JP3222768B2 - ろう付け性に優れたアルミニウム合金クラッド材およびその製造方法 - Google Patents
ろう付け性に優れたアルミニウム合金クラッド材およびその製造方法Info
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Description
たアルミニウム合金クラッド材、詳しくは、フッ化物系
フラックスを用いる不活性ガス雰囲気ろう付けにより、
自動車用のラジエーター、ヒータコア、オイルクーラ
ー、インタークーラー、あるいはカーエアコン用コンデ
ンサー、エバポレーターなどのアルミニウム製熱交換器
を製造する場合、その構成部材、とくにプレート材、チ
ューブ材として適用され、ろう付け性に優れ、ろう付け
後、優れた強度、耐食性を有する熱交換器用アルミニウ
ム合金クラッド材およびその製造方法に関する。
のチューブ材、プレート材としては、従来3003合金など
のAl−Mn系合金からなる芯材の片面にAl−Si系
ろう材をクラッドし、他の面に、犠牲陽極材として、純
Al、Al−Zn系合金、Al−Sn合金、Al−In
合金などをクラッドした3層のアルミニウム合金クラッ
ド材が使用され、チューブ材の場合は、ろう材層が外面
となるように曲成し、端面を溶接することにより製造す
る溶接管として用いられている。
て、Al−Si系ろう材は、フッ化物系フラックスを用
いる不活性ガス雰囲気ろう付けあるいは真空ろう付けに
より行われるチューブ材とフィン材との接合、チューブ
材とヘッダープレート材との接合のために設けられるも
のであり、犠牲陽極材は、ラジエータやヒータコア、そ
の他のアルミニウム製熱交換器に組立てられた場合、作
動流体に対して犠牲陽極効果を発揮して芯材の孔食、隙
間腐食を防ぐために設けられるものである。
ニウム製熱交換器にも軽量化の要求が強く、チューブ材
についても、例えば0.3mm 未満の薄肉化が要求されてお
り、そのために、ろう付け後の強度を向上させることが
重要視されており、芯材として、従来のAl−Mn系合
金に、Mg、Cuなどを含む高強度材を使用したクラッ
ド材、例えば、芯材が、Mn:0.3〜1.5 %、Cu:0.25
〜1.0 %、Mg:0.05〜1.0 %、Si:1.0%以下を含有
し、またはさらにTi:0.06 〜0.35%を含み、残部Al
および不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成
され、犠牲陽極材が、Zn:0.5〜2.0 %、Mg:0.3〜1.
0 %を含有し、さらにIn:0.005〜0.1%、Sn:0.01
〜0.1 %のうちの1種または2種を含み、残部Alおよ
び不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成され
たラジエータのヘッダープレート用アルミニウム合金複
合材が提案されている(特開平3-253533号公報) 。
果を助長するが、フッ化物系フラックスを使用してろう
付けを行う場合、芯材中のMgがろう付け工程において
拡散してフッ化物系フラックス中のFと反応し、綿状の
MgF2 化合物を形成する。このため、ろう付け時にお
いて有効に作用するフラックス量が減少して、フラック
スの酸化皮膜除去効果を低下させ、ろう付け性を阻害す
ることが少なくないことが経験されている。
材を構成材料とするクラッド材を使用する場合には、ろ
う付け性を改善するために、高濃度のフラックスをスプ
レーで塗布したり、ハケで塗ったりすることも行われて
いるが、この方法では、フラックスの使用量が多くなっ
て製造コストが高くなるとともに、スプレー噴射口の目
詰まりが生じるなどの技術的問題も発生する。熱交換器
の表面精度が要求される部位では、ろう付け後のフラッ
クスの残渣が多くなって要求される面精度が得られない
などの問題がある。また、フラックスの塗布量を多くし
ても確実にろう付け性が改善されるとはいい難い。
アルミニウム合金の3層クラッドのブレージングシート
