JP2008163366A - 熱交換器用アルミニウム合金ブレージングシート - Google Patents
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Abstract
【解決手段】芯材2と、この芯材2の一面側に形成された犠牲材3と、この芯材2の他面側に形成されたAl−Si系合金からなるろう材4とを備えた熱交換器用アルミニウム合金ブレージングシート1aであって、犠牲材3は、Fe:0.03〜0.30質量%、Mn:0.01〜0.40質量%、Si:0.4〜1.4質量%、Zn:2.0〜5.5質量%、Mg:0.05質量%以下を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなり、かつ、ろう付時における600℃×5分間熱処理後の結晶粒径が100〜400μmであることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
このような、アルミニウム合金クラッド材(アルミニウム合金ブレージングシート)としては、アルミニウム合金からなる芯材の一面に、Al−Si合金からなるろう材を形成し、この芯材の他面に、Al−Zn合金からなる犠牲陽極材を形成し、これら芯材、ろう材、犠牲陽極材の組成を規定することにより、ろう付性、強度、耐食性等を向上させたブレージングシートやアルミニウム合金クラッド材が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
熱交換器におけるチューブ材等をブレージングシート等で作製すると、ろう材と犠牲材(犠牲陽極材)が接合される箇所が生じる。かかる箇所では、ろう付時における加熱により、ろう材のろうが溶解してフィレット(ろうだまり)ができることにより、ろう材と犠牲材が接合される。
しかし、従来のブレージングシート等では、ろう付性の改善はなされているものの、接合部において、フィレットの長さが十分でない場合があり、ろう付性に劣る場合があった。
ここで、従来の技術においては、ろう付後強度、耐食性、ろう付性等のレベルは向上しているものの、材料の薄肉化に対応するため、高いろう付後強度、高耐食性であるとともに、ろう付性のさらなる改善が望まれている。
芯材2としては、例えば、Cu:0.5〜1.2質量%、Mn:0.6〜1.9質量%、Si:0.5〜1.4質量%を含有し、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種以上を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなる芯材2を使用することができる。しかし、芯材2は、特に限定されるものではなく、通常使用する芯材2であれば、どのようなものでもよい。例えば、強度を向上させるため、Mg:0.01〜0.7質量%を含有してもよく、その他Fe等を含有してもよい。
犠牲材3は、Fe:0.03〜0.30質量%、Mn:0.01〜0.40質量%、Si:0.4〜1.4質量%、Zn:2.0〜5.5質量%、Mg:0.05質量%以下を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなり、かつ、600℃×5分間熱処理後の結晶粒径が100〜400μmを満たすことを必要とする。
なお、ここでの600℃×5分間熱処理後というのは、ろう付時におけるものである。
Feは、Al、Mn、Siとともに金属間化合物であるAl−Mn−Fe、Al−Fe−Si、Al−Mn−Fe−Si系化合物等を形成して合金組織中に晶出または析出し、ろう付後強度を向上させる。
Feの含有量が0.03質量%未満では、ろう付後強度の向上効果を得ることができない。一方、0.30質量%を超えると、Al−Mn−Fe、Al−Fe−Si、Al−Mn−Fe−Si系化合物等が増大してカソード反応性が増大し、耐食性が劣化する。
したがって、Feの含有量は、0.03〜0.30質量%とする。
Mnは、Al、Fe、Siとともに金属間化合物であるAl−Mn−Fe、Al−Mn−Si、Al−Mn−Fe−Si系化合物等を形成して合金組織中に晶出または析出し、ろう付け後強度を向上させる。
Mnの含有量が0.01質量%未満では、ろう付後強度の向上効果を得ることができない。一方、0.40質量%を超えると、犠牲材3表面のろうの流動性を低下させ、ろう付性(ろう流動性)が劣化する。
これは、犠牲材3表面に液相ろう(溶融ろう)が接しながら広がる際に、犠牲材3中のMnが、液相ろうの犠牲材3表面での濡れ性を低下させるためである。
したがって、Mnの含有量は、0.01〜0.40質量%とする。
