JP2017119292A - アルミニウム合金ブレージングシート及び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
【解決課題】板厚が０．１２ｍｍ以下と薄肉でありながら、ろう付加熱時に、フィン先端部の座屈変形又はフィレットの不健全な形成という不具合が生じないフラックスレスろう付用アルミニウム合金ブレージングシートを提供すること。
【解決手段】フラックスを使用しない不活性ガス雰囲気中でのろう付に用いられるアルミニウム合金ブレージングシートであって、０．８〜１．８質量％のＭｎと、０．０５〜０．２０質量％のＭｇと、を含有し、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材の片面又は両面に、６〜１３質量％のＳｉを含有し、残部アルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金のろう材がクラッドされており、該ブレージングシートの厚さが０．１２ｍｍ以下であり、該ろう材の厚みが０．０１２ｍｍ以下であること、を特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。
【選択図】なし
【解決手段】フラックスを使用しない不活性ガス雰囲気中でのろう付に用いられるアルミニウム合金ブレージングシートであって、０．８〜１．８質量％のＭｎと、０．０５〜０．２０質量％のＭｇと、を含有し、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材の片面又は両面に、６〜１３質量％のＳｉを含有し、残部アルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金のろう材がクラッドされており、該ブレージングシートの厚さが０．１２ｍｍ以下であり、該ろう材の厚みが０．０１２ｍｍ以下であること、を特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。
【選択図】なし
Description
本発明は、フラックスを使用しない不活性ガス雰囲気中でのアルミニウム又はアルミニウム合金のろう付に用いられるアルミニウム合金ブレージングシート及びそれを用いるアルミニウム合金製熱交換器の製造方法に関する。
細かな接合部を多数有するアルミニウム製の熱交換器（主として自動車用熱交換器）では、接合方法としてろう付接合が広く用いられている。アルミニウムをろう付接合するには、ろう材の表面を覆っている酸化皮膜を破壊して、溶融したろう材を母材あるいは同じく溶融したろう材に接触させることが必要である。
酸化皮膜の破壊には一般的にフラックスが使用されており、フッ化物系のフラックスを塗布して窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中でろう付する方法が、自動車用熱交換器に代表されるアルミニウムろう付製品の接合に広く用いられている。ところが近年、自動車の電子化が急速に進んでおり、電子部品と接触する熱交換器においてはフラックスの残渣が問題視されるようになった。また、フラックスの残渣が表面処理性を阻害するため、ろう付後にフラックス残渣を洗浄している熱交換器もあり、その洗浄工程のコスト負荷も問題視されるようになった。
そこで、フラックスを塗布せずに不活性ガス雰囲気中で接合するフラックスレスろう付法の実用化が期待されている。フラックスを使用しないで酸化皮膜（主としてＡｌ２Ｏ３）を破壊するには、酸化物生成自由エネルギーの低い、すなわち、酸化しやすい元素を材料中に含有する必要があり、最も代表的にはＭｇが用いられる。
アルミニウム製品のろう付では、心材の表面にろう材をクラッドしたブレージングシートがよく用いられる。Ｍｇの添加部位としては心材とろう材の二種類に大別されるが、ろう付雰囲気中に微量に存在する酸素や水蒸気による酸化の悪影響を避けるには、Ｍｇを心材に添加した方が有利である。（特開２００４−３５８５１９、特開２００６−０４３７３５、特開２０１１−０２５２７６、特開２０１１−２３０１２８、特開２０１３−１２３７４９、特開２０１３−２３３５５２、特開２０１５−３０８６１、特開２０１５−５８４６６参照）。心材に添加されたMgは、ろう付加熱中にろう材層中へ拡散し、ろう材表面に到達した段階で酸化皮膜を還元してスピネル型の酸化物（Ａｌ２ＭｇＯ４）を形成して酸化皮膜を脆弱化するのであるが、Ｍｇがろう材表面に到達するタイミングが遅れたり、到達するＭｇ量が少ないと、酸化皮膜の脆弱化が十分に進行せずに、健全なろう付性が得られなくなる。そのため、上記公開特許にあるように、接合性を確保するために心材には、Ｍｇを０．２質量％以上添加することが必要とされていた。
