JP2011247459A - アルミニウム合金製熱交換器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルミニウム合金押出材からなる偏平管の表面にアルミニウム合金フィンを組み付けてろう付け接合してなるアルミニウム合金製熱交換器を製造する方法であって、前記扁平管は、質量%で、Mn:0.5〜1.7%を含有し、Siを0.10%未満、Cuを0.10%未満に制限し、残部Alと不可避的不純物からなるアルミニウム合金押出材により構成され、前記フィンはAl−Mn−Zn系合金材を成形してなるコルゲートフィンであり、前記塗料はSi粉末とZnを含有する化合物系フラックス粉末とZnを含有しない化合物系フラックス粉末とバインダを混合してなり、Si粉末の塗布量を4g/m2を超え7g/m2以下とした。
【選択図】なし
Description
Mn:
冷媒通路管を構成するアルミニウム合金押出材はMn:0.5〜1.7%を含有する。Mnは、自動車用熱交換器をろう付け加熱接合した場合、母相中に固溶し、従来の自動車熱交換器用押出多穴管合金である純アルミニウム系合金と比べて高強度化が可能となる。Mn含有量が0.5%未満では高強度化効果は小さく、1.7%を超えて含有すると押出性が低下する。Mnのより好ましい含有量は0.6〜1.5%である。
Siは0.10%未満に制限される。その効果はつぎのとおりである。冷媒通路管表面へ塗布されたSi粉末は、ろう付け加熱により冷媒通路管に拡散し、冷媒通路管合金中のMnとAlMnSi系金属間化合物を形成し析出する。このため、冷媒通路管合金のSi拡散層内ではMn及びSiの固溶度が低下し、Si拡散層よりも深くSiが未拡散の部位と比べて電位が卑化して、表面からSi拡散層深さまでは、それより深い部位に対して犠牲陽極層として作用し、深さ方向への腐食貫通寿命を向上させることができる。
Cuは0.10%未満に制限される。その効果はつぎのとおりである。まず、Cuの添加は、前記のようにMnと比べて著しく押出性を低下させるため、この観点からも添加量は制限する必要がある。つぎに、一般的にZnを添加すると電位は卑化し、Cuを添加すると電位は貴化することが知られているが、発明者らはZnとCuが共存する場合について、特にZn含有量が少ない場合にはCuによる電位貴化効果の方が顕著に作用することを見出した。本発明の場合、Znを含有するフラックス粉末によりろう付け時に形成されるZn拡散層は、従来のZn溶射等によりろう付け時に形成されるZn拡散層と比べて、表層Zn濃度が低くなる。さらに本発明においてはZnを含有しないフラックスも混合するため、表層Zn濃度はさらに低くなる。このため、もし冷媒通路管にCuが0.10%以上含有されている場合、前記のZnを含有するフラックス粉末により形成されたZn拡散層による電位卑化効果を、含有Cuの電位貴化効果が相殺してしまい、Zn拡散層が存在するにもかかわらず、冷媒通路管表層の電位が卑化せず、冷媒通路管の板厚方向に対して表層が卑で深部が貴になる電位勾配を形成することができない。これでは冷媒通路管自体で表層を犠牲陽極にして深部を防食し、貫通寿命を向上させることができず、また、実際には塗布されたSi粉末により冷媒通路管表層にはSi拡散層が存在し、このSi拡散層も表層電位を貴化する方向に作用する。
冷媒通路管を構成するアルミニウム合金押出材には、0.30%以下のTi、0.10%以下のSr、0.30%以下のZrのうちの1種または2種以上を含有させることができる。
Tiは、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添加により常温及び高温での強度が向上する。Ti添加量が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。
製造工程(1)は、冷媒通路管を構成する前記の組成を有するアルミニウム合金押出材の鋳塊に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とを特徴とする。この処理により、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。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。均質化処理温度が400℃未満では上記の反応が進み難い。均質化処理温度が高温であればあるほど、このような反応は促進されるが、高すぎると溶融のおそれがあるため上限は650℃とする。より好ましい均質化処理温度は430〜620℃である。また、処理時間は長い方が反応が進むため、好ましくは10時間以上処理を行うのがよい。しかし24時間を超えて処理を行っても、それ以上の効果は得られ難く逆に不経済となるため、10〜24時間処理を行うのが好ましい。
製造工程(2)は、高温の均質化処理と低温の均質化処理を組み合わせて実施する工程であり、鋳塊を550〜650℃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した後に、熱間押出加工することを特徴とする。この工程により、熱間押出性がさらに向上し、熱間押出時のアルミカスの発生を低減させることが可能となる。アルミカスとは押出時にダイス内に堆積したアルミニウム片がある程度の大きさになった時にダイスから排出され、押出された冷媒通路管の表面に付着する欠陥のことをいう。高温の第一段処理は、550〜650℃で2時間以上保持を行う。この処理により、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だけでなく、積極的に再固溶させることができる。均質化処理温度が550℃未満では再固溶が進み難い。均質化処理温度は高温であればあるほど、上記の反応は促進されるが、高すぎると溶融するおそれがあるため上限は650℃とする。より好ましい処理温度は580〜620℃である。また、処理時間は長い方が反応が進むため、好ましくは5時間以上処理を行うのがよい。しかし24時間を超えて処理を行っても、それ以上の効果は得られ難く逆に不経済となるため、好ましくは5〜24時間処理を行うのが好ましい。
