JP2022057628A - ろう付用単層アルミニウム合金材及びアルミニウム構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】水分や酸素を比較的多く含む不活性ガス雰囲気中においてもフラックスを使用せずにろう付を行うことができる単層アルミニウム合金材及びこの単層アルミニウム合金材を用いたアルミニウム構造体の製造方法を提供する。【解決手段】ろう付用単層アルミニウム合金材は、Ｓｉ：１．５質量％以上３．５質量％以下、Ｆｅ：０．０５質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｍｇ：０．００５質量％以上０．５００質量％以下、Ｂｉ：０．０１０質量％以上０．５００質量％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有するとともに、Ａｌマトリクス中にＭｇＢｉ系化合物が分散した金属組織を有している。任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率が０．０５％以上である。【選択図】図１
Description
本発明は、ろう付用単層アルミニウム合金材及びこの単層アルミニウム合金材を用いたアルミニウム構造体の製造方法に関する。
例えば、熱交換器や機械用部品などのアルミニウム製品は、アルミニウム材（アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。以下同じ。）からなる多数の部品を有している。これらの部品は、心材と、心材の少なくとも一方の面上に設けられたろう材とを有するブレージングシートによりろう付されていることが多い。アルミニウム材のろう付方法としては、接合予定部、つまりろう付によって接合しようとする部分の表面にフラックスを塗布してろう付を行うフラックスろう付法が多用されている。
しかし、フラックスろう付法においては、ろう付が完了した後に、フラックスやその残渣がアルミニウム製品の表面に付着する。アルミニウム製品の用途によっては、これらのフラックスやその残渣が問題を起こすことがある。例えば、電子部品が搭載される熱交換器においては、その製造時にフラックス残渣により表面処理性が悪化するなどの問題が発生するおそれがある。また、例えば水冷式の熱交換器では、冷媒通路にフラックス等に起因する目詰まりが発生するなどの問題が生じるおそれもある。さらに、フラックスやその残渣を除去するためには、酸洗処理を行う必要があり、近年では、当該処理のコスト負担が問題視されている。
かかる問題を解決するため、接合予定部の表面にフラックスを塗布せずに不活性ガス雰囲気中でろう付を行う、いわゆるフラックスフリーろう付法が提案されている。フラックスフリーろう付法に用いられるブレージングシートは、その積層構造のうち少なくとも１つの層に、酸化皮膜を脆弱化する、あるいは酸化皮膜を破壊する作用を有する元素を有している。この種の元素としては、Ｍｇ（マグネシウム）が多用されている。
ブレージングシートは、心材の元板とろう材の元板とをクラッド接合してクラッド材を作製した後、このクラッド材を圧延することにより作製される。そのため、ブレージングシートは比較的製造コストが高いという問題がある。
また、例えば自動車用熱交換器等の分野において、軽量化や熱交換性能の向上等を目的として、ブレージングシートの板厚をより薄くすることが求められている。ブレージングシートの板厚を薄くしようとすると、ろう材の厚みが極めて薄くなるため、ブレージングシートの製造過程において、ろう材の厚みを所望の範囲に制御することが難しくなる。
これらの問題に対し、加熱によって微量の融液を生成し、相手材とろう付できるように構成された単層のアルミニウム合金材が提案されている。この種のアルミニウム合金材の例として、例えば特許文献１には、０．２質量％以上２．０質量％以下のＭｇを含有する単層のアルミニウム合金材が開示されている。
また、特許文献２には、Ｓｉ：１．０質量％～５．０質量％、Ｆｅ：０．０１質量％～２．０質量％を含有し、Ｍｇ：２．０質量％以下、Ｃｕ：１．５質量％以下及びＭｎ：２．０質量％以下から選択される１種または２種以上を更に含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなる単層のアルミニウム合金材が開示されている。
しかし、特許文献１や特許文献２に記載されたアルミニウム合金材は、比較的酸化されやすいＭｇが含まれているため、表面に酸化皮膜が形成されやすい。特に、ろう付雰囲気中の水分濃度や酸素濃度が比較的高い場合には、ろう付雰囲気中の水分や酸素とＭｇとの反応によってアルミニウム合金材の表面に強固な酸化皮膜が形成され、ろう付性の悪化を招いていた。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、水分や酸素を比較的多く含む不活性ガス雰囲気中においてもフラックスを使用せずにろう付を行うことができる単層アルミニウム合金材及びこの単層アルミニウム合金材を用いたアルミニウム構造体の製造方法を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、Ｓｉ（シリコン）：１．５質量％以上３．５質量％以下、Ｆｅ（鉄）：０．０５質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｍｇ（マグネシウム）：０．００５質量％以上０．５００質量％以下、Ｂｉ（ビスマス）：０．０１０質量％以上０．５００質量％以下を含有し、残部がＡｌ（アルミニウム）及び不可避的不純物からなる化学成分を有するとともに、
Ａｌマトリクス中にＭｇＢｉ系化合物が分散した金属組織を有し、
任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率が０．０５％以上である、ろう付用単層アルミニウム合金材にある。
Ａｌマトリクス中にＭｇＢｉ系化合物が分散した金属組織を有し、
任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率が０．０５％以上である、ろう付用単層アルミニウム合金材にある。
前記ろう付用単層アルミニウム合金材（以下、「アルミニウム材」という。）中には、ＭｇとＢｉとの両方が含まれている。前記アルミニウム材は、少なくとも化学成分を前記特定の範囲とすることにより、前記アルミニウム材中にＭｇＢｉ系化合物を形成することができる。
前記アルミニウム材中には、任意の断面における面積率が０．０５％以上となる量のＭｇＢｉ系化合物が含まれている。アルミニウム材中に前記特定の量のＭｇＢｉ化合物を形成することにより、Ａｌマトリクス中に固溶しているＭｇの量を低減し、水分や酸素を比較的多く含む不活性ガス雰囲気中においても、ろう付加熱の初期段階におけるアルミニウム材表面の酸化皮膜の成長を抑制することができる。
また、前記アルミニウム材中のＭｇＢｉ系化合物は、前記アルミニウム材が溶融し始める前に溶融し、Ｍｇ及びＢｉを含む融液を形成する。この融液中のＭｇ及びＢｉが材料表面に拡散することにより、前記アルミニウム材が溶融し始める前に、前記アルミニウム材や相手材の表面に存在する酸化皮膜をある程度破壊することができる。
さらにろう付加熱が進行すると、前記アルミニウム材が溶融し、融液が形成される。前述したように、前記アルミニウム材や相手材の表面に存在する酸化皮膜は、前記アルミニウム材の融液が形成される前に、ＭｇＢｉ系化合物から生じたＭｇ及びＢｉによってある程度破壊されている。そのため、アルミニウム材から生じた融液は、相手材の表面に容易に濡れ広がることができる。
また、前記アルミニウム材は、化学成分を前記特定の範囲とすることにより、融液中にＭｇおよびＢｉを濃縮することができる。それ故、アルミニウム材の融液が相手材の表面に接触すると、相手材の表面に残存する酸化皮膜の破壊をより促進することができる。以上の結果、前記アルミニウム材によれば、フラックスを用いずに健全なろう付接合を容易に形成することができる。
従って、前記ろう付用単層アルミニウム合金材によれば、水分や酸素を比較的多く含む不活性ガス雰囲気中においても、フラックスを使用せずに相手材とのろう付を行うことができる。
（ろう付用単層アルミニウム合金材）
前記ろう付用単層アルミニウム合金材は、前記化学成分を備えたアルミニウム合金の単一の層から構成されている。前記アルミニウム材の化学成分及びその限定理由について説明する。
前記ろう付用単層アルミニウム合金材は、前記化学成分を備えたアルミニウム合金の単一の層から構成されている。前記アルミニウム材の化学成分及びその限定理由について説明する。
