JP5037129B2 - 高強度アルミニウム合金ろう付けシート、ろう付けされた組立構造およびそれらの製造方法 - Google Patents

高強度アルミニウム合金ろう付けシート、ろう付けされた組立構造およびそれらの製造方法 Download PDF

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Description

発明の分野
本発明は、高強度および改良されたろう付け特性を有する、ろう付け用のアルミニウム合金ろう付けシート、そのようなろう付けシートを含んでなる、ろう付けされた組立構造、そのようなろう付けシートの使用およびアルミニウム合金ろう付けシートの製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、クラッドとコアとの間に中間相を含んでなり、それによって耐食性を改良し、ろう付けサイクル中のケイ素およびマグネシウムの浸透を低減させる、ろう付け特性が改良された高強度多層クラッドアルミニウム合金材料に関する。本発明は、その多層クラッドろう付けシートをロールクラッド加工または鋳造クラッド加工する方法にも関する。
関連技術の説明
この分野では、例えば自動車または他の車両の熱交換機、オイルクーラー、インタークーラー、エバポレータまたはコンデンサ、または熱交換機を使用する用途に、アルミニウム合金ろう付けシートを使用することが公知である。従来、これらの組立構造は、ろう付け用ろう付けシートから製造され、Ａｌ−Ｍｎ系アルミニウム合金またはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金をコア材料として使用し、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金、典型的にはアルミニウム協会（ＡＡ）４ｘｘｘ−シリーズ合金、を従来のろう付け用途向けのクラッドろう材として使用する。これらのろう付けシートを例えば自動車用熱交換機に組み立てた後、冷却媒体または加熱媒体を該組立構造中に装填する。そのため、組立構造、例えば熱交換機、の漏れを阻止し、同時にそのような組立構造の重量および大きさを抑えることが不可欠である。従って、最近の開発では、材料の厚さを低下させ、熱交換機構造の設計を変えることにより、大きさ、重量およびコストを下げるように改良されたろう付けシートから製造された組立構造が示されている。
ろう付け品質およびろう付けシートの熱処理可能な合金の耐久性を改良するために、多層クラッドアルミニウム材料が開発されている（H. EngstroemおよびL.-O. Gullman, 「A Multilayer Clad Aluminium Material with Improved Brazing Properties」, 18ｔｈ International AWS Brazing Conference, of March 24-26, 1987 in Chicago参照）。この論文では、ろう付けクラッドとコア層との間に中間相を使用し、耐食性を高めることが提案されている。さらに、その結果、そのような多層材料では、標準的な「コア／ろう付け」材料と比較して、コア層の粒界に沿ったケイ素浸透が大幅に遅延し、より多くのケイ素がクラッド層中に止まり、浸透深度が低下することが示されている。
日本国特許第ＪＰ−０９１７６７６７号は、下記の組成、すなわち（重量％で）Ｃｕ０．１０〜０．８０、Ｍｎ０．３０〜１．５、Ｔｉ０．０１〜０．２０、を有し、残りがアルミニウムおよび不可避な不純物であるコア層、および組成が（重量％で）Ｓｉ５．０〜１５、Ｍｇ０．３０〜２．５、残りがアルミニウムおよび不可避な不純物であるろう材層、ならびに（重量％で）Ｚｎ２．０〜５．０を含む７ｘｘｘ−型アルミニウム合金から構成される中間の犠牲腐食層を含んでなる、真空ろう付け用のアルミニウムろう付けシートを開示している。
ヨーロッパ特許第ＥＰ−０８２３３０５−Ａ２号は、下記の組成（重量％で）、すなわちＣｕ０．１５〜０．３５、Ｍｎ０．５０〜１．６、Ｍｇ０．０５〜０．５０、Ｔｉ０．０６〜０．３０を有し、残りがアルミニウムおよび不可避な不純物であるコア層、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ型クラッド材料を含んでなるクラッド層、および（重量％で）Ｍｎ０．５０〜１．２ならびに所望によりＭｇ０．５〜１．２０を含み、残りがアルミニウムおよび不可避な不純物である中間層を含んでなる、熱交換機用の良好な耐食性を有するろう付けシートを開示しており、その際、（重量％で）１．０〜５．０の量でＺｎを添加することも開示している。これらの多層ろう付けシートは、ろう付けした後の引張特性１４０ＭＰａ〜１６５ＭＰａを示している。
