JP2010255013A - 熱交換器用アルミニウム合金クラッド材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【構成】Si:0.5〜1.2%、Cu:0.2〜1.0%、Mn:1.0〜1.8%を含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成される芯材の一方の面に、Si:3〜6%、Zn:2〜8%を含有し、さらにMn:0.3〜1.8%、Ti:0.05〜0.30%の1種または2種を含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成される皮材1をクラッドし、前記芯材の他方の面にSi:6〜13%を含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成される皮材2をクラッドした3層クラッド材で、前記皮材1を外面側にして使用する。
【選択図】なし
Description
(芯材)
Si、CuおよびMn:
芯材へのSi、Cu、Mnの添加により強度向上効果が得られる。好ましい含有量は、Si:0.5〜1.2%、Cu:0.2〜1.0%、Mn:1.0〜1.8%の範囲であり、いずれも含有量が下限より少ないと強度向上効果が小さい。Si、Cuについては、含有量が上限を超えると芯材の融点低下が生じる。Mnについては、含有量が上限を超えると圧延加工性が低下する。さらに好ましい含有範囲は、Si:0.65〜1.1%、Cu:0.2〜0.7%、Mn:1.1〜1.7%である。
芯材へのCr、Zrの添加により芯材の結晶粒粗大化効果が得られる。結晶粒粗大化により、ろう付け時に溶融ろうが結晶粒界へ浸透してエロージョンが発生するのを抑制する効果が得られる。好ましい含有量は、Cr:0.30%以下、Zr:0.30%以下の範囲であり、いずれも含有量が0.30%を超えると鋳造時に粗大晶出物が生成し、健全な板材の製造が困難となる。
芯材へのMgの添加により強度向上効果が得られる。しかしながら、Mgはろう付け時に芯材からろう材方向へ拡散し、表面に塗布されたフッ化物フラックスと反応して高融点の化合物を形成しフラックスの活性を低下させろう付け性を低下させる。Mgの好ましい含有量は0.5%以下の範囲であり、含有量が0.5%を超えるとその影響が顕著となる。さらに好ましい含有範囲は0.3%以下である。
Si:
皮材1にSiを添加することにより、ろう付け時に皮材1中に少量の液相を生じ外面にベアフィン材と接合することが可能となる。ただし、多くの部分は溶融しないため流動せずに表面にとどまり、ろう付け後も亜鉛を含有する犠牲陽極層としてクラッド材の外面に残存するため、クラッド材の耐食性を向上させることができる。Siの好ましい含有量は3〜6%の範囲であり、含有量が3%未満では十分な液相が生じず、ベアフィン材との接合部に健全なフィレットが形成されない。含有量が6%を超えると、皮材1の大部分が溶融し、ろう付け時に、添加しているZnも流動してしまうため皮材1が犠牲陽極材として作用しなくなる。さらに好ましい含有範囲は3.5〜5.5%である。
皮材1へのZn添加により、ろう付け時に皮材1のZnが芯材中へ拡散し、芯材の板厚方向にZnの濃度勾配を形成する。これにより皮材1が芯材より電位的に卑となり犠牲陽極材として作用するため、板厚方向への腐食の進展を抑制できる。本発明の場合、皮材1にSiが添加されており、Siは固溶することで電位を貴にするためZnの電位卑化効果を相殺する。また芯材にCuが添加されており、ろう付け時にCuが皮材1方向へ拡散する。Cuも固溶することで電位を貴化させるため、拡散したCuによってもZnの効果を相殺する。さらに、Si添加により生じた液相にZnが含有されるため、一部が流動し残存Zn量が低下する。Znの好ましい含有量は2〜8%の範囲であり、2%未満ではZnの電位卑化効果が不十分となる。含有量が8%を超えると、この効果は十分に得られるが、相手材との接合部に形成されたフィレットの早期腐食を招く。Znのさらに好ましい添加量範囲は3〜7%である。
