JP4411350B2 - 回復された高強度複層アルミニウムブレージングシート製品 - Google Patents

回復された高強度複層アルミニウムブレージングシート製品 Download PDF

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Description

＜関連出願の記載＞
本発明は、２００４年１０月１３日に出願された仮特許出願第６０／６１８,６３７号「Recovered High Strength Multi-Layer Aluminum Brazing Sheet Products」の優先権を主張する。また、前記出願の開示は参照を以て本願に組み込まれるものとする。
＜発明の分野＞
本発明は、熱処理及び非熱処理アルミニウム合金製品の分野に関する。特に、本発明は、複層ブレージングシート製品及びこれらブレージングシート製品を製造する方法に関する。より具体的には、本発明は、例えば熱交換器などの高強度用として有用なブレージングシート製品に関する。
＜発明の背景＞
アルミニウムブレージングシート、特に自動車用熱交換器に用いられるブレージングシートから作られる製品の軽量化及びコスト低減への要請が高まっている。ろう付け(ブレージング)後の降伏強度がより高いブレージングシート製品が要請される理由は、これらの高強度製品は薄肉化を実現できるからである。要するに、高強度ブレージングシート製品により、熱交換器をより薄く作ることが可能となる、それゆえ、より軽量のブレージングシートを用いることにより、自動車の全体構造を軽量化することができる。
さらに、等しく重要なことは、熱交換器製造業者が熱交換器のろう付けを容易に行なうことができるように、ブレージングシート又はプレート製品は、適当な耐食性とろう付け性(brazeability)を有することである。
理想的には、できるだけ広い用途に適用できるように、様々なろう付け方法(とりわけ、真空及びフラックスベース(例えばＣＡＢ又はNocolok(商標))のろう付け方法)によってろう付け可能でなければならない。
再結晶せずに回復が起こった微細組織を有する製品は、ろう付け後降伏強度の点では非常に望ましいが、これらの微細組織は、ろう付け工程中に局部的エロージョン(localized erosion)を非常に受けやすいことが広く知られている。均質化処理されていないＯ質別(Ｏ-temper)の３ｘｘｘ合金のコアは、ろう付け中、コアエロージョンを受け易いことが知られている。コアエロージョンは、溶解した４ｘｘｘクラッドと接触するコア合金の局部的溶解のことであり、一般的に、耐食性及びクラッド形成フロー(すなわち、ろう付け性)に悪影響を及ぼす。局部的エロージョンは、一般的には、４ｘｘｘクラッド合金のＳｉが、４ｘｘｘクラッド合金からその下の基材金属へ拡散することにより生じる。回復は起こったが再結晶していない微細組織に存在する転移網(例えば亜結晶粒界)は、Ｓｉの拡散性を顕著に向上させる。微細なインターレース転移網の存在下でＳｉの移動度(mobility)が向上すると、Ｓｉ濃度が局部的に高くなる。この高いＳｉ濃度は、ろう付け工程中、４ｘｘｘクラッド合金と接触する金属に局部的溶融を引き起こす。コア合金の局部的溶融は、アルミニウムとのクラッド化を高めるので、局部的溶融が起こった場所では、クラッド合金の組成及びその流動性を変化させる。局部的融解はまた、金属の表面トポグラフィーを変化させる。その結果、一般的には、ろう付け工程中、４ｘｘｘ合金のクラッド形成フローを遅らせて、ろう付け性が低下する。また、Ｓｉがコアに局部的侵入すると、局部腐食が起こり易くなる。
＜発明の要旨＞
本発明は、コア合金及びクラッド合金と、クラッド厚さと、処理工程の選択に関するもので、これらの組合せによって製造された成形可能な耐食性アルミニウムブレージングシート合金製品は、良好なろう付け性を有し、クラッド形成フロー(cladding flow)に優れており、局部的エロージョンの発生率は驚くほど低く、ろう付け直後の引張強度は驚くほど高い。本発明のブレージングシート製品は、Ｍｇを含有するものと、Ｍｇを含有しないものがあり、層の構成及び厚さも異なる(例えば、コア合金層、中間ライナー層及びクラッド層であり、例えばアルミニウム協会４３４３合金クラッド層である)
