JP2007113030A - ロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金、高強度アルミニウム合金シート、及び熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウムに含有させる複数の微量元素の含有量を適正化することにより、ロウ材の濡れ性、高融点性及び高強度性がバランスよく兼ね備えられて、ロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金を提供することを課題にする。
【解決手段】 Ｓｉを０．０５〜１．０質量％と、Ｍｎを０．５〜１．５質量％と、Ｃｕを０．２〜０．８質量％と、Ｍｇを０．２〜０．５質量％と、Ａｇを０．１５〜０．５質量％と、から構成される微量元素が前記課題の解決手段としてアルミニウムに含有されることを特徴する。

Description

本発明は、ロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金に関し、さらにはこの高強度アルミニウム合金を使用したシート、そしてこのシートにより作製された熱交換器に関する。

近年、自動車用ラジエータのような熱交換器の用途においては、軽量化、低価格化を目的として、主要構成部材であるチューブ材やヘッダープレート材の薄肉化への要求が高まっている。これにより、高強度でかつロウ付性に優れるアルミニウム合金材料の開発が急がれている。
自動車用ラジエータは、ロウ材、芯材、犠牲陽極材の３層からなるブレージングシートを加工して作製された前記主要構成部材を、一般に、ノロコックろう付法により接合して組み立てられる。

ところで、ブレージングシートの高強度化は、アルミニウム合金からなる芯材にＭｇを含有させることにより達成される。しかし、このようにＭｇを芯材に含有させると、溶融したロウ材の濡れ性が低下するためにロウ付された接合部の信頼性が低下する問題がある。この理由は、本来、ロウ付による接合性の向上を目的として部材表面に塗布されるフラックスが、芯材中のＭｇと化学反応することにより侵食され、塗布したフラックスが前記目的を達成することができなくなるためである。

そこで、このような問題を回避すべく、従来技術では、ブレージングシートにおいて、芯材ではなく犠牲陽極材にＭｇを含有させて、高強度が得られることとした。すなわち、このブレージングシートは、ロウ付加熱によって犠牲陽極材中のＭｇが芯材側へ拡散し芯材に含有するＳｉと結合してＭｇＳｉが生成することにより高強度を実現させる。しかし、Ｍｇは、フラックス中に拡散することがないため、塗布されたフラックスが侵食されることはない。このため、溶融したロウ材の濡れ性は損なわれることがないので、ロウ付された接合部の信頼性が低下することがない（例えば、特許文献１）。
特開平２−１７５０９３号公報（第２頁，右下段，１２〜１８行目）

しかし、前記した従来技術においては、芯材に対してロウ付を行える面が、Ｍｇの含有する層（犠牲陽極材）とは反対の片側面に制約されてしまう問題がある。このため、芯材の両面にロウ材が配置されるような場合には、前記した従来技術は適用できないことになる。
一方、Ｍｇに替えて異なる他の金属元素（例えば、Ｃｕ，Ｓｉ）の含有量を増やすことでアルミニウム製芯材の高強度化を図ることも可能であるが、アルミニウム合金の融点も同時に大きく降下するので、ロウ付の際に芯材の一部が融解してエローションが大きくなり、接合部の信頼性の低下が避けられない問題がある。

本発明は、このような問題を解決することを課題とし、アルミニウムに含有させる複数の微量元素の含有量を適正化することにより、ロウ材の濡れ性、高融点性及び高強度性がバランスよく兼ね備えられて、ロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金、高強度アルミニウム合金シートを提供し、さらに軽量化、低価格化が達成された熱交換器を提供するものである。

以上説明した課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金において、Ｓｉを０．０５〜１．０質量％と、Ｍｎを０．５〜１．５質量％と、Ｃｕを０．２〜０．８質量％と、Ｍｇを０．２〜０．５質量％と、Ａｇを０．１５〜０．５質量％と、不可避不純物と、残部Ａｌと、を手段とする構成であることを特徴とする。

このような構成を請求項１に記載の発明が有することにより、Ｍｇの含有量が０．２〜０．５質量％と減量されているので、ロウ付作業の最中にＭｇがアルミニウム合金材から表面に拡散しても、その表面に塗布されたフラックスが化学反応して侵食される分量を低減できる。
さらに、前記したＭｇの減量分をＣｕの含有量を増やして補うことによりアルミニウム合金の高強度化が実現される。また、このようにアルミニウム合金の強度の向上に寄与するＣｕは、同時に融点の降下にも寄与するが、前者に対して後者の融点降下への寄与率は小さいものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金において、更に、Ｎｉを０．１５〜０．５質量％含有することを特徴とする。

