JP2006265696A - アルミニウム合金板および熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 心材の少なくとも一側面に皮材が形成されたアルミニウム合金板において、皮材はFE:0.03〜0.3質量%,Mn:0.4〜1.9質量%、SI:0.4〜1.4質量%、ZN:2.0〜5.5質量%を含有し残部がAl及び不可避的不純物であり、皮材表面におけるAlとMnとを含む金属間化合物の占める面積率が1%以下であることを特徴とする。
【選択図】 図2
Description
そして皮材の組成を、Zn:2〜5質量%、Mn:0.3〜1.2質量、Si:0.04〜0.9質量%のうち少なくとも1種類以上を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる組成に規制すると共に、皮材を全厚さの15%以上のクラッド率と規制することにより最適化している。
請求項2のアルミニウム合金板によれば、皮材と反対の面に、一般にSiを7〜12質量%含有するろう材が付与されているので、ろう付けにより熱交換器等に容易に加工することができる。
請求項3のアルミニウム合金板によれば、皮材が更にMgを0.30〜3質量%含有しているため、より高強度のアルミニウム合金板とすることができる。
請求項4に記載の熱交換器によれば、高強度で耐食性のあるアルミニウム合金板が用いられているので、水または水を含む冷却液等が流通する面を有する熱交換器、あるいは大気と接する面に結露が生じる熱交換器等において耐食性が優れ、かつ薄肉化することで軽量化された熱交換器を得ることができる。
また、心材の一側面に所定の組成の皮材を形成し、他側面にAl−Si系合金からなるろう材を形成することで、前記効果と併せ、ろう付けにより熱交換器等に容易に加工可能なアルミニウム合金板を提供することができる。
さらに、本発明に係る熱交換器によれば、耐食性に優れ薄肉化・軽量化された熱交換器を提供することができる。
アルミニウム合金板の皮材の組成を、Fe:0.030〜0.30質量%、Mn:0.40〜1.9質量%、Si:0.40〜1.4質量%、Zn:2.0〜5.5質量%で残部がAl及び不可避的不純物とし、皮材表面におけるAlとMnとを含む金属間化合物の占める面積率を1%以下とすることで、薄肉化しても高強度が維持され、かつ耐食性に優れるアルミニウム合金板を発明するに至った。
なお、以下「AlとMnとを含む金属間化合物」のことを、「Al−Mn系金属間化合物」と記す。また、以下の記載では「皮材表面におけるAlとMnとを含む金属間化合物の占める面積率」のことを単に「面積率」と記す場合がある。
以下に、高強度が維持され、かつ耐食性に優れるアルミニウム合金板の各種成分の含量を限定した理由、および面積率を限定した理由について説明する。
Feはアルミニウム合金板中で固溶体、およびAl−Fe系金属間化合物の1μm以下の微細な分散粒子を形成して強度向上に寄与する。
Feの含量が0.030以下では固溶体形成による強度増の効果が不十分である。一方、Feの含量が0.30質量%以上ではAl−Fe系、Al−(Fe,Mn)系、Al−Fe−Si系、Al−(Fe,Mn)−Si系の金属間化合物が増大するため、カソード反応が増大する結果、皮材の耐食性が低下する。従って本発明におけるFe含量は、0.030〜0.30質量%とする。
Mnはアルミニウム合金板中で固溶し、Al−Mn系金属間化合物の1μm以下の微細な分散粒子を形成して強度向上に寄与する。Mnの含量が0.40質量%以下では固溶による強度向上の効果が不十分である。一方、Mnの含量が1.9質量%以上では、Al−Mn系金属間化合物、すなわちAl−(Mn,Fe)系、Al−Mn−Si系、Al−(Mn,Fe)−Si系の金属間化合物が増大するため、カソード反応が増大する結果、皮材の耐食性が低下する。従って、本発明におけるMn含量は0.40〜1.9質量%とする。
