JP3337771B2 - 熱交換器用アルミニウム合金複合材 - Google Patents
熱交換器用アルミニウム合金複合材Info
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Description
いられるアルミニウム合金複合材に関し、更に詳しくは
熱交換器の冷媒通路を形成するチューブ等の材料として
用いられる耐疲労特性及び耐孔食性に優れたアルミニウ
ム合金複合材に係る。
の正面図を、図1ロに図1イのA−A矢視断面図を示し
たように冷媒を通す複数のチューブ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、チューブ1とフィン2間をろう付け
したのち、ヘッダープレート3にパッキン6を介して樹
脂タンク5,15 を取付けた構造のものである。そしてフ
ィンにはJIS-3003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JIS-3003合金か
らなる芯材の外側(大気側)にJIS-4343合金ろう材をク
ラッドし、内側(冷媒側)にJIS-7072合金を犠牲陽極材
としてクラッドした厚さ 0.3〜0.4mm のブレージングシ
ート(内外層のクラッド率は5〜20%)を用い、ヘッダ
ープレートには厚さ 1.0〜1.3mm のチューブと同様のブ
レージングシートを用いている。ろう付には、非腐食性
のフッ化物系フラックスが使用されている。
成する犠牲陽極材と芯材は、上記ろう付加熱時に 600℃
程度の高温雰囲気に置かれる。この時に犠牲陽極材のJI
S-7072合金中のZnが芯材のJIS-3003合金に拡散し、芯
材表面にZn濃度 0.4〜0.8wt%、深さ80〜150 μmの
Zn拡散層が形成される。このZn拡散層が優先腐食す
ることにより、冷媒側に発生する孔食は深く成長せず、
浅く広い腐食形態をとり、長期に渡り良好な耐孔食性が
得られる。
に伴い、ブレージングシートの薄肉化(0.25mm前後)が
要求されている。その為に芯材のSiやCu等の合金元
素を増加させてブレージングシート全体の強度アップが
図られた。ところが、ろう付時の加熱により前記芯材の
SiやCu等の合金元素が犠牲陽極材に多量に拡散して
犠牲陽極材の孔食防止効果が低下するという問題が起き
た。又実車走行のシミュレート試験の結果、例えば薄肉
化したチューブでは、熱交換器に掛かる冷熱の繰返し応
力や振動応力により、犠牲陽極材の内面に微小亀裂が生
じ易く、又一旦亀裂が生じると短期間の内に疲労破壊に
至るという新たな問題が提起された。
労特性及び耐孔食性に優れた熱交換器用アルミニウム合
金複合材を開発したものである。即ち、請求項1の発明
は、芯材の片面にアルミニウム合金ろう材を、他の面に
犠牲陽極材をクラッドしたアルミニウム合金複合材にお
いて、犠牲陽極材が0.02〜0.15wt%のSi、0.1 〜 0.4
wt%のFe、 1.5〜 2.8wt%のMg、 3.0wt%を超え
6.0wt%以下のZn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で構成され、芯材が 0.5〜
1.2wt%のSi、 0.4〜 1.5wt%のCu、 0.5〜 2.0wt
%のMnを含有し、残部Alと不可避不純物とからなる
アルミニウム合金で構成され、且つろう付加熱後におけ
る犠牲陽極材の硬度が芯材の硬度以上であることを特徴
とするものである。
ニウム合金ろう材を、他の面に犠牲陽極材をクラッドし
たアルミニウム合金複合材において、犠牲陽極材が0.02
〜0.15wt%のSi、 0.1〜 0.4wt%のFe、 1.5〜 2.8
wt%のMg、 3.0wt%を超え6.0wt%以下のZn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
で構成され、芯材が 0.5〜 1.2wt%のSi、 0.4〜 1.5
wt%のCu、 0.5〜 2.0wt%のMnを含有し、更に 0.2
wt%以下のMg、0.01〜 0.5wt%のCr、0.01〜 0.5wt
%のTi、0.01〜 0.5wt%のZr、0.01〜 2.0wt%のN
iのうち1種又は2種以上を含有し、残部Alと不可避
不純物とからなるアルミニウム合金で構成され、且つろ
