JP2017008356A - 熱交換器用アルミニウム合金管およびその製造方法、ならびに熱交換器コア - Google Patents
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Abstract
Description
Si:0.01〜0.15質量%、Fe:0.1〜0.3質量%、Cu:0.3〜0.7質量%、Mn:0.05〜0.3質量%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなる組成を有し、
内部にZn拡散層が形成された管表面の80%以上がZn層で覆われ、前記管表面からの深さとして、1.0質量%以上の平均Zn濃度を有する第1拡散層が60μm以上、0.2質量%以上の平均Zn濃度を有する第2拡散層が80μm以上の深さを有し、前記第2拡散層の最大深さと最小深さの比が1.4以下であることを特徴とする。
Siは、アルミニウム合金管の強度を高める効果がある。Siを0.15質量%を超えて含有すると押出性(押出速度)の低下を招き、生産性が大きく低下する。一方、Siを0.01%未満にするためには高純度地金を使用しなければならないため、コストアップとなる。なお、同様の理由で、Siの含有量を0.01〜0.15質量%とするのが望ましい。
Feは、AlとAl−Fe系化合物を生成し強度を向上させる。0.3%を超えた含有では化合物の量が多くなり、押出性が低下する。Feを0.1%未満にするためには高純度地金を使用しなければならないため、コストアップとなる。
Cuは、Al合金中に固溶あるいは析出して化合物として存在し、材料強度を高める効果がある。ただし、0.3%未満ではその効果は小さく、0.7%を超えると強度が高くなりすぎて押出性が低下するほか、Cuを含む化合物が腐食の起点となるため、アルミニウム合金管の耐食性を低下させる原因となる。
Mnは、AlとAl−Mn系化合物を形成し、合金中に晶出または析出してアルミニウム合金管の強度を高める効果がある。0.05%未満ではその効果は充分でなく、一方0.3%を超えて含有すると押出性の低下を招く。
溶射法等で広い範囲の表面がZn層で覆われていることで、Zn拡散熱処理、ろう付け熱処理と組み合わせることで必要な拡散層を得ることができ、防食効果が期待できる。単位面積当たりの被覆率が80%未満であると、アルミニウム合金管を防食することが困難になり、深い孔食が発生する。
なお、内部にZn拡散層が形成された管表面とは、Zn拡散熱処理後においてその内側にZn拡散層が形成されている表面を指す。例えば、アルミニウム合金管が扁平管からなり、平坦部に対しZn層を形成する場合には、内部にZn拡散層が形成された管表面は平坦部となる。
アルミニウム合金管に最高到達温度430℃未満でかつ300℃以上で保持時間が3〜15時間の範囲でZn拡散熱処理を施すことで、ろう付け時の加熱と合わせて必要なZn拡散層を得ることができる。この熱処理を430℃以上の高温で実施すると、Znの拡散に必要な加熱時間は短時間となるが、Zn拡散層が深さ方向に不均一に分布しバラつきが大きくなるため、430℃未満で実施することが好ましい。さらに、430℃以上の熱処理は、空気炉雰囲気中で加熱した場合、酸化被膜厚さが大きくなるため、ろう付けによるフィンと管の接合性能を低下させる原因となるため、好ましくない。一方、Al中のZn拡散を考慮すると、熱処理は300℃未満では充分でなく、所望のZn拡散深さを得るためには長時間の熱処理が必要となり、生産性を考慮すると好ましくない。なお、Zn拡散熱処理は、温度を300〜430℃の範囲とし、保持時間を3〜15時間とするのが望ましい。
熱交換器に使用されるアルミニウム合金管に関しては、1.0質量%以上の平均Zn濃度を有する第1拡散層が60μm以上、0.2質量%以上の平均Zn濃度を有する第2拡散層が80μm以上であれば、第1拡散層と第2拡散層との間でZnが適当な濃度勾配を有していることを示し、腐食環境においても管を防食できる時間が長くなり、通常環境での使用に対して充分な防食効果が期待できる。
ここで、第1拡散層の深さが60μm未満であれば、Zn拡散層の犠牲防食効果は不十分で短時間で孔食が発生し貫通する懸念があり、また、第2拡散層の深さが80μm未満であれば、第1拡散層とZnが適当な濃度勾配が得られず、腐食環境においても管を防食できる時間が短くなる。
Zn拡散熱処理後の第2拡散層において、拡散距離の最大深さと最小深さを測定したとき、最大/最小が1.4以下であれば、ろう付後の製品の各場所で等しい防食性能を有していると判断できる。
