JP2011179107A - 押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材 - Google Patents

Abstract

【課題】かしめ加工のために中空部内面に凹凸の溝を有するような複雑な形状が押出可能であり、さらに配管材に対して犠牲陽極特性を持つ、押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金を提供する。
【解決手段】Ｓｉ：０．２〜０．８％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．４５〜０．９％、Ｚｎ：１．０〜３．５％、Ｔｉ：０．００１〜０．２％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなる押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材を得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱交換器に配管を接続するための、押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材に関するものである。

従来、例えば、熱交換器に用いられるコネクタと配管との接続方法として、ろう付けが用いられてきた。ろう付けは接合の信頼性は高いが、接合コストが高いことが問題であった。そこで近年、低コスト化のために、ろう付けに代わり、機械的なかしめ接合が主流になりつつある。しかしながら、かしめ接合を行うためには、コネクタ中空部内面に凹凸の溝が必要となる。

コネクタ用合金として、従来はＡ７Ｎ０１、Ａ７００３といったＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金やＡ３００４に代表されるＡｌ−Ｍｎ系合金が用いられてきた。これらの合金を用いて押出加工によりかしめ用の内面溝付きコネクタを製造する場合、押出時の変形抵抗が高いため、溝部の寸法精度が悪くなり、押出材の溝部を再度機械加工する必要がある。このような観点から、近年ではダイキャスト法によるコネクタの製造が主流になりつつある。しかしながら、ダイキャスト材の場合は切削による２次加工が必要になる。従って、従来の押出法あるいはダイキャスト法はいずれもコスト高になってしまうという問題があった。

一方、接合すべき配管材としては、Ａ６０６３に代表されるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、または、Ａ３００４に代表されるＡｌ−Ｍｎ系合金が用いられている。近年、自動車部品の長寿命化要請に伴って、配管の耐食性の向上が求められており、その対応として、コネクタ材を犠牲陽極材として利用する方法が取られるようになってきている。

犠牲陽極特性を持つコネクタ用合金として、例えば、特許文献１には、Ｚｎ：２〜１０％、Ｓｉ：２〜７％を必須元素とし、さらにＦｅ：０．５〜１．５％及び／またはＭｎ：０．１〜１．５％を含有し、残部をＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金が用いられている。

しかしながら、上記合金はダイキャスト用合金であり、湯流れ性を良くするために多量のＳｉを含有しており、熱間成形時の時効硬化によって押出形成が困難となり、押出用合金としては不向きである。また、Ｓｉを添加するとアルミニウム合金、すなわちコネクタの電位は貴となり、接合すべき配管材を腐食させてしまうことから、多量のＺｎを添加してアルミニウム合金の電位を低下させる必要がある。しかしながら、多量のＺｎを含むことにより、アルミニウム合金、すなわちコネクタ自身の耐食性が悪化するという新たな問題が生じる。さらに、Ｚｎを多く添加したダイキャスト材の場合、Ｚｎを均一に拡散するための拡散熱処理工程が必要となり、コストが高くなるという問題点がある。

また、特許文献２及び３にはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金にＺｎを０．２〜１．０％添加した押出用の合金が提案されている。Ｚｎ添加の目的は、粒内と粒界の電位差を小さくして粒界腐食を抑制することであるため、この合金をコネクタ材として使用した場合、Ｚｎの添加量が少ないため、配管材と十分な電位差をとることが出来ず、コネクタ材に要求される犠牲陽極特性が不十分であるという問題があった。

以上の理由から、コネクタ材として、かしめ加工のために中空部内面に凹凸の溝を有するような複雑形状が押出可能であり、さらに配管材に対して犠牲陽極特性を持つコネクタ用アルミニウム合金が求められていた。

特開２００７−９２１１３号 特開２００２−６９５５９号 特開平１０−１３０７６５号

本発明は、かしめ加工のために中空部内面に凹凸の溝を有するような複雑な形状が押出可能であり、さらに配管材に対して犠牲陽極特性を持つ、押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
Ｓｉ：０．２〜０．８％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．４５〜０．９％、Ｚｎ：１．０〜３．５％、Ｔｉ：０．００１〜０．２％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなる押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材（第１のコネクタ用アルミニウム合金押出材）に関する。

