JP2008308723A - アルミニウム合金ろう材およびアルミニウム合金ブレージングシート - Google Patents

Abstract

【課題】Ｂ型チューブを用いた熱交換器のろう付において、チューブとプレートの接合部におけるろう付不良を低減することができるろう材およびアルミニウム合金ブレージングシートを提供する。
【解決手段】Ｓｉ：６〜１３％（質量％、以下同じ）、Ｆｅ：０．０５〜０．５％を含有し、さらにＴｉ：０．３〜１．０％、Ｚｒ：０．３〜１．０％のうち１種以上を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金ろう材、および心材を有するアルミニウム合金シート材の表面の、片面または両面に請求項１記載のアルミニウム合金ろう材をクラッドしたアルミニウム合金ブレージングシート。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウム合金ろう材およびアルミニウム合金ブレージングシートに関するものであり、特にラジエータ、コンデンサなどの自動車用熱交換器の構成部材として好適に使用されるアルミニウム合金ブレージングシート及びこのブレージングシートの製造に用いられるアルミニウム合金ろう材に関する。

アルミニウム合金は軽量かつ高熱伝導性を備えているため、自動車用熱交換器、例えば、ラジエータ、コンデンサ、エバポレータ、ヒーター、インタークーラなどに用いられている。自動車用熱交換器は主にろう付法によって製造される。通常、ろう付は、Ａｌ−Ｓｉ系合金のろう材を用い６００℃程度の高温で行われる。
ろう付方法には様々あるが、非腐食性フラックスであるフッ化物系フラックスを用いて、Ｎ_２ガス中でろう付するＮＢ法（ノコロックブレージング法）が一般的に用いられている。このＮＢ法において使用されるろう材合金には、例えばＪＩＳ４３４３合金、ＪＩＳ４０４５合金、ＪＩＳ４０４７合金等のＡｌ−Ｓｉ系ろう材がある。

ろう付を用いて製造するラジエータ等のアルミニウム合金製熱交換器は、例えば図１に示すように複数本の扁平チューブ（２）の間にコルゲート状に加工したフィン（１）を一体に形成し、該扁平チューブの両端はプレート（３）とタンク（４）とで構成される空間にそれぞれ開口させた構造を有する。ここで扁平チューブ（２）には、板材をロール成形等により、例えば図２に示すような形状に加工したＢ型チューブが用いられることがある。
Ｂ型チューブを用いた場合、図３に示すように、プレート（３）に形成したチューブ穴に扁平チューブ（２）を挿入した際に、楕円形で示す隙間部分（５、６）が図示のように形成される。これらの隙間は、主にプレートから供給されるろうによって完全に充填することが必要である。しかしながら、Ｂ型チューブを用いた熱交換器をろう付した場合、プレートから供給されるろうがＢ型チューブに形成された溝を介して毛細管力によってフィン側へ吸われる現象が起こり、この隙間部分（５，６）にろうが十分に行きわたらず、ろう付不良を引き起こす要因となっている。

ろう材にＴｉやＦｅを添加することによって、ろう材電位の貴化による自己耐食性の向上、ろう材が溶融した際の粘性の向上を狙ったアルミニウム合金ろう材およびアルミニウム製熱交換器用ブレージングシートが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、ろう材の粘性を向上させれば、ろうの流動性が向上し、チューブとプレートの接合部におけるろう付不良を抑制することは難しい。すなわち、溶けたプレートのろうは、成形でできたチューブの溝を通路としてコア部に流れていき、その際にろうの粘性によってプレートろうの流れ方が大きく変わってくると考えられる。
(a)例えば、粘性の極めて低い液体の場合はサラサラしているので、毛細管力が小さく、コア部にろうが引っ張られにくくなる。
(b)粘性が大きくなると毛細管力が大きくなってコア部に引っ張られやすくなるが、こうなると根付部のところにプレートろうが残りにくくなるのでろう付不良の原因となる。
つまり、従来例の「ろうの粘性向上」では粘性の大きくなり方が中途半端で上記(b)のように毛細管力が上がってしまっている。

特開平０２−３４２９６号公報

このように、従来の技術では、自動車用熱交換器のろう付、特にＢ型チューブを用いた熱交換器のろう付において、チューブとプレートの接合部におけるろう付不良を十分に抑制することは困難であった。
本発明は、この問題点を解消するべく行われたものであって、アルミニウム合金ブレージングシートにおいて、約６００℃で行われるろう付において良好なろう付性を得ることができ、特にチューブとプレートの接合部においてろう付不良を低減することができるろう材およびそのろう材をクラッドしたアルミニウム合金ブレージングシートを提供することを目的とする。

