JP3521105B2 - 熱交換器フィン用アルミニウム合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、犠牲防食効果と耐
粒界腐食性に優れた熱交換器フィン用高強度アルミニウ
ム合金に関するものであり、さらに詳しくは、特にろう
付法によって製造される自動車用熱交換器であるラジエ
ーター、ヒーター、コンデンサー等のフィンとして使用
されるアルミニウム合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用熱交換器の多くはＡｌおよびＡ
ｌ合金が使用されており、それらはろう付法により製造
されている。通常ろう付はＡｌ−Ｓｉ系のろう材が使用
され、そのためろう付は５８０〜６１０℃の高温で行わ
れる。

【０００３】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（４）側の空間に送り、その間
に偏平チューブ（１）および薄肉フィン（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。

【０００４】ところで、近年、熱交換器は軽量・小型化
の方向にあり、熱交換器用の材料の薄肉化が望まれてい
る。そのためには材料強度の向上と熱交換器の熱効率の
確保が必要である。さらに、偏平チューブ（以下チュー
ブと略す）の外側腐食環境に対する耐食性（外部耐食
性）を確保するために、ろう付された薄肉フィン側に十
分な犠牲防食機能が要求される。

【０００５】このような要求に対し、発明者らはこれま
でにＪＩＳ３００３合金（Ａｌ−０．１５wt％Ｃｕ−
１．１wt％Ｍｎ）にＣｕ，Ｚｎ等を添加した合金を開発
してきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなフ
ィン薄肉高強度化に伴う上記Ｃｕ，Ｚｎ等の元素添加に
より、新たな問題が出てきたのである。フィン強度とチ
ューブの外部耐食性のバランス、さらにはフィン自身の
自己腐食性において、従来技術では一部問題が残されて
いたのである。これら問題点を以下に述べる。

【０００７】 従来技術では、フィンの自己腐食が激
しく、チューブ外部耐食性が劣化、貫通孔を引き起こす
恐れがある。 また、従来技術では、Ｃｕ量は強度向上のために規
定してあり、さらにＺｎ量は、Ｃｕ添加に伴う電位の貴
化を抑制する、すなわち熱交換器フィン用合金として犠
牲防食機能を確保するために所望の範囲を規定してい
る。しかし、これまでの開発で規定しているＣｕ，Ｚｎ
量の範囲の中には、本用途のフィンとして使用した場合
にフィンの自己腐食溶解を増大させ、従来技術では予想
不可能な問題を起こす恐れがあることを見出したのであ
る。具体的には、熱交換器が湿潤−乾燥を繰り返すよう
な外側腐食環境において、フィン自身が粒界に沿って優
先腐食する（粒界腐食）現象である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者らは、鋭意検討を
行った結果、強度向上および犠牲防食としてＳｉ，Ｃ
ｕ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｚｎ等を添加した合金においては、Ｃ
ｕとＺｎ量のバランスが、犠牲防食機能と粒界腐食に大
きく影響することを見出したのである。つまりこれら元
素量の規定と同時にＣｕとＺｎ量のバランスを規定する
ことにより強度を向上させながら、犠牲防食機能および
耐粒界腐食性に優れた熱交換器フィン用合金を提供でき
るのである。

【０００９】即ち本発明の第１のフィン用アルミニウム
合金は、Ｃｕ：０．１０〜０．２５wt％（以下wt％を％
と略記する）、Ｚｎ：２．０〜３．５％、Ｓｉ：０．６
〜１．５％及びＭｎ：０．５〜２．０％を含有し、残部
Ａｌと不可避的不純物とからなり、さらにＣｕ含有量
（％）を［Ｃｕ］、Ｚｎ含有量（％）を［Ｚｎ］とした
ときに［Ｃｕ］と［Ｚｎ］との関係が、０．１０≦［Ｃ
ｕ］≦０．１５の場合（［Ｚｎ］−２）／［Ｃｕ］≦８
且つ０．１５＜［Ｃｕ］≦０．２５の場合（［Ｚｎ］−
３）／［Ｃｕ］≦４／３であることを特徴とするもので
ある。