また、本発明は、Ｓｉ：０．２〜０．８％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．４５〜０．９％、Ｚｎ：１．５〜２．５％、Ｔｉ：０．００１〜０．２％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなる押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材（第２のコネクタ用アルミニウム合金押出材）に関する。

本発明者らは、コネクタ用アルミニウム合金について様々な検討を重ねた結果、上記第１及び第２のコネクタ用アルミニウム合金押出材に示すように、アルミニウム合金成分としてＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉを含み、特にＺｎの含有量を最適な量に制御することによって、押出性を低下させず、かつ配管材に対して犠牲陽極特性を持つ材料が提供可能なことを見出した。したがって、上述したコネクタ用アルミニウム合金を用いてコネクタを形成する場合、接合すべき配管材を腐食させることなく、中空内部に凹凸の溝を有するような複雑形状のコネクタを押出成形によって簡易に形成することができる。

なお、上記特許文献１（特開２００７−９２１１３号）には、本発明のコネクタ用アルミニウム合金と類似の組成を有するアルミニウム合金が開示されているが、上述したように特許文献１はコネクタをダイカストで形成するため、Ｓｉ及びＺｎの含有量が高く、特にＳｉの含有量については、本発明のアルミニウム合金におけるＳｉ含有量を超えて高くなっている。また、本発明の第２のコネクタ用アルミニウム合金押出材と比較すると、特許文献１に記載のＺｎ含有量も、第２のコネクタ用アルミニウム合金押出材のＺｎ含有量を超えて高くなっている。また、特許文献１に記載のアルミニウム合金は、Ｔｉを必須の
構成成分として含有していない。

したがって、特許文献１に記載のアルミニウム合金は、本発明のコネクタ用アルミニウム合金とは相異なるものである。

また、上記特許文献２（特開２００２−６９５５９号）にも、本発明のコネクタ用アルミニウム合金と類似の組成を有するアルミニウム合金が開示されており、このアルミニウム合金から押出成形によって所定の押出材を得ることが開示されている。しかしながら、特許文献２では、アルミニウム合金押出材をコネクタ用途に使用するような記載及び示唆は全く存在せず、したがって、アルミニウム合金が犠牲陽極特性を有することについて何らの記載がない。

また、特許文献２において、含有するＺｎは主としてアルミニウム合金における結晶粒内と、結晶粒界との電位差を小さくして、粒界腐食を抑制するように機能する。このため、本発明の第１のコネクタ用アルミニウム合金とは、Ｚｎ成分の含有量の境界（１．０質量％）が重複するものの、Ｚｎ成分含有量は概して本発明のコネクタ用アルミニウム合金のＺｎ成分含有量よりも少ない。したがって、特許文献２に記載のアルミニウム合金は、本発明のコネクタ用アルミニウム合金とは相異なるものである。

さらに、特許文献３（特開平１０−１３０７６５号）においても、本発明のコネクタ用アルミニウム合金と類似の組成を有するアルミニウム合金が開示されている。しかしながら、特許文献３においては、アルミニウム合金から圧延によって所定の圧延材を得ることが開示されており、本発明のように押出成形によって押出材を得ることについては何ら開示されていない。また、特許文献３では、アルミニウム合金押出材をコネクタ用途に使用するような記載及び示唆は全く存在せず、したがって、アルミニウム合金が犠牲陽極特性を有することについて何らの記載がない。

さらに、特許文献３においても、含有するＺｎは主としてアルミニウム合金における結晶粒内と、結晶粒界との電位差を小さくして、粒界腐食を抑制するように機能する。このため、本発明の第１のコネクタ用アルミニウム合金とは、Ｚｎ成分の含有量の境界（１．０質量％）が重複するものの、Ｚｎ成分含有量は概して本発明のコネクタ用アルミニウム合金のＺｎ成分含有量よりも少ない。したがって、特許文献３に記載のアルミニウム合金は、本発明のコネクタ用アルミニウム合金とは相異なるものである。