本発明の上記の課題は下記の手段により実現された。
（１）Ｓｉ：６〜１３％（質量％、以下同じ）、Ｆｅ：０．０５〜０．５％を含有し、さらにＴｉ：０．３〜１．０％、Ｚｒ：０．３〜１．０％のうち１種以上を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金ろう材。
（２）心材を有するアルミニウム合金シート材の表面の、片面または両面に（１）記載のアルミニウム合金ろう材をクラッドしたことを特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。

本発明によれば、約６００℃で行われるろう付において良好なろう付性を得ることができ、特にチューブとプレートの接合部においてろう付不良を低減することができる。その結果、熱交換器のろう付組立において、ろう付の不良率低減を図ることが可能となる。

本発明のアルミニウム合金ろう材の好ましい実施の態様について、詳細に説明する。
本発明のアルミニウム合金ろう材の成分元素の添加理由および添加範囲について説明する。
Ｓｉは、Ａｌの融点を低下させ、溶融時の流動性を高める。Ｓｉの含有量は、６〜１３％（以下、組成の％は質量％を示す。）、好ましくは７〜１２％の範囲である。６％未満ではその効果が小さく、１３％を超えるとろう材の融点が高くなり、流動性が低下する。また、過共晶組成となるため、粗大な初晶Ｓｉを生成し、加工性の低下をまねく。
Ｆｅは、ろう材のマトリクス中にＡｌ−Ｆｅ系化合物を生成し、溶融したろうの粘性を上げる効果がある。Ｆｅの含有量は、０．０５〜０．５％、好ましくは０．１〜０．４％の範囲である。０．０５％未満では、高純度アルミニウム地金を使用せねばならず、コスト高となり、０．５％を超えると、カソード起点となるＡｌ−Ｆｅ系化合物が多くなり耐食性が低下する。

Ｔｉは、ろう材のマトリクス中にＡｌ_３Ｔｉ化合物を生成し、溶融したろうの粘性を上げる作用がある。Ｔｉの含有量は、０．３〜１．０％の範囲であり、０．３％未満ではその効果が小さく、１．０％を超えると鋳造時に粗大な初晶Ａｌ_３Ｔｉ化合物を生成し、加工性の低下をまねく。より好ましくは、０．４〜０．８％である。
Ｚｒは、ろう材のマトリクス中にＡｌ_３Ｚｒ化合物を生成し、溶融したろうの粘性を上げる効果がある。Ｚｒの含有量は、０．３〜１．０％の範囲であり、０．３％未満ではその効果が不十分であり、１．０％を超えると鋳造時に粗大な初晶Ａｌ_３Ｚｒ化合物を生成し、加工性の低下をまねく。より好ましくは、０．４〜０．８％である。
本発明では、Ｔｉ又はＺｒのいずれかが添加されていれば目的とする効果が得られるが、溶融したろうの粘性を十分に上げてチューブとプレートの接合部におけるろう付性を向上させるためには、ＴｉとＺｒの両方を添加することが特に好ましい。

次に、本発明のアルミニウム合金ブレージングシートの好ましい実施態様について説明する。
本発明のアルミニウム合金ブレージングシートは、心材又は心材を有するシートの表面の片面または両面に先に記載した本発明のアルミニウム合金ろう材をクラッドしたものである。
心材のアルミニウム合金組成は、アルミニウム合金ブレージングシートに通常使用されているアルミニウム合金であればどのようなものでも良いが、ＪＩＳ３００３合金等のＡｌ−Ｍｎ系合金が好ましく、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等、高強度で、高耐食性の合金等を使用することができる。
ろう材をクラッドする前のアルミニウム合金シート材は、心材のみからなるベア材のほか心材−犠牲陽極材層、中間材層−心材−犠牲陽極材層等からなる構造を有するものが挙げられる。ろう材のクラッドはこのアルミニウム合金シート材に対して、ベア材の場合は片面又は両面のいずれの例でもよい。また犠牲陽極材層が設けられている場合は、その反対側の面に対して行うのが好ましい。
本発明のアルミニウム合金ブレージングシートにおいて上記ろう材層のクラッド率は、心材の厚さに対し、３％以上が好ましく、５〜１５％がより好ましい。

