JP4996255B2 - アルミニウム合金製の帯材のロウ付け方法 - Google Patents

アルミニウム合金製の帯材のロウ付け方法 Download PDF

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Description

本発明は、ロウ付け用合金の片面または両面に被覆されるアルミニウム合金製の帯材の、管理された雰囲気下での無フラックスのロウ付けに関するものであり、該ロウ付けは、熱交換器の製造、とくに自動車または建築用の熱交換器の製造を目的としている。
熱交換器の適用について、金属組織の硬化をもつ芯材用合金（とりわけ６ｘｘｘ系：Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ）の利用は、非常に一般的だったので、用いられるロウ付けの方法は真空のロウ付けタイプのものだった。非腐食性のフラックスを用いた、管理された雰囲気下でのロウ付け技術Ｎｏｃｏｌｏｋ（登録商標）への移行は、真空炉およびそれらの維持に結び付けられる高い費用と連携して、その使用を停止させる。Ｎｏｃｏｌｏｋ（登録商標）方法は、事実、マグネシウム合金の使用について、最低限の応力を起こさせる、なぜならこの元素は、酸化膜を溶解させるために用いられるフラックスと反応し、該フラックスを効果のないものにするからである。限度として与えられる一般的な含有量は、およそ０．３％である。それ以上に、非常に多くの量のフラックスが必要となり、そのことが、作業を非常に費用がかかるものである。
他方で、熱交換器のための大量の帯材の耐腐食性は、芯材／クラッド皮材の接触面のある陽極皮膜の形成に基づいており、該接触面は、芯材において非常にわずかなシリコンの含有量を課するものである。これは、たとえば欧州特許第０３２６３３７号明細書（Ａｌｃａｎ）において記載された合金の場合である。
合金６ｘｘｘｘは、したがって大多数は、少ないマグネシウムと少ないシリコンとを持つ合金３ｘｘｘに代わられ、金属組織の硬化の効果は失われた。
金属組織の硬化をもつ３ｘｘｘタイプの芯材用合金は、最近ではたとえば欧州特許第０７１８０７２号明細書（Ｈｏｏｇｏｖｅｎｓ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｗａｌｚｐｒｏｄｕｋｔｅ）または欧州特許第１２５４９６５号明細書（ＳＡＰＡ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）において提案された。いずれの二件の場合において、いかなる変更も帯材にもたらされないことにより、標準的なＮｏｃｏｌｏｋ（登録商標）炉における該帯材のはんだぬれ性を改良するようにしている。したがって、金属組織の硬化の効果が比較的減少されるが、マグネシウム含有量は比較的少ない値（たとえば欧州特許第１２５４９６５号明細書の場合のように０．３５％未満）に限定されなければならいないか、あるいは、置かれたフラックスの数量を増やすか、または米国特許第５，７７１，９６２号明細書（Ｆｏｒｄ）において記載されているセシウムフラックスなどの代替フラックスを用いる必要があるかである。いずれの二件の場合においても、こういったことは作業費用のはっきりとした増加となって表われている。
欧州特許第０３２６３３７号明細書 欧州特許第０７１８０７２号明細書 欧州特許第１２５４９６５号明細書 米国特許第５，７７１，９６２号明細書
本発明は、金属組織上の硬化の特性と同時に、現行のＮｏｃｏｌｏｋ（登録商標）ラインにおけるロウ付けの良好な適性も有する材料を提案することを目指している。
本発明は、５８０℃と６２０℃との間に含まれる温度で管理された雰囲気下での無フラックスのロウ付け過程、急速冷却過程、および場合によっては８０℃と２５０℃との間に含まれる温度での時効過程を含む、アルミニウム合金板材の接合組立方法を対象とするものであり、該方法において、該アルミニウム合金板材の少なくとも一つが、重量パーセントで、Ｓｉ：０．３〜１．０％ Ｆｅ＜１．０％ Ｃｕ：０．３〜１．０％ Ｍｎ：０．３〜２．０％ Ｍｇ：０．３〜３．０％ Ｚｎ＜６．０％ Ｔｉ＜０．１％ Ｚｒ＜０．３％ Ｃｒ＜０．３ Ｎｉ＜２．０％ Ｃｏ＜２．０％ Ｂｉ＜０．５％ Ｙ＜０．５％ 他の元素それぞれ＜０．０５％で合計０．１５％、残りはアルミニウムの組成の芯材用合金で構成され、４〜１５％のシリコンと、元素Ａｇ、Ｂｅ、Ｂｉ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｓｂ、Ｙあるいはミッシュメタルのうち少なくとも一つを０．０１〜０．５％含むロウ付け用アルミニウム合金の少なくとも片面に被覆される。
