JP6022910B2 - 金属接合体及びこれを用いた熱交換器 - Google Patents
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Description
本発明は、自然電位の異なる金属材同士を接合した耐食性に優れた金属接合体、ならびに、これを用いた熱交換器に関する。
従来の異種金属の接合体として、特許文献1には、接合部に焼付塗装を施した後に熱収縮チューブによって被覆したものが記載されている。特許文献2には、接合部を熱硬化性接着剤で接合した後に熱収縮チューブによって被覆したものが記載されている。特許文献3、4には、接合部をシリコン系接着剤で接合した後に熱収縮チューブによって被覆したものが記載されている。これらの特許文献に記載される接合体では、熱収縮チューブによって接合部を被覆することによって防食性を向上させている。また、特許文献4には、犠牲層を設けた金属の接合構造に関する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1〜3の接合体では、焼付塗装や接着剤層によって覆われていない金属部分に腐食が発生して貫通に至る問題があった。また、特許文献4の接合体では、犠牲層が優先的に腐食するために接着剤層に覆われていない金属部分において貫通には至らないものの、接着剤層との界面の犠牲層も優先的に腐食するため、接合部まで水分が達することで著しい異種金属接触腐食が発生し接合部において貫通に至る問題があった。
また、特許文献5に記載されるように、従来、上記異種金属の接合体は、熱交換器本体と冷媒が流通する配管との接合体として用いられている。しかしながら、特許文献1〜4において挙げた問題が解決されておらず、外部からの腐食に対する有効な対策が取られていないのが実情であった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、金属材自体及び接合部において優れた耐食性を示す、自然電位の異なる金属材同士の金属接合体を提供することを目的とする。
異種金属に限らず自然電位の異なる金属材同士の金属接合体においては、接合部を樹脂層で覆うことにより、外部からの金属接触腐食が防止可能となる。通常、自然電位の低い方の金属に犠牲層を設けることで、樹脂層に覆われていない当該金属の部分における耐食性を飛躍的に向上させることができる。一方、樹脂層に覆われている接合部においても、引用文献5において説明したように、樹脂層との界面の犠牲層が優先的に腐食することにより防食効果が発揮される。しかしながら、腐食原因となる水分が樹脂層の端部から侵入して接合部にまで達する場合には、接合部において貫通に至るような著しい金属接触腐食が発生する。
本発明者らは、このような接合部における金属接触腐食の有効な防止方法を検討した。その結果、接合部の長手方向に沿って連続的に犠牲層を設けた場合には、樹脂層端部から侵入した水分が連続する犠牲層と樹脂層との間を長手方向に沿って接合面に向かって浸入する。その結果、接合面付近において著しい金属接触腐食が発生することが判明した。
そこで、このような水分の浸入による金属接触腐食の防止について更に検討を加え、接合部における自然電位が低い金属材に設けられた犠牲層を、長手方向に沿った一部において周方向の全体にわたって存在させないことによって、金属接触腐食を防止できることを見出した。すなわち、樹脂層と自然電位が低い金属材との間に存在する犠牲層に、長手方向に沿った一部において周方向の全体にわたって分断された非連続部分を設け、この非連続部分において、樹脂層が自然電位の低い金属材の外面に接しつつこれを覆う構造とするものである。このような構造とすることにより、樹脂層との界面の犠牲層の優先腐食を接合面付近に達する前に遮断することが可能となる。その結果、自然電位が低い金属材の樹脂層に覆われていない部分、ならびに、当該金属材の樹脂層に覆われた接合部における耐食性の向上を両立できる。
すなわち、本発明は請求項1において、一方の金属材と、当該一方の金属材より高い自然電位を有する他方の金属材とを接合した金属接合体であって、前記一方の金属材は、その外面を覆い、かつ、当該一方の金属材より低い自然電位を有する犠牲層を備え、当該金属接合体の接合部の外面には樹脂層が設けられており、当該樹脂層と前記一方の金属材との間に存在する前記犠牲層が、金属接合体の長手方向の一部において周方向の全体にわたって分断された非連続部分を有し、当該非連続部分において、前記樹脂層が前記一方の金属材の外面に接しつつこれを覆っていることを特徴とする金属接合体とした。
本発明は請求項2では請求項1において、前記一方の金属材が、Si:0.02〜0.80mass%(以下、「mass%」を単に「%」と記載する)、Cu:0.05〜0.80%、Mn:0.20〜2.00%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるAl合金からなるものとした。また、本発明は請求項3では請求項2において、前記Al合金が、Fe:0.80%以下、Mg:0.20%以下及びZn:0.30%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を更に含有するものとした。更に、本発明は請求項4では請求項2又は3において、前記Al合金が、Ti:0.30%以下、Cr:0.30%以下及びZr:0.30%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を更に含有するものとした。
