JP4596618B2

JP4596618B2 - 熱交換器用高耐食性アルミニウム合金複合材及び熱交換器用防食アルミニウム合金

Info

Publication number: JP4596618B2
Application number: JP2000276499A
Authority: JP
Inventors: 淳司二宮; 吉章荻原; 裕柳川
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-09-12
Also published as: JP2002086293A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車用熱交換器などに用いられる薄肉のアルミニウム合金複合材に関するものであり、さらに詳しくはろう付け法により冷媒通路を形成する材料として用いられるアルミニウム合金複合材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動車用熱交換器の接合組立で用いられるろう材は、冷媒の流れが速い部分でのエロージョン・コロージョンに対する耐性がなく流路を形成する上で大きな問題となっている。
また、従来、熱交換器用の耐食性に優れたブレージングシートとしては、高流速のアルカリ性環境での耐食性及び防食対策がとられたものは全くなく、アルミニウム合金材料のコロージョンだけでなく、エロージョン・コロージョンの問題を解決するためにろう材の成分を規定したものはない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高流速、アルカリ性環境下でのクーラントの使用によっても優れた耐食性ないしは防食性を示す熱交換器用アルミニウム合金複合材を提供することである。
さらに本発明の目的は、上記のアルミニウム合金複合材にクラッドするのに好適なろう材アルミニウム合金を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために鋭意検討を行った結果、冷媒側が特にアルカリ液環境下で、クーラント液機能が劣化し、さらには液流速が大きい場合でのエロージョン・コロージョン現象を起こしにくい画期的な、ろう付け組立てが可能なアルミニウム合金複合材を開発するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）アルミニウム合金芯材の片側にＳｉが５ｍａｓｓ％を越え、１５ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ０．２〜２ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金をろう材としてクラッドし、該芯材の他の片面にＡｌ−Ｚｎ系合金犠牲材をクラッドしたことを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金複合材、
（２）Ｓｉが５ｍａｓｓ％を越え、１５ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ０．２〜２ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とするろう材アルミニウム合金、及び
（３）アルミニウム合金芯材がＦｅ０．０５〜０．８ｍａｓｓ％、Ｍｎ０．０５〜２．０ｍａｓｓ％を含有し、Ｓｉ０．０５〜１．２ｍａｓｓ％、Ｃｕ０．００３〜１．２ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．０３〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎｉ０．０５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ０．０３〜０．３ｍａｓｓ％、Ｚｒ０．０３〜０．３ｍａｓｓ％、Ｔｉ０．０３〜０．３ｍａｓｓ％の内１種または２種以上を含有し、残部Ａｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金である（１）項記載の熱交換器用アルミニウム合金複合材を提供するものである。
本発明者は、上記問題を解決するためにＡｌ−Ｓｉろう材にＮｉ添加量を０．２〜２ｍａｓｓ％含有させ、ろう付け性とアルカリ性環境での耐食性を向上させる効果をバランスよく発現することを見出した。これにより、例えクーラントが高アルカリ性を保持したままでしかも使用環境下によっては液機能が劣化し、さらには液流速の大きい環境下になった場合でも、本発明のろう材はコロージョン、エロージョン・コロージョンを起こしにくく、長期間の接合部の機能を維持し、耐食性を大幅に向上させることができる。さらに、本発明は、あらゆる使用環境を想定して芯材組成も同時に規定している。即ち、従来合金に比べ強度、自己腐食性のバランスを向上させることで、さらにコロージョン、エロージョン・コロージョンを抑制することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に本発明でろう材への添加元素の添加量の規定理由を以下に記載する。
ＳｉはＡｌと共存して低融点化合物となるので、良好な流動性を有するろう材を得るための基本的組成である。ろう材中のＳｉ含有量が、ろう材全重量あたり５ｍａｓｓ％未満であると、ろう材融点が高くなるので、所定の流動性を得ることができず、ろう付け性が低下する。一方、ろう材中のＳｉ含有量が１５ｍａｓｓ％を越える場合であっても、同様に、ろう材の融点が高くなって、所定の流動性を得ることができない。また、粗大な初晶Ｓｉが生成されるので、ろう材の加工性が阻害されてしまう。従って、ろう材中のＳｉ含有量は、ろう材全重量あたり５乃至１５ｍａｓｓ％とする。
次にＮｉの添加量に関して述べると、冷却液が、高アルカリ性（ｐＨ８〜１１レベル）であることに加えてさらに液流速が高い環境下では、ろう付け部表面に形成される水酸化皮膜が安定に付与されていることが重要で、これによって芯材などの腐食進行が抑制される。特に腐食表面に生成する水酸化皮膜が緻密で安定強固な膜で長期間維持することが必要で、Ｎｉを添加することによってその効果が顕著であることが確認された。
【０００６】
