JP2008050657A

JP2008050657A - 自動車熱交換器用アルミニウム配管材

Info

Publication number: JP2008050657A
Application number: JP2006228383A
Authority: JP
Inventors: Satoru Tanaka; 哲田中; Junji Ninomiya; 淳司二宮; Toshiyuki Kakigi; 敏行柿木; Kazumi Kato; 和美加藤
Original assignee: Furukawa Sky KK
Current assignee: Furukawa Sky KK
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: EP1892308A1; EP1892308B1; JP5049536B2; DE602007010872D1; US20080050269A1

Abstract

【課題】クラッドすることなく、単層でＪＩＳ３００３合金よりも耐食性が良いアルミニウム合金材料を開発し、自動車熱交換器用アルミニウム配管材を提供する。
【解決手段】Ｓｉを０．０５〜０．４質量％、Ｆｅを０．０５〜０．４質量％、Ｃｕを０．６質量％以下、Ｍｎを０．１５〜１．５質量％、Ｔｉを０．０５〜０．３質量％、Ｖを０．０５〜０．３質量％含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる耐食性に優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材。
【選択図】なし

Description

本発明は自動車用エアコン、オイルクーラ、ラジエータ、ヒーターなどの熱交換器の配管に適した耐食性に優れるアルミニウム配管材に関する。

従来は、この種の熱交換器の配管の材料として、ＪＩＳ１０００系合金、ＪＩＳ３０００系合金、ＪＩＳ６０００系合金などがよく使われている。例えば、ＪＩＳ６０００系合金として、Ｍｇを０．３５〜１．５質量％（以下、単に％と略記する）、Ｓｉを０．２〜０．８％、Ｚｎを０．１〜０．３％を含有し、さらにＳｎを０．０２〜０．１％、Ｃｕを０．１５〜０．４％含有することを特徴とする耐粒界腐食性及び耐孔食性に優れたアルミニウム合金が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、ＪＩＳ３０００系合金として、Ｍｎを０．５〜２．０％、Ｃｕを０．２５〜０．７５％を含有し、さらにＭｇ：０．０５〜０．２％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｆｅ：０．５〜１．２％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５％、Ｖ：０．０５〜０．１５％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする管成形性に優れた熱交換器用チューブ材の製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、これは板材であり、電縫溶接などにより造管するタイプである。

チューブ材として用いるアルミニウムブレージングシートにおいて、芯材の片面側にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を、他面側にＡｌ−Ｚｎ系、又はＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金等の犠牲陽極材をクラッドしたものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、板タイプのチューブ材と配管材とでは鋳造法、製造工程も全く違うものである。
特公昭６１−３６５７７号公報特開２００１−２６８５０号公報特開平０６−７３４８０号公報

このように、従来の自動車用配管材には、強度、加工性、溶接性、耐食性に優れたＪＩＳ３００３合金などが使われているが、過酷な条件下では耐食性が不足する。例えば、環境が劣悪な自動車のエンジンルーム内で使用される場合や東南アジアなどの高温多湿の環境で使用される場合は、貫通腐食が生じることがある。配設された配管に１点でも貫通腐食が生じると配管内の冷媒（冷却水）が漏れて、エアコンでは冷却機能が失われ、ラジエータではエンジンが焼きついたりする。そこで、耐食性の面からは上記のように単層ではなく、ＪＩＳ３００３合金などの芯材をＪＩＳ７０７２合金などで内外面及び片面をクラッドしたものが一般的となっているが、製造コストが高いという問題点があった。
そこで、本発明の目的は、クラッドすることなく、単層でＪＩＳ３００３合金よりも耐食性が良いアルミニウム合金材料を開発し、優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材を提供することを目的とする。