本発明においては、皮材1にSiを添加しているため、ろう付け時に一部が溶融しろう付け後は凝固組織となる。このため、外面クラッド材である皮材1は初晶α相と共晶相の2相となり、共晶部は初晶部に比べて電位が卑であるため初晶部より優先的に腐食していく。共晶部が腐食してしまうと初晶部の周囲がなくなってしまうため、粒状のまま脱落してしまう。犠牲陽極効果を有する初晶部が脱落することは、犠牲陽極材が効果を発揮することなく消失してしまうことになるため、芯材が早期に腐食し貫通腐食に至ることにもなる。これを抑制するためには初晶を粗大化し、共晶の優先腐食が生じても初晶が脱落し難くするとともに、初晶中にも電位の卑な部分を形成させる必要がある。外面クラッド材にMnを添加することにより、初晶が粗大化するので、初晶の脱落を抑制することができ、且つ初晶中にAl−Mn−Si系化合物が形成され、Al−Mn−Si系化合物の周囲に形成されるMn、Siの欠乏層が電位の卑な部分となり、相対的に共晶部の優先腐食が抑制される。Mnの好ましい含有量は0.3〜1.8%の範囲であり、0.3%未満ではその効果が小さく、1.8%を超えると、Al−Mn−Si化合物形成によって外面クラッド材のSi濃度低下が顕著になり、生じる液相量が低下する。Mnのさらに好ましい含有範囲は0.3〜1.3%である。
皮材1へのTiの添加は、Mnと同様、初晶を粗大化する。このため初晶の脱落抑制効果が得られる。Tiの好ましい含有量は0.05〜0.30%の範囲であり、0.05%未満ではその効果が小さく、0.30%を超えると粗大な晶出物が形成され、健全な外面接合を阻害する。
皮材1へのSr添加により、皮材1中のSi粒子が微細分散し、ろう付け時に生成する溶融ろう液相が相互に結合しやすくなる。これにより発生する液相の均一性が向上するため均一な溶融状態になり、ろう付け後に残存する外ろう層の厚さが均一となることにより耐食性を向上させる。Srの添加量が0.005%未満になると、粗大なSi粒子が局部的に存在するようになり、ろう付け時に粗大なSi粒子が存在する部分の溶融割合が著しく高くなり、局部的に犠材層が減少、あるいは消失してしまい、耐食性が著しく低下してしまう。Srの添加量が0.05%を超えると粗大なAl−Si−Sr系化合物が生成するため、同様に耐食性が低下する。
皮材1へのCr、Zr添加により、初晶の粗大化効果が得られ、このため初晶の脱落抑制効果が得られる。好ましい含有量は、Cr:0.30%以下、Zr:0.30%以下の範囲であり、いずれも含有量が0.30%を超えると粗大な晶出物が形成され、健全な外面接合を阻害する。
In、Snは少量添加で電位卑化効果が得られるため、外面クラッド材となる皮材1へのIn、Sn添加により外面クラッド材の電位が芯材より卑となり、犠牲陽極効果を得ることができる。好ましい含有量は、In:0.001〜0.10%、Sn:0.001〜0.10%の範囲であり、含有量がそれぞれ0.001%未満ではその効果が小さく、0.10%を超えると自己耐食性が低下する。InおよびSnのさらに好ましい含有範囲はそれぞれ0.01〜0.04%である。
外面クラッド材となる皮材1にNiが含有されていると、Al−Ni系化合物が形成され、Al−Ni系化合物はカソードとして作用するため、犠牲陽極材としての外面クラッド材の自己耐食性を低下させ腐食消耗を促進し、早期に腐食貫通に至る。含有量が0.05%以上の場合これが顕著となるため、0.05%未満に制限することが望ましい。
Si:
本発明のクラッド材を冷媒通路管として使用する場合には、成形したクラッド材を向かい合わせにして組み合わせるか、あるいは他の部材と接合して冷媒通路を形成する必要がある。成形したクラッド材を向かい合わせにして組み合わせて冷媒通路を形成する場合、あるいは他の部材がろう材を有していない場合は内面にろう材を付与する必要がある。このため、内面クラッド材となる皮材2には通常のAl−Si系合金ろう材とするためSiを添加する必要がある。皮材2における好ましいSi含有量は6〜13%の範囲であり、6%未満では溶融するろう量が不足し、ろう材としての作用が不十分となる。13%を超えると初晶Siが晶出し健全なクラッド材の製造が困難になる。
皮材2へのSr添加により、内面クラッド材となる皮材2中のSi粒子が微細分散し、ろう付け時に生成する溶融ろう液相が相互に結合し易くなる。これにより液相の流動性が向上しろう付け性が良好となる。好ましい含有量は0.005〜0.05%の範囲であり、0.005%未満ではその効果が小さく、0.05%を超えるとAl−Si−Sr系化合物が生成し効果が低下する。
皮材2(内面クラッド材)と皮材1(外面クラッド材)とが接近する部位では、接合部に皮材1中のZnが濃縮し電位が卑化することで接合部の優先腐食が生じ易くなる。内面クラッド材となる皮材2に電位貴化効果のあるCuを添加することでZnの電位卑化効果を相殺し接合部の優先腐食を抑制することができる。好ましい含有量は0.1〜0.5%の範囲であり、0.1%未満ではその効果が小さく、0.5%を超えると電位が貴化し過ぎて接合部がカソードとなり周囲の腐食を促進してしまう。Cuのさらに好ましい含有範囲は0.2〜0.4%である。
