JP5089232B2 - ３層クラッドアルミニウム管およびアルミニウム製内面溝付き管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、３層クラッドアルミニウム管およびアルミニウム製内面溝付き管の製造方法に係り、特に熱交換器の伝熱管用アルミニウム製内面溝付き管に適した３層クラッドアルミニウム管およびそれを利用したアルミニウム製内面溝付き管の製造方法に関するものである。

内面溝付き管は管内面の表面積の増大による熱伝導性の向上等の優れた効果があることから熱交換器の伝熱管として広く用いられるようになってきている。
これまで、アルミニウム製自動車用熱交換器、例えばラジエータ、コンデンサ等は軽量化を目的として製造、使用されてきたものの、冷却部は溝付きチューブ等が使用され、配管そのものの内面に溝加工をしたものはなかった。また、エアコンなどの空調設備においては、コストなどから銅製溝付き配管が使用されており、アルミニウム製溝付き配管の使用はなかった。

アルミニウム製内面溝付き管およびその製造方法として、アルミニウム合金シートとアルミニウムより低い電極電位を有する金属シートをクラッドしたクラッドシートに溝を切ったロールを押し付け、クラッドシート表面に複数の溝が形成された溝付きクラッドシートとする。この溝付きクラッドシートを用いて、溝形成側を内側に配置し、Ｚｎを添加したシートを犠牲材として外側に配するようにした後、シート縁面を溶接した管およびその製造方法（例えば、特許文献１参照）が知られている。

また、管内面に多数の溝が形成されたアルミニウム製内面溝付き管において、管内面に５μｍ以上の酸化皮膜層が形成されたものが提案されている。その製造方法として、内面に多数の溝を有したアルミニウム管を押出し成形した後、その内表面に酸化皮膜層を形成する方法、および片面に溝を有したアルミニウム条を形成した後、その溝面に酸化皮膜を形成し、そのアルミニウム条の溝面を内側にして管状に丸め、その突合せ部を接合する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
ここでは、加工時の管内面の溝つぶれ防止を目的としているものの、加工時の酸化皮膜剥離による摩擦抵抗の増大に注目し、酸化皮膜を一定厚み以上付けるものである。

さらに、内面および外面の耐食性に優れたチューブとして、Ｓｉ、Ｆｅを特定量含有するアルミニウム合金を筒状芯材とし、その外面にＺｎ含有アルミニウム合金が皮材として形成され、その筒状芯材の内面に亜鉛又は亜鉛合金が犠牲層として押出し前に溶射法により形成されている引抜きチューブが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
そして、その製造方法は、内面に亜鉛（合金）を溶射した筒状芯材の円筒状ビレットの外面に、皮材合金成分のスリーブ状被覆材を長さ方向に分割型に形成して複合ビレットとし、これを熱間押出しと引き抜き加工によるものである。

内面溝付き管の製造方法として、単層管内に自由回転する溝付きプラグを挿入し、管外より自由回転するロールを押し付けて遊星回転させながら管を引き抜くことにより、管内面に連続する溝を形成するロール転造法がある。さらに、生産性向上と品質の向上を指向し、転造ヘッド部をベアリング構造とするボールダイス抽伸法のようなボール転造法が知られている。

特開２０００−１２１２７０号公報 特開２０００−２０５７８２号公報 特開平１０−４６３１２号公報

配管材に使用されているクラッド管は、防食の観点から皮材にＡｌ−Ｚｎ系合金の７０７２合金などの純Ａｌ合金（ＪＩＳ １０００系）にＺｎが添加された合金が一般的である。しかし、ＪＩＳ ７０７２合金を皮材として使用すると、従来の転造加工では、皮材が柔らかく、皮材にシワが寄る等の不具合が生じる。シワ寄りは、表面を覆うカブリ状になり、拡管成形時にカブリが広がるといった問題がある。また、シワが寄りやすいということは転造加工時に力が均一に充分に作用していないことを意味し、内面の溝成形性を低下させる欠点となる。