う付加熱後における犠牲陽極材の硬度が芯材の硬度以上
であることを特徴とするものである。
ニウム合金ろう材を、他の面に犠牲陽極材をクラッドし
たアルミニウム合金複合材において、犠牲陽極材が0.02
〜0.15wt%のSi、0.1 〜 0.4wt%のFe、 1.5〜 2.8
wt%のMg、 3.0wt%を超え6.0wt%以下のZn、0.001
〜0.1 wt%のIn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で構成され、芯材が 0.5〜
1.2wt%のSi、 0.4〜1.5wt%のCu、 0.5〜 2.0wt%
のMnを含有し、残部Alと不可避不純物とからなるア
ルミニウム合金で構成され、且つろう付加熱後における
犠牲陽極材の硬度が芯材の硬度以上であることを特徴と
するものである。
ニウム合金ろう材を、他の面に犠牲陽極材をクラッドし
たアルミニウム合金複合材において、犠牲陽極材が0.02
〜0.15wt%のSi、0.1 〜 0.4wt%のFe、 1.5〜 2.8
wt%のMg、 3.0wt%を超え6.0wt%以下のZn、0.001
〜0.1 wt%のIn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で構成され、芯材が 0.5〜
1.2wt%のSi、 0.4〜1.5wt%のCu、 0.5〜 2.0wt%
のMnを含有し、更に 0.2wt%以下のMg、0.01〜 0.5
wt%のCr、0.01〜 0.5wt%のTi、0.01〜 0.5wt%の
Zr、0.01〜 2.0wt%のNiのうち1種又は2種以上を
含有し、残部Alと不可避不純物とからなるアルミニウ
ム合金で構成され、且つろう付加熱後における犠牲陽極
材の硬度が芯材の硬度以上であることを特徴とするもの
である。
増やして、その孔食防止効果と強度を高めると共に、犠
牲陽極材の強度が向上した分、芯材の合金元素量を減ら
し、前記合金元素が犠牲陽極材に拡散して、その孔食防
止効果を低下させるのを抑制し、更にろう付加熱後の犠
牲陽極材の硬度を芯材の硬度以上にすることにより、複
合材の耐疲労特性を改善したものである。
孔食性のバランスを考慮した場合、犠牲陽極材のSi、
Fe、Mg、Zn等の合金元素、及び芯材のSi、C
u、Mn等の合金元素のそれぞれの添加量の最適化が重
要である。又犠牲陽極材表面での微小亀裂の発生を防止
するには、犠牲陽極材の硬度は、芯材の硬度以上に高め
ることが重要なポイントになる。
材と芯材の硬度は、そのまま強度に置換えて考えてよ
い。複合材を構成する犠牲陽極材と芯材の強度を別個に
測定するのは困難な為、複合したまま測定できる硬度で
代用したに過ぎない。一般に材料の強度(引張強さ)は
その硬度に対応することが認められている。硬度は、芯
材と犠牲陽極材は厚さが薄いので、超微小硬度計(DH
v)を用いて測定するのが精度上好ましい。又硬度は、
JIS-規格に従って、各々の断面厚さ方向中央部を10点
以上測定して平均値を求めるようにする。硬度の測定値
はバラツキが大きいので、犠牲陽極材と芯材の硬度差
が、DHv(1gf)で10以内の時は、両者の硬度は
同等と判断して差支えない。現に、芯材の方が犠牲陽極
材より硬度が10程度高い場合でもブレージングシート
の耐疲労特性が改善されることが、実車走行シミュレー
ト試験において実証されている。
チューブ材として使用するが、ラジエータのヘッダー材
等、耐疲労特性と耐孔食性が要求される任意の分野に適
用して有効である。又ろう付法には、フラックスろう付
法、真空ろう付法等の任意のろう付法が適用される。ろ
う材には、例えばAl−Si系のJIS-4343(Al− 7.5
wt%Si系)合金、JIS-4045(Al−10wt%Si系)合
金、JIS-4047(Al−12wt%Si系)合金、およびJIS-
4004(Al−10wt%Si− 1.5wt%Mg系)合金、Al
−10wt%Si− 1.5wt%Mg−0.1 wt%Bi系合金等が
用いられる。この他、通常のろう材にろう付性や耐孔食
性に有効な元素を微量添加したものも適用できる。
金組成の限定理由を説明する。Znは犠牲陽極材を電気
的に卑にして芯材に対して陰極防食効果を発現させて芯
材の孔食を防止する。更にろう付加熱時に芯材に拡散し
