JP5578702B2 - 熱交換器用アルミニウム合金フィン材および熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器用Ａｌ合金フィン材および該フィン材を用いてろう付法によって製造される自動車用熱交換器に関するものである。

従来、自動車用ラジエータ、オイルクーラ、インタークーラ、エアコン等の熱交換器では、軽量なＡｌ合金材が多く使われている。熱交換器の構成部材のひとつであるフィン材にもＡｌ合金材が用いられており、強度、耐食性、熱伝導性といった特性が要求されている。これまで、上記特性を向上するための種々の方法が検討されてきている。例えば、熱伝導性を向上するための方法としては、ＦｅやＮｉなどのＡｌマトリックスに固溶し難い元素を添加する方法が提案されている（例えば特許文献１）。また、強度と耐食性を向上するための方法として、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｚｎ合金系フィン材が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００４−０５９９３９号公報 特開２００８−２８０５４４号公報

しかしながら、フィン材において、強度、耐食性、熱伝導性といった特性は相反するものであり、従来のフィン材では、これら特性の全てを満足することは困難である。例えば、ＦｅやＮｉを添加するものでは、ＦｅやＮｉがマトリックスに固溶し難い元素であるため熱伝導性は向上するが、耐食性が著しく低下してしまう。また、特許文献２に開示されたものでは、強度、耐食性は向上するものの、熱伝導性は十分なものではない。このように従来技術のフィン材では強度、耐食性、熱伝導性の全ての特性を満足することができず、熱交換器性能の向上が不十分である。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、強度、耐食性、熱伝導性の全てに優れた熱交換器用Ａｌ合金フィン材を提供することを目的とする。さらに、該フィン材を使用して、ろう付法で製造される耐食性、熱交換性に優れた熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明のうち、第１の本発明の高耐食性と高強度および高熱伝導性を有する熱交換器用Ａｌ合金フィン材は、質量％で、Ｍｎ：１．０〜１．８％（ただし、１．１％を除く）、Ｓｉ：０．７〜１．４％、Ｆｅ：０．０５〜０．３％の範囲で含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、ＭｎとＦｅの含有量がＦｅ／Ｍｎ＜０．２の関係を満たすことを特徴とする。

第２の本発明の高耐食性と高強度および高熱伝導性を有する熱交換器用Ａｌ合金フィン材は、質量％で、Ｍｎ：１．０〜１．８％（ただし、１．１％を除く）、Ｓｉ：０．７〜１．４％、Ｆｅ：０．０５〜０．３％、Ｚｎ：０．２５％以下の範囲で含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、ＭｎとＦｅの含有量がＦｅ／Ｍｎ＜０．２の関係を満たすことを特徴とする。

第３の本発明の、高耐食性および高強度を有する熱交換性能に優れた熱交換器は、第１または第２の本発明のＡｌ合金フィン材と、Ａｌ合金芯材の少なくとも片面にＡｌ合金ろう材がクラッドされたＡｌ合金ブレージングシートチューブとがろう付けされ、該ろう付け後の前記フィン材とチューブ芯材との孔食電位差が前記チューブ芯材が貴となるように９０〜１６０ｍＶの範囲にあることを特徴とする。

第４の本発明の、高耐食性および高強度を有する熱交換性能に優れた熱交換器は、前記第３の本発明において、前記Ａｌ合金芯材が、質量％でＣｕを１．３〜２．５％含有するＡｌ合金芯材であることを特徴とする。

第５の本発明の、高耐食性および高強度を有する熱交換性能に優れた熱交換器は、前記第３または第４の本発明において、前記ろう付けが、非腐食性フラックスろう付けであることを特徴とする。

すなわち、本発明は、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｚｎ量を所定量に調整し、かつ、含有質量比でＦｅ／Ｍｎ比を規定することによって、強度、耐食性、熱伝導性を全て満足するフィン材を得ることを特徴とする。さらに、フィン材とチューブ材とのろう付熱処理後の孔食電位差を所定値に調整することで、前記フィン材を用いた熱交換器では、フィン材がチューブ材に対して効果的な犠牲陽極効果を発揮できるようにしたことを特徴とする。これらを具備することにより、高耐食性を有し、熱交換性能に優れた熱交換器を得ることができる。

