JP2010168613A - 熱交換器用単層ブレージングシートおよびそれを使用した熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】単層の材料のみでろう付け機能を有する材料を得る。
【解決手段】Ｓｉ：１．９〜３．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、残部Ａｌ及び不可避不純物よりなり、ろう付け後に長径3μｍ以上の球状の共晶組織が断面で５００個／ｍｍ^２以上、５０００個／ｍｍ^２以下存在することを特徴とするブレージングシート。このブレージングシートは、さらに、Ｚｎ：０．１〜０．５％、Ｍｇ：０．１〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜０．８％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ｆｅ：０．３〜１％のうち１種または２種以上を含んでも良い。また、これらのブレージングシートをチューブ材およびタンク材として用い、さらに単層フィンを組み合わせた、すべて単層材料から構成された熱交換器。
【選択図】なし

Description

本発明は、ブレージング法で製造される自動車用熱交換器用材料およびその材料を用いた熱交換器に関するものである。

自動車用熱交換器を製造する場合は、従来Ａｌ-Ｓｉ合金からなるろう材をクラッドしたブレージングシートを用いるか、ベア材に粉末ろう材等を別途塗って製造されていた。

例えば、非特許文献１の「３．２ ろうとブレージングシート」の章にこれらのクラッドブレージングシートや粉末ろう材が説明されている。

「アルミニウムブレージングハンドブック（改訂版）」社団法人軽金属溶接構造協会 ２００３年

ろう付け機能を有するクラッド材を製造するには各層を別々に製造し、さらにそれを合わせる工程が必要があり、コストがかかっていた。他方、単層材を使う場合は、ろう付けする相手をクラッド材としてろう付け機能を持たせるか、別途ＳｉやＳｉ含有ろうを塗布する必要があり、コストダウンが困難であった。従来の公知文献において単層の材料のみでろう付け機能を有し、ブレージングシートとして使用された例は認められていない。
本発明は、単層の材料のみでろう付け機能を有する材料を得ようとするものである。

本発明は、適当な量と分布形態のＳｉを含有した板材を用いてブレージングをおこなうと、一部が液相となってろうとして機能する上に、固体としての機械的特性も有していることを見出したものである。

すなわち、本発明は請求項１に記載した様に、Ｓｉ：１．９〜３．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、残部Ａｌ及び不可避不純物よりなり、ろう付け後に長径3μｍ以上の球状の共晶組織が断面で５００個／ｍｍ^２以上、５０００個／ｍｍ^２以下存在することを特徴とするろう付け機能を有する熱交換器用単層ブレージングシートである。

また、請求項２記載の様に、さらにＺｎ： ０．１〜０．５％、Ｍｇ： ０．１〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜０．８％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ｆｅ：０．３〜１％のうち１種または２種以上を含んでも良い。

また、請求項３では、請求項1および、または2記載のブレージングシートをチューブ材およびタンク材として用い、さらに単層フィンを組み合わせた、すべて単層材料から構成された熱交換器を規定している。

本発明のブレージングシートは単層の材料のみでろう付け機能を有する材料を得られるので、積層作業に起因する製造工数の増大・不良率の増大を防ぐことができ、製造コストの大幅な低減を達成できる。

ろうの染み出しのメカニズムを示す模式図である。 ろう付け後の球状共晶組織の金属組織写真である。 実施例のテストピースに用いたチューブ形状の模式図である。 実施例１の３段積みのテストピース（ミニコア）の外観図である。 実施例２のテストピース（タンク部付きミニコア）の外観図と、フィレット断面観察位置とフィレット厚さの測定箇所を示す断面図である。

以下に、本発明の詳細な説明を示す。
本発明はＳｉ：１．９〜３．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、残部Ａｌ及び不可避不純物よりなるろう付け機能を有する熱交換器用単層ブレージングシートであり、これを板成形することによりチューブ、タンクなどを作製し、窒素雰囲気600℃程度の温度に加熱してろう付け（ブレージング）をおこなうと液相のろうが染み出してきてフィレットを形成し、ろう付けが可能となる。