Siは、Al、Fe、Mnとともに金属間化合物であるAl−Fe−Si、Al−Mn−Si、Al−Mn−Fe−Si系化合物等を形成して合金組織中に晶出または析出し、ろう付後強度を向上させる。またSiは、その一部が合金組織中に固溶して、ろう付後強度を向上させる。
Siの含有量が0.4質量%未満では、固溶不足等により、ろう付後強度の向上効果を得ることができない。一方、1.4質量%を超えると、Al−Fe−Si、Al−Mn−Si、Al−Mn−Fe−Si系化合物等が増大してカソード反応性が増大し、耐食性が劣化する。
したがって、Siの含有量は、0.4〜1.4質量%とする。
Znは、犠牲材3の電位を卑にさせる効果があり、犠牲材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、耐食性を向上させる。
Znの含有量が2.0質量%未満では、電位を卑にする効果を得ることができず、犠牲陽極効果が不十分となり、耐食性が劣化する。一方、5.5質量%を超えると、犠牲材3の融点が低下するため、チューブ、ヘッダ、フィン等の各部材をろう付して熱交換器を接合するろう付工程において、犠牲材3が部分的に溶解するおそれがある。犠牲材3が部分的に溶解すると、ろう付性(ろう流動性)、ろう付後強度、耐食性が劣化する。
したがって、Znの含有量は、2.0〜5.5質量%とする。
Mgは、合金組織中に固溶して、ろう付後強度を向上させる。さらに、犠牲材3に含まれるZnとの間でMgZn2の組成からなる金属間化合物を形成するため、ろう付後強度がより向上する。
Mgの含有量が、0.05質量%を超えると、フラックスとMgが反応し、MgF2等の錯化合物を生成する。そのため、フラックス自体の活性度がさがり、犠牲材3表面の酸化皮膜を破る作用が低下して、ろう付性が劣化する。
したがって、Mgの含有量は、0.05質量%以下とする。
なお、ろう付後強度向上の効果を得るには、0.003質量%以上添加することが好ましい。
犠牲材3の成分は前記の他、残部がAlおよび不可避的不純物からなるものである。なお、不可避的不純物としては、例えば、Cu、Ni、Bi、Zr、Sn、P、Be、B等を0.25質量%以下含有することが考えられるが、本発明の効果を妨げない範囲においてこれらを含有することは許容される。
ろう付時における600℃×5分間熱処理後の結晶粒径を100〜400μmの範囲とする。
犠牲材3組織中の結晶粒径をこの範囲とすることにより、ろう付時に、犠牲材3とろう材4の接合部位において、結晶粒の粒界を伝って液相ろうが広がるろう広がり性(ろう流動性)が向上し、フィレット(ろうだまり)の長さが長くなる。これにより、ろう付性を向上させることができる。
したがって、ろう付時における600℃×5分間熱処理後の結晶粒径を100〜400μmの範囲とする。
なお、ろう付時における600℃×5分間熱処理後の結晶粒径は、好ましくは、120〜380μmの範囲とする。結晶粒径が120〜380μmの範囲であると、犠牲材3表面の粒界密度がより適度となり、ろう広がり性(ろう流動性)がさらに向上しやすい。
均質化熱処理の場合は、条件を450〜610℃、好ましくは、450〜560℃×1〜30時間とし、均質化熱処理を行わない場合は、熱間圧延を行う前に加熱する熱処理において、条件を450〜560℃×1〜30時間とする。また、均質化熱処理を行う場合も、行わない場合も、最終冷間圧延における仕上げ冷延率は、20〜40%とする。
すなわち、犠牲材3表面を光学顕微鏡で写真撮影し、圧延方向に直線を引き、直線の長さの線分によって切られる結晶粒個数を数えることにより行うことができる。
犠牲材3の厚さは、30〜55μmの範囲であることが好ましい。
犠牲材3の厚さが30μm未満では、犠牲防食効果が小さくなりやすく、内面側(冷却水側)の耐食性が劣化しやすい。一方、55μmを超えると、芯材2の厚さが薄くなり、ブレージングシート1aの強度が低下しやすくなる。
ろう材4は、Al−Si系合金からなり、ここで、Al−Si系合金とは、Siの他に、Znを含有した合金も含むものである。すなわち、Al−Si系合金としては、Al−Si系合金、またはAl−Si−Zn系合金が挙げられる。
ろう材4としては、例えば、Si:7〜12質量%を含有したAl−Si系合金を使用することができる。
しかし、ろう材4は、特に限定されるものではなく、通常使用するAl−Si系(Al−Si−Zn系)合金であれば、どのようなものでもよい。例えば、Si、Znの他、Fe、Cu、Mn、Mg等を含有してもよい。
熱交換器用アルミニウム合金ブレージングシートは、芯材の一面側の最表面に犠牲材、他面側の最表面にろう材が形成されていればよく、図1(b)に示すように、芯材2の一面側に犠牲材3と、芯材2の他面側に中間材5、ろう材4を形成した4層の熱交換器用アルミニウム合金ブレージングシート1b(ブレージングシート1b)でもよい。