以下に本発明における条件規定の理由について説明する。なお、以下の成分含有量はいずれも質量％で表される。

（フィン材）
Ｍｎ：１．０〜１．８％（ただし、１．１％を除く）
ＭｎはＦｅとＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系金属間化合物を形成することで、耐食性に悪影響を与えるＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成を阻害してＦｅの害を抑制する効果がある。また、形成されたＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系金属間化合物がＡｌマトリックス中で分散することによって強度を向上させる効果もある。Ｍｎ含有量が１．０％未満ではその効果が十分発揮されず、１．８％を超えると電気伝導度が低下してしまう。そのため含有量は１．０〜１．８％に定める。なお、同様の理由により下限は１．３％、上限は１．８％とするのが好ましく、さらには下限は１．４％、上限は１．７％とするのがより好ましい。

Ｓｉ：０．７〜１．４％
ＳｉはＭｎおよびＦｅとＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物を形成して電気伝導度を増加させる効果と強度を向上させる効果がある。また、腐食形態が全面状になりやすくなるため耐食性を向上させる効果がある。その含有量が０．７％未満ではその効果が十分発揮されず、１．４％を超えると単体Ｓｉが形成されるため耐食性が劣化し、さらに、固溶Ｓｉの増加によって電気伝導度も低下してしまう。そのため含有量は０．７〜１．４％に定める。なお、同様の理由により下限は０．８％、上限は１．３％とするのが好ましく、さらには下限は０．８％、上限は１．２％とするのがより好ましい。

Ｆｅ：０．０５〜０．３％
ＦｅはＭｎおよびＳｉとＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系金属間化合物、またはＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物を形成して電気伝導度や強度を向上させる効果がある。その含有量が０．０５％未満ではその効果が十分に発揮されず、０．３％を超えるとＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が生成して耐食性が劣化する。そのため含有量は０．０５〜０．３％に定める。なお、同様の理由により、下限は０．１０％、上限は０．２５％とするのが好ましく、さらには下限は０．１０％、上限は０．２３％とするのがより好ましい。

Ｚｎ：０〜０．２５％
Ｚｎは、腐食形態を全面状として耐食性を向上させる効果や、電位を卑にして犠牲陽極効果を付与する効果があるので所望により含有させる。Ｚｎを含有させる場合、０．２５％を超えると電気伝導度が低下してしまう。そのため含有量を０．２５％以下に定める。なお、上記効果を十分に得るためには、Ｚｎを０．０５％以上含有するのが望ましい。
なお、同様の理由により、下限は０．０７％、上限は０．２３％とするのが好ましく、さらには、下限は０．０７％、上限は０．２０％とするのが一層好ましい。
また、Ｚｎを含有させない場合にも、０．０２％以下でＺｎを不純物として含有するものであってもよい。

Ｆｅ／Ｍｎ＜０．２
Ａｌ中に含有するＦｅとＭｎは、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系金属間化合物を形成するが、この金属間化合物に含まれるＦｅとＭｎの組成比しだいでは、耐食性に悪影響を与える場合がある。ＦｅおよびＭｎの含有量比Ｆｅ／Ｍｎを０．２未満とすることで、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系金属間化合物の悪影響が軽減される。さらに、Ｆｅ／Ｍｎが０．２未満の状態でＺｎ含有量を０．２５％以下にするとＡｌ表面の酸化皮膜が強固となって耐食性が向上する。そのためＦｅ／Ｍｎ比は０．２未満とするのが好ましい。なお、同様の理由により、含有量比Ｆｅ／Ｍｎの上限を０．１６とするのがより好ましい。

（チューブ芯材）
ブレージングシートチューブの芯材には、Ｃｕを１．３〜２．５％含有するＡｌ合金、例えばＣｕを１．３〜２．５％含有するＡｌ−Ｃｕ系合金や、同じくＣｕを１．３〜２．５％含有するＡｌ−Ｍｎ系合金が好適に用いられる。Ａｌ−Ｍｎ系合金におけるＭｎの好適な含有量は１．０〜１．８％である。その他に、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｆｅ：０．１〜０．４％、Ｍｇ：０．０５〜０．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％の少なくとも１種を含有するものであってもよい。以下に、Ｃｕの含有理由を説明する。