図1にろうの染み出しの模式図を示すが、高温では偏析の多い結晶粒界がまず溶融し、次いでマトリクス中に分散するＳｉ粒子周辺が球状に溶融する。Ｓｉの添加量が多いと分散するＳｉ粒子の数が多く、マトリクス内部に多くの球状の液相が存在することになる。ろう付け温度が高くなると球状の液相は体積を増し、粒界に触れると粒界を伝って表面に染み出してくる。したがってＳｉ量が多く、ろう付け温度が高いほど多くのろうが染み出してくることになるが、材料の強度は未溶融のマトリクスが担っており、Ｓｉ量が多く、ろう付け温度が高いほど低下することになる。

このようにＳｉはＡｌ-Ｓｉの液相を生成し、ろうとして機能するが、1.9％未満の場合は充分なろうの染み出しが無く、ろう付けが不完全となる場合が多い。一方、3.5％を越えるとろう付け加熱中の材料強度が極端に低下し、コア形状の維持が困難である。したがってＳｉ量は1.9〜3.5％と規定する。なお、染み出すろうの量は板厚が厚く、ろう付け温度が高いほど多くなるが、ろう付け時に必要とするろうの量はコアの構造に依存するので、必要に応じてＳｉ量やろう付け温度を調整することが望ましい。

本発明の場合、前述のＳｉ粒子周辺が球状に溶融した部分がマトリクス内にある程度残存し、図2に示すような特徴的な球状の共晶組織となるが、良好なろう付け性とろう付け時の材料強度のバランスが取れた場合、長径3μｍ以上の球状共晶組織が断面で500〜5000個/ｍｍ^２であることを見出した。この球状共晶組織の密度が500個/ｍｍ^２未満の場合、液相が多すぎ、高温での強度維持が困難である。5000個/ｍｍ²を超える場合、逆に液相が少なく、ろう付け性が劣る。例えば板厚が厚い部材や、ろう付け時の温度が高温になりやすい部材ではＳｉ量を低く設定しても充分なろう量が確保できる。具体的には150〜300μｍの板厚のチューブ材の場合、Si量を2.1〜3.0％程度として、ろう付け温度を595℃〜605℃程度とすることが望ましく、その場合、球状共晶組織は1000〜3000個/ｍｍ^２となる。このようにろう付け後の組織を観察し、球状共晶組織の数密度を測定し、断面で500〜5000個/ｍｍ^２であるようにSi量を1.9〜3.5％の範囲で調整することで、良好な結果を得ることができる。

Mnは耐食性を下げずに強度を高めることができ、その添加量が０．3％未満の場合はろう付け時の強度低下が大きく、形態の保持が困難となる。一方、１．８％を超えると晶出物が粗大化しやすく、成形性などが悪化する。したがってMn量は０．3から１．８％と規定する。

ブレージング材としての基本的な機能を果たすためにはこれら2種の元素を規定すればよいが、さらに耐食性や強度を向上させるためには、他の元素を単独、もしくは複数添加すると良い。以下に各選択添加元素について述べる。

耐食性をさらに向上させるために、少量のZnを添加することが有効である。Znはマトリクス中にほぼ均一に固溶しているが、液相が生じるとその中に溶け出して、液相のZnが濃化する。液相が表面に染み出してろうとして機能すると、その部分はZn濃度が上昇するため、犠牲陽極作用によって耐食性が向上する。この効果はZn量０．１％以下では小さく、０．５％を超えるとマトリクスに残存するZn量が多くなり、表面との電位差が不十分となり、有効な犠牲防食が働かない。したがって、より耐食性を向上させたい場合はZnを０．１％〜０．５％添加することが望ましい。

その他、強度を上げるために必要に応じてＭｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｆｅなどを添加しても良い。