本発明者等はこの問題点を解決するために鋭意検討をおこなった結果、Ａｌ−Ｍｎ系合金にＴｉとＶを同時に添加することで耐食性が向上することを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、
（１）Ｓｉを０．０５〜０．４質量％、Ｆｅを０．０５〜０．４質量％、Ｃｕを０．６質量％以下、Ｍｎを０．１５〜１．５質量％、Ｔｉを０．０５〜０．３質量％およびＶを０．０５〜０．３質量％含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材、
（２）Ｓｉを０．０５〜０．４質量％、Ｆｅを０．０５〜０．４質量％、Ｃｕを０．６質量％以下、Ｍｎを０．１５〜１．５質量％、Ｔｉを０．０５〜０．３質量％およびＶを０．０５〜０．３質量％含有し、さらに、０．０５〜０．４質量％Ｍｇ、０．０５〜０．２質量％Ｃｒおよび０．０５〜０．２質量％Ｚｒのうち少なくとも１種を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材、
（３）前記Ｃｕ含有量が０．０５質量％以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の耐食性に優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材、および、
（４）前記（１）〜（３）のいずれか１項記載の組成をもつアルミニウム合金の鋳塊を熱間押出しして、押出し素管とし、ドローベンチ方式抽伸加工または連続抽伸加工で管材とすることにより製造されたことを特徴とする耐食性に優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材、
を提供するものである。

このように本発明によれば、自動車用熱交換器のアルミニウム合金配管材はクラッド材ではなく、単層のベア材であっても、優れた耐食性を具備した熱交換器配管材が得られる。そして、板材から電縫溶接などにより造管しなくてもよく、容易な押出、抽伸工程で加工でき熱交換器のコストダウンが図れる等、工業的に顕著な効果が得られる。

以下本発明について、詳細に説明する。
先ず、本発明のアルミニウム配管材を構成するアルミニウム合金の成分について説明する。

本発明において、Ｓｉは必須の成分であり、Ｓｉの含有量は０．０５〜０．４質量％（以下、単に％と略記する）である。Ｓｉはアルミニウム合金組織のマトリックスに固溶したり、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物を形成することにより、ろう付後の強度を向上させる効果があり、必須成分である。この効果を得るためには０．０５％以上の含有が必要である。上限値を超えると、耐食性や押出性（ダイスの寿命）が低下する。よって、Ｓｉ添加の上限を０．４％とする。Ｓｉの含有量は、０．０５〜０．２％がさらに好ましい。

本発明において、Ｆｅは必須成分であり、Ｆｅの含有量は０．０５〜０．４％である。ＦｅはＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物として晶出または析出して強度を向上させる効果がある。この効果を得るため、０．０５％以上の含有が必要である。一方、過剰のＦｅの含有は、これら成分が表面に晶出して腐食速度を速めるため、０．４％を上限とする。Ｆｅの含有量は、０．０５〜０．２％がさらに好ましい。

本発明において、Ｃｕの含有量は０．６％以下であり、任意の添加成分である。Ｃｕは、固溶して強度を向上させる効果がある。この効果を得るために、必要に応じて、上限０．６％まで添加して良いが、上限を超えると、著しく耐食性を低下させる。特性のうち、耐食性を最も重要視する場合は、Ｃｕは０・０５％以下とすることがより好ましい。

Ｍｎの含有量は０．１５〜１．５％で、本発明において、Ｍｎは必須成分である。Ｍｎは、強度向上のために０．１５〜１．５％添加する。０．１５％未満では、その効果が十分に得られず、１．５％を超えると、押出性及び抽伸加工性が劣るためである。さらに好ましいＭｎの含有量は、０．８〜１．２％である。

Ｔｉの含有量およびＶの含有量は共に０．０５〜０．３％であり、本発明において、ＴｉおよびＶは必須成分である。ＴｉとＶは、耐食性をより一層向上させる効果がある。すなわち、ＴｉとＶは、濃度の高い領域と低い領域とに分かれ、それらが板厚方向に交互に分布して層状となり、Ｔｉ濃度及びＶ濃度の低い領域が高い領域に比べて優先的に腐食することにより腐食形態が層状となる結果、肉厚方向への腐食の進行が妨げられ、耐孔食性が向上する。ＴｉとＶを同時に添加することにより、この効果がより顕著に発揮される。また、ＴｉとＶは強度向上にも寄与し、複合添加することにより、一層の効果を得ることができる。これらの十分な効果を得るためには、Ｔｉ、Ｖともに０．０５％以上の含有が必要である。上限の０．３％を超えると、鋳造時に粗大な金属間化合物が生成され、押出性や抽伸加工性に悪影響を及ぼす。より好ましい含有量は、Ｔｉ、Ｖ共に０．１〜０．２％である。