ヨーロッパ特許第ＥＰ−０７９９６６７−Ａ１号は、下記の組成（重量％で）、すなわちＺｎ０．０５〜１．２（所望により）、Ｍｎ０．５０〜１．５、Ｓｉ≦０．６０、Ｆｅ≦０．７０を有し、残りがアルミニウムおよび不可避な不純物であるコア層を含んでなる、ろう付けされた熱交換機用のアルミニウム合金ろう付けシートを開示しており、その際、不可避な不純物は、Ｓｉ０．６０重量％以下、Ｆｅ０．７０重量％以下に制限されている。さらに、そのようなろう付けシートは、Ａｌ−Ｓｉ系溶加合金型のクラッド層およびアルミニウムおよび総量が１．０重量％に制限される不可避な不純物を含んでなる中間層を有する。中間層は、コア層の点食電位よりも低い点食電位を有するので、この中間層は、腐食通路をそらせるための犠牲層として使用できる。
ヨーロッパ特許第ＥＰ−１１７５９５４−Ａ１号は、下記の組成（重量％で）、すなわちＣｕ０．２０〜１．０、Ｍｎ０．３０〜１．５、Ｍｇ≦０．３０、Ｓｉ０．３０〜１．３、Ｆｅ≦０．２０を有し、残りがアルミニウムおよび不可避な不純物であるコア層、コア材料の一表面上に形成されている、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金を含んでなるろう材、およびコア材料の反対側に形成されている、（重量％で）Ｍｇ２．０〜３．５、Ｚｎ０．５０〜２．０、Ｓｉ≦０．２０を含み、残りがアルミニウムおよび不可避な不純物であるクラッド材料を有する、多層アルミニウム合金ろう付けシートを開示している。さらに、コア材料にマグネシウムを添加することは、マグネシウムの添加がろう付けシートの強度を改良しても、NOCOLOK（登録商標）フラックスろう付け方法では、マグネシウムがコア材料に添加されているろう付けシートのろう付け特性が大きく低下するので、好ましくないことが記載されている。ろう付けの際、マグネシウムがクラッドろう付け層の表面に浸透し、NOCOLOKフラックス塩に影響を及ぼし、そのフラックス塩が炉中でろう付け特性を改善する。
米国特許出願第ＵＳ−２００２／００３７４２６−Ａ１号は、コア材料、Ａｌ−Ｓｉ合金の溶加合金を含むクラッド層、およびＡｌ−Ｚｎ合金の中間にある層（中間層）用の犠牲アノード材料を含む４層構造を有する、熱交換機用アルミニウム合金ろう付けシートを開示しているが、そこではコア合金が、（重量％で）Ｃｕ０．０５〜０．５０、Ｍｎ０．０５〜２．０、Ｆｅ０．２０〜０．８０、Ｓｉ０．１０〜０．５０から構成され、残りがアルミニウムおよび不可避な不純物であり、中間層が、実質的に（重量％で）Ｃｕ０．４０〜１．０、Ｍｎ０．５０〜２．０、Ｓｉ０．１０〜０．５０、Ｆｅ０．２０〜０．８０を含んでなる組成物から構成され、残りがアルミニウムおよび不可避な不純物である。
発明の概要
良好な特性および成形性の特徴のみならず、高強度および改良された耐食性をも有するろう付けシート製品を得るのが困難であったので、本発明の好ましい目的は、これらを得ることである。より詳しくは、本発明の好ましい目的は、ろう付け後の強度を、従来のＡＡ３ｘｘｘ−合金の約５０ＭＰａから、少なくとも１００ＭＰａに増加させ、同時に、厚さが小さく、重量が低い軽量ろう付け組立構造を製造するために、コア層のための高い初期融点を得ることである。
最後に、本発明の好ましい目的は、高強度のアルミニウム合金ろう付けシートおよび／またはろう付けされた組立構造を製造するための、製造コストが通常方法のコストよりも低い方法を提供し、それによって、より薄い材料を使用して軽量およびより低い製造コストを達成し、同時に多クラッドまたは多層アルミニウム材料を製造することである。本発明は、好ましくは上記目的の一つ以上を達成する。
本発明の高強度アルミニウム−亜鉛合金ろう付けシートは、Ａｌ−Ｚｎコア層および少なくとも一つのクラッド層を含んでなり、該コア層が、下記の組成、すなわち（重量％で）
Ｚｎ １．２〜５．５
Ｍｇ ０．８〜３．０
Ｍｎ ０．１〜１．０
Ｃｕ ＜０．２
Ｓｉ ＜０．３５
Ｆｅ ＜０．５、好ましくは＜０．３０
および所望により
Ｚｒ ＜０．３
Ｃｒ ＜０．３
Ｖ ＜０．３
Ｔｉ ＜０．２
Ｈｆ ＜０．３
Ｓｃ ＜０．５
からなる群から選択された一種以上を含んでなり、残りがアルミニウムおよび不可避な元素および不純物（各＜０．０５％、合計＜０．１５％）であり、該クラッド層が、典型的にはＡＡ４ｘｘｘ−シリーズ型の、Ｓｉ含有量が５〜１５重量％の範囲内にあるＡｌ−Ｓｉ系溶加合金を含んでなり、該コア層の少なくとも片側に配置されている。
