JP3197251B2 - 熱交換器用犠牲防食アルミニウム合金、および熱交換器用高耐食性アルミニウム合金複合材 - Google Patents
熱交換器用犠牲防食アルミニウム合金、および熱交換器用高耐食性アルミニウム合金複合材Info
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Description
に用いられる薄肉のアルミニウム合金複合材に関するも
のであり、さらに詳しくはろう付け法により形成された
熱交換器の冷媒通路を形成するチューブの材料として用
いられる3層構造のアルミニウム合金複合材に関するも
のである。
ジエーターは図1(イ)(ロ)に示すように、冷媒を通
すチューブ(1)間にフィン(2)を配置し、チューブ
(1)の両端にヘッダープレート(3)を取付けてコア
(4)を組立て、ろう付け後にヘッダープレート(3)
にパッキング(6)を介して樹脂タンク(5A)(5
B)を取付けたもので、フィン(2)にはJIS300
3合金にZnを1.5wt%程度添加した厚さ0.1mm前
後の板を用い、チューブには冷媒側の孔食発生を防止す
るために、JIS3003合金にSi,Cu等を添加し
た合金芯材の内側(冷媒側)にJIS7072合金ある
いはそれにMg等を添加した合金を犠牲陽極材としてク
ラッドした厚さ0.3〜0.2mmのブレージングシート
を用い、ヘッダープレート(3)には厚さ1.0〜1.
3mmのチューブ(1)と同様の材質のブレージングシー
トが用いられている。
時に580〜610℃程度の雰囲気にさらされ、これに
より上記犠牲陽極材中のZnは図2に示すように芯材中
に拡散する。このZn拡散層の優先腐食により、冷媒側
から発生する孔食は深く成長せず、浅く広い孔食形態を
とり、長期の耐孔食性を示すようになる。このようにA
l−Zn系(通常Zn量3wt%以下)、Al−Zn−M
g系、又はAl−Mg−In系犠牲陽極合金自体は浅く
広い孔食形態(面食)をとる特徴があり、さらに芯材と
これら犠牲材との電位差により、芯材が暴露した後も犠
牲材が優先的に腐食され、芯材の腐食を防止するといわ
れている。
板厚減少、及び熱交換器の高機能化に伴い、チューブ内
部の液流速が従来に比べて非常に速い環境となり、さら
には使用冷却水(クーラント)によっては、高アルカリ
液仕様となっている場合がある。自動車を走行させてい
る環境によってはクーラントが何らかの原因で機能劣化
した場合、従来技術の犠牲材では十分な防食効果が得ら
れないばかりか、いわゆるエロージョンに伴うチューブ
腐食増大という大きな問題がでるのである。
ングシートとしては、特開平9−87788号公報に開
示のものがある。この文献にはZn6〜12wt%とMg
0.5〜3wt%を含有したアルミニウム合金犠牲陽極材
が記載されており、本発明の犠牲防食アルミニウム合金
のZn量と重複するZn含有量のものが示されている。
しかしながら両者はZn以外の添加元素が全く異なり、
しかも上記文献には高アルカリクーラント液環境下での
耐食性については記載があるが、さらに厳しい液の高流
速環境下での防食対策については全く示されていない。
即ち上記文献のものは下記で述べる本発明のようにアル
ミニウム合金材料のコロージョンだけでなく、エロージ
ョンの問題を解決するために犠牲材の成分を規定したも
のではない。
特開平10-72634号公報には、耐アルカリ腐食性
に優れるアルミニウム合金複合材の犠牲陽極材として、
Ni0.1〜3.0wt%、Fe0.5〜3.0wt%を含
有し、さらにZn3.0wt%以下あるいは4.0wt%以
下含有するものが示されている。しかしながらこの文献
のものは、本発明のものに比べてZn量が少なく、しか
も液の高流速環境下での腐食問題については言及してお
らず、添加元素の作用効果、特にFe,Ni,Znの複
合効果も本発明のものとは異なっている。
に鋭意検討を行った結果、我々は本発明を見出すに至っ
たのである。即ちチューブ内面の冷媒側が特にアルカリ
液環境下で、クーラント液機能が劣化し、さらには液流
速が大きい場合でもエロージョン現象を起こしにくい画
期的な犠牲材を芯材にクラッドした熱交換器用アルミニ
ウム合金複合材を発明したのである。
0wt%以下、Fe0.3〜3.0wt%、Ni0.2〜3.
0wt%を含有し、残部Al及び不可避不純物からなる熱
交換器用犠牲防食アルミニウム合金である。
複合材は、アルミニウム合金芯材の片面に上記犠牲防食
アルミニウム合金を犠牲材としてクラッドし、該芯材の
他の片面にAl−Si系合金ろう材をクラッドしたこと
を特徴とするものである。そして上記アルミニウム合金
芯材としては、Fe0.05〜0.8wt%、Mn0.0
5〜2.0wt%、Ni0.05〜2.0wt%及びMg0.