現在、フラックスレスろう付の開発対象となっている熱交換器の多くが中空構造を有しており、中空構造を形成する部材の板厚は、パラレルフロー型熱交換器のタンク及びヘッダー部では０．６ｍｍ以上、チューブ部では０．２ｍｍ強であり、積層型熱交換器の本体チューブ部では０．４ｍｍ以上である。そして、これらの厚さ０．２ｍｍを超える部材に使用するブレージングシートおいて、フラックスレスろう付を可能にするには、心材にはＭｇが０．２質量％以上含有されていることが必要とされていた。
一方、パラレルフロー型熱交換器や積層型熱交換器において、チューブとチューブの間に設置するブレージングフィン（通称アウタフィン）や、チューブの内部に設置するブレージングフィン（通称インナフィン）の板厚は０．１ｍｍ以下と薄い。
そして、板厚が０．１ｍｍと薄肉のブレージングフィン材においては、上記のパラレルフロー型熱交換器のタンク及びヘッダー部の厚さが０．６ｍｍ以上であるブレージングシートや、チューブ部の厚さが０．２ｍｍ強であるブレージングシートや、積層型熱交換器の本体チューブ部の厚さが０．４ｍｍ以上であるブレージングシートを、単純に板厚を薄くしただけでは、フィンの先端部が座屈したり、フィレットが健全に形成されないという不具合が頻繁に生じていた。
従って、本発明の目的は、フラックスを塗布しないでろう付されるアルミニウム合金ブレージングシートであって、板厚が０．１２ｍｍ以下と薄肉でありながら、ろう付加熱時に、フィン先端部の座屈変形又はフィレットの不健全な形成という不具合が生じないアルミニウム合金ブレージングシートを提供することにある。
かかる事情において、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、従来、フラックスレスろう付においては、心材中のＭｇの含有量が０．２質量％以上は必要であるとされていたところを、ろう材の厚みを０．０１２ｍｍ以下とすることで、心材中のＭｇ含有量を０．２質量％以下としても、ろう材表面への十分なＭｇの拡散を確保でき、且つ、ろう材の厚みが０．０１２ｍｍ以下となることにより生じる溶融ろうの絶対量の減少に伴うろう付不良を、心材中のＭｇの含有量を０．２質量％以下とすることで、ろう付加熱時の心材中の再結晶粒の微細化を抑え、溶融ろうの心材への粒界浸透を少なくし、その結果、健全なろう付のために必要なフィレット形成に寄与する溶融ろうの絶対量を確保できるので、健全なフレットが形成でき、合わせて、ろう付加熱時の心材中へのろう材の粒界浸透を少なくできるため、フィン先端の座屈変形を防ぐことができることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明（１）は、フラックスを使用しない不活性ガス雰囲気中でのろう付に用いられるアルミニウム合金ブレージングシートであって、
０．８〜１．８質量％のＭｎと、０．０５〜０．２０質量％のＭｇと、を含有し、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材の片面又は両面に、６〜１３質量％のＳｉを含有し、残部アルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金のろう材がクラッドされており、
該ブレージングシートの厚さが０．１２ｍｍ以下であり、
該ろう材の厚みが０．０１２ｍｍ以下であること、
を特徴とするアルミニウム合金ブレージングシートを提供するものである。
０．８〜１．８質量％のＭｎと、０．０５〜０．２０質量％のＭｇと、を含有し、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材の片面又は両面に、６〜１３質量％のＳｉを含有し、残部アルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金のろう材がクラッドされており、
該ブレージングシートの厚さが０．１２ｍｍ以下であり、
該ろう材の厚みが０．０１２ｍｍ以下であること、
を特徴とするアルミニウム合金ブレージングシートを提供するものである。
また、本発明（２）は、（１）のアルミニウム合金ブレージングシートをフィン形状に成形してフィンを作製し、次いで、該フィンをアルミニウム合金からなるチューブの間に設置し、次いで、酸素濃度が２０ｐｐｍ以下に制限されている不活性ガス雰囲気中で、フラックスを塗布しないでろう付す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を提供するものである。
また、本発明（３）は、（１）のアルミニウム合金ブレージングシートをフィン形状に成形してフィンを作製し、次いで、該フィンをアルミニウム合金からなる成形チューブの内部に設置し、次いで、酸素濃度が５０ｐｐｍ以下に制限されている不活性ガス雰囲気中で、フラックスを塗布しないでろう付す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を提供するものである。
