JP6227462B2 - アルミニウム合金クラッド材 - Google Patents
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従来から、このクラッド材について、様々な技術が提案されている。
ここで、チューブ材を構成するクラッド材の薄肉化を図ろうとすると、必然的に、クラッド材を構成する心材および犠材を薄くしなければならなくなる。特許文献1に開示されているような従来の成分組成のクラッド材は、ろう付後強度が180MPa程度であるものの、板厚が0.4mm程度と厚めであり、薄肉化に対応することが困難となる。また、犠材を薄くすると、ろう付加熱中の元素拡散が耐食性に及ぼす影響が大きくなるために、従来の成分組成では耐食性の確保が困難となる。
つまり、従来の成分構成のクラッド材では、クラッド材の薄肉化が望まれているという状況の下、「ろう付後強度の確保」と「耐食性の確保」との両立という点において改善の余地があった。
アルミニウム合金クラッド材とは、自動車の熱交換器のチューブ材等に用いられる板材である。そして、図1に示すように、クラッド材1は、心材2の一方の面に犠材3をクラッドし、もう一方の面にろう材4をクラッドしたものである。
なお、アルミニウム合金クラッド材1は、心材2とろう材4との間に中間層(図示せず)を設けていてもよい。
次に、クラッド材1の心材2、犠材3、およびろう材4について説明する。
心材は、Si:0.1〜1.2質量%、Cu:0.5〜1.5質量%、Mn:0.5〜2.0質量%を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなる。
なお、心材が、Mg、CrおよびZrのうち複数を含有する場合、各成分は、それぞれの含有量の上限値を超えないことが好ましい。ただし、前記所定範囲の含有量の成分を1つでも心材が含有する場合、その他の成分は前記下限値未満であっても、前記所定範囲の含有量で含有された成分については、後記する効果を発揮することができる。
Siは、固溶強化、Mnと分散粒子を形成することによる分散強化、Mgと析出相を形成することによる析出強化によって、ろう付後の強度向上に寄与する。
Siの含有量が0.1質量%未満では、前記したろう付後の強度向上の効果が不十分である。一方、Siの含有量が1.2質量%を超えると、心材の固相線温度が低下し、ろう付時に溶融を生じさせてしまう。
したがって、心材のSiの含有量は、0.1〜1.2質量%である。
Cuは、固溶強化によりろう付後の強度向上に寄与する。
Cuの含有量が0.5質量%未満では、ろう付後の強度向上の効果が不十分である。一方、Cuの含有量が1.5質量%を超えると、心材の固相線温度が低下し、ろう付時に溶融を生じさせてしまう。
したがって、心材のCuの含有量は、0.5〜1.5質量%である。
Mnは、Siと分散粒子を形成して分散強化することで、ろう付後の強度向上に寄与する。
Mnの含有量が0.5質量%未満では、分散強化によるろう付後の強度向上の効果が不十分である。一方、Mnの含有量が2.0質量%を超えると、鋳造時に粗大な金属間化合物を形成し、加工性が低下するため、チューブ成形時に割れが発生し易くなる。
したがって、心材のMnの含有量は、0.5〜2.0質量%である。
Tiは、アルミニウム合金中において層状に分布することにより、クラッド材の電位分布もTiの濃淡に対応した分布となることから、腐食形態が層状化し、板厚方向への腐食進行速度を低減することができるため、耐食性の向上に寄与する。
Tiの含有量が0.05質量%未満では、Tiの層状分布が不十分であり、耐食性の向上の効果が十分には得られない。一方、Tiの含有量が0.30質量%を超えると、鋳造時に粗大なAl3Ti金属間化合物を形成し易くなり、加工性が低下し圧延時に割れが発生する。
したがって、心材にTiを含有させる場合、Tiの含有量は、0.05〜0.30質量%である。
Mgは、ろう付後にSiと析出相を形成し析出強化することで、ろう付後の強度向上に寄与する。
Mgの含有量が0.05質量%未満では、Siとの析出相の形成による強度向上の効果が不十分である。一方、Mgの含有量が0.50質量%を超えると、ろう付時にフラックスとMgが反応し高融点化合物を形成することで、フラックスの機能を損なわせる結果、ろう付性が低下する。
したがって、心材にMgを含有させる場合、Mgの含有量は、0.05〜0.50質量%である。
Crは、AlとAl3Cr分散粒子を形成して分散強化することで、ろう付後の強度向上に寄与する。