本発明は請求項5では請求項1〜4のいずれか一項において、前記犠牲層が、Zn:0.5〜10.0%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるAl−Zn系合金からなるものとした。また、本発明は請求項6では請求項1〜4のいずれか一項において、前記犠牲層が、5〜25g/m2のZn溶射層からなるものとした。
本発明は請求項7では請求項1〜6のいずれか一項において、前記他方の金属材がCu材からなるものとした。また、本発明は請求項8では請求項1〜6のいずれか一項において、前記他方の金属材がステンレス材からなるものとした。
本発明は請求項9では請求項1〜8のいずれか一項において、前記樹脂層がシリコン系接着剤を含むものとした。また、本発明は請求項10では請求項1〜9のいずれか一項において、前記樹脂層の外面が保護材で覆われているものとした。
本発明は請求項11では請求項1〜10のいずれか一項において、金属接合体を、前記他方の金属材からなる管状部材と、前記一方の金属材からなる管状部材とを、当該一方の金属材からなる管状部材の先端部分を他方の金属材からなる管状部材の管内に挿入して接合したもの、又は、前記一方の金属材からなる管状部材と他方の金属材からなる管状部材の先端同士を突き合わせて接合したものとした。
本発明は請求項12では、請求項1〜11のいずれか一項に記載の金属接合体を用いたことを特徴とする熱交換器とした。更に、本発明は請求項13では請求項12において、前記他方の金属材からなり冷媒の内部流路を備えた冷却体と、前記一方の金属材からなり前記冷却体の入口部と出口部に接続された管状部材とを含む金属接合体を備えるものとした。
本発明に係る金属接合体では、自然電位の低い金属材にその外面を覆う更に自然電位の低い犠牲層が設けられている。この犠牲層の犠牲防食作用によって、この金属材の厚さ方向への腐食の進行が抑制され、この金属材自体の貫通寿命を大幅に向上できる。更に、金属接合体の接合部の外面に設けられた樹脂層が、前記自然電位の低い金属材の外面の一部において、周方向の全体にわたって外面に接しつつこれを覆う構造とした。これにより、樹脂層と自然電位が低い金属材との間に存在する犠牲層が長手方向において、周方向の全体にわたって分断された非連続部分を有することになる。その結果、樹脂層との界面の犠牲層における優先腐食が早期に接合部まで達するのを防止でき、接合部の耐食性をも著しく向上できる。
1.金属接合体の構造
本発明に係る金属接合体は、一方の金属材と、これより高い自然電位を有する他方の金属材同士を接合したものである。一方の金属材は、その外面を覆い、かつ、当該一方の金属材よりも低い自然電位を有する犠牲層を備える。また、金属接合体の接合部の外面には樹脂層が設けられている。この樹脂層と一方の金属材との間に存在する犠牲層は、金属接合体の長手方向の一部において周方向の全体にわたって分断された非連続部分を有し、この非連続部分において、樹脂層が一方の金属材の外面に接しつつこれを覆っている。
本発明に係る金属接合体は、一方の金属材と、これより高い自然電位を有する他方の金属材同士を接合したものである。一方の金属材は、その外面を覆い、かつ、当該一方の金属材よりも低い自然電位を有する犠牲層を備える。また、金属接合体の接合部の外面には樹脂層が設けられている。この樹脂層と一方の金属材との間に存在する犠牲層は、金属接合体の長手方向の一部において周方向の全体にわたって分断された非連続部分を有し、この非連続部分において、樹脂層が一方の金属材の外面に接しつつこれを覆っている。
2.一方の金属材
自然電位の異なる材料を接触させた場合、自然電位の高い材料の腐食が抑制され、これよりも自然電位の低い材料の腐食が促進される、所謂、異種金属接触腐食が発生する。自然電位の低い金属材に自然電位が更に低い犠牲層を配置することで、犠牲層を優先腐食させることができる。これにより、自然電位の低い金属材の厚さ方向への腐食が抑制され、貫通寿命を大幅に向上できる。通常の大気で発生する腐食は、海塩粒子等が材料表面に付着、吸水することにより液膜下で進行する。この環境における腐食のされ易さを示す序列は、海水中の自然電位の序列と一致する。海水中の自然電位とは例えば、UHLIG’S
CORROSION HANDBOOK THIRD EDITION、p.84(ISBN 978−0−470−08032−0)に記載されている。
自然電位の異なる材料を接触させた場合、自然電位の高い材料の腐食が抑制され、これよりも自然電位の低い材料の腐食が促進される、所謂、異種金属接触腐食が発生する。自然電位の低い金属材に自然電位が更に低い犠牲層を配置することで、犠牲層を優先腐食させることができる。これにより、自然電位の低い金属材の厚さ方向への腐食が抑制され、貫通寿命を大幅に向上できる。通常の大気で発生する腐食は、海塩粒子等が材料表面に付着、吸水することにより液膜下で進行する。この環境における腐食のされ易さを示す序列は、海水中の自然電位の序列と一致する。海水中の自然電位とは例えば、UHLIG’S
CORROSION HANDBOOK THIRD EDITION、p.84(ISBN 978−0−470−08032−0)に記載されている。
本発明に係る金属接合体に用いる一方の金属材は、他方の金属材よりも低い自然電位を有する。このような一方の金属材の種類は特に限定されるものではないが、Al材が好適に用いられる。Al(アルミニウム)材とは、Al合金材又は純Al材である。
Al合金材の材質としては、Si、Cu及びMnを必須元素とし、Si:0.02〜0.80%、Cu:0.05〜0.80%、Mn:0.2〜2.0%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるAl合金が好ましい。上記成分のAl合金としては、A3003合金がその代表として挙げられる。