本発明の別の態様では、そのような高強度アルミニウムろう付けシート製品を製造する方法を提供する。
好ましい実施態様を本明細書で説明する。
好ましい実施態様の詳細な説明
本明細書では、他に指示がない限り、百分率はすべて重量で表示する。さらに、合金の名称および焼戻しの名称は、アルミニウム協会により出版されているAluminum Standards and Data and the Registration Recordsにおけるアルミニウム協会名称に従う。
ＭｇとＺｎのバランスは重要であることが分かっている。Ｚｎの量に応じて、Ｍｇの量は、好ましくは（重量％で）１．８≦［Ｚｎ］／［Ｍｇ］≦３．３である。さらに、融解温度をろう付け用途向けに増加するために、Ｚｎの量を通常のＡＡ７ｘｘｘ−型合金と比較して少なくする。Ｃｕを０．２（重量％で）未満の量に下げ、ＺｎおよびＭｇを上記の量に選択することにより、本発明のコア層の融解温度を６２０℃まで増加することができよう。従って、Ｚｎの量（重量％で）は、好ましくは３．０〜５．０％の範囲内、より好ましくは３．５〜５．０％の範囲内、さらに好ましくは３．９〜４．５％の範囲内、最も好ましくは４．１〜４．５％の範囲内であることが分かった。
マグネシウムは、Ｚｎと共に、化合物Ｍｇ２Ｓｉの時効析出により、機械的強度を改良する。しかし、過剰量のＭｇは、クラッド溶加合金中へのＭｇの浸透およびろう付け塩フラックス、例えばNOCOLOK塩、との反応を引き起こす。しかし、マグネシウムは、コア材料の成形能力を高めるのに役立つ。コア層中のマグネシウム量（重量％で）は、好ましくは１．２〜２．５％の範囲内、好ましくは１．３〜１．９５％の範囲内である。
マンガンは、コア材料の耐食性および強度を増加するための元素である。Ｍｎは、Ｃｕと反対に、耐食性を下げずに機械的強度を付与するので、コア層中のＭｎ量（重量％で）は、好ましくは下限が０．４である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は、０．８、より好ましくは０．７％、最も好ましくは約０．５％、つまり０．４８〜０．５２％である。しかし、Ｍｎの量が高過ぎると、金属間化合物が多くなり、加工性および耐食性に悪影響を及ぼす。Ｍｎは、コア材料の電位も高くし、それによって全体的な耐食性の改良にも役立つ。
ケイ素および銅は、ろう付け後にマトリックス中の固溶体を形成することにより、合金の強度を改良するのに貢献する。Ｍｇ２Ｓｉから構成される金属間化合物がＳｉとＭｇの反応によりコア層から析出する。しかし、Ｃｕの添加により、得られる合金の電位が増加し、合金がより不活性(noble)になるので、Ｃｕ含有量は、所望により追加する犠牲中間層に対して釣り合わせる必要がある。従って、コア層中のＣｕおよび／またはＳｉの各量は、好ましくは０．２以下の範囲内に選択するのが好ましく、これらの元素のそれぞれは、好ましくは０．１未満の範囲内である。
鉄は、大きな金属間化合物の形成を促進し、これが合金全体にわたって分布することにより、成形の際に合金の亀裂発生を抑制する。しかし、Ｆｅは、結晶粒を細かくし、それによってろう付け特性を損なう。従って、コア層中のＦｅの量は、好ましくは（重量％で）０．５％未満、好ましくは０．３％未満、より好ましくは０．１２〜０．３０％の範囲内である。
添加する場合、ジルコニウムは、好ましい実施態様では、０．０４〜０．２％の範囲内、より好ましくは０．１２〜０．１７％の範囲内であり、結晶粒径構造の制御に貢献すると考えられている。Ｚｒは、金属間化合物の形成を助長し、それによってアルミニウムろう付けシートの加工性および耐食性を低下させるので、高過ぎるＺｒレベルは避けるべきである。このことは、Ｔｉにも等しく当てはまり、Ｔｉは、０．１５％未満、好ましくは約０．０３％にすべきである。Ｔｉは、鋳造構造用の結晶粒微細化剤としても、元素として、または公知のホウ化チタンまたは炭化チタン結晶粒微細化剤として添加することができる。
元素Ｃｒ、Ｖ、ＨｆおよびＳｃは、とりわけ製品の結晶粒構造の制御を支援するために添加することができるが、これらの元素は、コア合金シートを製造する際の急冷感度に対しても影響する。これらの元素の最適レベルは、コアシートの処理によって異なるが、個別に、量は限定された範囲を超えるべきではない。これらの元素の２種類以上を使用する場合、そのような組み合わせた元素の合計は、好ましくは０．３％を超えるべきではなく、より好ましくは０．２６％を超えるべきではない。ジルコニウムは金属間化合物の形成を助長し、それによって、アルミニウムろう付けシートの加工性、および場合により耐食性をも損なうので、これらの元素のレベルはあまり高くすべきではない。