Mgはろう付け後、時効硬化するため強度向上の効果が特に大きいが、0.1％未満ではMg₂Siの時効硬化がほとんど起こらず、0.5％を超えるとフラックスと反応して、高融点の化合物を形成するため著しくろう付け性が悪化する。したがってMgの添加量を0.1％〜0.5％と規定する。

Cuは固溶して強度向上させるが、0.1％未満では強度向上効果がほとんど見られず、0.8％を超えると耐食性が悪化する。したがってCuの添加量を0.1〜0.8％と規定する。

Tiは固溶して強度向上させる他に、層状に分布して板厚方向の腐食の進展を防ぐ効果がある。この効果は0.05％未満ではほとんど見られず、0.2％を越えると巨大晶出物が発生し、成形性、耐食性を阻害する。したがってTiの添加量を0.05〜0.2％と規定する。

Feは若干固溶して強度を上げる効果があるのに加えて晶出物として分散して、特に高温での強度低下を防ぐ効果がある。添加量が0.3％未満の場合、この効果が充分でなく、1％を超えるとろう付け時の再結晶が微細化し、エロージョン性が悪化する。したがってFeの添加量を0.3〜1％と規定する。

本発明材を製造するにあたっては通常のDC鋳造、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍をおこなえばよく、用途に応じて調質をおこなう。通常はエロージョン防止のためにH1nないしはＨ2n調質とするが、形状や使用方法によっては軟質材を使用しても良い。また、DC鋳造ではなくCC鋳造を行ってもよく、その場合はSi粒子が微細で密なため、ろうが染み出しやすく良好な結果が得られる。

本発明請求項１あるいは請求項2の単層ブレージングシートを用いてチューブとタンクを作製し、さらに単層のフィン(ベアフィン)と組み合わせることで、すべて単層材で構成される熱交換器とすることができる。この場合Ｚｎを含むフィン材を使用すると犠牲防食効果が得られ、コアの耐食性が向上する。このようなすべて単層材からなる熱交換器は高温での剛性が従来材より低下する場合があるので、ろう付けの際は、鉄などの高温に耐える材質のジグにセットすると、より寸法精度の高いコアを得ることができる。なお、チューブとタンクの両者が請求項１の組成であっても、チューブとタンクの両者が請求項２の組成であっても、チューブとタンクの一方が請求項１の組成で他方が請求項２の組成であっても、いずれでも良い。

表１に示すＴｕ1〜11までの組成の材料を80×200×200の金型で鋳造し、面削、加熱し3ｍｍ厚まで熱間圧延した。その後、0.4ｍｍまで冷間圧延し、380℃×2Ｈｒの中間焼鈍後、0.3ｍｍまでさらに冷間圧延して供試材とした。その板材を曲げて図３に示す幅18ｍｍ、高さ3ｍｍ、長さ60ｍｍのチューブとした。 これにＦ1の組成の0.07ｍｍのフィン材を高さ7ｍｍにコルゲート成形したものと組み合わせ、ステンレス製のジグに組み込み、図４に示す3段積みのテストピース（ミニコア）を作製した。

このミニコアを非腐食性の弗化物系フラックスの10％懸濁液に浸漬、乾燥後、窒素雰囲気中で600℃、3分のろう付け加熱をおこなった。その後、ミニコアの中央段のフィンとの接合部40箇所を調べ、完全に接合している箇所の比率（接合率）を測定した。ろう付け後の強度を評価するために、チューブ上のフィンの無い部分の硬度（Hv 1Kg）を測定した。

さらに同じ場所の断面組織を観察し長径3μｍ以上の球状共晶組織の数密度を測定した。

また完成したミニコアについて耐食性評価のためにCASS試験を500ｈ、1000ｈ行い、チューブを貫通する腐食の有無を確認した。

表2に結果を示す。

Ｔｕ1〜6の発明例はいずれも90％以上の良好な接合率が得られているのに対して、比較例のうち、Ｓｉ量の低いＴｕ7では接合率が75％と低く、ろう付けが不完全であり、球状共晶組織の数密度も発明範囲を超えていた。また選択添加元素であるMgを上限より多く添加したTu11も接合率50％とろう付け性が劣っていた。

