JP2014111839A - 防食層を有する複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性のある防食性を保証すると同時に、高いリサイクル性を有する複合材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】支持材料３を有する複合材料１であって、前記支持材料が、その表面の少なくとも一部で、アルミニウム合金を含む防食層２によりコーティングされる前記複合材料。前記防食層のアルミニウム合金は、以下の組成（重量％で表示）、０．８≦Ｍｎ≦１．８、Ｚｎ≦０．０５、Ｃｕ≦０．０５、Ｓｉ≦１．０、Ｃｒ≦０．２５、Ｚｒ≦０．２５、Ｍｇ≦０．１０、残余アルミニウム、及びそれぞれ最大０．０５重量％、そして、合計で最大０．１５重量％の不可避の不純物を有する複合材料。前記支持材料がアルミニウム、又はアルミニウム合金、特にＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ合金からなる複合材料
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、支持材料を有する複合材料であって、前記支持材料が、その表面の少なくとも一部にわたって、アルミニウム合金製の防食層によりコーティングされる前記複合材料に関する。更に、本発明は、前記タイプの複合材料を製造する方法と、熱変換器又は熱交換器の冷却剤導入部材（特に、パイプ）のための前記タイプの複合材料の使用とに関する。

本明細書の前提部に記載のタイプの複合材料は、既に公知のものであって、例えば、航空機又は自動車における熱変換器又は熱交換器の部品用に使用される。従って、腐食性のあるアルミニウム合金製の支持材料は、公知のように、腐食性を低下させる成分（例えば、亜鉛、スズ、又はインジウム）少なくとも１つを有する合金でコーティングされることがある。これらは、例えば、熱交換器をはんだ付けする場合に、４５０℃を超える温度（好ましくは、５７５℃〜６１０℃）で頻繁に熱処理を受ける。しかしながら、腐食性を低下させる成分として亜鉛を使用することにより、亜鉛が素早く且つほぼ制御不可能に防食層から支持材料へ拡散してしまうという問題が生じる。これによって、支持材料はより卑金属性になり、そして、より腐食の影響を受けやすくなる。更に、亜鉛含有防食層は、腐食の深さ及び腐食媒体による材料除去を制御することができないために、腐食媒体によって急激な材料除去を受ける。従って、亜鉛によりもたらされる防食性は、比較的短期間のものである。また、腐食性を低下させる成分としてスズ及び／又はインジウムを使用することも、アルミニウム合金中のスズ又はインジウムのわずかな量がほとんどの用途に対して不適当であるために、これらの成分の存在によって合金のリサイクル性がかなり損なわれる点で問題がある。従って、多様な用途に適当な高純度のアルミニウムを回収するためには、スズ及び／又はインジウムのわずかな量を苦労して除去しなければならなかった。

更に、アルミニウム−マンガン合金製の支持材料をアルミニウム−ケイ素合金製のコーティングでコーティングすることも公知である。この複合材料では、好ましくは５７５℃〜６１０℃の温度で、アルミニウム−ケイ素合金製の付与された層からのケイ素が、支持材料中に拡散し、そして、結果として、支持材料のマンガン過飽和混合結晶（manganuebersaettigte Mischkristalle）中でマンガン化合物が析出する。析出されたマンガン化合物の腐食性は、残りの支持材料の腐食性よりも低いので、析出されたマンガン化合物は防食性として作用することができる。しかしながら、ケイ素が支持材料に拡散する深さ、及び、従って、析出したマンガン化合物を有する層の厚さは、複合材料製造の間で実施される工程と、熱処理とに敏感に左右される。このために、製造の間で、高度の精密さ及び複雑な処理監視技術が必要となる。

従って、本発明は、明確で、効果的で、且つ耐久性のある防食性を提供すると同時に高いリサイクル性を有する複合材料であって、本明細書の前提部に記載の前記複合材料を開示する目的に基づくものである。更に、本発明は、前記タイプの複合材料を製造する方法を開示する目的を有している。

