JP5345264B1 - 熱交換器フィン用のアルミニウム合金材及びその製造方法、ならびに、当該アルミニウム合金材を用いた熱交換器 - Google Patents
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Abstract
上記課題を解決するためのアルミニウム合金材は、Si:1.0〜5.0質量%、Fe:0.1〜2.0質量%、Mn:0.1%〜2.0質量%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなり、0.5〜5μmの円相当径を有するSi系金属間化合物が、前記アルミニウム合金材断面において250個/mm2以上7×104個以下存在し、5μmを超える円相当径を有するAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物が、前記アルミニウム合金材断面において10個/mm2以上1000個以下存在する、単層で加熱接合機能を有する熱交換器フィン材用のアルミニウム合金材である。この合金は、必要に応じて、Mg、Cu、Zn、In、Sn、Ti、V、Zr、Cr、Ni、Be、Sr、Bi、Na、Caをさらに含有してもよい。
Description
Si濃度について、SiはAl−Si系の液相を生成し、接合に寄与する元素である。但し、Si濃度が1.0%未満の場合は充分な量の液相を生成することができず、液相の染み出しが少なくなり、接合が不完全となる。一方、5.0%を越えるとアルミニウム合金材中のSi粒子が多くなり、液相の生成量が多くなるため、加熱中の材料強度が極端に低下し、フィン材としての形状維持が困難となる。従って、Si濃度を1.0%〜5.0%と規定する。このSi濃度は、好ましくは1.5%〜3.5%であり、より好ましくは2.0%〜3.0%である。尚、染み出す液相の量は板厚が厚く、加熱温度が高いほど多くなるので、加熱時に必要とする液相の量は、製造する熱交換器のフィンの構造・寸法に応じて必要となるSi量や接合加熱温度を調整することが望ましい。
次に、本発明に係るアルミニウム合金材の金属組織における特徴について説明する。本発明に係るアルミニウム合金材においては、その基本組成(Al−Si系)に基づき生じるSi系金属間化合物に加えて、添加元素であるFe、Mnに由来するAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物が存在する。本発明においては、これらの金属間化合物のサイズ及び分散状態において特徴を有する。
Mgは、接合加熱後においてMg2Siによる時効硬化が生じ、この時効硬化によって強度向上が図られる。このように、Mgは強度向上の効果を発揮する添加元素である。Mg添加量が、2.0%を超えるとフラックスと反応して、高融点の化合物を形成するため著しく接合性が低下する。従って、Mgの添加量は2.0%以下とするのが好ましい。より好ましいMgの添加量は0.05%〜2.0%である。なお、本発明においては、Mgのみならず他の合金成分においても、所定添加量以下という場合は0%も含むものとする。
Ti、Vはマトリクス中に固溶して強度向上させる他に、層状に分布して板厚方向の腐食の進展を防ぐ効果がある。添加量が0.3%を越えると巨大晶出物が発生し、成形性、耐食性を阻害する。従って、Ti及びVの添加量は0.3%以下とするのが好ましい。より好ましい添加量は0.05%〜0.3%である。
Z2241に従って、常温にて実施した。接合加熱後の引張試験については、ミニコアと同等の接合加熱条件で加熱したサンプルを評価した。
比較例2では、Si成分は規定量を超えており、素板のAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物の面密度も規定を超えていたため、加熱温度を比較的低くしても接合時の液相率が高くなり、加熱後の結晶粒径も小さかったため、フィンが座屈して変形率が不合格であった。
比較例3では、Fe成分が規定量を下回っており、素板のAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物の面密度も規定を下回っていたため、加熱前後の強度が低く不合格であり、フィンが座屈して変形率も不合格であった。
比較例4では、Mn成分が規定量を下回っており、素板のAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物の面密度も規定を下回っていたため、加熱前後の強度が低く不合格であり、フィンが座屈して変形率も不合格であった。
尚、比較例5では、Fe成分が規定量を超えているため製造性に問題があり、接合試験による評価ができなかった。
比較例6では、Mn成分が規定量を超えており、素板のAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物の面密度も規定を下回っていたため、加熱前後の強度が低く不合格であり、フィンが座屈して変形率も不合格であった。
比較例7〜9では、最終冷間圧延段階における加工率が大きくT/T0が規定値を超えたため、接合加熱時の結晶粒が微細化し、変形率が不合格であった。
また、参考例4は、液相率5%以上の保持時間が短かったため、接合が不十分であった。参考例5は、液相率5%以上の保持時間が長すぎたため、大きく変形してしまった。
更に、フィン自身の耐食性評価のためにCASS試験を500h行い、フィンの腐食状態を確認した。光学顕微鏡による断面観察においてフィンが70%以上残存していたものを◎、50%以上70%未満を○、30%以上50%未満を△、30%未満を×と判定した。以上の評価結果を表6に示す。表6においては、例えば2.3.E+03は、2.3×103を意味する)。
比較例11では、鋳造速度が大きすぎたため鋳塊の製造中に割れが発生し、試供材の製造ができなかった。