好ましい実施態様は、上記のコア層を含んでなり、コア層の両側にクラッド層を形成する。そのようなろう付けシートは、両側がろう付けシートの組立に使用される様々な用途に使用できる。
本発明の別の好ましい実施態様では、コア層の少なくとも片側に中間層を形成し、該中間層は、コア層よりも耐食性が低い犠牲（アノード）材料またはコア層よりも耐食性が高い保護材料を含んでなる。好ましくは、中間層は、それぞれ好ましくは約３％までのＺｎを添加した、ＡＡ３ｘｘｘ−型のＡｌ−Ｍｎ合金組成物またはＡＡ１ｘｘｘ−型の純粋アルミニウム合金またはＡＡ６ｘｘｘ−シリーズ型のＡｌＭｇＳｉ合金を含んでなる。
コア層とクラッド層との間に、溶加材を含んでなる中間層を使用することにより、下記の利点の一つ以上が得られる。
第一に、全体的な耐食性を強化することができ、同時に、Ｚｎの使用全体にわたって高い強度を達成し、維持することができる。それによって、厚さがより小さく、重量がより少なく、より安価なろう付けシートを使用することができる。中間層の使用により、本発明のろう付けシートの耐食性は、従来のＡＡ３ｘｘｘ−型コア材料またはＡＡ６ｘｘｘ−型材料に匹敵する。
第二に、コア層のそれぞれの側に一つずつ、二つの中間層を使用することにより、より高い融解温度を得ることができる。本発明の合金を含むコア層および二つの中間層、ならびにそれらの片側または両側にあるクラッド層を含んでなる層状構造の初期融点は、より多くのＺｎを含むコア材料の融解温度が低下する問題を無くすか、または軽減することができる。
第三に、中間層は、バリヤー層として作用し、コア層からクラッド層へのＭｇ拡散およびクラッド層からコア層へのＳｉ拡散を阻止する。そのような層全体にわたる元素移動の低減により、ろう付けシートの改良された特性、例えばより優れたろう付け能力および機械的特性、が達成される。
好ましい中間層は、下記の組成、すなわち（重量％で）
Ｍｎ ０．８〜１．５
Ｓｉ ≦０．５
Ｃｕ ≦０．５
Ｍｇ ≦０．３
Ｆｅ ≦０．５
Ｔｉ ≦０．２
を含んでなり、残りがアルミニウムおよび不可避な元素および不純物（各＜０．０５、合計＜０．２０）であるＡｌ−Ｍｎ合金組成物を含んでなる。
さらに好ましくは、本中間層は、マンガンに加えて、またはその代わりに、亜鉛を、（重量％で）好ましくは３％までの範囲内、好ましくは０．５〜２．５％の範囲内、最も好ましくは１．０〜１．５の範囲内で含んでなる。亜鉛の添加により、犠牲アノード材料の電位が、コア合金のそれよりも下がり(less noble)、腐食防止効果を確保する。亜鉛添加の効果は、その量が少ないと不十分である。しかし、亜鉛の添加量が高過ぎると、合金の融点が、ろう付け温度の方向で低下する。
さらに、中間層中のマンガンを、部分的に亜鉛で置き換えて少なくすることにより、耐食性が高くなることが分かった。中間層が腐食経路をそらせ、それによってコア層が影響を受けることから保護される。
本発明の別の好ましい実施態様では、中間層を保護層として作用するＡＡ１ｘｘｘ−型合金から製造する。ここで、そのような層の電位をコア層に対して制御するために、亜鉛を添加することもできる。一般的に、耐食性がより低い中間層、例えば、孔や引掻き傷のような機械的損傷に対して著しく不変である犠牲中間層、を使用するのが有利である。
本発明の別の好ましい実施態様では、コア層の両側にクラッド層を形成し、コア層の少なくとも片側に、コア層とクラッド層との間に中間層を形成する。ろう付けシートは、使用の際、一般的に片側が腐食性雰囲気にさらされるので、そのような側は、コア層とクラッド層との間に中間層を含み、コア層をろう付け後の腐食から保護すべきである。コア層と中間層の厚さの比は、好ましくは１０≦コア層／中間層≦５０の範囲内であり、その際、中間層の厚さは好ましくは少なくとも４０μｍである。そのような厚さは、総厚が約０．４〜２．０ｍｍの多クラッドまたは多層ろう付けシートに有利である。
コア層の厚さは、（ろう付けシートの総厚に対する百分率で）好ましくは６０〜９０％であり、中間層の厚さは、（ろう付けシートの総厚に対する百分率で）好ましくは５〜２５％であり、クラッド層の厚さは、（ろう付けシートの総厚に対する百分率で）好ましくは５〜１５％の範囲内である。
本発明のろう付けされた組立構造は、上記のようなコア層、コア層の片側または両側にある中間層および少なくとも一方の中間層上、つまり層状構造の少なくとも片側にあるＡｌ−Ｓｉ型（溶加合金）のクラッド層を含むろう付けシートを含んでなる。