・Ｓｉ（シリコン）：１．５質量％以上３．５質量％以下
前記アルミニウム材中には、必須成分として、１．５質量％以上３．５質量％以下のＳｉが含まれている。前記アルミニウム材中のＳｉの含有量を１．５質量％以上とすることにより、ろう付加熱によってＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ及びＢｉを含む微量の融液を生成し、相手材とのろう付を行うことができる。Ｓｉの含有量は、２．０質量％以上であることが好ましい。この場合には、ろう付加熱によって生じる融液の量をより多くし、ろう付性をより向上させることができる。Ｓｉの含有量が１．５質量％未満の場合は、ろう付加熱によって生じる融液の量が不足するため、ろう付性の悪化を招くおそれがある。
前記アルミニウム材中には、必須成分として、１．５質量％以上３．５質量％以下のＳｉが含まれている。前記アルミニウム材中のＳｉの含有量を１．５質量％以上とすることにより、ろう付加熱によってＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ及びＢｉを含む微量の融液を生成し、相手材とのろう付を行うことができる。Ｓｉの含有量は、２．０質量％以上であることが好ましい。この場合には、ろう付加熱によって生じる融液の量をより多くし、ろう付性をより向上させることができる。Ｓｉの含有量が１．５質量％未満の場合は、ろう付加熱によって生じる融液の量が不足するため、ろう付性の悪化を招くおそれがある。
一方、Ｓｉの含有量が過度に多くなると、ろう付加熱の際にアルミニウム材の融解量が多くなり、アルミニウム材の強度の低下を招くおそれがある。その結果、ろう付中に、前記アルミニウム材を含む組立体の形状が維持できなくなるおそれがある。かかる問題を回避する観点から、Ｓｉの含有量は３．５質量％以下とする。同様の観点から、Ｓｉの含有量は３．０質量％以下とすることが好ましい。
また、Ｓｉの含有量を前記特定の範囲とすることにより、ろう付加熱によって前記アルミニウム材から生じる融液中にＭｇを濃縮することができる。その結果、比較的少量のＭｇによって効率よく相手材の酸化皮膜を破壊し、相手材とのろう付を行うことができる。この理由を、図１及び図２を用いて説明する。
図１及び図２は、いずれも、熱力学計算システム「Ｔｈｒｅｍｏ－Ｃａｌｃ（登録商標）」を用いて計算されたＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ三元状態図の温度５９０℃における等温断面図である。図の左下の頂点から右下の頂点までに亘って延在している軸はＭｇの含有量（単位：質量％）を表し、左下の頂点から上方の頂点までに亘って延在している軸はＳｉの含有量（単位：質量％）を表す。
また、記号Ｌで示した領域は液相状態、記号Ｓで示した領域は固相状態、記号Ｌ＋Ｓで示した領域は固相と液相との共存状態であり、固相状態と前記共存状態との境界が固相線ａ、前記共存状態と液相状態との境界が液相線ｂである。固相と液相との共存状態を示す領域内には、種々の組成におけるタイラインが破線により示されている。
図１におけるタイラインｔ１上の点Ｐ１で示される組成を有するアルミニウム材を５９０℃まで加熱した場合、アルミニウム材がごくわずかに融解し、微量の融液が形成される。このときの融液の組成は、点Ｐ１が配置されたタイラインｔ１と液相線ｂとの交点Ｑ１で表される組成となる。
図１に基づいて点Ｐ１におけるＭｇの含有量と点Ｑ１におけるＭｇの含有量とを比較すると、点Ｑ１におけるＭｇの含有量が点Ｐ１におけるＭｇの含有量よりも多くなっている。従って、点Ｐ１で示される組成を有するアルミニウム材を加熱した場合には、融液中のＭｇの含有量が加熱前のアルミニウム材中のＭｇの含有量よりも多くなり、Ｍｇが融液中に濃縮されることが理解できる。
一方、図２には、点Ｐ１で表される組成から、タイラインｔ２上の組成となるようにＳｉの含有量のみを多くした点Ｐ２が示されている。点Ｐ２で示される組成を有するアルミニウム材を５９０℃まで加熱した場合、アルミニウム材が融解し、融液が形成される。このときの融液の組成は、点Ｐ２が配置されたタイラインｔ２と液相線ｂとの交点Ｑ２で表される組成となる。
図２に基づいて点Ｐ２におけるＭｇの含有量と点Ｑ２におけるＭｇの含有量とを比較すると、点Ｑ２におけるＭｇの含有量は、点Ｐ２におけるＭｇの含有量と同程度であることが理解できる。従って、点Ｐ２で示される組成を有するアルミニウム材を加熱した場合には、融液中のＭｇの含有量は加熱前のアルミニウム材と同程度となり、融液中へのＭｇの濃縮がほとんど起こらないことが理解できる。
前記アルミニウム材中には、実際には、Ａｌ、Ｓｉ及びＭｇだけではなく、ＦｅやＢｉ等の他の元素が含まれている。それ故、融液中のＭｇの含有量は、前述したＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ三元状態図に基づく値とは若干異なることがある。しかし、本発明者らは、鋭意検討を行った結果、アルミニウム材中のＳｉ量を前記特定の範囲とすることにより、アルミニウム材の融液中にＭｇを効果的に濃縮できることを見出し、本発明の完成に至った。
・Ｍｇ（マグネシウム）：０．００５質量％以上０．５００質量％以下
前記アルミニウム材中には、必須成分として、０．００５質量％以上０．５００質量％以下のＭｇが含まれている。前記アルミニウム材中のＭｇ原子は、Ａｌマトリクス中に固溶した固溶ＭｇやＭｇＢｉ系化合物等の態様で存在している。Ｍｇは、前記アルミニウム材中や前記アルミニウム材と接合される相手材の表面に存在する酸化皮膜を破壊する作用を有している。アルミニウム材中のＭｇの含有量を前記特定の範囲とすることにより、水分や酸素を比較的多く含む不活性ガス雰囲気中においても相手材との間に健全なろう付接合を形成することができる。
前記アルミニウム材中には、必須成分として、０．００５質量％以上０．５００質量％以下のＭｇが含まれている。前記アルミニウム材中のＭｇ原子は、Ａｌマトリクス中に固溶した固溶ＭｇやＭｇＢｉ系化合物等の態様で存在している。Ｍｇは、前記アルミニウム材中や前記アルミニウム材と接合される相手材の表面に存在する酸化皮膜を破壊する作用を有している。アルミニウム材中のＭｇの含有量を前記特定の範囲とすることにより、水分や酸素を比較的多く含む不活性ガス雰囲気中においても相手材との間に健全なろう付接合を形成することができる。
アルミニウム材中のＭｇの含有量が０．００５質量％未満の場合には、アルミニウム材の融液中におけるＭｇの含有量が不足するため、ろう付性の悪化を招くおそれがある。従って、Ｍｇ不足によるろう付性の悪化を回避する観点から、前記アルミニウム材中のＭｇの含有量は０．００５質量％以上とする。融液中のＭｇの含有量をより多くする観点からは、前記アルミニウム材中のＭｇの含有量を０．０１０質量％以上とすることが好ましく、０．０２０質量％以上とすることがより好ましい。
一方、Ｍｇの含有量が過度に多くなると、ろう付雰囲気中に微量に含まれる水分や酸素とＭｇの反応によってアルミニウム合金材の表面に強固な酸化皮膜が形成され、ろう付性の悪化を招くおそれがある。また、この場合には、ろう付中にアルミニウム材の強度が低下し、アルミニウム材の変形や座屈が発生するおそれがある。これらの問題を回避する観点から、前記アルミニウム材中のＭｇの含有量は０．５００質量％以下とする。同様の観点から、前記アルミニウム材中のＭｇの含有量は０．２００質量％以下であることが好ましく、０．０５０質量％以下であることがより好ましい。
また、前記アルミニウム材は、前記アルミニウム材を５９０℃で加熱した場合に、Ｍｇの含有量が０．０１０質量％以上であり、かつ、加熱前の前記アルミニウム材中のＭｇの含有量に対して１．５倍以上である融液を形成することができるように構成されていることが好ましい。
かかるアルミニウム材によれば、アルミニウム材中のＭｇの含有量が比較的少ない場合においても融液中のＭｇ量を十分に多くすることができる。その結果、ろう付の際に相手材の表面に存在する酸化皮膜を破壊し、ろう付性をより向上させることができる。
ろう付性をさらに向上させる観点からは、前記アルミニウム材は、５９０℃で加熱した場合に、Ｍｇの含有量が０．０３０質量％以上である融液を形成できるように構成されていることが好ましく、０．１００質量％以上である融液を形成できるように構成されていることがさらに好ましい。
・Ｂｉ（ビスマス）：０．０１０質量％以上０．５００質量％以下