Siは、マトリックス中に固溶したり、Al−Mn−Si系金属間化合物を生成することによって、この金属材の強度を向上させる元素である。また、この金属材を例えば心材に用いる場合、Siを添加することにより心材の電位を貴にして心材と犠牲層との電位差を大きくする働きが発揮され、これにより外部耐食性が向上する。これらのSi添加の効果を得るためには、Si含有量を0.02%以上とするのが好ましい。一方、過剰のSiが含有されると、耐食性を低下させるおそれがある。この過剰なSiによる悪影響を回避するためには、Si含有量を0.80%以下とするのが好ましい。以上のように、一方の金属材のSi含有量は、0.02〜0.80%とするのが好ましい。なお、このSi含有量は、0.10〜0.60%とするのが更に好ましい。
この金属材を例えば心材に用いる場合、Cuを含有させることにより、心材としての金属材の電位を貴にして犠牲防食効果を高める働きを発揮する。この効果を十分に得るためには、Cu含有量を0.05%以上とするのが好ましい。一方、材料製造時の熱履歴によって金属材中にCu系金属間化合物が析出する。このCu系金属間化合物はカソード反応を促進させるため、腐食速度が増大する。このような腐蝕速度の増大を防止するには、Cu含有量を0.80%以下とするのが好ましい。以上のように、この金属材のCu含有量は、0.05〜0.80%とするのが好ましい。なお、このCu含有量は、0.10〜0.60%とするのが更に好ましい。
Mnは、Al−Mn系金属間化合物として晶出又は析出して、この金属材の強度を向上させる元素である。また、Al−Mn系金属間化合物はFeを取り込むために、不可避不純物であるFeによる耐食性阻害効果を抑制する働きを有する。これらの効果を得るためには、Mn含有量を0.20%以上とするのが好ましい。一方、Mn含有量が2.00%を超えると、巨大な金属間化合物が晶出して製造性を阻害するおそれがある。以上のように、この金属材のMn含有量は、0.20〜2.00%とするのが好ましい。なお、このMn含有量は、0.60〜1.50%とするのが更に好ましい。
この金属材には、選択的添加元素として、Fe:0.80%以下、Mg:0.20%以下及びZn:0.30%以下から選択される1種又は2種以上を含有させるのが好ましい。これら元素の含有量は、Fe:0.05〜0.80%、Mg:0.02〜0.20%、Zn:0.02〜0.30%とするのが更に好ましい。Fe含有量が0.80%を超える場合は、粗大なAl−Fe系金属間化合物が晶出し、腐食速度を増大させる要因となる。また、Mg含有量が0.20%を超える場合は、Mg系化合物の優先溶解による粒界腐食発生の可能性が高まる。更に、Zn含有量が0.30%を超える場合は、腐食速度が増大し過ぎて、早期に貫通の発生する可能性がある。
この金属材には更なる選択的添加元素として、Ti:0.30%以下、Cr:0.30%以下及びZr:0.30%以下から選択される1種又は2種以上を含有させるのが好ましい。これらの元素は、鋳塊組織を均一微細化する効果を奏する。しかしながら、これら各元素の含有量が0.30%を超えると巨大金属間化合物が形成されたり、押出性が低下したりする。これら元素の含有量は、Ti:0.05〜0.30%、Cr:0.05〜0.30%、Zr:0.05〜0.30%とするのが更に好ましい。
この金属材は、上記必須元素及び選択的添加元素の他に不可避的不純物を、各々0.05%以下、全体で0.15%以下含有していてもよい。
3.犠牲層
本発明に係る金属接合体の自然電位が低い一方の金属材の外面には、犠牲層が設けられる。このような犠牲層には、A7072のようなAl−Zn系合金又はZn溶射層を設けたAl材が好適に用いられる。ZnはAl−Zn系合金やZn溶射層を設けたAl材の孔食電位を卑化させる働きを有し、犠牲層としての作用が発揮される。
本発明に係る金属接合体の自然電位が低い一方の金属材の外面には、犠牲層が設けられる。このような犠牲層には、A7072のようなAl−Zn系合金又はZn溶射層を設けたAl材が好適に用いられる。ZnはAl−Zn系合金やZn溶射層を設けたAl材の孔食電位を卑化させる働きを有し、犠牲層としての作用が発揮される。
犠牲層にAl−Zn系合金を用いる場合には、Al材の心材の外表面にAl−Zn系合金皮材を合わせたクラッド材料とするのが好ましい。Al−Zn系合金のZn含有量が0.5%未満では心材との電位差が不十分で十分な犠牲防食効果が得られない。一方、Zn含有量が10.0%を超えると、自己耐食性が低下する。従って、Zn含有量は0.5〜10.0%の範囲とするのが好ましい。このZn含有量は、0.7〜5.0%の範囲とするのが更に好ましい。
Zn溶射層を設けたAl材を犠牲層に用いる場合に、Zn溶射量が5g/m2未満のような少量過ぎると、Al材表面にZnを均一に付着させるのが困難となる。一方、Zn溶射量が25g/m2を超えるような多量過ぎると、例えばZnの拡散熱処理後におけるZn量が多くなり過ぎてしまい腐食速度の増大を招く。そのため、Zn溶射量は5〜25g/m2とするのが好ましく、7〜15g/m2とするのが更に好ましい。
上記のAlクラッド材料やZn溶射Al材を犠牲層に用いる場合には、Zn分布の調整を目的として拡散熱処理を施すのが好ましい。拡散熱処理の条件は400〜550℃の温度で30分〜10時間とするのが好ましい。この条件は、450〜520℃の温度で
30分〜3時間とするのが更に好ましい。処理温度が400℃未満であったり、処理時間が30分未満の場合には、Znの拡散が十分ではなく、犠牲防食層としての厚さが不十分であり、早期に犠牲防食層が消失してしまうことがある。一方、処理温度が550℃を超えたり、処理時間が10時間を超える場合には、Znが拡散し過ぎて表面のZn濃度が低くなり過ぎるために、犠牲防食層としての作用を発揮できなくなることがある。また、自然電位の高い他方の金属にも、犠牲層を配置してもよい。この犠牲層には、例えばAl又はAl合金や、Zn又はZn合金等を使用することができる。