本発明によれば、フラックスを塗布しないでろう付されるアルミニウム合金ブレージングシートであって、板厚が０．１２ｍｍ以下と薄肉でありながら、ろう付加熱時に、フィン先端部の座屈変形がなく且つ健全なフィレットを形成できるアルミニウム合金ブレージングシートを提供することができる。
本発明は、フラックスを使用しない不活性ガス雰囲気中でのろう付に用いられるアルミニウム合金ブレージングシートであって、
０．８〜１．８質量％のＭｎと、０．０５〜０．２０質量％のＭｇと、を含有し、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材の片面又は両面に、６〜１３質量％のＳｉを含有し、残部アルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金のろう材がクラッドされており、
該ブレージングシートの厚さが０．１２ｍｍ以下であり、
該ろう材の厚みが０．０１２ｍｍ以下であること、
を特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。
０．８〜１．８質量％のＭｎと、０．０５〜０．２０質量％のＭｇと、を含有し、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材の片面又は両面に、６〜１３質量％のＳｉを含有し、残部アルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金のろう材がクラッドされており、
該ブレージングシートの厚さが０．１２ｍｍ以下であり、
該ろう材の厚みが０．０１２ｍｍ以下であること、
を特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。
本発明のアルミニウム合金ブレージングシートは、フラックスを使用しないで、不活性ガス雰囲気中で、ろう付を行う、フラックスレスろう付に用いられるアルミニウム合金ブレージングシートである。
本発明のアルミニウム合金ブレージングシートは、心材と、心材の片面又は両面にクラッドされているろう材と、からなる。つまり、本発明のアルミニウム合金ブレージングシートでは、心材の片面又は両面にろう材がクラッドされている。
心材は、０．８〜１．８質量％のＭｎと、０．０５〜０．２０質量％のＭｇと、を含有し、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材である。心材は、必須の元素として、Ｍｎ及びＭｇを含有する。
心材中のＭｎ含有量は、０．８〜１．８質量％、好ましくは１．０〜１．４質量％である。心材中のＭｎ含有量が、上記範囲内にあることにより、フィンに必要な強度が確保され、また、フィンの電位を上げて、フィンの腐食速度を低下させることができ、また、Ｍｎにより核の発生が抑制されるので、心材の結晶粒の微細化が抑制される。一方、心材中のＭｎ含有量が、上記範囲未満だと、フィンの強度が低くなり過ぎ、また、結晶粒が微細化し易くなる、また、上記範囲を超えると、材料の圧延製造時に割れを生じ易くなる。
心材中のＭｇ含有量は、０．０５〜０．２質量％、好ましくは０．１〜０．１６質量％である。心材中のＭｇ含有量が、上記範囲にあることにより、ろう付加熱時に、酸化皮膜を脆弱化させるのに必要な量のＭｇを、ろう材の表面に拡散できるので、ろう付性が良好となると共に、ろう付加熱時の心材中の結晶粒の微細化を防ぐことができるので、ろう材の心材への粒界浸透を少なくでき、その結果、健全なろう付性が得られ且つフィン先端の座屈変形を防ぐことができる。一方、心材中のＭｇ含有量が、上記範囲未満だと、ろう付性が不良となり、健全なろう付性が得られず、また、上記範囲を超えると、ろう付加熱時に、心材の結晶粒が微細化するため、ろう材の心材への粒界浸透が多くなり、その結果、ろう付性が不良となり、また、フィン先端の座屈変形が起こり易くなる。
心材中のＭｎ含有量に対するＭｇ含有量の比（Ｍｇ／Ｍｎ）は、好ましくは０．０４〜０．１８、特に好ましくは０．０８〜０．１６である。心材中のＭｎ含有量に対するＭｇの含有量の比が、上記範囲にあることにより、健全なろう付性が得られ且つフィン先端の座屈変形を防ぐことができるという効果が高まる。
心材は、０．８〜１．８質量％、好ましくは１．０〜１．４質量％のＭｎと、０．０５〜０．２０質量％、好ましくは０．１〜０．１６質量％のＭｇと、に加え、更に、１．０質量％以下、好ましくは０．０５〜０．６質量％のＳｉ、１．０質量％以下、好ましくは０．０５〜０．５質量％のＦｅ、０．５質量％以下、好ましくは０．０５〜０．２質量％のＣｕ、３．０質量％以下、好ましくは０．０５〜２．５質量％のＺｎ、０．２質量％以下、好ましくは０．０５〜０．０８質量％のＴｉ及び０．５質量％以下、好ましくは０．０５〜０．０８質量％のＺｒのうちのいずれか１種又は２種以上と、を含有し、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材である。心材は、必須の元素として、Ｍｎ及びＭｇを含有し、更に、任意の元素として必要に応じ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｔｉ及びＺｒのうちのいずれか１種又は２種以上を含有することができる。