本発明の別の実施態様では、ろう付けされた組立構造は、コア層および２個の中間層を含んでなる層状構造の両側にクラッド層を含んでなる。
別の好ましい実施態様では、本発明の組立構造が、クラッド層により被覆されていない方の中間層が外側に面するように互いに重なり合った複数のろう付けシートを有し、面しているクラッド層をろう付けすることにより、重なり合ったろう付けシートが接合される。
本発明は、上記のろう付けシートまたは上記の組立構造の、ろう付け用途、例えば熱交換機、例えばラジエータ、オイルクーラー、インタークーラー、ヒーターコア、エバポレータまたはコンデンサ、または主として熱交換の目的で、小型の組立構造を形成するために、ろう付けシートを接合することにより製造する、類似の用途および組立構造、への使用を含んでなる。
本発明は、高強度および良好な耐食性を有するアルミニウム合金ろう付けシートの製造方法であって、
ａ）下記の組成、すなわち（重量％で）
Ｚｎ １．２〜５．５
Ｍｇ ０．８〜３．０
Ｍｎ ０．１〜１．０
Ｃｕ ＜０．２
Ｓｉ ＜０．３５
Ｆｅ ＜０．５、好ましくは＜０．３０
および所望により
Ｚｒ ＜０．３
Ｃｒ ＜０．３
Ｖ ＜０．３
Ｔｉ ＜０．２
Ｈｆ ＜０．３
Ｓｃ ＜０．５
からなる群から選択された一種以上を含んでなり、残りが実質的にアルミニウムおよび不可避な元素および不純物（各＜０．０５、合計＜０．１５）であるコアインゴットをコア材料として鋳造する工程、
ｂ）鋳造後のコアインゴットを均質化および／または予備加熱する工程、
ｃ）Ａｌ−Ｓｉ系溶加合金を含んでなるクラッドインゴットを鋳造し、鋳造後のクラッドインゴットを均質化および／または予備加熱し、該クラッドインゴットを圧延されたクラッド部材に熱間圧延する工程、
ｄ）該コアインゴットおよび該熱間圧延されたクラッド部材を重ね合わせ、層状部材を形成する工程、
ｅ）該層状部材を熱間圧延し、所望により冷間圧延して圧延された製品を形成する工程、
ｆ）所望により、冷間圧延通しの間に中間焼きなましする工程、
ｇ）所望により、最終焼きなましする工程、および
ｈ）圧延し、所望により中間／最終焼きなましした製品を、好ましくは常温時効により、時効にかける工程
を含んでなる、方法を提供する。
さらに、好ましくはＡＡ３ｘｘｘ−型のＡｌ−Ｍｎ合金組成物またはＡＡ１ｘｘｘ−型の純粋アルミニウムまたはＡＡ６ｘｘｘ−型のＡｌＭｇＳｉ合金を含んでなる中間インゴット（中間層製造用のインゴット）を、所望によりそれぞれＺｎを添加してさらに鋳造し、鋳造後の中間インゴットを均質化および／または予備加熱し、該中間インゴットを、圧延された中間部材（中間層として使用する圧延されたシート）に熱間圧延し、該コアインゴット、該中間部材および該熱間圧延されたクラッド部材（別のクラッドインゴットから製造された、クラッド層として使用される圧延されたシート）を重ね合わせ、該層状部材を形成することができる。ここで、圧延された中間部材および該熱間圧延されたクラッド部材のサイズに溝を削り取ることにより、コアインゴット中に長方形の溝を設けるのが有利である。次いで、この溝中に、圧延された中間部材のスライスおよび−その上に−圧延されたクラッド部材のスライスを配置し、その後、コア材料およびクラッド材料間の縁部を使用し、層状構造を溶接により継ぎ合わせ、層状部材を、圧延された製品に、熱間圧延し、所望により冷間圧延する。
本発明の別の好ましい実施態様により、多層ろう付けシート製造する新規な方法を提供する。本方法は、
ａ）中央コア層として上記の組成物、および中央コア層の両側にある中間層として、ＡＡ３ｘｘｘ−型のＡｌ−Ｍｎ合金組成物またはＡＡ６ｘｘｘ−型のＡｌＭｇＳｉ合金またはＡＡ１ｘｘｘ−型の純粋アルミニウムを、所望によりＺｎを添加して使用し、多クラッドインゴット（３層の材料を含む、すなわち中央コア材料の両側を中間層材料で被覆されているインゴット）を鋳造する工程、
ｂ）鋳造後の該多クラッドインゴットを均質化および／または予備加熱する工程、
ｃ）Ａｌ−Ｓｉ系溶加合金を含んでなるクラッドインゴットを鋳造し、鋳造後のクラッドインゴットを均質化および／または予備加熱し、該クラッドインゴットを圧延されたクラッド部材に熱間圧延する工程、
ｄ）該多クラッドインゴットおよび該熱間圧延されたクラッド部材を重ね合わせ、該層状部材を形成する工程、
ｅ）該層状部材を熱間圧延し、所望により冷間圧延して圧延された製品を形成する工程、
ｆ）所望により、冷間圧延通しの間に中間焼きなましする工程、
ｇ）所望により、最終焼きなましする工程、および
