JP3823218B2 - 高強度高熱伝導アルミニウム合金材及びその製造方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、ろう付けにより製造される自動車用の熱交換器であるラジエータ、ヒータ、コンデンサ及びエバポレータ等のフィン材として使用される高強度高熱伝導アルミニウム合金材及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車用の熱交換器である、例えばラジエータは、アルミニウム合金製の偏平チューブとコルゲート成形されたフィン材とを交互に重ね合わせ、一体ろう付けにより製造される。また、近時、地球環境保護の観点から、熱交換器も軽量化、高性能化及び小型化が要求される方向にあり、熱交換器に使用される材料も薄肉化が推進されている。また、フィン材には、高強度高熱伝導性が要求されている。
【0003】
従来、高強度アルミニウム合金製フィン材としては、Al−Mn系合金材及びAl−Mn−Si系合金材が提案されている。しかし、これらのアルミニウム合金材はMnの固溶度が高く、Mnは導電率を大きく低下させるので、アルミニウム合金材の熱伝導性が低くなる。このため、断面積を多くとって導電性を確保する必要があり、薄肉化には限界がある。そこで、熱伝導性を向上させるため、Mnを含まないAl−Fe系合金材及びAl−Fe−Si−Ni系合金材が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のAl−Fe系合金材及びAl−Fe−Si−Ni系合金材は強度が低く、要求される強度を得るためには所定の板厚が必要であり、薄肉化には限界があるという問題点がある。このように、強度及び熱伝導性について要求する性能を満足するフィン材は作製が困難であるという問題点がある。
【0005】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、強度及び熱伝導性が共に優れた高強度高熱伝導アルミニウム合金材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高強度高熱伝導アルミニウム合金材は、Fe:2.0乃至3.0質量%、Si:0.5乃至1.5質量%及びNi:0.5乃至1.0質量%を含有し、残部がAl及び不可避的不純物であり、母相に対する第2相粒子が存在し、粒径が5μm以下の第2相粒子の密度が5×10 6 個/mm 2 以上であることを特徴とする。
【0007】
本発明に係る他の高強度高熱伝導アルミニウム合金材は、Fe:2.0乃至3.0質量%、Si:0.5乃至1.5質量%及びCu:0.3質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避的不純物であり、母相に対する第2相粒子が存在し、粒径が5μm以下の第2相粒子の密度が5×10 6 個/mm 2 以上であることを特徴とする。
【0008】
これらの高強度高熱伝導アルミニウム合金材において、更にZr:0.2質量%以下を含有することができる。この場合に、更に、Zn:3質量%以下を含有することができる。また、母相に対する第2相粒子が存在し、粒径が5μm以下の第2相粒子の密度が5×106個/mm2 以上であることが好ましい。
【0009】
本発明に係る高強度高熱伝導アルミニウム合金材の製造方法は、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の高強度高熱伝導アルミニウム合金材の鋳造時の冷却速度が1℃/秒以上であることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本願発明者等がAl−Fe−Si−Ni系合金の組成、組織及び製造方法について鋭意実験・研究した結果、Si及びFeの含有量を適切に規定することにより、強度及び熱伝導性が共に優れることを見出した。
【0011】
また、本発明のアルミニウム合金材を製造する場合、鋳造時の冷却速度が1℃/秒以上とすることにより、第2相粒子の粒径を小さく、かつその量を多くできることを知見した。
【0012】
本発明のアルミニウム合金材は、自動車熱交換器用フィン材に適用することができる。これにより、強度及び熱伝導性が優れた自動車熱交換器を得ることができる。
【0013】
以下、本発明の高強度高熱伝導アルミニウム合金材の組成及びその製造方法の数値限定理由について説明する。
【0014】
Si:0.5乃至1.5質量%
Siはその添加により、固溶強化し強度を向上させる。Siの含有量が0.5質量%未満では、十分な強度が得られない。一方、Siの含有量が1.5質量%を超えると、ろう付け加熱時に、ろう材による浸食が大きくなり、ろう付け性が低下する。また、Siの添加により、導電性が低下するので、強度と熱伝導性との釣り合いをとってSiの添加量を抑える必要がある。従って、Siの含有量は0.5乃至1.5質量%とする。
【0015】