なお、拡散距離は、例えば管表面の任意6箇所を測定して、拡散距離の最大深さと最小深さを測定したときの測定結果に基づいて判断して、最大/最小が1.4以下であれば、管の多くの断面においても犠牲防食層内の腐食速度は同程度であり、深さ方向に速い腐食の進行を避けることができるため、ろう付後の製品の各場所で等しい防食性能を有しているとみなすことができる。
側面に開口部を有するボビンを使用すれば、Zn拡散熱処理での入熱がよく、長手方向全長に渡って均一なZn拡散層を有するアルミニウム合金管を製造することができる。通常、扁平管はスチール製のボビンに巻きつけて熱処理を施すが、外周部がスチールで覆われると開口部とスチールとが接する面で熱伝導が異なることにより、入熱量のバラつきがより大きくなる。そのバラつきを低減させるために、ボビンの側面に30%以上の開口部を設けることで、より均一な熱伝導を得ることができてZn拡散層のバラつきを小さくできる。
なお、ボビンの材質としては、スチール製に限定されないが、例えば、熱伝導率が1〜400W/m・℃程度のものを好適に使用することができる。
本発明のアルミニウム合金管で使用されるアルミニウム合金は、常法により溶製することができ、半連続鋳造や連続鋳造により得ることができる。
アルミニウム合金管は、既知の方法により製造することができ、押出や引き抜きなどの方法を採用することができる。
図1は、アルミニウム合金管の一例を示すものであり、アルミニウム合金扁平管1が準備される。アルミニウム合金扁平管1は、内側に長手方向に沿って複数の穴2が形成されている。アルミニウム合金扁平管1は、両側に平坦部3を有しており、平坦部3にフィンのろう付けが予定される。
管外表面へのZn層の形成は、Zn溶射、Znめっき、Zn置換フラックスの塗布、Zn粉末塗料の塗布など、さまざまな方法を採用できる。いずれの方法でも、最終的に得られるZn拡散層が本発明の範囲を満足していれば、優れた耐食性を確保できる。
Zn層の形成は、少なくとも、内側にZn拡散層を形成することが意図される管表面に行えばよく、管表面の全体にZn層を形成することが必須となるものではない。例えば、アルミニウム合金扁平管1である場合、平坦部3を選択してZn層を形成するようにしてもよい。なお、Zn層の形成を行わず、Zn層が形成されたアルミニウム合金管を得て処理を行うものであってもよい。
Zn拡散熱処理は、最高到達温度430℃未満でかつ300℃以上で、保持時間が3〜15時間の範囲で行う。熱処理は、加熱炉内などで行うことができ、雰囲気調整は特に限定されない。
また、Zn拡散熱処理によって、管表面からの深さとして、1.0質量%以上の平均Zn濃度を有する第1拡散層1Aが60μm以上の深さを有し、0.2質量%以上の平均Zn濃度を有する第2拡散層1Bが80μm以上の深さを有している。第1拡散層1Aは、第2拡散層1Bに含まれている。
拡散層の深さは、EPMA線分析により行うことができる。深さの測定位置は特に限定されないが、例えば予め定めた測定点(面方向で位置が異なる例えば6点)において行うことができる。また、本実施形態では、面方向における拡散層の深さのバラつきは小さくなっており、例えば、第2拡散層の最大深さDMと最小深さDLの比が1.4以下であるのが望ましい。
表1に示す組成のφ250mmのアルミニウム合金ビレットを鋳造し、得られたビレットに580℃で6時間保持する均質化処理を行った。続いてビレットを550℃に加熱後、熱間押出で肉厚0.3mm、幅20mmの押出扁平管を作製した。
押出直後、扁平管平坦部の表裏面に10〜20g/cm2の付着量となるように、純Znを溶射して、スチール製ボビンに巻き取りコイル状に束ねた。
その後、表1に示す所定の温度でZn拡散熱処理を実施し、熱処理後の抜き取りサンプルについて、チューブ平坦部表面の平均Zn被膜率を算出し、平均Zn濃度と、またZn拡散層の濃度分布をEPMA線分析によって測定した。その後、SWAAT耐食性試験を実施し、扁平管の最大腐食深さと平均腐食速度を調査した。続いて、長さ300mmの扁平管15本と両面にろう材をブレージングしたアルミコルゲートフィンと組み合わせてノコロックフラックスを5g/m2 塗布して最高到達温度595℃、保持時間なしのろう付条件で、熱交換器コアを作製し、ろう付け性を評価した。同時に扁平管単体のろう付熱処理も実施し、引張試験を行い扁平管の材料強度を測定した。
各試験の評価基準は以下の通りである。
通常操業程度の押出速度で実施し、扁平管の表面に基準以上の肌荒れを生じた場合を×とした。
Zn拡散層の深さは扁平管を樹脂埋めして、任意の6ヶ所のZn被膜部について扁平管の表面から深さ方向へのZn濃度分布をEPMA線分析により測定し、1.0質量%以上のZn濃度を有する第1拡散層と、0.2質量%以上の平均Zn濃度を有する第2拡散層の深さを算出した。
