JP3407965B2 - アルミニウム合金フィン材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度で熱伝導性に優
れたアルミニウム合金フィン材に関するものであり、さ
らに詳しくは、ろう付法によって製造される熱交換器の
ラジエーター、ヒーター、コンデンサー等のフィン材と
して使用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用ラジエーター等の熱交換器は、
例えば図１に示すように複数本の偏平チューブ１の間に
コルゲート状に加工した薄肉フィン２を一体に形成し、
該偏平チューブ１の両端はヘッダー３とタンク４とで構
成される空間にそれぞれ開口しており、一方のタンク側
の空間から偏平チューブ１内を通して高温冷媒を他方の
タンク（図示せず）側の空間に送り、チューブ１および
フィン２の部分で熱交換して低温になった冷媒を再び循
環させるものである。そして前記熱交換器部材の多く
は、Ａｌ又はＡｌ合金により構成されており、ろう付法
により組付けられている。ろう付には通常Ａｌ−Ｓｉ系
のろう材が用いられ、 600℃程度の高温でろう付され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、熱交
換器は軽量・小型化の方向にあり、その一環として熱交
換器のフィンの薄肉化が進められている。フィンを薄肉
化する場合、フィンの強度が十分でないと熱交換器の組
付け時にフィンが潰れたり、熱交換器として使用時に破
壊してしまうという問題がある。従ってフィンを薄肉化
するにはフィン材の強度を、熱伝導性を低下させずに向
上させる必要がある。そこで合金成分を純Ａｌに近づけ
た純Ａｌ系合金がいくつか提案されたが、いずれも強度
が不足した。又Mn等の合金元素を添加して析出強化した
フィン材は、熱交換器に組付けるブレージング（ろう付
け）時の加熱によりMn等の合金元素が再固溶し熱伝導性
が低下した。このように熱伝導性を低下させずに強度を
向上させたフィン材はいまだ開発されていなかった。

【０００４】

【課題を解決するための手段および作用】本発明はこれ
に鑑みなされたもので、高強度で熱伝導性に優れたアル
ミニウム合金フィン材を提供することを目的とする。即
ち、請求項１の発明は、0.1wt%を超え1.5wt%以下のSi、
0.5wt%を超え2.0wt%以下のFe、0.1wt%を超え2.0wt%以下
のNi、 0.03wt%を超え0.8wt%以下のCuを含有し、さらに
4.0wt%以下のZn、0.3wt%以下のIn、0.3wt%以下のSnのう
ち１種または２種以上を含有し、残部アルミニウムおよ
び不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウ
ム合金フィン材である。

【０００５】又請求項２の発明は、0.1wt%を超え1.5wt%
以下のSi、0.5wt%を超え2.0wt%以下のFe、0.1wt%を超え
2.0wt%以下のNi、 0.03wt%を超え0.8wt%以下のCu、 0.0
1wt%を超え0.2wt%以下のZrを含有し、さらに4.0wt%以下
のZn、0.3wt%以下のIn、0.3wt%以下のSnのうち１種また
は２種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的
不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金フィ
ン材である。

【０００６】以下に、本発明フィン材の添加元素の役割
および合金組成の限定理由について説明する。Siは、そ
の添加により強度を向上させる。Siそのものが固溶硬化
して強度を向上させるに加え、Siは、特にFeやNiと共存
する場合、FeやNiの析出を促進させる作用を有するた
め、分散強化に寄与する金属間化合物を増やし、強度を
向上させる。その量が0.1wt%以下では上記効果が十分で
なく、1.5wt%を超えると熱伝導性が低下する。従ってSi
は0.1wt%を超え1.5wt%以下とするが、ろう付加熱後の強
度と熱伝導性とのバランスを考えると、特に 0.3〜1.2w
t%の添加量において安定した特性を示す。

【０００７】Feは合金中に一定量固溶し、残りは金属間
化合物として析出する。固溶したものは強度を向上させ
るが、熱伝導性を大きく低下させる。析出したものは分
散強化により僅かに強度を向上させるが、Siと金属間化
合物を形成してSiの強度向上効果を減じる。Feの添加量
は0.5wt%以下では強度向上効果が十分でなく、2.0wt%を
超えるとフィンの結晶粒径が微細になりすぎ、フィンに
ろうが拡散してろう付中に潰れてしまう。従ってFeの添
加量は0.5wt%を超え2.0wt%以下とするが、ろう付加熱後
の強度とろう拡散性とのバランスを考えると、特に0.6
〜1.5wt%の添加量において安定した特性を示す。