Crの含有量が0.05質量%未満ではその効果が充分でなく、0.30質量%を超えると、鋳造時に粗大なAl3Cr金属間化合物を形成し、加工性が低下するため、チューブ成形時に割れが発生し易くなる。
したがって、心材にCrを含有させる場合、Crの含有量は、0.05〜0.30質量%である。
Zrは、AlとAl3Zr分散粒子を形成して分散強化することで、ろう付後の強度向上に寄与する。
Zrの含有量が0.05質量%未満ではその効果が充分でなく、0.30質量%を超えると、鋳造時に粗大なAl3Zr金属間化合物を形成し、加工性が低下し圧延時に割れが発生する。
したがって、心材にZrを含有させる場合、Zrの含有量は、0.05〜0.30質量%である。
心材の成分は前記の他に残部がAlおよび不可避的不純物からなる。なお、不可避的不純物としては、例えば、Fe、Zn等が挙げられる。また、前記した成分のうち、Ti、Mg、Cr、Zrは、前記所定の含有量となるように積極的に添加される場合だけではなく、不可避的不純物として含有される場合もある。
これらの不可避的不純物について、Feは0.5質量%未満、それ以外の元素は0.05質量%未満(好ましくは0.03質量%以下)の含有量であれば、本発明の効果を妨げず、心材に含有することは許容される。
犠材(犠牲材または犠牲陽極材ともいう)は、Zn:2.5〜7.0質量%、Mg:1.5〜3.0質量%、Si:0.2〜0.9質量%を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなる。
なお、犠材が、CrおよびZrのうち2つとも含有する場合、各成分は、それぞれの含有量の上限値を超えないことが好ましい。ただし、前記所定範囲の含有量の成分を1つでも犠材が含有する場合、他方の成分は前記下限値未満であっても、前記所定範囲の含有量で含有された成分については、後記する効果を発揮することができる。
Znは、犠材の電位を卑化させることで、心材との電位差を生じさせることにより、耐食性の向上に寄与する。
Znの含有量が2.5質量%未満では、心材との電位差が小さくなり、耐食性を確保するのが困難になる。一方、Znの含有量が7.0質量%を超えると、固相線温度が低下しろう付時に犠材が溶融する。
したがって、犠材のZnの含有量は、2.5〜7.0質量%である。
Mgは、ろう付時に心材に拡散して、Siと析出相を形成し析出強化することで、ろう付後の強度向上に寄与する。
Mgの含有量が1.5質量%未満では、Siとの析出相の形成による強度向上の効果が不十分である。一方、Mgの含有量が3.0質量%を超えると、心材と犠材との圧着性が低下する。
したがって、犠材のMgの含有量は、1.5〜3.0質量%である。
Siは、犠材中のMgと析出相を形成し析出強化することで、ろう付後の強度向上に寄与する。
Siの含有量が0.2質量%未満では、Mgとの析出相の形成による強度向上の効果が不十分である。一方、Siの含有量が0.9質量%を超えると、固相線温度が低下しろう付時に犠材が溶融する。
したがって、犠材のSiの含有量は、0.2〜0.9質量%である。
Mnは、固溶体強化により、ろう付後の強度向上に寄与する。
Mnの含有量が0.5質量%未満だと上記の効果が得られず、2.0質量%を超えると、鋳造時に粗大な金属間化合物を形成し、加工性が低下し圧延時に割れが発生する。
したがって、犠材にMnを含有させる場合、Mnの含有量は、0.5〜2.0質量%である。
Tiは、アルミニウム合金中において層状に分布することにより、腐食形態が層状化し、板厚方向への腐食進行速度を低減することができるため、耐食性の向上に寄与する。
Tiの含有量が0.05質量%未満では、耐食性向上の効果が十分には得られない。一方、Tiの含有量が0.30質量%を超えると、鋳造時に粗大なAl3Ti金属間化合物を形成し易くなり、加工性が低下し圧延時に割れが発生する。
したがって、犠材にTiを含有させる場合、Tiの含有量は、0.05〜0.30質量%である。
Crは、AlとAl3Cr分散粒子を形成して分散強化することで、ろう付後の強度向上と、結晶粒微細化による耐食性向上に寄与する。
Crの含有量が0.05質量%未満では、強度、耐食性向上の効果が不十分である。一方、Crの含有量が0.30質量%を超えると、粗大Al3Cr化合物を形成し延性を低下させ、加工性が低下し圧延時に割れが発生する。
したがって、犠材にCrを含有させる場合、犠材のCrの含有量は、0.05〜0.30質量%である。
Zrは、AlとAl3Zr分散粒子を形成して分散強化することで、ろう付後の強度向上と、結晶粒微細化による耐食性向上に寄与する。
