ等に用いられている熱交換器においては、チューブ材やヘッダープレートにクラッド材が使用されている。このクラッド材は、例えば、ＡＡ３００３合金などのＡｌ−Ｍｎ合金芯材の一面に、ＡＡ４３４３ろう材やＡＡ４０４５ろう材が貼り合わされるとともに、他面にＡＡ７０７２合金が貼り合わされて構成されている。
また、熱交換器の剛性を高めるためにコア最外部に取付けられるサイドサポート材には、Ａ３００３合金の片面にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を貼り合わせたクラッド材が使用されている。
更に、熱交換器用のフィン材は、チューブ材のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材によってチューブ材にろう付されるものであり、伝熱面積を広くすることで熱交換効率の向上を図っている。このようなフィン材には、ＡＡ１０５０合金などの純Ａｌ系合金や、ＡＡ３００３合金などのＡｌ−Ｍｎ合金やＡｌ−Ｆｅ系合金などが用いられている。
また、熱交換器の剛性を高めるためにコア最外部に取付けられるサイドサポート材には、Ａ３００３合金の片面にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を貼り合わせたクラッド材が使用されている。
更に、熱交換器用のフィン材は、チューブ材のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材によってチューブ材にろう付されるものであり、伝熱面積を広くすることで熱交換効率の向上を図っている。このようなフィン材には、ＡＡ１０５０合金などの純Ａｌ系合金や、ＡＡ３００３合金などのＡｌ−Ｍｎ合金やＡｌ−Ｆｅ系合金などが用いられている。
ところで、近年の自動車の軽量化により自動車用の熱交換器もまた軽量化が求められており、これに対応すべくフィン材の薄肉化、高強度化が求められている。一方、フィン材の薄肉化により発生する問題としては、溶融したろうによる侵食（エロージョン）がある。エロージョンによってフィン材などに貫通孔が生じてしまうと、熱交換器として必要な強度が得られなくなったり、ひいては熱交換器としての構造が保てなくなったりするなどの問題が生じていた。
前述のように、フィン材にはＡＡ１０５０合金、ＡＡ３００３合金などが用いられている。また、高強度化を達成するために、例えば、チューブ材やヘッダープレート、サイドサポート材、あるいは両面にろう材を貼り合わせてなるクラッドフィン材等には、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金芯材が使用されたり、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系犠牲材を貼り合わせた高強度材が開発されている。
また、ベアフィン材用のアルミニウム合金として、Ｍｎ：０．８−１．３％、Ｓｉ：０．２−０．７％からなる組成で熱間圧延温度や中間焼鈍温度あるいは最終冷間圧延率を規定した合金も開発されており、耐垂下性や犠牲陽極効果に優れているとのことである（特許文献１）。
このほか、ＭｎやＳｉを含有した合金には、特許文献２−５に記載された合金があり、強度や耐垂下性に優れると言われている。
特許第２７８６６４０号公報
特開平１１−２５６２６１号公報
特開平４−２４７８４１号公報
特開平５−４３９９９号公報
特開平４−３７１３６９号公報
また、ベアフィン材用のアルミニウム合金として、Ｍｎ：０．８−１．３％、Ｓｉ：０．２−０．７％からなる組成で熱間圧延温度や中間焼鈍温度あるいは最終冷間圧延率を規定した合金も開発されており、耐垂下性や犠牲陽極効果に優れているとのことである（特許文献１）。
このほか、ＭｎやＳｉを含有した合金には、特許文献２−５に記載された合金があり、強度や耐垂下性に優れると言われている。
しかし、従来の熱交換器用のアルミニウム合金材料では、強度が不足したり、耐エロージョン性が不足するものであった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材および熱交換器並びに高強度アルミニウム合金クラッド材の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材および熱交換器並びに高強度アルミニウム合金クラッド材の製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材（以下、クラッド材と表記）は、アルミニウム合金芯材の一面に犠牲陽極皮材が貼り合わされるとともに、他面にはＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金からなるろう材が貼り合わされてなり、前記犠牲陽極皮材の組成が、質量％で、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｚｎ：０．２％以上８．０％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．００５％以上３．０％以下、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｇ：０．０１％以上２．０％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
また上記のクラッド材においては、前記アルミニウム合金芯材の組成が、質量％で、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｍｎ：０．００５％以上３．０以下を含有し、更に、Ｚｎ：０．２％以上８．０％以下、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．０５％以上０．８％以下、Ｍｇ：０．０１％以上０．５％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることが望ましい。