本発明は、アルミニウム合金のコアを含む金属製品又は本質的にアルミニウム合金のコアを含む金属製品であって、コア合金は、ろう付け工程中に再結晶(recrystallization)を起こし難くなるような化学的処理調整を予め行ない、変形及び回復した微細組織により、ろう付け直後に高強度がもたらされるようにしたものであり、コア合金は、一方の面が、局部的エロージョンが起こり難くなるように構成されたアルミニウム合金の中間ライナー(interliner)に接合され、前記中間ライナーは４ｘｘｘクラッド合金に接合される。
本発明の一実施例において、ブレージングシートには、均質化処理されていないコアが組み入れられている。コア合金は、回復した微細組織(recovered microstructure)を有しており、実質的又は全体的に再結晶されたものと対照をなす。本発明の他の実施例において、コア合金と、少なくとも１つの外側ライナー層は、両方とも、回復した微細組織を有し、前記微細組織は均質化処理されていない。
本発明の重要な特徴は、微粒子の体積分率(volume-fraction)が高いことであり、これにより、これら合金の再結晶が起こり難くなり、回復した微細組織について、より高強度がもたらされる。分散強化合金(例えば３ｘｘｘ合金)では、微粒子の体積分率をできるだけ高く維持するために、均質化処理を避けることが一般的には好ましい。熱処理条件を慎重に選択(又は熱処理工程を意図的に回避)することは、分散質の体積分率及び分配を達成するのに重要な要素であり、また、合金含有量及び合金元素の選択も同様である。例えば、特定の合金元素(例えばＺｒ)も、再結晶を遅延させる。部分的又は完全に回復した微細組織は、特に引張降伏強度に関して、完全に再結晶(焼鈍)した微細組織よりも有意に高い強度を有している。
本発明の一実施例において、コア合金と４ｘｘｘ合金クラッドとは、中間ライナーによって分離されており、コアは再結晶し難い中間ライナーに接合され、該中間ライナーは４ｘｘｘ合金に接合される。この構造は、局部エロージョンを可及的に少なくし、良好なろう付け性を促進する。また、中間ライナー合金の選択を適切に行なうことにより、耐食性が向上し、中間ライナー合金が犠牲となって、その下にあるコア合金を保護する。
本発明のさらなる態様は、コア合金及び／又は外側ライナー合金が、歪みが大きく、変形した(deformed)状態であっても、ろう付け工程中、再結晶に対して高い抵抗性を示す。この変形は、部品の製造に用いられるスタンピング、引抜き(drawing)及び／又は成形加工中に、アルミニウム製造業者によりシートの中へ意図的に持ち込まれることがある。
＜望ましい実施例の詳細な説明＞
この明細書では、特に明記しない限り、合金の元素濃度は、重量パーセントで示している。この明細書で使用する「実質的に含まない(substantially free)」という語は、組成物に積極的に添加した合金化元素ではなく、不純物として、及び／又は、製造設備との接触によって浸出することにより、微量の元素が最終合金製品に含まれることを意味する。また、あらゆる数値範囲に関しては、そのような範囲は、規定した範囲の最小値と最大値の間のあらゆる数値が含まれるものと理解されるべきである。例えば、Ｓｉ約５〜約１５重量％とは、約５.１、５.２、５.３及び５.５重量％の他、１４.５、１４.７及び１４.９重量％までのあらゆる中間値を含むものと理解されるべきである。これと同じことは、この明細書に記載された他の数値特性、相対厚さ及び／又は元素範囲の各々に対して当てはまる。