本発明の第１の教示によると、前記目的は、
以下の成分（重量％で表示）：
０．８≦Ｍｎ≦１．８
Ｚｎ≦０．０５
Ｃｕ≦０．０５
Ｓｉ≦１．０
Ｃｒ≦０．２５
Ｚｒ≦０．２５
Ｍｇ≦０．１０
残余アルミニウム、及び、それぞれ最大０．０５重量％、そして、合計で最大０．１５重量％の不可避の不純物を有する、防食層のアルミニウム合金により達成される。

驚くべきことに、防食層として提供される合金の０．８重量％〜１．８重量％のマンガン含有量により、微細に分布したマンガン含有析出物を高密度にすること可能となる。このようにして、防食層の腐食性を低下させる。防食層の腐食性は、支持材料の腐食性よりも約３０ｍＶ低いことが好ましい。更に、銅及び亜鉛の量が、それぞれ、最大０．０５重量％であることが好ましい。銅及び亜鉛の低い量により、局部エレメント（これは、ガルバナイジングに対して非常に活性をもつ表面（galvanisch sehr aktive Oberflaeche）、及び、従って、腐食により生じる材料除去の増加をもたらす）を抑制する。従って、防食層の耐食性が増加する。更に、複合材料及びそれから製造される製品のリサイクル性は、銅及び亜鉛の量を低くすることによって、並びに、合金のケイ素含有量、クロム含有量、及びジルコニウム含有量を制限することによって、好ましい影響を受ける。マグネシウムの量は、最大で０．１０重量％であることが好ましく、その結果、Ｓｉ含有アルミニウムはんだを使用する場合に、合金からなる部品のはんだづけ性が、溶剤のマグネシウム不純物によって、場合により影響されない。前述のアルミニウム合金によって、熱処理後であっても、防食層は、結晶間での腐食又は孔食による腐食領域をほとんど与えない。従って、腐食により生じる材料除去を低く抑えることができる。むしろ、複合材料の腐食（仮に、それがあるとしても）は、ほとんど目立たない溝状（その平均直径は溝の平均深さよりも大きい）の腐食として示される。平均深さが小さいため、支持材料の腐食されやすい領域へ腐食作用が浸透する可能性を減少させることができる。防食層を、支持材料の片側又は両側上に付与することが好ましい。

複合材料の好ましい態様では、防食層のアルミニウム合金のマンガン含有量は、１．０重量％〜１．８重量％であり、好ましくは、１．２重量％〜１．８重量％である。防食層のアルミニウム合金のマンガン含有量がわずかに増えることによって、微細に分布したマンガン含有析出物（これは、防食性にとって有利である）の形成をより一層促進させることができる。しかしながら、防食層の構造において、１．８重量％を超えると、マンガンの溶解度が限られているために、粗いマンガン析出物が形成されることがある。これらの粗い析出物は、基本的に、防食層の耐食性の低下を引き起こすことがある。

更に、防食層のアルミニウム合金は、ケイ素０．４重量％〜１．０重量％を有することがある。防食層中にあるケイ素の部分が支持材料中へ拡散して、そこへ微細に分布したマンガン含有析出物（これは、支持材料の耐食性を促進する）を更に生じさせる。ケイ素が防食層から支持材料中へ拡散する程度は、特に、防食層中の確定したケイ素の量によって、支持材料のケイ素含有量と、そして、従って、ケイ素の濃度勾配とに依存する。特に、支持材料のケイ素含有量が最大０．４重量％である場合には、防食層から支持材料へのケイ素の拡散を更に明確にさせることができる。更に、基本的に任意のケイ素の量を有する層（例えば、ＡｌＳｉはんだ）を、防食層の支持材料から離れている側へ更に付与することがある。防食層の確定したケイ素含有量によって、追加の外層から防食層を通過して支持材料へのケイ素の拡散（制御が困難なおそれがある）を防止する。従って、複合材料の安定性を更に保証することができる。