前記アルミニウム材中には、必須成分として、０．０１０質量％以上０．５００質量％以下のＢｉが含まれている。前記アルミニウム材中のＢｉは、ＭｇとともにＭｇＢｉ系化合物を形成している。Ｂｉは、ろう付加熱によって生じた融液の流動性を向上させるとともに、前記アルミニウム材中や前記アルミニウム材と接合される相手材の表面に存在する酸化皮膜を脆弱化する作用を有している。
前記アルミニウム材中には、必須成分として、０．０１０質量％以上０．５００質量％以下のＢｉが含まれている。前記アルミニウム材中のＢｉは、ＭｇとともにＭｇＢｉ系化合物を形成している。Ｂｉは、ろう付加熱によって生じた融液の流動性を向上させるとともに、前記アルミニウム材中や前記アルミニウム材と接合される相手材の表面に存在する酸化皮膜を脆弱化する作用を有している。
前記アルミニウム材中のＢｉの含有量を０．０１０質量％以上とすることにより、酸化皮膜中にＢｉが濃縮されやすくなる。そして、酸化皮膜中にＢｉが濃縮することにより、Ｂｉによる酸化皮膜を脆弱化する効果とＭｇによる酸化皮膜を破壊する効果とを相乗的に作用させ、酸化皮膜を効果的に破壊することができる。また、前記アルミニウム材中のＢｉの含有量を０．０１０質量％以上とすることにより、融液の流動性を向上させることができる。これらの結果、水分や酸素を比較的多く含む不活性ガス雰囲気中においてもろう付性を向上させることができる。前記アルミニウム材中のＢｉの含有量が０．０１０質量％未満の場合には、Ｂｉによる前述した作用効果が不十分となり、ろう付性の悪化を招くおそれがある。
一方、Ｂｉの含有量が過度に多い場合には、前記アルミニウム材の製造過程においてＢｉの単体が析出しやすくなり、前記アルミニウム材の製造性の低下を招くおそれがある。かかる問題を回避する観点から、Ｂｉの含有量は０．５００質量％以下とする。同様の観点から、Ｂｉの含有量は、０．２００質量％以下であることが好ましく、０．１００質量％以下であることがより好ましい。
・ＭｇＢｉ系化合物の面積率の面積率：０．０５％以上
前記アルミニウム材は、Ａｌマトリクス中にＭｇ及びＢｉを含むＭｇＢｉ系化合物が分散した金属組織を有している。前記アルミニウム材の任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率は０．０５％以上である。
前記アルミニウム材は、Ａｌマトリクス中にＭｇ及びＢｉを含むＭｇＢｉ系化合物が分散した金属組織を有している。前記アルミニウム材の任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率は０．０５％以上である。
Ａｌマトリクス中に第二相粒子としてのＭｇＢｉ系化合物が形成されると、Ａｌマトリクス中に固溶した固溶Ｍｇの量が相対的に少なくなるため、Ａｌマトリクスが酸化しにくくなる。アルミニウム材中に、任意の断面における面積率が０．０５％以上となる量のＭｇＢｉ系化合物を形成することにより、ろう付の初期段階における前記アルミニウム材表面の酸化皮膜の成長を抑制することができる。
また、ＭｇＢｉ系化合物は、ろう付が進行し、前記アルミニウム材の温度が上昇すると融解し、Ｍｇ及びＢｉを含有する融液を形成する。この融液は、材料表面へのＭｇ及びＢｉの供給源として作用する。それ故、アルミニウム材中にＭｇＢｉ系化合物を形成することにより、前記アルミニウム材が溶融するまでの間に前記アルミニウム材や相手材の表面に存在する酸化皮膜をある程度破壊することができる。また、前記アルミニウム材が溶融した後においては、融解したＭｇＢｉ系化合物から前記アルミニウム材の融液にＭｇ及びＢｉが供給されることにより、融液中のＭｇ濃度及びＢｉ濃度を十分に高めることができる。その結果、前記アルミニウム材及び相手材の表面に存在する酸化皮膜を効果的に破壊することができる。
従って、前記アルミニウム材の任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率を０．０５％以上とすることにより、水分や酸素を比較的多く含む不活性ガス雰囲気中においても、前記アルミニウム材や相手材の酸化を抑制しつつろう付を行うことができる。前述した作用効果をより確実に奏する観点からは、前記アルミニウム材の任意の断面におけるＭｇＢｉ系化合物の面積率は０．０７％以上であることが好ましく、０．１０％以上であることがより好ましい。
前述した作用効果をより高める観点からは、アルミニウム材の任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率に上限はないが、前記特定の化学成分を備えたアルミニウム材においては、通常、ＭｇＢｉ系化合物の面積率は２０％以下となる。ＭｇＢｉ系化合物の面積率は、１０％以下であることが好ましく、７％以下であることがより好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。
・Ｆｅ（鉄）：０．０５質量％以上２．００質量％以下
前記アルミニウム材中には、必須成分として、０．０５質量％以上２．００質量％以下のＦｅが含まれている。Ｆｅは、前記アルミニウム材中に晶出物として分散し、特に高温での強度低下を抑制する作用を有する。Ｆｅの含有量を０．０５質量％以上とすることにより、かかる作用効果を十分に得ることができる。高温での強度低下をより効果的に抑制する観点からは、Ｆｅの含有量を０．１０質量％以上とすることが好ましい。
前記アルミニウム材中には、必須成分として、０．０５質量％以上２．００質量％以下のＦｅが含まれている。Ｆｅは、前記アルミニウム材中に晶出物として分散し、特に高温での強度低下を抑制する作用を有する。Ｆｅの含有量を０．０５質量％以上とすることにより、かかる作用効果を十分に得ることができる。高温での強度低下をより効果的に抑制する観点からは、Ｆｅの含有量を０．１０質量％以上とすることが好ましい。
Ｆｅの含有量が０．０５質量％未満の場合には、前記アルミニウム材の高温での強度が低下するおそれがある。また、この場合には、前記アルミニウム材の作製に当たって高純度の地金を使用する必要があり、コストが増加する。
一方、Ｆｅの含有量が２．００質量％を超える場合には、前記アルミニウム材の製造過程において、鋳造時に粗大な金属間化合物が生成しやすくなる。また、この場合には、ろう付時の再結晶によってＡｌマトリクスの結晶粒が微細化しやすくなる。その結果、Ａｌマトリクスの粒界密度が増加し、座屈が起こりやすくなるおそれがある。
・Ｍｎ（マンガン）：０．１質量％以上２．０質量％以下
前記アルミニウム材中には、必須成分として、０．１質量％以上２．０質量％以下のＭｎが含まれている。Ｍｎは、前記アルミニウム材中にＡｌ－Ｍｎ－Ｓｉ系の金属間化合物を形成し、分散強化によって前記アルミニウム材の強度を向上させる作用を有する。また、Ｍｎは、Ａｌマトリクス中に固溶し、固溶強化によって前記アルミニウム材の強度を向上させる作用を有する。
前記アルミニウム材中には、必須成分として、０．１質量％以上２．０質量％以下のＭｎが含まれている。Ｍｎは、前記アルミニウム材中にＡｌ－Ｍｎ－Ｓｉ系の金属間化合物を形成し、分散強化によって前記アルミニウム材の強度を向上させる作用を有する。また、Ｍｎは、Ａｌマトリクス中に固溶し、固溶強化によって前記アルミニウム材の強度を向上させる作用を有する。
前記アルミニウム材中のＭｎの含有量を０．１質量％以上とすることにより、分散強化及び固溶強化によって前記アルミニウム材の強度を向上させることができる。更に、前記アルミニウム材は、前述した分散強化及び固溶強化により、ろう付加熱中の強度の低下を抑制し、アルミニウム材の変形や座屈の発生を抑制することができる。Ｍｎの含有量が０．１質量％未満の場合には、Ｍｎによる強度向上の効果が低くなり、前記アルミニウム材の変形や座屈が発生しやすくなるおそれがある。
一方、Ｍｎの含有量が過度に多い場合には、前記アルミニウム材の製造過程において粗大な金属間化合物が形成されやすくなる。この粗大な金属間化合物を包含したまま圧延を行うと、ピンホールが発生しやすくなるおそれがある。かかる問題を回避する観点から、Ｍｎの含有量は２．０質量％以下とする。
前記アルミニウム材の化学成分は、前述した必須成分、Ａｌ及び不可避的不純物のみから構成されていてもよい。つまり、前記アルミニウム材中は、Ｓｉ：１．５質量％以上３．５質量％以下、Ｆｅ：０．０１５質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｍｇ：０．００５質量％以上０．５００質量％以下、Ｂｉ：０．０１０質量％以上０．５００質量％以下、Ａｌ及び不可避的不純物のみが含まれていてもよい。また、前記アルミニウム材の化学成分には、前述した必須成分に加えて、更に、Ｚｎ（亜鉛）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｃｕ（銅）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｓｂ（アンチモン）等の元素を任意成分が含まれていてもよい。
