JP5079198B2

JP5079198B2 - アルミニウム蝋付け合金

Info

Publication number: JP5079198B2
Application number: JP2001538572A
Authority: JP
Inventors: ビツテブロード，アドリアヌス・ヤコブス; ビユルガー，アヒム; フイーレツゲ，クラウス; バン・デル・ホーベン，ヨブ・アントニウス; ハラー，スコツト・ダブリユー
Original assignee: Aleris Aluminum Koblenz GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: ES2244888T3; ATE298008T1; CN1177070C; EP1242643A1; AU2160801A; EP1323839A1; DE60004398T2; CA2391381C; EP1242643B1; DK1242643T3; KR20020053082A; PT1323839E; ES2203544T3; EP1323839B1; WO2001036697A2; KR100693673B1; PT1242643E; DE60020890D1; JP2003514989A; WO2001036697A3

Description

【０００１】
（本発明の分野）
本発明は熱交換器に使用できるアルミニウム合金に関する。理想的には本発明のアルミニウム合金は熱交換装置のフィンストック（ｆｉｎｓｔｏｃｋ）材料として提供される。さらに本発明は本発明のアルミニウム合金から成る少なくとも一つの機素を含む蝋付けされたアセンブリーに関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
従来法において熱交換器の用途に対する合金としてアルミニウム合金が選ばれてきた。これらの合金は強度、軽量、良好な熱伝導性および電気伝導性、蝋付け特性、耐食性、および成形性が望ましく組み合わせられるように選ばれる。
【０００３】
アルミニウム合金の熱交換器は、所望の形状につくられたアルミニウム合金の合せ板（蝋付け板）を流体の通路（管）が生じるように重ね合わせ、蝋付けによって流体通路の間に波形のアルミニウム合金のフィン（ヒレ）を固定することによってつくることができる。合金の合せ板または管材料とフィンとの間の接合は芯になる板および／またはフィンの材料の充填金属を熔融することによって達成される。蝋付け法としては典型的には真空蝋付け法または融剤蝋付け法が適用される。流体通路の材料の耐蝕性を改善しようとする場合、流体通路材料に対して電気化学的に陽極的な（貴でない）或る種のフィン材料をその材料の犠牲陽極効果（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌａｎｏｄｅｅｆｆｅｃｔ）によって使用することができる。
【０００４】
従来の文献に見出だされるアルミニウム蝋付け用シートに関するいくつかを下記に掲げる。
【０００５】
技術誌ＬｉｇｈｔＭｅｔａｌＡｇｅ、１９８０年１２月号、２０〜２１頁所載の「アルミニウム合金３００９：マグネシウムなしでの高強度」と題するＪ．Ａｌｔｈｏｆｆの論文には、マグネシウムを含まない３００９合金が記述されている。３００９合金は重量％単位で下記の組成をもっている。
【０００６】
Ｓｉ１．０〜１．８
Ｆｅ最高０．７
Ｃｕ最高０．１０
Ｍｎ１．２〜１．８
Ｍｇ最高０．０１
Ｃｒ最高０．０５
Ｎｉ最高０．０５
Ｚｎ最高０．０５
Ｚｒ最高０．１０
Ｔｉ最高０．１０
他の金属それぞれ最高０．０５、全部で最高０．１５
残りはアルミニウム。
【０００７】
但しここでＳｉ；Ｆｅは２：１〜４：１でなければならず、
またＭｎ＋Ｓｉは２．５〜３．５の範囲でなければならない。
ここに記載された合金は公知のＡＡ３００３合金で置き換えることができ、鑞付けの用途に使用することができる。
【０００８】