なお、上記の二段均質化処理は、第1段処理により十分に均質固溶したMnを、その後特定温度で熱処理を行う第2段処理により析出させるものであり、これら二段階の均質化処理を連続的に行うかどうかは特に限定されない。すなわち、第2段処理は第1段処理後に連続して行ってもよく、あるいは、製造工程(3)として、鋳塊を550〜650℃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200℃以下まで降温した後、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行った後、熱間押出加工することもできる。
Mn:
Mnはフィン材の強度を高める。Mnの好ましい含有範囲は0.1〜1.8%であり、0.1%未満ではその効果が小さく、1.8%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。Mnのさらに好ましい含有量は0.8〜1.7%の範囲である。
Znはフィン材の電位を卑化するよう機能する。Znの好ましい含有範囲は0.8〜3.0%であり、0.8%未満では十分な電位卑化効果が期待できず、フィン電位がフィン接合部フィレットより貴化し、最卑となったフィレットの優先腐食が生じ耐フィン剥がれ性が低下する。さらに、冷媒通路管より貴化した場合には、冷媒通路管に対してカソードとして作用し冷媒通路管の耐食性が低下する。3.0%を超えると、電位は十分に卑になるが、フィン材の自己耐食性が低下するとともに、フィンとフィン接合部フィレットあるいは冷媒通路管との電位差が大きくなり、常時高導電率の液体に曝されるような使用環境においては、アノードとなるフィン材が早期に腐食消耗してしまう。Znのさらに好ましい含有量は1.0%〜2.5%の範囲である。
Siはフィン材の強度性を向上させる。Siの好ましい含有範囲は0.1〜1.2%であり、0.1%未満ではその効果が小さく、1.2%を超えるとフィン材の融点が低下し、ろう付け加熱時に局部溶融が生じ易くなる。Siのさらに好ましい含有量は0.2〜0.6%の範囲である。
冷媒通路管用として、表1に示す組成を有するアルミニウム合金A〜Kのビレットットを鋳造し、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。
冷媒通路管用として、表2に示す組成を有するアルミニウム合金L〜Tのビレットットを鋳造し、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。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。
ビレットを600℃で10h均質化処理した後、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(合金Tの限界押出速度に対する相対比)を調査した。その結果を表3及び表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未満のものは押出性不良(×)と評価した。
試験1で押出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の昇温速度で600℃まで加熱し、3分間保持した後、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及び表4に示す。引張強さが合金Tの引張強さを超えるものは良好(○)とし、引張強さが合金Tの引張強さ未満のものを不良(×)と評価した。
合金C(発明合金)のビレットについて、表7及び表8に示す条件で均質化処理を行った後、同様に多穴管に熱間押出加工し、限界速度比(合金Tの限界押出速度に対する相対比)を調査した。第1段均質化処理温度への昇温速度は50℃/h、第1段から第2段を連続で行う場合の降温速度は25℃/h、第2段終了後の降温速度は炉出放冷とした。その結果を表5及び表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未満のものは押出性不良(×)と評価した。
フィン材用として、表7に示す組成を有する合金a〜lのスラブを鋳造した。これらのスラブを所定の均質化処理、熱間圧延及び冷間圧延により0.1mm厚さのフィン材に仕上げた後、フィンピッチ3mm、フィン高さ7mmの寸法のコルゲート加工を施した。表9に示す塗布量となるように混合したSi粉末とKZnF3粉末とZn非含有フラックス粉末(ノコロックフラックス)とアクリル系樹脂バインダの混合物を表面にロールコートにより塗装した冷媒通路管と、前記コルゲート加工を施したフィンとを表9に示すように組み合わせて、ろう付けにより熱交換器コアを作製して試験材とした。熱交換器コア(試験材)作製状況を表9に示す。不具合なく作製できたものを良好(○)とし、不具合が生じたものを不良(×)と評価した。なお、冷媒通路管の均質化処理は本発明に従って600℃の温度に10時間保持することにより行い、ろう付け加熱条件は、窒素ガス雰囲気中で平均50℃/minの昇温速度でて600℃まで加熱し、3分保持後に室温まで降温した。
フィン材用として、表8に示す組成を有する合金m〜xのスラブを鋳造した。これらのスラブを実施例2と同じく所定の均質化処理、熱間圧延及び冷間圧延により0.1mm厚さのフィン材に仕上げた後、実施例2と同様にコルゲート加工を施した。表10に示す塗布量となるように混合したSi粉末とKZnF3粉末とZn非含有フラックス粉末(ノコロックフラックス)とアクリル系樹脂バインダの混合物を表面にロールコートにより塗装した冷媒通路管と、前記コルゲート加工を施したフィンとを表10に示すように組み合わせて、ろう付けにより熱交換器コアを作製して試験材とした。熱交換器コア(試験材)作製状況を実施例2と同様に評価した。結果を表10に示す。なお、冷媒通路管の均質化処理条件、ろう付け加熱条件は、実施例2と同一とした。
(試験4)
熱交換器コア(試験材)について、ヘッダと冷媒通路管の嵌合部のろう付け不良による漏れを、リーク試験により調査した。その結果を表11及び表12に示す。ろう付け不良による漏れが発生しなかったものは良好(○)、漏れが発生したものは不良(×)と評価した。
熱交換器コア(試験材)の冷媒通路管とフィンの接合部フィレットの断面ミクロ組織観察を行い、その組織写真を用いて画像解析を行い、フィレットの断面積を測定した。測定部位は冷媒通路管の幅中央部の断面とした。その結果を表11及び表12に示す。Si粉末塗布量が本発明の範囲より低く、且つ熱交換器コアが不具合なく製作できた試験材No.22と比べて、フィレット断面積が大きいものは良好(○)とし、同等以下のものは不良(×)と評価した。
