JP2011007385A - アルミニウム合金製熱交換器および該アルミニウム合金製熱交換器の冷媒通路管用アルミニウム合金押出材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【構成】Mn:0.5〜1.7%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押出材を冷媒通路管とし、該冷媒通路管に、Mn:0.8〜1.7%、Zn:0.2〜3.5%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芯材にAl−Si系アルミニウム合金ろう材をクラッドしたクラッドフィンをろう付け接合してなる熱交換器であって、ろう付け後の前記冷媒通路管の表層部に、ろう付け加熱中にクラッドフィンから蒸発し冷媒通路管表面に再付着して内部に拡散したZnの拡散層が形成されていることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
Mn:
冷媒通路管用アルミニウム合金押出材中のMnは、熱交換器をろう付け加熱接合した後に母相中に固溶し、従来、自動車熱交換器用アルミニウム押出多穴管として使用される純アルミニウム系材料と比べて高強度化が可能になる。Mnの好ましい含有量は0.5〜1.7%の範囲であり、0.5%未満では高強度化の効果は小さく、1.7%を超えて含有すると押出性が低下する。Mnのさらに好ましい含有範囲は0.6%〜1.5%である。
Tiを添加した場合、冷媒通路管中にTiの高濃度の領域と低濃度の領域を形成し、これらの領域が管の肉厚方向に交互に層状に分布し、Tiが低濃度の領域は高濃度の領域に比べて優先的に腐食するために、腐食形態が層状になり肉厚方向への腐食の進行が抑制される。これにより耐孔食性および耐粒界腐食性が向上する。さらに、Tiの含有により常温及び高温での強度が向上する。Tiの好ましい含有量は0.30%以下の範囲であり、0.30%を超えると、鋳造時に巨大晶出物が生成し、健全な冷媒通路管の製造が困難となる。
本発明の冷媒通路管用アルミニウム合金においては、Cuを0.10%未満に制限するのが好ましい。Cuを0.10%未満に制限することにより、熱交換器をろう付け加熱接合した後の使用時において、特に高温使用時における粒界腐食を抑制することが可能になる。Cu量が0.10%以上では、特にCO2冷媒サイクルなどでの使用においては、作動温度が150℃付近の高温になり粒界へのCu等の析出が顕著に生じて粒界腐食が生じる。Cu量が0.10%未満の場合には粒界腐食が生じることはない。また、Cuの添加は著しく押出性を低下させるため、この点からも添加量は制限する必要がある。Cuのより好ましい含有範囲は0.05%以下であり、さらに好ましい含有範囲は0.03%以下である。
Zn:
本発明において、Znを含有するフィンを押出冷媒通路管に組み付けてろう付けすると、ろう付け中にフィン表面からZnが蒸発し冷媒通路管表面に付着し、さらに付着したZnは冷媒通路管の板厚方向に拡散し、表層に濃度勾配をもつZn拡散層が形成される。このZn拡散層が冷媒通路管の表層電位を卑化し、板厚方向に対して表層が卑で深部が貴となる電位勾配を形成する。この結果、冷媒通路管は表層が犠牲陽極となって深部は陰極防食され、腐食による貫通を抑制することができる。フィンから蒸発し冷媒通路管に付着するZn量は、組み合わせるフィンの形状により影響を受ける。冷媒通路管表面からフィン表面までの距離が短い場合は、長い場合と比べてより多くのZnが付着する。このことから、効率よくZnを冷媒通路管に付着させるには、コルゲート形状のフィンを使用することがより望ましい。コルゲート形状のフィンを使用する場合、そのフィンピッチ及びフィン高さにより、冷媒通路管に付着するZn量は異なる。
Mnはフィン材の強度を向上させる。Mnの好ましい含有量は0.8〜1.7%の範囲であり、0.8%未満ではその効果が小さく、1.7%を超えると、鋳造時に巨大晶出物が生成し健全なフィン材の製造が困難となる。
CrおよびZrは、ろう付け後の結晶粒径を粗大にさせ、ろう付け加熱途中におけるフィンの座屈を低減させる効果がある。CrおよびZrの好ましい含有量はいずれも0.3%以下の範囲であり、0.3%を超えて含有すると、鋳造時に巨大晶出物が生成し、健全なフィン材の製造が困難となる。