・Ｚｎ：６．０質量％以下
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上６．０質量％以下のＺｎが含まれていてもよい。Ｚｎは、ろう付後のアルミニウム構造体の耐食性を向上させる作用を有している。前記アルミニウム材をろう付温度に加熱すると、前記アルミニウム材中のＺｎが融液に溶出し、融液中にＺｎが濃縮される。ろう付後にこの融液が凝固することにより、前記アルミニウム材の表面や前記アルミニウム材と相手材との間に形成されたろう付接合の電位を低下させ、これらの部分を犠牲防食材として機能させることができる。
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上６．０質量％以下のＺｎが含まれていてもよい。Ｚｎは、ろう付後のアルミニウム構造体の耐食性を向上させる作用を有している。前記アルミニウム材をろう付温度に加熱すると、前記アルミニウム材中のＺｎが融液に溶出し、融液中にＺｎが濃縮される。ろう付後にこの融液が凝固することにより、前記アルミニウム材の表面や前記アルミニウム材と相手材との間に形成されたろう付接合の電位を低下させ、これらの部分を犠牲防食材として機能させることができる。
前記アルミニウム材中のＺｎの含有量を０質量％よりも多くすることにより、かかる作用効果を発揮させ、アルミニウム構造体の耐食性をより向上させることができる。耐食性をより向上させる観点からは、アルミニウム材中のＺｎの含有量は、０．０５質量％以上であることが好ましく、０．５質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｚｎの含有量が過度に多い場合には、前記アルミニウム材の自己耐食性の低下を招くおそれがある。Ｚｎの含有量を６．０質量％以下、好ましくは４．０質量％以下、より好ましくは３．０質量％以下とすることにより、かかる問題をより確実に回避することができる。
Ｉｎ：０．１質量％以下
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．１質量％以下のＩｎが含まれていてもよい。Ｉｎは、Ｚｎと同様にろう付後のアルミニウム構造体の耐食性を向上させる作用を有している。前記アルミニウム材をろう付温度に加熱すると、前記アルミニウム材中のＩｎが融液に溶出し、融液中にＩｎが濃縮される。ろう付後にこの融液が凝固することにより、前記アルミニウム材の表面や前記アルミニウム材と相手材との間に形成されたろう付接合の電位を低下させ、これらの部分を犠牲防食材として機能させることができる。
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．１質量％以下のＩｎが含まれていてもよい。Ｉｎは、Ｚｎと同様にろう付後のアルミニウム構造体の耐食性を向上させる作用を有している。前記アルミニウム材をろう付温度に加熱すると、前記アルミニウム材中のＩｎが融液に溶出し、融液中にＩｎが濃縮される。ろう付後にこの融液が凝固することにより、前記アルミニウム材の表面や前記アルミニウム材と相手材との間に形成されたろう付接合の電位を低下させ、これらの部分を犠牲防食材として機能させることができる。
前記アルミニウム材中のＩｎの含有量を０質量％よりも多くすることにより、かかる作用効果を発揮させ、アルミニウム構造体の耐食性をより向上させることができる。耐食性をさらに向上させる観点からは、アルミニウム材中のＩｎの含有量は、０．００５質量％以上であることが好ましく、０．０１質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｉｎの含有量が過度に多い場合には、前記アルミニウム材の自己耐食性の低下を招くおそれがある。Ｉｎの含有量を０．１質量％以下、好ましくは０．０５質量％以下とすることにより、かかる問題をより確実に回避することができる。
Ｓｎ：０．１質量％以下
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．１質量％以下のＳｎが含まれていてもよい。Ｓｎは、Ｚｎと同様にろう付後のアルミニウム構造体の耐食性を向上させる作用を有している。前記アルミニウム材をろう付温度に加熱すると、前記アルミニウム材中のＳｎが融液に溶出し、融液中にＳｎが濃縮される。ろう付後にこの融液が凝固することにより、前記アルミニウム材の表面や前記アルミニウム材と相手材との間に形成されたろう付接合の電位を低下させ、これらの部分を犠牲防食材として機能させることができる。
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．１質量％以下のＳｎが含まれていてもよい。Ｓｎは、Ｚｎと同様にろう付後のアルミニウム構造体の耐食性を向上させる作用を有している。前記アルミニウム材をろう付温度に加熱すると、前記アルミニウム材中のＳｎが融液に溶出し、融液中にＳｎが濃縮される。ろう付後にこの融液が凝固することにより、前記アルミニウム材の表面や前記アルミニウム材と相手材との間に形成されたろう付接合の電位を低下させ、これらの部分を犠牲防食材として機能させることができる。
前記アルミニウム材中のＳｎの含有量を０質量％よりも多くすることにより、かかる作用効果を発揮させ、アルミニウム構造体の耐食性をより向上させることができる。耐食性をさらに向上させる観点からは、アルミニウム材中のＳｎの含有量は、０．００５質量％以上であることが好ましく、０．０１質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｓｎの含有量が過度に多い場合には、前記アルミニウム材の自己耐食性の低下を招くおそれがある。Ｓｎの含有量を０．１質量％以下、好ましくは０．０５質量％以下とすることにより、かかる問題をより確実に回避することができる。
Ｃｕ：０．６質量％以下
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．６質量％以下のＣｕが含まれていてもよい。Ｃｕは、Ａｌマトリクス中に固溶して前記アルミニウム材の強度を向上させる作用を有している。前記アルミニウム材中のＣｕの含有量を０質量％よりも多くすることにより、かかる作用効果を発揮させ、アルミニウム材の強度をより向上させることができる。アルミニウム材の強度をさらに向上させる観点からは、アルミニウム材中のＣｕの含有量は、０．０５質量％以上であることが好ましい。
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．６質量％以下のＣｕが含まれていてもよい。Ｃｕは、Ａｌマトリクス中に固溶して前記アルミニウム材の強度を向上させる作用を有している。前記アルミニウム材中のＣｕの含有量を０質量％よりも多くすることにより、かかる作用効果を発揮させ、アルミニウム材の強度をより向上させることができる。アルミニウム材の強度をさらに向上させる観点からは、アルミニウム材中のＣｕの含有量は、０．０５質量％以上であることが好ましい。
一方、Ｃｕの含有量が過度に多くなると、ろう付加熱の際にアルミニウム材の融解量が多くなり、アルミニウム材の強度の低下を招く。その結果、ろう付中に組立体の形状が維持できなくなるおそれがある。また、Ｃｕの含有量が過度に多い場合には、前記アルミニウム材の耐食性の低下を招くおそれがある。Ｃｕの含有量を０．６質量％以下、好ましくは０．４質量％以下、さらに好ましくは０．２質量％以下とすることにより、これらの問題をより確実に回避することができる。
Ｚｒ：０．３質量％以下
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．３質量％以下のＺｒが含まれていてもよい。Ｚｒは、ろう付前及びろう付後の強度を高くすると共に、ろう付後の結晶粒径を粗大化し、耐高温座屈性及びろう付性を高くする作用を有している。アルミニウム合金中のＺｒの含有量を０質量％よりも多くすることにより、かかる作用効果を発揮させ、ろう付前及びろう付後の強度をより向上させると共に、耐高温座屈性及びろう付性をより向上させることができる。