ｈ）圧延し、所望により中間／最終焼きなましした製品を、好ましくは常温時効により、時効にかける工程
を含んでなることにより、アルミニウム合金多クラッドろう付けシートを製造する。
そのような方法には、コアインゴット、およびコアインゴットの両側に集積された中間層を同時に鋳造し、それによって熱間圧延またはロールクラッド加工の際に層が移動する問題が低減されるという利点がある。
この分野で一般的な他のクラッド加工技術、例えば溶射クラッド加工または連続鋳造クラッド加工、も、本発明の多層材料の製造に同様に適用できる。
本発明は、互いに重ね合わせた、好ましくはクラッドインゴットを鋳造する方法により、上記のように製造されたろう付けシートの組立構造を、ろう付け温度に加熱することにより、上記のろう付け組立構造を製造する好ましい方法も開示する。典型的なろう付けサイクルは、例えば第一時間間隔中に第一の温度に、第二時間間隔中に第二温度に加熱し、該組立構造を該第二温度に第三時間間隔だけ保持し、該組立構造を特定の冷却速度で冷却することを含んでなる。
一例として、該第一温度は、約５００℃〜５５０℃の範囲内であり、該第二温度は、約５８０℃〜６００℃の範囲内であり、該第一時間間隔は約８〜１２分間の範囲内であり、該第二時間間隔は約３〜７分間の範囲内であり、該第三時間間隔は約２〜４分間の範囲内であり、該冷却速度は典型的には約５０℃／分〜７０℃／分の範囲内である。
様々なろう付け方法、例えば真空ろう付けまたは例えばNOCOLOKフラックスを使用する調整雰囲気ろう付け、またはニッケルおよび／または鉄および／またはコバルトを使用するのが有利である無フラックスろう付け、を使用することができる。
そこで、本発明は、ろう付け後強度が非常に高いコア層を示すろう付けシートを提供する。平均ろう付け後強度（０．２％保証強度(Proof Strength)）は約１６５ＭＰａであった。ＡＡ７ｘｘｘ−型コア合金は、ＡＡ３ｘｘ３−型中間層との好ましい組合せで、最良の例では、ＳＷＡＡＴ性能が４７日間無孔であった。
本発明のコア合金の結晶粒構造は、非常に細長い、再結晶化された結晶粒を示し、平均結晶粒径（幅ｘ長さ）は約１５ｘ２５０μｍである。これらの合金は、金属間化合物が小さく、多くの金属間化合物が圧延方向で縞または線を形成するコアを示した。中間層区域ならびにコア層中に大量の析出物が形成された。しかし、コア層中では、析出物が少ない軽い縞も幾つか形成されている。
例では、約１２０μｍの深さにわたって、コア層の表面に向かって亜鉛濃度が低下していることが分かる。そのため、多クラッド合金は、表面区域で、バルク−コア区域における高濃度の亜鉛により引き起こされる、著しく高い腐食電位を有する。
本発明のろう付けシートの、上記および他の特徴および利点は、下記の幾つかの好ましい実施態様の詳細な説明から容易に理解できる。幾つかの例を添付の図面に示す。
好ましい実施態様の詳細な説明
図１は、本発明のろう付けシートの、コア層１およびクラッド層２を有する基本的な構造を図式的に示す。図２および図３に示すように、コア層１は、両側でＡｌ−Ｓｉ系溶加合金型のクラッド層２で、または片側でクラッド層２および反対側で中間層３でクラッド加工することができる。中間層３を有する反対側は、腐食性雰囲気に露出される。
本発明の好ましい実施態様を図３および４に示す。コア層１は、２個の中間層３の間に埋め込まれ、それらの中間層３は、クラッド層２でクラッド加工されている。本発明のろう付けシートを含む組立構造を製造することにより、２個の重なり合ったろう付けシートの角部４でクラッド層２が積み重なり、それによって、ろう付けの際に一緒にろう付けされる。
工業的規模で、５種類の異なったアルミニウム合金を、下記の表１に示す化学組成を有する高強度アルミニウム合金ろう付けシートのためのＡｌ−Ｚｎコア層として使用するインゴットに鋳造した。
表１ ＤＣ鋳造コアアルミニウム合金の化学組成、重量％、Ｃｕ０．０２％、Ｓｉ０．０８％、残りはアルミニウムおよび不可避な不純物である。

合金 合金化元素
Ｚｎ Ｍｇ Ｍｎ Ｚｒ Ｆｅ Ｔｉ
１ 3.50 1.89 0.50 0.145 0.26 0.03
２ 4.10 1.64 0.51 0.148 0.27 0.03
３ 4.50 1.37 0.49 0.142 0.27 0.03
４ 4.50 1.90 0.51 0.139 0.23 0.03
５ 4.10 1.69 0.50 0.143 0.25 0.03