複合材料の更に好ましい態様では、防食層のアルミニウム合金が、クロム０．０５重量％〜０．２５重量％及び／又はジルコニウム０．０５重量％〜０．２５重量％を有する。相当するクロム及び／又はジルコニウムの量は、防食層の構造の平均粒径を特に増加させる。結果として、ケイ素を含有する追加の外層から防食層へケイ素が拡散するまでの深さを制御することができる。しかしながら、それぞれ０．２５重量％のクロム又はジルコニウム含有量を超えると、粗い主要な析出物（これは、次に、防食層の構造を損なう）が発生することがある。

更に、支持材料がアルミニウム又はアルミニウム合金（特に、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ合金）から製造されていることが好ましい。特に、アルミニウム又はアルミニウム合金は、有利な成形性を有しているので、複合材料を、使用用途の多様な部材へ成形することができる。更に、アルミニウム又はアルミニウム合金は、特に、多くのその他の金属又は金属合金（例えば、鋼）と比較すると、重量の利点を有しており、例えば、航空機又は自動車の重量に対して敏感な用途のために、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材を提供する場合に特に有利な効果を有する。支持材料がＡｌ−Ｍｎ−Ｃｕ合金から形成されることが特に好ましい。前記タイプの合金は、熱交換器で使用される複合材料の支持材料として特に好ましい。

複合材料の更に好ましい態様では、支持材料は、その表面全体にわたって、防食層によりコーティングされる。このことは特に、複合材料が多様性のある種々の用途に適当である場合に有利である。しかしながら、支持材料は、その表面の一部にのみわたって、防食層によりコーティングされることもできる。例えば、複合材料から形成される成形品の製造後で、複合材料の表面の一部（すなわち、腐食環境と接触する部分）だけを防食層によりコーティングすることも十分である。従って、製造される成形品により十分に満足されるべき要件に対して、製造コストを更に適合させることができる。

更に、防食層は、支持材料から離れている側で、その表面の少なくとも一部にわたって、外層によりコーティングされることが好ましい。更には、支持材料を、防食層から離れている側で、少なくとも１つの外層によりコーティングすることがある。外層は、アルミニウム又はその他のアルミニウム合金（特に、Ａｌ−Ｓｉ合金）からなることがある。結果として、例えば、支持材料の両側からのはんだづけ性を達成するために、複合材料が更に追加の機能層を備える可能性がある。この場合に、支持材料が、その両側上で、防食層によりコーティングされる場合が有利であることがある。

本発明の更なる教示によると、前記目的は、前述の複合材料を製造する方法であって、支持材料を、その表面の少なくとも一部にわたって、前述のアルミニウム合金製の防食層でコーティングし、そして、前記防食層が、同時鋳造、めっき、又は溶射によって付与される、前記方法によって達成される。

めっきを使用することによって、防食層の明確な厚さを有する、大量の複合材料を経済的に製造することができ、ここで、支持材料と防食層との間の特に良好な連結がめっきによって達成される。防食層の溶射付与は、明確な方法で、そして、特に支持材料上での空間的な高い解像度で、防食層を均一に付与することをより確実にする。従って、この溶射は、配置される防食層を、支持材料の表面部分にわたって付与するのに特に好ましい。また、支持材料をともなう防食層の同時鋳造は、支持材料上に防食層を製造する作業工程数の減少をもたらす。従って、支持材料上に防食層用のアルミニウム合金を個別のめっき又は個別の溶射で付与することは、もはや必要でない。しかしながら、例えば、追加の機能層（例えば、外層）が必要な場合に、めっき、溶射付与及び／又は同時鋳造を組み合わせることも考えられる。

しかしながら、更に、任意の外層を、同時鋳造方、めっき法、又は溶射法によって、例えば、防食層上だけでなく支持材料上にも付与することができる。

本発明による方法の更なる利点に関して、本発明の複合材料についての記載を参照されたい。

本発明の更なる教示によると、前記目的は、本発明による複合材料からなる部材（特に、冷却剤導入部材）少なくとも１つを含む熱交換器によって達成される。熱交換器は、一方で、耐食性であると同時に、良好なリサイクル性を有することもできる。