Ｃｕ：１．３〜２．５％
Ｃｕは材料の電位を貴とする効果があるので、チューブ芯材に含有させることで、フィン材とチューブ材の電位差を大きくしてフィン材の犠牲陽極効果が得やすくなる効果がある。その含有量が下限未満ではその効果が十分発揮されず、上限を超えるとフィン材の腐食を過度に促進しすぎてフィン材の腐食量が増大してしまう。そのため含有量は１．３〜２．５％とする。なお、同様の理由により、下限は１．４％、上限は２．０％とするのが好ましい。

（チューブろう材）
チューブろう材に関しては、本発明としてはその組成が特に限定されるものではない。一般的にはＡｌ−Ｓｉ系合金が用いられる。

フィン材とチューブ芯材の孔食電位差：９０〜１６０ｍＶ
フィン材とチューブ芯材の孔食電位差は、チューブに対するフィンの犠牲陽極効果の程度の目安となる。電位差が９０ｍＶ未満ではフィンの犠牲陽極効果が不十分となりチューブに局部腐食が発生する。一方、電位差が１６０ｍＶを超えるとフィンの腐食量が増加してしまい、いずれの場合も熱交換器としての耐食性が劣化する。そのため、電位差は９０〜１６０ｍＶに定める。なお、同様の理由により、下限は１００ｍＶ、上限は１５０ｍＶであるのが好ましく、さらには下限は１２０ｍＶ、上限は１５０ｍＶであるのがより好ましい。

以上説明したように、本発明の熱交換器用Ａｌ合金フィン材は、質量％で、Ｍｎ：１．０〜１．８％（ただし、１．１％を除く）、Ｓｉ：０．７〜１．４％、Ｆｅ：０．０５〜０．３％、Ｚｎ：０〜０．２５％の範囲で含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、ＭｎとＦｅの含有量がＦｅ／Ｍｎ＜０．２の関係を満たすので、耐食性、強度および熱伝導性の全てを兼ね備える特性が得られる。

また、本発明の熱交換器は、前記のＡｌ合金フィン材と、Ａｌ合金芯材の少なくとも片面にＡｌ合金ろう材がクラッドされたＡｌ合金ブレージングシートチューブとがろう付けされ、該ろう付け後の前記フィン材とチューブ芯材との孔食電位差が前記チューブ芯材が貴となるように９０〜１６０ｍＶの範囲にあるので、高耐食性、高強度の特性を有し、さらに優れた熱交換性能が得られる。

本発明のフィン材用Ａｌ合金は、上記した成分設定に従って、常法により溶製することができ、その溶解、鋳造方法は本発明としては特に限定されるものではない。
得られた鋳塊は、さらに常法により、熱間圧延や冷間圧延等の工程を得て薄肉の熱交換器用フィン材とする。その後、必要に応じてコルゲート加工などの成形が施される。

本発明のチューブ用ブレージングシートを製造するにあたっては、まず、芯材およびろう材を構成するＡｌ合金を、通常は、半連続鋳造により造塊し、必要に応じて均質化処理した後、それぞれ所定厚さまで熱間圧延する。なお、連続鋳造圧延によってそれぞれの板材を得ることも可能である。芯材の組成は前記した組成に調整したＡｌ合金が用いられる。ろう材の組成は、本発明としては特定のものに限定されるものではないが、一般にろう材として用いられているＡｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金を用いることができる。芯材およびろう材は、その後組み合わされ、熱間圧延によりクラッドし、最終的に所定厚さまで冷間圧延する工程を経てブレージングシートとなる。なお、犠牲材／芯材／ろう材から構成される３層クラッド材や両面ろう材なども使用することができる。
上記で得られたブレージングシートは、芯材が管内面となるように曲げ成形されて管状にされ、熱交換器用チューブ材となる。

上記したフィン材とチューブ材とは、必要に応じてヘッダープレートなどとともに互いに組みつけられて熱交換器用部材が構成され、ろう付けに供される。このとき、ろう付性を確保するために、非腐食性フラックスを接合部に予め塗布する。非腐食性フラックスは、一般に用いられているものでよく、特に限定されるものではない。また、ろう付けの際には、不活性雰囲気などの適当な雰囲気で適温に加熱して、ろう材を溶解させる。この際の加熱条件としては、６００℃まで平均昇温速度４０℃／分で昇温し、６００℃で３分保持後、１００℃／分の降温速度で降温冷却するものが例示される。ただし、これら温度および保持時間はあくまで例示であり、本発明としては特定の条件に限定されるものではない。