なお、本発明の一例において、前記コネクタ用アルミニウム合金押出材は、コネクタ用途に供するため中空状にすることができる。

さらに、本発明の一例において、十分な犠牲陽極効果を奏するべく、前記コネクタ用アルミニウム合金押出材は、かしめ加工する配管部材に対して電位が１００ｍＶ以上低くすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、かしめ加工のために中空部内面に凹凸の溝を有するような複雑な形状が押出可能であり、さらに配管材に対して犠牲陽極特性を持つ、押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金を提供することができる。

本発明のコネクタ用アルミニウム合金から得たコネクタ一例を示す構成図である。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、実施の形態に沿って説明する。

（コネクタ用アルミニウム合金押出材）
最初に、本発明のコネクタ用アルミニウム合金押出材の成分元素の添加理由及び添加量について説明する。

＜Ｓｉについて＞
Ｓｉは、Ｍｇと反応してＭｇ_２Ｓｉ化合物を形成し、熱間成形、すなわち押出成形後の人工時効処理において強度を増大させたり、ＭｎやＦｅとともにＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の微細な金属間化合物を形成したりする元素である。Ｓｉの含有量は、０．２〜０．８％（組成の％は質量％を表す、以下同じ）の範囲であり、０．２％未満では上述した効果が小さく、０．８％を超えると過度の時効硬化によって、高温での成形性の悪化及び押出性が低下する。

＜Ｍｇについて＞
Ｍｇは、上述したように、Ｍｇと反応してＭｇ_２Ｓｉ化合物を形成することで、押出成形後の人工時効処理において強度を増大させたり、アルミニウム母相中に固溶して固溶強化により強度を向上させたりする効果がある。Ｍｇの含有量は、０．４５〜０．９％であり、０．４５％未満ではその効果が小さく、０．９％を超えると過度の時効硬化によって、高温での成形性の悪化及び押出性が低下する。

＜Ｚｎについて＞
Ｚｎは、本発明のコネクタ用アルミニウム合金押出材において特に重要な役割を担うものであって、このアルミニウム合金押出材の電位を接続すべく配管部材に対して卑にする効果を持つ元素である。Ｚｎ含有量は１．０〜３．５％である。Ｚｎ含有量が１．０％未満では配管部材に対して、コネクタ用アルミニウム合金押出材の電位を十分に卑にすることができず、十分な犠牲陽極特性を得ることができない。一方、Ｚｎ含有量が３．５％を超えると、アルミニウム合金の電位を卑にする効果が飽和して犠牲陽極特性が飽和するうえ、押出性が低下する。

なお、押出性と犠牲陽極効果を考慮した場合、Ｚｎ含有量は、１．５％〜２．５％とすることが好ましい。

また、Ｚｎ含有量を上述の範囲に設定することによって、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（例えば、ＪＩＳ６０６３合金）あるいはＡｌ−Ｍｎ系合金（例えば、ＪＩＳ３００３合金あるいはＪＩＳ３００４合金）のような組成成分の配管部材に対して、コネクタ用アルミニウム合金押出材の電位を１００ｍＶ以上、好ましくは１５０ｍＶ以上低くすることができる。

＜Ｔｉについて＞
Ｔｉは、アルミニウム合金の鋳塊組織を微細化する作用を有するとともに、固溶強化により強度を向上させ、また耐食性を向上する機能を有している。Ｔｉの含有量は、０．００１〜０．２％である。Ｔｉ含有量が０．００１％未満では、上述した作用効果が十分でなく、０．２％を超えると巨大金属間化合物を形成しやすくなり、加工性を低下させる。より好ましくは、０．０１〜０．０５％である。

＜不可避的不純物＞
不可避的不純物はアルミニウム合金を鋳造する際に、地金、添加元素合金等様々な経路から混入する。特にＦｅはアルミニウム地金中に最も多く含まれる元素であり、０．３５％を超えると鋳造時にＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の晶出物が形成され、加工性が低下する。従って、Ｆｅの含有量は０．３５％以下とする。その他の不可避的不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以下であれば本発明合金に対して影響は無い。