熱変換器又は熱交換器における冷却剤導入部材のために本発明の複合材料を使用することは有利である。なぜなら、特に、前記タイプの部材が、重量軽減化の理由により、しばしば小さい壁厚を有していることがあるからである。しかしながら、これらの壁厚の小さい部材に対する腐食作用が防食層によって適当に防止されない場合には、深部に進む腐食（例えば、結晶間の腐食、又は、孔食）によって、冷却剤導入部材の気密性（Dichtheit）が損なわれることがある。その一方で、本発明の防食層の効果によって、冷却剤導入部材に対する腐食（仮に、それがある場合でも）は、ほとんど目立たない溝状（平均直径が溝の平均深さよりも大きい）の損傷を示す。

従って、冷却剤導入部材の気密性は、ほとんど損傷を受けない。

本発明の複合材料又はその製造方法及びそれから製造される熱交換器を構成し、そして、発展させる多くの可能性がある。このために、一方で、請求項１及び１０に従属する請求項を参照し、もう一方で、図面と共に実施態様の説明を参照されたい。
本発明の複合材料の第１の態様による模式的な断面図を示す。 本発明の熱交換器の実施態様の冷却導入部材（パイプの形態にある）の模式的な断面図を示す。

図１は、本発明の複合材料１の実施態様の模式的な断面図を示す。複合材料１は、防食層２と、支持材料３（例えば、アルミニウム−マンガン−銅合金製）と、追加の外層４（好ましくは、アルミニウム−ケイ素合金製の層）とを有する。しかしながら、外層４は必ずしも必要ではない。支持材料３は、純アルミニウム又はその他のアルミニウム合金から形成されることもある。外層４は、純アルミニウム又はアルミニウム合金から構成されることもある。更に、支持材料３及び外層４は、場合により、同じ材料からなることがある。防食層２は、以下の合金成分（重量％で表示）：
０．８≦Ｍｎ≦１．８
Ｚｎ≦０．０５
Ｃｕ≦０．０５
Ｓｉ≦１．０
Ｃｒ≦０．２５
Ｚｒ≦０．２５
Ｍｇ≦０．１０
残余アルミニウム、及び、それぞれ最大０．０５重量％、そして、合計で最大０．１５重量％の不可避の不純物を有するアルミニウム合金からなる。

マンガン含有量は、場合により、１．０重量％〜１．８重量％（特に、１．２重量％〜１．８重量％）の範囲から選択されることもある。場合により、それぞれ０．０５重量％〜０．２５重量％のクロム及び／又はジルコニウム含有量が、防食層２のアルミニウム合金へ提供されることがある。防食層２のアルミニウム合金は、０．４重量％〜１．０重量％のケイ素を更に有することもある。防食層２は、腐食媒体との接触における良好な防食態様を示す。特に、複合材料１の防食層により保護される領域中では、腐食が（仮に、それがある場合でも）ほとんど目立たない溝状の侵食（平均直径が溝の平均深さよりも大きい）としてのみ示される。複合材料１、及び、それから製造される熱変換器又は熱交換器用の冷却剤導入部材、並びに、製造の間で生じる不良品材料を、亜鉛、スズ、又はインジウムを含まない合金組成として非常に良好にリサイクルすることができる。

図１に示される実施態様において、支持材料３は、その片側上のみに、防食層２及び外層４をコーティングされる。しかしながら、支持材料３を、両側上で、防食層及び場合により追加の外層によりコーティングすることもできる；コーティングを表面の一部にわたって（例えば、腐食媒体が接触する領域のみに）付与することも考えられる。更に、必要な場合には、支持材料３の、防食層２から離れている側に、少なくとも１つの外層４を提供することもある。