鋳造したインゴットを約１００ｘ８０ｘ８０ｍｍの圧延ブロックに切断した。これらのブロックは、クラッド加工していない。均質化処理の後、これらのブロックを、ＡＡ４０４５合金のろう材層でクラッド加工し、ろう付けシート材料に使用する標準的な加工経路と同等の加工経路で（０．４ｍｍ／１．０ｍｍに）圧延した。次いで、これらの多クラッド材料を、３５０℃で３時間、Ｏ−焼戻し条件に最終焼きなまししたが、加熱および冷却速度は約３０℃／時間であった。Ｏ−焼戻し条件における、これらの多クラッド合金の機械的特性を表２に示す。これらの多クラッド材料を典型的なろう付けサイクルにかけた後、ろう付け後の保証強度を測定した。
表２ 表１のコア合金１〜４の、引張特性および強度、伸長（成形性）、初期融解温度（Ｔ−Ｍｅｌｔ）およびろう付け後の保証強度（Ｒｐ（ｐ．ｂ．））

コア Ｒｐ Ｒｍ Ａ８０ Ｒｐ（ｐ．ｂ．） Ｔ−Ｍｅｌｔ
合金 (MPa) (MPa) (%) (MPa) （℃）
１ 109 228 13.0 139 613
２ 113 222 10.2 148 618
３ 127 215 8.5 135 619
４ 114 220 10.4 174 609
表２は、Ｏ−焼戻し条件で、これらの合金が適度に強いことを示している。また、コア合金１、２および４の成形性も妥当である（８〜１３％）。初期融点は６００℃を大きく超えている。亜鉛量が高いために、強度特性が高められており、マグネシウム量の高いことも合金に強度を付与している。ろう付け後の降伏強度（０．２％ＰＳ）に好ましい目標１４０ＭＰａが合金２および４で達成できている。
ここで、亜鉛とマグネシウムのバランスが強度特性に非常に重要であることが分かる。さらに、すべてのコア合金が目標とする初期融点を達成しており、その際、ケイ素およびマグネシウムが、亜鉛よりも、初期融点を下げるのにはるかに強い影響力を有すると考えられる。最も有望な合金は、非常に高い強度１４８ＭＰａおよび１７４ＭＰａを、初期融点６１８℃および６０９℃と組み合わせて示す合金番号２および４であった。
さらに、合金番号５を、２種類の異なった中間層合金と組み合わせてさらに試験した。工業的規模で、中間層用の２種類の異なった合金組成物を含む、２種類の異なったアルミニウム合金を鋳造した。化学組成を表３に示す。
表３ ＤＣ鋳造中間層合金の化学組成、重量％、Ｚｒ≦０．０５、Ｔｉ≦０．０５、
残りがアルミニウムおよび不可避な不純物である
合金化元素
中間層 Ｍｎ Ｓｉ Ｃｕ Ｍｇ Ｚｎ Ｆｅ
合金
１ 1.07 0.19 0.10 0.02 0.00 0.31
２ 1.05 0.19 0.10 0.02 1.34 0.31
表３に示す両合金を、表１の合金番号５を含んでなるコア層と組み合わせて使用した。３５日間常温時効後の各種多クラッド材料のろう付け後機械的特性を試験し、表４に示す。
２種類の多クラッド材料に関してＤＳＣにより測定した初期融点を表５に示す。初期融点は、ろう付け前の材料に対して、最終焼きなまし、Ｏ−焼戻し条件で測定した。
表４ 様々な厚さと組み合わせた多クラッド材料の、３５日間常温時効後のろう付け
後機械的特性、腐食性能（ＡＳＴＭ Ｇ８５によるＳＷＡＡＴ試験）、
５０日後に試験終了
合金 Ｒｐ Ｒｍ Ａ８０ ＳＷＡＡＴ 総厚
コア／中間層 MPa MPa % 日 ｍｍ
５ １ 164 291 13.2 14 0.4
５ ２ 159 284 14.3 5 0.4
５ １ 168 306 17.0 47 1.0
５ ２ 168 304 17.5 42 1.0
表５ ＤＳＣにより測定した初期融点

合金 初期融点
コア 中間層 Ｔ（℃）
５ １ ６１５
５ ２ ６１３
コア合金番号５と中間層１または２の組合せの初期融点は、十分なレベル以上である。ＳＷＡＡＴ試験の結果は、これらの材料の、標準的なろう付け材料と比較して優れた耐食性挙動を示している。さらに、耐食性は、亜鉛を含まない中間層の耐食性は、上記の亜鉛を含んでなる中間層よりも優れていることが分かった。より優れた腐食性能を得るには、０．５ｍｍを超える厚さおよび／または中間層合金１を使用することが推奨できると思われる。従って、本発明の多クラッドまたは多層ろう付けシートは、非常に高いろう付け後強度を、非常に良い腐食特性および比較的高い初期融点と組み合わせて有し、構造に良好なろう付け特性を与える。特に、合金番号４のろう付け後の強度特性１７４ＭＰａは、先行技術のコア合金の大部分よりも優れている。 従って、本発明の多クラッド層状ろう付けシートは、非常に高いろう付け後強度を、非常に良い腐食特性および比較的高い初期融点と組み合わせて有し、構造に良好なろう付け特性を与える。
以上、本発明を十分に説明したが、当業者には明らかなように、本明細書で記載する本発明の精神および範囲から離れることなく、多くの変形および修正を行うことができる。