上記高アルカリ液の高流速環境下では、アルミニウム合金の固溶体マトリックス表面に腐食の初期の段階から早期に、Ｎｉ系水酸化皮膜及びＡｌ系水酸化皮膜の複合皮膜が形成される。これは、緻密で安定強固な皮膜であり、高アルカリ液環境の高流速環境下でも溶解及び脱落が少なく、耐アルカリ性の向上を促進させる働きが付与されるのである。
Ｎｉ添加量０．１ｍａｓｓ％未満ではＮｉ含有化合物が少なく、固溶体マトリックス表面での十分な水酸化皮膜を得ることができない。２．０ｍａｓｓ％を越えると鋳造時に割れを発生し易くなるという問題が生じる。望ましくは、０．５〜１．５ｍａｓｓ％がよい。
【０００７】
次に芯材の各元素の添加理由についてとその添加範囲の限定理由について述べる。
Ｍｎはろう付け後にマトリックス中に固溶し、強度向上に効果がある。さらに本発明のろう材との組み合わせで使用する場合には、Ｍｎ量を本発明で規定することは上記腐食対策上も非常に有効である。Ｍｎ添加量を０．０５〜２．０ｍａｓｓ％としたのは、０．０５ｍａｓｓ％未満では強度向上効果がなく、２．０ｍａｓｓ％を越えると加工性が低下する問題が発生する。望ましくは０．３〜１．５ｍａｓｓ％とするのがよい。
芯材にＦｅ、Ｎｉを積極添加することで、芯材に元々Ｚｎは添加されていないが、犠牲材とのクラッド複合材として利用すればＺｎが芯材に拡散するため、熱交換器として使用する時点では芯材Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉが含有された組成となる。これにより、アルカリ液の高流速環境に対して耐食性を向上させる効果がある。
Ｆｅ添加量が０．０５ｍａｓｓ％未満では効果がなく、０．８ｍａｓｓ％を越えると酸性側、アルカリ側での耐食性バランスが低下する。望ましくは０．１〜０．４ｍａｓｓ％がよい。Ｎｉ添加量は、０．０５〜２ｍａｓｓ％添加することで、０．０５ｍａｓｓ％未満では上記効果が少なく、２ｍａｓｓ％を越えると圧延性が劣化するのでよくない。
Ｓｉ添加量が０．０５ｍａｓｓ％未満では強度向上効果がなく、１．２ｍａｓｓ％を越えると単体Ｓｉによる深い孔食を引き起こすおそれがある。望ましくは０．３〜０．９ｍａｓｓ％とするのがよい。
Ｃｕ添加量を０．００３〜１．２ｍａｓｓ％としたのは、０．００３ｍａｓｓ％未満では上記効果がなく、１．２ｍａｓｓ％を越えると芯材の自己耐食性が低下し、粒界腐食が助長される問題が発生するからである。なお、使用環境に応じて望ましくは０．００５〜０．５ｍａｓｓ％である。
Ｍｇは芯材のＳｉとともにＭｇ_２Ｓｉと化合物を時効析出することで強度向上効果がある。Ｍｇ添加量が０．０３ｍａｓｓ％未満では、強度向上の効果がなく、０．５ｍａｓｓ％を越えるとろう付け加熱時に芯材の片面にクラッドしたろう材側表面にＭｇが拡散し、フラックスを使用した場合にはこれと反応してろう付け不良を発生するおそれがでてくる。望ましくは０．０８〜０．２５ｍａｓｓ％。その他の元素は諸特性を低下させない限り、添加しても構わない。
【０００８】
Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉも各々０．０３〜０．３ｍａｓｓ％で規定することで、Ｆｅ同様の効果が期待される。０．０３ｍａｓｓ％未満ではその効果がなく、０．３ｍａｓｓ％を越えると、鋳造時の凝固割れを誘発するおそれがある。望ましくは各々０．０８〜０．２５ｍａｓｓ％がよい。
その他元素は諸特性を低下させない限り、添加しても構わない。
ろう材及び芯材の製造方法については、鋳造はＤＣ法、連続鋳造ストリップ（キャスター）等常法によって行うことができ、限定されない。
均質化処理条件、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍条件等常法によって行うことができ、特に限定されるものではない。
本発明における犠牲材としては、例えばＡｌ−Ｚｎ系合金等が使用できる。またＡｌ−Ｚｎ系犠牲材にその他元素を犠牲効果を低下させない限り添加しても構わない。
ろう材の接合方法も本発明で規定するクラッド圧延法以外に、溶射法、粉末塗布法によってもよい。
本発明において、アルミニウム合金複合材の芯材の厚さとその上にクラッドするＡｌ−Ｚｎ系合金犠牲材及びろう材の層厚は特に制限するものではなく通常のものと異ならない。例えば、アルミニウム合金複合材の厚さは好ましくは０．１〜１ｍｍ、Ａｌ−Ｚｎ系合金犠牲材又はろう材のクラッド率は、前記複合材の全厚みに対し、好ましくは、それぞれ、５〜１５％、５〜１５％である。
本発明のアルミニウム合金複合材は、ラジエーター、ヒーターチューブ管の他に、ラジエーター、ヒーターのヘッダープレートにも使用でき、その他本発明の目的と同様であればいかなる部材としても充分に使用できる。
【０００９】
【実施例】
次に本発明の実施例について詳細に説明する。
表１に示す組成のろう材と芯材と犠牲材の組合わせ合金２８種類を常法により金型鋳造により鋳造して、各々両面面削後、犠牲材は５００℃で熱間圧延を開始し、厚さ５ｍｍに圧延した。芯材は５２０℃×６時間の均質化処理を行い、面削で厚さ４０ｍｍに仕上げた。即ち、犠牲材の複合材全体にクラッド率が１０％となるようにした。
ろう材、芯材、犠牲材の３枚をこの順に重ねて、５００℃で熱間圧延を開始し、厚さ３．５ｍｍの３層のクラッド材とした。その後冷間圧延により０．３５ｍｍ厚とし、３６０℃×２時間の中間焼鈍を施して最終的には厚さ０．２５ｍｍまで冷間圧延し、Ｈ１４材のアルミニウム合金複合材の試料とした。このアルミニウム合金複合材試料の全厚に対し、犠牲材のクラッド率は１０％、ろう材のクラッド率は１０％である。
本発明合金複合材（No.１〜１７）、参考例合金複合材（No.１８〜２０）、比較例合金複合材（No.２１〜２４）及び従来合金複合材（No.２５）とした。
これらサンプルに下記の腐食試験を実施し、ろう材部の腐食厚みを測定した。これら結果を表２に示す。
（腐食試験の液条件）
１）アルカリ性側エロージョン試験液種：１ｐｐｍＣｕイオン、３０ｐｐｍＦｅイオン、６０ｐｐｍ硫酸イオン、１９５ｐｐｍＣｌイオンを含む溶液にＮａＯＨを添加してｐＨ１０．５に調整した腐食液を使用。
試験条件：ノズルから試料までの垂直距離：１０ｍｍであり、流速１０ｍ／ｓで８０℃で１０日間の連続試験を行った。
【００１０】
【表１】