（コネクタ用アルミニウム合金押出材の特性）
本発明のコネクタ用アルミニウム合金押出材が上述のような組成成分を有することにより、この押出材は様々な形状が押出可能であるが、特に配管部材とのかしめ接合用コネクタ材としては、中空部を有する押出材のほうが押出後の切削加工が不要になるため、加工コストを抑えることが出来る。さらに、中空部の内面には凹凸の溝を有するとなお好ましい。

また、配管部材との電位差が１００ｍＶより小さい場合、上記コネクタ用アルミニウム合金押出材の犠牲陽極特性が不十分であり、配管部材の規定の寿命を満足することが出来ない。したがって、コネクタ用アルミニウム合金押出材の電位は配管部材の電位よりも１００ｍＶ以上低いことが好ましく、さらには１５０ｍＶ以上低いことが好ましい。

なお、このような条件は、コネクタ用アルミニウム合金押出材を上述のような組成成分に規定し、接合すべき配管部材を例えば上述のような組成成分の合金とすることによって、自ずから実現することができる。

（コネクタ用アルミニウム合金押出材のかしめ加工）
最初にコネクタ用アルミニウム合金押出材を製造するが、この押出材は以下に説明するような定法によって製造することができる。

＜溶解、鋳造、均質化熱処理＞
溶解、鋳造工程では、上述した組成成分内に溶解調整されたアルミニウム合金溶湯を、連続鋳造圧延法、半連続鋳造法（ＤＣ鋳造法）等の通常の溶解鋳造法を適宜選択して鋳造する。次いで、前記鋳造されたＡｌ合金鋳塊に均質化熱処理を施す。均質化熱処理の温度自体は、常法通り、５００℃以上で融点未満の均質化温度が適宜選択される。

＜溶体化および焼入れ処理＞
本発明においては、必要に応じて溶体化処理及び／又は焼入れ処理を行うことができる。溶体化および焼入れ処理を行なうと、粗大なＭｇ_２Ｓｉ金属間化合物を十分固溶させることができる。溶体化処理後に、この粗大なＭｇ_２Ｓｉ金属間化合物が固溶していない場合、人工時効処理後の強度低下の原因となる。これらの効果を出すための溶体化処理条件は、５００〜５６０℃の温度範囲で行うのが好ましい。

溶体化処理温度からの焼入れ処理では、冷却速度が遅いと、粒界上にＳｉ、Ｍｇ_２Ｓｉなどが析出しやすくなり、成形時の割れの起点となり易く、これら成形性が低下する。この冷却速度を確保するために、焼入れ処理は、ファンなどの空冷、ミスト、スプレー、浸漬等の水冷手段や条件を各々選択して用い、冷却速度を１０℃／秒以上の急冷とすることが好ましい。

＜押出加工＞
上述のようにＡｌ合金鋳塊を得た後、この鋳塊に対して押出加工を行い、目的とする形状及び寸法の押出材（本実施形態では、コネクタ）を得る。Ａｌ合金鋳塊に対する押出加工は、例えばポートホール法やマンドレル法などの方法を用いて行うことができる。

＜かしめ加工＞
図１は、本発明のアルミニウム合金押出材を用いて得たコネクタの一例を示す構成図である。

本実施形態におけるコネクタ１０は、図１に示すように、前方後円墳型を呈しており、方形部１１には固定手段としてボルトを挿入するための第１の貫通孔１３が形成されており、円形部１２には所定の配管部材を挿入するための第２の貫通孔１４が形成されている。また、第２の貫通孔１４の側面には、相対向するようにして２対の凹凸部１５が形成されている。

したがって、図１に示すコネクタ１０の第２の貫通孔１４に対して所定の配管部材を挿入した後、コネクタ１０をかしめることによって、コネクタ１０に対して凹凸部１５を介して配管部材が固定されるようになり、コネクタ１０と配管部材との接続を行うことができるようになる。

以下、本発明を実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。なおこの実施例は、飽くまでこの発明の効果を説明するためのものであり、この発明の技術的範囲が実施例により制限されるものではないことはもちろんである。

