JP2014517867A - 薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、薄板鋳造されたアルミニウム合金からなる心材と、前記心材にロールボンディングされて付着され、アニーリング後に冷間圧延して前記心材に付着されるブレージング用皮材とを含むことを特徴とする、薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄板鋳造された高強度アルミニウム合金を心材として用い、心材の外面にブレージング用皮材を冷間圧延接合して形成されたブレージング用高強度クラッド板材及びその製造方法に関する。

アルミニウム合金は軽量かつ高熱伝導性を備えているため、自動車用熱交換器、例えば、ラジエータ、コンデンサ、エバポレータ、ヒータ、インタークーラなどに用いられている。自動車用熱交換器は主にろう付け法により製造される。

一方、アルミニウムフィンの積層後に挿管して製造する空調機の室内／外機用熱交換器においては、軽量化及び小型化の要求により、近年はろう付け法の製造工程への適用が試みられている。

通常、ろう付けはＡｌ−Ｓｉ系合金のろう付けフィラー金属を用い、約６００℃の高温で行われる。よって、ろう付け性に優れ、かつろう付け後に高い強度、耐食性を有するアルミニウム合金ブレージングシートを必要とする。

ろう付けを用いて製造するアルミニウム合金系熱交換器は、主に放熱を担うコルゲート成形したフィンと、冷却水や冷媒を循環させるためのチューブとから構成される。チューブが腐食又は破壊により貫通すると、内部を循環している冷却水や冷媒の漏洩が生じる。よって、製品寿命を向上させるために、ろう付け後の強度、耐食性に優れたアルミニウム合金ブレージングシートが必要不可欠とされている。

ところで、近年は自動車の軽量化に対する要求が高まり、それに対応するために自動車用熱交換器の軽量化も求められている。そこで、熱交換器を構成する各部材を薄くすることが検討されており、アルミニウム合金ブレージングシートはろう付け後の強度をさらに向上させる必要がある。

これは、空調機の室内／外機用熱交換器に適用されるアルミニウムブレージングシートにおいても同様に求められている。

従来、自動車用のラジエータやヒータのように、冷却水がチューブ内面を循環する熱交換器のチューブ材として、ＪＩＳ３００３合金に代表されるようなＡｌ−Ｍｎ系合金などの心材の内面側にＡｌ−Ｚｎ系合金などの犠牲陽極材をクラッドし、大気側にＡｌ−Ｓｉ系合金などのろう付けフィラー金属をクラッドした３層チューブ材が一般に用いられてきた。

しかし、ＪＩＳ３００３合金心材を用いたクラッド材のろう付け後の強度は１１０ＭＰａ程度であり、強度が不十分である。

ろう付け後の強度を向上させるために、心材にＭｇを添加した３層クラッドチューブ材が提案されている（特許文献１、２参照）。

しかし、心材にＭｇを添加すると、ノコロックろう付け法（Nocolock Brazing）において用いられるフッ化物系フラックスとＭｇが反応することにより、ＭｇＦなどの化合物を形成し、ろう付け性を著しく低下させてしまう。

また、特許文献３には、心材、中間材及び犠牲陽極材用のアルミニウム合金を鋳造して心材、中間材及び犠牲陽極材を製造し、均質化処理後に熱間圧延して製造する「アルミニウム合金ブレージングシートの製造方法」が開示されている。

しかし、合金元素が多量に添加された合金においては、鋳造組織の不均一性が増加して圧延接合及び後続薄板圧延時に欠陥発生が増加するという問題がある。

また、複数の圧延工程を経て製造されるので、生産性が低下して多くのエネルギーを必要とするという問題がある。

特開平８−２４６１１７号公報 特開２００３−５５７２７号公報 韓国公開特許第２００７−００６１４１３号公報

本発明は、従来の問題を解決するためになされたものであり、より詳細には、薄板鋳造された高強度アルミニウム合金を心材として用い、心材の外面にブレージング用皮材を冷間圧延工程で接合して高い強度を有するようにした、ブレージング用高強度クラッド板材及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材は、薄板鋳造されたアルミニウム合金からなる心材と、前記心材にロールボンディングされて付着され、アニーリング後に冷間圧延して前記心材に付着されるブレージング用皮材とを含むことを特徴とする。

前記心材は、０．７〜１．０重量％のケイ素（Ｓｉ）と、０．４５〜０．５重量％の鉄（Ｆｅ）と、０．１〜０．１５重量％の銅（Ｃｕ）と、１．２〜１．６重量％のマンガン（Ｍｎ）と、残部のアルミニウム（Ａｌ）と、その他の不可避的不純物とを含むことを特徴とする。