比較例12では、熱間粗圧延段階における総圧下率が規定よりも小さく、素板のSi系金属間化合物及びAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物の微細化が不十分であった。そのため、素板のSi系金属間化合物の面密度が規定を下回り接合率が低く不合格であった。また、素板のAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物の面密度も規定を超えており、化合物の粗大化によって加熱後の結晶粒径が小さくなり、フィンが座屈して変形率が不合格であった。
比較例13では、面削後のスラブ厚さ厚すぎたため、熱間粗圧延の総圧下率が規定よりも大きかった。鋳塊厚さが厚いため、鋳塊製造時の冷却速度が小さくなり粗大な晶出物が生成された。熱間粗圧延の工程においても粗大な晶出物の分断が不十分となり、素板のSi系金属間化合物の面密度が規定を下回り、素板のAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物の面密度も規定を超えた。金属間化合物の粗大化のため、加熱後の結晶粒径が小さくなり、フィンが座屈して変形率が不合格であった。素板のSi系金属間化合物の面密度が規定を下回わったため、接合率が低く不合格であった。
比較例14では、熱間粗圧延段階での圧下率15%以上のパス回数が3回未満であった。そのため、Al−Fe−Mn−Si系金属間化合物の微細化が十分でなく、面密度が規定を超えていた。粗大なAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物の周囲で液相が生成し、その液相溜まりが板厚の中に占める割合が大きくなり、フィンが座屈して変形率が不合格であった。
Claims (11)
- Si:1.0〜5.0質量%、Fe:0.1〜2.0質量%、Mn:0.1〜2.0質量%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなり、単層で加熱接合機能を有する熱交換器フィン用のアルミニウム合金であって、
0.5〜5μmの円相当径を有するSi系金属間化合物が、当該アルミニウム合金断面において2.7×102個/mm2以上9.3×103個/mm2以下存在し、
5μmを超え、10μm未満の円相当径を有するAl−Fe−Mn−Si系金属間化合物が、当該アルミニウム合金断面において20個/mm2以上880個/mm2以下存在するアルミニウム合金からなり、
素板の引張強さをT、450℃で2時間加熱した後の引張強さをToとした場合、T/To≦1.40を満たすことを特徴とする熱交換器フィン用のアルミニウム合金材。 - Mg:2.0質量%以下及びCu:1.5質量%以下から選択される1種又は2種を更に含有する、請求項1に記載の熱交換器用フィン用アルミニウム合金材。
- Zn:6.0質量%以下、In:0.3質量%以下及びSn:0.3質量%以下から選択される1種又は2種以上を更に含有する、請求項1又は2に記載の熱交換器フィン用のアルミニウム合金材。
- Ti:0.3質量%以下、V:0.3質量%以下、Zr:0.3質量%以下、Cr:0.3質量%以下及びNi:2.0質量%以下から選択される1種又は2種以上を更に含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱交換器フィン用のアルミニウム合金材。
- Be:0.1質量%以下、Sr:0.1質量%以下、Bi:0.1質量%以下、Na:0.1質量%以下及びCa:0.05質量%以下から選択される1種又は2種以上を更に含有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱交換器フィン用のアルミニウム合金材。
- 接合加熱前における引張強さが80〜250MPaである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱交換器フィン用のアルミニウム合金材。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱交換器フィン用のアルミニウム合金材の製造方法であって、前記アルミニウム合金材用のアルミニウム合金を鋳造する鋳造工程と、鋳造した鋳塊を熱間圧延前に加熱保持する加熱保持工程と、加熱保持工程後に鋳塊を熱間圧延する熱間圧延工程と、熱間圧延材を冷間圧延する冷間圧延工程と、冷間圧延工程の途中において冷間圧延材を焼鈍する焼鈍工程とを含み、
前記鋳造工程において、鋳造速度を20〜100mm/分とし、
前記熱間圧延工程において、熱間粗圧延段階の総圧下率を92〜97%とし、かつ、熱間粗圧延段階が15%以上の圧下率となるパスを3回以上含むことを特徴とする熱交換器フィン用のアルミニウム合金材の製造方法。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載のアルミニウム合金材からなるフィン材と、請求項1〜6のいずれか一項に記載のアルミニウム合金又はこれと異なるアルミニウム合金からなる一又は二以上の熱交換器用構成部材とを接合加熱することにより製造される熱交換器。
- 接合加熱後のフィン断面の金属組織におけるアルミニウム母相の結晶粒径が50μm以上である、請求項8に記載の熱交換器。
- 接合加熱後のフィン断面の金属組織において、1μm以上の円相当径を有する金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の個数が、全結晶粒界の三重点の個数の50%以上の割合である、請求項8又は9に記載の熱交換器。
- 接合加熱後のフィン断面の金属組織において、3μm以上の長径を有する共晶組織がマトリックスの結晶粒内に10個/mm2〜3000個/mm2存在する、請求項8〜10のいずれか一項に記載の熱交換器。
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