ASTM G85−A3で規定されているSWAAT耐食性試験を500時間実施し、チューブの最大腐食深さと腐食速度を測定した。試験後に最大腐食深さが150μm、平均腐食速度が50mg/cm2 以下であるものを合格とした。なお、電位が卑なフィンとの組み合わせによるろう付組み付け体(熱交換器コア)は、扁平管単体の耐食性試験と比較して、フィンによる犠牲防食効果を付与できるため、耐食性試験の難易度は易しい。ここで、実施する扁平管単体の試験で耐食性に優れていれば、コアとしても当然耐食性を満たしていることを意味する。
(ろう付性の評価)
長さ300mmの扁平管15本とブレージングしたアルミコルゲートフィンと組み合わせてノコロックフラックスを5g/m2塗布して熱交換器コアを作製した。ろう付後のコアを確認し、フィンの未接合部が全体の10%以上存在する場合、ろう付性は×と判断した。
(ろう付熱処理後の引張試験)
ろう付後の材料強度を測定するため、JIS Z2241準拠の方法で引張試験を行い、管の引張強さを測定した。引張強さが70MPa以下のものは×とした。
1A 第1拡散層
1B 第2拡散層
2 穴
3 平坦部
4 Zn層
5 熱交換器コア
6 熱交換器用アルミニウム合金管
7 フィン
表1に示す組成のφ250mmのアルミニウム合金ビレットを鋳造し、得られたビレットに580℃で6時間保持する均質化処理を行った。続いてビレットを550℃に加熱後、熱間押出で肉厚0.3mm、幅20mmの押出扁平管を作製した。
押出直後、扁平管平坦部の表裏面に10〜20g/m 2 の付着量となるように、純Znを溶射して、スチール製ボビンに巻き取りコイル状に束ねた。
その後、表1に示す所定の温度でZn拡散熱処理を実施し、熱処理後の抜き取りサンプルについて、チューブ平坦部表面の平均Zn被膜率を算出し、平均Zn濃度と、またZn拡散層の濃度分布をEPMA線分析によって測定した。その後、SWAAT耐食性試験を実施し、扁平管の最大腐食深さと平均腐食速度を調査した。続いて、長さ300mmの扁平管15本と両面にろう材をブレージングしたアルミコルゲートフィンと組み合わせてノコロックフラックスを5g/m2 塗布して最高到達温度595℃、保持時間なしのろう付条件で、熱交換器コアを作製し、ろう付け性を評価した。同時に扁平管単体のろう付熱処理も実施し、引張試験を行い扁平管の材料強度を測定した。
各試験の評価基準は以下の通りである。
Claims (6)
- 熱交換器用アルミニウム合金管であって、
Si:0.01〜0.15質量%、Fe:0.1〜0.3質量%、Cu:0.3〜0.7質量%、Mn:0.05〜0.3質量%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなる組成を有し、
内部にZn拡散層が形成された管表面の80%以上がZn層で覆われ、前記管表面からの深さとして、1.0質量%以上の平均Zn濃度を有する第1拡散層が60μm以上、0.2質量%以上の平均Zn濃度を有する第2拡散層が80μm以上の深さを有し、前記第2拡散層の最大深さと最小深さの比が1.4以下であることを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金管。 - 前記熱交換器用アルミニウム合金管が扁平管からなり、Zn拡散層が形成された管表面が管の平坦部表面であることを特徴とする請求項1記載の熱交換器用アルミニウム合金管。
- SWAAT耐食性試験における最大腐食深さが150μm以下、平均腐食速度が50mg/cm2以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の熱交換器用アルミニウム合金管。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載された熱交換器用アルミニウム合金管が使用されていることを特徴とする熱交換器コア。
- 請求項1に記載の組成を有し、表面の80%以上がZn層で覆われたアルミニウム合金管に対し、最高到達温度430℃未満でかつ300℃以上で、保持時間が3〜15時間の範囲でZn拡散熱処理を施して、管表面からの深さとして、1.0質量%以上の平均Zn濃度を有する第1拡散層が60μm以上、0.2質量%以上の平均Zn濃度を有する第2拡散層が80μm以上の深さを有するZn拡散層を形成する熱交換器用アルミニウム合金管の製造方法。
- 前記Zn拡散熱処理が、側面に30%以上の開口部を有するボビンを使用して行われることを特徴とする請求項5に記載の熱交換器用アルミニウム合金管の製造方法。
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