【００１１】
【表２】

【００１２】
表２から明らかなように、本発明合金複合材No.１〜１７は高アルカリ性環境下で液流速の大きいエロージョン試験でも孔食深さは７０μｍ以下と耐食性が良好であった。一方、合金組成が本発明の範囲から外れる比較例合金複合材No.２１〜２４は、腐食が顕著に進行しており、貫通孔を発生するに至っている。
以上から明らかなように、本発明によるアルミニウム合金複合材はアルカリ性側の腐食環境においても優れた耐食性を得るのである。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の熱交換器用アルミニウム合金複合材は、ろう付け性に優れるとともにアルカリ性環境下での耐食性に優れる。したがって熱交換器のクーラントが高アルカリ性、高流速での場合もコロージョン、エロージョン・コロージョンを起こしにくく、長期間の接合部の維持による強度の保持と、耐食性の大幅な向上を図ることができる。本発明のアルミニウム合金ろう材は、上記のような長期間にわたる強度の保持と耐食性の向上に作用する。したがって本発明は、工業上顕著な効果を奏するものである。

Claims

Ｆｅ０．０５〜０．８ｍａｓｓ％、Ｍｎ０．０５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓｉ０．０５〜１．２ｍａｓｓ％及びＣｕ０．００３〜１．２ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金芯材の片側に、Ｓｉが５ｍａｓｓ％を越え、１５ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ０．２〜２ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金をろう材としてクラッドし、該芯材の他の片面にＡｌ−Ｚｎ系合金犠牲材をクラッドしたことを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金複合材。
Ｆｅ０．０５〜０．８ｍａｓｓ％、Ｍｎ０．０５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｓｉ０．０５〜１．２ｍａｓｓ％及びＣｕ０．００３〜１．２ｍａｓｓ％を含有し、Ｍｇ０．０３〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎｉ０．０５〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ０．０３〜０．３ｍａｓｓ％、Ｚｒ０．０３〜０．３ｍａｓｓ％、Ｔｉ０．０３〜０．３ｍａｓｓ％の内１種または２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金芯材の片側に、Ｓｉが５ｍａｓｓ％を越え、１５ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ０．２〜２ｍａｓｓ％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金をろう材としてクラッドし、該芯材の他の片面にＡｌ−Ｚｎ系合金犠牲材をクラッドしたことを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金複合材。