心材は、Ｓｉを含有していてもよいし、Ｓｉを含有していなくてもよい。心材がＳｉを含有する場合、心材中のＳｉ含有量は、１．０質量％以下、好ましくは０．０５〜０．６質量％である。心材が上記範囲のＳｉを含有することにより、フィンの強度が高くなり、また、ろう付時のろう材中のＳｉの心材への拡散量を少なくすることができ、ろうの流動量の減少を抑えることができる。一方、心材中のＳｉの含有量が上記範囲を超えると、溶融ろうによる心材の溶解量が増し、また、心材の融点が低くなるため、特にろう付温度が高い場合において、フィンに変形を生じ易くなる。
心材は、Ｆｅを含有していてもよいし、Ｆｅを含有していなくてもよい。心材がＦｅを含有する場合、心材中のＦｅ含有量は、１．０質量％以下、好ましくは０．０５〜０．５質量％である。心材が上記範囲のＦｅを含有することにより、フィンの強度が高くなる。一方、心材中のＦｅの含有量が上記範囲を超えると、腐食速度が高まり、フィンの早期腐食を招く恐れがある。
心材は、Ｃｕを含有していてもよいし、Ｃｕを含有していなくてもよい。心材がＣｕを含有する場合、心材中のＣｕ含有量は、０．５質量％以下、好ましくは０．０５〜０．２質量％である。心材が上記範囲のＣｕを含有することにより、フィンの強度が高くなる。一方、心材中のＣｕの含有量が上記範囲を超えると、フィンの融点が低くなり、ろう付加熱時にフィンの変形を生じ易くなるとともに、フィンの電位が高くなり、チューブの腐食速度を上げる恐れがある。
心材は、Ｚｎを含有していてもよいし、Ｚｎを含有していなくてもよい。心材がＺｎを含有する場合、心材中のＺｎ含有量は、３．０質量％以下、好ましくは０．０５〜２．５質量％である。心材が上記範囲のＺｎを含有することにより、フィンの電位が下がり犠牲陽極効果が発揮される。一方、心材中のＺｎの含有量が上記範囲を超えると、フィンの電位が過度に低くなり、フィンの早期腐食や早期のフィン剥がれを発生し易くなる。
心材は、Ｔｉを含有していてもよいし、Ｔｉを含有していなくてもよい。心材がＴｉを含有する場合、心材中のＴｉ含有量は、０．２質量％以下、好ましくは０．０５〜０．０８質量％である。心材が上記範囲のＴｉを含有することにより、腐食が層状に進行し腐食寿命を延ばす。一方、心材中のＴｉの含有量が上記範囲を超えると、鋳造時に粗大粒を生じ易くなり、耐食性や成形性が悪くなる。
心材は、Ｚｒを含有していてもよいし、Ｚｒを含有していなくてもよい。心材がＺｒを含有する場合、心材中のＺｒ含有量は、０．５質量％以下、好ましくは０．０５〜０．０８質量％である。心材が上記範囲のＺｒを含有することにより、再結晶が遅くなり結晶粒径が大きくなる。一方、心材中のＺｒの含有量が上記範囲を超えると、材料製造時に割れを生じ易くなる。
ろう材は、６〜１３質量％のＳｉを含有し、残部アルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金からなるアルミニウム合金のろう材である。
ろう材は、必須の元素として、Ｓｉを含有する。ろう材中のＳｉ含有量は、６〜１３質量％、好ましくは７．５〜１２質量％である。ろう材中のＳｉ含有量が、上記範囲にあることにより、溶融ろうの流動性が良好となり、健全な接合性が得られる。一方、ろう材中のＳｉ含有量が、上記範囲未満だと、溶融ろうの流動性が乏しくなって健全に接合できなくなり、また、ろう材中のＳｉ含有量が上記範囲を超えると、溶融ろうによる心材の溶解量が増してフィントップが潰れ易くなり、また、材料の圧延製造時にろう材層が割れる危険性も高くなる。
ろう材は、更に、任意の元素として必要に応じ、Ｌｉ、Ｂｉ及びＭｇのうちのいずれか１種又は２種以上を含有する。
ろう材は、Ｌｉを含有していてもよいし、Ｌｉを含有していなくてもよい。ろう材がＬｉを含有する場合、ろう材中のＬｉ含有量は、０．０５質量％以下、好ましくは０．００４〜０．０４質量％である。ＬｉはＭｇと同様に酸化物生成自由エネルギーの低い元素であり、Ｍｇに比べて微量で、酸化皮膜を脆弱にする効果を発揮するので、ろう材が上記範囲のＬｉを含有することにより、接合性が高くなる。一方、ろう材中のＬｉの含有量が上記範囲を超えると、加熱中に酸化し易くなり、ろう付性が低くなる。
ろう材は、Ｂｉを含有していてもよいし、Ｂｉを含有していなくてもよい。ろう材がＢｉを含有する場合、ろう材中のＢｉ含有量は、０．１質量％以下、好ましくは０．００４〜０．０５質量％である。ろう材が上記範囲のＢｉを含有することにより、溶融ろうの表面張力が低くなり、ろうの流動性が良くなり、すきま充填性が高くなる。一方、ろう材中のＢｉの含有量が上記範囲を超えると、加熱中にろう材表面が酸化し易くなって接合性を損ねる。