【００１０】また本発明の第２のフィン用アルミニウム
合金は、Ｃｕ：０．１０〜０．２５％、Ｚｎ：２．０〜
３．５％、Ｓｉ：０．６〜１．５％及びＭｎ：０．５〜
２．０％を含有し、さらにＮｉ：０．０２〜０．３２
％、Ｃｒ：０．０３〜０．３％、Ｚｒ：０．０３〜０．
３％、Ｉｎ：０．００１〜０．１％、Ｓｎ：０．００１
〜０．１％のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ
と不可避的不純物とからなり、さらにＣｕ含有量（％）
を［Ｃｕ］、Ｚｎ含有量（％）を［Ｚｎ］としたときに
［Ｃｕ］と［Ｚｎ］との関係が、０．１０≦［Ｃｕ］≦
０．１５の場合（［Ｚｎ］−２）／［Ｃｕ］≦８且つ
０．１５＜［Ｃｕ］≦０．２５の場合（［Ｚｎ］−３）
／［Ｃｕ］≦４／３であることを特徴とするものであ
る。

【００１１】本発明合金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。Ｃｕはその添加により
合金の強度を向上させる。Ｃｕが０．１０％未満ではそ
の効果が十分でなく、０．２５％を越えるとフィンとし
ての自己耐食性が劣化し、犠牲防食効果が十分に発揮で
きなくなるのである。また合金の融点も低下するという
問題も起きてくる。従って、Ｃｕは０．１０〜０．２５
％とする。

【００１２】Ｚｎは、Ｃｕ添加に伴う合金の電位貴化を
抑制する、すなわちフィン材の電位を下げ、ろう付され
た相手部材、例えばチューブ材に対して犠牲防食効果を
持たせることができる。Ｚｎが２．０％未満ではその効
果が十分でなく、３．５％を越えると犠牲腐食が強く働
きすぎて長期間にわたり防食効果を継続させることが困
難となる問題が生じる。従って、Ｚｎは２．０〜３．５
％とする。

【００１３】Ｓｉはその添加により合金の強度を向上さ
せる。特にＦｅやＮｉと共存する場合、ＦｅやＮｉの析
出を促進す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。さらに、Ｆｅ
やＮｉの析出を促進することで合金中に固溶しているＦ
ｅおよびＮｉの固溶量を減らすので、熱伝導性を向上さ
せる。Ｓｉが０．６％未満では上記強度向上の効果が十
分でなく、１．５％を越えると析出促進効果は変わら
ず、合金の融点が下がり、ろう付加熱中にフィンの溶融
が生じる。従って、Ｓｉは０．６〜１．５％とする。

【００１４】Ｍｎはその添加により合金の強度を向上さ
せる。Ｍｎが０．５％未満ではその効果が十分でなく、
２．０％を越えると材料の成形性が低下し、フィンのコ
ルゲート成形ができなくなるのである。従ってＭｎは
０．５〜２．０％とする。

【００１５】ＮｉはＡｌ−Ｎｉ系析出物として分布し、
分散強化の形態で合金の強度向上に寄与する。仮に、Ｎ
ｉを強度向上の目的で添加する場合、０．０２％未満で
はその効果が十分でなく、０．３２％を越えると強度は
さらに向上していくが、その反面、フィンの自己腐食が
激しくなり、チューブを犠牲防食する効果が激減して防
食上の大きな問題が発生するのである。したがって、Ｎ
ｉを添加するにあたっては、０．０２〜０．３２％とす
る。

【００１６】ＣｒおよびＺｒは合金の強度向上に寄与す
る。その添加量が各々０．０３％未満では効果が十分で
なく、０．３％を越えると鋳造時に鋳塊割れを起こした
り、圧延時にコバ割れを生じたりし易く、製造上問題が
出てくる。従ってＣｒ，Ｚｒを添加する場合には各々
０．０３〜０．３％とする。