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。
表１に示す合金組成をもつろう材をそれぞれ金型鋳造により鋳造して、各々両面を面削して仕上げ、熱間圧延により５ｍｍの厚さまで圧延した。次に、心材としてＪＩＳ３００３合金を金型鋳造により鋳造し、６００℃×３ｈの均質化処理を実施し、その後面削して仕上げ、４５ｍｍ厚とした。その後、心材の片面に１０％のクラッド率でろう材を組み合わせて、５００℃にて熱間圧延により圧着して、３．５ｍｍの２層クラッド材とした。その後、冷間圧延を行い、１．２ｍｍの板材とし、３８０℃×２ｈの最終焼鈍を行い、Ｏ調質材とした。

次に、前記作製した２層クラッド板材を供試材とし、ろう付性、外部耐食性の評価を以下に示す方法で行い、それらの結果を表２に示した。
（１）ろう付性：
図４に示すように、厚さ０．３ｍｍのＪＩＳ３００３合金のベア材（８）を用いて、成形加工により幅方向の中央に溝８ａ（深さ１．５ｍｍ）を形成させたサンプルを作製した後、コルゲート成形したＪＩＳ３００３合金のフィン（９）と、コの字型に成形した供試材（７）とあわせることでろう付試験用テストピースを作製した。これを５％のフッ化物フラックスを懸濁した液に浸漬し、２００℃で乾燥後に６００℃×３ｍｉｎのノコロックブレージング法によりろう付を行った。その後、図５に示すような断面のミクロ観察を行い、供試材（７）とＪＩＳ３００３合金ベア材（８）との接合部において形成されたフィレット（１０）ののど厚（フィレット中の白矢印で示した部分）を測定した（参考文献：アルミニウムブレージングハンドブック Ｐ．１２９ 軽金属溶接構造協会）。
のど厚が、１５０μｍ以上のものは、ろう付性が良好「○」、のど厚が１５０μｍ未満のもの、或いはフィレットが形成されなかったものは、ろう付性が不十分「×」とした。

（２）外部耐食性評価：
６００℃×３ｍｉｎのろう付加熱後、ろう材側の耐食性を評価するため心材側をシールし、単板でＣＡＳＳ試験（ＪＩＳ Ｈ８６８１）５００ｈを実施し、最大孔食深さを測定した。最大孔食深さが３００μｍ未満のものは外部耐食性が良好「○」、３００μｍ以上のものは外部耐食性が不十分「×」とした。

（３）ろう材中の粗大金属間化合物の生成：
得られた供試材のろう材において、Ｌ−ＬＴ面の断面を光学顕微鏡によりミクロ観察を実施し、金属間化合物の生成とその粒径について調べた。なお、圧延方向（Ｌ方向）と、圧延面に対して平行でＬ方向に対して垂直な方向（ＬＴ方向）で形成される面がＬ−ＬＴ面である。
金属間化合物の粒径が５０μｍ以上のもが生成していないものは「○」、生成したものは「×」とした。

表２から明らかなように、本発明例である試験材Ｎｏ．１〜６は、ろう付性、外部耐食性において優れており、且つろう材中に粗大な金属間化合物の生成が認められなかった。
それに対して、比較例である試験材Ｎｏ．７、９、１２（Ｔｉ、Ｚｒが規定範囲に満たない）は、フィレットのど厚が必要サイズ得られず、ろう付性が不十分であった。また、試験材Ｎｏ．１０（Ｆｅが規定量を超える）は、ろう材中のＡｌ−Ｆｅ系化合物が多かったため、外部耐食性が悪化した。Ｎｏ．８、１１、１２は、ろう材に添加したＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒが多かったため、鋳造時に初晶が生成し、最終的に得られた供試材のろう材中に粗大な金属間化合物が残存したままであった。

アルミニウム合金製熱交換器の斜視図である。 Ｂ型チューブの斜視図である。 プレートのチューブ穴に扁平チューブを挿入した平面図である。 ろう付試験用テストピースの斜視図である。 ノコロックろう付加熱後の試験用テストピースの一部拡大断面図である。

符号の説明

１ フィン
２ 扁平チューブ
３ プレート
４ タンク
５ 隙間部分
６ 隙間部分
７ 供試材
８ 合金ベア材
９ フィン
１０ フィレット

Claims (2)

1. Ｓｉ：６〜１３％（質量％、以下同じ）、Ｆｅ：０．０５〜０．５％を含有し、さらにＴｉ：０．３〜１．０％、Ｚｒ：０．３〜１．０％のうち１種以上を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金ろう材。
2. 心材を有するアルミニウム合金シート材の表面の、片面または両面に請求項１記載のアルミニウム合金ろう材をクラッドしたことを特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。

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