前記心材には０．５重量％のニッケル（Ｎｉ）がさらに含まれることを特徴とする。

前記ブレージング用皮材は複数備えられることを特徴とする。

ブレージング用皮材は、６．８〜１３．０重量％のケイ素（Ｓｉ）を含むＡｌ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする。

前記ブレージング用皮材はＪＩＳ４３４３であることを特徴とする。

前記心材及びブレージング用皮材は、３０〜７０％の厚さ圧下率で冷間圧延されることを特徴とする。

前記ブレージング用高強度クラッド板材は、２１４ＭＰａ以上の引張強度を有することを特徴とする。

本発明による薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材の製造方法は、薄板鋳造されたアルミニウム合金からなる心材と、６．８〜１３．０重量％のケイ素（Ｓｉ）を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるブレージング用皮材とを準備する素材準備ステップと、前記心材及びブレージング用皮材を洗浄する素材洗浄ステップと、前記心材及びブレージング用皮材の外面をワイヤブラッシングするブラッシングステップと、前記心材及びブレージング用皮材を積層してロールボンディングするロールボンディングステップと、ロールボンディングした心材及びブレージング用皮材を１次圧延する第１圧延ステップと、１次圧延した心材及びブレージング用皮材をアニーリングするアニーリングステップと、アニーリングした心材とブレージング用皮材を２次圧延してブレージング用高強度クラッド板材を完成する第２圧延ステップとを含むことを特徴とする。

前記素材準備ステップにおいて、前記心材は、０．７〜１．０重量％のケイ素（Ｓｉ）と、０．４５〜０．５重量％の鉄（Ｆｅ）と、０．１〜０．１５重量％の銅（Ｃｕ）と、１．２〜１．６重量％のマンガン（Ｍｎ）と、残部のアルミニウム（Ａｌ）と、その他の不可避的不純物とを含むことを特徴とする。

前記アニーリングステップは、４５０℃で１〜２時間行われることを特徴とする。

前記第１圧延ステップは、前記心材及びブレージング用皮材を３２〜３６％の厚さ圧下率で冷間圧延する過程であることを特徴とする。

前記第２圧延ステップは、３０〜７０％の厚さ圧下率で冷間圧延する過程であることを特徴とする。

前述したように、本発明による薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材は、心材として薄板鋳造された高強度アルミニウム合金を用い、ブレージング用皮材が冷間圧延により心材に接合される。

よって、厚さが薄く、組成ずれが大きくないので、欠陥発生を最小限に抑えることができるという利点がある。

また、ブレージング用高強度クラッド板材の製造時に求められるエネルギー消費量が著しく減少するので、製造コストを低減できるという利点がある。

本発明の好ましい実施例による心材と比較例の心材の成分を比較した表である。 本発明による薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材の製造方法を示す工程フローチャートである。 比較例１〜３を本発明による工程順序で製造した場合の圧下率変化に伴う厚さ変化を示す表である。 図３の比較例１〜３の引張強度及び降伏強度を測定して示すグラフである。 本発明の好ましい実施例１〜３及び比較例１の心材及びブレージング用皮材の構成を示す表である。 図５に示す実施例１〜３及び比較例１の引張強度と延伸率を比較して示すグラフである。 本発明の好ましい実施例２の剥離有無を検証するために行ったＷ−ｂｅｎｄｉｎｇ試験の結果を示す実物写真である。 本発明の好ましい実施例３の剥離有無を検証するために行ったＷ−ｂｅｎｄｉｎｇ試験の結果を示す実物写真である。

以下、図１を参照して、本発明による薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材（以下「クラッド板材」という）の一構成である心材の成分を比較例と比較して説明する。

図１は本発明の好ましい実施例による心材と比較例の心材の成分を比較した表である。

それに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に用いる用語や単語は、通常の辞書的な意味で解釈してはならず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適宜定義できるという原則に基づき、本発明の技術的思想に合致する意味や概念で解釈すべきである。

よって、本明細書に示す実施例と図面に示す構成は本発明の好ましい一実施例にすぎず、本発明の技術思想の全てを代弁するものではないので、本出願時点でこれらを代替する様々な均等物や変形例があり得ることを理解すべきである。

本発明によるクラッド板材は、薄板鋳造されたアルミニウム合金からなる心材と、前記心材にロールボンディングされて付着され、アニーリング後に冷間圧延して前記心材に付着されるブレージング用皮材とを含む。

また、図１に示すように、前記心材は０．７〜１．０重量％のケイ素（Ｓｉ）と、０．４５〜０．５重量％の鉄（Ｆｅ）と、０．１〜０．１５重量％の銅（Ｃｕ）と、１．２〜１．６重量％のマンガン（Ｍｎ）と、残部のアルミニウム（Ａｌ）と、その他の不可避的不純物とを含む。