このような構成を請求項２に記載の発明が有することにより、アルミニウム合金の強度をさらに高くすることができる。

請求項３に記載の発明は、高強度アルミニウム合金シートにおいて、請求項１又は請求項２に記載のロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金をシート状にしたものを芯材とし、この芯材の少なくとも一面にロウ材を配置したことを特徴とする。

このような構成を請求項３に記載の発明が有することにより、高強度アルミニウム合金シートのロウ材の配置面に被接合部材を当接し、両者を、芯材の融点以下でかつロウ材の融点以上に設定された温度で熱処理すれば、両者はロウ付により接合されることとなる。これにより大量生産するのに好適な、ロウ付作業を伴う製品の組み立てが可能になる。

請求項４に記載の発明は、高強度アルミニウム合金シートにおいて、請求項１又は請求項２に記載のロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金をシート状にしたものを芯材とし、この芯材の少なくとも一面に犠牲材を配置したことを特徴とする。

このような構成を請求項４に記載の発明が有することにより、犠牲材の犠牲陽極作用により芯材の孔食や隙間腐食を防止することができる。

請求項５に記載の発明は、高強度アルミニウム合金シートにおいて、請求項３に記載の高強度アルミニウム合金シートの少なくとも一面に犠牲材を配置したことを特徴とする。さらに請求項６に記載の発明は、高強度アルミニウム合金シートにおいて、請求項４に記載の高強度アルミニウム合金シートの少なくとも一面にロウ材を配置したことを特徴とする。

このような構成を請求項５及び請求項６に記載の発明が有することにより、防食性に優れ、ロウ付作業の生産性に優れる高強度アルミニウム合金シートが得られる。

請求項７に記載の発明は、熱交換器において、請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の高強度アルミニウム合金シートをロウ付により接合して作製されたことを特徴とする。

このような構成を請求項７に記載の発明が有することにより、熱交換器の要構成部材であるチューブ材やヘッダープレート材を薄肉化することが可能になる。

本発明によれば、アルミニウムを高強度化させるＭｇの含有量を減らし、その他の金属元素で代替させることにより、ロウ材の濡れ性、高融点性及び高強度性がバランスよく兼ね備えられて、ロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金、高強度アルミニウム合金シートが提供され、さらに軽量化、低価格化が達成された熱交換器が提供される。

図面を参照して、本発明の高強度アルミニウム合金、及び高強度アルミニウム合金シートについて説明する。
図１は、高強度アルミニウム合金の、合金組成、常温及び高温（２５０℃）の引張強度、融点、ロウ付性等の物性に関する計測値を示す表である。
そして、図１の試料番号１〜６に示す合金組成は、本発明の実施形態に係る高強度アルミニウム合金を示す実施例であり、同・試料番号７〜９に示す合金組成は、公知の高強度アルミニウム合金について示す比較例である。
ここで、比較例７はＪＩＳ呼称Ａ３００３相当品であり、比較例８は同 Ａ３００４相当品であり、比較例９は同 Ａ２０１４相当品に該当する。

また、図１に示される常温及び２５０℃における引張強さの値は、次のようにして作製された試験片により計測されたものである。すなわち、該当する合金組成の高強度アルミニウム合金を熱間圧延を経た後、板厚３ｍｍになるまで冷間圧延して得た板材から、ＪＩＳ Ｚ ２２０１で規定される１４Ａ号試験片に準拠する形状の試験片を抜き出す。さらに、この試験片にロウ付したのに相当する熱履歴を付加するために、大気中において５７０℃で３０分熱処理した後に空冷処理する熱処理を行った。そして、引張強さの試験は、金属引張り試験法ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張速度３ｍｍ／ｍｉｎの条件にて行った。

なお、本発明における高強度アルミニウム合金に含有される微量元素及びその含有量の好ましい範囲は次のとおりであり、図１の実施例１〜６は、そのような合金組成を有する代表例である。
Ｓｉ（ケイ素）は、Ｍｇと共存して、高強度アルミニウム合金の強度を向上させるものである。このＳｉの高強度アルミニウム合金における含有量は、０．０５〜１．０質量％の範囲であることが好ましい。
このＳｉの含有量が０．０５質量％未満であると、高強度アルミニウム合金の強度を向上させる効果が不十分になる。そして、Ｓｉの含有量が１．０質量％を超えると、高強度アルミニウム合金の耐食性が低下するとともに、融点も低下しロウ付性が低下する。