ろう材は、Ｍｇを含有していてもよいし、Ｍｇを含有していなくてもよい。ろう材がＭｇを含有する場合、ろう材中のＭｇ含有量は、０．１質量％以下、好ましくは０．０２〜０．１質量％である。ろう材が上記範囲のＭｇを含有することにより、溶融ろうの表面張力が低くなり、ろうの流動性が良くなり、すきま充填性が高くなる。一方、ろう材中のＭｇの含有量が上記範囲を超えると、加熱雰囲気中の酸素濃度が高い条件下では、加熱中の酸化により接合性が低くなる。
本発明のアルミニウム合金ブレージングシートの厚みは、０．１２ｍｍ以下、好ましくは０．０５〜０．１２ｍｍである。本発明のアルミニウム合金ブレージングシートは、厚みが、０．１２ｍｍ以下と薄肉であるので、パラレルフロー型熱交換器や積層型熱交換器のチューブとチューブの間に設置されるブレージングフィン（アウタフィン）や、チューブの内部に設置されるブレージングフィン（インナフィン）に、好適に用いられる。
ろう材の厚みは、０．０１２ｍｍ以下、好ましくは０．００５〜０．０１０ｍｍである。ろう材の厚みが上記範囲であることにより、ろう付性が良好になり、健全なフィレットが形成される。一方、ろう材の厚みが上記範囲を超えると、ろう材表面へのＭｇ拡散が不十分となるため、酸化皮膜の脆弱化が不十分となり、健全なろう付性が得られなくなる。
心材の厚みは、０．１１ｍｍ以下、好ましくは０．０４〜０．１ｍｍである。本発明のアルミニウム合金ブレージングシートでは、心材の厚みが、０．１１ｍｍ以下、好ましくは０．０４〜０．１ｍｍと薄いが、ろう材の厚みが、０．０１２ｍｍ以下、好ましくは０．００５〜０．０１０ｍｍであるので、心材中のＭｇの含有量が、０．０５〜２．０質量％、好ましくは０．１〜０．１６質量％と少なくても、健全なろう付性が得られる。
本発明のアルミニウム合金ブレージングシートのろう材のクラッド率は、５〜１５％、好ましくは７〜１２％である。
本発明のアルミニウム合金ブレージングシートでは、心材が、５９５℃での加熱試験において、試験後の平均結晶粒径が５０μｍ以上となるアルミニウム合金からなることが好ましい。本発明のアルミニウム合金ブレージングシートは、心材が、５９５℃での加熱試験において、試験後の平均結晶粒径が５０μｍ以上となるアルミニウム合金からなることにより、ろう付加熱時に、５７７〜６１０℃のろう付加熱温度で加熱されても、結晶粒が小さくなり過ぎないので、溶融ろう材の粒界浸透が少なくなり、その結果、健全なろう付性が得られると共に、フィン先端の座屈変形が防止される。そして、心材中のＭｎ含有量を０．８〜１．８質量％、好ましくは１．０〜１．４質量％とし、且つ、Ｍｇ含有量を０．０５〜０．２質量％、好ましくは０．１〜０．１６質量％とすることで、５９５℃での加熱試験において、試験後の平均結晶粒径が５０μｍ以上となるアルミニウム合金からなる心材とすることができる。
本発明のアルミニウム合金ブレージングシートでは、心材が、５７７〜６１０℃でのろう付加熱後の平均結晶粒径が５０μｍ以上となるアルミニウム合金からなることが好ましい。本発明のアルミニウム合金ブレージングシートは、心材が、５７７〜６１０℃でのろう付加熱後の平均結晶粒径が５０μｍ以上となるアルミニウム合金からなることにより、ろう付加熱時に、結晶粒が小さくなり過ぎないので、溶融ろう材の粒界浸透が少なくなり、その結果、健全なろう付性が得られると共に、フィン先端の座屈変形が防止される。そして、心材中のＭｎ含有量を０．８〜１．８質量％、好ましくは１．０〜１．４質量％とし、且つ、Ｍｇ含有量を０．０５〜０．２質量％、好ましくは０．１〜０．１６質量％とすることで、５７７〜６１０℃でのろう付加熱後の平均結晶粒径が５０μｍ以上となるアルミニウム合金からなる心材とすることができる。
本発明のアルミニウム合金ブレージングシートは、酸処理により、表面酸化皮膜又は表面酸化皮膜及びろう材が、５ｎｍ以上の厚さまで、エッチング処理されたものであってもよい。ろう材表面がエッチング処理されたものは、ろう材表面の酸化皮膜が脆弱化されたものであるので、ろう付性を向上させることができる。エッチング処理を材料製造時の熱間圧延以降の段階で実施すれば、ろう付製品生産工場でのエッチング処理を不要にすることができる。また、材料完成後、ろう付加熱を実施するまでの工程でエッチング処理を行ってもよい。なお、アルカリ溶液によるエッチング処理は、エッチング処理時に生成した水酸化アルミニウム等がろう付加熱時に分解して水分を放出するため好ましくない。エッチング効果を長期間保持するには、エッチング処理後に油剤を塗布することが有効である。塗布される油剤がろう付性を阻害しないためには、不活性ガス雰囲気中での分解温度が３８０℃以下である必要があり、分解温度が３８０℃を超える油剤が塗布された場合は、ろう付前に脱脂処理が必要である。熱間圧延されたコイルをエッチング処理すれば、冷間圧延時に圧延油が塗布されるため特別な処理を必要としないが、材料製造の最終段階でエッチング処理と塗油処理を実施しても良い。ろう付性を確保するために、エッチング深さは表面酸化皮膜を含めて５ｎｍ以上が必要である。エッチング深さが５ｎｍ未満であるとエッチングの効果が乏しくなり、ろう付性を確保が困難となる。