本発明の基本的なろう付けシート構造を図式的に示す。 本発明のろう付けシートの３層構造を図式的に示す。 本発明のろう付けシートの５層構造を図式的に示す。 図３の構造を有する重ね合わせたろう付けシートを含む、軽量のろう付けされた組立構造の断面を図式的に示す。

Claims (8)

  1. Ａｌ−Ｚｎコア層（１）、前記コア層（１）の両側の中間層（３）、および各中間層（３）上のクラッド層（２）を含んでなり、前記コア層（１）が、下記の組成、すなわち重量％で、
    Ｚｎ ３．０〜５．０
    Ｍｇ １．２〜２．５
    Ｍｎ ０．１〜１．０
    Ｃｕ ＜０．２
    Ｓｉ ＜０．３５
    Ｆｅ ＜０．５
    および下記元素の一種以上
    Ｚｒ ＜０．３
    Ｔｉ ＜０．２
    を含んでなり、残りがアルミニウムおよび不可避不純物であり、前記クラッド層（２）が、Ａｌ−Ｓｉ系溶加合金を含んでなり、前記コア層（１）の少なくとも片側に付けられている、前記中間層（３）が、前記コア層（１）よりも耐食性が低い犠牲アノード材料または前記コア層（１）よりも耐食性が高い保護材料を含んでなり、
    前記中間層（３）が、下記の組成、すなわち重量％で、
    Ｓｉ ≦０．５
    Ｃｕ ≦０．５
    Ｍｇ ≦０．３
    Ｆｅ ≦０．５
    Ｔｉ ≦０．２
    Ｚｎ ０．５〜２．５
    Ｍｎ ０または０．８〜１．５
    を含んでなり、残りがアルミニウムおよび不可避不純物であるＡｌ合金組成物を含んでなる、高強度アルミニウム−亜鉛合金ろう付けシート。
  2. 前記コア層（１）中のＺｎ量が、３．５〜５．０％の範囲内である、請求項１に記載のろう付けシート。
  3. 前記コア層（１）中のＭｎ量が、０．４〜０．８％の範囲内である、請求項１または２に記載のろう付けシート。
  4. 前記コア層（１）中のＺｒ量が、０．０４〜０．２％の範囲内である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のろう付けシート。
  5. 前記中間層（３）が、Ｚｎを、１．０〜１．５重量％の範囲内で含んでなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のろう付けシート。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のろう付けシートの、ろう付けシート製品における、またはろう付けされた組立構造における使用。
  7. 熱交換機としての請求項６に記載の使用。
  8. 高強度および良好な耐食性を有するアルミニウム合金ろう付けシートの製造方法であって、
    ａ）中央コア層として、重量％で、
    Ｚｎ １．２〜５．５
    Ｍｇ ０．８〜３．０
    Ｍｎ ０．１〜１．０
    Ｃｕ ＜０．２
    Ｓｉ ＜０．３５
    Ｆｅ ＜０．５
    および下記元素の一種以上
    Ｚｒ ＜０．３
    Ｔｉ ＜０．２
    を含んでなり、残りがアルミニウムおよび不可避不純物である組成物を使用し、かつ、前記中央コア層の両側にある中間層として、重量％で、
    Ｓｉ ≦０．５
    Ｃｕ ≦０．５
    Ｍｇ ≦０．３
    Ｆｅ ≦０．５
    Ｔｉ ≦０．２
    Ｚｎ ０．５〜２．５
    Ｍｎ ０または０．８〜１．５
    を含んでなり、残りがアルミニウムおよび不可避不純物であるＡｌ合金組成物を使用して多クラッドインゴットを鋳造し、それにより多クラッドインゴットを形成する工程、
    ｂ）鋳造後の前記多クラッドインゴットを均質化および／または予備加熱する工程、
    ｃ）Ａｌ−Ｓｉ系溶加合金を含んでなるクラッドインゴットを鋳造し、鋳造後の前記クラッドインゴットを均質化および／または予備加熱し、前記クラッドインゴットを圧延されたクラッド部材に熱間圧延する工程、
    ｄ）前記多クラッドインゴットおよび前記熱間圧延されたクラッド部材を重ね合わせ、層状部材を形成する工程、
    ｅ）前記層状部材を熱間圧延、または熱間圧延および冷間圧延の両方をして、圧延された製品を形成する工程、
    ｈ）圧延した製品を時効にかける工程
    を含んでなり、該方法が、工程ｅ）と工程ｈ）の間に、ｆ）前記層状部材を冷間圧延通しの間に中間焼きなましする工程および／またはｇ）最終焼きなましする工程をさらに含んでもよいし又は含まなくてもよい、方法。
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