ヨーロッパ特許Ａ−０６３７４８１号（Ｆｕｒｕｋａｗａ）には、三層構造の合せ板から成り、芯の層の片側には蝋付け材料が、また芯の層の他の側には犠牲材料が張り合わされているアルミニウム合金の蝋付け用シートが記載されている。ここで規定された芯の材料は非常に広い範囲で変化する組成をもっており、重量％単位で
Ｓｉ０．６〜２．５
Ｃｕ０．５〜２．５
Ｍｎ最高２．０
を含み、
Ｍｎ０．０３〜０．５
Ｃｒ０．０３〜０．３
Ｚｒ０．０３〜０．３
Ｔｉ０．０３〜０．３
Ｎｉ０．０３〜１．５
から成る群から選ばれる少なくとも１種の元素を含み、
残りはアルミニウムおよび不純物である。
この文献にはさらに三層構造から成り、芯の材料の両側に蝋付け用の材料が張り合わされているアルミニウム合金蝋付け用シートが記載されており、この場合芯の材料は下記のような非常に広い範囲で変化する重量％単位の組成をもっている。
【０００９】
Ｓｉ０．０３〜２．５
Ｆｅ０．０５〜２．０
Ｃｕ０．０５〜２．０
Ｍｎ０．６〜２．０
を含み、また
Ｚｎ０．０５〜５．０
Ｉｎ０．００２〜０．３
Ｓｎ０．００２〜０．３
から成る群から選ばれる少なくとも１種の元素を含み、
残りはアルミニウムおよび不純物である。
【００１０】
自動車産業においては、熱交換器の用途に使用でき、改善された蝋付け後の強度が良好な耐食性と組み合わされているアルミニウム合金に対する市場からの需要がある。さらにこのようなアルミニウム合金を製造する側面から見て、再利用を行なう場合、このようなアルミニウム合金の必要な性質を損なうことなしに不純物元素に対して許容度をもった合金に対する需要が存在してい。
【００１１】
（本発明の概要）
本発明の目的は、同じ用途に対する従来の合金に比べ改善された蝋付け後の０．２％降伏強さをもつ、熱交換器に使用できるアルミニウム合金を提供することである。本発明の他の目的は、不純物元素に対する改善された許容度をもつアルミニウム合金を提供することである。本発明のさらに他の目的は、熱交換装置のストック材料として理想的に適したアルミニウム合金を提供することである。
【００１２】
本発明によればその一態様において、重量％単位で
Ｓｉ０．７〜１．２
Ｍｎ０．７〜１．２
Ｍｇ最高０．３５
Ｆｅ最高０．８
Ｚｎ最高３．０
Ｎｉ最高１．５
Ｃｕ最高０．５
Ｔｉ最高０．２０
Ｉｎ最高０．２０
Ｚｒ最高０．２５
Ｖ最高０．２５
Ｃｒ最高０．２５
他の金属それぞれ最高０．０５、全部で最高０．１５
Ａｌ残り
の組成をもつアルミニウム合金が提供される。
【００１３】
このアルミニウム合金は、必要に応じ犠牲陽極効果を含む良好な耐蝕性が蝋付け後における良好な機械的特性と組み合わされており、同じ熱処理（ｔｅｍｐｅｒ）における従来のフィンストック合金、例えばＡＡ３００３に比べ蝋付け後の０．２％降伏強さを少なくとも１５％増加させることができる。本発明のアルミニウム合金は少なくとも６０ＭＰａの蝋付け後の０．２％降伏強さ（ＰＳ）を達成することができ、最良の例では少なくとも６５ＭＰａ、さらに７０ＭＰａまたはそれ以上の値を得ることができる。
【００１４】
このアルミニウム合金は熱交換器ユニットの管板、側方支持材およびヘッダー・タンクに使用でき、また他の用途ももっているが、主として熱交換器のフィンストック合金としてつくられたものである。フィンストックに対する耐蝕性の要件は、熱交換器ユニットが腐蝕を受けた場合、フィンの材料が選択的に腐蝕され、管の材料は腐食されないことである。本発明の合金はこのような犠牲陽極効果をもっている。本発明の合金は従来のフィンストック合金、例えばＡＡ３００３に比べて強く、従ってフィンストックを薄く軽量にすることができる。フィンストック材料として使用される本発明の合金は蝋付け合金、例えば当業界に公知のＡｌ−Ｓｉ合金、または同様なＡｌ−Ｓｉ系合金、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｂｉ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｂｉ合金等の張り合せ材と組み合わせて使用することができる。
【００１５】