て、芯材中のCuとの間で化合物を形成し、芯材の強度
を向上させる。その量を 3.0wt%を超え 6.0wt%以下に
限定した理由は、 3.0wt%以下では耐疲労特性や耐孔食
性の向上に効果がなく、 6.0wt%を超えると犠牲陽極材
の電位が卑になり過ぎて、犠牲陽極材の腐食量が多くな
り、腐食生成物が多量に発生して伝熱管を詰まらせる為
である。MgはZnと共存して耐孔食性を一段と高め、
又犠牲陽極材の強度を向上させる。更にろう付加熱時に
芯材中に拡散して芯材の強度も向上させる。その量を
1.5〜 2.8wt%に限定した理由は、 1.5wt%未満では耐
疲労特性及び耐孔食性の向上に効果が得られず、 2.8wt
%を超えると芯材等をクラッドする時やろう付時に、犠
牲陽極材が溶融する恐れがある為である。Siはろう付
時に固溶して犠牲陽極材の強度を向上させる。その量を
0.02〜0.15wt%に限定した理由は、0.02wt%未満では強
度向上に効果がなく、0.15wt%を超えると犠牲陽極材の
電位が貴になって孔食防止効果が低下する為である。F
eも強度向上に寄与する。その量を 0.1〜 0.4wt%に限
定した理由は、 0.1wt%未満ではその効果が得られず、
0.4wt%を超えると孔食防止効果が低下する為である。
FeはJIS-3003合金の不純物程度の量に止めるのが好ま
しい。Inは犠牲陽極材をより卑にしてその孔食防止効
果を高める。その量を 0.001〜 0.1wt%に限定した理由
は、 0.001wt%未満ではその効果がなく、0.1 wt%を超
えると電位差が必要以上に大きくなって犠牲陽極材の自
己耐食性が低下する為である。
組成の限定理由を説明する。Siはろう付時にマトリッ
クス中に固溶して強度を向上させる。その量を 0.5〜
1.2wt%に限定した理由は、 0.5wt%未満の場合その効
果が得られず、 1.2wt%を超えるとSiの単体析出量が
多くなって塑性加工性が低下し、更にはMg2Siとし
て粒界に析出して粒界腐食を惹起する為である。Cuは
芯材の強度と耐孔食性をバランスよく向上させる。その
量を 0.4〜 1.5wt%に限定した理由は、0.4wt%未満で
はその効果が得られず、 1.5wt%を超えると塑性加工性
が悪化し、又犠牲陽極材にCuが多量に拡散してその孔
食防止効果が低下する為である。Mnは強度と耐孔食性
の向上に寄与する。その量を 0.5〜 2.0wt%に限定した
理由は、 0.5wt%未満ではその効果が得られず、 2.0wt
%を超えると塑性加工性が悪化する為である。Mgは強
度と耐孔食性をバランスさせつつ粒界腐食を抑制する。
又ろう付性を向上させる。その量を 0.2wt%以下に限定
した理由は、 0.2wt%を超えるとMgがろう材に拡散し
てフラックスの弗素と反応してろう付性を低下させ、又
前述したようにSiと反応してMg2 Siとして粒界に
析出して粒界腐食を引き起こす為である。Cr、Ti、
Zrはいずれも強度向上に寄与する。特にTiは耐孔食
性の改善にも有効である。前記各々の合金元素量を0.01
〜 0.5wt%に限定した理由は、0.01wt%未満では強度向
上の効果が得られず、 0.5wt%を超えると巨大な化合物
を形成して塑性加工性を悪化させる為である。Niは強
度向上に寄与する。その量を0.01〜 2.0wt%に限定した
理由は、0.01wt%未満ではその効果が得られず、 2.0wt
%を超えると塑性加工性が低下する為である。
の硬度以上に規定したのは、犠牲陽極材の硬度を高める
ことにより犠牲陽極材表面に微小亀裂が生じ難くする為
である。本発明において、犠牲陽極材の硬度と芯材の硬
度は同程度にするのが、犠牲陽極材と芯材の双方の塑性
加工性を高度に維持できて好ましい。
ので孔食防止効果が高まる。又Znを増加させて犠牲陽
極材の強度を高めた分、芯材へのCuやSiの添加量が
低減でき、前記CuやSiが犠牲陽極材に拡散してその
孔食防止効果を低下させる弊害が除かれる。又犠牲陽極
材の硬度を芯材の硬度以上に規定したので、犠牲陽極材
に微小亀裂が発生し難くなり、薄肉化においても高い耐
疲労特性が維持される。前記耐孔食性と耐疲労特性との
向上は、犠牲陽極材のSi、Fe、Mg、Zn等の合金
元素、及び芯材のSi、Cu、Mn等の合金元素の添加
量をそれぞれ最適化することにより達成される。