コア合金に対する冶金学的手法は、以下の通りである。ブレージングシート製造のろう付け工程で、再結晶が起こり難い微細組織を形成する上で重要な点の１つは、有意の体積量を有する微粒子、つまり分散質(dispersoid)の存在である。粒界にある分散質の集団によるツェナー抗力(Zener drag pressure)は、粒子及び／又は分散質の平均直径に反比例し、それらの体積分率に正比例する。その結果、あらゆる変形状態に対して、限界粒子径が存在し、その粒径を超えると、粒子は、再結晶の潜在的粒成長核(potential nucleation site)として機能することができる。商業的な分散強化合金の多くは、粒子及び／又は分散質の集団がこの限界平均粒子径よりも大きいものと、小さいものがある。限界粒子径よりも大きな粒子は、再結晶の潜在的粒成長核として機能し、限界粒子径よりも小さな粒子は、結晶粒の成長を遅らせて、再結晶を抑制する。それゆえ、再結晶の抑制を目的とする場合、理想とする微細組織は、ツェナー抗力が大きく、臨界粒子径よりも微細な粒子の体積分率が高いものであり、対照とする変形状態において、合金の臨界径を超える粒子数が可及的に少ないことである。理想的には、これら分散質は、部品のろう付け中、コア合金の中で安定(すなわち、全くの不溶性又は最小の不溶性)していることである。例えば、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ及びＴｉのような元素は、小さな分散質の生成を促進し、再結晶の抑制程度は様々である。それゆえ、本発明のコア合金では、含有量が少ないことが好ましい。ＡｌVＭｎWＳｉXＦｅYＮｉZの粒子が存在する場合、これら粒子も再結晶を抑制する。特に、それら粒子の体積分率が有意に小さい場合、例えば直径約１ミクロンよりも小さい場合、再結晶の抑制作用は大きい。ＡｌVＭｎWＳｉXＦｅYＮｉZ粒子中のＭｎ、Ｓｉ、Ｆｅ及びＮｉ濃度は、化学量論的組成が広範囲に亘って異なるし、また、合金に存在する含有量によっては、粒子に全く存在しないことも、留意されるべきである。
Ｓｉ濃度が約０.１重量％を超えると、ＡｌVＭｎWＳｉXＦｅYＮｉZ粒子の体積分率が増加し、ろう付け中、逆戻り(reversion)に対する抵抗性が高くなる。ブレージングシートの製造中は、小さな分散質の体積分率をできるだけ高く維持するために、コア合金が高温熱処理(例えば、熱間圧延の再加熱のための均質化熱処理)に曝されるないようにするか又は曝されることを少なくとも可及的に少なくすることが好ましい。同様に、より高い体積分率の微細分散質を合金に導入することができるようにするため、鋳造中の凝固速度を速くすることが望ましい。それゆえ、コア合金のダイレクトチル鋳造(Direct Chill Casting)に対しては、厚肉のインゴットよりも薄肉のインゴットが望ましい。また、連続鋳造(例えば、スラブ鋳造、双ロール鋳造、引抜き鋳造(drag casting)等)は、より速い凝固速度が得られるので、さらに望ましい。
コア合金の組成及び処理工程では、ろう付け工程での再結晶を防止するために、理想的には、微細粒子(＜平均直径１ミクロン)の体積分率が高くなるように選択されるべきである。好ましいコア合金として、Ｓｉ濃度が約０.１重量％以上の３ｘｘｘ合金、特に、Ｍｎ濃度が高く(＞０.８重量％)、Ｓｉ濃度約０.５重量％以上の３ｘｘｘ合金が挙げられる。Ｚｒのような公知の再結晶化阻害物質を添加することは、望ましいことでもある。
これと同じ冶金学的手法は、外側ライナー(outerliner)を含む本発明の他の態様における外側ライナー合金を選択するために用いられることができる。外側ライナーが用いられる熱交換器の構造とは、シートの１つの面に、熱交換器の作業環境に特に適した材料特性を有する合金を必要とする場合である。例えば、蒸発器(evaporator)用熱交換器の作業環境は、湿潤状態で腐食を促進する傾向があるため、蒸発器用熱交換器の構成部材の外側ライナーは、高耐食性を有する合金から形成することが望ましい。
コアアルミニウム合金の組成は、分散質の生成に関与する溶質の正味濃度(net concentration)が、分散質を一般的には生成しない溶質(solute)の正味濃度よりも高くなる組成物の範囲にあらねばならない。これは、次の関係を維持することが望ましい。