30分〜3時間とするのが更に好ましい。処理温度が400℃未満であったり、処理時間が30分未満の場合には、Znの拡散が十分ではなく、犠牲防食層としての厚さが不十分であり、早期に犠牲防食層が消失してしまうことがある。一方、処理温度が550℃を超えたり、処理時間が10時間を超える場合には、Znが拡散し過ぎて表面のZn濃度が低くなり過ぎるために、犠牲防食層としての作用を発揮できなくなることがある。また、自然電位の高い他方の金属にも、犠牲層を配置してもよい。この犠牲層には、例えばAl又はAl合金や、Zn又はZn合金等を使用することができる。
4.他方の金属材
本発明に係る金属接合体に用いる他方の金属材は、上記一方の金属材よりも高い自然電位を有するものであればその種類は特に限定されるものではないが、Cu材とステンレス材が好適に用いられる。Cu(銅)材とは、Cu合金材又は純Cu材である。Cu合金材としては、C1220が好適に用いられる。また、ステンレス材としてはSUS304等を好適に用いることができる。
本発明に係る金属接合体に用いる他方の金属材は、上記一方の金属材よりも高い自然電位を有するものであればその種類は特に限定されるものではないが、Cu材とステンレス材が好適に用いられる。Cu(銅)材とは、Cu合金材又は純Cu材である。Cu合金材としては、C1220が好適に用いられる。また、ステンレス材としてはSUS304等を好適に用いることができる。
この他方の金属材の貫通寿命の向上を図るために、この金属材の外面にこれも自然電位の低い犠牲層を設けてもよい。この犠牲層の自然電位は、上記一方の金属よりも低いことが望ましい。このような犠牲層には、Al合金やZn合金等が用いられる。
5.樹脂層
本発明に係る金属接合体においては、接合部の外面に樹脂層が設けられている。この樹脂層は、犠牲層の非連続部分において一方の金属材の外面に接しつつこれを覆っている。このような樹脂層により、接合部付近に水滴が付着した場合においても高い防水性能が発揮され、接合部における金属接触腐食の発生を防止できる。
本発明に係る金属接合体においては、接合部の外面に樹脂層が設けられている。この樹脂層は、犠牲層の非連続部分において一方の金属材の外面に接しつつこれを覆っている。このような樹脂層により、接合部付近に水滴が付着した場合においても高い防水性能が発揮され、接合部における金属接触腐食の発生を防止できる。
通常、金属は水分が存在すると腐食するため、樹脂層と金属材との界面に水分が浸入した場合には金属材が腐食するおそれがある。この際、金属材の樹脂層側の外面に犠牲層が設けられていると、犠牲防食作用によってこの犠牲層が優先的に腐食する。すなわち、樹脂層の端部から侵入した水分によって、樹脂層と金属材との間の犠牲層が樹脂層端部から接合部に向かって優先腐食していく。その結果、接合部が貫通に至るような金属接触腐食が発生する。
このような金属接触腐食を防止するためには、犠牲層の非連続部分において一方の金属材の外面を樹脂層で直接覆うことが必要である。これにより、樹脂層と金属との間の犠牲層の非連続部分において、犠牲層の優先腐食を接合面付近に達する前に遮断することができる。犠牲層の非連続部分の長手方向に沿った長さは、0.5mm以上とするのが好ましい。なお、一方の金属材がAl材であり、犠牲層が外面から前記Al材の心材に向かってZn濃度勾配を有している場合には、犠牲層の非連続部分において樹脂層に直接覆われる前記Al材のZn濃度は、0.2%以下とするのが好ましい。
本発明に用いる樹脂層には、接着剤層、フィルム層、塗膜層などを用いることができる。材質としては、シリコン系樹脂、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂などを用いることができる。また、金属材や犠牲層との強固な密着性を得る観点から、接着剤層を用いるのが好ましい。端部からの水分の侵入と長手方向に沿った水分の浸入を低減可能な吸水性を有し、かつ、接着性も有するシリコン系接着剤層が好ましい。
6.保護材
本発明に係る金属接合体の樹脂層の外面は、保護材で覆われているのが好ましい。保護材は、樹脂層の外面の少なくとも一部を覆っていればよい。このような保護材としては、熱収縮チューブが好適に用いられる。熱収縮チューブの材質としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水性ポリマーが好ましい。撥水性の熱収縮チューブを用いることにより、樹脂層を介した金属材への水の浸入を抑制して、外部からの耐腐食性を更に向上できる。
本発明に係る金属接合体の樹脂層の外面は、保護材で覆われているのが好ましい。保護材は、樹脂層の外面の少なくとも一部を覆っていればよい。このような保護材としては、熱収縮チューブが好適に用いられる。熱収縮チューブの材質としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水性ポリマーが好ましい。撥水性の熱収縮チューブを用いることにより、樹脂層を介した金属材への水の浸入を抑制して、外部からの耐腐食性を更に向上できる。
7.金属接合体の接合形態
本発明に係る金属接合体の接合形態は特に制限されるものではないが、例えば、管状部材同士の接合、板状部材同士の接合、中空部材同士の接合、管状部材と板状部材との接合、管状部材と中空部材との接合、板状部材と中空部材との接合、管状部材と中空部材と板状部材との接合等が挙げられる。ここで、中空部材とは、中空部が形成されるように板状部材を加工したものをいう。