【００１７】ＩｎおよびＳｎはＺｎとともに電位を卑化
し、犠牲防食能を向上させる働きがある。各々０．００
１％未満ではその効果が十分でなく、０．１％を越える
と成形性が低下、すなわち、フィンのコルゲート加工性
が低下するなどの問題が発生する。したがってＩｎおよ
びＳｎは各々０．００１〜０．１％とする。

【００１８】本発明においては、さらにＣｕとＺｎの含
有量の関係を次式で規定している。即ちＣｕ含有量
（％）を［Ｃｕ］，Ｚｎ含有量（％）を［Ｚｎ］とした
ときに、０．１０≦［Ｃｕ］≦０．１５の場合（［Ｚ
ｎ］−２）／［Ｃｕ］≦８且つ０．１５＜［Ｃｕ］≦
０．２５の場合（［Ｚｎ］−３）／［Ｃｕ］≦４／３で
ある。従って前記のＣｕとＺｎのそれぞれの含有量の許
容範囲、０．１０≦［Ｃｕ］≦０．２５と２．０≦［Ｚ
ｎ］≦３．５をも考慮したＣｕとＺｎの本発明で規定す
る含有範囲は図２で示す実線で囲まれた領域となる。

【００１９】そして上記の関係式を満たさない場合、す
なわち、（［Ｚｎ］（％）−２）／［Ｃｕ］の値が８を
越え、または（［Ｚｎ］（％）−３）／［Ｃｕ］の値が
４／３を越えた場合、合金の電位は卑化し、フィンとし
ての犠牲防食能は実際の腐食環境の初期では見掛け上備
わっているように見えるが、フィン自身の粒界腐食感受
性が非常に高くなり、粒界腐食を起こしやすくなること
から、腐食環境中の経時変化を伴うにつれて、粒界腐食
によるフィンの分断欠落が生じ、いずれは十分な犠牲防
食ができなくなる箇所がチューブに発生する。そして当
然その部分のチューブには深い孔食が発生するという問
題が出てくるのである。

【００２０】なお［Ｃｕ］＝０．１５を境界としてＺｎ
含有量［Ｚｎ］の領域を［Ｃｕ］≦０．１５の場合に
［Ｚｎ］≦８［Ｃｕ］＋２で規定される領域と、０．１
５＜［Ｃｕ］の場合に［Ｚｎ］≦４／３［Ｃｕ］＋３で
規定される領域に分けるのは、Ｚｎ含有量が増加すると
電位は卑化し、犠牲防食効果は認められるものの腐食形
態は層状腐食的に変化する。そしてＺｎ含有量が範囲内
であっても上限に近い場合、ＣｕとＺｎの相乗効果によ
り粒界割れ感受性が変化し、Ｃｕ量が０．１５％より少
ないときには、Ｚｎ含有量をより一層低減させる必要が
あることを実験により確認し、図２の領域を確定した。

【００２１】本発明合金において、上記の元素の他に強
度、垂下性向上を目的として、Ｔｉ，Ｖ，Ｂｅを各々
０．００１〜０．３％添加してもよい。また、犠牲防食
能、自己腐食能向上として、Ｇａ，Ｇｅを各々０．００
１〜０．３％添加しても差し支えない。

【００２２】本発明合金からなるフィン材を用いる熱交
換器は、自動車用ラジエーター、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出来るが、
これらに限定するものではない。また、本発明合金から
なるフィン材をろう付する方法は従来より行われている
非腐食性フラックスろう付、フラックスろう付、真空ろ
う付、いずれでも可能である。

【００２３】本発明合金からなるフィン材製造は、半連
続鋳造法により鋳塊を製造し、熱間圧延、冷間圧延、焼
鈍の工程で製造可能であり、また、連続鋳造圧延（キャ
スター圧延）、冷間圧延、焼鈍の工程でも製造可能であ
る。また、ベアフィンとして製造可能であるだけでな
く、芯材の両面にろう材をクラッドしたブレージングシ
ートとしても製造できるのである。