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．３質量％以下のＺｒが含まれていてもよい。Ｚｒは、ろう付前及びろう付後の強度を高くすると共に、ろう付後の結晶粒径を粗大化し、耐高温座屈性及びろう付性を高くする作用を有している。アルミニウム合金中のＺｒの含有量を０質量％よりも多くすることにより、かかる作用効果を発揮させ、ろう付前及びろう付後の強度をより向上させると共に、耐高温座屈性及びろう付性をより向上させることができる。
一方、アルミニウム合金中のＺｒの含有量が過度に多い場合には、前記アルミニウム材の製造過程において粗大な晶出物が生成しやすくなる。前記アルミニウム材中のＺｒの含有量を０．３質量％以下とすることにより、かかる問題をより確実に回避することができる。
Ｔｉ：０．３質量％以下
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．３質量％以下のＴｉが含まれていてもよい。Ｔｉは、Ａｌマトリクス中に固溶して強度を向上させるとともに、前記アルミニウム材中に層状に分布して板厚方向の腐食の進展を防ぐ作用を有している。前記アルミニウム材中のＴｉの含有量を０質量％よりも多くすることにより、これらの作用効果を奏することができる。
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．３質量％以下のＴｉが含まれていてもよい。Ｔｉは、Ａｌマトリクス中に固溶して強度を向上させるとともに、前記アルミニウム材中に層状に分布して板厚方向の腐食の進展を防ぐ作用を有している。前記アルミニウム材中のＴｉの含有量を０質量％よりも多くすることにより、これらの作用効果を奏することができる。
一方、Ｔｉの含有量が過度に多くなると、前記アルミニウム材の製造過程において粗大な金属間化合物が形成されやすくなる。この粗大な金属間化合物を包含したまま圧延を行うと、粗大な金属間化合物を起点としてアルミニウム材が割れやすくなるおそれがある。前記アルミニウム材中のＴｉの含有量を０．３質量％以下、好ましくは０．２質量％以下とすることにより、かかる問題をより確実に回避することができる。
・Ｓｒ：０．１質量％以下、Ｎａ：０．１質量％以下、Ｓｂ：０．３質量％以下
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．１質量％以下のＳｒ、０質量％以上０．１質量％以下のＮａ及び０質量％以上０．３質量％以下のＳｂからなる群より選択される１種または２種以上の元素が含まれていてもよい。これらの元素は、前記アルミニウム材中のＳｉ粒子を微細化させ、Ｓｉ粒子をアルミニウム材の表面に均一に分散させる作用を有している。Ｓｉ粒子は融液が形成される起点となるため、アルミニウム材の表面にＳｉ粒子を均一に分散させることにより、アルミニウム材の表面に均一に融液を形成することができる。
前記アルミニウム材中には、任意成分として、０質量％以上０．１質量％以下のＳｒ、０質量％以上０．１質量％以下のＮａ及び０質量％以上０．３質量％以下のＳｂからなる群より選択される１種または２種以上の元素が含まれていてもよい。これらの元素は、前記アルミニウム材中のＳｉ粒子を微細化させ、Ｓｉ粒子をアルミニウム材の表面に均一に分散させる作用を有している。Ｓｉ粒子は融液が形成される起点となるため、アルミニウム材の表面にＳｉ粒子を均一に分散させることにより、アルミニウム材の表面に均一に融液を形成することができる。
前記アルミニウム材中の前述した元素の含有量を０質量％よりも多くすることにより、アルミニウム材の表面に均一に融液を形成し、相手材との被接合部により多量の融液を供給することができる。その結果、ろう付性を向上させることができる。一方、前述した元素の含有量が過度に多い場合には、鋳造時にこれらの元素とＭｇやＢｉとの化合物が形成されやすくなり、鋳造を行うことが難しくなるおそれがある。Ｓｒの含有量、Ｎａの含有量及びＳｂの含有量をそれぞれ前記特定の範囲とすることにより、かかる問題を容易に回避することができる。同様の観点からは、Ｓｒの含有量は０．０５質量％以下であることが好ましく、Ｎａの含有量は０．０５質量％以下であることが好ましく、Ｓｂの含有量は０．２質量％以下であることが好ましい。
また、前記アルミニウム材中には、不可避的不純物として、Ａｇ、Ｂ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｈｇ、Ｌｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐ、Ｐｂ、Ｖ、Ｙ等の元素が含まれていてもよい。不可避的不純物としてのこれらの元素の含有量は、通常、各元素について０．０５質量％以下である。また、前記アルミニウム材中に含まれる不可避的不純物の合計は０．１５質量％以下であることが好ましい。
前記アルミニウム材の形状は特に限定されることはない。例えば、前記アルミニウム材は、板材であってもよいし、棒材であってもよい。前記アルミニウム材が板材である場合には、前記アルミニウム材は０．１５ｍｍ未満の板厚を有していることが好ましい。従来のブレージングシートは、前述したように、ブレージングシート全体の板厚を薄くしようとするとろう材の厚みが極めて薄くなるおそれがあり、ろう材の厚みを所望の範囲に制御することが難しいという問題がある。
前記アルミニウム材はろう付加熱によってごくわずかに溶融し、その全面から融液を染み出させることができる。そのため、板厚が薄い場合にも十分な量の融液を生じさせることができる。また、前記アルミニウム材は単一の層から構成されているため、従来のブレージングシートに比べて製造コストを低減することができる。それ故、板厚が薄くなるほど前記アルミニウム材によるろう付性向上及び製造コスト低減の効果が高くなる。特に、０．１５ｍｍ未満のごく薄い板厚においては、前記アルミニウム材は、ろう付性及びコストの両方の面で従来のブレージングシートよりも有利である。
（アルミニウム構造体の製造方法）
前記アルミニウム材を用いたろう付は、例えば、以下のようにして行うことができる。まず、前記アルミニウム合金材を含む組立体を作製する。組立体は、前記アルミニウム材のみから構成されていてもよいし、前記アルミニウム材と、それ以外のアルミニウム製部品とを含んでいてもよい。
前記アルミニウム材を用いたろう付は、例えば、以下のようにして行うことができる。まず、前記アルミニウム合金材を含む組立体を作製する。組立体は、前記アルミニウム材のみから構成されていてもよいし、前記アルミニウム材と、それ以外のアルミニウム製部品とを含んでいてもよい。
例えば、アルミニウム構造体としての熱交換器を作製する場合には、前記アルミニウム材から作製したコルゲートフィンと、別途準備した扁平多穴管とを交互に積層することにより、組立体としての熱交換器コアを作製することができる。更に、この熱交換器コアにヘッダ等を取り付けてもよい。
この組立体に、フラックスを塗布することなく、温度が５８０～５９０℃の範囲内である時間が３０秒以上となる加熱条件で加熱を施す。ろう付時の雰囲気は、不活性ガス雰囲気であることが好ましい。不活性ガスとしては、例えば、窒素やアルゴンなどを使用することができる。不活性ガスの露点は、－３５℃以下であることが好ましく、－５０℃以下であることがより好ましく、－６０℃以下であることが特に好ましい。また、不活性ガス雰囲気中の酸素濃度は、２００体積ｐｐｍ以下であることが好ましく、１００体積ｐｐｍ以下であることがより好ましく、１０体積ｐｐｍ以下であることがさらに好ましく、５体積ｐｐｍ以下であることが特に好ましい。
前記アルミニウム材は、前記特定の化学成分を有するとともに、Ａｌマトリクス中にＭｇＢｉ系化合物が分散した金属組織を有しているため、フラックスフリーろう付法としては水分や酸素の含有量が比較的多い、露点－５０℃以下、酸素濃度１００体積ｐｐｍ以下の不活性ガス雰囲気中においても良好なろう付性を示すことができる。
前記組立体を前述した不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、前記アルミニウム材が溶融し、融液が形成される。この融液によって前記アルミニウム材と相手材とをろう付することにより、アルミニウム構造体を得ることができる。
前記アルミニウム合金材を用いたアルミニウム構造体の製造方法においては、前記アルミニウム材及び組立体において前記アルミニウム合金材に当接する相手材のうち少なくとも一方にエッチングが施されていることが好ましい。
すなわち、前記アルミニウム材を用いてアルミニウム構造体を作製するに当たっては、