熱交換器コア(試験材)の冷媒通路管表面と深部の電位及びフィン接合部フィレットとフィン材の電位を測定した。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。フィン接合部フィレットについてはフィレット部のみを露出し、それ以外を絶縁塗料でマスキングして測定した。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13及び表14に示す。チューブ深部、チューブ表面、フィン接合部フィレット、フィン材の電位がこの順に貴から卑になっているものは良好(○)、なっていないものは不良(×)と評価した。
熱交換器コア(試験材)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、及びフィンの腐食状況を表15及び表16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。フィンの剥がれ状況については剥がれの有無を示した。フィンの腐食については、ほとんどなしを◎、軽微を○、中程度を△、顕著を×と評価した。また、SWAAT試験、CCT試験について、試験時間を1500hまで延長して長時間試験を行い、長時間試験後のフィンの剥がれの有無も調査した。
Claims (11)
- アルミニウム合金押出材からなる偏平多穴状の冷媒通路管の表面に、Si粉末とフラックス粉末とバインダを混合した塗料を塗布し、アルミニウム合金ベアフィンを組み付けてろう付け接合してなるアルミニウム合金製熱交換器を製造する方法であって、前記冷媒通路管は、質量%(以下、合金成分値は質量%で示す)で、Mn:0.5〜1.7%を含有し、Siを0.10%未満、Cuを0.10%未満に制限し、残部Alと不可避的不純物からなるアルミニウム合金押出材により構成され、前記フィンはAl−Mn−Zn系合金材を成形してなるコルゲートフィンであり、前記塗料はSi粉末とZnを含有する化合物系フラックス粉末とZnを含有しない化合物系フラックス粉末とバインダを混合したもので、塗料中の各粉末量は、Si粉末が4g/m2を超え7g/m2以下、Zn含有フラックスが1〜9g/m2、Znを含有しないフラックスが1〜9g/m2、粉末の合計量が7〜20g/m2で、バインダは塗料全体の5〜40%の量であり、ろう付け接合により製造される熱交換器の冷媒通路管深部が最も電位が貴で、冷媒通路管表面、フィン接合部フィレット、フィンの順に電位が卑になることを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。
- 前記冷媒通路管を構成するアルミニウム合金押出材は、さらにTi:0.30%以下、Sr:0.10%以下、Zr:0.30%以下のうちの1種または2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の製造方法。
- 前記Si粉末は、最大粒径が35μm以下であ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の製造方法。
- 前記Znを含有する化合物系フラックスはKZnF3であ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の製造方法。
- 前記Znを含有しない化合物系フラックスの組成はフルオロアルミン酸カリウムであ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の製造方法。
- 前記アルミニウム合金ベアフィンは、Mn:0.1〜1.8%、Zn:0.8〜3.0%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よりな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の製造方法。
- 前記アルミニウム合金ベアフィンは、Mn:0.1〜1.8%、Zn:0.8〜3.0%を含有し、さらに、Si:0.1〜1.2%、Fe:0.01〜0.8%、Mg:0.05〜0.5%、Cu:0.3%以下、Cr:0.3%以下、Zr:0.3%以下、Ti:0.3%以下のうちの1種または2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よりな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の製造方法。
- 前記アルミニウム合金ベアフィンは、さらにIn:0.001〜0.10%、Sn:0.001〜0.10%のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項6または7記載のアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。
- 前記冷媒通路管を構成するアルミニウム合金押出材は、鋳造後の鋳塊を400〜650℃の温度で4時間以上保持する均質化熱処理を行った後、熱間押出加工されたものであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。
- 前記冷媒通路管を構成するアルミニウム合金押出材は、鋳造後の鋳塊を550〜650℃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行った後、熱間押出加工されたものであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。
- 前記冷媒通路管を構成するアルミニウム合金押出材は、鋳造後の鋳塊を550〜650℃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200℃以下まで降温した後、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行った後、熱間押出加工されたものであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。
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