Ｍｎ（マンガン）は、高強度アルミニウム合金の耐食性を低下させることなく、強度を向上させるものである。このＭｎの高強度アルミニウム合金における含有量は、０．５〜１．５質量％の範囲であることが好ましい。
このＭｎの含有量が０．５質量％未満であると、高強度アルミニウム合金の強度を向上させる効果が不十分になる。そして、Ｍｎの含有量が１．５質量％を超えると、加工成型性が低下する。

Ｃｕ（銅）は、高強度アルミニウム合金の強度を向上させるとともに電位を貴にして、後記する犠牲防食効果による自己耐食性を向上させるものである。このＣｕの高強度アルミニウム合金における含有量は、０．２〜０．８質量％の範囲であることが好ましい。
このＣｕの含有量が０．２質量％未満であると、高強度アルミニウム合金の強度を向上させる効果が不十分になる。そして、Ｃｕの含有量が０．８質量％を超えると、自己耐食性が低下するとともに、融点も低下しロウ付性が低下する。

Ｍｇ（マグネシウム）は、Ａｇ，Ｓｉと共存して、高強度アルミニウム合金の強度を向上させるものである。このＭｇの高強度アルミニウム合金における含有量は、０．２〜０．５質量％の範囲であることが好ましい。
Ｍｇの含有量が０．２質量％未満であると、高強度アルミニウム合金の強度を向上させる効果が不十分になる。Ｍｇの含有量が０．５質量％を超えると、ロウ付の作業中に表面に拡散しフラックスと反応して、ロウ付性を低下させてしまう。すなわち、フラックスが侵食されることにより溶融したロウ材の濡れ性が低下してしまうからである。

Ａｇ（銀）は、Ｍｇと共存して、高強度アルミニウム合金の強度を向上させるものである。このＡｇの高強度アルミニウム合金における含有量は、０．１５〜０．５質量％の範囲であることが好ましい。
Ａｇの含有量が０．１５質量％未満であると、高強度アルミニウム合金の強度を向上させる効果が不十分になる。Ａｇの含有量が０．５質量％を超えると、高強度アルミニウム合金の融点が低下しロウ付性が低下する。

Ｎｉ（ニッケル）は、高強度アルミニウム合金に金属間化合物を分散析出させてその強度を向上させるものである。このＮｉの高強度アルミニウム合金における含有量は、０．１５〜０．５質量％の範囲であることが好ましい。
Ｎｉの含有量が０．１５質量％未満であると、高強度アルミニウム合金の強度を向上させる効果が不十分になる。Ｎｉの含有量が０．５質量％を超えると、加工成型性が低下する。

図２は、図１の各種データを基にして試料番号１〜９の高強度アルミニウム合金において、それぞれのＣｕ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ａｇの含有量と、２５０℃引張強さ及び融点との関連性を視覚化して示したグラフものである。

図３は、図１の最右列に記載されている高強度アルミニウム合金のロウ付性を評価する評価試料を示す図であって、（ａ）は良状態（○）を示し、（ｂ）はロウ材の濡れ性の低下による接合不良状態（×）を示し、（ｃ）は高強度アルミニウム合金の融点の降下によるエローションが発生した接合不良状態（×）を示している。
図３において、評価試料１（１ａ，１ｂ，１ｃ）は、試験片２と相手材３とからなる。この試験片２は、図１の実施例１〜６または比較例７〜９のうちいずれかの合金組成で作製されたものである。そして、相手材２は、後記する図５（ａ）又は（ｂ）に示すように芯材１１としてＪＩＳ呼称Ａ３００３を使用して片面に同 Ａ４３４３のロウ材１２をクラッドしたものである。
そして、評価試料１のろう付作業は、フラックスを塗布した試験片２を相手材３のロウ材のクラッド面に所定の応力で当接して、６００℃の温度雰囲気下で３５０秒保持したのち、常温で冷却して行った。

ここでロウ材とは、接合しようとする被接合部材（ここでは試験片２及び相手材３の芯材（図５））より低融点であるために自身が溶融してこれら被接合部材を接合するものである。ここで、一般的に用いられるロウ材としてはＡｌ−Ｓｉ系合金のものが挙げられるが、その融点は、５７０℃〜５９０℃である。

フラックスとは、被接合部材と溶けたロウ材の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止して、それらの表面を清浄化する作用を有するものである。その結果、フラックスは、被接合部材に対する溶けたロウ材の濡れ性を向上させその流れを促進させるものである。