前記ろう付用単層アルミニウム合金材と、前記ろう付用単層アルミニウム合金材に当接する相手材とを含むとともに、前記ろう付用単層アルミニウム合金材及び前記相手材のうち少なくとも一方にエッチングが施されている組立体を作製し、
温度が５８０～５９０℃の範囲内である時間が３０秒以上となる加熱条件で前記組立体を加熱することにより前記単層アルミニウム合金材の一部を溶融させて融液を形成し、
前記融液により前記組立体をろう付して前記アルミニウム構造体を作製することが好ましい。
前記ろう付用単層アルミニウム合金材と、前記ろう付用単層アルミニウム合金材に当接する相手材とを含むとともに、前記ろう付用単層アルミニウム合金材及び前記相手材のうち少なくとも一方にエッチングが施されている組立体を作製し、
温度が５８０～５９０℃の範囲内である時間が３０秒以上となる加熱条件で前記組立体を加熱することにより前記単層アルミニウム合金材の一部を溶融させて融液を形成し、
前記融液により前記組立体をろう付して前記アルミニウム構造体を作製することが好ましい。
このように、アルミニウム材及び相手材のうち少なくとも一方にエッチングが施された状態でろう付を行うことにより、ろう付接合を形成しようとする部分に存在する酸化皮膜がより脆弱な状態でろう付を行うことができる。その結果、水分や酸素を比較的多く含む不活性ガス雰囲気中においてもろう付性をより向上させることができる。
アルミニウム材及び／または相手材にエッチングを行うタイミングは、ろう付加熱を行う前であれば特に限定されることはない。例えば、予めエッチングが施されたアルミニウム材や相手材を用いて組立体を作製してもよいし、組立体を作製した後に、組立体ごとエッチングを行ってもよい。
エッチングの方法は特に限定されることはなく、例えば、アルミニウム材及び／または相手材を酸やアルカリと接触させる方法を採用することができる。エッチングにおいては、エッチング前にアルミニウム材や相手材の表面に存在している酸化皮膜を完全に除去してもよいし、酸化皮膜の一部を除去してもよい。また、エッチングが完了した後、必要に応じて、水洗や、エッチングにより生じたスマットの除去などの後処理を行ってもよい。
前記ろう付用単層アルミニウム合金材の実施例を以下に説明する。なお、本発明にかかるろう付用単層アルミニウム合金材及びその製造方法の具体的な態様は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。
（実施例１）
本例では、前記ろう付用単層アルミニウム合金材及びその製造方法の例を説明する。本例のアルミニウム材は、Ｓｉ：１．５質量％以上３．５質量％以下、Ｆｅ：０．０５質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｍｇ：０．００５質量％以上０．５００質量％以下、Ｂｉ：０．０１０質量％以上０．５００質量％以下を含有するとともに、任意成分としてＣｕ：０質量％以上０．６質量％以下及びＳｒ：０質量％以上０．１質量％以下のうち１種または２種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有している。また、本例のアルミニウム材は、Ａｌマトリクス中にＭｇＢｉ系化合物が分散した金属組織を有しており、任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率が０．０５％以上である。以下、アルミニウム材のより具体的な構成を、製造方法と共に説明する。
本例では、前記ろう付用単層アルミニウム合金材及びその製造方法の例を説明する。本例のアルミニウム材は、Ｓｉ：１．５質量％以上３．５質量％以下、Ｆｅ：０．０５質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｍｇ：０．００５質量％以上０．５００質量％以下、Ｂｉ：０．０１０質量％以上０．５００質量％以下を含有するとともに、任意成分としてＣｕ：０質量％以上０．６質量％以下及びＳｒ：０質量％以上０．１質量％以下のうち１種または２種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有している。また、本例のアルミニウム材は、Ａｌマトリクス中にＭｇＢｉ系化合物が分散した金属組織を有しており、任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率が０．０５％以上である。以下、アルミニウム材のより具体的な構成を、製造方法と共に説明する。
［アルミニウム材の製造方法］
本例のアルミニウム材は、例えば、双ロール式連続鋳造圧延法により作製した鋳造板を圧延することにより作製することができる。具体的には、まず、双ロール式連続鋳造圧延法により、表１に示す化学成分を備えた鋳造板を作製する。鋳造時の溶湯の温度は、例えば６５０～８００℃の範囲内から適宜設定すればよい。また、鋳造速度は、例えば０．５～２．０ｍｍ／分の範囲から適宜設定すればよい。鋳造板の寸法は特に限定されないが、例えば、厚さ６ｍｍである。なお、表１中の記号「－」は、当該元素の含有量が発光分光分析装置（いわゆるカントメーター）による検出限界以下であることを示し、記号「Ｂａｌ．」は残部であることを示す。
本例のアルミニウム材は、例えば、双ロール式連続鋳造圧延法により作製した鋳造板を圧延することにより作製することができる。具体的には、まず、双ロール式連続鋳造圧延法により、表１に示す化学成分を備えた鋳造板を作製する。鋳造時の溶湯の温度は、例えば６５０～８００℃の範囲内から適宜設定すればよい。また、鋳造速度は、例えば０．５～２．０ｍｍ／分の範囲から適宜設定すればよい。鋳造板の寸法は特に限定されないが、例えば、厚さ６ｍｍである。なお、表１中の記号「－」は、当該元素の含有量が発光分光分析装置（いわゆるカントメーター）による検出限界以下であることを示し、記号「Ｂａｌ．」は残部であることを示す。
その後、所望する厚み及び質別に応じて圧延及び熱処理を適宜組み合わせて実施することにより、アルミニウム材を得ることができる。例えば、０．２０ｍｍの厚みを有し、Ｏ材に調質されたアルミニウム材を得ようとする場合には、鋳造板を３６０℃の温度に３時間保持して中間焼鈍を行う。中間焼鈍後の鋳造板に冷間圧延を施して厚み０．２０ｍｍの圧延板とした後、圧延板を３６０℃の温度に３時間保持して焼鈍すればよい。
また、０．０７０ｍｍの厚みを有し、Ｈ１４材に調質されたアルミニウム材を得ようとする場合には、鋳造後の鋳造板に冷間圧延を施して厚み０．１００ｍｍの圧延板とする。次いで、圧延板を３６０℃の温度に３時間保持して中間焼鈍を行う。そして、中間焼鈍後の圧延板にさらに冷間圧延を施して厚みを０．０７０ｍｍとすればよい。
以上により、前記特定の化学成分および金属組織を備えたアルミニウム材（表１、試験材Ｓ１～Ｓ８及び試験材Ｓ１５～Ｓ１７）を得ることができる。なお、表１に示す試験材Ｓ９～Ｓ１４及びＳ１８～Ｓ２５は、試験材Ｓ１～Ｓ８及び試験材Ｓ１５～Ｓ１７との比較のための試験材である。各試験材の化学成分、質別及び厚みは表１に示す通りである。表１に示す試験材Ｓ１１、Ｓ１４、Ｓ２１、Ｓ２３及びＳ２５については、化学成分中のＢｉ、Ｆｅ、ＭｎまたはＳｒの含有量が前記特定の範囲よりも多いため、双ロール式連続鋳造圧延法により鋳造板を作製することが難しい。それ故、これらの試験材については、以降の評価を省略する。
なお、前述の製造方法においては、双ロール式連続鋳造圧延法により得られた鋳造板からアルミニウム材を作製する方法の例を説明したが、鋳造板の作製方法は双ロール式連続鋳造圧延法に限定されることはなく、ＤＣ鋳造等の他の方法を採用することもできる。ＤＣ鋳造法により得られた鋳造板からアルミニウム材を作製する場合には、例えば、以下の条件を採用すればよい。
すなわち、まず、ＤＣ鋳造法により表１に示す化学成分を有する鋳塊を作製した後、鋳塊を５２０℃の温度に３時間保持して均質化処理を行う。そして、５２０℃の温度を保持した状態で熱間圧延を行い、厚さ３ｍｍの圧延板を得る。この圧延板に、所望する厚み及び質別に応じて圧延及び熱処理を適宜組み合わせて実施することにより、アルミニウム材を得ることができる。例えば、０．０７０ｍｍの厚みを有し、Ｈ１４材に調質されたアルミニウム材を得ようとする場合には、圧延板に冷間圧延を施して厚みを０．０９７ｍｍとする。次いで、圧延板を３６０℃の温度に３時間保持して中間焼鈍を行う。そして、中間焼鈍後の圧延板にさらに冷間圧延を施して厚みを０．０７０ｍｍとすればよい。
［ＭｇＢｉ系化合物の面積率の測定］