本発明においては、任意に、０．０５〜０．４％のＭｇ、０．０５〜０．２％のＣｒおよび０．０５〜０．２％のＺｒのうち少なくとも１種を含有させることができる。これらの成分は、均質化処理によって固溶もしくは微細金属間化合物として分散し、合金の強度向上に寄与する。そのため、所望により少なくとも１種を含有させる。上記作用を十分に得るためには、各元素において０．０５％以上の含有が好ましい。一方、過剰に含有すると押出性や抽伸加工性を低下させるので、それぞれ上記のように上限を定める。これらのより好ましい含有量は、Ｍｇが０．１５〜０．３％、Ｃｒ、Ｚｒが０．０５〜０．１５％である。

本発明の自動車熱交換器用アルミニウム合金配管材は、前記の組成を有するアルミニウム合金を次の工程によって加工することにより製造することができる。

本発明のアルミニウム合金は前記した成分を目標として常法により溶製することができ、その製造方法は特に限定されない。この合金を用いて押出素管を製造する際には、溶製されたアルミニウム合金に均質化処理を施すのが望ましい。
均質化処理はＳｉおよびＭｎ系等の分散粒子をマトリックス中に均一かつ高密度に析出させる工程で、常法の例えば、５５０〜６２０℃、好ましくは５９０〜６２０℃の範囲で、１〜１０時間、好ましくは２〜４時間保持する条件で実施する。その後は、少なくとも押出前に４５０〜５５０℃に加熱し、均熱化処理を施した後、熱間押出がなされる。なお、上記均質化処理および均熱化処理における加熱方法や加熱炉等についても特に限定されるものではない。

得られた押出素管をドローベンチ方式抽伸加工または連続抽伸加工により引伸ばし、製品サイズに加工した後、例えば３００〜５２０℃、１〜１０時間保持の焼鈍を行い、製品となる。
なお、上記押出材は熱交換器用の材料として使用されるものであり、通常は熱媒体を流通させる配管材やラジエータ、ヒーターコアなどのように水を流通させる配管材などに用いられる。また、熱交換器の使用場所も特に限定されるものではない。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
（実施例１）
表１に示す成分組成（数値は質量％を表す）のＡｌ合金を溶解し、鋳造して直径：２１９ｍｍのビレットを製造し、このビレットを６１０℃で４時間保持の条件で均質化処理を行い、長さ３００ｍｍに切断して押出しビレットとした。これを再度、４５０〜５００℃に加熱して、マンドレルダイスにてφ３６ｍｍ（外径），３ｍｍ（肉厚）の素管を押出しして作製した。その後、最終サイズφ１７ｍｍ（外径），１ｍｍ（肉厚)まで連続抽伸加工を冷間で複数回行って、管材を得た。ついで、３６０℃で２時間保持の条件で焼鈍を行い、放冷して各Ｎｏ．の供試材を得た。
なお、従来例Ｎｏ．１は、ＪＩＳ３００３合金である。

これらの供試材の内部耐食性を評価するために、供試材の配管を市販の水性クーラントに循環試験装置を用いて接続し、８８℃で８ｈ保持し、室温で１６ｈ保持するサイクル試験を１年間行った。各供試材の表面腐食生成物を除去して、材料の腐食状況を評価した。評価は光学顕微鏡により最大孔食深さを焦点深度法にて測定して、その結果を表１に示す。
なお、引張り強度は、供試材の配管を切断して円弧状のままＪＩＳ１１号試験片を作成し、ＪＩＳＨ４０８０に準拠して、引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎの条件で試験を行った。