熱交換器の市場、特に自動車産業におけるその市場は、フィンストック合金が特性のバランスをもっていること、即ち強度、成形性、蝋付け性および潜在的腐蝕性の間で均衡がとれていることを要求している。本発明の新規合金のキーとなる特徴は、ＡＡ３００３合金に比べてＳｉ含量が比較的高く、それと組み合わされてＭｎ含量が中程度であることである。これによって蝋付け後の強度は従来のフィンストック合金に比べ１５％以上増加する。本発明の合金は特に優れた蝋付け特性を示す。
【００１６】
本発明のアルミニウム合金の合金用元素を限定する理由を以下に説明する。以下の説明ですべての組成物の割合は重量によるものとする。
【００１７】
Ｓｉは本発明の合金において重要な合金用元素である。Ｓｉを添加すると合金における固溶硬化（ｓｏｌｕｔｉｏｎｈａｒｄｅｎｉｎｇ）を増加させることができる。０．７％より少ない場合Ｓｉの添加の効果は殆どなく、１．２％より多い場合悪影響を与える低融点の共融混合物が生じ、また大きな金属間粒子が生じる。Ｓｉ含量の対するもっと適切な範囲は０．７５〜１．０％である。多くのアルミニウム合金において中程度の範囲のＳｉレベルは悪影響を及ぼすとは見做されていない。Ｓｉ含量がこの中程度の範囲にある利点は、この合金が不純物の元素に対する許容度をもち、大量の屑材料からこの合金をつくることができることである。好ましくはＳｉ＋Ｍｎの和は１．６〜３．２、さらに好ましくは１．７５〜２．１の範囲にあり、蝋付け後の強度およびサグ耐性（ｓａｇ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）のような合金の所望の性質と良好に妥協することができ、同時に屑材料から困難なく合金をつくることができる。
【００１８】
Ｍｎも本発明の合金における重要な合金用元素である。Ｍｎの中間的な添加範囲は０．７〜１．２％である。Ｍｎ含量に対するもっと好適な下限は０．８％である。Ｍｎ含量に対するもっと好適な上限は１．１％である。さらに好ましくはＭｎは０．８〜１．０％の範囲で存在しなければならない。Ｍｎ含量が非常に高いと悪影響を及ぼす大きなＦｅ−Ｍｎ金属間化合物が生成するであろう。Ｆｅ含量が比較的高い大量の屑材料から合金をつくることができるようにするためには、Ｍｎのレベルは１．２％を越えてはならない。Ｍｎが１．２％より多いとインゴットの鋳造が困難になる。
【００１９】
Ｍｇは合金の強度を著しく増加させるが、使用する融剤と相互作用する傾向があるので、制御された雰囲気の中における蝋付け特性に有害な影響を与える。このためＭｇ含量は最高０．３５％に限定され、蝋付け後の強度および蝋付け特性と妥協を図った場合、Ｍｇレベルに対するもっと好適な範囲は０．２〜０．３５％である。
【００２０】
Ｆｅはすべての公知のアルミニウム合金の中に存在している。他のものに比べＦｅ含量が高過ぎると、材料の成形性が減少し、また耐蝕特性は減少する。許容できるＦｅ含量は最高０．８％であり、好ましくは最高０．５％である。このように比較的高いＦｅ含量はＭｎ含量を制限することによって許容することができる。適切なＦｅ含量は０．２０〜０．４５％の範囲であり、合金の所望の特性、例えば蝋付け後の強度およびサグ耐性と良好な妥協を行うことができ、同時に屑材料から大きな困難なく合金を製造することができる。
【００２１】
Ｚｎを添加すると、一層電気的に陰性な腐蝕電位が得られる。犠牲陽極効果を考慮するためには、フィン材料は管材料のように一層電気的に陰性でなければならない。熱交換器には種々の種類の管材料を使用できまた使用されると思われるので、Ｚｎ含量を使用して本発明の合金の腐蝕電位を管材料に適合させることができる。フィン材料があまりにも速く腐食されるのを防ぐためには、Ｚｎ含量は３．０重量％より少なくなければならない。Ｚｎは最高３．０％まで、好ましくは最高２．０％まで、最も好ましくは最高１．０％まで許容することができるから、これによってこの合金の不純物元素に対する許容度の利点を得ることができ、例えばそれだけには限定されないが廃棄された熱交換器のような大量の屑材料から合金をつくることができる。Ｚｎレベルに対する適切な下限は０．２％である。