アルミニウム材中のＭｇＢｉ系化合物の面積率の測定方法は以下の通りである。まず、アルミニウム材を切断し、Ｌ－ＳＴ面（つまり、アルミニウム材の圧延方向及び厚み方向に両方に対して平行な面）が露出している試料を作製する。試料のＬ－ＳＴ面を鏡面研磨した後、Ｌ－ＳＴ面に金を蒸着する。その後、ＥＰＭＡ（つまり、電子プローブマイクロアナライザ）を用いて面分析を行い、Ｌ－ＳＴ面におけるＢｉの元素マップを取得する。そして、Ｂｉの元素マップを画像解析することにより、視野面積に対するＢｉの面積率を算出する。
アルミニウム材中のＭｇＢｉ系化合物の面積率の測定方法は以下の通りである。まず、アルミニウム材を切断し、Ｌ－ＳＴ面（つまり、アルミニウム材の圧延方向及び厚み方向に両方に対して平行な面）が露出している試料を作製する。試料のＬ－ＳＴ面を鏡面研磨した後、Ｌ－ＳＴ面に金を蒸着する。その後、ＥＰＭＡ（つまり、電子プローブマイクロアナライザ）を用いて面分析を行い、Ｌ－ＳＴ面におけるＢｉの元素マップを取得する。そして、Ｂｉの元素マップを画像解析することにより、視野面積に対するＢｉの面積率を算出する。
本発明にかかるアルミニウム材の化学成分の範囲内において、Ｂｉは、ＭｇＢｉ系化合物としてのみ存在していると推定される。従って、本例では、Ｂｉの元素マップに基づいて算出されたＢｉの面積率をＭｇＢｉ系化合物の面積率とみなすことができる。各試験材のＭｇＢｉ系化合物の面積率は、表１に示す値となる。
（実施例２）
本例においては、実施例１において得られたアルミニウム材を用いて熱交換器のコアを模擬したミニコア試験体を作製し、ミニコア試験体のろう付結果に基づいてろう付性及び耐座屈性の評価を行う。
本例においては、実施例１において得られたアルミニウム材を用いて熱交換器のコアを模擬したミニコア試験体を作製し、ミニコア試験体のろう付結果に基づいてろう付性及び耐座屈性の評価を行う。
［ミニコア試験体の作製］
本例のミニコア試験体１は、図３に示すように、２枚のプレート２と、プレート２同士の間に介在するコルゲートフィン３とを有しており、プレート２とコルゲートフィン３とがろう付接合を介して互いに接合されている。プレート２の厚みは０．２０ｍｍである。コルゲートフィン３の厚みは０．０７０ｍｍ、幅は１６ｍｍ、山高さは１０ｍｍ、ピッチは３ｍｍである。また、プレート２とコルゲートフィン３とが当接している部分の数は、合計２０か所である。
本例のミニコア試験体１は、図３に示すように、２枚のプレート２と、プレート２同士の間に介在するコルゲートフィン３とを有しており、プレート２とコルゲートフィン３とがろう付接合を介して互いに接合されている。プレート２の厚みは０．２０ｍｍである。コルゲートフィン３の厚みは０．０７０ｍｍ、幅は１６ｍｍ、山高さは１０ｍｍ、ピッチは３ｍｍである。また、プレート２とコルゲートフィン３とが当接している部分の数は、合計２０か所である。
プレート２としては、具体的には、実施例１における試験材Ｓ１～Ｓ６、Ｓ９～Ｓ１０、Ｓ１２～Ｓ１３またはＡ３００３合金からなる厚み０．２０ｍｍの板材のいずれかが用いられる。また、コルゲートフィン３としては、実施例１における試験材Ｓ７～Ｓ８またはＡ３００３合金からなる厚み０．０７０ｍｍの板材のいずれかが用いられる。
ミニコア試験体１を作製するに当たっては、まず、表２に示すように、プレート２またはコルゲートフィン３のいずれかにエッチングを施す。具体的には、プレート２またはコルゲートフィン３をエッチング液中に９０秒間浸漬し、これらの表面に存在する酸化皮膜を除去する。その後、エッチングを施したプレート２またはコルゲートフィン３を水洗し、次いで乾燥させる。エッチング液としては、例えば、２％フッ化水素酸水溶液と１％硝酸水溶液との混合液を使用することができる。
このようにして準備したプレート２及びコルゲートフィン３を表２に示す組み合わせで重ね合わせて組立体を作製する。なお、組立体を作製する際に、プレート２及びコルゲートフィン３へのフラックスの塗布は行わない。ステンレス鋼製の治具を用いて組立体を拘束した後、組立体をろう付炉内に入れてろう付を行う。本例においては、酸素濃度８０体積ｐｐｍ、露点－５０℃の窒素雰囲気中でろう付を行う。また、ろう付中に、ろう付炉内の温度が５８０℃に達した時点から５９０℃に到達するまでの所要時間が７０秒となるようにして組立体を加熱する。
組立体を加熱し、その温度が試験材（つまり、ろう付用単層アルミニウム合金材）の固相線を超えると、試験材全体がごくわずかに溶融し、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ及びＢｉを含む融液が形成される。試験材から染み出した融液が試験材や相手材の表面に存在する酸化皮膜に接触すると、酸化皮膜を構成するＡｌ２Ｏ３がＭｇによって還元され、スピネル型酸化物（Ａｌ２ＭｇＯ４）となる。これにより、試験材や相手材の表面に存在する酸化皮膜が破壊され、試験材と相手材との間にろう付接合が形成される。
すなわち、例えばコルゲートフィン３が試験材から構成されている場合には、コルゲートフィン３から染み出した融液によりコルゲートフィン３やプレート２の表面に存在する酸化皮膜が破壊される。そして、図４に示すように、コルゲートフィン３とプレート２との間に融液が凝固してなるフィレット４が形成されるとともに、コルゲートフィン３とプレート２とがろう付される。
以上により、表２の実験番号Ａ１～Ａ８に示すミニコア試験体１を得ることができる。なお、表２の実験番号Ａ９～Ａ１２に示すミニコア試験体１は、実験番号Ａ１～Ａ８に示すミニコア試験体１との比較のためのミニコア試験体１である。
［ろう付性の評価］
ろう付用単層アルミニウム合金材のろう付性は、ミニコア試験体１におけるプレート２とコルゲートフィン３との接合率に基づいて評価することができる。接合率の算出は、具体的には、以下のようにして行う。まず、ろう付後のミニコア試験体１からコルゲートフィン３を剥離し、プレート２に形成されたフィレット４の痕跡を露出させる。そして、プレート２の幅方向全体に亘ってフィレット４が形成されている痕跡の数を数える。そして、プレート２とコルゲートフィン３とが当接していた部分の総数（つまり、２０か所）に対するチューブの幅方向全体に亘ってフィレット４が形成されている痕跡の数の比率を接合率とする。
ろう付用単層アルミニウム合金材のろう付性は、ミニコア試験体１におけるプレート２とコルゲートフィン３との接合率に基づいて評価することができる。接合率の算出は、具体的には、以下のようにして行う。まず、ろう付後のミニコア試験体１からコルゲートフィン３を剥離し、プレート２に形成されたフィレット４の痕跡を露出させる。そして、プレート２の幅方向全体に亘ってフィレット４が形成されている痕跡の数を数える。そして、プレート２とコルゲートフィン３とが当接していた部分の総数（つまり、２０か所）に対するチューブの幅方向全体に亘ってフィレット４が形成されている痕跡の数の比率を接合率とする。
各試験材のろう付性を表２の「ろう付性」欄に示す。なお、同欄に記載した記号Ａ～Ｃの意味は以下の通りである。ろう付性の評価においては、接合率が４０％以上である記号Ａ及び記号Ｂの場合をろう付性に優れているため合格と判断し、接合率が４０％未満である記号Ｃの場合をろう付性に劣るため不合格と判断する。
Ａ：接合率が６０％以上である
Ｂ：接合率が４０％以上６０％未満である
Ｃ：接合率が４０％未満である
Ａ：接合率が６０％以上である
Ｂ：接合率が４０％以上６０％未満である
Ｃ：接合率が４０％未満である
［耐座屈性の評価］
ろう付用単層アルミニウム合金材の耐座屈性の評価は、ろう付によるコルゲートフィン３の高さの減少率、つまり、ろう付前のコルゲートフィン３の高さを基準とした場合における、ろう付によるコルゲートフィン３の高さの減少量の比率に基づいて評価することができる。ろう付中にろう付用単層アルミニウム合金材からなるコルゲートフィン３の強度が低下し、座屈や変形が発生した場合には、ろう付前のコルゲートフィン３の高さに対してろう付後のコルゲートフィン３の高さが低くなる。
ろう付用単層アルミニウム合金材の耐座屈性の評価は、ろう付によるコルゲートフィン３の高さの減少率、つまり、ろう付前のコルゲートフィン３の高さを基準とした場合における、ろう付によるコルゲートフィン３の高さの減少量の比率に基づいて評価することができる。ろう付中にろう付用単層アルミニウム合金材からなるコルゲートフィン３の強度が低下し、座屈や変形が発生した場合には、ろう付前のコルゲートフィン３の高さに対してろう付後のコルゲートフィン３の高さが低くなる。