また、前記心材には０．５重量％のニッケル（Ｎｉ）がさらに含まれ、必要に応じて複数層に積層されてもよい。

すなわち、前記心材は、Ａｌ−Ｍｎ系合金にＣｕ、Ｎｉの添加量が制御された合金である。Ｃｕ、Ｎｉ元素はＡｌ−Ｍｎ合金において高温強度の増加に効果的であることが知られており、とりわけＮｉは伝導度の減少を最小限に抑えることができ、強度を増加させる元素である。

前記ブレージング用皮材は複数備えられる。すなわち、前記ブレージング用皮材は、心材の両面にそれぞれ１つずつ備えられる。

また、前記ブレージング用皮材には、６．８〜１３．０重量％のケイ素（Ｓｉ）を含むＡｌ−Ｓｉ系合金が適用される。本発明の実施例において、前記ブレージング用皮材はＪＩＳ４３４３であることを特徴とする。

前記心材及びブレージング用皮材は、複数の工程のうち第２圧延ステップにおいて、３０〜７０％の厚さ圧下率で冷間圧延されてクラッド板材に形成され、前記クラッド板材は、２１４ＭＰａ以上の引張強度を有する。

以下、図２を参照して、前記クラッド板材を製造する過程について説明する。

図２は本発明による薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材の製造方法を示す工程フローチャートである。

同図に示すように、前記クラッド板材は、薄板鋳造されたアルミニウム合金からなる心材と、６．８〜１３．０重量％のケイ素（Ｓｉ）を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるブレージング用皮材とを準備する素材準備ステップ（Ｓ１００）と、前記心材及びブレージング用皮材を洗浄する素材洗浄ステップ（Ｓ２００）と、前記心材及びブレージング用皮材の外面をワイヤブラッシングするブラッシングステップ（Ｓ３００）と、前記心材及びブレージング用皮材を積層してロールボンディングするロールボンディングステップ（Ｓ４００）と、ロールボンディングした心材及びブレージング用皮材を１次圧延する第１圧延ステップ（Ｓ５００）と、１次圧延した心材及びブレージング用皮材をアニーリングするアニーリングステップ（Ｓ６００）と、アニーリングした心材とブレージング用皮材を２次圧延してブレージング用高強度クラッド板材を完成する第２圧延ステップ（Ｓ７００）とを順次行うことにより得られる。

前記素材準備ステップ（Ｓ１００）において、前記心材は、０．７〜１．０重量％のケイ素（Ｓｉ）と、０．４５〜０．５重量％の鉄（Ｆｅ）と、０．１〜０．１５重量％の銅（Ｃｕ）と、１．２〜１．６重量％のマンガン（Ｍｎ）と、残部のアルミニウム（Ａｌ）と、その他の不可避的不純物とを含む。

また、前述したように、前記心材には０．５重量％のニッケル（Ｎｉ）がさらに含まれる。

前記素材準備ステップ（Ｓ１００）で心材及びブレージング用皮材が準備されると、前記心材及びブレージング用皮材を洗浄する素材洗浄ステップ（Ｓ２００）が行われる。

前記素材洗浄ステップ（Ｓ２００）は、心材及びブレージング用皮材の表面をアルコール、アセトンなどの溶剤を用いて洗浄する過程である。

前記素材洗浄ステップ（Ｓ２００）の次にブラッシングステップ（Ｓ３００）が行われる。前記ブラッシングステップ（Ｓ３００）は、ロールボンディングステップ（Ｓ４００）を行う際に接合力が向上するようにする過程である。

前記ロールボンディングステップ（Ｓ４００）の次に第１圧延ステップ（Ｓ５００）が行われる。前記第１圧延ステップ（Ｓ５００）は、前記心材及びブレージング用皮材を冷間圧延する過程であり、本発明の実施例においては３２〜３６％の厚さ圧下率で圧延した。

前記第１圧延ステップ（Ｓ５００）の次にアニーリングステップ（Ｓ６００）が行われる。前記アニーリングステップ（Ｓ６００）は、ロールボンディングステップ（Ｓ４００）で生成された組織を除去するための過程であり、４５０℃で１〜２時間行われることが好ましい。

前記アニーリングステップ（Ｓ６００）の次に第２圧延ステップ（Ｓ７００）が行われる。前記第２圧延ステップ（Ｓ７００）は、３０〜７０％の厚さ圧下率で冷間圧延して最終厚さを調整する過程である。