本発明はこのような観点に立って為されたものであって、その目的は転造加工時のピックアップ系の不良を招く外表面部の荒れや皮材のシワ防止（カブリ不具合防止）を改善すること、および転造加工時の内面溝成形性や機械拡管時の内面溝つぶれを防止するものである。
そして、優れた耐孔食性を有すると共にアルミニウム本来の軽量性と耐食性とを発揮できるアルミニウム製内面溝付き管として有用な３層クラッドアルミニウム管と、アルミニウム製内面溝付き管の製造方法を提供することにある。

本発明者らは上記課題に鑑み鋭意研究した結果、アルミニウム管の皮材をＡｌ−Ｍｎ系合金（ＪＩＳ ３０００系合金）にＺｎを添加した強度の高い合金を使用した３層クラッド管とすること、さらに芯材としてＡｌ−Ｍｎ系合金（ＪＩＳ ３０００系合金）を、そして芯材のさらに内面の内材をＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金（ＪＩＳ ６０００系合金）やＡｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ ５０００系合金）を使用することで、その３層クラッド管が転造加工性や機械拡管加工性に優れることが判明した。
すなわち本発明は、
（１）Ｍｎ：１．０〜１．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜０．２０質量％、Ｓｉ：０．６質量％以下、Ｆｅ：０．３〜０．７質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金にＺｎ：１．０〜１．３質量％を含有させたアルミニウム合金が外表面を覆う皮材であり、ＪＩＳ ３０００系合金のＡｌ−Ｍｎ系合金からなるアルミニウム合金が中間層を形成する芯材であり、ＪＩＳ ６０００系合金のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金又はＪＩＳ ５０００系合金のＡｌ−Ｍｇ系合金からなるアルミニウム合金が前記芯材の更に内面にある内材であることを特徴とする成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管、
（２）Ｍｎ：１．０〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｆｅ：０．７％以下、Ｚｎ：０．１％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が芯材であることを特徴とする（１）記載の成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管、
（３）Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｆｅ：０．３５％以下、Ｍｇ：０．４５〜０．９％、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、Ｃｒ：０．１％以下、Ｚｎ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が芯材の更に内面にある内材であることを特徴とする（１）または（２）記載の成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管、
（４）Ｓｉ：０．２５％以下、Ｆｅ：０．４％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、Ｍｇ：２．２〜２．８％、Ｃｒ：０．１５〜０．３５％、Ｚｎ：０．１％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が芯材の更に内面にある内材であることを特徴とする（１）または（２）記載の成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管、
（５）前記（１）〜（４）のいずれか１項記載の成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管を転造加工し管内面に溝を形成することを特徴とするアルミニウム製内面溝付き管の製造方法、および、
（６）前記（５）記載のアルミニウム製内面溝付き管の製造方法において、さらに機械拡管または液圧拡管の拡管加工を行うことを特徴とするアルミニウム製内面溝付き管の製造方法、
を提供するものである。

本発明の３層クラッドアルミニウム管は、皮材にＪＩＳ ３０００系合金をベースとした犠牲材を使用することにより転造加工時に外表面部の荒れや皮材のシワ防止が改善でき、内面溝の成形性も向上できた。また、芯材および内材で内面強度を上げることにより、転造加工時の内面溝成形性や機械拡管時の内面溝つぶれをほとんど無くすことができ、アルミニウム製内面溝付き管用として極めて優れたものである。
そして、３層クラッドのアルミニウム管は優れた耐孔食性を有すると共にアルミニウム本来の軽量性と耐食性とを発揮できる。