(試験A)
連続鋳造により、表1、表2に示す組成を有する皮材1(外面クラッド材)用アルミニウム合金、表3、表4に示す芯材用アルミニウム合金および表5、表6に示す皮材2(内面クラッド材)用アルミニウム合金を造塊し、得られた鋳塊を常法に従って均質化処理し、皮材1用アルミニウム合金および皮材2用アルミニウム合金についてはさらに熱間圧延した後、芯材用アルミニウム合金の鋳塊に表7、表8に示す組合せで、皮材1を20%、芯材を70%、皮材2を10%の厚さの比率で重ね合わせた後、熱間クラッド圧延し、次いで冷間圧延(場合により中間焼鈍を実施)を行い、最終焼鈍を経て、厚さ0.20mmの3層クラッド材(H14材調質)を製造した。
試験1:
100×250mmに切断した後、フッ化物系フラックスをクラッド材の両面に約5g/m2塗布、乾燥後、窒素ガス雰囲気中、平均50℃/minの昇温速度で600℃(到達温度)まで加熱するろう付け加熱を行った。その後、引っ張り強さを測るためにJIS Z 2201の5号試験片に加工し、常温にてJIS Z 2241に準拠した引張り試験を行った。引張強さ120MPa以上を良好(○)、120MPa未満を不良(×)と評価した。
50×50mmに各々2枚切断し、皮材1と皮材2とが10mm重なるように治具で拘束し(図8)、フッ化物系フラックスをクラッド材の両面に約5g/m2塗布、乾燥後、窒素ガス雰囲気中、平均50℃/minの昇温速度で600℃(到達温度)まで加熱するろう付け加熱を行った。その後、皮材2側を端面も含めマスキングし、SWAAT試験(ASTM−G85−A3)を行った。腐食試験期間は8週間とし、皮材1からの貫通が無いもの、および重ね合わせ接合部が腐食剥離しなかったものを良好(○)、貫通しているもの、および重ね合わせ接合部が腐食して剥離したものを不良(×)と評価した。
25×50mmに切断した後、皮材2を試験面の水平板とし、25×50mmの3003−1.0mmtのO材を垂直板とする逆T字試験(図6)を行った。接合された試験片断面(図7)を樹脂に埋め込み、垂直板との接合面に形成されたフィレットの断面積を測定した。その後、ろうが流動した割合(ろう付け後のフィレットの断面積/ろう付け前の皮材2の断面積)を算出し、これを逆T字試験による流動係数とした。逆T字試験による流動係数の値が0.3以上を良好(○)、0.3未満を不良(×)と評価した。
25×100mmに切断した後、皮材1を、コルゲート加工されたベアフィン材と接合される側に位置するよう上下に2枚を重ね合わせ、フィン高さ10mm、フィンピッチ4mmとなるように調節して治具で拘束した後、フッ化物系のフラックスを約5g/m2をスプレー塗布、乾燥後、窒素ガス雰囲気中、平均50℃/minの昇温速度で600℃(到達温度)まで加熱するろう付け加熱を行った。フィン材はAA3203−1.5%Zn添加、板厚0.07mm、調質H14のフィン材を用いた。ろう付後のミニコア状に接合された試験片断面を樹脂に埋め込み、フィンとの接合面に形成されたフィレットの断面積を測定した。その後、ろうが流動した割合(ろう付後のフィレットの断面積/ろう付前の皮材1の断面積)を算出し、これをミニコア試験による流動係数とした。ミニコア試験による流動係数の値が0.05以上を良好(○)、0.05未満を不良(×)と評価した。
試験1で造塊した表1、表2に示す皮材1用アルミニウム合金、表3、表4に示す芯材用アルミニウム合金の鋳塊を、常法に従って均質化処理し、皮材1用アルミニウム合金をさらに熱間圧延した後、芯材用アルミニウム合金の鋳塊に表11、表12に示す組合せで、皮材1を20%、芯材を80%の厚さの比率で重ね合わせた後、熱間クラッド圧延し、次いで冷間圧延(場合により中間焼鈍を実施)を行い、最終焼鈍を経て、厚さ0.20mmの2層クラッド材(H14材調質)を製造した。得られた2層クラッド材について、以下に示す試験1〜3を行った。
100×250mmに切断した後、フッ化物系フラックスをクラッド材の両面に約5g/m2塗布、乾燥後、窒素ガス雰囲気中、平均50℃/minの昇温速度で600℃(到達温度)まで加熱するろう付け加熱を行った。その後、引っ張り強さを測るためにJIS Z 2201の5号試験片に加工し、常温にてJIS Z 2241に準拠した引張り試験を行った。引張強さ120MPa以上を良好(○)、120MPa未満を不良(×)と評価した。