る。 実施例1 表1に示した種々組成の犠牲陽極材と芯材及びJIS-4343
合金のろう材を金型に鋳造した。次に前記各々の鋳塊を
両面面削して、犠牲陽極材は10mm、ろう材は5mm、芯材
は35mmの厚さにそれぞれ仕上げた。次に犠牲陽極材、芯
材、ろう材の3枚をこの順に重ね合わせて厚さ50mmのク
ラッド材となした。ここで犠牲陽極材、芯材、ろう材の
クラッド率はそれぞれ20%、70%、10%になる。次にこ
のクラッド材を 500℃での熱間圧延と冷間圧延とを順次
施して厚さ0.35mmの板材に加工した。ここで 330℃×2
hrの中間焼鈍を入れたのち再び冷間圧延して0.25mm厚さ
の(従来品は 0.4mm厚さ)H14調質のアルミニウム合金
複合材となした。
n.加熱後、 100℃/min.の冷却速度で冷却し、その後室
温に5日間放置した後、引張強さ、硬度、耐孔食性を測
定した。硬度は、超微小硬度計(DHv、荷重は1g
f)を用い、JIS-規格に従って測定した。測定箇所は犠
牲陽極材層と芯材層の板厚方向中心部を10ケ所選び、そ
の平均値を算出した。耐孔食性は、温度90℃の水道水+
10ppm Cu++の腐食液に6ケ月間浸漬し犠牲陽極材側か
らの最大孔食深さを測定した。又ろう付性を下記方法に
より測定した。即ち、 0.1mm厚のJIS-3003合金フィン材
をコルゲート加工したものと、前記各々の複合材とを図
1に示すように組立ててコアとなした。次にこのコアを
3wt%の弗化物系フラックス水溶液中に浸漬してフラッ
クスを塗布し、 200℃で乾燥後、不活性ガス中で 600℃
×3min.保持してろう付した。ろう付性はフィンの接合
率が90%以上の時ろう付性良好(○)、90%未満の時ろ
う付性不良(×)と判定した。結果を表2に示した。
1〜9)は孔食深さが80μm以下であり、従来例品(No
14)に比べて耐孔食性に優れている。本発明例品はろう
付性も従来例品と同等のレベルを維持している。他方、
比較例品(No10〜13)は、耐孔食性が劣る。特に、比較
例品のNo10はろう付性にも劣っている。
のNo11について、シェンク式平面曲げ試験機を用い、定
歪み・片振り・周波数20Hzの条件で疲労試験を行った。
試験片には 600℃×3min.加熱後、 100℃/min.の冷却
速度で冷却し、その後室温に5日間放置したものを用い
た。結果を図2に示した。図2から明らかなように、本
発明例品のNo1、4は、繰返し数1×105 〜1×107 回
の範囲において最大応力の低下が小さい、優れた疲労特
性を示した。これに対して比較例品のNo11は、試験初期
では最大応力が高い値を示したが、繰返し数の増加と共
に最大応力が著しく低下した。これは犠牲陽極材の硬度
が低い為、犠牲陽極材表面に微小亀裂が発生し易かった
為である。
のアルミニウム複合材を用いてラジエータを作製して、
その耐孔食性を試験した。先ず、前記アルミニウム合金
複合材を、高さ 2.2mm、幅16mmの角型チューブに電縫加
工した。次に前記各々のチューブと、JIS-3003合金(芯
材)の片面にJIS-7072合金(犠牲陽極材)、他面にJIS-
4045合金(ろう材)を各々10%クラッドした厚さ 1.2mm
のブレージングシートのヘッダープレートと、Al−1
wt%Mn−1.5wt%Zn系合金をコルゲート加工した厚
さ 0.1mmのフィンとを図1に示したコアに組立てた。次
にこのコアに前処理を施したのち、露点−40℃、酸素濃
度 100ppm の窒素ガスで置換した 600℃の雰囲気炉内に
3分間保持後、炉外に取出し100℃/min.の速度で冷却
してろう付を行った。ろう付性はいずれも良好であっ
た。次にろう付後のコアの上下にパッキンを介してプラ
スチック製タンクを取付けてラジエータを作製した。前
記前処理は、コアを有機溶剤にて脱脂後、KAlF4 を
主体とする弗化物系フラックスの5wt%懸濁液を塗布
し、これを200 ℃にて加熱乾燥して行った。次に、前記
ラジエータ内部に90℃に加熱した腐食液を循環させて耐
孔食性を試験した。腐食液は水道水にCu++イオンを20
ppm 含有させたものを用いた。孔食が貫通するまでの時
間は、本発明例品(No1)のチューブ材では7000時間を
要したが、比較例品(No14)は4000時間と短かった。
複合材は、耐疲労特性及び耐孔食性に優れているので、