次に、本発明の内面溝付き管用３層クラッドのアルミニウム管について説明する。
本発明の３層クラッドのアルミニウム管の好ましい一実施態様を図１に断面図で示す。３層クラッドのアルミニウム管１は、そのアルミニウム管の外表面を覆う皮材２と、アルミニウム管の中間層を形成する芯材３と、芯材のさらに内面にある内材４とからなる。
本発明の３層アルミニウム管の外表面を覆う皮材は、ＪＩＳ３０００系合金等のＡｌ−Ｍｎ系合金である、Ｍｎ：１．０〜１．５％（質量％、以下同じ）、Ｃｕ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｆｅ：０．３〜０．７％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金にＺｎを１．０〜１．３％、好ましくは１．０〜１．２％含有させた合金である。
Ｚｎ添加合金はこの合金組成の中で、犠牲防食材としての作用効果をもつ。また、３０００系合金にＺｎを添加することでＪＩＳ ７０７２合金よりも強度が高くなり、転造加工時に管表面のシワの生成を防ぐことができる。
Ｚｎの含有量が多すぎても少なすぎても犠牲防食作用が適度に働かず、防食効果を充分に発揮することができない。

本発明の３層クラッドアルミニウム管の中間層を形成する芯材は、Ａｌ−Ｍｎ系合金（ＪＩＳ３０００系合金）が好ましく、例えば、ＪＩＳ ３００３合金のようなＭｎ：１．０〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｆｅ：０．７％以下、Ｚｎ：０．１％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が好ましい。

３層クラッドのアルミニウム管の内管を形成する内材としては、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ ６０００系合金）例えば、ＪＩＳ６０６３合金のような、Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｆｅ：０．３５％以下、Ｍｇ：０．４５〜０．９％、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、Ｃｒ：０．１％以下、Ｚｎ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金や、Ａｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ ５０００系合金）例えば、ＪＩＳ５０５２合金のような、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｆｅ：０．４％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、Ｍｇ：２．２〜２．８％、Ｃｒ：０．１５〜０．３５％、Ｚｎ：０．１％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金がさらに好ましい。

次に、本発明の３層クラッドアルミニウム製内面溝付き管の製造方法の一実施態様について説明するが、初めに、３層クラッド管の製法例を示す。
前記した例えばＪＩＳ ３００３合金の円筒状の芯材の外側に皮材用スリーブを被せ、内側に例えば、ＪＩＳ ６０６３合金又はＪＩＳ ５０５２合金からなる内材用スリーブを設け、組み合わせビレットを作製し、これを加熱炉により３５０〜６００℃に均熱する。組み合わせビレットをダイスとラムノーズ間に挟持してコンテナ内に挿入し、ダイスとラムノーズを固定した状態で、内材内径より大きな外径を持つマンドレルを圧入し、内材を拡管して内材と芯材間の空気を追い出す。マンドレルを所定に位置に固定して、ホローステムを前進させダイスを通して組み合わせビレットを押し出し、継ぎ目無しの３層クラッド管を得る。

また、管状の皮材中空ビレットを３５０〜６００℃に加熱してその内側に、芯材中空ビレットを焼嵌めして得られる２層中空ビレットを３５０〜６００℃に加熱してその内側に、管状の内材中空ビレットを焼嵌めして得られる３層中空ビレットを押出し加工、または押出し加工後引抜き加工を施して、継ぎ目無しの３層クラッド管を得ることもできる。
また、アルミニウム合金の芯材シートの片面側に皮材シートを他面側に内材シートをクラッドした３層クラッドシートとし、このシートを内材シートが内側となるように管状に成形してからそのシート縁面を溶接した３層クラッドの電縫管としてもよい。

この３層クラッド管のクラッド率は、全肉厚に対し皮材は１．５％以上、さらに５〜１５％が好ましく、内材は８．０％以上、さらに８．０〜１５％が好ましい。本発明の特定の皮材クラッド率が肉厚に対し１．５％未満では防食効果が低減する。また、内材クラッド率が８．０％未満では転造加工性や転造加工後の機械拡大管性が劣る。