50×50mmに各々2枚切断し、皮材1と皮材2とが10mm重なるように治具で拘束し(図8)、フッ化物系フラックスをクラッド材の両面に約5g/m2塗布、乾燥後、窒素ガス雰囲気中、平均50℃/minの昇温速度で600℃(到達温度)まで加熱するろう付け加熱を行った。その後、皮材2側を端面も含めマスキングし、SWAAT試験(ASTM−G85−A3)を行った。腐食試験期間は8週間とし、皮材1からの貫通が無いもの、および重ね合わせ接合部が腐食剥離しなかったものを良好(○)、貫通しているもの、および重ね合わせ接合部が腐食して剥離したものを不良(×)と評価した。
25×100mmに切断した後、皮材1を、コルゲート加工されたベアフィン材と接合される側に位置するよう上下に2枚を重ね合わせ、フィン高さ10mm、フィンピッチ4mmとなるように調節して治具で拘束した後、フッ化物系のフラックスを約5g/m2をスプレー塗布、乾燥後、窒素ガス雰囲気中、平均50℃/minの昇温速度で600℃(到達温度)まで加熱するろう付け加熱を行った。フィン材はAA3203−1.5%Zn添加、板厚0.07mm、調質H14のフィン材を用いた。ろう付後のミニコア状に接合された試験片断面を樹脂に埋め込み、フィンとの接合面に形成されたフィレットの断面積を測定した。その後、ろうが流動した割合(ろう付後のフィレットの断面積/ろう付前の皮材1の断面積)を算出し、これをミニコア試験による流動係数とした。ミニコア試験による流動係数の値0.05以上を良好(○)、0.05未満を不良(×)と評価した。
試験AおよびBで作製した皮材1、芯材、皮材2の組み合わせからなる前記試験材1〜25、および47〜71(以下、組み合わせNo.1〜25、47〜71という)において、均質化処理、熱間クラッド圧延、冷間圧延、中間焼鈍、最終冷間圧延、最終焼鈍からなる製造工程の条件を変更して、厚さ0.20mmのクラッド材を製造した。製造条件を表15、表16に示し、各組み合わせNo.の製造条件を表17〜20に示す。得られたクラッド材を試験材として、以下の試験5、試験6を行った。
試験材をJIS Z 22015号試験片に加工し、常温でJIS Z 2241に準拠した引張り試験を行った。引張り試験における材料の伸びが10%以上を良好(○)、10%未満を不良(×)と評価した。
試験材を所定の厚さに切断して試験片とし、エリクセン試験機を用いて、皮材1側が凸側となるようにしてエリクセン試験を行った。張り出し部から定常部の厚さが加工度0〜20%になるように調整した。その後、加工された試験片の両面にフッ化物系フラックスを約5g/m2塗布、乾燥後、窒素ガス雰囲気中で平均50℃/minの昇温速度で600℃(到達温度)まで加熱するろう付け加熱を行った。その後、未加工部および低加工部の侵食深さを測定し、最もエロージョンの深い部分が板厚の芯材厚さの20%に達する場合を不良(×)、20%未満のものを良好(○)と評価した。
2 皮材2(内面クラッド材)
3 芯材
F ベアフィン
BF ブレージングフィン
Claims (18)
- 熱交換器の冷媒通路を形成するためのアルミニウム合金クラッド材であって、Si:0.5〜1.2%、Cu:0.2〜1.0%、Mn:1.0〜1.8%を含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成される芯材の一方の面に、Si:3〜6%、Zn:2〜8%を含有し、さらにMn:0.3〜1.8%、Ti:0.05〜0.30%の1種または2種を含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成される皮材1をクラッドし、前記芯材の他方の面にSi:6〜13%を含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成される皮材2をクラッドした3層クラッド材で、前記皮材1を冷媒通路の反対面側にして使用することを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記芯材が、さらにCr:0.30%以下、Zr:0.30%以下の1種または2種含むことを特徴とする請求項1記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記芯材が、さらにMg0.5%以下を含むことを特徴とする請求項1または2記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材1が、さらにSr:0.005〜0.05%を含むことを特徴とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材1が、さらにCr:0.30%以下、Zr:0.30%以下の1種または2種を