次にチューブ潰れに関しては、発明例はいずれも発生していなかったのに対し、比較例の中のSｉ量の多いＴｕ8とMn量の少ないTu9はろう付け時にチューブがつぶれ、形状を保つことができなかった。また、Si量の多いTu8では球状共晶組織の数密度も発明範囲より少なかった。

ビッカース硬度は選択添加元素を含む発明例Tu3〜6が含まないTu1,2より大きく、強度が向上していることが分かる。

健全なチューブが得られなかったTu8と9を除いてCASS試験をおこなったところ、いずれも500ｈでは貫通は無く、実用に耐えると判断されたが、Znを添加した発明例のTu3〜6は1000ｈでも貫通が無く、Zn添加量が少ないTu1、2、5と比較してさらに耐食性が向上している。一方Zn量が0.6％と上限より多い比較例のTu10は1000ｈでもチューブの貫通はないものの、フィン剥がれが発生した。これはフィンフィレット部のZnの濃縮が多く、優先腐食が進んだためと推定される。

表3に示すＴａ1〜8までの組成の材料を80×200×200の金型で鋳造し、面削、加熱し3ｍｍ厚まで熱間圧延した。その後、1.3ｍｍまで冷間圧延し、380℃×2Ｈｒの中間焼鈍後、1.0ｍｍまでさらに冷間圧延してタンク用の供試材とした。

この板を25ｍｍ×60ｍｍのサイズに切り出し、実施例1で使用したチューブ外形に合わせてプレスで10ｍｍ間隔で4箇所ブランキングして、模擬的なタンク部とした。さらに実施例1で使用したＴｕ2のチューブとＦ1のフィンを使ったミニコアを作製し、チューブの端部を4箇所のブランキング部に挿入し、図５に示すテストピース（タンク部付きミニコア）を作製した。このタンク部付きミニコアを非腐食性の弗化物系フラックスの10％懸濁液に浸漬、乾燥後、窒素雰囲気中で600℃、3分のろう付け加熱をおこなった。その後、チューブを差し込んだブランク周辺に形成されたフィレットの大きさを測定した。フィレットの大きさはチューブＲ部断面を切断、研磨し、ろうの溜まった最大厚さ（フィレット厚さ）で評価した。測定は両方のＲ部で、計8点計測し、その平均値を出した。

表4に結果を示す。

Ｔａ1〜4の発明例は、いずれも完全なフィレットが形成されており、その厚さも0.2ｍｍ以上と充分であった。それに対して比較例のうちSiの少ないＴａ5はフィレットが不完全で、平均厚さも小さく、ろう付け性に劣っており、長径3μｍ以上の球状共晶組織の数密度も発明範囲を超えていた。また、Mnの少ないＴａ6、Siが過多のTa7はフィレットは充分大きかったが板曲がりが発生しており、ろう付け時の形状保持性に問題があった。また選択添加元素のMgを上限以上含むTa8はフィレットも小さく、不完全でろう付け性が劣っていた。

Claims (3)

1. Ｓｉ：１．９〜３．５％（質量％で、以下同じ）、Ｍｎ：０．３〜１．８％、残部Ａｌ及び不可避不純物よりなり、ろう付け後に長径3μｍ以上の球状の共晶組織が断面で５００個／ｍｍ^２以上、５０００個／ｍｍ^２以下存在することを特徴とするろう付け機能を有する熱交換器用単層ブレージングシート。
2. さらに、Ｚｎ： ０．１〜０．５％、Ｍｇ： ０．１〜０．５％、Ｃｕ：０．１〜０．８％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ｆｅ：０．３〜１％のうち１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１記載のろう付け機能を有する熱交換器用単層ブレージングシート。
3. 請求項1および、または2記載のブレージングシートをチューブ材およびタンク材として用い、さらに単層フィンを組み合わせた、すべて単層材料から構成された熱交換器。