【００２４】

【実施例】以下に実施例により本発明を具体的に説明す
る。表１に示す合金組成のアルミニウム合金ベアフィン
材（板厚７０μm ）を以下工程で作製した。水冷半連続
鋳造法により鋳塊を作製し、その後５００℃×３ｈｒの
均質化処理を行い、４６０℃で熱間圧延を開始した。熱
延後、冷間圧延を行い、板厚０．１mmで中間焼鈍を３７
０℃×２ｈｒ施した。その後冷間圧延を行い、板厚７０
μmに仕上げた。

【００２５】

【表１】

【００２６】これらフィン材をＮ₂ ガス中で６００℃×
３分のろう付加熱を施した。ろう付加熱後３０日放置後
の強度と、簡易コアでの外部腐食試験としてチューブ外
側の最大孔食深さを測定した結果と、アノード溶解試験
として粒界腐食感受性の測定結果を表２に示す。これら
試験によりフィンの犠牲防食効果を判定した。

【００２７】複合サイクル腐食試験は塩水噴霧４．０ｈ
ｒ→湿潤（湿度９５％，４０℃）１０ｈｒ→乾燥（３５
℃）２．０ｈｒを１サイクルとし、１２０サイクルでの
チューブ最大孔食深さを測定評価した。最大孔食深さが
１００μm 以下であれば耐食性は問題なしと判定した。
外部腐食試験に供する簡易コアとしては、チューブ（板
厚０．３０mmの電縫管、ろう材はＪＩＳ４３４３（Ａｌ
−７．５％Ｓｉ）で１０％クラッド、芯材はＡｌ−０．
５％Ｓｉ−０．２５％Ｆｅ−０．５％Ｃｕ−１．１％Ｍ
ｎ，犠牲材はＡｌ−１．０％Ｍｇ−１．０％Ｚｎで１０
％クラッド）として長さ７０mm、巾１６mmのものと、表
１に示す合金からなるフィン材のコルゲート加工したも
のを、５段に積み重ねたものを用いた。フィンの粒界腐
食感受性を判定する評価方法として、表１に示すろう付
加熱後のフィン材を３．５％ＮａＣｌ液で０．５mA／cm
² ×１ｈｒのアノード溶解試験を行い、フィン断面から
の観察により、溶解形態を粒界腐食軽微、粒界腐食
顕著の２通りで層別評価した。

【００２８】

【表２】

【００２９】本発明例の合金 No.１〜２１はろう付加熱
後の強度を確保しながら、外部耐食性、耐粒界腐食性に
優れた結果となっている。これに対し、比較例合金 No.
２２〜２５は耐食性、耐粒界腐食性の点で問題がある。
例えば、比較例合金 No.２２では、ＣｕとＺｎの関係を
規定した式を満足するため、粒界腐食は問題ないが、Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｎｉ量が本発明規定範囲から外れているた
め、外部耐食性についてはチューブに貫通孔が発生して
いる。また、比較例合金 No.２３，２４については、各
々の元素は本発明規定範囲内にあるため、外部耐食性は
本発明合金と同レベルで問題ないが、ＣｕとＺｎの関係
を規定した式を満足しないため、粒界腐食が顕著に起こ
っており、総合判断では悪い。また、比較例合金 No.２
５についても各々の元素は本発明規定範囲内にあるが、
ＣｕとＺｎの関係を規定した式を満足しないため、粒界
腐食が顕著に起こっており、実際にコアを外部環境で腐
食試験していくと、試験中ある時期からフィンの粒界腐
食に伴うフィン分断欠落が生じ、近傍のチューブに深い
孔食成長が認められ、結果として耐食性は悪くなってい
る。

【００３０】なお、本発明例合金 No.２と比較例合金 N
o.２５からなるフィン材を用いたそれぞれの簡易コアに
ついて、チューブ外側の最大孔食断面形態をそれぞれ拡
大して顕微鏡写真撮影したものを図３及び図４に示し
た。また同様のフィン材のアノード溶解による粒界腐食
感受性試験におけるフィン断面の拡大顕微鏡写真を図５
及び図６に示した。