表１から判るように、比較例１、２の試料はＴｉ、Ｖ、Ｍｎの成分が、本発明の規定の範囲を逸脱している為に、押出しや抽伸しが出来ず製品として製造できなかった。比較例３の試料はＴｉとＶが本発明の規定の範囲を下回っている為に、耐食性が向上せず、従来例より耐食性が劣っていた。比較例４、５の試料はＣｕ又はＦｅが本発明の規定の範囲を超えている為に、従来例より耐食性が劣っていた。比較例６の試料はＳｉが本発明例の規定の範囲を超えている為に、従来例より耐食性が劣るとともに、押出性も悪化した。
本発明例は、比較例、従来例と比較して配管内部の耐食性がきわめて優れていることが判る。
また、本発明例は、引張り強度の点でも従来例とほぼ同等あるいはそれより良好であることが判る。

（実施例２）
表２に示す成分組成（数値は質量％を表す）のＡｌ合金を溶解し、鋳造して直径：２１９ｍｍのビレットを製造し、このビレットを６１０℃で４時間保持の条件で均質化処理を行い、長さ３００ｍｍに切断して押出しビレットとした。これを再度、４５０〜５００℃に加熱して、マンドレルダイスにてφ３６ｍｍ（外径），３ｍｍ（肉厚）の素管を押出しして作製した。その後、最終サイズφ１７ｍｍ（外径），１ｍｍ（肉厚)まで連続抽伸加工を冷間で複数回行って、管材を得た。ついで、３６０℃で２時間保持の条件で焼鈍を行い、放冷して各Ｎｏ．の供試材を得た。

これらの供試材の外部耐食性を評価するために、各供試材についてＪＩＳＨ８６０１に準じるＣＡＳＳ試験を１５００時間行った。試験後、供試材の表面腐食生成物を除去して、材料の腐食状況を評価した。評価は光学顕微鏡により最大孔食深さを焦点深度法にて測定して、その結果を表２に示す。
なお、引張り強度は、実施例１と同様にして試験試料を作成し、ＪＩＳＨ４０８０に準拠して、実施例１と同じ条件で試験を行った。

表２から判るように、比較例１、２の試料は、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎの成分が本発明の規定の範囲を逸脱している為に、押出や抽伸が出来ずに製品として製造できなかった。比較例３の試料はＴｉとＶが本発明の規定の範囲を下回っている為に、耐食性が向上せず、従来例より耐食性が劣っていた。比較例４、５の試料はＣｕ又はＦｅが本発明の規定の範囲を超えている為に、従来例より耐食性が劣っていた。比較例６の試料はＳｉが本発明の規定の範囲を超えている為に、従来例より耐食性に劣るとともに、押出性も悪化した。
本発明例は、比較例、従来例と比較して配管外部の耐食性がきわめて優れていることが判る。そして、引張り強度の点でも従来例とほぼ同等あるいはそれより良好であることが判る。

Claims

Ｓｉを０．０５〜０．４質量％、Ｆｅを０．０５〜０．４質量％、Ｃｕを０．６質量％以下、Ｍｎを０．１５〜１．５質量％、Ｔｉを０．０５〜０．３質量％およびＶを０．０５〜０．３質量％含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材。
Ｓｉを０．０５〜０．４質量％、Ｆｅを０．０５〜０．４質量％、Ｃｕを０．６質量％以下、Ｍｎを０．１５〜１．５質量％、Ｔｉを０．０５〜０．３質量％およびＶを０．０５〜０．３質量％含有し、さらに、０．０５〜０．４質量％Ｍｇ、０．０５〜０．２質量％Ｃｒおよび０．０５〜０．２質量％Ｚｒのうち少なくとも１種を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなることを特徴とする耐食性に優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材。
前記Ｃｕ含有量が０．０５質量％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の耐食性に優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材。
前記請求項１〜３のいずれか１項記載の組成をもつアルミニウム合金の鋳塊を熱間押出しして、押出し素管とし、ドローベンチ方式抽伸加工または連続抽伸加工で管材とすることにより製造されたことを特徴とする耐食性に優れた自動車熱交換器用アルミニウム配管材。