Fe:2.0乃至3.0質量%
Feはその添加により、一部は固溶強化に寄与し、残部は金属間化合物として存在し分散強化に寄与する。このとき、Niが母相に含有されていると、FeはNiと共に金属間化合物を形成し、この金属間化合物が母相に対する第2相粒子として存在し分散強化に寄与する。このようにして、Feを添加することにより強度を向上させることができる。Feの含有量が2.0質量%未満では、十分な強度を得ることができない。一方、Feの含有量が3.0質量%を超えると、鋳造性及び素材の加工性が低下する。また、Feの添加により熱伝導性が低下するので、強度と熱伝導性との釣り合いをとってFeの含有量を抑える必要がある。従って、Feの含有量は2.0乃至3.0質量%とする。
【0016】
Ni:0.5乃至1.0質量%
NiはFeと同様に添加により、一部は固溶強化に寄与し、残部はFeと共に金属間化合物を形成し、この金属間化合物が母相に対する第2相粒子として存在し分散強化に寄与する。このようにして、Niを添加することにより強度を向上させることができる。Niの含有量が0.5質量%未満では、十分な強度を得ることができない。一方、Niの含有量が1.0質量%を超えると、強度を向上させる効果が飽和するので、それ以上のNiの添加はコストが嵩み不経済である。また、Niの添加により熱伝導性が低下するので、強度と熱伝導性との釣り合いをとってNiの含有量を抑える必要がある。従って、Niの含有量は0.5乃至1.0質量%とすることが好ましい。
【0017】
Cu:0.3質量%以下
CuはSiと同様にその添加により固溶強化し強度を向上させる。一方、Cuの添加量が増加すると共に、熱伝導性が低下する。また、電位も貴となり、素材の犠牲陽極効果が低下する。従って、Cuの含有量は0.3質量%以下とすることが好ましい。
【0018】
Zr:0.2質量%以下
Zrはその添加により、ろう付け時の再結晶粒を粗大化させる効果を有し、フィン材のろう材による浸食を抑制し、ろう付け性を向上させる。ろう付け性を向上させる効果は、Zrの添加量が微量であっても発揮され、Zrの含有量が0.05質量%以上であれば十分である。一方、Zrの含有量が0.2質量%を超えると、ろう付け性を向上させる効果が飽和する。また、Zrの添加により熱伝導性が低下するため、ろう付け性と熱伝導性との釣り合いをとってZrの添加量を抑える必要がある。従って、Zrの含有量は0.2質量%以下とすることが好ましい。更に好ましくは、Zrの含有量は0.05乃至0.2質量%である。
【0019】
第2相粒子の密度:5×10 6 個/mm 2 以上
主に、Al−Fe系合金からなる第2相粒子のうち、分散強化の効果を奏するものは、第2相粒子の粒径が比較的小さいものだけである。本発明においては、粒径が5μm以下のものが分散強化に寄与する。第2相粒子の密度が5×106個/mm2未満であると、分散強化の効果が小さい。従って、第2相粒子の密度は5×106個/mm2以上であることが好ましい。
【0020】
鋳造時の冷却速度:1℃/秒以上
本発明のアルミニウム合金材においては、鋳造時の冷却速度が速ければ速いほど第2相粒子の粒径を小さくすることができ、かつ第2相粒子の密度を高くすることができる。鋳造時の冷却速度が1℃/秒未満では、第2相粒子は、分散強化に寄与しない5μm以上のものが多くなりやすい。一方、鋳造時の冷却速度が1℃/秒以上であると、第2相粒子の粒径は大半が5μm以下となり、かつ粒径が5μm以下の第2相粒子の密度が5×106個/mm2以上となる。従って、鋳造時の冷却速度は1℃/秒以上とする。
【0021】
なお、本発明のアルミニウム合金材は単体の素材として使用することができ、また、ブレージングシートフィン材の心材として使用することもできる。ブレージングシートフィン材の心材として使用する場合、ろう材は従来より使用されているAl−Si系又はAl−Si−Mg(Bi)系のろう材をそのまま使用することができる。更に、ろう付け方法として真空ろう付けを適用する場合、上述の元素の他に、Mgを添加することができる。Mgの添加は強度を向上させることに有効である。この場合、Mgの添加量は0.5乃至2.0質量%であることが好ましい。Mgの含有量が0.5質量%未満では真空ろう付け中に、Mgがフィン材から蒸発し、強度を向上させる効果が小さくなる。一方、Mgの含有量が1.5質量%を超えると、真空ろう付け中にMgの蒸発量が多くなるので、真空炉のメンテナンス回数が多くなりコストが嵩む。
【0022】
また、Mg以外の元素として、フィン材の犠牲陽極効果を向上させるため、フィン材の電位を卑にするZn等の元素を添加してもよい。この場合、Znの添加量は3質量%以下であることが好ましい。Znの添加量が3質量%を超えると、フィン材の自己腐食性が大きくなり、消耗速度が速くなる。また、フィン材の加工性が低下するので好ましくない。
【0023】
【実施例】
以下、アルミニウム合金材を使用してフィン材を製造し、本発明の範囲に入る実施例について、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【0024】