次に、図２と図３の結果を対比して検討する。
実施例１〜６及び比較例７の合金組成で構成された高強度アルミニウム合金からなる試験片１のロウ付性は、図３（ａ）に示されるようにフィレット４ａの形成状態が良好（○）であった。
しかし、比較例７の合金組成においては、２５０℃引張強さが５６ＭＰａと小さいので、特に図示しないが、評価試料１ａのろう付作業において、試験片１に座屈変形する場合が認められた。一方、実施例１〜６においては、そのようなロウ付作業における座屈変形は認められず、評価試料１ａの全体の形態観察からも良好なロウ付の結果が得られたといえる。

そして、比較例８の合金組成で構成された高強度アルミニウム合金からなる試験片１のロウ付性は、図３（ｂ）に示されるように溶融したロウ材の試験片２に対する濡れ性が悪く、フィレット４ｂの形成状態が不良（×）であった。
これは、比較例８の合金組成は、融点（６２８℃）に関してはロウ材よりも十分高いといえ問題がないが、Ｍｇの含有量が１．０％と多いために、ロウ付の作業中にこのＭｇが芯材の表面に拡散してフラックスと反応してこれを侵食してしまうことに起因するといえる。

また、比較例９の合金組成で構成された高強度アルミニウム合金からなる試験片１のロウ付性は、図３（ｃ）に示されるように試験片２の一部が融解してエローションが発生し、フィレット４ｃの形成状態が不良（×）であった。
これは、比較例９の合金組成は、融点（５１０℃）とロウ材の融点より低く、設定された熱処理条件で溶融してしまうことによると考えられる。

図４は高強度アルミニウム合金におけるＣｕ、Ｍｇの含有量に対する、２５０℃耐力及び融点の変動量について検討するためのグラフである。
この図４のグラフは、Ｃｕ、Ｍｇの含有量が比較例８相当の（１）の組成（Ｃｕ：０．２５質量％、Ｍｇ：１．０５質量％）から出発して、（２）の組成（Ｃｕ：０．２５質量％、Ｍｇ：０．５質量％）、実施例６相当の（３）の組成（Ｃｕ：０．６質量％、Ｍｇ：０．５質量％）のようにＣｕ、Ｍｇの含有量を変化させたときの、２５０℃耐力、融点の変化をプロットしたものである。

一般に、アルミニウムの母相に対して、Ｃｕ、Ｍｇを微量元素として含有量を増やすと、融点が降下して、２５０℃耐力が向上するものである。しかし、図４のグラフに示される含有量の範囲内においては、含有する微量元素の単位増加量当りの２５０℃耐力が向上する割合、及び融点が降下しない割合は、Ｃｕの方がＭｇよりも勝っているといえる。
この結果より、ロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金を得るためには、高強度化に大きく寄与しているがロウ材の濡れ性を悪くするＭｇの含有量を減らして、替わりに、濡れ性に悪影響を及ぼさずに高強度化に寄与するＣｕの含有量を増やすとよいことが導かれる。
そして、ロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金を得るため、含有されるべき微量元素の量の最適な範囲を実験的に明らかにしたところ、前記した好ましい含有量の範囲が得られたわけである。

さらに、図２を参照して、実施例２と実施例４とを対比すると、後者ではＮｉが含有されていることにより、引張強さの値が向上しているといえる。これにより、アルミニウム合金に含有される微量元素としてのＮｉは、その高強度化に寄与することが明らかである。また、実施例１と実施例２との対比では、後者ではＡｇの含有量が増量されることにより、引張強さの値が向上しているといえる。これにより、アルミニウム合金に含有される微量元素としてのＡｇは、その高強度化に寄与することが明らかである。

図５（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態に係る高強度アルミニウムシート１０（１０ａ,１０ｂ,１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ）の構成を示す断面図である。
高強度アルミニウムシート１０は、実施例１〜６で例示される合金組成の高強度アルミニウム合金をシート状に成型した芯材１１を少なくとも含むものである（図示されていないが、芯材１１が単層である場合も含む）。そして、図５（ａ）（ｂ）（ｅ）に示されるように、この芯材１１の少なくとも一面にロウ材１２を配置する場合もある。さらに、図５（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示されるように、この芯材１１の少なくとも一面に犠牲材１３を配置する場合もある。