また上記のクラッド材においては、前記犠牲陽極皮材、前記アルミニウム合金芯材のいずれか一方または両方に更に、Ｔｉ：０．０１％以上０．２５％以下、Ｃｒ：０．０１％以上０．１％以下、Ｖ：０．０１％以上０．１％以下、Ｎｉ：０．０１％以上２．０％以下、のうちの１種または２種以上の元素が含有されていることが好ましい。
更に上記のクラッド材においては、ろう付け後における前記アルミニウム合金芯材の組織の平均結晶粒径が、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。
また、本発明の熱交換器は、先のいずれかに記載のクラッド材が備えられていることを特徴とする。
本発明の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材（以下、クラッド材と表記）は、アルミニウム合金芯材の一面に犠牲陽極皮材が貼り合わされるとともに、他面にはＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金からなるろう材が貼り合わされてなり、前記犠牲陽極皮材の組成が、質量％で、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｚｎ：０．２％以上８．０％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．００５％以上３．０％以下、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｇ：０．０１％以上２．０％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
また上記のクラッド材においては、前記アルミニウム合金芯材の組成が、質量％で、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｍｎ：０．００５％以上３．０以下を含有し、更に、Ｚｎ：０．２％以上８．０％以下、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．０５％以上０．８％以下、Ｍｇ：０．０１％以上０．５％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることが望ましい。
また上記のクラッド材においては、前記犠牲陽極皮材、前記アルミニウム合金芯材のいずれか一方または両方に更に、Ｔｉ：０．０１％以上０．２５％以下、Ｃｒ：０．０１％以上０．１％以下、Ｖ：０．０１％以上０．１％以下、Ｎｉ：０．０１％以上２．０％以下、のうちの１種または２種以上の元素が含有されていることが好ましい。
更に上記のクラッド材においては、ろう付け後における前記アルミニウム合金芯材の組織の平均結晶粒径が、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。
また、本発明の熱交換器は、先のいずれかに記載のクラッド材が備えられていることを特徴とする。
次に本発明のクラッド材の製造方法は、先のいずれかに記載の組成を具備してなるクラッド材の製造方法であり、前記アルミニウム合金芯材の一面に前記犠牲陽極皮材を重ね合わせるとともに、前記他面にＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金からなるろう材を重ね合わせた後、圧延及び焼鈍を行ってから、最終冷間圧延率が１０％超となる条件で冷間圧延を行うことを特徴とする。
また上記の製造方法においては、前記最終冷間圧延後に更に、最終焼鈍を２００℃以上５００℃以下の温度で行うこともある。
また上記の製造方法においては、前記最終冷間圧延後に更に、最終焼鈍を２００℃以上５００℃以下の温度で行うこともある。
上記のアルミニウム合金フィン材によれば、アルミニウム合金芯材および犠牲陽極皮材に添加されたＳｃがろう付け熱処理によって合金組織中に固溶するとともに、Ｓｃの一部がＡｌ３Ｓｃなる組成の金属間化合物を形成してこの微細なＡｌ３Ｓｃが時効析出するので、クラッド材の強度を高めることができる。また、ろう付け熱処理の昇温過程において再結晶粒径が粗大化して結晶粒界が減少し、これにより溶融ろうによるエロージョンの発生を抑制することができる。
また、犠牲陽極皮材にＺｎを添加することにより、Ｓｃの添加によって貴側に上昇した電位を卑にすることができ、アルミニウム合金芯材に対する犠牲陽極効果を発揮させることができる。
更に、アルミニウム合金芯材に添加されたＭｎが他の合金成分と化合して金属間化合物を形成、晶出若しくは析出するので、クラッド材の強度を高めることができる。
更にまた、ろう付け後におけるアルミニウム合金芯材の組織の平均結晶粒径を０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲とすることで、結晶粒径が比較的大きくなる反面、結晶粒界が少なくなり、粒界に沿って侵入する溶融ろうを少なくすることができ、エロージョンの発生を効果的に抑制できる。
また、犠牲陽極皮材にＺｎを添加することにより、Ｓｃの添加によって貴側に上昇した電位を卑にすることができ、アルミニウム合金芯材に対する犠牲陽極効果を発揮させることができる。
更に、アルミニウム合金芯材に添加されたＭｎが他の合金成分と化合して金属間化合物を形成、晶出若しくは析出するので、クラッド材の強度を高めることができる。
更にまた、ろう付け後におけるアルミニウム合金芯材の組織の平均結晶粒径を０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲とすることで、結晶粒径が比較的大きくなる反面、結晶粒界が少なくなり、粒界に沿って侵入する溶融ろうを少なくすることができ、エロージョンの発生を効果的に抑制できる。