次いで、得られた３層クラッドアルミニウム管の素管から内面に溝を有する３層クラッドのアルミニウム製内面溝付き管の製造方法について、その一態様を図２に示す製造装置を参照しながら記載する。
素管１ａの引抜き方向Ｌに沿って、フローティングダイス５と当該フローティングダイス５に対して独立した加工ヘッド６とが、図示されていないそれぞれ別の駆動手段により回転されるように順に設置されている。加工ヘッド６は引抜き方向の下流側へ向けてやや末広がりな円錐状の内周面を有しており、加工ヘッド６内には、前記内周面へ転接し内部を通過する素管１ｄの周りへ等間隔に配置された複数のボール９が配列されている。これらのボール９は、その下流側でベアリング６２を介して他の部材に取り付けられたフランジ状のストッパ６１により引抜き方向上流側へ向けて押圧される。加工ヘッド６よりもさらに引抜き方向下流側には、整形ダイス１０が設置されている。

素管１ａ内にはフローティングプラグ７と当該フローティングプラグ７へプラグロッド８１を介して回転自在に連結された溝付プラグ８を挿入する。前記素管１ａを、前記フローティングダイス５と加工ヘッド６に通して引抜きながら、加工ヘッド６を回転させる。素管１ａは、引抜きに伴って前記フローティングダイス５とフローティングプラグ７とにより縮径される。次いで、溝付プラグ８の位置で前記加工ヘッド６の回転に伴って素管１ｄの周りを公転しつつ自転する複数のボール９により、素管１ｄの外周面を溝付プラグ８の表面へ押圧し、当該素管１ｄの内面に溝付プラグ８の周面の溝８０を転写することにより、内面に多数の微細な溝を形成する。その後下流側の整形ダイス１０により整形されるとともに縮径され、内面溝付管１１を製造する。

図３に得られる３層クラッドの内面溝付き管の一部拡大断面図を示す。得られる内面溝付き管１１はどのようなサイズでも良いが、その外径φは、４〜２０ｍｍが好ましく、底肉厚は０．３〜１．５ｔが好ましく、また、内面溝の深さＨは０．１〜０．３５ｍｍ、その頂角αは１０〜４０°が好ましい。
内面溝付き管は、必要に応じてポンチによる機械拡管法や液圧拡管法等の手段により拡管加工を施し、例えば、内径４．１〜２５．０ｍｍの内面溝付き管とすることができる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
（実施例１）
表１に示す成分組成（数値は質量％、残部はＡｌを表す。なお、成分組成の前に記載の番号は相当するＪＩＳ合金系の番号である。）をもつ各本発明例および比較例Ｎｏ．の芯材合金の円筒状芯材中空ビレット（外径４００ｍｍ、内径８０ｍｍ、長さ９９０ｍｍ）内面を切削加工して常温で１４８ｍｍφとした芯材中空ビレットを得、各本発明例および比較例Ｎｏ．の皮材（外皮）合金の押出し管（常温：外径４０５ｍｍ、内径４００ｍｍ、長さ９９０ｍｍ）を皮材中空ビレットとして得、各本発明例および比較例Ｎｏ．の内材合金の押出し管（外径１４８ｍｍ、内径８０ｍｍ、長さ９９０ｍｍ）を内材中空ビレットとして得た。皮材中空ビレットを５００℃に加熱後、常温の芯材中空ビレットを皮材中空ビレットの内径部に挿入し、冷却することによって焼嵌めを行い２層中空ビレットとし、この２層中空ビレットを４５０℃に加熱後、常温の内材中空ビレットを内径部に挿入し、冷却することによって焼嵌めを行い３層中空ビレットとした。
焼嵌めされた３層クラッドの中空ビレットを４５０℃で間接押出しし、外径４７ｍｍ、肉厚３．５ｍｍの押出し管とし、この押出し管に引抜き加工を繰返し施して、外径１０ｍｍ、肉厚１ｍｍの３層クラッド管を得た。

引き抜き加工によって得られた３層クラッド管に、フローティングプラグ、ロッド、溝付きプラグが一体となったプラグを挿入し、フローティングダイス、加工ヘッド、整形ダイスを通過させることにより内面に溝付き加工を行った。
得られる内面溝付き管の外径φは９．４ｍｍで、底肉厚は０．８５ｔであり、また、内面溝の深さは０．１５ｍｍ、その頂角αは１５°とした。