【００３１】

【発明の効果】以上の実施例の結果から、本発明で規定
した元素が各々規定した範囲内にあるだけでは犠牲防食
能と耐粒界腐食性の両者に優れたフィン材を提供するこ
とは困難であり、元素量規定とともに、ＣｕとＺｎの添
加量が本発明で規定した式を満足することがこれら特性
を向上させるには必要不可欠であることがわかる。従っ
て本発明によれば耐食性に優れた高強度のアルミニウム
合金製熱交換器が得られる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ラジエーターを示す一部切欠いた斜視図であ
る。

【図２】本発明で規定するＣｕとＺｎの含有領域を示す
線図である。

【図３】本発明例合金 No.２からなるフィン材を用いた
簡易コアのチューブ外側の最大孔食断面形態を示す金属
組織写真である。

【図４】比較例合金 No.２５からなるフィン材を用いた
簡易コアの同様の金属組織写真である。

【図５】本発明例合金 No.２からなるフィン材のアノー
ド溶解による粒界腐食感受性試験でのフィン断面の溶解
形態を示す金属組織写真である。

【図６】比較例合金 No.２５からなるフィン材のアノー
ド溶解による粒界腐食感受性試験での同様の金属組織写
真である。

【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

フロントページの続き (72)発明者 柴田 宣行 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古河電気工業株式会社内 (72)発明者 北村 久明 神奈川県秦野市曽屋937番地 東洋ラジ エーター株式会社内 (72)発明者 吉田 洋一郎 神奈川県秦野市曽屋937番地 東洋ラジ エーター株式会社内 (72)発明者 飯塚 貢 神奈川県秦野市曽屋937番地 東洋ラジ エーター株式会社内 (72)発明者 太田 博己 神奈川県秦野市曽屋937番地 東洋ラジ エーター株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−158850（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−174344（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−90444（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−143998（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−305306（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 21/00 - 21/18

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｕ：０．１０〜０．２５wt％（以下wt
   ％を％と略記する）、Ｚｎ：２．０〜３．５％、Ｓｉ：
   ０．６〜１．５％及びＭｎ：０．５〜２．０％を含有
   し、残部Ａｌと不可避的不純物とからなり、さらにＣｕ
   含有量（％）を［Ｃｕ］、Ｚｎ含有量（％）を［Ｚｎ］
   としたときに［Ｃｕ］と［Ｚｎ］との関係が、０．１０
   ≦［Ｃｕ］≦０．１５の場合（［Ｚｎ］−２）／［Ｃ
   ｕ］≦８且つ０．１５＜［Ｃｕ］≦０．２５の場合
   （［Ｚｎ］−３）／［Ｃｕ］≦４／３であることを特徴
   とする熱交換器フィン用アルミニウム合金。
2. 【請求項２】 Ｃｕ：０．１０〜０．２５wt％（以下wt
   ％を％と略記する）、Ｚｎ：２．０〜３．５％、Ｓｉ：
   ０．６〜１．５％及びＭｎ：０．５〜２．０％を含有
   し、さらにＮｉ：０．０２〜０．３２％、Ｃｒ：０．０
   ３〜０．３％、Ｚｒ：０．０３〜０．３％、Ｉｎ：０．
   ００１〜０．１％、Ｓｎ：０．００１〜０．１％のうち
   １種又は２種以上を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物
   とからなり、さらにＣｕ含有量（％）を［Ｃｕ］、Ｚｎ
   含有量（％）を［Ｚｎ］としたときに［Ｃｕ］と［Ｚ
   ｎ］との関係が、０．１０≦［Ｃｕ］≦０．１５の場合
   （［Ｚｎ］−２）／［Ｃｕ］≦８且つ０．１５＜［Ｃ
   ｕ］≦０．２５の場合（［Ｚｎ］−３）／［Ｃｕ］≦４
   ／３であることを特徴とする熱交換器フィン用アルミニ
   ウム合金。