[(Mn＋Fe＋Ti＋Cr＋V＋Zr＋Ni)/Si]−[(Cu＋Mg＋Zn)/Si]≧０ (式１)
さらに、コア合金中の(Ｍｎ＋Ｆｅ)とＳｉの比が、約１.５以上であることが望ましい。なお、合金濃度の値は全て重量％で表すものとする。
なお、式１の上記関係式が満たされる限り、また、有意集団の粒子が微細粒子である限り、上記合金元素の一部は、低い不純物レベル、検出不能レベル、又は全く存在しなくても構わない。コストと全体的なスクラップループ(scrap loop)を考慮すると、Ｎｉ、Ｃｒ及びＶなどの合金元素は、一般的には好ましくないが、本発明では好適に使用される。最終のクラッド複合物でのコア合金の肉厚は、約１００ミクロンの薄さから、約９ｍｍの厚さまで及ぶ。
４ｘｘｘクラッド合金は、Ｓｉ約４〜約１７重量％、Ｆｅ約０.０１〜約１重量％、Ｍｇ約２重量％以下、Ｚｎ約２重量％以下、Ｃｕ約０.５重量％以下、Ｍｎ約０.５重量％以下、Ｉｎ約０.２重量％以下を含有し、残部付随的元素及び不純物(但し、約０.０５重量％以下、好ましくは０.２５重量％以下)である。実際の組成は、ろう付けの適用及びクラッド合金に所望される電気化学電位に依存する。特に好ましい４ｘｘｘクラッド合金は、Ｓｉ６〜１３重量％、Ｆｅ０.５重量％未満、Ｍｎ０.１５重量％未満及びＣｕ０.３重量％未満であり、Ｍｇ濃度は、行われるろう付け法(真空ろう付け又はフラックスろう付け)に合わせて変えられ、Ｚｎ及び／又はＩｎ濃度は、ろう付け継手の内部及び隣接位置で所望の電気化学電位が得られるように調節される。外面の両方とも４ｘｘｘ合金でクラッドされることが必要な製品では、最も一般的には、同様な４ｘｘｘクラッド合金を用いられるが、４ｘｘｘクラッド合金の選択は、行われるろう付け法と、ろう付けされる最終部品の構造に依存する。４ｘｘｘクラッド合金の肉厚の範囲は、約１５ミクロンの薄さから、クラッド製品の最終ゲージで約２５０ミクロンの厚さである。
図１(例えば実施例３)に示されている外側ライナーは、一般的には、シートの面が露出した環境で高耐食性を有するように調整された合金、及び／又は、(コア合金に比べて)高いＭｇ濃度を有し、その適用、部品デザイン及びろう付け工程で許容される場合には、さらなる高強度を有するように調整された合金である。特許請求の範囲に記載された組成における特徴の１つは、外側ライナー合金の組成について、Ｍｇ及び／又はＺｎ濃度が、特定用途に選択されたコア合金の濃度よりも大きいことである。また、この合金の固相線は、５５０℃よりも高温、好ましくは５８０℃以上にすべきである。最終のブレージングシートのゲージでは、外側ライナーの肉厚は、約１５ミクロン以上、望ましくは、約１５〜約３５０ミクロンとすべきである。
ろう付け後の部品の強度に十分な効果を得るには、アルミニウム製造者にとっては、多くの用途に対して、ブレージングシート製品を不完全焼鈍質別(non-fully-annealed temper)で提供することが好ましいこともある。回復した微細組織による強度向上の利益を享受するために、アルミニウムブレージングシート製造者と部品組立加工者の両方で材料に加えられる歪みの合計は、ろう付け後における本発明のコア合金の完全な再結晶化に必要な歪みの臨界量よりも少なくなくてはならない。それゆえ、ブレージングシートから作製される特定部品の目的に応じて、当該部品のろう付け後降伏強さを最大にするために、ブレージングシート材に対する様々な質別(tempers)が適用することができる。
図１は、コア、クラッド及び中間ライナーについて様々な組合せを示している。図示の如く、ブレージングシート製品は、３層、４層又は５層から構成することができる。３層製品の場合、外層の１つは、４ｘｘｘ合金のクラッドである。４層及び５層の製品は、少なくとも１つが４ｘｘｘ合金の外層であり、おそらく２つが４ｘｘｘ合金の外層である。再結晶し難い中間ライナーは、コアと４ｘｘｘ合金クラッドとの間、及び／又は、コアと外側ライナーとの間に接合される。