本発明によれば、耐エロージョン性に優れるとともに高強度な熱交換器用のアルミニウム合金クラッド材および熱交換器並びにアルミニウム合金クラッド材の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材１（以下、クラッド材と表記）は、図１に示すように、アルミニウム合金芯材２（以下、芯材と表記）の一面２ａに犠牲陽極皮材３が貼り合わされるとともに、他面２ｂにはＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金からなるろう材４が貼り合わされて構成されている。
芯材２は、ＳｃとＭｎとが含有され、更に、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、のうちの１種または２種以上の元素が含有され、更に残部がＡｌおよび不可避的不純物が含有されて構成されている。また犠牲陽極皮材３は、ＳｃとＺｎとが含有され、更に、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、のうちの１種または２種以上の元素が含有され、更に残部がＡｌおよび不可避的不純物が含有されて構成されている。更に芯材２および犠牲陽極皮材３には、必要に応じてＴｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｉのうちの１種または２種以上の元素が含有されている。
以下、芯材２および犠牲陽極皮材３の合金組成の限定理由について説明する。
本実施形態の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材１（以下、クラッド材と表記）は、図１に示すように、アルミニウム合金芯材２（以下、芯材と表記）の一面２ａに犠牲陽極皮材３が貼り合わされるとともに、他面２ｂにはＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金からなるろう材４が貼り合わされて構成されている。
芯材２は、ＳｃとＭｎとが含有され、更に、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、のうちの１種または２種以上の元素が含有され、更に残部がＡｌおよび不可避的不純物が含有されて構成されている。また犠牲陽極皮材３は、ＳｃとＺｎとが含有され、更に、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、のうちの１種または２種以上の元素が含有され、更に残部がＡｌおよび不可避的不純物が含有されて構成されている。更に芯材２および犠牲陽極皮材３には、必要に応じてＴｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｉのうちの１種または２種以上の元素が含有されている。
以下、芯材２および犠牲陽極皮材３の合金組成の限定理由について説明する。
［芯材及び犠牲陽極皮材］
「Ｓｃ」
スカンジウム（Ｓｃ）は芯材２及び犠牲陽極皮材３の必須元素であり、ろう付け熱処理の際に合金組織中に固溶してクラッド材１の機械的強度を向上させる。また、一部がＡｌ３Ｓｃなる組成の金属間化合物を形成してこの微細なＡｌ３Ｓｃが時効析出してクラッド材１の機械的強度を向上させる。更に、ろう付熱処理の昇温過程においてこのＳｃの作用により再結晶粒径が粗大化するため、溶融ろうによる侵食（エロージョン）が抑制される。Ｓｃの組成比は質量％で０．０００１％以上１．０％以下の範囲が好ましく、０．０００１％以上０．２％未満の範囲がより好ましい。Ｓｃの組成比が０．０００１％未満になると機械的強度の向上効果およびエロージョンの抑制効果が得られない。またＳｃの組成比が１．０％を越えると機械的強度の向上効果およびエロージョンの抑制効果が飽和してしまい、添加する効果が得られない。更に、Ｓｃの添加量が０．２％以上になると、冷間圧延時にクラックが発生しやすくなる等の問題が発生する。
「Ｓｃ」
スカンジウム（Ｓｃ）は芯材２及び犠牲陽極皮材３の必須元素であり、ろう付け熱処理の際に合金組織中に固溶してクラッド材１の機械的強度を向上させる。また、一部がＡｌ３Ｓｃなる組成の金属間化合物を形成してこの微細なＡｌ３Ｓｃが時効析出してクラッド材１の機械的強度を向上させる。更に、ろう付熱処理の昇温過程においてこのＳｃの作用により再結晶粒径が粗大化するため、溶融ろうによる侵食（エロージョン）が抑制される。Ｓｃの組成比は質量％で０．０００１％以上１．０％以下の範囲が好ましく、０．０００１％以上０．２％未満の範囲がより好ましい。Ｓｃの組成比が０．０００１％未満になると機械的強度の向上効果およびエロージョンの抑制効果が得られない。またＳｃの組成比が１．０％を越えると機械的強度の向上効果およびエロージョンの抑制効果が飽和してしまい、添加する効果が得られない。更に、Ｓｃの添加量が０．２％以上になると、冷間圧延時にクラックが発生しやすくなる等の問題が発生する。
「Ｍｎ」
マンガン（（Ｍｎ）は、他の合金成分（具体的にはＳｉ）と化合してＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物を形成し、この金属間化合物が晶出若しくは析出されて、ろう付け後の芯材２及び犠牲陽極皮材３の機械的強度を向上させる。特に芯材２はクラッド材１の構造材としての機能を担っているため、クラッド材の強度を高めるためにも芯材２にはＭｎを必ず添加することが望ましい。また、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物の形成によって合金組織中のＳｉの固溶度が相対的に低下し、これにより芯材２および犠牲陽極皮材３の融点を高めることができ、芯材２および犠牲陽極皮材３の耐熱性を向上できる。更に芯材２においては、Ｍｎを添加することで芯材の電位を貴にすることができ、これにより犠牲陽極皮材３およびろう材４の電位が相対的に卑になり、犠牲陽極皮材３およびろう材４における孔食（エロージョン）の発生を防止することができる。Ｍｎの組成比は質量％で０．００５％以上３．０％以下の範囲が好ましく、０．３％以上２．０％以下の範囲がより好ましい。Ｍｎの組成比が０．００５％未満になると機械的強度の向上効果が得られない。またＭｎの組成比が３．０％を越えると機械的強度が高くなりすぎて鋳造性や圧延加工性が低下するので好ましくない。