熱交換器用チューブ等に用いてその薄肉化が実現可能で
あり、工業上顕著な効果を奏する。
面図である。
力−繰返し数関係図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 芯材の片面にアルミニウム合金ろう材
を、他の面に犠牲陽極材をクラッドしたアルミニウム合
金複合材において、犠牲陽極材が0.02〜0.15wt%のS
i、0.1 〜 0.4wt%のFe、 1.5〜 2.8wt%のMg、
3.0wt%を超え 6.0wt%以下のZn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で構成され、
芯材が 0.5〜 1.2wt%のSi、 0.4〜 1.5wt%のCu、
0.5〜 2.0wt%のMnを含有し、残部Alと不可避不純
物とからなるアルミニウム合金で構成され、且つろう付
加熱後における犠牲陽極材の硬度が芯材の硬度以上であ
る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】 芯材の片面にアルミニウム合金ろう材
を、他の面に犠牲陽極材をクラッドしたアルミニウム合
金複合材において、犠牲陽極材が0.02〜0.15wt%のS
i、 0.1〜 0.4wt%のFe、 1.5〜 2.8wt%のMg、
3.0wt%を超え 6.0wt%以下のZn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で構成され、
芯材が 0.5〜 1.2wt%のSi、 0.4〜 1.5wt%のCu、
0.5〜 2.0wt%のMnを含有し、更に 0.2wt%以下のM
g、0.01〜 0.5wt%のCr、0.01〜 0.5wt%のTi、0.
01〜 0.5wt%のZr、0.01〜 2.0wt%のNiのうち1種
又は2種以上を含有し、残部Alと不可避不純物とから
なるアルミニウム合金で構成され、且つろう付加熱後に
おける犠牲陽極材の硬度が芯材の硬度以上であることを
特徴とする熱交換器用アルミニウム合金複合材。 - 【請求項3】 芯材の片面にアルミニウム合金ろう材
を、他の面に犠牲陽極材をクラッドしたアルミニウム合
金複合材において、犠牲陽極材が0.02〜0.15wt%のS
i、0.1 〜 0.4wt%のFe、 1.5〜 2.8wt%のMg、
3.0wt%を超え 6.0wt%以下のZn、0.001 〜0.1 wt%
のInを含有し、残部Alと不可避不純物からなるアル
ミニウム合金で構成され、芯材が 0.5〜 1.2wt%のS
i、 0.4〜 1.5wt%のCu、 0.5〜 2.0wt%のMnを含
有し、残部Alと不可避不純物とからなるアルミニウム
合金で構成され、且つろう付加熱後における犠牲陽極材
の硬度が芯材の硬度以上である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4】 芯材の片面にアルミニウム合金ろう材
を、他の面に犠牲陽極材をクラッドしたアルミニウム合
金複合材において、犠牲陽極材が0.02〜0.15wt%のS
i、0.1 〜 0.4wt%のFe、 1.5〜 2.8wt%のMg、
3.0wt%を超え 6.0wt%以下のZn、0.001 〜0.1 wt%
のInを含有し、残部Alと不可避不純物からなるアル
ミニウム合金で構成され、芯材が 0.5〜 1.2wt%のS
i、 0.4〜 1.5wt%のCu、 0.5〜 2.0wt%のMnを含
有し、更に 0.2wt%以下のMg、0.01〜0.5wt%のC
r、0.01〜 0.5wt%のTi、0.01〜 0.5wt%のZr、0.
01〜 2.0wt%のNiのうち1種又は2種以上を含有し、
残部Alと不可避不純物とからなるアルミニウム合金で
構成され、且つろう付加熱後における犠牲陽極材の硬度
が芯材の硬度以上であることを特徴とする熱交換器用ア
ルミニウム合金複合材。
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JP22657893A JP3337771B2 (ja) | 1993-08-18 | 1993-08-18 | 熱交換器用アルミニウム合金複合材 |
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