本発明のアルミニウム合金製熱交換器の製造方法は、本発明のアルミニウム合金ブレージングシートをフィン形状に成形してフィンを作製し、次いで、該フィンをアルミニウム合金からなるチューブの間に設置し、次いで、酸素濃度が２０ｐｐｍ以下に制限されている不活性ガス雰囲気中で、フラックスを塗布しないでろう付す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である。熱交換器のチューブとチューブの間に設置したフィンは、ろう付雰囲気と直接接触するため、ろう付雰囲気中に含まれる酸素によって加熱中に酸化される。そのため、ろう付雰囲気中の酸素濃度は２０ｐｐｍ以下とする必要があり、ろう付雰囲気中の酸素濃度が２０ｐｐｍを超えると、健全なろう付性の確保が困難となる。
本発明のアルミニウム合金製熱交換器の製造方法は、本発明のアルミニウム合金ブレージングシートをフィン形状に成形してフィンを作製し、次いで、該フィンをアルミニウム合金からなる成形チューブの内部に設置し、次いで、酸素濃度が５０ｐｐｍ以下に制限されている不活性ガス雰囲気中で、フラックスを塗布しないでろう付す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である。熱交換器のチューブの内部に設置したフィンは、ろう付雰囲気との直接的な接触は避けられる。そのため、ろう付雰囲気中の酸素濃度の影響は、フィンをチューブとチューブの間に設置した場合に比べて緩慢となるが、ろう付雰囲気はチューブの各部に設けられた出入口等からチューブ内部に侵入するため、ろう付雰囲気中の酸素濃度は５０ｐｐｍ以下とする必要があり、ろう付雰囲気中の酸素濃度が５０ｐｐｍを超えると健全なろう付性の確保が困難となる。
本発明者らは、フィンの先端部が座屈変形したり、フィレットが健全に形成されない不具合について精査したところ、Ｍｇ含有による心材の融点低下や、ろう材層が薄いことによる流動性の低下が主要因ではないことを突き止めた。フィン先端部の座屈変形については、溶融ろう中への心材の溶解量の増大によって生じたものではなく、溶融ろうが心材の結晶粒界へ浸透した結果であることを見出した。また、接合部でのフィレットの形成不良は、フィン一般部での溶融ろうの心材粒界への浸透によって、接合部へのろうの供給が不足したことによるものであることを見出した。そして、それらの不具合は、いずれも心材の結晶粒径の微細化に起因することを見出した。
そこで、本発明者らは、従来は接合性を確保するための心材のＭｇ含有量は少なくとも０．２質量％と見なされていたにもかかわらず、あえて、心材中のＭｇ含有量を０．２質量％以下とし、加えて、ろう材の厚みを０．０１２ｍｍ以下とすることで、心材中のＭｇ含有量を０．２質量％以下としても、ろう材表面への十分なＭｇの拡散を確保でき、且つ、ろう材の厚みが０．０１２ｍｍ以下となることにより生じる溶融ろうの絶対量の減少に伴うろう付不良を、心材中のＭｇの含有量を０．２質量％以下とすることで、ろう付加熱時の心材中の再結晶粒の微細化を抑え、溶融ろうの粒界浸透を少なくして、その結果、健全なろう付のために必要なフィレット形成に寄与する溶融ろうの絶対量を確保できるので、健全なフレットが形成でき、合わせて、ろう付時の心材中へのろう材の粒界浸透を少なくできるため、フィン先端の座屈変形を防ぐことができることを見出した。
以下、本発明の実施例について説明し、その効果を実証する。これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されない。
評価材料を表１（実施例）及び表２（比較例）に示す。心材の両面にろう材をクラッドした厚さ０．０５ｍｍ、０．０７ｍｍ、０．０７４ｍｍ、０．１ｍｍのブレージングシートＡ１〜Ａ３２（実施例）、Ｂ１〜Ｂ１９（比較例）を常法に従って作製した。製造工程は、鋳造、面削（心材、ろう材）、熱間圧延（ろう材）、熱間クラッド圧延、冷間圧延、途中軟化、冷間圧延の順に実施し、Ｈ１４調質に仕上げた材料をフィン成形機でフィン加工した。一部の材料については、熱間クラッド圧延後、途中軟化後、フィン成形前のいずれかの段階で酸あるいはアルカリ溶液中に浸漬してエッチング処理を実施した。エッチング処理前後のＧＤ−ＯＥＳ分析結果からエッチング深さを求めた。