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材1が、さらにIn:0.001〜0.10%、Sn:0.001〜0.10%の1種または2種を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材1が、Niの含有量を0.05%未満に制限することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材2が、さらにSr:0.005〜0.05%を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材2が、さらにCu:0.1〜0.5%を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記請求項1〜9のいずれかに記載のアルミニウム合金クラッド材を製造する方法であって、芯材を構成するアルミニウム合金の鋳塊を550〜620℃で2〜20h均質化処理し、該鋳塊と皮材1および皮材2を構成するアルミニウム合金とをクラッドして熱間圧延、冷間圧延を行い、冷間圧延の途中で300〜400℃で2〜5hの熱処理を行って芯材を再結晶組織とし、その後、圧下率10〜40%の冷間圧延を行って最終板厚とし、最終板厚において200〜450℃で2〜5hの熱処理を行って回復処理を施すことを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金クラッド材の製造方法。
- 熱交換器の冷媒通路を形成するためのアルミニウム合金クラッド材であって、Si:0.5〜1.2%、Cu:0.2〜1.0%、Mn:1.0〜1.8%を含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成される芯材の一方の面に、Si:3〜6%、Zn:2〜8%を含有し、さらにMn:0.3〜1.8%、Ti:0.05〜0.30%の1種または2種を含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成される皮材1をクラッドした2層クラッド材で、前記皮材1を冷媒通路の反対面側にして使用することを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記芯材が、さらにCr:0.30%以下、Zr:0.30%以下の1種または2種含むことを特徴とする請求項11記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記芯材が、さらにMg0.5%以下を含むことを特徴とする請求項11または12記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材1が、さらにSr:0.005〜0.05%を含むことを特徴とすることを特徴とする請求項11〜13のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材1が、さらにCr:0.30%以下、Zr:0.30%以下の1種または2種を含むことを特徴とする請求項11〜14のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材1が、さらにIn:0.001〜0.10%、Sn:0.001〜0.10%の1種または2種を含むことを特徴とする請求項11〜15のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材1が、Niの含有量を0.05%未満に制限することを特徴とする請求項11〜16のいずれかに記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
- 前記請求項11〜17のいずれかに記載のアルミニウム合金クラッド材を製造する方法であって、芯材を構成するアルミニウム合金の鋳塊を550〜620℃で2〜20h均質化処理し、該鋳塊と皮材1を構成するアルミニウム合金とをクラッドして熱間圧延、冷間圧延を行い、冷間圧延の途中で300〜400℃で2〜5hの熱処理を行って芯材を再結晶組織とし、その後、圧下率10〜40%の冷間圧延を行って最終板厚とし、最終板厚において200〜450℃で2〜5hの熱処理を行って回復処理を施すことを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金クラッド材の製造方法。
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