【０００８】Niは、本発明者らが鋭意検討を行った結
果、熱伝導性を低下させることなく強度を向上させ得る
有効な元素であることを見いだしたもので、本発明にお
ける重要な添加元素である。即ち、Niは固溶硬化により
強度を向上させ、同時にNiの固溶量に相当するFeの固溶
量を減少させる作用を有する。ここでFeとNiでは固溶に
よる強度向上効果はほぼ同じであるが熱伝導性の低下は
Niの方が格段に小さい。そのためFeを含有した合金にNi
を添加すると、熱伝導性の低下をより小さく抑えて強度
向上が計れるのである。Niの添加量は0.1wt%以下ではそ
の効果が十分に得られず、2.0wt%を超えると成形性が低
下してフィンのコルゲート成形が困難になる。従ってNi
の添加量は0.1wt%を超え2.0wt%以下とするが、ろう付加
熱後の強度と熱伝導性とのバランスを考えると、特に
0.2〜1.2wt%の添加量において安定した特性を示す。

【０００９】ところで、特開昭57-60046号の発明に、純
アルミニウムにNiを添加した熱交換器用合金が開示され
ている。しかしながら、この熱交換器用合金は、耐食性
と垂下性を向上させたもので、フィン材に必要な犠牲陽
極効果（耐食性を悪くする）や熱伝導性に関する記載が
ない点、又実施例に示されている板厚がフィン材と比較
して非常に厚い点から、冷媒通路構成部材を対象として
おり、フィン材への適用を意図していないことが明らか
である。さらに、前記特開昭57-60046号の発明には、熱
伝導性に優れたフィン材としての考え方や、本発明の根
幹となるFe量とNi量との関係を捉えた合金開発の考え方
は一切記載されていない。このように、特開昭57-60046
号の発明と本発明とは用途および考え方が全く異なる。
さらにSiおよびFeについては、特開昭57-60046号の発明
ではこれら元素を不純物と考えているのに対し、本発明
ではSiおよびFeを合金元素として添加しており、特にFe
は多量に添加しており、これら元素の効果を積極的に活
用するものである。

【００１０】さらに、本発明合金では 0.03wt%を超え0.
8wt%以下のCuと、4.0wt%以下のZn、0.3wt%以下のIn、0.
3wt%以下のSnのうち１種または２種以上を添加する。こ
こでCuは固溶硬化によりフィンの強度を向上させる元素
である。Cuは添加量を増すと強度が向上するというメリ
ットがあるが、熱伝導性を低下させる。しかしCuを添加
したことによる強度向上と熱伝導性の低下とを比較する
と前者の方が大きい。又Cuはフィン材の電位を貴にし、
犠牲陽極効果を低下させるものである。Cuの添加量は
0.03wt%以下では強度向上に十分な効果が得られず、0.8
wt%を超えるとフィン材の電位が貴になりすぎてしま
う。従ってCuの添加量は 0.03wt%を超え0.8wt%以下とす
るが、ろう付加熱後の強度と熱伝導性とのバランスを考
えると、特に0.05〜0.5wt%の添加量において安定した特
性を示す。

【００１１】前述のように、Cuはフィンの電位を貴に
し、犠牲陽極効果を低下させる。これを改善するため
に、4.0wt%以下のZn、0.3wt%以下のIn、0.3wt%以下のSn
のうち１種または２種以上を添加する。これらの合金元
素は、フィン材に犠牲陽極効果を付与するために添加さ
れるものであり、それぞれ上記量を超えて添加した場
合、熱伝導性が低下する。

【００１２】請求項２発明の合金は、請求項１発明の合
金に 0.01wt%を超え0.2wt%以下のZrを添加したものであ
る。Zrはろう付時に生じる再結晶粒を粗大化させてフィ
ンの垂下性を改善する。又フィンへのろうの拡散を防止
する。本合金はFeを比較的多量に含有しているため、再
結晶粒が細かくなることがあるが、このような場合にZr
を添加するとよい。その添加量は0.01wt% 以下ではその
効果が十分に得られない。又発明者らが調べたところで
は、Zrは強度向上にはほとんど寄与せず、熱伝導性を低
下させる。そのためZrの上限は0.2wt%と低く限定した。

【００１３】さて、本合金の不可避的不純物および上記
以外の理由で添加される元素としては、先ず鋳塊組織の
微細化のために添加されるTiやB 等がある。これらの元
素はそれぞれ 0.03wt%以下であれば添加されていても差
し支えない。又Mn、Mg、Na、Cd、Pb、Bi、Ca、Li、Cr、
K 、V 等の元素が強度向上、鋳塊割れ防止、成形性向上
等を目的として添加される場合は、これら元素の添加量
は、それぞれ 0.03wt%以下を必須条件とする。その理由
はこれら元素はいずれも熱伝導性を低下させるためであ
る。又Coを添加する場合は、その添加量は0.5wt%以下と
する。その理由はCoはNiと同じように固溶しているFeと
置き替わるが、固溶Coは、熱伝導性を固溶Feと同程度に
大きく低下させるためである。