本発明に係る金属接合体の接合形態は特に制限されるものではないが、例えば、管状部材同士の接合、板状部材同士の接合、中空部材同士の接合、管状部材と板状部材との接合、管状部材と中空部材との接合、板状部材と中空部材との接合、管状部材と中空部材と板状部材との接合等が挙げられる。ここで、中空部材とは、中空部が形成されるように板状部材を加工したものをいう。
上記接合形態の具体例としては、例えば、金属材から構成される一方の管状部材と、これより自然電位の高い金属材で構成した他方の管状部材を用意し、一方の管状部材の先端部分を他方の管状部材の管内に挿入して接合した金属接合体が挙げられる。管状部材の先端部分は管状部材の入口部に挿入・拡管されて、例えばカシメ接合される。この具体例に代えて、一方及び他方の両管状部材の先端同士を突き合わせて接合した金属接合体としてもよい。この場合には、両管状部材の先端同士の突き合わせ部は、例えば溶接により接合される。
これらの具体例では、心材としての管状部材の外面には、管状部材よりも自然電位の低い犠牲層設けられる。また、両管状部材の接合部の外面には、樹脂層が設けられる。この樹脂層は、管状部材の外面の一部において、周方向の全体にわたって外面に接しつつこれを覆う。すなわち、樹脂層と管状部材との間に存在する犠牲層は、長手方向において周方向の全体にわたって分断された非連続部分を有する。樹脂層の外面の大部分は、熱収縮チューブからなる保護材で覆われる。
このような構造の金属接合体は、犠牲層の非連続部分によって犠牲層の優先腐食が接合面付近に達する前に遮断される。これにより、非連続部分から接合面に至る管状部材における腐食が効果的に防止される。
8.接合方法
本発明に係る金属接合体の接合方法は特に限定されるものではないが、上述のカシメ接合や溶接の他に、共晶接合、フラッシュパット接合、磨耗拡散接合、ろう付等の金属材同士を直接接触させて接合する方法を用いることができる。
本発明に係る金属接合体の接合方法は特に限定されるものではないが、上述のカシメ接合や溶接の他に、共晶接合、フラッシュパット接合、磨耗拡散接合、ろう付等の金属材同士を直接接触させて接合する方法を用いることができる。
9.金属接合体の用途例
本発明に係る金属接合体は、熱交換器として好適に用いることができる。このような熱交換器は、上記接合形態における管状部材と中空部材との接合体に該当する。図1〜3に示すように、この熱交換器1は、例えば、冷媒(不図示)の内部流路31を備えた金属材からなる冷却体3と、この金属材より低い自然電位を有する金属材からなり冷却体3の入口部5と出口部9に接続される管状部材2とを含む金属接合体1を備える(図1〜3には、管状部材2が入口部5にのみ接続される場合を示す)。管状部材2の外面には不図示の犠牲層が設けられている。この犠牲層は、長手方向において周方向の全体にわたって分断された非連続部分7を有する。内部流路31には、複数の仕切板32によって仕切られた狭い流通路33が形成されている。内部流路31は、その周囲を放熱空間34によって囲まれている。冷却体3の入口部5から流入する冷媒が流通路33を通過する際に、冷媒の熱が放熱空間34に放熱されて熱交換が行われる。放熱された冷媒は、冷却体3の出口部9から流出する。なお、図3において、6は接合部の外面に設けられた樹脂層であり、犠牲層の非連続部分7において管状部材2の外面に接しつつこれを覆っている。
本発明に係る金属接合体は、熱交換器として好適に用いることができる。このような熱交換器は、上記接合形態における管状部材と中空部材との接合体に該当する。図1〜3に示すように、この熱交換器1は、例えば、冷媒(不図示)の内部流路31を備えた金属材からなる冷却体3と、この金属材より低い自然電位を有する金属材からなり冷却体3の入口部5と出口部9に接続される管状部材2とを含む金属接合体1を備える(図1〜3には、管状部材2が入口部5にのみ接続される場合を示す)。管状部材2の外面には不図示の犠牲層が設けられている。この犠牲層は、長手方向において周方向の全体にわたって分断された非連続部分7を有する。内部流路31には、複数の仕切板32によって仕切られた狭い流通路33が形成されている。内部流路31は、その周囲を放熱空間34によって囲まれている。冷却体3の入口部5から流入する冷媒が流通路33を通過する際に、冷媒の熱が放熱空間34に放熱されて熱交換が行われる。放熱された冷媒は、冷却体3の出口部9から流出する。なお、図3において、6は接合部の外面に設けられた樹脂層であり、犠牲層の非連続部分7において管状部材2の外面に接しつつこれを覆っている。
図1は、管状部材2が冷却体3の入口部5に差し込まれる前の状態を示す。図2は、管状部材2が冷却体3の入口部5に挿入・拡管されてカシメ接合された状態を示す。次いで、図3に示すように、管状部材2の接合部付近の外面にわたって樹脂層が設けられる。樹脂層6は、犠牲層の非連続部分7において管状部材2の外面に接しつつこれを覆っている。樹脂層6は、樹脂塗料を塗布して乾燥することによって形成される。図3に示す状態の接合部は、上述の接合形態の具体例に示すような構造である(但し、図3では、上記具体例の他方の管状部材に該当するものが冷却体3となり、保護材は設けられていない)。
このような熱交換器は、例えば、自動車用のインバータ冷却器、蒸気圧縮ヒートポンプサイクルによる冷凍冷蔵庫、エアコン、給湯器等のシステムの一部として用いられる。
以下に、実施に基づいて本発明の実施の形態を具体的に説明する。
実施例1(本発明例1〜7及び比較例1〜6)