第1実施例
下記表1に示す組成の高強度高熱伝導アルミニウム合金を使用して、通常の方法により、鋳造、均質化熱処理及び圧延を施し、フィン材を製造した。なお、このフィン材は板厚が0.07mmであり、H14に調質されている。
【0025】
次に、このフィン材を窒素雰囲気(酸素濃度が100質量ppm以下)中で、温度が600℃で2分間保持してろう付け加熱を行なった。その後、強度、熱伝導性及びろう付け性を評価した。
【0026】
強度は、各フィン材からJIS−5号試験片を採取し、引張試験して引張強度を測定し、これを評価した。
【0027】
熱伝導性は、各フィン材の導電率を4端子法で電気抵抗を測定し、導電率に換算して求め、これを評価した。なお、導電率は標準軟銅(IACS:International Annealed Copper Standard、比抵抗が1.7241μΩ・cm・20℃)の導電率を100としたときの値である。
【0028】
図1は熱交換器のコアを示す模式的斜視図である。コアはフィン材1が1対のプレート2に挟まれて接合されてなるものである。なお、フィン材1は板厚が0.07mm、フィン高さが9mm、山数が10、フィンピッチが3mm、フィンの幅が20mmである。プレート材2は4045合金材、3003合金材及び7072合金材の積層材であり、板厚が0.3mm、幅が30mm、長さが40mmである。なお、このプレート材2のクラッド率は10%である。
【0029】
ろう付け性については、各フィン材1について、フィン材1及びプレート材2に市販のKF−AlF系フラックスを3g/m2塗布し乾燥させた。そして、フィン材1をプレート材2で挟み窒素雰囲気(酸素濃度が100質量ppm以下)中で、600℃の温度に2分間保持してろう付け加熱を行い、図1に示すコアを作製した。そして、フィン材1とプレート材2との接合部のフィン材1へのろうの浸食状態及び座屈状況を観察し、これを評価した。ろう付け性の評価は、浸食及び座屈がないものを◎、浸食が一部あり、座屈がないものを○、浸食及び座屈が発生したものを×とした。これらの結果を表2に示す。
【0030】
【表1】
【0031】
【表2】
【0032】
上記表2に示すように、本発明の請求項1又は3を満足する実施例No.1乃至11は強度及び導電率が高く、ろう付け性が良好であった。また、Zrが添加された実施例No.9乃至11はろう付け性が更に良好であった。
【0033】
一方、比較例No.42はSiの含有量が本発明の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例No.43はSiの含有量が本発明の上限値を超えているため、ろう付け後、フィン材が溶損し座屈してしまい、良好な形状のコアを作製することができなかった。比較例No.44はFeの含有量が本発明の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例No.45はFeの含有量が本発明の上限値を超えているため、鋳造不良により、正常なフィン材を作製することができなかった。
【0034】
第2実施例
上記表1に示すアルミニウム合金のうち、合金No.1、4、6及び10について、鋳造速度及び冷却水量等を変化させて、第2相粒子の存在状態が異なるフィン材を作製した。そして、第1実施例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これを評価した。この結果を表3に示す。なお、表3に示す第2相粒子の密度は粒子径が5μm以下のものの密度である。
【0035】
なお、第2相粒子の存在状態は、走査電子顕微鏡で撮影した写真から粒子径が5μm以下の粒子を画像処理装置により計測して求めた。
【0036】
【表3】
【0037】
上記表3に示すように、本願請求項5を満足する実施例No.13乃至16はより一層強度が高く、導電率が高く、そしてろう付け性が良好であった。また、Zrが添加されている実施例No.16はろう付け性が更に良好であった。一方、請求項4から外れる比較例No.46乃至49は実施例と比較して強度が低かった。
【0038】
第3実施例
上記表1に示すアルミニウム合金のうち、合金No.1、4、6及び10について、製造するときに、鋳造時の冷却速度を種々の条件で変えて、フィン材を作製した。そして、第1実施例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これを評価した。この結果を表4に示す。
【0039】
【表4】
【0040】
上記表4に示すように、実施例No.17乃至20は強度及び導電率が高く、ろう付け性が良好であった。また、Zrが添加されている実施例No.20はろう付け性が更に良好であった。
【0041】
一方、比較例No.50乃至53は鋳造時の冷却速度が本発明の下限値未満であるので、強度が低かった。
【0042】
第4実施例