また、図示しないが、さらに、ろう材、犠牲材、中間材の層数を増やした5層以上のブレージングシートでもよい。
中間材5は、芯材2にMgを添加した場合に、ろう材4側へのMgの拡散を防止するためのMg拡散防止層として、また、ろう材4側の耐食性を向上させるための犠牲防食層として、芯材2とろう材4との間に備えてもよい。
中間材5は、Al−Mn系合金からなり、ここで、Al−Mn系合金とは、Mnの他に、Cu、Si等を含有した合金も含むものである。
中間材5としては、例えば、Al−Mn−Cu−Si系合金を使用することができる。しかし、中間材5は、とくに限定されるものではなく、通常使用する中間材5であれば、どのようなものでもよい。例えば、Mn、Cu、Siの他、Tiを含有してもよい。
なお、図示しないが、中間材を設ける場合は、前記した犠牲材用部材またはろう材用部材と同様の方法で、中間材用部材を作製することができる。
その後、粗鈍工程(S5)、冷間圧延工程(S6)、中間焼鈍工程(S7)、冷間圧延工程(S8)を経て所定の板厚とする。
まず、芯材用アルミニウム合金、犠牲材用アルミニウム合金およびろう材用アルミニウム合金を連続鋳造により溶解、鋳造した。芯材(芯材用部材)については、550℃×10時間の均質化熱処理を施し、所定厚さの芯材用鋳塊(芯材用部材)を得た。犠牲材(犠牲材用部材)については、550℃×10時間、ろう材(ろう材用部材)については、500℃×10時間の均質化熱処理を施して、犠牲材用鋳塊、ろう材用鋳塊とし、この犠牲材用鋳塊およびろう材用鋳塊をそれぞれ所定厚さに熱間圧延して犠牲材用部材、ろう材用部材を得た。そして、芯材用部材、犠牲材用部材およびろう材用部材を所定のクラッド率になるように、表2に示す組み合わせになるように重ね合わせ、450℃の温度で加熱後、熱間圧延により圧着して板材とした。その後、冷間圧延、360℃×3時間の中間焼鈍を行った後、さらに冷延率20〜40%の冷間圧延を行うことにより、板厚0.20mmのアルミニウム合金ブレージングシート(供試材)を作製した。
≪試験方法≫
<ろう付性(ろう流動性)>
ろう付性(ろう流動性)の試験の方法について、図面を参照して説明する。参照する図面において、図3は、ろう付性の評価方法を示す概略図であり、(a)は、ろう付加熱前の状態を横方向から見た概略図、(b)は、ろう付加熱前の状態を上方向から見た概略図、(c)は、ろう付加熱後の状態を横方向から見た概略図、(d)は、ろう付加熱後の状態を上方向から見た概略図である。
ろう広がり距離L3が5mm以上のものをろう付性(ろう流動性)が良好(○)、5mm未満のものを不良(×)とした。
ろう付後強度の試験に関しては、600℃×5分加熱後の供試材より、圧延方向に平行にJIS5号試験片を作製し、室温にて引張り試験を実施して、引張り強さを測定した。引張り強さが160MPa以上のものをろう付後強度が良好(○)、160MPa未満のものを不良(×)とした。
耐食性の試験として、犠牲材側の耐食性を評価した。具体的には、Cl−300ppm、SO4 2−100ppm、Cu2+5ppmの溶液に浸漬し、88℃×8時間後に室温まで自然冷却した後、16時間保持するサイクルを30日行う浸漬試験を実施し、腐食深さを測定した。腐食深さが犠牲材厚以下のものを耐食性が優良(◎)、腐食深さが犠牲材厚+20μm未満のものを良好(○)、犠牲材厚+20μm以上のものを不良(×)とした。
これらの試験結果を表2に示す。なお、犠牲材の結晶粒径の測定は、JIS H:0501 7.切断法に記載されている方法により行った。
2、12 芯材
3、13 犠牲材
4、14 ろう材
5 中間材
S1a 芯材用部材準備工程
S1b 犠牲材用部材準備工程
S1c ろう材用部材準備工程
S2 重ね合わせ工程
S3 熱処理工程
S4 熱間圧延工程
S5 粗鈍工程
S6、S8 冷間圧延工程
S7 中間焼鈍工程
S9 仕上げ焼鈍工程
Claims (1)
- 芯材と、この芯材の一面側に形成された犠牲材と、この芯材の他面側に形成されたAl−Si系合金からなるろう材とを備えた熱交換器用アルミニウム合金ブレージングシートであって、
前記犠牲材は、Fe:0.03〜0.30質量%、Mn:0.01〜0.40質量%、Si:0.4〜1.4質量%、Zn:2.0〜5.5質量%、Mg:0.05質量%以下を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなり、かつ、600℃×5分間熱処理後の結晶粒径が100〜400μmであることを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金ブレージングシート。
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