03〜0.5wt%を含有し、又はさらにSi0.05〜
1.2wt%、Cu0.003〜1.2wt%、Cr0.03
〜0.3wt%、Zr0.03〜0.3wt%、Ti0.03
〜0.3wt%のうち1種又は2種以上を含有し、残部A
l及び不可避不純物からなるものが有効である。
られているZn量に対し、上記問題を解決するためにZ
n添加量(4.0wt%を超え、15.0wt%以下)を必須
規定し、さらにFe(0.3〜3wt%)、Ni(0.2
〜3wt%)を積極添加することで、犠牲材、芯材の腐食
溶解を必要以上増大させない効果を見出した。これによ
り、例えク−ラントが高アルカリを保持したままでしか
も使用環境下によっては液機能が劣化し、さらには液流
速の大きい環境下になった場合でも、本発明の犠牲陽極
材はエロ−ジョン、コロ−ジョンを起こしにくく、長期
間犠牲材の機能を維持し、耐食性を大幅に向上させるこ
とができる。
して芯材組成も同時に規定している。即ち、従来合金に
比べて強度と自己耐食性のバランスを向上させること
で、さらにエロージョン、コロージョンを抑制すること
ができるのである。
の規定理由を以下に記載する。Zn量:4wt%を越え、15wt%以下の含有に規定し
た理由 冷却液(クーラント)が高アルカリ(pH8〜11レベ
ル)環境下では、電気化学的に芯材よりも犠牲材の自然
電位が上昇変化する傾向にあり、防食上必要な犠牲材と
芯材との電位差が縮まる方向に向かう。このため、Zn
量4wt%以下では工業上利用されている芯材合金あるい
は本発明の芯材合金との組合わせでは、犠牲材電位の方
が芯材より貴になってしまい、耐食性が急激に劣化す
る。例え、犠牲材の電位が芯材より卑であっても、犠牲
材の自然電位が芯材の孔食発生電位付近に近づくため、
犠牲材は孔食形態で自己腐食速度が増大し、腐食寿命が
その分短くなってしまう。上記公知文献である特開平9
−176768号公報、特開平10−72634号公報
ではZnは選択的含有元素であって3wt%以下あるいは
4wt%以下含有であることから、上述の液の高流速環境
下での使用を満足するためにZn量は4wt%を越えるこ
とが必須である、という技術を想定することは困難であ
る。なお、15wt%を越える場合、犠牲材自身の融点が
低下し、通常のろう付け加熱温度では溶融するおそれが
でてくる。
を解決するためにさらに犠牲材にFe、Niを所定量必
須規定しているが、これら元素の機能が十分発揮される
ためには、Znを4wt%越え、15wt%以下の範囲で必
須添加されていることが重要である。ZnとFe、Ni
の複合効果に対する規定理由は以下で述べる。このよ
うに上記の腐食環境で犠牲防食効果を最低限持たせるに
は、Zn量を本発明内で規定することが必要である。望
ましくはZn量5.0〜10wt%がよい。
かつNi量を0.2〜3wt%に規定した理由
系化合物を、NiはFeと置換結合する性質のため、上
記化合物のFeの一部が置き換わってAl−(Fe)−
Ni−Si系化合物を生成する。上記高アルカリ液の高
流速環境下では、これら化合物の近傍で優先溶解が起こ
るが、同時にこれら化合物の周囲に速やかに腐食皮膜を
形成する働きがある。これら化合物は犠牲材中に均一に
分布するため、この皮膜自身も均一に分布する。そして
これら化合物近傍で形成された各々の皮膜は、部材組織
中のマトリックスで溶解形成されたZn系水酸化皮膜と
相互作用することでより緻密で安定強固な皮膜にする働
きが付与されるのである。このような皮膜は上記液の高
流速環境中で層状に欠損する傾向にある。例え層状に皮
膜欠損しても犠牲材Zn量を本発明内で添加しておけば
下地の犠牲材が理想的な層状防食溶解をとることが可能
となるのである。
e系化合物分布が少ないため上記効果が不足し、3wt
%を超えると圧延性が大幅に劣化する。望ましくは0.