芯材用合金について好適な組成が、Ｓｉ：０．３〜１．０％ Ｆｅ＜０．５％ Ｃｕ：０．３５〜１．０％ Ｍｎ：０．３〜０．７％ Ｍｇ：０．３５〜０．７％ Ｚｎ＜０．２％ Ｔｉ＜０．１％ Ｚｒ＜０．３％ Ｃｒ＜０．３％ Ｎｉ＜１．０％ Ｃｏ＜１．０％ Ｂｉ＜０．５％ Ｙ＜０．５％ 他の元素それぞれ＜０．０５％で合計０．１５％、残りはアルミニウムである。
熱交換器の製造の場合において、時効が、作動中に、当該熱交換器の高温部分内で実行されることができる。
図１a、１ｂは、ロウ付けの適性を評価するための例において用いられるＶ字試験片を、それぞれ平面図および側面図で表している。
図2は、実施例に記述されるロウ付けの適性テストにおいてロウ付けされた合わせ目の長さの定義を表している。
本発明は、無フラックスのロウ付けのための、芯材用合金について特有の組成の選択に基づいており、その選択は、酸化膜の表面張力または組成のような、表面の特性を変化させることを可能にする一つまたは複数の元素を、クラッド用合金に添加することと組み合わされる。
芯材用合金は、マンガンと銅、ならびにシリコンとマグネシウムとを含むことによって、Ｍｇ2Ｓｉの析出による硬化を可能にするようにする。
シリコンの含有量は、十分な量のＭｇ2Ｓｉの形成を可能にするためには０．３％を超えなければならないが、芯材用合金とクラッド用合金との溶解温度間に十分な差を維持したいのなら、１％未満でなければならない。
マグネシウムの含有量は、０．３％と３．０％の間、好適には０．３５％と０．７％の間に含まれている。このマグネシウム含有量は、Ｍｇ2Ｓｉの形成を可能にするのに十分でなければならず、また、欧州特許第１２５４９６５号明細書のように、無フラックスなのでフラックスとの反応のリスクによっては限定されない。欧州特許第１２５４９６５号明細書で奨励されていることとは反対に、本発明では、Ｍｇ2Ｓｉを形成するための化学量論的な量に関連したシリコンの過剰を目指すのではなく、反対に、マグネシウムの過剰を目指す。
しかしながら、マグネシウムは成形性に不利な影響を持つので、重要な成形が求められる応用については、０．７％に制限することが望ましい。
銅は、固溶体であるときに合金の機械的強度を増加させる。欧州特許第１２５４９６５号明細書の教示とは反対に、本出願人は、１％を超えない条件で、０．３％を超える耐腐食性の減少を確認せず、銅が析出する該条件に基づいて限定した。反対に、固溶体で銅が存在することは、腐食の潜在性を増加させる。１％を超えないという補足の理由が、合金の溶解温度を過度に下げることを避ける。
クラッド用合金は、通常は４〜１５％のシリコンを含むアルミニウム合金で、かつ、場合によっては、Ｃｕ、Ｍｇ、あるいはＺｎなどのその他の添加元素を含むものである。本発明の特徴の一つは、湿潤性を改善させることを可能にする一つまたは複数の元素をクラッド用合金に添加することであり、該元素は、Ａｇ、Ｂｅ、Ｂｉ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｓｂ、Ｙあるいはミッシュメタルによって構成される群に属するものであり、このミッシュメタルは分離しない希土類の混合物である。ロウ付けでのフラックスの使用を避けることを可能にするのは、この最良の湿潤性であり、しかも真空で作業しなくてよい。
ロウ付け合金は、ロール圧延によって芯材用合金にクラッドされることが最もよくある。ロウ付け合金が片面にだけでクラッドされる場合、もう片方の面は、それ自体が既知の方法で、通常Ａｌ−Ｚタイプの、芯材用合金の耐腐食性を改良することを目的とした犠牲合金で被覆される。
ロウ付け合金はまた、微粒子、とりわけ、たとえば欧州特許第０５６８５６８号明細書（Ａｌｃａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）において記載されているように、微粒子Ａｌ−Ｓｉの微粒子の形状のもとで堆積されることができる。管理された雰囲気下でのロウ付けについて、ロウ付け合金の微粒子は、通常、フラックス、特にカリウムのフルオロアルミン酸のようなフッ化物と、ポリマー樹脂のなどの結合材とを基にしたフラックスの微粒子に結び付けられる。この場合、本発明に特有の利点は、被覆内にフラックスが存在することを避けることである。
０．０５〜０．５％のビスマスおよび／または０．０１〜０．５％のイットリウムを、芯材用合金にさらに混入することもできる。