マンガン（（Ｍｎ）は、他の合金成分（具体的にはＳｉ）と化合してＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物を形成し、この金属間化合物が晶出若しくは析出されて、ろう付け後の芯材２及び犠牲陽極皮材３の機械的強度を向上させる。特に芯材２はクラッド材１の構造材としての機能を担っているため、クラッド材の強度を高めるためにも芯材２にはＭｎを必ず添加することが望ましい。また、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物の形成によって合金組織中のＳｉの固溶度が相対的に低下し、これにより芯材２および犠牲陽極皮材３の融点を高めることができ、芯材２および犠牲陽極皮材３の耐熱性を向上できる。更に芯材２においては、Ｍｎを添加することで芯材の電位を貴にすることができ、これにより犠牲陽極皮材３およびろう材４の電位が相対的に卑になり、犠牲陽極皮材３およびろう材４における孔食（エロージョン）の発生を防止することができる。Ｍｎの組成比は質量％で０．００５％以上３．０％以下の範囲が好ましく、０．３％以上２．０％以下の範囲がより好ましい。Ｍｎの組成比が０．００５％未満になると機械的強度の向上効果が得られない。またＭｎの組成比が３．０％を越えると機械的強度が高くなりすぎて鋳造性や圧延加工性が低下するので好ましくない。
「Ｚｎ」
亜鉛（Ｚｎ）は、Ｓｃの添加によって上昇した電位を卑にさせる効果があり、特に犠牲陽極皮材３に添加することによって芯材２に対する犠牲陽極効果を高めることができる。この点においてＺｎは犠牲陽極皮材３の必須元素である。また、芯材２にもＺｎを添加することで犠牲陽極皮材３およびろう材４に対する芯材２の電位を調整することができ、犠牲陽極皮材３およびろう材４の孔食を防止できる。Ｚｎの組成比は質量％で０．２％以上８．０％以下の範囲が好ましく、２％以上６％以下の範囲がより好ましい。Ｚｎの組成比が０．２％未満になると、電位を卑にする効果が得られない。またＺｎの組成比が８．０％を越えると、クラッド材１の自己耐食性が低下してしまう。
亜鉛（Ｚｎ）は、Ｓｃの添加によって上昇した電位を卑にさせる効果があり、特に犠牲陽極皮材３に添加することによって芯材２に対する犠牲陽極効果を高めることができる。この点においてＺｎは犠牲陽極皮材３の必須元素である。また、芯材２にもＺｎを添加することで犠牲陽極皮材３およびろう材４に対する芯材２の電位を調整することができ、犠牲陽極皮材３およびろう材４の孔食を防止できる。Ｚｎの組成比は質量％で０．２％以上８．０％以下の範囲が好ましく、２％以上６％以下の範囲がより好ましい。Ｚｎの組成比が０．２％未満になると、電位を卑にする効果が得られない。またＺｎの組成比が８．０％を越えると、クラッド材１の自己耐食性が低下してしまう。
「Ｆｅ」
鉄（Ｆｅ）は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｓｉとともに金属間化合物を形成して合金組織中に晶出または析出し、ろう付後の芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。金属間化合物としては、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物を例示できる。また、これらの金属間化合物の形成によって、合金組織中におけるＭｎやＳｉの固溶度を低下させ、芯材２および犠牲陽極皮材３の融点を高めることができる。Ｆｅの組成比は質量％で０．０５％以上２．５％以下の範囲が好ましく、０．２％以上１．８％以下の範囲がより好ましい。Ｆｅの組成比が０．０５％未満では、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上及び融点上昇の効果が得られない。またＦｅの組成比が２．５％を越えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の腐食速度が高くなり、また巨大な晶出物が出現してクラッド材１の圧延性が低下する。
鉄（Ｆｅ）は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｓｉとともに金属間化合物を形成して合金組織中に晶出または析出し、ろう付後の芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。金属間化合物としては、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物を例示できる。また、これらの金属間化合物の形成によって、合金組織中におけるＭｎやＳｉの固溶度を低下させ、芯材２および犠牲陽極皮材３の融点を高めることができる。Ｆｅの組成比は質量％で０．０５％以上２．５％以下の範囲が好ましく、０．２％以上１．８％以下の範囲がより好ましい。Ｆｅの組成比が０．０５％未満では、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上及び融点上昇の効果が得られない。またＦｅの組成比が２．５％を越えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の腐食速度が高くなり、また巨大な晶出物が出現してクラッド材１の圧延性が低下する。
「Ｓｉ」