Siは、アルミニウム合金板中で固溶することで強度向上に寄与する。Siの含量が0.40質量%以下では固溶体形成による強度向上の効果が不十分である。一方、Siの含量が1.4質量%以上では、Al−Mn−Si系、Al−Fe−Si系金属間化合物が増大するため、カソード反応が増大し、皮材の耐食性が低下する。従って、本発明におけるSi含量は0.40〜1.4質量%とする。
本発明で皮材にZnを添加するのは、心材に対して皮材を電気化学的に卑として犠牲陽極効果を付与するためである。
皮材が腐食環境にある場合のカソード反応は、酸素の還元反応が主体である場合が多い。本発明者らが鋭意検討した結果、これらのカソード反応性は、アルミニウムの固溶状態の影響も受けるが、表面に存在するAl−Mn系金属間化合物の形態によっても著しく影響を受けることが判明した。
Al−Mn系金属間化合物の面積率が小さい程、皮材のカソード反応性を低下させることができ、面積率の下限値についての限定は特にない。なお、本発明に係る組成のアルミニウム合金板である限り、Al−Mn系金属間化合物は不可避的に形成されるので、面積率は常に0%より大きな値となる。
腐食初期のカソード反応性を抑制する観点から、皮材表面におけるAl−Mn系金属間化合物の面積率を1%以下とすることが特に重要である。
また、鋳造時の冷却速度が1℃/分未満のときはAl−Mn系金属間化合物が成長しやすいため、冷却速度を1℃/分以上とすることが好ましい。
Mgは、アルミニウム合金板中の強度向上に寄与するが、その反面、ろう付性を低下させてしまう。
心材の一面に皮材を配し他面にろう材を配したアルミニウム合金板の場合、前記の心材の厚さが薄いと、皮材の強度を向上させるため添加したMgがろう付時の熱により心材の中を拡散して反対側のろう材まで達し、ろう付性を低下させてしまう。
本発明のアルミニウム合金板においては、不可避的不純物として、例えばCr:0.1質量%以下、Ti:0.2質量%以下、Zr:0.2質量%以下、B:0.1質量%以下、に制限してこれらを含有することは、本発明の効果を妨げるものではないので、このような不可避的不純物の含有は許容される。
ろう材は公知のろう材から適宜選択して用いることができ、例えばSiを7〜12質量%含有するアルミニウム合金(Al−Si系合金)のろう材により、本発明に係るアルミニウム合金材を用いた熱交換器等を成形することができる。
本発明に係る皮材と組み合せるアルミニウム合金からなる心材として、必要に応じて、例えば心材がCu:0.5〜1.2質量%、Mn:0.6〜1.9質量%、Si:0.5〜1.4質量%含有し、残部がAl及び不可避的不純物である心材、またはCu:0.5〜1.2質量%、Mn:0.6〜1.9質量%、Si:0.5〜1.4質量%含有し、さらに、Cr:0.05〜0.3質量%、Ti:0.05〜0.3質量%のうち少なくとも1種類を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物である心材等から適宜選択して用いることができる。
次に、本発明に係るアルミニウム合金板を用いて形成される熱交換器について、ラジエータのチューブに用いる場合を例に説明する。図1は本発明に係るアルミニウム合金板を用いたラジエータ10のチューブ11の一部を示す断面図である。
表1に示す組成の皮材、ろう材を原料として、常法により鋳造、均質化処理、熱延・圧着を行い、適宜熱処理、および冷延工程を行い、板厚0.17〜0.3mmの図2(a)に示す構成の2層、または図2(b)に示す3層のアルミニウム合金板の供試材を作製した。表1において、S9皮材の鋳造時の冷却速度は1℃/分未満、他の皮材の鋳造時の冷却速度は1℃/分以上、とした。
なお、心材にはSi;0.80質量%、Fe;0.18質量%、Cu;0.95質量%、Mn;1.4質量%、Mg;0.04質量%、Ti;0.12質量%、のアルミニウム合金を用いた。
皮材表面におけるAl−Mn系金属間化合物の占める面積率の測定は、次の手順で行った。
(1)実施例、および比較例の供試材の表面を圧延時の圧延目が消失するまでバフ研磨を行い、鏡面とした。
(2)研磨後の実施例、および比較例の供試材の表面を走査型電子顕微鏡(日本電子製、JSM−T330)にて500倍で観察した。