上述のようにして、図1〜3に示す熱交換器1を作製した。自然電位の高い金属材からなる冷却体3には、厚さ1.0mmの銅合金C1220と、厚さ0.7mmのステンレス鋼(SUS304)を用い、幅8cm、長さ10cm、高さ2cmの箱状体に成形した。また、Al合金又はステンレス鋼を用いて、外径3cmと長さ20cmを有する自然電位の低い金属材からなる管状部材2(心材)を成形した。また、この管状部材2の外面を覆う犠牲層には、Al−Zn系合金とZn溶射層を設けたAl材又は純Zn材を用いた。Al−Zn系合金の犠牲層では、クラッド率を10%とした。また、Zn溶射層の犠牲層では、Zn溶射量を1〜40g/m2とした。犠牲層を設けた管状部材2の全体肉厚は、1.0mmとした。最後に、接合部付近の外面にわたって接着性樹脂塗料を塗布し、200℃で60分間乾燥して厚さ0.5mmの樹脂接着層6を形成した。
上述のようにして、図1〜3に示す熱交換器1を作製した。自然電位の高い金属材からなる冷却体3には、厚さ1.0mmの銅合金C1220と、厚さ0.7mmのステンレス鋼(SUS304)を用い、幅8cm、長さ10cm、高さ2cmの箱状体に成形した。また、Al合金又はステンレス鋼を用いて、外径3cmと長さ20cmを有する自然電位の低い金属材からなる管状部材2(心材)を成形した。また、この管状部材2の外面を覆う犠牲層には、Al−Zn系合金とZn溶射層を設けたAl材又は純Zn材を用いた。Al−Zn系合金の犠牲層では、クラッド率を10%とした。また、Zn溶射層の犠牲層では、Zn溶射量を1〜40g/m2とした。犠牲層を設けた管状部材2の全体肉厚は、1.0mmとした。最後に、接合部付近の外面にわたって接着性樹脂塗料を塗布し、200℃で60分間乾燥して厚さ0.5mmの樹脂接着層6を形成した。
本発明例1〜7及び比較例5、6において、犠牲層の非連続部分は、接合部側の端面から5mmの点を始点として接合面とは反対側の長手方向に沿った長さ3mmの部分とした。比較例1〜4では、犠牲層の非連続部分を設けなかった(すなわち、樹脂層6が、心材である管状部材2の外面の一部において、周方向の全体にわたってこの外面に直接接しつつこれを覆う部分を設けなかった)。また、本発明例6及び比較例4では、樹脂層6の外面を熱収縮チューブ(住友電工ファインポリマー株式会社製、スミチューブ)で覆って収縮させた。以上のようにして、熱交換器1の試料を作製した。
用いた材料の海水中電位を表1に示す。また、用いたAl合金の合金組成を表2に示す。更に、冷却体、二層クラッド管(管状部材と犠牲層)、樹脂層及び熱収縮チューブの組み合わせ、樹脂層と心材との直接接触の有無を表3に示す。
耐食性評価として、ASTM G85に準じたSWAATを1500時間行った。試験後に腐食生成物を除去し、試料における貫通孔の有無とその位置を確認した。結果を表4に示す。
本発明例1〜7では、貫通孔が発生せず耐食性に優れていた。比較例1〜4では、犠牲層の不連続部分を設けず、樹脂層が自然電位の低い金属材である管状部材の心材を直接覆っていなかった。その結果、接合部近傍に腐食が達して金属腐食が起こり、接合部近傍の管状部材に貫通孔が発生した。比較例5では、管状部材に犠牲層を設けなかったため、樹脂接着層に覆われていない管状部材に貫通孔が発生した。比較例6では、管状部材にこれより自然電位の貴な犠牲層を設けたため、樹脂接着層に覆われていない管状部材に貫通孔が発生した。
実施例2(本発明例8〜52)
表5に示す合金を用いて、外径3cmと長さ20cmを有する自然電位の低い金属材からなる管状部材(心材)を成形した。この外面に、表6に示す合金の犠牲層を5%のクラッド率で設けた。このようにして、全体肉厚1mm、犠牲層厚さ50μmの二層クラッド管を作製した。犠牲層が、表6に示すAZ5〜8の場合には、管状部材を押出し、抽伸後にショットブラスト処理した。次いで、Znの溶射後に450℃で2時間のZn拡散熱処理を行ない、表6に示すZn溶射量のZn拡散層を形成した。犠牲層を設けた管状部材2の全体肉厚は、1.0mmとした。次いで、接合部側の端面から3mmの点を始点として接合面とは反対側の長手方向に沿った長さ5mmの幅で犠牲層を切削加工により除去した。以上のようにして、管状部材とその外面の犠牲層からなる二層クラッド管を作製した。
表5に示す合金を用いて、外径3cmと長さ20cmを有する自然電位の低い金属材からなる管状部材(心材)を成形した。この外面に、表6に示す合金の犠牲層を5%のクラッド率で設けた。このようにして、全体肉厚1mm、犠牲層厚さ50μmの二層クラッド管を作製した。犠牲層が、表6に示すAZ5〜8の場合には、管状部材を押出し、抽伸後にショットブラスト処理した。次いで、Znの溶射後に450℃で2時間のZn拡散熱処理を行ない、表6に示すZn溶射量のZn拡散層を形成した。犠牲層を設けた管状部材2の全体肉厚は、1.0mmとした。次いで、接合部側の端面から3mmの点を始点として接合面とは反対側の長手方向に沿った長さ5mmの幅で犠牲層を切削加工により除去した。以上のようにして、管状部材とその外面の犠牲層からなる二層クラッド管を作製した。
表6には、犠牲層にAl−Zn系合金を用いた場合の犠牲層中のZn濃度(AZ1はAl−Zn系合金ではないので、Znを含有しない)、Zn溶射量、ならびに、材料の海水中電位を示す。
一方、自然電位の高い金属材として、肉厚1mmの銅合金C1220からなる管状部材を作製した。この管状部材には犠牲層を設けなかった。
上記二層クラッド管と、これより自然電位の高い管状部材とを共晶接合(条件:600℃、30秒保持)により接合し、接合部を洗浄した。次いで、接合部付近の外周面にわたって接着性樹脂塗料を塗布し、200℃で60分間乾燥して厚さ0.5mmの樹脂層を形成した。更に、本発明例52以外では、樹脂層の外面を熱収縮チューブ(住友電工ファインポリマー株式会社製、スミチューブ)で覆って収縮させた。このようにして、金属接合体の試料を作製した。自然電位の高い管状部材、二層クラッド管(管状部材と犠牲層)及び樹脂層の組み合わせを表7に示す。