において、芯材中のMg量を0.05〜0.2 %に規定し(特
開平4-371368号公報) 、芯材にAl−Si系のろう材を
クラッドした積層チューブシート材において、芯材とろ
う材の各々のMg量を0.03%以下に限定し(特開平7-17
1692号公報) 、あるいは芯材の両面に皮材をクラッドし
たフィン材において、皮材中のMg量を0.03%以下に規
制して(特開平5-125477号公報) 、ろう付け工程でのM
gとフッ化物系フラックスとの反応をなくしてフラック
スの消費を防止しようとすることも提案されているが、
強化元素として最も効果のあるMgの含有量を制限する
ため、クラッド材の強度向上の面で不利となる。
を含有するアルミニウム合金クラッド材を、フッ化物系
のフラックスを使用してろう付けする場合における上記
の問題点を解決するために、ろう材中のMg含有量、ろ
う材表面層のMg濃度とろう付け性の関係について実
験、検討を行った結果、ろう材中のMg量を所定量以下
に規制するとともに、ろう材表面層のMg濃度を限定す
ることにより、芯材中にMgが含有されている場合であ
っても、Mgとフラックスとの反応が抑制され、通常の
フラックス塗布量で、良好なろう付け性が得られること
を見出し、本発明に至った。
に基づいてなされたものであり、その目的は、フッ化物
系フラックスを使用する不活性ガス雰囲気ろう付けによ
り接合されるアルミニウム合金クラッド材であって、ろ
う付け性に優れているとともに、ろう付け後に高強度が
得られ、耐食性も良好で、熱交換器用構成部材として好
適に使用することができるろう付け性に優れたアルミニ
ウム合金クラッド材およびその製造方法を提供すること
にある。
めの本発明によるろう付け性に優れたアルミニウム合金
クラッド材は、芯材の片面にAl−Si系のろう材をク
ラッドし、他の面に犠牲陽極材をクラッドし、フッ化物
系フラックスを使用してろう付けを行うためのアルミニ
ウム合金クラッド材において、芯材が、Mn:0.4〜2.0
%、Cu:0.25〜1.0 %、Mg:0.3〜0.8 %、Si:0.1
〜1.0 %、Fe:0.06 〜0.8 %を含有し、残部Alおよ
び不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成さ
れ、犠牲陽極材が、Zn:0.5〜3.0 %、Mg:0.2〜0.8
%、Si:0.06 〜0.3 %を含有し、残部Alおよび不可
避的不純物からなるアルミニウム合金で構成され、ろう
材が、Si:5.0〜15%、Mg:0〜0.02wt%を含有し、残
部Alおよび不可避的不純物からなるAl−Si系合金
で構成され、ろう材の表面から深さ150 オングストロー
ムまでの表層部の平均Mg濃度を0 〜10at%に規制した
ことを特徴とする。
ウム合金クラッド材の製造方法は、上記組成を有するア
ルミニウム合金の芯材、犠牲陽極材およびろう材からな
るクラッド材を冷間圧延し、250 〜350 ℃の温度で焼鈍
処理することを特徴とする。
ドするAl−Si系ろう材中のMg含有量を0 〜0.02
%、ろう材の表面から深さ150 オングストロームまでの
表層部の平均Mg濃度を0 〜10at%(原子濃度)に規制
するものであるが、これらの規制により、ろう付け加熱
時、フラックスは溶融しているが、ろう材は溶融してい
ない状態下で、ろう材最表層部に濃縮するMg量が低く
抑制され、溶融しているフラックスとMgとの反応が抑
えられて、ろう材とフラックスが共に溶融するろう付け
時におけるフラックスによる酸化皮膜除去効果が維持さ
れる。
う材表層部の平均Mg濃度が10at%以下であっても、ろ
う付け加熱とともに、ろう材中のMgが所定量以上表層
部に濃縮し、フラックス溶融開始温度(約562 ℃) にお
いて、ろう材最表層部に濃縮するMgの濃度が高くな
り、このMgとフラックスとが反応して、ろう付け時に
有効なフラックス量が不足し、ろう付け性が低下する。
ムまでの表層部の平均Mg濃度が10at%を越えた場合
は、ろう材中のMg含有量が0.02%以下であっても、フ