表１に示す組成の合金を、半連続鋳造法により作製し、その後５６５℃にて４時間の均質化処理を行った。このビレットを５００℃に加熱し、ポートホール押出により押出速度５ｍ／分にて押出し、図１に示すようなコネクタ１０を形成した。なお、コネクタ１０の円形部１２の幅Ｗは３０ｍｍとし、コネクタ１０の全体の長さＬは５０ｍｍとした。また、第１の貫通孔１３の直径ｒは１０ｍｍとし、第２の貫通孔１４の直径Ｒは１６ｍｍとした。

１．押出性
押出性の評価として、製品表面及び内表面に割れが生じなかったものを◎、内表面凸部にのみ微小な割れが生じたものを○、外表面及び内表面に割れを生じたものを×とした。

２．引張試験
引張試験は１８０℃×６ｈの人工時効処理を実施した後、押出材（コネクタ）からＪＩＳ４号引張試験片を切り出し、ＪＩＳＺ２２０１に基づいて引張試験を行った。

３．耐食性試験
耐食性試験としては、表１に示す合金の押出を行ったコネクタにＪＩＳ６０６３合金で作製した押出パイプをかしめ加工によって組み合わせたものを試験片として、ＪＩＳＺ２３７１に基づいた塩水噴霧試験を実施し、１０００ｈ暴露後のコネクタ材の最大孔食深さの測定及び配管材の漏れ試験を行った。

４．コネクタ材自然電位測定
自然電位の測定は、前処理として６０℃の５％ＮａＯＨ溶液に３０秒間浸漬後、３０％ＨＮＯ_３溶液に６０秒浸漬した試験片を、５％ＮａＣｌ−１５ｍＬ／Ｌ酢酸溶液に浸漬し、３０分後の自然電位測定を行った。また、配管部材として、６０６３−Ｔ５材の自然電位も同様に測定を行い、表１に示す合金との電位差を測定した。
これらの評価結果を表２に示す。

表２に示す評価結果について説明する。合金Ｎｏ．Ａ〜Ｊは、請求項１に示す範囲のものであり、機械的性質、犠牲陽極特性、押出性、耐食性が全て優れている。特に、合金Ｎｏ．Ｂ及び合金Ｎｏ．Ｄ〜ＪはＺｎが好ましい数値の範囲内であるため、電位差が１５０ｍＶ以上あり、かつ押出性に優れているものである。一方、合金Ｎｏ．Ｋ、Ｎは、Ｓｉ、Ｍｇが本発明範囲の下限を下回っているため、強度が低下し、コネクタとして要求される強度を満足していない。合金Ｎｏ．Ｌ、Ｍは、Ｓｉ、Ｍｇが本発明範囲の上限を超えているため、押出時に表面欠陥が発生し、良好な押出材が得られなかった。合金Ｎｏ．Ｏは、Ｚｎが本発明範囲の下限を下回っており、配管材との電位差が１００ｍＶに達していないため、配管材に対して十分な犠牲陽極特性を得ることが出来ない。
また、合金Ｎｏ．Ｐは、Ｚｎが本発明の上限を上回っているため、耐食性試験においてコネクタ材に著しい腐食が発生した。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

Claims (5)

1. Ｓｉ：０．２〜０．８％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．４５〜０．９％、Ｚｎ：１．０〜３．５％、Ｔｉ：０．００１〜０．２％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなる押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材。
2. Ｓｉ：０．２〜０．８％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．４５〜０．９％、Ｚｎ：１．５〜２．５％、Ｔｉ：０．００１〜０．２％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなる押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材。
3. 前記コネクタ用アルミニウム合金押出材は、中空状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材。
4. 前記コネクタ用アルミニウム合金押出材は、かしめ加工する配管部材に対して電位が１００ｍＶ以上低いことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材。
5. 前記配管部材がＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金あるいはＡｌ−Ｍｎ系合金であることを特徴とする、請求項４に記載の押出性及び犠牲陽極特性に優れたコネクタ用アルミニウム合金押出材。

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