フィン材試験用板材を以下の手順に従って作製した。まず、半連続鋳造により表１に示す化学組成（残部Ａｌと不可避不純物）を有するＡｌ合金を溶製した。溶製したＡｌ合金には４５０℃×８時間の条件で均質化処理を施し、その後、熱間圧延→冷間圧延→中間焼鈍（３６０℃×４時間）→冷間圧延の工程を行った。その結果、質別がＨ１４、厚さ０．０６ｍｍの板材を得た。該板材をフィン材試験用板材として評価に供した。

次に、チューブ材は以下の手順に従って作製した。まず、半連続鋳造により表２に示す化学組成（残部Ａｌと不可避不純物）を有する芯材用Ａｌ合金およびろう材用Ａｌ合金を溶製した。次いで、芯材用Ａｌ合金に５８０℃×８時間の均質化処理を施し、該芯材の鋳塊の片面に前記ろう材鋳塊を組み合わせて熱間圧延しクラッドした。さらに冷間圧延、３００℃×４時間の中間焼鈍を行い、最終冷間圧延により厚さ０．２０ｍｍ、質別Ｈ１４の片面ろう材ブレージングシートを作製した。ブレージングシートにおける芯材とろう材の構成厚比は芯材：ろう材＝８０：２０とした。得られたブレージングシートを、芯材が管内面となるように曲げ成形してチューブ材とした。

上記で作製した、フィン材とチューブ芯材との孔食電位差は次のようにして測定した。まず、フィン材試験用板材とチューブ芯材に対し、ろう付相当の熱処理を施した。熱処理の条件は以下のとおりである。
すなわち、６００℃まで平均昇温速度４０℃／分で昇温し、６００℃で３分保持後、１００℃／分の降温速度で降温冷却した。該ろう付相当熱処理を施したフィン材試験用板材、およびチューブ芯材について、４０℃の２．６７％ＡｌＣｌ_３溶液中で孔食電位（参照電極は飽和カロメル電極）を室温で測定し、両者の電位差（−(フィン材電位−チューブ芯材電位)）を求めた。測定値を表３に示した。

試験用の熱交換器は、前記で作製したフィン材試験用板材およびチューブ材を用い、以下の手順に従って組み上げた。まず、前記フィン材試験用板材をコルゲート加工した。そして、前記チューブ材に前記フィン材を組み付けた。チューブ材のフィン材との接合部にフラックスを１０ｇ／ｍ^２の分量で塗布し、ろう付け熱処理を行った。熱処理条件は以下のとおりである。すなわち、６００℃まで平均昇温速度４０℃／分で昇温し、６００℃で３分保持した後、１００℃／分の降温速度で降温冷却した。組み上がったものを試験用熱交換器とした評価に供した。

（フィン材の評価項目）
[ろう付後強度]
作製した前記フィン材試験用板材に、ろう付相当の熱処理を施した。具体的には、６００℃まで平均昇温速度４０℃／分で昇温し、６００℃で３分保持後、１００℃／分の降温速度で降温冷却した。その後、圧延方向と平行にサンプルを切り出してＪＩＳ１３号Ｂ形状の試験片を作製し、引張試験を実施し、引張強さを測定した。その結果を表１に示した。表中において、測定値が１３０ＭＰａ以上のものには◎を、１２５ＭＰａ以上、１３０ＭＰａ未満のものには○を、１２５ＭＰａ未満のものには×を付した。

[電気伝導度]
Ａｌ合金においては、熱伝導度と電気伝導度とは相関関係にあるので、熱伝導性の代用評価として電気伝導度を測定した。前記フィン材試験用板材に前記と同様のろう付相当の熱処理を施した後、室温でダブルブリッジ法によって電気伝導度を測定した。その結果を表１に示した。表中において、測定値が４６％IACS以上のものには◎を、４４％IACS以上、４６％IACS未満のものには○を、４４％IACS未満のものには×を付した。

[腐食速度]
作製した前記フィン材試験用板材について、前記と同様にろう付相当の熱処理を施し、その後ＳＷＡＡＴ試験（人工海水噴霧試験：ＡＳＴＭのＧ８５−Ａに準拠）に７日間供した。試験後、腐食生成物を除去した後の腐食減量を測定し、腐食速度を求めた。その結果を表１に示した。表中において、腐食速度が、０．２０ｍｇ／ｃｍ^２／ｄａｙ以下のものには◎を、０．２０ｍｇ／ｃｍ^２／ｄａｙ超、０．２５ｍｇ／ｃｍ^２／ｄａｙ以下のものには○を、０．２５ｍｇ／ｃｍ^２／ｄａｙ超のものには×を付した。