これらの得られた各本発明例および比較例Ｎｏ．の管の特性を評価するために次の試験を行った。得られた結果を表１−１、表１−２に示す。
（ａ）転造加工性：
各本発明例および比較例で得られた３層クラッド管から前記した方法で内面溝付き管を製造し、内溝の成形深さ（Ｈ）および頂角（α）を測定した。これらの値が設計値の±１０％以内であり、目視による観察で不具合のないものを「○」と評価し、それ以外のものは「×」とした。
（ｂ）機械拡管性：
外径８ｍｍの内面溝付き管を超硬またはダイス鋼製ポンチで拡径し、外径８．５ｍｍの管を得た。得られた内面溝を光学顕微鏡で観察し、溝に潰れのないものを「○」と評価し、それ以外のものは「×」とした。
（ｃ）耐食性
各供試管の外部耐食性を評価するために、各供試管についてＪＩＳ Ｚ８６８１に準じるＣＡＳＳ試験を１５００時間行った。試験後、供試管の表面腐食生成物を除去して、管の腐食状況を評価した。評価は光学顕微鏡により最大孔食深さが外皮内にとどまっているものを「○」と評価し、それ以外のものは「×」とした。

本発明の３層クラッドアルミニウム管の一実施例の断面図である。 本発明のアルミニウム製内面溝付き管の製造に使用する装置の一例の断面図である。 本発明の一実施態様を示すアルミニウム製内面溝付き管の一部拡大断面図である。

符号の説明

１ ３層クラッドアルミニウム管
２ 皮材
３ 芯材
４ 内材
５ フローティングダイス
６ 加工ヘッド
７ フローティングプラグ
８ 溝付きプラグ
９ ボール
１０ 成形ダイス
１１ アルミニウム製内面溝付き管

Claims (6)

1. Ｍｎ：１．０〜１．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜０．２０質量％、Ｓｉ：０．６質量％以下、Ｆｅ：０．３〜０．７質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金にＺｎ：１．０〜１．３質量％を含有させたアルミニウム合金が外表面を覆う皮材であり、ＪＩＳ ３０００系合金のＡｌ−Ｍｎ系合金からなるアルミニウム合金が中間層を形成する芯材であり、ＪＩＳ ６０００系合金のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金又はＪＩＳ ５０００系合金のＡｌ−Ｍｇ系合金からなるアルミニウム合金が前記芯材の更に内面にある内材であることを特徴とする成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管。
2. Ｍｎ：１．０〜１．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜０．２０質量％、Ｓｉ：０．６質量％以下、Ｆｅ：０．７質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が芯材であることを特徴とする請求項１記載の成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管。
3. Ｓｉ：０．２〜０．６質量％、Ｆｅ：０．３５質量％以下、Ｍｇ：０．４５〜０．９質量％、Ｃｕ：０．１質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以下、Ｃｒ：０．１質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．１質量％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が芯材の更に内面にある内材であることを特徴とする請求項１または２記載の成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管。
4. Ｓｉ：０．２５質量％以下、Ｆｅ：０．４質量％以下、Ｃｕ：０．１質量％以下、Ｍｎ：０．１％質量以下、Ｍｇ：２．２〜２．８質量％、Ｃｒ：０．１５〜０．３５質量％、Ｚｎ：０．１質量％以下を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金が芯材の更に内面にある内材であることを特徴とする請求項１または２記載の成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の成形性と耐食性に優れた内面溝付き管用３層クラッドアルミニウム管を転造加工し管内面に溝を形成することを特徴とするアルミニウム製内面溝付き管の製造方法。
6. 請求項５記載のアルミニウム製内面溝付き管の製造方法において、さらに機械拡管または液圧拡管の拡管加工を行うことを特徴とするアルミニウム製内面溝付き管の製造方法。
   

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