(3)これに画像解析処理(高速画像処理装置、東芝製、TOSPIX−II)を施した組織写真を用いて30視野について画像解析し、視野中の1μm〜15μmのサイズのAl−Mn系金属間化合物の面積率を計算した。なお、画像解析においてAlより原子量の大きいAl−Mn系金属間化合物は白いコントラストとして区別される。
皮材のカソード反応性は3電極単室型セルを用いてカソード分極曲線を測定して評価した。3電極単室型セルの対極には白金を用い、参照極には飽和KCl溶液中のAg/AgCl電極を用いた。以下、電位はこの参照電極を基準に記述する。
予め空気を吹き込み、十分に空気を飽和させた5質量%のNaCl水溶液に対極、参照極及び供試材を浸漬して構成したセルを用い、室温下で電位掃引速度20mV/分でカソード分極曲線を測定した。
カソード反応性の評価は、酸素の還元反応が生じていると考えられる−1000Vの電位におけるカソード電流密度の値で行なった。この電位でカソード電流密度≦1×10-4A/cm2の場合を問題無しとして「○」、カソード電流密度>1×10-4A/cm2の場合を問題ありとして「×」と評価した。
皮材の耐食性評価は、本発明に係るアルミニウム合金板が熱交換器等に使用されたとき、皮材の腐食が空気側(熱交換器の外面側)で進行する場合と、冷却水側内(熱交換器の内側)で進行する場合とを想定して行なった。
空気側で腐食が進行する場合を想定したテストは、JISH8681に拠り連続250時間のCASS試験により.試験後の腐食深さで評価した。
腐食深さが皮材厚さ以下のときを◎、皮材厚さ+20μm未満のときを○、皮材厚さ+20μm以上のときを×と評価した。
冷却水側で腐食が進行する場合を想定したテストは、腐食模擬試験水溶液(Cl-:300質量ppm、SO4 2+:100質量ppm、Cu2+:5質量ppm)に供試材を88℃で8時間浸漬した後、浸漬したまま加熱をとめて室温まで自然冷却し、16時間放置するサイクルの腐食試験を30日間行ない、試験後の腐食深さを評価した。
腐食深さが皮材厚さ以下のときを◎、皮材厚さ+20μm未満のときを○、皮材厚さ+20μm以上のときを×と評価した。
供試材からJIS5号試験片作製し、室温にて引張強さを測定した。皮材にMgを添加したS6、S14皮材は、ろう付加熱した後、室温で7日保持してから引張強さを測定した。
引張強さが180MPa以上のときを◎、160MPa以上のときを○、160MPa以下のときを×と評価した。
これに対し、本発明の必要条件を満たさないS7〜S15皮材を用いた比較例では、耐食性、引張強さのいずれかが「×」であり、好ましくない評価結果となった。
このことから、アルミニウム合金板の組成だけではなく、面積率も制御することが高強度を維持しつつ耐食性に優れるアルミニウム合金板を得る上で重要であることが分かる。
以上述べたように、アルミニウム合金板の組成と面積率を本発明の範囲内に規制することにより、高強度を維持しつつ耐食性に優れるアルミニウム合金板が得られることができた。なお、Mgは、S6皮材のようにろう付け後強度が特に優れている。ただし、Mg含量が本発明の上限値を超えると、圧着性、および生産性が低下した。
2 皮材
3 ろう材
10 ラジエータ(熱交換器)
Claims (4)
- 心材の少なくとも一側面に皮材が形成されたアルミニウム合金板において、前記皮材はFe:0.030〜0.30質量%,Mn:0.40〜1.9質量%、Si:0.40〜1.4質量%、Zn:2.0〜5.5質量%を含有し、残部がAl及び不可避的不純物であり、かつ、前記皮材表面におけるAlとMnとを含む金属間化合物の占める面積率が1%以下であることを特徴とするアルミニウム合金板。
- 心材の一側面に請求項1に記載の皮材が形成され、前記心材の他側面にAl−Si系合金からなるろう材を備えることを特徴とするアルミニウム合金板。
- 前記皮材がさらにMg:0.30〜3.0質量%含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアルミニウム合金板。
- 請求項3に記載のアルミニウム合金板を用いて形成されることを特徴とする熱交換器。
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