[フィン材の総合評価]
以上の評価において、全ての評価項目が◎であったものについては、表１の総合欄に◎を付した。いずれの評価項目も○以上で、かつ◎が２つのものには○○を付した。いずれの評価項目も○以上で、かつ◎が１つ以下のものには○を付した。いずれかの評価項目が×のものには×を付した。

表１から明らかなように、本発明のフィン材は総合評価が○以上となり、ろう付後強度、電気伝導度、腐食速度の全てに良好な特性を示した。一方、比較材では３つの特性を全て満たすものは存在しない。

（熱交換器の評価項目）
[耐食性]
前記試験用熱交換器をＳＷＡＡＴ試験（ＡＳＴＭのＧ８５−Ａに準拠）に３０日間供した。試験後、腐食生成物を除去して、フィンの耐食性およびチューブの耐食性を評価した。フィンの耐食性は、フィンの残存率を元に評価し、該残存率は腐食生成物除去後の試験用熱交換器を撮影した写真においてフィンが残存している面積／腐食試験前の面積として求めた。また、チューブの耐食性は、断面観察写真より測定した最大腐食深さを元に評価した。評価の結果、フィンの残存率が７０％以上、かつチューブの最大腐食深さが６０μｍ未満のものについて、表３に○を付した。また、残存率７０％未満および／またはチューブの最大腐食深さが６０μｍ以上のものについては表３に×を付した。

[熱交換器の放熱性能]
熱交換器の放熱性能はフィンピッチなどのコア仕様が同じであれば、チューブ材の化学成分には依存せず、フィン材単体の熱伝導度に依存するところが大きい。このため、熱交換器としての放熱性能の評価はフィン材単体の電気伝導度の高さで代用し、その評価を表３に示した。評価の結果、電気伝導度が４５％以上のものは○、電気伝導度が４５％未満のものは×を付した。

[熱交換器の総合評価]
以上の評価において、熱交換器としての耐食性および熱交換器としての放熱性能がともに○であったものについては、表３の総合欄に○を付した。熱交換器としての耐食性、熱交換器としての放熱性能のいずれかが×、もしくは両方とも×であったものについては表３の総合欄に×を付した。

表３から明らかなように、本発明の熱交換器は、耐食性と放熱性能を兼ね備えている。一方、比較材では耐食性と放熱性能を同時に満たすものは存在しなかった。

Claims (5)

1. 質量％で、Ｍｎ：１．０〜１．８％（ただし、１．１％を除く）、Ｓｉ：０．７〜１．４％、Ｆｅ：０．０５〜０．３％の範囲で含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、ＭｎとＦｅの含有量がＦｅ／Ｍｎ＜０．２の関係を満たすことを特徴とする高耐食性、高強度および高熱伝導性を有する熱交換器用Ａｌ合金フィン材。
2. 質量％で、Ｍｎ：１．０〜１．８％（ただし、１．１％を除く）、Ｓｉ：０．７〜１．４％、Ｆｅ：０．０５〜０．３％、Ｚｎ：０．２５％以下の範囲で含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、ＭｎとＦｅの含有量がＦｅ／Ｍｎ＜０．２の関係を満たすことを特徴とする高耐食性、高強度および高熱伝導性を有する熱交換器用Ａｌ合金フィン材。
3. 請求項１または請求項２に記載のＡｌ合金フィン材と、Ａｌ合金芯材の少なくとも片面にＡｌ合金ろう材がクラッドされたＡｌ合金ブレージングシートチューブとがろう付けされ、該ろう付け後の前記フィン材とチューブ芯材との孔食電位差が前記チューブ芯材が貴となるように９０〜１６０ｍＶの範囲にあることを特徴とする、高耐食性および高強度を有する熱交換性能に優れた熱交換器。
4. 前記Ａｌ合金芯材が、質量％でＣｕを１．３〜２．５％含有するＡｌ合金芯材であることを特徴とする、請求項２または３に記載の高耐食性および高強度を有する熱交換性能に優れた熱交換器。
5. 前記ろう付けが、非腐食性フラックスろう付けであることを特徴とする請求項３または４に記載の高耐食性および高強度を有する熱交換性能に優れた熱交換器。