In、Snは、微量の添加によってフィン材の電位を卑にし、冷媒通路管に対する犠牲陽極効果を発揮し、冷媒通路管の孔食の発生を防止する。InおよびSnの好ましい含有量はいずれも0.001〜0.10%の範囲であり、0.001%未満ではその効果が小さく、0.10%を超えるとフィン材の自己耐食性が低下する。上記フィン材の芯材にクラッドするAl−Si系アルミニウム合金ろう材として、公知のものを適用することができるが、ろう材にZnを含有すると腐食が顕著となるから、ろう材中のZn量は0.5%未満とするのが望ましい。さらに好ましいろう材中のZn量は0.3%未満である。
上記の組成を有する冷媒通路管用アルミニウム合金を溶解、通常の半連続鋳造により造塊し、得られた鋳塊を、400〜650℃の温度で4時間以上保持する均質化処理を施した後、熱間押出加工する。この均質化処理により、鋳造凝固時に形成される粗大な晶出物を分解あるいは粒状化させ、鋳造時に生じた偏析層などの不均一な組織を均質化させることができる。熱間押出時に、粗大な晶出物が残存していたり、鋳造時に形成される偏析層などの不均一組織が残存していると、それらが押出時の抵抗になり押出性を低下させたり、押出後の製品の表面粗度の低下を招く。
冷媒通路管用として、発明材として表1に示す組成を有するアルミニウム合金A〜Lのビレット、および、比較材として表2に示す組成を有するアルミニウム合金M〜Tのビレットを鋳造した。なお、アルミニウム合金Tは従来合金として一般的に広く使用されているものである。これらのビレットを用いて、以下の試験1、2、3を実施した。
発明材および比較材について、ビレットを600℃で10hの均質化処理後、多穴管に熱間押出加工した。その際、押出時の限界押出速度比(アルミニウム合金Tの限界押出速度との比率)を調査した。その結果を表3および表4に示す。限界押出速度比が1.0を超えるものは押出性良好、1.0以下のものは押出性不良と評価する。
試験1で熱間押出加工した多穴管について、ろう付け加熱を実施した。加熱条件は窒素ガス雰囲気中で平均50℃/minの昇温速度にて600℃まで加熱し、3分保持後に室温まで降温した。その後、常温にて引張試験を実施した。その結果を表3および表4に示す。引張強さがアルミニウム合金Tを超えるものは良好とし、アルミニウム合金T以下のものは不良と評価する。
発明材CおよびDのビレットについて、表5および表6に示す条件で均質化処理を行い、同様にして多穴管に熱間押出加工し、押出時の限界押出速度比(アルミニウム合金Tの限界押出速度との比率)を調査した。昇温速度は50℃/h、第1段熱処理から第2段熱処理を連続で行う場合の降温速度は25℃/h、第2段熱処理終了後の降温速度は炉出放冷とした。結果を表5および表6に示す。限界押出速度比が1.0を超えるものは押出性良好、1.0以下のものは押出性不良と評価する。
フィン材用として、発明材として表7に示す組成を有するアルミニウム合金の芯材とろう材(記号a〜l)、比較材として表8に示す組成を有するアルミニウム合金の芯材とろう材(記号m〜y)のスラブを鋳造した。これらのスラブについて、所定の均質化処理、熱間圧延および冷間圧延を行い、ろう材が芯材の両面に10%のクラッド率でクラッドされた0.1mm厚さのクラッドフィン材に仕上げた後、表9および表10に示す寸法にコルゲート加工を施し、表9および表10に示すように冷媒通路管(合金記号を示す)と組み合わせて熱交換器コアをろう付けにより作製した。
熱交換器コアについて、高温使用を模擬して150℃で120時間熱処理を施した後に、ISO11846 method Bに規定される方法にて粒界腐食試験を実施した。その結果を表9および表10に示す。冷媒通路管に粒界腐食が発生しなかったものは粒界腐食なしとし、粒界腐食が発生したものは発生程度を記載した。
熱交換器コアの冷媒通路管表面のZn濃度、Zn拡散深さおよび表面と深部の電位およびそれらの電位差、並びにフィン材の電位および冷媒通路管表面とフィン材の電位差を測定した。冷媒通路管表面のZn濃度、Zn拡散深さは、コアの断面を樹脂埋めし、肉厚方向にEPMA線分析した結果から求めた。Zn拡散深さは、Zn濃度が0.01%となった深さとした。電位は、冷媒通路管表面とフィン材はろう付け後そのままの表面を、冷媒通路管深部は表面から150μmの深さまで面削し、Zn拡散の及んでいない部位を測定した。測定は、酢酸でpH3に調製した5%NaCl水溶液中に24時間浸漬して行い、10時間以降の安定した測定値の平均を採用した。なお、参照電極は飽和カロメル電極を用いた。その結果を表11および表12に示す。