ケイ素（Ｓｉ）は、ＡｌおよびＭｎとともに、金属間化合物であるＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物を形成して合金組織中に析出し、ろう付後の芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。またＳｉは、その一部が合金組織中に固溶して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。Ｓｉの組成比は質量％で０．０５％以上１．５％以下の範囲が好ましく、０．４％以上１．２％以下の範囲がより好ましい。Ｓｉの組成比が０．０５％未満では、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。またＳｉの組成比が１．５％を越えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の融点が低下してろう付け時に溶融してしまい、更に芯材２および犠牲陽極皮材３の熱伝導性を低下させる。
ケイ素（Ｓｉ）は、ＡｌおよびＭｎとともに、金属間化合物であるＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物を形成して合金組織中に析出し、ろう付後の芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。またＳｉは、その一部が合金組織中に固溶して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。Ｓｉの組成比は質量％で０．０５％以上１．５％以下の範囲が好ましく、０．４％以上１．２％以下の範囲がより好ましい。Ｓｉの組成比が０．０５％未満では、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。またＳｉの組成比が１．５％を越えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の融点が低下してろう付け時に溶融してしまい、更に芯材２および犠牲陽極皮材３の熱伝導性を低下させる。
「Ｃｕ」
銅（Ｃｕ）は、合金組織中に固溶して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。また芯材２においては、Ｃｕを添加することで芯材の電位を貴にすることができ、これにより犠牲陽極皮材３およびろう材４の電位が相対的に卑になり、犠牲陽極皮材３およびろう材４における孔食（エロージョン）の発生を防止することができる。芯材のＣｕの組成比は質量％で０．０５％以上０．８％以下の範囲が好ましく、０．０７％以上０．２％以下の範囲がより好ましい。Ｃｕの組成比が０．０５％未満では、芯材２の強度向上や、孔食防止の効果が得られない。またＣｕの組成比が０．８％を越えると、芯材２の融点が低下してろう付け時に溶融してしまう。
また犠牲陽極皮材のＣｕの組成比は質量％で０．１％以下の範囲が好ましい。Ｃｕは強度向上効果があるが、Ｃｕの組成比が０．１％を越えると、電位が高くなりすぎる。
銅（Ｃｕ）は、合金組織中に固溶して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。また芯材２においては、Ｃｕを添加することで芯材の電位を貴にすることができ、これにより犠牲陽極皮材３およびろう材４の電位が相対的に卑になり、犠牲陽極皮材３およびろう材４における孔食（エロージョン）の発生を防止することができる。芯材のＣｕの組成比は質量％で０．０５％以上０．８％以下の範囲が好ましく、０．０７％以上０．２％以下の範囲がより好ましい。Ｃｕの組成比が０．０５％未満では、芯材２の強度向上や、孔食防止の効果が得られない。またＣｕの組成比が０．８％を越えると、芯材２の融点が低下してろう付け時に溶融してしまう。
また犠牲陽極皮材のＣｕの組成比は質量％で０．１％以下の範囲が好ましい。Ｃｕは強度向上効果があるが、Ｃｕの組成比が０．１％を越えると、電位が高くなりすぎる。
「Ｍｇ」
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃｕと同様に合金組織中に固溶して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。また芯材２においては、芯材２の組織に固溶しているＳｉや、ろう付け時の熱処理によってろう材４から拡散してきたＳｉとの間で、Ｍｇ２Ｓｉなる組成の金属間化合物が形成されて強度がより向上される。更に犠牲陽極皮材３においては、犠牲陽極皮材３に含まれるＺｎとの間でＭｇＺｎ２なる組成の金属間化合物が形成されて強度がより向上される。
芯材２におけるＭｇの組成比は、質量％で０．０１％以上０．５％以下の範囲が好ましく、０．０５％以上０．２％以下の範囲がより好ましい。また犠牲陽極皮材３におけるＭｇの組成比は、質量％で０．０１％以上２．０％以下の範囲が好ましく、０．４％以上１．５％以下の範囲がより好ましい。Ｍｇの組成比が下限値未満では、芯材２及び犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。またＭｇの組成比が上限値を越えると、芯材２及び犠牲陽極皮材３の融点が低下してろう付け時に溶融してしまう。
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃｕと同様に合金組織中に固溶して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。また芯材２においては、芯材２の組織に固溶しているＳｉや、ろう付け時の熱処理によってろう材４から拡散してきたＳｉとの間で、Ｍｇ２Ｓｉなる組成の金属間化合物が形成されて強度がより向上される。更に犠牲陽極皮材３においては、犠牲陽極皮材３に含まれるＺｎとの間でＭｇＺｎ２なる組成の金属間化合物が形成されて強度がより向上される。
芯材２におけるＭｇの組成比は、質量％で０．０１％以上０．５％以下の範囲が好ましく、０．０５％以上０．２％以下の範囲がより好ましい。また犠牲陽極皮材３におけるＭｇの組成比は、質量％で０．０１％以上２．０％以下の範囲が好ましく、０．４％以上１．５％以下の範囲がより好ましい。Ｍｇの組成比が下限値未満では、芯材２及び犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。またＭｇの組成比が上限値を越えると、芯材２及び犠牲陽極皮材３の融点が低下してろう付け時に溶融してしまう。