このように、本実施形態に係る高強度アルミニウムシート１０として、芯材１１に対して、ロウ材１２及び／又は犠牲材１３を単層、２層、３層、若しくはそれ以上クラッドしたブレージングシートが挙げられる。
このように、芯材１１にロウ材１２が配置された高強度アルミニウム合金シート１０を用いれば、ロウ材１２の配置面に被接合部材を当接し、両者を、芯材の融点以下でかつロウ材の融点以上に設定された温度で熱処理すれば、両者はロウ付により接合されることとなる。これにより、このような高強度アルミニウム合金シート１０で部品が構成されれば、これら部品をロウ付して組み立てるのが容易になり大量生産に好適である。
また、ロウ材１２が配置されていない高強度アルミニウム合金シート１０であっても、ロウ材を別個に適用して、接合性に優れるロウ付をすることが可能である。

ここで、犠牲材１３とは、芯材１１よりも電位が低いアルミニウム合金であって、犠牲陽極作用により犠牲材１３自身が優先的に腐食されることにより、芯材１１の孔食や隙間腐食を防止するものである。

本発明における熱交換器とは、特に図示しないが、前記したロウ付性に優れる高強度アルミニウムシート１０をロウ付により接合して作製された、自動車のラジエータ、オイルクーラ、インタークーラなどが挙げられる。
ここで自動車用ラジエータを例に取り、その作製工程について説明すると、まず、ラジエータの構成部品であるフィン、チューブ、ヘッドプレート・サイドプレートを前記した高強度アルミニウムシート１０を加工して製造する。次に、これら構成部品を組み立てて、有機溶剤の蒸気で脱脂洗浄後、フラックスを塗布する。

そして、この組立体を所定の温度に調整された炉内に設置して熱処理すると、構成部品の互いに当接する部分でロウ材が溶融し、これら構成部品が一体化する。このとき、芯材は溶融することなく、さらに芯材中のＭｇが大量にフラックスへ拡散してこれを侵食することもないので、ロウ材の濡れ性が損なわれることなく、この当接部分において良好なロウ付接合が達成されるのである。
このように、ロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金を用いれば、アルミニウム合金シートを薄くして用いることが可能になり、これにより構成される熱交換器の軽量化・低価格化を可能にする。

本発明の実施形態にかかる高強度アルミニウム合金と、比較例としての高強度アルミニウム合金との、合金組成、常温及び高温（２５０℃）の引張強度、融点、ロウ付性等の物性に関する計測値を示す表である。 図１の各種データを基にして試料番号１〜９の高強度アルミニウム合金において、それぞれのＣｕ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ａｇの含有量と、２５０℃引張強さ及び融点との関連性を視覚化して示したグラフものである。 図１の最右列に記載されている高強度アルミニウム合金のロウ付性を評価する評価試料を示す図であって、（ａ）は良状態（○）を示し、（ｂ）はロウ材の濡れ性の低下による不良状態（×）を示し、（ｃ）は高強度アルミニウム合金の融点の降下によるエローションが発生した不良状態（×）を示している。 高強度アルミニウム合金におけるＣｕ、Ｍｇの含有量に対する、２５０℃耐力及び融点の変動量について検討するためのグラフである。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態に係る高強度アルミニウムシートの構成を示す断面図である。

符号の説明

１（１ａ，１ｂ，１ｃ） 評価試料
２ 試験片
３ 相手材
４（４ａ，４ｂ，４ｃ） フィレット
１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ） 高強度アルミニウム合金シート
１１ 芯材
１２ ロウ材
１３ 犠牲材

Claims (7)

1. Ｓｉを０．０５〜１．０質量％と、Ｍｎを０．５〜１．５質量％と、Ｃｕを０．２〜０．８質量％と、Ｍｇを０．２〜０．５質量％と、Ａｇを０．１５〜０．５質量％と、不可避不純物と、残部Ａｌと、からなることを特徴とするロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金。
2. 更に、Ｎｉを０．１５〜０．５質量％含有することを特徴とする請求項１に記載のロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金。
3. 請求項１又は請求項２に記載のロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金をシート状にしたものを芯材とし、この芯材の少なくとも一面にロウ材を配置したことを特徴とする高強度アルミニウム合金シート。
4. 請求項１又は請求項２に記載のロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金をシート状にしたものを芯材とし、この芯材の少なくとも一面に犠牲材を配置したことを特徴とする高強度アルミニウム合金シート。
5. 請求項１又は請求項２に記載のロウ付性に優れる高強度アルミニウム合金をシート状にしたものを芯材とし、この芯材の一面にロウ材を配置し、残る一面に犠牲材を配置したことを特徴とする高強度アルミニウム合金シート。
6. 請求項４に記載の高強度アルミニウム合金シートの少なくとも一面にロウ材を配置したことを特徴とする高強度アルミニウム合金シート。
7. 請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の高強度アルミニウム合金シートをロウ付により接合して作製されたことを特徴とする熱交換器。

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