ろう付け後に高強度を得るには、中間ライナーによって４ｘｘｘ合金から分離したコアに、均質化処理されていない高Ｓｉ(＞０.２重量％)含有３ｘｘｘ合金を用いることである。この場合も、(回復する)均質化処理されていない３ｘｘｘ合金コアは、ろう付け中、コアエロージョン(溶融した４ｘｘｘクラッドとの接触によるコア合金の局部的溶融)を受け易いから、３ｘｘｘコア合金は、一般的には、高い成形性(formability)が要求される製品(一般的には、Ｏ質別を必要とする製品)のために均質化処理が施される。均質化処理(高温(＞４５０℃)で約３時間以上の熱処理)により、一般的に、成形性は向上する。コアのエロージョンは、耐食性及びクラッド形成フロー(即ち、ろう付け性)に悪影響がある。中間ライナーを用いると、均質化処理されていないコア合金は、ろう付け工程中、溶融した４ｘｘｘ合金クラッドとの接触が回避される。このようにして、微細なＡｌWＭｎXＳｉYＦｅZ粒子の体積分率が高い回復微細組織を用いることが可能となる。さらに、高Ｓｉ含有３ｘｘｘコア合金を選択することにより、ＡｌＭｎＳｉＦｅ粒子は、ろう付け工程で前の状態に戻らない。これらの微細粒子は、再結晶化を阻害する作用があるので、再結晶化することなく、微細組織の回復が促進される。回復が起こったこの微細組織は、良好な成形性を維持しつつ、有意に高いＴＹＳ値及びＵＴＳ値を有する。この手法により、Ｍｇを含有しない合金においても、ろう付け後ＴＹＳ値は８５ＭＰａよりも大きく、ろう付け後ＵＴＳ値は１６０ＭＰａよりも大きい。このＴＹＳは、均質化処理された同じコア合金のＴＹＳが最大でも約６８ＭＰａであるのと比べると有利である。ろう付け工程及び部品／継手の形状によっては、コア合金中のＭｇ濃度をより高濃度にすることができるが、その場合、コア合金にＭｇを添加することにより、より高いろう付け後特性を得ることができる。
図２(表１)は、実験室で製造され、この実験で評価した種々複合物に用いられた合金の組成を示す表である。
図３(表２)は、実験室で製造された複合物のろう付け前及びろう付け後の機械的性質を、ろう付け前に施された冷間加工の関数として示す表である。
コア、中間ライナー及び４０４５合金のクラッドから構成される実施例について、工場で製造された複合物の試料を、アズプロデュースド状態(as-produced condition)のもの、５％、１０％、１５％及び２０％の塑性伸びを施したものについて、試験を行なった。なお、ここで用いられる「伸びＸ％の試料」とは、伸び加工後の試料の長さが、元の長さの１００％＋Ｘ％であることを意味する。
図４(表３)は、工場で製造され、この実験に用いられたクラッド複合物について、合金組成及びそれらの機能を示している。
図５(表４)は、工場で製造され、この実験に用いられた材料のろう付け前及びろう付け後の機械的性質を示している。
当該分野の専門家であれば、前記説明に記載した概念から逸脱することなく、本発明に変形を加えることができることは容易に理解されるであろう。そのような変形は、特許請求の範囲の中で特に明記しない限り、特許請求の範囲に含まれると解されるべきである。したがって、この明細書の中で詳細に記載した特定の実施例は、単なる例示に過ぎず、発明の範囲を制限するものではなく、発明の範囲には、特許請求の範囲の全ての範囲及びその全ての等価物が含まれる。
望ましい実施例を説明してきたが、本発明は、それら以外の実施例についても特許請求の範囲内で具体化されるものと理解されるべきである。
複層ブレージングシートの幾つかの実施例の各層構成を示す概略図である。複数の中間層を有するクラッド複合物の場合、第２中間層と第１中間層とは、組成及び／又はクラッド比が異なることは理解されるであろう。さらに、外側ライナーとして記載されたクラッド層は、ろう付け用クラッド合金から構成してもよいし、水際用クラッド合金(waterside cladding alloy)又はその他のアルミニウムクラッド合金から構成してもよい。 実験室で製造された本発明に係るブレージングシート製品に用いられた合金(コア、ろう付けクラッド及び中間ライナー)の組成(重量％)を示す表である。 実験室で製造された本発明に係るブレージングシート製品(表１に示される)のろう付け前及びろう付け後の機械的性質を示す表(表２)である。 工場で製造された本発明に係るブレージングシート製品の組成(重量％)を示す表(表３)である。 工場で製造された本発明に係るブレージングシート製品(表３に示される)のろう付け前及びろう付け後の機械的性質のデータを示す表(表４)である。