【００２２】
熱伝導度を著しく失うことなく蝋付け後の強度をさらに増加させるためには、Ｎｉは最高１．５％の範囲で存在することができる。合金用元素としてのＮｉの好適範囲は０．３〜１．２％、さらに好ましくは０．５〜０．７５％である。これによって本発明の合金は蝋付け後の強度、熱伝導度および耐蝕性の間で良好な望ましいバランスが得られる。
【００２３】
Ｃｕは強化成分として含ませることが好ましい。Ｃｕは従来報告されていたような方法で耐蝕性を減少させるとは思われない。Ｃｕは最高０．５％まで許容されるから、これによってこの合金に対し不純物元素が許容される利点が得られ、例えばそれだけには限定されないが廃棄された熱交換器のような大量の屑材料から合金をつくることができる。Ｃｕ含量の適切な最高値は最高０．５％、好ましくは最高０．４％である。Ｃｕレベルに対するもっと好適な範囲は蝋付け後の強度、耐蝕性および蝋付け特性を得る上で妥協が得られる値として０．２〜０．４％である。
【００２４】
Ｔｉは本発明の合金のインゴットの鋳造を行う際細粒化添加剤として作用させるため最高０．２０％存在している。固溶硬化により合金の強度を増加させるためには、例えば屑材料の中に存在していることによりそれ以上のＴｉを加えることができる。合金中に存在するＴｉの全量は０．２０％を越えてはいけないが、好ましくは０．１５％より少ない。
【００２５】
もっと電気的に陰性な腐蝕電位に到達するためには最高０．２０％の範囲のインジウム元素を加えることができる。さらに本発明に従えばこのアルミニウム合金においてＩｎは、亜鉛を添加した場合に比べ、合金の腐蝕電位を減少する上で遥かに効果的であることが見出だされた。典型的には０．１％のＩｎは２．５％のＺｎよりも効果的である。故意に合金用の元素として加える場合、さらに好適なＩｎの範囲は０．０１〜０．１０％である。
【００２６】
蝋付け後の条件において合金の強度をさらに改善するためにＺｒは本発明の合金に最高０．２５％の範囲で加えることができる。さらにこの元素は合金の所望の性質を劣化させることなく不純物元素として許容することができる。Ｚｒのもっと適切な添加範囲は０．０５〜０．２０、さらに好ましくは０．０５〜０．１５％である。
【００２７】
蝋付け後の条件において合金の強度をさらに改善するためにＣｒは本発明の合金に最高０．２５％の範囲で加えることができる。
【００２８】
ＳｎおよびＶを含む他の成分は本発明の合金において最高０．２５％、好ましくは最高０．１５％、さらに好ましくは最高０．０５％の範囲で許容することができる。このような元素は合金の腐蝕電位を減少させるために存在することができ、Ｖはさらに蝋付け後の強度を増加させる潜在能力をもっている。
【００２９】
残りはアルミニウムおよび避けられない不純物であり、後者はそれぞれ最高０．０５％、全部で最高０．１５％まで許容される。
【００３０】
本発明の他の態様においては、本発明の合金をフィンストック材料として含む蝋付けされたアセンブリー、典型的には熱交換器が提供される。本発明の合金をフィンとして有するこのような熱交換器においては、フィンは犠牲陽極として作用することができる。本発明のアルミニウム合金はその片側または両側の表面に張り合せを行うことができる。このような張り合せを行う目的は実質的に隅肉（ｆｉｌｌｅｔ）に対する蝋付け材料を提供することであり、また例えば押し出された管からつくられた凝縮器または蛇型の蒸発器に対するような張り合せを行われていない管の場合にも使用することである。典型的には各張り合せ層の厚さは張り合せ製品の全体の厚さの２〜１５％の範囲である。張り合せ層の組成は典型的にはＳｉが５〜１５％であり、随時最高２．０％のＭｇ、随時最高３．０％のＺｎおよび随時最高０．２のＢｉを含んでいる。
【００３１】
（実施例）
次に本発明によるアルミニウム合金を本発明を限定しない実施例および対照例によって例示する。
【００３２】