熱交換器コアについて、ASTM−G85−Annex A3に規定されるSWAAT試験と、以下に示すCCT試験をそれぞれ1000h実施した。CCT試験は酢酸でpH3に調整した5%食塩水を試験液とし、雰囲気温度35℃で2時間噴霧した後、雰囲気温度60℃で4時間乾燥させ、その後に95%RH以上の相対湿度で雰囲気温度50℃で2時間湿潤するサイクルを繰り返した。試験後の冷媒通路管の最大腐食深さ、フィンの剥がれ状況、およびフィンの腐食状況を表13および表14に示す。冷媒通路管の最大腐食深さは、0.05mm以下を◎、0.05mmを超え0.10mm以下を○、0.10mmを超え0.20mm以下を△、0.20mmを超えるものを×と評価した。フィンの剥がれについては、剥がれなしを○、剥がれ有りを×とした。また、フィンの腐食については、ほとんど無しを◎、軽微を○、中程度を△、顕著を×と評価した。
Claims (10)
- Mn:0.5〜1.7%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押出材を冷媒通路管とし、該冷媒通路管に、Mn:0.8〜1.7%、Zn:0.2〜3.5%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芯材にAl−Si系アルミニウム合金ろう材をクラッドしたクラッドフィンをろう付け接合してなる熱交換器であって、ろう付け後の前記冷媒通路管の表層部に、ろう付け加熱中にクラッドフィンから蒸発し冷媒通路管表面に再付着して内部に拡散したZnの拡散層が形成されていることを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器。
- 前記冷媒通路管用アルミニウム合金押出材が、さらにTi:0.30%以下、Sr:0.10%以下、Zr:0.30%以下のうちの1種以上を含有することを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金製熱交換器。
- 前記冷媒通路管用アルミニウム合金押出材が、Cu含有量を0.10%未満に規制することを特徴とする請求項1または2記載のアルミニウム合金製熱交換器。
- 前記クラッドフィンのアルミニウム合金芯材が、さらにSi:0.2〜0.6%、Fe:0.1〜0.7%、Mg:0.05〜0.3%、Cu:0.5%以下のうちの1種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器。
- 前記クラッドフィンのアルミニウム合金芯材が、さらにCr:0.3%以下、Zr:0.3%以下の1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器。
- 前記クラッドフィンのアルミニウム合金芯材が、さらにTi:0.3%以下を含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器。
- 前記クラッドフィンのアルミニウム合金芯材が、さらにIn:0.001〜0.10%、Sn:0.001〜0.10%の1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器の冷媒通路管用アルミニウム合金押出材を製造する方法であって、請求項1〜3のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金の鋳塊に400〜650℃の温度で4時間以上保持する均質化熱処理を施した後、熱間押出加工することを特徴とする冷媒通路管用アルミニウム合金押出材の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器の冷媒通路管用アルミニウム合金押出材を製造する方法であって、請求項1〜3のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金の鋳塊に570〜650℃の温度で2時間以上保持する第1段熱処理と、その後400〜550℃の温度に降温して3時間以上保持する第2段熱処理からなる均質化熱処理を施した後、熱間押出加工することを特徴とする冷媒通路管用アルミニウム合金押出材の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器の冷媒通路管用アルミニウム合金押出材を製造する方法であって、請求項1〜3のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金の鋳塊に570〜650℃の温度で2時間以上保持する第1段熱処理と、その後一旦常温まで降温した後、400〜550℃の温度で3時間以上保持する第2段熱処理からなる均質化熱処理を施した後、熱間押出加工することを特徴とする冷媒通路管用アルミニウム合金押出材の製造方法。
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