図２は、複合材料１から製造されるパイプ５を模式的な断面図で示す。しかしながら、複合材料１は、パイプ５以外には、基本的に、任意のその他の部材を製造するのにも使用されることがある。外層４と同様にアルミニウムーケイ素合金製の防食層２は、例えば、この実施例では、支持材料３の管の内側に面する側に配置されており、通常、アルミニウム−マンガン−銅合金製の支持材料３へめっきにより連結される。例えば、冷却媒体はパイプ５の内部に導入され、ここで、防食層２は、腐食から支持材料３を保護する。

支持材料３へ防食層２及び外層４を前述のようにめっきする代わりに、支持材料３、防食層２及び／又は外層４を同時鋳造して相当する複合材料を形成して、そして、次の作業工程でパイプ５へ成形することも可能である。更なる代替の製造態様は、防食層２及び／又は外層４を、溶射によって支持材料３上へ付与することである。当然ながら、前記方法の任意の組合せも考えられる。

この実施例において、図２に示されるパイプ５は、円形断面を有している。しかしながら、任意の異なるタイプの、例えば、楕円形、長方形、多角形、先細又は同様の断面を有するパイプ５を複合材料から製造することも可能である。最終的に、防食層２及び場合により外層４を有するパイプ５の多くのその他の構成が考えられる。従って、図２に示される実施例に加えて又はその代わりに、支持材料３はその外側周辺表面上に、防食層２及び場合により外層４を有することもある。

Claims (15)

1. 支持材料（３）を有し、そして、前記支持材料（３）が、その表面の少なくとも一部にわたって、アルミニウム合金製の防食層（２）によりコーティングされている、複合材料（１）であって、
   前記防食層（２）のアルミニウム合金が、以下の成分（重量％で表示）：
   ０．８≦Ｍｎ≦１．８
   Ｚｎ≦０．０５
   Ｃｕ≦０．０５
   Ｓｉ≦１．０
   Ｃｒ≦０．２５
   Ｚｒ≦０．２５
   Ｍｇ≦０．１０
   残余アルミニウム、及び、それぞれ最大０．０５重量％、そして、合計で最大０．１５重量％の不可避の不純物を有していることを特徴とする、前記複合材料。
2. 防食層（２）のアルミニウム合金のＭｎ含有量が、１．０〜１．８重量％であり、好ましくは、１．２〜１．８重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の複合材料。
3. 防食層（２）のアルミニウム合金が、ケイ素０．４〜１．０重量％を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の複合材料。
4. 防食層（２）のアルミニウム合金が、クロム０．０５〜０．２５重量％及び／又はジルコニウム０．０５重量％〜０．２５重量％を更に有していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合材料。
5. 支持材料（３）が、アルミニウム又はアルミニウム合金、特に、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ合金から形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合材料。
6. 支持材料（３）が、表面全体にわたって、防食層（２）によりコーティングされることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合材料。
7. 防食層（２）が、支持材料（３）から離れている側で、その表面の少なくとも一部にわたって外層（４）によりコーティングされることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の複合材料。
8. 支持材料（３）が、防食層（２）から離れている側で、少なくとも１つの外層（４）によりコーティングされることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合材料。
9. 外層（４）が、アルミニウム又はアルミニウム合金、特に、Ａｌ−Ｓｉ合金から形成されることを特徴とする、請求項７又は８に記載の複合材料。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の複合材料を製造する方法であって、
    支持材料を、その表面の少なくとも一部にわたって、アルミニウム合金製の防食層によりコーティングし、前記防食層が、同時鋳造、めっき、又は溶射により付与される、前記方法。
11. 支持材料を、その表面全体にわたって、防食層でコーティングすることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 防食層を、支持材料から離れている側で、その表面の少なくとも一部にわたって、外層によりコーティングすることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 支持材料を、防食層から離れている側で、少なくとも１つの外層によりコーティングすることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 外層を、同時鋳造法、めっき法、又は溶射法によって付与することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の複合材料からなる少なくとも１つの部材、特に、冷却剤導入部材を含む熱交換器。

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