下記表5に示す組成の高強度高熱伝導アルミニウム合金を使用して、第1実施例と同様の方法によりフィン材を製造した。そして、第1実施例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これを評価した。この結果を表6に示す。
【0043】
【表5】
【0044】
【表6】
【0045】
上記表6に示すように、実施例No.28乃至31は強度及び導電率が高く、ろう付け性も良好であった。実施例No. 30及び31はZrが添加されているので、ろう付け性がより一層良好であった。
【0046】
一方、比較例No.54はSiの含有量が本発明の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例No.55はSiの含有量が本発明の上限値を超えているため、ろう付け後、フィン材が溶損し座屈してしまい、良好な形状のコアを作製することができなかった。比較例No.56はFeの含有量が本発明の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例No.57はFeの含有量が本発明の上限値を超えているため、鋳造不良により、正常なフィン材を作製することができなかった。
【0047】
第5実施例
上記表5に示すアルミニウム合金のうち、合金No. 24及び25について、第2相粒子の存在状態が異なるフィン材を作製した。そして、第1実施例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これを評価した。この結果を表7に示す。なお、表7に示す第2相粒子の密度は粒子径が5μm以下のものの密度である。
【0048】
【表7】
【0049】
上記表7に示すように、本願請求項4を満足する実施例No.35及び36はより一層強度が高く、導電率が高く、そしてろう付け性が良好であった。一方、請求項4から外れる比較例No.61及び62は実施例と比較して強度が低かった。
【0050】
第6実施例
上記表6に示すアルミニウム合金のうち、合金No. 24及び25について、製造するときに、鋳造時の冷却速度を種々の条件で変えて、フィン材を作製した。そして、第1実施例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これを評価した。この結果を表8に示す。
【0051】
【表8】
【0052】
上記表8示すように、実施例No.40及び41は強度及び導電率が高く、ろう付け性が良好であった。
【0053】
一方、比較例No.63乃至67は鋳造時の冷却速度が本発明の下限値未満であるので、強度が低かった。
【0054】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、アルミニウム合金材の組成、組織及び製造方法を適切に規定しているので、強度が高く熱伝導性が優れ、かつろう付け性が良好なアルミニウム合金材を得ることができる。また、このアルミニウム合金材を自動車熱交換器用のフィン材に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】熱交換器のコアを示す模式的斜視図である。
【符号の説明】
1;フィン材
2;プレート材
Claims (5)
- Fe:2.0乃至3.0質量%、Si:0.5乃至1.5質量%及びNi:0.5乃至1.0質量%を含有し、残部がAl及び不可避的不純物であり、母相に対する第2相粒子が存在し、粒径が5μm以下の第2相粒子の密度が5×10 6 個/mm 2 以上であることを特徴とする高強度高熱伝導アルミニウム合金材。
- Fe:2.0乃至3.0質量%、Si:0.5乃至1.5質量%及びCu:0.3質量%以下を含有し、残部がAl及び不可避的不純物であり、母相に対する第2相粒子が存在し、粒径が5μm以下の第2相粒子の密度が5×10 6 個/mm 2 以上であることを特徴とする高強度高熱伝導アルミニウム合金材。
- 更にZr:0.2質量%以下を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の高強度高熱伝導アルミニウム合金材。
- 更にZn:3質量%以下を含有することを特徴とする請求項3に記載の高強度高熱伝導アルミニウム合金材。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の高強度高熱伝導アルミニウム合金材の鋳造時の冷却速度が1℃/秒以上であることを特徴とする高強度高熱伝導アルミニウム合金材の製造方法。
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- 2000-03-31 JP JP2000098928A patent/JP3823218B2/ja not_active Expired - Lifetime
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