本例では、ろう付用単層アルミニウム合金材から構成されたコルゲートフィン３を有するミニコア試験体１（つまり、表２の実験番号Ａ７～Ａ８）におけるコルゲートフィン３の高さの減少率を算出した。そして、表２の「耐座屈性」欄には、高さの減少率が１０％以下である場合に「Ｇｏｏｄ」と記載し、１０％を超える場合に「Ｐｏｏｒ」と記載した。なお、Ａ３００３合金からなるコルゲートフィン３を有するミニコア試験体１については、コルゲートフィン３の高さの減少率の算出を行わないため、表２の「耐座屈性」欄に記号「－」を記載した。
表２の実験番号Ａ１～Ａ８に示すミニコア試験体１には、前記特定の化学成分を備えた試験材Ｓ１～Ｓ８（表１参照）が用いられている。これらの試験材Ｓ１～Ｓ８は、フラックスフリーろう付法としては比較的水分や酸素の含有量が多い不活性ガス雰囲気中においても優れたろう付性を示し、ミニコア試験体１における接合率を高めることができる。これらの試験材の中でも、特に、試験材Ｓ１～Ｓ５及び試験材Ｓ８は、これらの試験材よりもＭｇ含有量の多い試験材Ｓ６及びＳ７に比べて優れたろう付性を示す。
また、前記特定の化学成分を備えたろう付用単層アルミニウム合金材は耐座屈性にも優れている。そのため、かかるアルミニウム材からなるコルゲートフィン３を用いることにより、ろう付によるコルゲートフィン３の高さの減少を抑制することができる。
一方、表２の実験番号Ａ９に示すミニコア試験体１には、Ｍｇの含有量及びＢｉの含有量が前記特定の範囲よりも少なく、ＭｇＢｉ系化合物をほとんど含まない試験材Ｓ９（表１参照）が用いられている。試験材Ｓ９は、ＭｇおよびＢｉの量が少ないため、ろう付加熱中における酸化皮膜の破壊が不十分となり、表２に示すように試験材Ｓ１～Ｓ８に比べてろう付性に劣る。
表２の実験番号Ａ１０及び実験番号Ａ１２に示すミニコア試験体１には、Ｂｉの含有量が前記特定の範囲よりも少なく、ＭｇＢｉ系化合物がほとんど形成されていない試験材Ｓ１０及び試験材Ｓ１３（表１参照）が用いられている。これらの試験材は、Ｂｉの量が少ないため、ろう付加熱中における酸化皮膜の破壊が不十分となり、表２に示すように試験材Ｓ１～Ｓ８に比べてろう付性に劣る。
表２の実験番号Ａ１１に示すミニコア試験体１には、Ｍｇの含有量が前記特定の範囲よりも多い試験材Ｓ１２（表１参照）が用いられている。試験材Ｓ１２は、ろう付中に酸化皮膜が成長しやすいため、表２に示すように試験材Ｓ１～Ｓ８に比べてろう付性に劣る。
（実施例３）
本例においては、実施例２よりも水分や酸素の含有量の少ない不活性ガス雰囲気中でろう付を行うことによりミニコア試験体１を作製し、ミニコア試験体１のろう付結果に基づいてろう付性及び耐座屈性の評価を行う。なお、本例において用いる符号のうち、既出の例において用いられた符号と同一の符号は、特に説明のない限り既出の例における構成要素と同様の構成要素を表す。
本例においては、実施例２よりも水分や酸素の含有量の少ない不活性ガス雰囲気中でろう付を行うことによりミニコア試験体１を作製し、ミニコア試験体１のろう付結果に基づいてろう付性及び耐座屈性の評価を行う。なお、本例において用いる符号のうち、既出の例において用いられた符号と同一の符号は、特に説明のない限り既出の例における構成要素と同様の構成要素を表す。
［ミニコア試験体の作製］
本例のミニコア試験体１の構造は、実施例２と同様である。
本例のミニコア試験体１の構造は、実施例２と同様である。
プレート２としては、具体的には、実施例１における試験材Ｓ１５～Ｓ１７またはＡ３００３合金からなる厚み０．２０ｍｍの板材のいずれかが用いられる。また、コルゲートフィン３としては、実施例１における試験材Ｓ１８～Ｓ２０、Ｓ２２、Ｓ２４またはＡ３００３合金からなる厚み０．０７０ｍｍの板材のいずれかが用いられる。
本例では、プレート２にエッチングを施した後、表３に示すようにコルゲートフィン３と組み合わせて組立体を作製する。エッチングに用いるエッチング液及びエッチング条件は実施例２と同様である。ステンレス鋼製の治具を用いて組立体を拘束した後、組立体をろう付炉内に入れてろう付を行う。本例においては、酸素濃度１体積ｐｐｍ、露点－７０℃の窒素雰囲気中でろう付を行う。また、ろう付中に、ろう付炉内の温度が５８０℃に達した時点から５９０℃に到達するまでの所要時間が７０秒となるようにして組立体を加熱する。
以上により、表３の実験番号Ｂ１～Ｂ３に示すミニコア試験体１を得ることができる。なお、表３の実験番号Ｂ４～Ｂ８に示すミニコア試験体１は、実験番号Ｂ１～Ｂ３に示すミニコア試験体１との比較のためのミニコア試験体１である。
表３に、本例のミニコア試験体１を用いたろう付用単層アルミニウム合金材のろう付性及び耐座屈性の評価結果を示す。なお、ろう付性及び耐座屈性の評価方法は実施例２と同様である。
表３の実験番号Ｂ１～Ｂ３に示すミニコア試験体１には、前記特定の化学成分を備えた試験材Ｓ１５～Ｓ１７（表１参照）が用いられている。これらの試験材Ｓ１５～Ｓ１７は、比較的水分や酸素の含有量が少ない雰囲気中においても優れたろう付性を示し、ミニコア試験体１における接合率を高めることができる。
一方、表２の実験番号Ｂ４に示すミニコア試験体１には、Ｓｉの含有量が前記特定の範囲よりも少ない試験材Ｓ１８（表１参照）が用いられている。試験材Ｓ１８は、ろう付中に被接合部に供給可能な融液の量が少ないため、表３に示すように試験材Ｓ１５～Ｓ１７に比べてろう付性に劣る。
表２の実験番号Ｂ５に示すミニコア試験体１には、Ｓｉの含有量が前記特定の範囲よりも多い試験材Ｓ１９（表１参照）が用いられている。試験材Ｓ１９は、ろう付中に形成される融液の量が過度に多くなるため強度を保つことができず、表３に示すように試験材ＳＳ１５～Ｓ１７に比べてろう付性及び耐座屈性に劣る。
表２の実験番号Ｂ６に示すミニコア試験体１には、Ｆｅの含有量が前記特定の範囲よりも少ない試験材Ｓ２０（表１参照）が用いられている。試験材Ｓ２０は、高温における強度が低下しやすいため、表３に示すように試験材Ｓ１５～Ｓ１７に比べてろう付性及び耐座屈性に劣る。
表２の実験番号Ｂ７に示すミニコア試験体１には、Ｍｎの含有量が前記特定の範囲よりも少ない試験材Ｓ２２（表１参照）が用いられている。試験材Ｓ２２は、強度が低くなりやすいため、表３に示すように試験材Ｓ１５～Ｓ１７に比べてろう付性及び耐座屈性に劣る。
実験番号Ｂ８に示すミニコア試験体１には、表１に示すようにＣｕの含有量が前記特定の範囲よりも多い試験材Ｓ２４が用いられている。試験材Ｓ２４は、ろう付中の融解量が過度に多くなり、強度が低くなりやすいため、表３に示すように試験材Ｓ１５～Ｓ１７に比べてろう付性及び耐座屈性に劣る。
１ ミニコア試験体
２ プレート
３ コルゲートフィン
４ フィレット
２ プレート
３ コルゲートフィン
４ フィレット
Claims (4)
- Ｓｉ：１．５質量％以上３．５質量％以下、Ｆｅ：０．０５質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｍｇ：０．００５質量％以上０．５００質量％以下、Ｂｉ：０．０１０質量％以上０．５００質量％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有するとともに、
Ａｌマトリクス中にＭｇＢｉ系化合物が分散した金属組織を有し、
任意の断面における前記ＭｇＢｉ系化合物の面積率が０．０５％以上である、ろう付用単層アルミニウム合金材。 - 前記ろう付用単層アルミニウム合金材には、Ｚｎ：６．０質量％以下、Ｉｎ：０．１質量％以下、Ｓｎ：０．１質量％以下、Ｃｕ：０．６質量％以下、Ｚｒ：０．３質量％以下及びＴｉ：０．３質量％以下からなる群より選択される１種または２種以上の元素がさらに含まれている、請求項１に記載のろう付用単層アルミニウム合金材。
- 前記ろう付用単層アルミニウム合金材には、Ｓｒ：０．１質量％以下、Ｎａ：０．１質量％以下及びＳｂ：０．３質量％以下からなる群より選択される１種または２種以上の元素がさらに含まれている、請求項１または２に記載のろう付用単層アルミニウム合金材。
- 請求項１～３のいずれか１項に記載のろう付用単層アルミニウム合金材を用いたアルミニウム構造体の製造方法であって、
前記ろう付用単層アルミニウム合金材と、前記ろう付用単層アルミニウム合金材に当接する相手材とを含むとともに、前記ろう付用単層アルミニウム合金材及び前記相手材のうち少なくとも一方にエッチングが施されている組立体を作製し、
温度が５８０～５９０℃の範囲内である時間が３０秒以上となる加熱条件で前記組立体を加熱することにより前記ろう付用単層アルミニウム合金材の一部を溶融させて融液を形成し、
前記融液により前記組立体をろう付して前記アルミニウム構造体を作製する、アルミニウム構造体の製造方法。
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