ラックス溶融開始温度において、ろう材最表層部のMg
濃度が高くなり、濃縮したMgとフラックスとが反応し
て有効フラックス量に不足が生じ、ろう付け性が低下す
る。
限定理由について説明すると、芯材中のMnは、芯材の
強度を向上させるとともに、芯材の電位を貴にし、犠牲
陽極材との電位差を大きくして耐食性を高めるよう機能
する。Mnの好ましい含有範囲は0.4 〜2.0 %であり、
0.4 %未満ではその効果が小さく、2.0 %を越えて含有
すると、鋳造時に粗大な化合物が生成し、圧延加工性が
害される結果、健全な板材が得難い。Mnのさらに好ま
しい範囲は0.6 〜1.6 %である。
に、芯材の電位を貴にし、犠牲陽極材との電位差、ろう
材との電位差を大きくして、防食効果を向上させるよう
機能する。Cuの好ましい含有量は0.25〜1.0 %の範囲
であり、0.25%未満ではその効果が小さく、1.0 %を越
えると、芯材の耐食性が低下し、また融点が低下して、
ろう付け時に犠牲陽極材表面までCuが拡散し耐食性が
低下する。Cuのさらに好ましい含有範囲は0.3 〜0.8
%である。
するが、ろう付け性低下の観点から、含有量は0.2 〜0.
8 %とするのが好ましい。0.2 %未満では強度向上の効
果が小さく、0.8 %を越えて含有すると、フッ化物系の
フラックスを使用する不活性ガス雰囲気ろう付けにおい
て、ろう付け加熱時にMgがろう材側に拡散してフッ化
物系フラックスと反応し、ろう付け性が阻害される。ま
た自己腐食性も増加する。Mgのさらに好ましい範囲は
0.3 〜0.8 %、最も好ましい範囲は0.3 〜0.6%であ
る。
する。とくに、ろう付け中に犠牲陽極材から拡散してく
るMgと共存することによりMg2 Siを生成し、ろう
付け後、時効硬化を生ぜしめ、強度をさらに高める。好
ましい含有範囲は0.1 〜1.0%であり、0.1 %未満では
その効果が十分でなく、1.0 %を越えて含有すると、芯
材の結晶粒径が小さくなって、溶融したろう材が芯材中
に浸食し易くなり、ろう付け性を低下させる。また自己
腐食性も増加する。Siのさらに好ましい範囲は0.2 〜
0.8 %である。
する。好ましい含有範囲は0.06〜0.8 %であり、0.06%
未満てはその効果が小さく、0.8 %を越えると、芯材の
結晶粒径が小さくなって、溶融したろう材が芯材中に浸
食し易くなり、ろう付け性を低下させる。また自己腐食
性も増加する。Feのさらに好ましい範囲は0.1 〜0.6
%である。
Zn、Ti、Cr、Zr、B、V、Mo、Niが含有さ
れていてもクラッド材の性能に影響を与えることがな
い。但し、Znは、芯材の電位を卑にし、犠牲陽極材お
よびろう材との電位差を小さくするので0.1 %未満に限
定するのが好ましい。Crは0.4 %以下、Zrは0.4 %
以下に制限するのが好ましく、Bは50ppm 以下に制限す
るのが好ましい。また、その他の元素は0.5 %以下に制
限するのが好ましい。
を卑にし、芯材に対する犠牲陽極効果を保持させる機能
を有する。具体的には、ろう付け時の拡散により犠牲陽
極材の表層部から芯材にかけて、連続的にZnの濃度が
減少するZnの濃度勾配、すなわち電位勾配が生じ、腐
食が板厚方向に進行するのを防止する。Znの好ましい
含有量は0.5 〜3.0 %の範囲であり、0.5 %未満ではそ
の効果が小さく、3.0%を越えると、自己腐食性が大き
くなる。Znのさらに好ましい含有範囲は0.7〜2.0 %
である。
ともに、犠牲陽極材中のMgの一部は、ろう付け時に芯
材中に拡散し、芯材の強度を向上させる機能も有する。
好ましい含有量は、0.2 〜0.8 %の範囲であり、0.2 %
未満ではその効果が十分でなく、0.8 %を越えると、耐
孔食性がわるくなる。SiはMgと共存して強度を高め
る作用を有する。好ましい含有範囲は0.06〜0.3 %であ
り、0.06%未満ではその効果が小さく、0.3 %を越えて
含有すると、耐孔食性を劣化させる。MgおよびSiの
さらに好ましい範囲は、それぞれ0.2 〜0.6 %および0.