「Ｚｒ」
ジルコニウム（Ｚｒ）は、ろう付の際の加熱によって微細な金属間化合物として分散析出して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。また、Ｓｃの添加効果を一層高める作用がある。Ｚｒの組成比は質量％で０．００１％以上０．３％以下の範囲が好ましく、０．０５％以上０．１５％以下の範囲がより好ましい。Ｚｒの組成比が０．００１％未満では、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。またＺｒの組成比が０．３％を越えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度が高くなりすぎてクラッド材１の成形性が低下したり、自己耐食性が低下したり、熱伝導性が低下したりする。
ジルコニウム（Ｚｒ）は、ろう付の際の加熱によって微細な金属間化合物として分散析出して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。また、Ｓｃの添加効果を一層高める作用がある。Ｚｒの組成比は質量％で０．００１％以上０．３％以下の範囲が好ましく、０．０５％以上０．１５％以下の範囲がより好ましい。Ｚｒの組成比が０．００１％未満では、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。またＺｒの組成比が０．３％を越えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度が高くなりすぎてクラッド材１の成形性が低下したり、自己耐食性が低下したり、熱伝導性が低下したりする。
以上のように、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒはいずれも、クラッド材の強度を向上させる元素なので、これらの内の１種または２種以上の元素を添加すれば良い。特にＺｎは犠牲陽極皮材３に必ず添加することが望ましく、Ｍｎは芯材２に必ず添加することが望ましい。
「Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ」
チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）はいずれも、ろう付の際の加熱によって微細な金属間化合物として分散析出して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。Ｔｉの組成比は質量％で０．０１％以上０．２５％以下の範囲が好ましく、０．０５％以上０．１５％以下の範囲がより好ましい。また、Ｃｒの組成比は質量％で０．０１％以上０．１％以下の範囲が好ましく、０．０２％以上０．０７％以下の範囲がより好ましい。更に、Ｖの組成比は質量％で０．０１％以上０．１％以下の範囲が好ましく、０．０２％以上０．０７％以下の範囲がより好ましい。各元素の組成比が下限未満になると、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。また、各元素の組成比が上限を超えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度が高くなりすぎてクラッド材１の成形性が低下してしまう。
チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）はいずれも、ろう付の際の加熱によって微細な金属間化合物として分散析出して芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。Ｔｉの組成比は質量％で０．０１％以上０．２５％以下の範囲が好ましく、０．０５％以上０．１５％以下の範囲がより好ましい。また、Ｃｒの組成比は質量％で０．０１％以上０．１％以下の範囲が好ましく、０．０２％以上０．０７％以下の範囲がより好ましい。更に、Ｖの組成比は質量％で０．０１％以上０．１％以下の範囲が好ましく、０．０２％以上０．０７％以下の範囲がより好ましい。各元素の組成比が下限未満になると、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。また、各元素の組成比が上限を超えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度が高くなりすぎてクラッド材１の成形性が低下してしまう。
「Ｎｉ」
ニッケル（Ｎｉ）は、金属間化合物として合金組織中に晶出または析出して、ろう付後の芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。Ｎｉの組成比は質量％で０．０１％以上２．０％以下の範囲が好ましく、０．２％以上１．１％以下の範囲がより好ましい。Ｎｉが０、０１％未満になると、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。また、Ｎｉが２．０％を越えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の自己耐食性が低下する。
ニッケル（Ｎｉ）は、金属間化合物として合金組織中に晶出または析出して、ろう付後の芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる。Ｎｉの組成比は質量％で０．０１％以上２．０％以下の範囲が好ましく、０．２％以上１．１％以下の範囲がより好ましい。Ｎｉが０、０１％未満になると、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度向上の効果が得られない。また、Ｎｉが２．０％を越えると、芯材２および犠牲陽極皮材３の自己耐食性が低下する。
以上のように、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖ及びＮｉはいずれも、芯材２および犠牲陽極皮材３の強度を向上させる元素なので、必要に応じてこれらの内の１種または２種以上の元素を添加すれば良い。