以下、図３及び図４を参照して、比較例の強度について説明する。

図３は比較例１〜３を本発明による工程順序で製造した場合の圧下率変化に伴う厚さ変化を示す表であり、図４は図３の比較例１〜３の引張強度及び降伏強度を測定して示すグラフである。

比較例の心材にはＪＩＳ３００３合金を用い、ブレージング用皮材にはＪＩＳ４３４３又はＪＩＳ４０４５合金を用いた。

また、アルミニウム複合板材の薄板冷間圧延の可能性を判断するために、圧延接合法で製造された初期厚さが約１．５ｍｍのアルミニウム複合板材を０．２ｍｍの厚さまで冷間圧延し、その後４５０℃、２時間の熱処理を施し、６〜４３％の最終圧下率で圧延した圧縮板材（比較例１及び２）を製造した。

また、中間熱処理を施すことなく、９５％の最終圧下率でアルミニウム複合板材（比較例３）を製造した。

比較例１〜３は、ろう付け特性を評価するために、ろう付け模擬熱処理（６１０℃，１０ｍｉｎ）を施したものであり、その厚さを図３に示す。

その結果、図４に示すように、最終圧下率が増加するにつれて降伏強度及び引張強度が比例して増加することが観察され、ＪＩＳ４０４５合金を皮材として用いると強度が多少増加することが観察された。

しかし、強度に関しては、最終圧下率を４５％まで上げても１８７ＭＰａ以下の強度であった。

また、破断延伸率に関しては、比較例２の６％の最終圧下率の試料を除いて、ほとんどが板材において２〜３．４％の延伸率であった。

以下、図５及び図６を参照して、本発明の好ましい実施例によるクラッド板材の構成及びその引張強度を比較例と比較して説明する。

図５は本発明の好ましい実施例１〜３及び比較例１の心材及びブレージング用皮材の構成を示す表であり、図６は図５に示す実施例１〜３及び比較例１の引張強度と延伸率を比較して示すグラフである。

本発明の実施例において、心材及びブレージング用皮材の厚さの合計が５ｍｍになるようにし、その後ロールボンディングして約３ｍｍの厚さを有するように接合した。

その後、３２〜３６％の圧下率で第１圧延ステップ（Ｓ５００）を行った結果、圧延接合が可能であることが確認された。

また、前記アニーリングステップ（Ｓ６００）において０．３ｍｍの厚さを有する圧延板材を４５０℃で２時間加熱し、第２圧延ステップ（Ｓ７００）を行って０．２ｍｍと０．１ｍｍの厚さを有するクラッド板材を製造した。０．１ｍｍの厚さまで圧延した場合も問題は生じなかったため、さらなる冷間圧延も可能であるものと判断される。

図６に示すように、クラッド板材の引張強度を測定した結果、開発心材１を心材としたクラッド板材の引張強度が開発心材２を心材とした場合より高く、約３３％の厚さ圧下率での冷間圧延後に２１４〜２５１ＭＰａの高強度を示し、ろう付け熱処理後の引張強度においても１９２〜１９８ＭＰａが維持された。延伸率に関しては、冷間圧延後に４．３〜６．０％、ろう付け熱処理後に１１．８〜１６．９％の良好な延伸率が得られた。

比較例１において、ＪＩＳ３００３を心材として用い、ＪＩＳ４３４３をブレージング用皮材として用いた場合、ろう付け熱処理前後の強度変化がほとんど発生せず、延伸率のみ増加した（３．３１２％）。

以下、図７及び図８を参照して、本発明によるクラッド板材の曲げ試験の結果について説明する。

図７は本発明の好ましい実施例２の剥離有無を検証するために行ったＷ−ｂｅｎｄｉｎｇ試験の結果を示す実物写真であり、図８は本発明の好ましい実施例３の剥離有無を検証するために行ったＷ−ｂｅｎｄｉｎｇ試験の結果を示す実物写真である。

まず、Ｗ−ｂｅｎｄｉｎｇ試験とは、曲げ試験の一種であり、主に薄板の曲げ性を判断するために行うものであり、Ｖ−ｂｅｎｄｉｎｇに比べて相対的に厳しい曲げ条件が用いられる。ＪＩＳＨ３１１０に規定する試験方法に準拠し、９０°のｂｅｎｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋを用いてＲ０．２〜２．０ｍｍの範囲の曲率を有するチップで曲げ試験を行う。

これにより、ブレージング用皮材の剥離の有無、ｂｅｎｄｉｎｇ部の粗度とＲ／ｔの相関関係、Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｍｉｎｉｍｕｍ ｂｅｎｄｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ（ＭＢＲ／ｔ）などが得られる。