06〜0.2 %である。
のFe、0.8 %以下のNi、0.5 %以下のCu、0.4 %
以下のTi、50ppm 以下のB、0.4 %以下のCr、0.4
%以下のZr、0.5 %以下のMnが添加されても性能が
害されることはない。また、In、Sn、Gaなど、電
位を卑にする元素を添加することにより、犠牲陽極効果
をさらに高めることができる。
合金クラッド材は、芯材、犠牲陽極材およびろう材を構
成するアルミニウム合金を、半連続鋳造により造塊し、
均質化処理したのち、それぞれ所定厚さまで熱間圧延す
る。ついで、各材料を組合わせ、常法に従って、熱間圧
延によりクラッド材とし、中間焼鈍を介在させて所定厚
さまで冷間圧延し、または所定厚さまで冷間圧延したの
ち最終焼鈍する工程を経て製造される。
温度で1 〜5 時間行うのが好ましい。焼鈍処理温度が高
くなるほど、ろう材表層部のMgの濃縮量が増加し、焼
鈍温度が350 ℃より高くなると、ろう材表層部の平均M
g濃度が10at%を越え、ろう付け工程においてMgとフ
ラックスとの反応が生じて、ろう付け性が低下する。25
0 ℃以下の焼鈍温度で芯材組織が再結晶しないため十分
に軟化せず、製品のプレス加工性がわるくなるとともに
ろう付け後の結晶粒が著しく微細になり、ろう付け時に
ろうの芯材への侵食が増加してろう付け性が劣化する。
が、炉内雰囲気を不活性ガスにより置換して、炉内の酸
素濃度を約 500ppm 以下にするのが、ろう材最表層部の
Mgの濃縮量の増加を抑制する上で好ましい。
溶接管を製造して熱交換器用チューブ材とし、またヘッ
ダープレート材として、自動車用のラジエータやヒータ
コアなどのアルミニウム製熱交換器の組立てに使用する
場合には、アルミニウム合金のフィン材を組合わせ、ろ
う付け炉中において、フッ化物系フラックスを用いる不
活性ガス雰囲気ろう付けを行う。
ラッド材において、芯材の片面にはAl−Si系ろう材
がクラッドされる。この場合、フッ化物系フラックスを
用いる不活性ガス雰囲気ろう付け用ろう材としては、基
本的に5.0 〜15%、好ましくは7.0 〜13%のSiを含有
するAl−Si合金が適用される。このAl−Si合金
には、ろう付け性を改善するために、少量、例えば0.1
%以下のBi、Sr、Be、Li、Ca、Naのうちの
1種または2種以上を含有させてもよい。また、Cu、
Zn、Fe、Ni、Mnは0.8 %以下、Ti、Cr、Z
rは0.5 %以下、In、Sn、Ga、Pbは0.1 %以下
が含まれていても本発明の効果を損なうことはない。
説明する。
ニウム合金、犠牲陽極材用アルミニウム合金およびろう
材用合金を造塊した。各鋳塊について均質化処理を行
い、犠牲陽極材用アルミニウム合金およびろう材用合金
の鋳塊を所定の厚さまで熱間圧延し、これらの圧延材と
芯材用合金の鋳塊を組合わせて熱間圧延し、クラッド材
とした。さらに所定厚さまで冷間圧延したのち、表1に
示す条件で焼鈍処理した。クラッド材の厚さは1.0mm 、
クラッド率は、ろう材10%、芯材80%、犠牲陽極材10%
とした。
ついて、以下のような測定、試験を行った。 表層部のMg濃度測定:クラッド材のろう材表面につい
て、オージェにより深さ方向の分析を行い、表面から15
0 オングストローム深さまでの表層部の平均Mg濃度を
測定した。 ろう付け性評価:クラッド材1および3003合金板2( 厚
さ1.0mm)を、図1に示す寸法に切断し、ろう材3、芯材
4、犠牲陽極材5からなるクラッド材1のろう材3に、
非腐食性フッ化物系フラックスを塗布し( 塗布量8g/