［ろう材］
本実施形態のクラッド材１を構成するろう材４は、通常のＡｌ−Ｓｉ合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ合金からなるろう材であればよく、特に限定されるものでもないが、ろう材中に含まれるＳｉはろう材の融点を下げるとともに流動性を付与する成分であり、その含有量が５．０％未満では所望の効果が得られず、一方、１５．０％を越えて含有するとかえって流動性が低下するので好ましくない。したがって、ろう材中のＳｉの含有量は５．０〜１５．０％の範囲が好ましい。ろう材中のＳｉ含有量の一層好ましい範囲は７．０〜１１．０％である。また、ろう材にはＺｎを１．０〜５．０％の範囲で含有させても良い。
本実施形態のクラッド材１を構成するろう材４は、通常のＡｌ−Ｓｉ合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ合金からなるろう材であればよく、特に限定されるものでもないが、ろう材中に含まれるＳｉはろう材の融点を下げるとともに流動性を付与する成分であり、その含有量が５．０％未満では所望の効果が得られず、一方、１５．０％を越えて含有するとかえって流動性が低下するので好ましくない。したがって、ろう材中のＳｉの含有量は５．０〜１５．０％の範囲が好ましい。ろう材中のＳｉ含有量の一層好ましい範囲は７．０〜１１．０％である。また、ろう材にはＺｎを１．０〜５．０％の範囲で含有させても良い。
本実施形態のクラッド材１は、板厚が０．２０ｍｍｔ以下とした場合に優れた耐孔食性と強度を発揮することができる。また本実施形態のクラッド材１であれば、板厚０．１５ｍｍｔ以下までにしても十分な耐孔食性と強度を有するものとなる。また、アルミニウム合金芯材２、犠牲陽極皮材３およびろう材４の各クラッド率は特に規定するものではないが、犠牲陽極皮材３のクラッド率が大きすぎる場合はクラッド材１全体の腐食進行速度が高くなりすぎる場合がある。従って本実施形態では、犠牲陽極皮材３のクラッド率として１５％〜４０％の範囲が好ましく、１５％〜２５％の範囲がより好ましい。また、ろう材４のクラッド率は８％以上１５％以下の範囲が好ましい。
本実施形態のクラッド材は、例えば、上記適正範囲の組成を有するアルミニウム合金を溶解、鋳造することによって、芯材用インゴット、犠牲陽極皮材用インゴット及びろう材用インゴットを得、これらの各インゴットに対して均質化を施す。続いて、各インゴットに対して熱間圧延及び冷間圧延を行って板状に圧延成形し、芯材用合金板、犠牲陽極皮材用合金板及びろう材用合金板とする。次に、各合金板を重ね合わせた上で、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍を行い、更に冷間圧延を行なってクラッド材とする。また最終冷間圧延率は１０％超とすることが好ましい。更に最終冷間圧延後に２００℃ないし５００℃程度の最終焼鈍工程を行っても良い。このようにして本実施形態のクラッド材が製造される。なお連続鋳造法を採用しても良い。
図２には、本発明の実施形態である自動車用のラジエータ（熱交換器）の分解斜視図を示す。図２において、符号１１はフィン、符号１２はチューブ、符号１３はヘッダー、符号１４はサイドサポートである。図２に示すラジエータは、ろう付接合によってチューブ１２、フィン１１およびヘッダー１３が各々一体化され、更に樹脂タンクが機械的接合（かしめ加工）により取り付けられて製造される。本実施形態のクラッド材は、フィン１１若しくはチューブ１２として用いることができる。なお、ろう付け時の熱処理温度は、５９０℃ないし６１０℃程度が好ましく、保持時間は３分ないし１０分程度が好ましい。
ろう付け時の熱処理によって、クラッド材の組織中に各種の金属間化合物が生成し、クラッド材の強度を向上できるとともに耐エロージョン特性を向上させることができる。
また、ろう付け時の熱処理によって、芯材２組織中の再結晶粒の平均結晶粒径が０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲となる。この平均結晶粒径は、Ｓｃ、Ｚｒの組成比を調整することで制御できる。具体的には、Ｓｃの添加量を増やすとろう付け後の平均結晶粒径が大きくなる。またＺｒの添加量を増やしてもろう付け後の平均結晶粒径が大きくなる。平均結晶粒径を上記の範囲とすることで、結晶粒径が比較的大きくなる反面、結晶粒界が少なくなり、粒界に沿って侵入する溶融ろうを少なくすることができ、芯材２におけるエロージョンの発生を効果的に抑制できる。
また、ろう付け時の熱処理によって、芯材２組織中の再結晶粒の平均結晶粒径が０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲となる。この平均結晶粒径は、Ｓｃ、Ｚｒの組成比を調整することで制御できる。具体的には、Ｓｃの添加量を増やすとろう付け後の平均結晶粒径が大きくなる。またＺｒの添加量を増やしてもろう付け後の平均結晶粒径が大きくなる。平均結晶粒径を上記の範囲とすることで、結晶粒径が比較的大きくなる反面、結晶粒界が少なくなり、粒界に沿って侵入する溶融ろうを少なくすることができ、芯材２におけるエロージョンの発生を効果的に抑制できる。
所定の成分組成を有するアルミニウム合金を溶解鋳造してインゴットとし、このインゴットを均質化処理した後、熱間圧延及び冷間圧延を行って、厚み２０〜１６０ｍｍの合金板を製造した。厚み１６０ｍｍの合金板を芯材用合金板（芯材）とし、厚み２０ｍｍの合金板を犠牲陽極皮材用合金板（犠牲陽極皮材）およびろう材用合金板（ろう材）とした。次に、芯材用合金板の一面に犠牲陽極皮材用合金板を重ね合わせ、芯材用合金板の他面にはろう材用合金板を重ね合わせ、これらを熱間圧延してクラッド化させた。続いて、昇温速度２℃／分、焼鈍温度３５０℃、焼鈍時間６０分の条件で中間焼鈍を行い、更に最終冷間圧延率が３５％となる条件で冷間圧延を行なって、厚み０．２ｍｍのクラッド材を作製した。表１に芯材の成分組成を示し、表２に犠牲陽極皮材の成分組成を示す。また、ろう材は、７．５％のＳｉを含むＡｌ−Ｓｉ合金である。また、表３には、芯材、犠牲陽極皮材およびろう材の組み合わせの一覧を示す。なお、表３の中のカッコ書きは各部材のクラッド率である。