3〜2.5wt%がよい。さらには0.4〜2.0wt%がよ
い。
囲の限定理由について述べる。Mnはろう付け後にマト
リックス中に固溶し、強度向上に効果がある。さらに本
発明の犠牲材と組合わせで使用する場合には、Mn量を
本発明で規定することは上記腐食対策上も非常に有効で
ある。Mn添加量を0.05〜2.0wt%としたのは、
0.05wt%未満では強度向上効果がなく、2.0wt%
を越えると加工性が低下する問題が発生する。望ましく
は0.3〜1.5wt%とするのがよい。さらに望ましく
は0.7〜1.2wt%とするのがよい。
芯材には元々Znは添加されていないが、犠牲材とのク
ラッド複合材として利用すればZnが芯材に拡散するた
め、熱交換器として使用する時点では芯材はZn、F
e、Niが含有された組成となる。これにより、犠牲材
への添加同様、アルカリ液の高流速環境に対して耐食性
を向上させる効果がある。酸性側では逆にFe系化合物
が腐食起点となり易いが、犠牲材に本発明内のZn量を
添加すれば耐食性は十分に確保できるのである。Fe添
加量が0.05wt%未満では効果がなく、0.8wt%を
越えると酸性側、アルカリ側での耐食性バランスが低下
する。望ましくは0.2〜0.75wt%がよく、さらに
は0.4〜0.7wt%がよい。Niを0.05〜2wt%
添加することで、0.05wt%未満では上記効果が少な
く、2wt%を越えると圧延性が劣化するのでよくない。
望ましくは0.3〜1.5wt%がよい。
上効果がなく、1.2wt%を越えると単体Siによる深
い孔食を引き起こすおそれがある。なお、望ましくは
0.3〜0.9wt%とするのがよい。
たのは、0.003wt%未満では上記効果がなく、1.
2wt%を越えると芯材の自己耐食性が低下し、粒界腐食
が助長される問題が発生し、さらに電縫加工時に溶接割
れを引き起こす恐れがあるからである。なお、使用環境
に応じて望ましくは0.005〜0.05wt%、あるい
は0.4〜0.8wt%とするのがよい。
合物を時効析出することで強度向上効果がある。Mg添
加量が0.03wt%未満では、強度向上の効果がなく、
0.5wt%を越えるとろう付け加熱時に芯材の片面にク
ラッドしたろう材側表面にMgが拡散し、フラックスを
使用した場合にはこれと反応してろう付け不良を発生す
るおそれがでてくる。望ましくは0.08〜0.25wt
%とする。
wt%で規定することで、Fe、Ni同様の効果が期待さ
れる。0.03wt%未満ではその効果がなく、0.3wt
%を越えると、鋳造時の凝固割れを誘発するおそれがあ
る。望ましくは各々0.08〜0.25wt%がよい。そ
の他元素は諸特性を低下させない限り、添加しても構わ
ない。
造はDC法、連続鋳造(キャスター)等、限定されな
い。均質化処理条件、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍条
件等も特に限定されるものではない。
l−Si系のJIS4343、JIS4045合金及び
JIS4004合金等が使用できる。またAl−Si系
ろう材にCu、Znその他元素を、ろう付け性を低下さ
せない限り添加しても構わない。ろう材の接合方法も本
発明で規定するクラッド圧延法以外に、溶射法、粉末塗
布法によっても本発明効果は全く損なわれない。
エーター、ヒーターのチューブの他に、ラジエーター、
ヒーターのヘッダープレートにも使用でき、その他本発
明の目的と同様であればいかなる部材としても充分に使
用できる。
に示す組成の犠牲陽極材と芯材の組合わせ合金28種類
を金型鋳造により鋳造して、各々両面面削後、犠牲材は
500℃で熱間圧延を開始し、厚さ5mmに圧延した。芯
材は520℃×6hrの均質化処理を行い、面削で厚さ4
0mmに仕上げた。即ち、犠牲材の複合材全体に対するク
ラッド率が10%となるようにした。ろう材はJIS4
343合金を用い、犠牲材同様金型鋳造し、面削後、熱
間圧延を行い5mm厚とした。即ち複合材全体に対するク
ラッド率を10%とした。
ねて、500℃で熱間圧延を開始し、厚さ3.5mmの3
層のクラッド材とした。その後冷間圧延により0.35
7mm厚とし、360℃×2hrの中間焼鈍を施して最終的
には厚さ0.25mmまで冷間圧延し、H14材のアルミ
ニウム合金複合材の試料とした。
合金複合材(No.21〜27)及び従来例合金複合材(No.