m2)、3003合金板2にも同じフラックスを塗布して(塗
布量2g/m2)、十分に乾燥させ、図1に示すように、クラ
ッド材1をろう材3を上側にして水平に置き、3003合金
板2を垂直にして、片側をクラッド材1のろう材3に接
触させ、他側にスペーサロッド(直径3mm)6を介在させ
て組付けたのち、窒素ガス雰囲気炉内に装入して600 ℃
に加熱してろう付けを行い、図2に示すように、溶融し
たろうがクラッド材と3003合金板の間隙に充填されるろ
うの間隙充填長さLを測定した。
物系フラックスを8g/m2 で塗布して600 ℃の温度に加
熱、冷却したのち、クラッド材からJIS-5号試験片を採
取して引張試験を行った。 腐食試験:クラッド材のろう材に、フッ化物系フラック
スを8g/m2 で塗布して600 ℃の温度に加熱、冷却したの
ち、以下の腐食試験を行った。 腐食試験1:ろう材側について、CASS試験(JIS-D0
201 、試験期間14日)を行った。 腐食試験2:犠牲陽極材側について、Cl- :100ppm 、
SO4 2- :100ppm 、HCO3 - :100ppm 、Cu2+:10pp
m、を含む水溶液を腐食液とし、試験材を、80℃の温度
に加熱した腐食液中に8h浸漬したのち、室温まで放冷し
ながら16h 放置するというサイクルを2 カ月間繰り返し
た。
れるように、本発明に従う試験材は、いずれも、間隙充
填長さ18mm以上の良好なろう付け性を示し、ろう付け後
の強度に相当する引張強度は140MPa以上の優れた値を示
した。また、腐食試験1による最大腐食深さはいずれも
0.20mm以下、腐食試験2による最大腐食深さはいずれも
0.10mm以下の優れた耐食性を示した。
ニウム合金、犠牲陽極材用アルミニウム合金、およびろ
う材用合金を造塊し、実施例1と同様の工程により、厚
さ1.0mm のクラッド材(クラッド率は、ろう材10%、芯
材80%、犠牲陽極材10%)を作製した。焼鈍処理温度を
表3に示す。得られたクラッド板材について、実施例1
と同じ方法で測定および試験を行った。結果を表4に示
す。なお、表3および表4において、本発明の条件を外
れたものには下線を付した。
ろう材中のMg量が高いため、ろう材表層部に濃縮する
Mg濃度が高くなり、ろう付け性が劣る。また芯材中の
Mn含有量が少ないため、十分な強度が得られず、犠牲
陽極材中のZn含有量が低いため、犠牲陽極材側の耐食
性がわるい。試験材No.13 は、芯材中のMn量が多過ぎ
るため、圧延加工性時に割れが生じ試験材が製造できな
かった。試験材No.14は、クラッド材製造時の焼鈍処理
温度が高いため、ろう材表層部に濃縮するMgの濃度が
高くなり、ろう付け性が劣る。また芯材のCu量が少な
いため強度も不十分である。試験材No.15 は、素材製造
時の最終焼鈍温度が低いため、ろうの母材侵食が激し
く、ろう付け性がわるい。また、芯材のCu量が多過ぎ
るため、ろう材側の耐食性が劣り、犠牲陽極材のMg量
が多いため、犠牲陽極材側の耐食性もわるい。試験材N
o.16 は、芯材のMg量が少ないため、引張強度が低
い。試験材No.17 は、芯材のMg量が高いため、ろう付
け性がわるく、ろう材側の耐食性が劣る。試験材No.18
は芯材のSi含有量が低いため、強度が不十分となる。
め、芯材へのろう材の浸食が激しくなり、ろう付け性が
わるくなり、ろう材側の耐食性も劣る。また犠牲陽極材
のZn量が多いため、犠牲陽極材の自己腐食が激しく耐
食性が劣る。試験材No.20 は、素材製造時の最終焼鈍温