ロウ付けは、５８０℃と６２０℃との間に含まれる温度で、たとえば窒素またはアルゴンの、管理された雰囲気下で無フラックスで実施され、該ロウ付けは、ロウ付け合金の溶解を可能にするが、芯材用合金の溶体化も確実にする。
この溶体化の後に、たとえば送風をともなった、急速冷却が続いた。組み立てられた部材の時効は、８０℃と２５０℃との間に含まれる温度で実施することができる。
熱交換器の製造の場合において、熱交換器の最も高温の部分内、たとえば自動車用エンジンの冷却ラジエータの管内で、作動中の時効を実施することが、時には可能である。
芯材用合金板を複数鋳造し、それぞれの組成を以下の表１に示す。
Figure 0004996255
同様に、４０４７（Ａｌ−１２％のＳｉ）あるいは４０４７＋０．１９％のＢｉあるいは４０４７＋０．０５％のＹあるいは４０４７＋０．０５％のＣａのクラッド用合金を鋳造した。接合組立が、これらの板材から実現されることによって、クラッド用合金の厚さが厚さ全体の１０％を有するようにしている。これらの接合組立が、熱間圧延、ついで冷間圧延されることにより、０．３ｍｍの厚さのクラッドされた帯材を生成するようにしている。これらの帯材は、それから２６０℃で１０時間の焼き戻し処理にかけられる。
図1に記載された試験片は、これらの材料のロウ付け性を評価するために用いられた。Ｖ字試験片は、状態H２４で、厚さが０．３ｍｍの３００３合金製の裸の帯材で構成される。２５０℃で１５分の研磨処理は、ロウ付けすべき金属に適用される。他のいかなる表面準備も適用されず、特にいかなるフラックスも堆積されない。ロウ付けは、二重壁のガラス炉内でなされ、該ガラス炉は、処理の間の、液体ロウ付けの動きおよび合わせ目の形成を視覚化することを可能にするものである。熱サイクルは、約２０℃／ｍｉｎの速さで６１０℃までの温度の上昇段階と、６１０℃で２分間の維持と、および約３０℃／ｍｉｎでの下降とから成る。すべては、８リットル／ｍｉｎの流量で、窒素の連続した掃気のもとでなされる。
結果は、以下の段階にしたがったＡ〜Ｅの記号によって規定される。
Figure 0004996255
結果は、表３に示されている。
Figure 0004996255
機械的な特性は、ロウ付け後と同時に、および、時効の様々な処理の後に、各複合体、Ｍ／４０４７＋Ｂｉ、Ｍ＋Ｂｉ／４０４７＋ＢｉおよびＭ＋Ｙ／４０４７＋Ｙのそれぞれに対して測定される。これらの得られた各測定値を、従来の熱交換器用の帯材のための合金N（表４に示す組成）と比較して、表５にそれぞれ示す。
Figure 0004996255
Figure 0004996255
金属組織の硬化の効果が、機械的強度について非常に有利に確認され、とりわけ時効後において顕著である。
ロウ付けの適性を評価するためのＶ字試験片の平面図 ロウ付けの適性を評価するためのＶ字試験片の側面図 ロウ付けの適性テストにおけるロウ付けされた合わせ目の長さの定義

Claims (17)

  1. ５８０℃と６２０℃との間に含まれる温度で、窒素および／またはアルゴンで管理された雰囲気下での無フラックスのロウ付け過程と、急速冷却過程とを含む、アルミニウム合金板材の接合組立方法であって、該方法において、該アルミニウム合金板材の少なくとも一つが、組成が質量パーセントで、
    Ｓｉ：０．３〜１．０％ Ｃｕ：０．３〜１．０％ Ｍｎ：０．３〜２．０％ Ｍｇ：０．３〜３．０％、
    Ｆｅ＜１．０％ Ｔｉ＜０．１％ Ｚｒ＜０．３％ Ｃｒ＜０．３％ Ｂｉ＜０．５％ Ｙ＜０．５％から選択された一種または二種以上、
    他の元素それぞれ＜０．０５％で合計０．１５％、
    残りはアルミニウムの組成の芯材用合金を含み、
    ４〜１５％のシリコンと、Ｂｉ、Ｙの元素の少なくとも一つを０．０１〜０．５％含むロウ付け用アルミニウム合金の少なくとも片面に被覆される、アルミニウム合金板材の接合組立方法。
  2. 前記芯材用合金の銅の含有量が、０．３５％と１％との間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム合金板材の接合組立方法。
  3. 前記芯材用合金のマンガンの含有量が、０．３％と０．７％との間に含まれることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のアルミニウム合金板材の接合組立方法。
  4. 前記芯材用合金のマグネシウムの含有量が、０．３５％と０．７％との間に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載のアルミニウム合金板材の接合組立方法。