前記Ｗ−ｂｅｎｄｉｎｇ試験においては、実施例２及び３を対象に４０×１０ｍｍの試料を採取して曲げ試験を行い、クラッド板材の曲げ性、ブレージング用皮材の剥離の有無などを観察した。

図７に示すように、最小曲率（Ｒ）が０．２ｍｍであってもブレージング用皮材の剥離、クラッド板材の剪断などの成形不良が発生せず、クラッド板材の表面にシワが発生せず、ＭＢＲ／ｔが２．０以上であることが分かる。

これは、従来の０．５ｍｍの厚さを有する比較例１のクラッド板材のＭＢＲ／ｔ（１．６〜２．０）より向上したものである。

本発明の範囲は前述した実施例に限定されるものではなく、前述した技術範囲における当業界の通常の技術者であれば本発明に基づく様々な変形が可能であろう。

本発明による薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材は、心材として薄板鋳造された高強度アルミニウム合金を用い、ブレージング用皮材が冷間冷間圧延により心材に接合される。

よって、厚さが薄く、組成ずれが大きくないため、欠陥発生を最小限に抑えることができるので、自動車用熱交換器、例えば、ラジエータ、コンデンサ、エバポレータ、ヒータ、インタークーラなどの軽量化及び高熱伝導性が求められる用途に適用することができる。

Claims (13)

1. 薄板鋳造されたアルミニウム合金からなる心材と、
   前記心材にロールボンディングされて付着され、アニーリング後に冷間圧延して前記心材に付着されるブレージング用皮材とを含むことを特徴とする、薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材。
2. 前記心材は、０．７〜１．０重量％のケイ素（Ｓｉ）と、０．４５〜０．５重量％の鉄（Ｆｅ）と、０．１〜０．１５重量％の銅（Ｃｕ）と、１．２〜１．６重量％のマンガン（Ｍｎ）と、残部のアルミニウム（Ａｌ）と、その他の不可避的不純物とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材。
3. 前記心材には０．５重量％のニッケル（Ｎｉ）がさらに含まれることを特徴とする、請求項２に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材。
4. 前記ブレージング用皮材は複数備えられることを特徴とする、請求項３に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材。
5. ブレージング用皮材は、６．８〜１３．０重量％のケイ素（Ｓｉ）を含むＡｌ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする、請求項４に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材。
6. 前記ブレージング用皮材はＪＩＳ４３４３であることを特徴とする、請求項５に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材。
7. 前記心材及びブレージング用皮材は、３０〜７０％の厚さ圧下率で冷間圧延されることを特徴とする、請求項６に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材。
8. 前記ブレージング用高強度クラッド板材は、２１４ＭＰａ以上の引張強度を有することを特徴とする、請求項７に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材。
9. 薄板鋳造されたアルミニウム合金からなる心材と、６．８〜１３．０重量％のケイ素（Ｓｉ）を含むＡｌ−Ｓｉ系合金からなるブレージング用皮材とを準備する素材準備ステップと、
   前記心材及びブレージング用皮材を洗浄する素材洗浄ステップと、
   前記心材及びブレージング用皮材の外面をワイヤブラッシングするブラッシングステップと、
   前記心材及びブレージング用皮材を積層してロールボンディングするロールボンディングステップと、
   ロールボンディングした心材及びブレージング用皮材を１次圧延する第１圧延ステップと、
   １次圧延した心材及びブレージング用皮材をアニーリングするアニーリングステップと、
   アニーリングした心材とブレージング用皮材を２次圧延してブレージング用高強度クラッド板材を完成する第２圧延ステップとを含むことを特徴とする、薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材の製造方法。
10. 前記素材準備ステップにおいて、前記心材は、０．７〜１．０重量％のケイ素（Ｓｉ）と、０．４５〜０．５重量％の鉄（Ｆｅ）と、０．１〜０．１５重量％の銅（Ｃｕ）と、１．２〜１．６重量％のマンガン（Ｍｎ）と、残部のアルミニウム（Ａｌ）と、その他の不可避的不純物とを含むことを特徴とする、請求項９に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材の製造方法。
11. 前記アニーリングステップは、４５０℃で１〜２時間行われることを特徴とする、請求項１０に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材の製造方法。
12. 前記第１圧延ステップは、前記心材及びブレージング用皮材を３２〜３６％の厚さ圧下率で冷間圧延する過程であることを特徴とする、請求項１０に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材の製造方法。
13. 前記第２圧延ステップは、３０〜７０％の厚さ圧下率で冷間圧延する過程であることを特徴とする、請求項１２に記載の薄板鋳造されたアルミニウム合金を用いたブレージング用高強度クラッド板材の製造方法。