Claims (15)

  1. Ｓｉに対する(Ｍｎ＋Ｆｅ)の比が、１.４よりも大きいアルミニウム協会３ｘｘｘ系合金からなる均質化されていないコアと、
    均質化されていないコアの１つの面に接合され、１ｘｘｘ系合金からなる中間ライナーと、
    ４ｘｘｘ系合金からなり、中間ライナーに接合され、ろう付け層として供されるクラッドと、
    を具える、金属製品であって、
    金属製品の均質化されていないコアは、少なくとも一部分に回復した微細組織を有し、
    金属製品は、ろう付け前に冷間加工率１５％以下の冷間加工が施され、均質化されていないコアは、ろう付け工程中、再結晶に対して高い抵抗性を有する、金属製品。
  2. 均質化されていないコアは、Ｓｉが０.１重量％よりも多いアルミニウム協会３ＸＸＸ系合金を含んでいる請求項１の金属製品。
  3. 均質化されていないコアは、Ｍｎ：０.５重量％〜１.７重量％、Ｓｉ：０.１重量％〜１.２重量％、Ｆｅ：２重量％未満、Ｍｇ：２.５重量％未満、Ｃｕ：１.２重量％未満、Ｚｎ：３重量％未満、Ｔｉ：０〜０.３重量％及びＺｒ：０.３重量％未満を含有し、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ及びＡｇの０.２重量％未満の含有は許容される請求項１の金属製品。
  4. 均質化されていないコアは、Ｍｎ濃度が０.８重量％よりも多く、Ｓｉ濃度が０.５重量％よりも多いアルミニウム協会３ＸＸＸ系合金を含んでいる請求項１の金属製品。
  5. 均質化されていないコアは、厚さが１００ミクロン〜９.０ｍｍである請求項１の金属製品。
  6. クラッドは、Ｓｉ：４.０重量％〜１７.０重量％、Ｆｅ：０.０１重量％〜１.０重量％、Ｍｎ：０.５重量％以下、Ｃｕ：０.５重量％以下、Ｚｎ：２.０重量％以下、Ｍｇ：２.０重量％以下及びＩｎ：０.２重量％以下を含んでいる請求項１の金属製品。
  7. クラッドは、Ｓｉ：６重量％〜１３重量％、Ｆｅ：０.５重量％未満、Ｍｎ：０.１５重量％未満、Ｃｕ：０.３重量％未満を含んでいる請求項１の金属製品。
  8. クラッドは、アルミニウム協会４３４３合金である請求項１の金属製品。
  9. クラッドは、厚さが１５ミクロン〜２５０ミクロンである請求項１の金属製品。
  10. 内側ライナー及びクラッドとは反対側にあり、均質化されていないコアの面に接合された外側ライナーであって、Ｍｇ又はＺｎの濃度が、均質化されていないコアでの濃度よりも高い組成を有し、固相線温度は５５０℃よりも高い合金を含んでいる外側ライナーをさらに具えている請求項１の金属製品。
  11. 外側ライナーの厚さは、１５ミクロン〜３５０ミクロンである請求項１０の金属製品。
  12. 外側ライナーと、均質化されていないコアとの間に、第２の中間ライナーをさらに具えている請求項１０の金属製品。
  13. 金属製品は、熱交換器に用いられる請求項１の金属製品。
  14. ろう付け後、引張降伏強度(ＴＹＳ)は８５ＭＰａよりも大きく、最大引張強さ(ＵＴＳ)は１６０ＭＰａよりも大きい請求項１の金属製品。
  15. 中間ライナーは、Ｓｉ：０.３９重量％〜０.４０重量％、Ｆｅ：０.１０重量％〜０.２０重量％、Ｃｕ：０.０３重量％以下、Ｍｎ：０.０５重量％以下、Ｍｇ：０.０３重量％以下、Ｚｎ：０.０２重量％以下、Ｔｉ：０.０５重量％以下を含み、残部Ａｌからなる請求項１の金属製品。
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