以上のようにして作製した試料について、耐食性、製造性及び強度を下記のようにして評価した。
(耐食性評価)
耐食性を、ASTM G85に準じたSWAATを1500時間行った後に腐食生成物を除去した二層クラッド管の腐食深さから評価した。腐食深さが80μm未満の場合を優良(◎)、腐食深さが80〜200μmの場合を良好(○)、腐食深さが200〜500μmの場合を可(△)とした。結果を表8に示す。
耐食性を、ASTM G85に準じたSWAATを1500時間行った後に腐食生成物を除去した二層クラッド管の腐食深さから評価した。腐食深さが80μm未満の場合を優良(◎)、腐食深さが80〜200μmの場合を良好(○)、腐食深さが200〜500μmの場合を可(△)とした。結果を表8に示す。
(製造性評価)
製造性を、割れ発生による不良品を除いた歩留まりから評価した。歩留まりが90%以上の場合を良好(○)、歩留まりが70〜90%の場合を可(△)とした。結果を表8に示す。
製造性を、割れ発生による不良品を除いた歩留まりから評価した。歩留まりが90%以上の場合を良好(○)、歩留まりが70〜90%の場合を可(△)とした。結果を表8に示す。
(強度評価)
強度評価を、接合部を含む試料の引張試験で行った。荷重を二層クラッド管の断面積で除することで引張強度とした。引張強度が120N/mm2以上の場合を優良(◎)、100〜120N/mm2の場合を良好(○)、80〜100N/mm2の場合を可(△)とした。結果を表8に示す。
強度評価を、接合部を含む試料の引張試験で行った。荷重を二層クラッド管の断面積で除することで引張強度とした。引張強度が120N/mm2以上の場合を優良(◎)、100〜120N/mm2の場合を良好(○)、80〜100N/mm2の場合を可(△)とした。結果を表8に示す。
(総合評価)
耐食性評価、製造性評価及び強度評価が◎と○から構成されている場合には、総合評価を優良(◎)とした。耐食性評価、製造性評価及び強度評価が○から構成されている場合には、総合評価を良好(○)とした。耐食性評価、製造性評価及び強度評価に△が含まれている場合には、総合評価を可(△)とした。結果を表8に示す。
耐食性評価、製造性評価及び強度評価が◎と○から構成されている場合には、総合評価を優良(◎)とした。耐食性評価、製造性評価及び強度評価が○から構成されている場合には、総合評価を良好(○)とした。耐食性評価、製造性評価及び強度評価に△が含まれている場合には、総合評価を可(△)とした。結果を表8に示す。
本発明例8、10、11、14、15、18、19、22、23、25、26、28、29、31、32、34、35、37、38、41、44、45、50及び51では、総合評価が優良(◎)又は良好(○)であった。
本発明例9では、二層クラッド管の管状部材のSi含有量が低かったために、強度が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。本発明例12では、二層クラッド管の管状部材のSi含有量が高かったために、耐食性と製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例17では、二層クラッド管の管状部材のCu含有量が低かったために、強度が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。本発明例20では、二層クラッド管の管状部材のCu含有量が高かったために、耐食性と製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例21では、二層クラッド管の管状部材のMn含有量が低かったために、強度が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。本発明例24では、二層クラッド管の管状部材のMn含有量が高かったために、耐食性と製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例30では、二層クラッド管の管状部材のTi含有量が高かったために、製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例36では、二層クラッド管の管状部材のCr含有量が高かったために、製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例39では、二層クラッド管の管状部材のZr含有量が高かったために、製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例36では、二層クラッド管の管状部材のCr含有量が高かったために、製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例39では、二層クラッド管の管状部材のZr含有量が高かったために、製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例13では、二層クラッド管の管状部材のFe含有量が低かったために、製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。