パラレルフロー型熱交換器や積層型熱交換器において、チューブとチューブの間に設置するアウタフィンを対象とした試験片を図１に示す。３００３材との接合部は左右にあり、その両方の接合部を評価対象とした。チューブの内部に設置するインナフィンを対象とした試験片の断面図を図２に示す。図２の断面図においてカップ型に成形された３００３材（雰囲気調整のための通気孔あり）との接合部が上下にあり、その両方の接合部を評価対象とした。両面ブレージングシートからなる中間プレートとの接合部は評価の対象外とした。
ろう付接合を次のように実施した。内容積０．４ｍ３の予熱室とろう付室を備えた二室型炉からなる窒素ガス炉を使用し、予熱室で４５０℃まで昇温した試験片をろう付室に装入した。ろう付室にて４５０℃から５７７℃までを３２０秒又は１６０秒で昇温し、到達温度５９５℃でろう付してから予熱室にて５７０℃まで冷却してから炉外に取出した。ろう付時の酸素濃度を、窒素ガスの流量を変えることによって調整した。
ろう付性の評価を次のように実施した。上記ブレージングシートを成形したフィンと、３００３材の板又はプレス成形材、４０４５／３００３／４０４５のブレージングシートを組み合わせた試験片をろう付し、３００３材との接合部からフィンを剥がした。フィレットを形成しておれば、接合部にろう付フィレットの痕跡が残るため、接合部長さの総和に対するフィレットの痕跡長さの総和の比率をフィン接合率（％）とした。接合率の大きさに応じて次のように評価した。小数点第一位は四捨五入し、接合率８０％以上を実用可能な合格と判定した。
◎◎◎：接合率１００％
◎◎：接合率９５〜９９％
◎：接合率９０〜９４％
〇：接合率８０〜８９％
▲：接合率５０〜７９％
×：接合率＜５０％
なお、製造の途中で不具合を生じた材料については試験評価を実施しなかった。
また、５９５℃での加熱試験後の心材の平均結晶粒径を、以下の方法により測定した。
ブレージングシートを、フィン形状に成形しないで、不活性ガス雰囲気中で、５９５℃、３分間加熱し、その後冷却した。次いで、ブレージングシートの表面を研磨して、心材を露出させ、表面偏光ミクロ写真を撮影し、その写真内の結晶粒数を数えて、円相当径に換算した値を用いた。
◎◎◎：接合率１００％
◎◎：接合率９５〜９９％
◎：接合率９０〜９４％
〇：接合率８０〜８９％
▲：接合率５０〜７９％
×：接合率＜５０％
なお、製造の途中で不具合を生じた材料については試験評価を実施しなかった。
また、５９５℃での加熱試験後の心材の平均結晶粒径を、以下の方法により測定した。
ブレージングシートを、フィン形状に成形しないで、不活性ガス雰囲気中で、５９５℃、３分間加熱し、その後冷却した。次いで、ブレージングシートの表面を研磨して、心材を露出させ、表面偏光ミクロ写真を撮影し、その写真内の結晶粒数を数えて、円相当径に換算した値を用いた。
＜実施例の評価結果＞
実施例の評価結果を表３に示す。表３に示した実施例ではいずれも８０％以上の接合率が確認され、本発明の実用性が証明された。熱間クラッド圧延後以降の段階で、酸によって５ｎｍ以上エッチング処理したＮｏ．Ｃ１４〜１９、Ｃ２４〜２６では、いずれも接合性の向上が確認された。
実施例の評価結果を表３に示す。表３に示した実施例ではいずれも８０％以上の接合率が確認され、本発明の実用性が証明された。熱間クラッド圧延後以降の段階で、酸によって５ｎｍ以上エッチング処理したＮｏ．Ｃ１４〜１９、Ｃ２４〜２６では、いずれも接合性の向上が確認された。
心材のＭｇ含有量を０．１〜０．２質量％とした本発明材料の心材の平均結晶粒径は、ろう付後に調査した結果、いずれも５０μmを超える平均結晶粒径であることが確認された。そのため、心材への溶融ろうの粒界浸透を生ずることなく、健全に接合された。
＜アウタフィンを対象とした比較例の評価結果＞
比較例の評価結果を表４に示す。心材のＭｇ含有量を０．２５質量％としたＮｏ．Ｂ２の試験片では、心材への溶融ろうの粒界浸透によってフィン先端部に顕著な潰れを生じた。ろう付後の試験片の調査では、平均結晶粒径が５０μmに満たない細かな状態となっており、特に溶融ろうが集中したフィン先端部では心材への粒界浸透が激しく生じていた。
比較例の評価結果を表４に示す。心材のＭｇ含有量を０．２５質量％としたＮｏ．Ｂ２の試験片では、心材への溶融ろうの粒界浸透によってフィン先端部に顕著な潰れを生じた。ろう付後の試験片の調査では、平均結晶粒径が５０μmに満たない細かな状態となっており、特に溶融ろうが集中したフィン先端部では心材への粒界浸透が激しく生じていた。
ろう材中のＳｉ含有量が６質量％に満たないＮｏ．Ｂ５の試験片では、流動するろうの不足から接合率が８０％に満たなかった。Ｓｉ含有量が１３質量％を超えるＮｏ．Ｂ６は、材料の圧延時に割れを生じたため、実験に供しなかった。
ろう材中のＬｉ含有量が０．０５質量％を超えるＮｏ．Ｂ７、Ｂｉ含有量が０．１質量％を超えるＮｏ．Ｂ８、Ｍｇ含有量が０．１質量％を超えるＮｏ．９の試験片では、Ｌｉ、Ｂｉ、Ｍｇによる加熱中の酸化が進行して接合率が８０％に満たなかった。
＜インナフィンを対象とした比較例の評価結果＞