  5. 前記芯材用合金のビスマスの含有量が、０．０５％と０．５％との間に含まれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のアルミニウム合金板材の接合組立方法。
  6. 前記芯材用合金のイットリウムの含有量が、０．０１％と０．５％との間に含まれることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載のアルミニウム合金板材の接合組立方法。
  7. 前記芯材用合金の組成が、質量％で、Ｓｉ：０．３〜１．０％ Ｃｕ：０．３５〜１．０％ Ｍｎ：０．３〜０．７％ Ｍｇ：０．３５〜０．７％、
    Ｆｅ＜０．５％ Ｚｎ＜０．２％ Ｔｉ＜０．１％ Ｚｒ＜０．３％ Ｃｒ＜０．３％ Ｎｉ＜１．０％ Ｃｏ＜１．０％ Ｂｉ＜０．５％ Ｙ＜０．５％から選択された一種又は二種以上、
    他の元素それぞれ＜０．０５％で合計０．１５％、
    残りはアルミニウムであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載のアルミニウム合金板材の接合組立方法。
  8. 前記ロウ付け用アルミニウム合金が、ロール圧延によって芯材用合金にクラッドされることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載のアルミニウム合金板材の接合組立方法。
  9. 前記ロウ付け用アルミニウム合金の被覆が、微粒子で構成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載のアルミニウム合金板材の接合組立方法。
  10. 急速冷却の後に、８０℃と２５０℃との間に含まれる温度での時効過程を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
  11. 微粒子がポリマー樹脂によって被覆されていることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
  12. 請求項１〜１１のいずれか一つに記載のアルミニウム合金板材の接合組立方法が、熱交換器の製造のために用いられること、および前記時効が、熱交換器の作動中の間に、当該熱交換器の高温部分内で実行されることを特徴とする、アルミニウム合金板材の接合組立方法。
  13. （ａ）４〜１５質量％のシリコンと、Ｂｉ、Ｙの元素の少なくとも一つを０．０１〜０．５質量％含むクラッディング合金を有する一つ以上の板材を被覆する過程、
    （ｂ）５８０℃と６２０℃との間に含まれる温度で、制御された窒素および／またはアルゴン雰囲気下での無フラックスのロウ付けを一つ以上の板材に受けさせる過程、
    （ｃ）前記板材を急速に冷却する過程、
    からなるアルミニウム合金板材のロウ付け方法であって、少なくとも一つの板材が、０．３〜１．０質量％の珪素と、０．３〜３．０質量％のマグネシウムと、０．３〜２．０質量％のマンガンと、０．３〜１．０質量％の銅と、Ｆｅ＜０．５％ Ｔｉ＜０．１％ Ｂｉ＜０．５％ Ｙ＜０．５％から選択された一種又は二種以上と、他の元素それぞれ＜０．０５％で合計０．１５％と、残りはアルミニウムからなる芯材用合金を含有することを特徴とする方法。
  14. 急速冷却の後に、８０℃〜２５０℃の温度での時効過程も含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記芯材用合金が、０．０５〜０．５質量％のビスマス及び／又は０．０１〜０．５質量％のイットリウムも含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記芯材用合金が、０．３５〜０．７質量％のマグネシウムを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
  17. 前記芯材用合金の組成が、質量％で、Ｓｉ：０．３〜１．０％ Ｃｕ：０．３５〜１．０％ Ｍｎ：０．３〜０．７％ Ｍｇ：０．３５〜０．７％、
    Ｆｅ＜０．５％ Ｚｎ＜０．２％ Ｔｉ＜０．１％ Ｚｒ＜０．３％ Ｃｒ＜０．３％ Ｎｉ＜１．０％ Ｃｏ＜１．０％ Ｂｉ＜０．５％ Ｙ＜０．５％から選択された一種又は二種以上、
    他の元素それぞれ＜０．０５％で合計０．１５％、
    残りはアルミニウムであることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
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