度が高く、ろう材最表層に濃縮しているMg濃度が高い
ため、間隙充填長さが短く、ろう付け性がわるい。ま
た、芯材のFe量が少ないため、強度が不十分となる。
試験材No.21 は、芯材のFe量が多過ぎるため、結晶粒
が小さく、芯材中にろう材が浸食し易くなり、ろう付け
性がわるい。ろう材側の耐食性も劣る。試験材No.22
は、ろう材中のSi量が多いため、圧延加工時にろう材
表面に割れが生じ、試験材を製造することができなかっ
た。試験材No.23 は、犠牲陽極材中のMg量が低いため
強度が十分でなく、また、ろう材のSi量が少ないた
め、ろう付け時、ろうの流動性が低下し、ろう付け性が
わるくなっている。試験材No.24 は、ろう材中のMg量
が0.02%を越えているため、ろう材表層部へのMgの濃
縮が多くなって、ろう付け性を低下させる。また犠牲陽
極材のSi量が少ないため強度が不十分となる。試験材
No.25 は、焼鈍温度が高いため、ろう材表層部へのMg
の濃縮が多くなり、ろう付け性がわるくなる。また犠牲
陽極材のSi量が高いため、犠牲陽極側の耐食性が劣っ
ている。
gを含有させて強度を向上させたアルミニウム合金クラ
ッド材において、ろう付け性が優れ、強度、耐食性に優
れた熱交換器用アルミニウム合金クラッド材が提供され
る。このアルミニウム合金クラッド材は、自動車用熱交
換器のチューブ材、プレート材として好適に使用でき、
部材の薄肉化、熱交換器の軽量、コンパクト化の達成に
役立つ。
験前の試験材の配置を示す側面図である。
である。
Claims (2)
- 【請求項1】 芯材の片面にAl−Si系のろう材をク
ラッドし、他の面に犠牲陽極材をクラッドし、フッ化物
系フラックスを使用してろう付けを行うためのアルミニ
ウム合金クラッド材において、芯材が、Mn:0.4〜2.0
%(質量%、以下同じ)、Cu:0.25 〜1.0 %、Mg:
0.3〜0.8 %、Si:0.1〜1.0 %、Fe:0.06 〜0.8 %
を含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアル
ミニウム合金で構成され、犠牲陽極材が、Zn:0.5〜3.
0 %、Mg:0.2〜0.8 %、Si:0.06 〜0.3 %を含有
し、残部Alおよび不可避的不純物からなるアルミニウ
ム合金で構成され、ろう材が、Si:5.0〜15%、Mg:0
〜0.02wt%を含有し、残部Alおよび不可避的不純物か
らなるAl−Si系合金で構成され、ろう材の表面から
深さ150 オングストロームまでの表層部の平均Mg濃度
を0 〜10at%に規制したことを特徴とするろう付け性に
優れたアルミニウム合金クラッド材。 - 【請求項2】 請求項1記載の組成を有するアルミニウ
ム合金の芯材、犠牲陽極材およびろう材からなるクラッ
ド材を冷間圧延し、250 〜350 ℃の温度で焼鈍処理する
ことを特徴とするろう付け性に優れたアルミニウム合金
クラッド材の製造方法。
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米光"オージェ電子分光分析によるA1−4.5mass%Mg合金の高温酸化抑制に関する研究"住友軽金属技報,第34巻,第4号,平成5年10月,P.15−20 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH09302433A (ja) | 1997-11-25 |
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