比較例の評価結果を表４に示す。心材のＭｇ含有量が０．０５質量％に満たないＮｏ．Ｂ３を使用した試験片（Ｎｏ．Ｄ９）ではフィン接合率が８０％に満たなかった。心材中のＭｇ含有量が０．２質量％を超えたＮｏ．Ｂ４の試験片では、心材への溶融ろうの粒界浸透によってフィン先端部に顕著な潰れを生じた。ろう付後の平均結晶粒径は５０μmに満たない細かな状態となっていたが、心材厚さが厚いため、フィン先端部の潰れの程度は軽微であった。しかしながら、フィン先端部の潰れは高さの現象を伴うため、特に積層段数の多い熱交換器では、他の接合部のクリアランスを増大することになり、接合不良を誘発する原因となるので好ましくない。
比較例の評価結果を表４に示す。心材のＭｇ含有量が０．０５質量％に満たないＮｏ．Ｂ３を使用した試験片（Ｎｏ．Ｄ９）ではフィン接合率が８０％に満たなかった。心材中のＭｇ含有量が０．２質量％を超えたＮｏ．Ｂ４の試験片では、心材への溶融ろうの粒界浸透によってフィン先端部に顕著な潰れを生じた。ろう付後の平均結晶粒径は５０μmに満たない細かな状態となっていたが、心材厚さが厚いため、フィン先端部の潰れの程度は軽微であった。しかしながら、フィン先端部の潰れは高さの現象を伴うため、特に積層段数の多い熱交換器では、他の接合部のクリアランスを増大することになり、接合不良を誘発する原因となるので好ましくない。
Claims (10)
- フラックスを使用しない不活性ガス雰囲気中でのろう付に用いられるアルミニウム合金ブレージングシートであって、
０．８〜１．８質量％のＭｎと、０．０５〜０．２０質量％のＭｇと、を含有し、残部アルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材の片面又は両面に、６〜１３質量％のＳｉを含有し、残部アルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金のろう材がクラッドされており、
該ブレージングシートの厚さが０．１２ｍｍ以下であり、
該ろう材の厚みが０．０１２ｍｍ以下であること、
を特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。 - 前記心材が、更に、１．０質量％以下のＳｉ、１．０質量％以下のＦｅ、０．５質量％以下のＣｕ、３．０質量％以下のＺｎ、０．２質量％以下のＴｉ及び０．５質量％以下のＺｒのうちのいずれか１種又は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ブレージングシート。
- 前記ろう材が、更に、０．０５質量％以下のＬｉを含有することを特徴とする請求項１又は２いずれか１項記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記ろう材が、更に、０．００４〜０．１質量％のＢｉ及び０．０２〜０．１質量％のＭｇのうちのいずれか１種又は２種を含有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記心材は、５９５℃での加熱試験において、試験後の平均結晶粒径が５０μｍ以上となるアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記心材は、５７７〜６１０℃でのろう付加熱後の平均結晶粒径が５０μｍ以上となるアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 材料製造時の熱間クラッド圧延以降の工程又は材料完成後に、酸洗浄によって表面酸化皮膜の剥離除去処理がされたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 酸洗浄によって表面酸化皮膜又は表面酸化皮膜及びろう材が５ｎｍ以上の厚さまでエッチング処理されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 請求項１〜８のいずれか１項記載のアルミニウム合金ブレージングシートをフィン形状に成形してフィンを作製し、次いで、該フィンをアルミニウム合金からなるチューブの間に設置し、次いで、酸素濃度が２０ｐｐｍ以下に制限されている不活性ガス雰囲気中で、フラックスを塗布しないでろう付す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。
- 請求項１〜８のいずれか１項記載のアルミニウム合金ブレージングシートをフィン形状に成形してフィンを作製し、次いで、該フィンをアルミニウム合金からなる成形チューブの内部に設置し、次いで、酸素濃度が５０ｐｐｍ以下に制限されている不活性ガス雰囲気中で、フラックスを塗布しないでろう付す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。
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