試験の実験室的な尺度において工業的規模のＤＣ鋳造で得られるのと同じ範囲の固化速度を用いて６種の合金を鋳造した。この場合試験の実験室的な尺度で製造が行われたが、種々の標準的な工業的規模のＤＣ鋳造法および連続アルミニウム鋳造法を用いた後に高温および／または低温での圧延を使用して本発明のアルミニウム合金を製造することができる。表１に化学組成を示すが、ここで合金１〜４は細粒化剤として作用するレベルのＴｉを含む本発明の合金であり、合金５および６はＭｇおよびＴｉのレベルが幾分増加した本発明の合金であり、合金６ではさらにＺｎレベルが増加している。本発明のすべての合金において、Ｎｉ、ＩｎおよびＶのレベルは不純物のレベルであった。合金７は対照の目的で国際特許公開明細書９７／１８９４６号において公知のＨ１４焼き戻し材（ｔｅｍｐｅｒ）の例であり、合金８ではフィンストック材料として工業的に使用されている公知のＡＡ３００３を使用した。４種の鋳造インゴットを予熱し、高温で圧延して５．７ｍｍの厚さにした。次いでこのシートを冷間圧延して０．１５ｍｍの厚さにし、２時間３６０〜４００℃で焼鈍した後、冷間厚さにして最終的な厚さ０．１０ｍｍにした。これがＨ１４焼き戻し材である。
【００３３】
冷間圧延したシートは模擬蝋付けサイクル（５９０℃で約５分間、空冷）にかける前およびかけた後において下記の機械的性質をもっていた。表２参照。この機械的性質は張り合わせない材料に対しては正しい。しかし或る種の用途においては本発明の合金に対して薄く張り合わせを行ったので、機械的性質は少しばかり、即ち数ＭＰａ、典型的には約２〜１０ＭＰａ程度減少した（蝋付け前および後の両方の条件で）。
【００３４】
これらの結果から、本発明のアルミニウム合金は同じ焼き戻し処理における従来使用されてきたＡＡ３００３合金に比べ機械的性質が著しく改善され、蝋付けサイクルの前においてユニットのダウン・ゲージング（ｄｏｗｎｇａｕｇｉｎｇ）の機械を提供し、フィンが腐蝕される速度が減少していることが分かる。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【表２】

【００３７】
以上本を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく当業界の専門家には多くの変形および変更を行うことができることは明らかであろう。

Claims

重量％単位で
Ｓｉ０．７〜１．２
Ｍｎ０．７〜１．２
Ｍｇ０．２〜０．３５
Ｆｅ最高０．５
Ｚｎ０．２〜１．０
Ｃｕ０．２〜０．４
Ｔｉ０．０１〜０．１５
Ｚｒ最高０．２５
Ｖ最高０．２５
Ｃｒ最高０．２５
他の金属それぞれ最高０．０５、全部で最高０．１５
Ａｌ残り
の組成をもつことを特徴とするアルミニウム合金。
Ｍｎのレベルは０．８〜１．１％の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金。
Ｚｒのレベルは０．０５〜０．１５％の範囲にあることを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム合金。
Ｆｅのレベルは０．２０〜０．４５％の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム合金。
Ｓｉのレベルは０．７５〜１．０％の範囲にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウム合金。
フィンストック材料の形をしていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアルミニウム合金。
請求項６に記載の合金のフィンを有することを特徴とする蝋付けされた熱交換器。
重量％単位で
Ｓｉ０．７５〜１．０
Ｍｎ０．８〜１．０
Ｍｇ０．２〜０．３５
Ｆｅ０．２〜０．４５
Ｚｎ０．２〜１．０
Ｃｕ０．２〜０．４
Ｔｉ０．０１〜０．１５
Ｚｒ最高０．２５
Ｖ最高０．２５
Ｃｒ最高０．２５
他の金属それぞれ最高０．０５、全部で最高０．１５
Ａｌ残り
の組成をもつアルミニウム合金から成るフィンを有することを特徴とする蝋付けされた熱交換器。