本発明例16では、二層クラッド管の管状部材のFe含有量が高かったために、耐食性と製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例27では、二層クラッド管の管状部材のMg含有量が高かったために、耐食性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例33では、二層クラッド管の管状部材のZn含有量が高かったために、耐食性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例40では、Al−Zn系合金犠牲層にZnが含有されていなかったために、耐食性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例42では、Al−Zn系合金犠牲層のZn含有量が高かったために、耐食性と製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例43では、犠牲層のZn溶射量が少なかったために、耐食性と製造性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。本発明例46では、犠牲層のZn溶射量が多かったために、耐食性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例47〜49では、樹脂層としてシリコン系樹脂層を用いなかったため、耐食性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例52では、保護材として熱収縮チューブを用いなかったため、耐食性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明例52では、保護材として熱収縮チューブを用いなかったため、耐食性が若干劣って可となった。その結果、総合評価も可となった。
本発明により、金属材自体及び接合部において優れた耐食性を示す自然電位の異なる金属材同士の金属接合体が得られる。
1・・・熱交換器
2・・・管状部材
3・・・冷却体
31・・・内部流路
32・・・仕切板
33・・・流通路
34・・・放熱空間
5・・・入口部
6・・・樹脂層
7・・・非連続部分
9・・・出口部
2・・・管状部材
3・・・冷却体
31・・・内部流路
32・・・仕切板
33・・・流通路
34・・・放熱空間
5・・・入口部
6・・・樹脂層
7・・・非連続部分
9・・・出口部
Claims (13)
- 一方の金属材と、当該一方の金属材より高い自然電位を有する他方の金属材とを接合した金属接合体であって、前記一方の金属材は、その外面を覆い、かつ、当該一方の金属材より低い自然電位を有する犠牲層を備え、当該金属接合体の接合部の外面には樹脂層が設けられており、当該樹脂層と前記一方の金属材との間に存在する前記犠牲層が、金属接合体の長手方向の一部において周方向の全体にわたって分断された非連続部分を有し、当該非連続部分において、前記樹脂層が前記一方の金属材の外面に接しつつこれを覆っていることを特徴とする金属接合体。
- 前記一方の金属材が、Si:0.02〜0.80mass%(以下mass%を%と記載)、Cu:0.05〜0.80%、Mn:0.20〜2.00%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるAl合金からなる、請求項1に記載の金属接合体。
- 前記Al合金が、Fe:0.80%以下、Mg:0.20%以下及びZn:0.30%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を更に含有する、請求項2に記載の金属接合体。
- 前記Al合金が、Ti:0.30%以下、Cr:0.30%以下及びZr:0.30%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を更に含有する、請求項2又は3に記載の金属接合体。
- 前記犠牲層が、Zn:0.5〜10.0%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるAl−Zn系合金からなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の金属接合体。
- 前記犠牲層が5〜25g/m2のZn溶射層からなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の金属接合体。
- 前記他方の金属材がCu材からなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の金属接合体。
- 前記他方の金属材がステンレス材からなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の金属接合体。
- 前記樹脂層がシリコン系接着剤を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の金属接合体。
- 前記樹脂層の外面が保護材で覆われている、請求項1〜9のいずれか一項に記載の金属接合体。
- 前記他方の金属材からなる管状部材と、前記一方の金属材からなる管状部材とを、当該一方の金属材からなる管状部材の先端部分を他方の金属材からなる管状部材の管内に挿入して接合し、又は、前記一方の金属材からなる管状部材と他方の金属材からなる管状部材の先端同士を突き合わせて接合した、請求項1〜10のいずれか一項に記載の金属接合体。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の金属接合体を用いたことを特徴とする熱交換器。
- 前記他方の金属材からなり冷媒の内部流路を備えた冷却体と、前記一方の金属材からなり前記冷却体の入口部と出口部に接続された管状部材とを含む金属接合体を備える、請求項12に記載の熱交換器。
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