得られたクラッド材について耐エロージョン性の評価を行った。犠牲陽極皮材の耐エロージョン評価は、３００３合金からなる芯材の片面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材（Ｓｉの含有率１０％）が貼り合わされてなるブレージングシートに、表３に示す各クラッド材を組み付け、これにフラックスとしてＫ１−３ＡｌＦ４−６を塗布した後、ろう付けに相当する熱処理（窒素ガス雰囲気中６００℃で３分保持し、１００℃／分で室温まで冷却）を行ない、その後、クラッド材とブレージングシートの接合部分の断面観察を行なうことにより、ろうによるクラッド材の最大侵食深さについて測定した。また芯材の耐エロージョン性は、貼り合わせたろう材の侵食深さにより評価した。
また、クラッド材の強度は、クラッド材に対して、ろう付けに相当する熱処理（６００℃、３分）を行ない、その後、引張試験を行って評価した。
更に、クラッド材の断面を露出させて、ろう付け後の芯材の組織中における再結晶粒の平均結晶粒径を顕微鏡観察により測定した。
最大侵食深さおよび引張強度並びに平均結晶粒径を表４に示す。
また、クラッド材の強度は、クラッド材に対して、ろう付けに相当する熱処理（６００℃、３分）を行ない、その後、引張試験を行って評価した。
更に、クラッド材の断面を露出させて、ろう付け後の芯材の組織中における再結晶粒の平均結晶粒径を顕微鏡観察により測定した。
最大侵食深さおよび引張強度並びに平均結晶粒径を表４に示す。
表４に示すように、本発明のクラッド材は、比較例のクラッド材と比べて、侵食深さが小さく、また引張強度にも優れていることがわかる。
１…クラッド材（高強度アルミニウム合金クラッド材）、２…芯材（アルミニウム合金芯材）、２ａ…一面、２ｂ…他面、３…犠牲陽極皮材、４…ろう材、１１…フィン（フィン材）、１２…チューブ、１３…ヘッダー、１４…サイドサポート
Claims (7)
- アルミニウム合金芯材の一面に犠牲陽極皮材が貼り合わされるとともに、他面にはＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金からなるろう材が貼り合わされてなり、
前記犠牲陽極皮材の組成が、質量％で、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｚｎ：０．２％以上８．０％以下を含有し、
更に、Ｍｎ：０．００５％以上３．０以下、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｇ：０．０１％以上２．０％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材。 - 前記アルミニウム合金芯材の組成が、質量％で、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｍｎ：０．００５％以上３．０以下を含有し、
更に、Ｚｎ：０．２％以上８．０％以下、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．０５％以上０．８％以下、Ｍｇ：０．０１％以上０．５％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材。 - 前記犠牲陽極皮材、前記アルミニウム合金芯材のいずれか一方または両方に更に、Ｔｉ：０．０１％以上０．２５％以下、Ｃｒ：０．０１％以上０．１％以下、Ｖ：０．０１％以上０．１％以下、Ｎｉ：０．０１％以上２．０％以下、のうちの１種または２種以上の元素が含有されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材。
- ろう付け後における前記アルミニウム合金芯材および犠牲陽極皮材の組織の平均結晶粒径が、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材。
- 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のクラッド材を備えたことを特徴とする熱交換器。
- 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の組成を具備してなる耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材の製造方法であり、
前記アルミニウム合金芯材の一面に前記犠牲陽極皮材を重ね合わせるとともに、前記他面にＡｌ−Ｓｉ系合金またはＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金からなるろう材を重ね合わせた後、圧延及び焼鈍を行ってから、最終冷間圧延率が１０％超となる条件で冷間圧延を行うことを特徴とする耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材の製造方法。 - 前記最終冷間圧延後に更に、最終焼鈍を２００℃以上５００℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項６に記載の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金クラッド材の製造方法。
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-
2004
- 2004-12-24 JP JP2004372926A patent/JP2006176852A/ja not_active Withdrawn
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