【００１４】本発明フィン材はベア材として用いること
も、又ブレージングシートフィンの芯材として用いるこ
とも可能である。後者の場合のろう材には従来より使用
されているろう合金（JIS-Z-3263に規定されているろう
合金やAl-6〜12wt%Si- 0.1〜4.0wt%Cu-0.1〜6.0wt%Zn合
金等の低融点ろう合金) をそのまま使用できる。本発明
のフィン材を用いる熱交換器は、自動車用のラジエータ
ー、コンデンサー、エバポレーター、オイルクーラー等
を挙げることができるが、これに限定するものではな
い。又本発明のフィン材をろう付する方法には、従来の
非腐食性フラックスろう付法、フラックスろう付法、真
空ろう付法等いずれもが適用可能である。本発明のフィ
ン材は半連続鋳造により鋳塊を製造し、熱間圧延、冷間
圧延・焼鈍の工程でも、又連続鋳造圧延、冷間圧延・焼
鈍の工程でも製造可能である。

【００１５】

【実施例】以下に本発明を実施例により具体的に説明す
る。表１に示す組成のアルミニウム合金フィン材（ベア
フィン材、板厚60μｍ、Ｈ14調質）および表１に示す組
成のアルミニウム合金を芯材としその両面に表２に示す
組成のろう合金を10％クラッドしたブレージングシート
フィン材（板厚120μｍ、Ｈ14調質）を常法により作製
した。芯材とろう材の組合わせは種々に変えた。ベアフ
ィン材についてろう付加熱後の引張強さと導電率を測定
し、又5%NaCl溶液中で飽和カロメル電極を用い自然電位
を測定した。ブレージングシートフィン材についてはろ
う付加熱後の引張強さを測定した。導電率と自然電位は
測定しなかった。その理由は、ろう材が存在するため測
定値のばらつきが大きいことと、ベアフィンの測定値を
代用して評価が可能なためである。ろう付加熱の条件は
窒素ガス中又は真空中で 600℃×５分とした。結果を表
３に示した。ここで、導電率は熱伝導性の指標であり、
フィンの導電率が５％ＩＡＣＳ向上すると熱交換器の熱
効率は１％程度向上する。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】

【表３】

【００１９】表３より明らかなように、本発明のフィン
材（No.1〜19）は、いずれも引張強さ、導電率、自然電
位に優れた値を示した。これに対し、従来例のNo.20 は
熱伝導フィンとして使用されているAl−Zr系合金である
が、CuとNiが添加されていないため引張強さが低く、又
No.21は3003合金にZnを添加した合金として広く使用さ
れているフィン材であるが、Niが添加されず、Mnが添加
されているために、引張強さと導電率がともに低下し
た。比較例のNo.22 はFeが少なかったため引張強さが低
く、No.23 はCuが多すぎたため、導電率と自然電位が低
下した。又No.24,25はZn、In、Snのいずれも添加しなか
ったため自然電位が低下した。No.25 はFeが少なかった
ため引張強さも低下した。No.26 はCuとFeを添加しなか
ったため導電率は向上したものの引張強さが低下した。

【００２０】

【効果】以上述べたように、本発明のフィン材は高強度
で熱伝導性に優れ、且つ十分な犠牲陽極効果を有してお
り、工業上顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ラジエーターを示す一部断面の斜視図である。

【符号の説明】

１ 偏平チューブ ２ フィン ３ ヘッダー ４ タンク

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 0.1wt%を超え1.5wt%以下のSi、0.5wt%を
   超え2.0wt%以下のFe、0.1wt%を超え2.0wt%以下のNi、
   0.03wt%を超え0.8wt%以下のCuを含有し、さらに4.0wt%
   以下のZn、0.3wt%以下のIn、0.3wt%以下のSnのうち１種
   または２種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可
   避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金
   フィン材。
2. 【請求項２】 0.1wt%を超え1.5wt%以下のSi、0.5wt%を
   超え2.0wt%以下のFe、0.1wt%を超え2.0wt%以下のNi、
   0.03wt%を超え0.8wt%以下のCu、 0.01wt%を超え0.2wt%
   以下のZrを含有し、さらに4.0wt%以下のZn、0.3wt%以下
   のIn、0.3wt%以下のSnのうち１種または２種以上を含有
   し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるこ
   とを特徴とするアルミニウム合金フィン材。