28)をそれぞれ電縫加工によりチューブとし、これら
チューブを板厚0.07mmのAl−0.5wt%Si−
0.2wt%Cu−1.0wt%Mn−2.0wt%Zn合金
からなるコルゲート加工したフィンと板厚1.2mmのヘ
ッダープレート、及びサイドプレート(JIS4343
ろう材とAl−1.5wt%Zn犠牲材を各々10%ずつ
クラッドした芯材(JIS3003+0.15wt%M
g)からなるアルミニウム合金複合材)を用いて熱交換
器を作製した。これら熱交換器に下記3タイプの腐食試
験を実施し、犠牲材側から発生した最大孔食深さを測定
した。これら結果を表2に示す。
ブ内に下記液を循環させた。(流速2m/sec) 液種: 水道水+5ppm Cuイオン+100ppm Clイ
オン 試験条件: 80℃×10hrと室温×14hrのサイクル
試験を5ケ月行う。
アを使用してチューブ内に下記液を循環させた。(流速
2m/sec) 液種: 市販クーラントを水道水で希釈して、クーラン
ト濃度を30vol%とした液に1ppmCuイオン、20pp
mFeイオン、40ppm硫酸イオン、10ppmClイオン
を添加し、さらにNaOHを添加してpH10.5に調
製した腐食液を使用。 試験条件:80℃×10hrと室温×14hrのサイク
ル試験を1ヶ月行う。
ppm 硫酸イオン、100ppm Clイオンを含む溶液にN
aOHを添加してpH11に調整した腐食液を使用。 試験条件: 試験機は液が出るノズル径:4mmφ、ノズ
ルから試料までの垂直距離:10mmであり、流速6m/s
ecで80℃×1ケ月の連続試験を行った。
材 No.1〜20は酸性環境腐食試験及びアルカリ性環境
腐食試験においては孔食深さが70μm以下であり、優
れた耐食性を確保できた。さらに、高アルカリ性環境下
で液流速の大きいエロージョン試験でも最大孔食深さは
70μm以下と耐食性が良好である。
多すぎて犠牲材の熱間圧延時に割れてしまい製造できな
かった。また比較例No.27は芯材のCu量が多すぎて
クラッド圧延時に割れてしまい複合材を製造できなかっ
た。比較例No.21、24、26は犠牲材のZn量が本
発明の範囲を外れており、アルカリ環境では犠牲材と芯
材の電位差が確保できず、アルカリ性腐食試験での耐食
性が劣っていた。比較例No.22、25は犠牲材のFe
及びNi量が本発明の範囲を外れており、高流速のアル
カリ腐食環境下では表面に安定な皮膜を形成させること
ができずアルカリエロージョン試験での耐食性が劣って
いた。
アルミニウム合金複合材は酸性側だけでなくアルカリ性
側の腐食環境においても優れた犠牲防食能を確保して長
期間にわたり腐食孔食が進行しない優れた耐食性を得る
のである。さらにエロージョンが進行し易い環境でも、
犠牲材の耐エロージョン性が大幅に改善されるなど、従
来の問題を解決でき、工業上顕著な効果を奏するのであ
る。
面図、(ロ)は(イ)のAA線の拡大断面図である。
散状況の一例を示す説明図で、(ロ)は同じくろう付け
加熱後のZn拡散状況の一例を示す説明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】Fe0.05〜0.8wt%、Mn0.05
〜2.0wt%、Ni0.05〜2.0wt%及びMg0.0
3〜0.5wt%を含有し、残部Alと不可避不純物から
なるアルミニウム合金芯材の片面にZn4.0wt%を超
え、15.0wt%以下、Fe0.3〜3wt%、Ni0.2
〜3wt%を含有し、残部Al及び不可避不純物からなる
アルミニウム合金を犠牲材としてクラッドし、該芯材の
他の片面にAl−Si系合金ろう材をクラッドしたこと
を特徴とする熱交換器用アルミニウム合金複合材。 - 【請求項2】アルミニウム合金芯材が、Fe0.05〜
0.8wt%、Mn0.05〜2.0wt%、Ni0.05〜
2.0wt%、Mg0.03〜0.5wt%を含有し、さらに
Si0.05〜1.2wt%、Cu0.003〜1.2wt
%、Cr0.03〜0.3wt%、Zr0.03〜0.3wt
%、Ti0.03〜0.3wt%のうち1種又は2種以上を
含有し、残部Al及び不可避不純物からなるアルミニウ
ム合金である請求項1記載の熱交換器用アルミニウム合
金複合材。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26778398A JP3197251B2 (ja) | 1998-09-22 | 1998-09-22 | 熱交換器用犠牲防食アルミニウム合金、および熱交換器用高耐食性アルミニウム合金複合材 |
PCT/JP1999/005172 WO2000017409A1 (fr) | 1998-09-22 | 1999-09-22 | Alliage d'aluminium sacrificiel de protection contre la corrosion pour echangeur de chaleur et materiau composite comportant cet alliage d'aluminium hautement resistant a la corrosion pour echangeur de chaleur, ainsi qu'echangeur de chaleur dote dudit materiau composite |
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