Zrの含有量が0.05質量%未満では、強度向上の効果が十分には得られない。一方、Zrの含有量が0.30質量%を超えると、鋳造時に粗大なAl3Zr金属間化合物を形成し、加工性が低下するため、加工性が低下し圧延時に割れが発生する。
したがって、犠材にZrを含有させる場合、Zrの含有量は、0.05〜0.30質量%である。
犠材の成分は前記の他、残部がAlおよび不可避的不純物からなる。なお、不可避的不純物としては、例えば、Fe、In、Sn、Ni等が挙げられる。また、前記した成分のうち、Mn、Ti、Cr、Zrは、前記所定の含有量となるように積極的に添加される場合だけではなく、不可避的不純物として含有される場合もある。
これらの不可避的不純物について、Feは0.5質量%未満、それ以外の元素は0.05質量%未満(好ましくは0.03質量%以下)の含有量であれば、本発明の効果を妨げず、犠材に含有することは許容される。
ろう材は、アルミニウム合金からなる。このアルミニウム合金としては、特に限定されないが、一般的なJIS合金、例えば4343、4045等が挙げられる(JIS Z3263:2002参照)。そして、アルミニウム合金とは、Siを含有した合金の他に、Znを含有した合金も含むものが挙げられる。すなわち、アルミニウム合金としては、通常使用されているAl−Si系合金、またはAl−Si−Zn系合金であればどのようなものでもよい。
また、真空ろう付用に用いられるAl−Si−Mg系、Al−Si−Mg−Bi系合金を使用することも可能である。さらに、Si、Zn、Mg、Biの他、Fe、Cu、Mn等を含有してもよい。
なお、ろう材として、具体的には、Si:7.0〜12.0質量%、Zn:0.5〜6.0質量%を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなるものを用いることができる。
(クラッド材の板厚)
本発明は、薄肉化に対応可能なクラッド材の提供を1つの課題としている。ここで、クラッド材の板厚が0.2mm未満の場合において、従来の成分組成のクラッド材ではろう付後強度および耐食性の確保が困難になる、というもう1つの課題が明確に現れることとなる。つまり、本発明は、板厚が0.2mm未満のクラッド材に適用することにより、薄肉化に対応可能となるという効果を発揮しつつ、ろう付後強度および耐食性に優れるという効果を発揮することができる。したがって、クラッド材の板厚は、0.2mm未満である。
心材の厚さと犠材の厚さとの合計に対する犠材の厚さの比率は、(犠材の厚さ)/(心材の厚さ+犠材の厚さ)×100%で表される。
犠材の前記比率が22.5%未満では、本発明が対象とする0.2mm未満のクラッド材において、犠材の厚さがかなり薄くなってしまうことにより、耐食性とろう付後強度を確保するのが困難となってしまう。一方、犠材の前記比率が50%を超えると、心材と犠材との圧着性の確保が困難となる。
したがって、犠材の前記比率は、22.5%以上50%以下である。
まず、アルミニウム合金クラッド材の材料である心材、犠材、およびろう材を製造する。この心材、犠材、およびろう材の製造方法は特に限定されない。例えば、前記した組成の心材用アルミニウム合金を所定の鋳造温度で鋳造した後、得られた鋳塊を必要に応じて面削し、均質化熱処理することで、心材を製造することができる。また、前記した組成の犠材用アルミニウム合金、およびろう材用アルミニウム合金を所定の鋳造温度で鋳造した後、得られた鋳塊を必要に応じて面削し、均質化熱処理する。そして、所定の板厚まで熱間圧延することで、犠材、およびろう材を製造することができる。
表1に示す成分を有する心材No.1〜20の心材用アルミニウム合金を、連続鋳造法により造塊し、面削、均質化処理を行い、心材用の板材を得た。
なお、表1に示す心材の残部は、Alおよび不可避的不純物である。
表2に示す成分を有する犠材No.1〜28の犠材用アルミニウム合金を、連続鋳造法により造塊し、必要に応じて面削、均質化処理を行い、所定の板厚まで熱間圧延し、犠材用の板材を得た。
なお、表2に示す犠材の残部は、Alおよび不可避的不純物である。
ろう材用アルミニウム合金を、連続鋳造法により造塊し、必要に応じて面削、均質化処理を行い、所定の板厚まで熱間圧延し、ろう材用の板材を得た。
なお、ろう材用アルミニウム合金の組成は、Si:10.0質量%、残部:Alおよび不可避的不純物、というものであった。
製造した心材No.1〜20のうちのいずれかの心材用板材の一側面に、犠材No.1〜28のうちのいずれかの犠材用板材を心材の厚さと犠材の厚さとの合計に対する犠材の厚さの比率が所定の割合となるように所定の板厚のものを重ね合わせるとともに、心材用板材の他側面に、所定の板厚のろう材用板材を重ね合わせ、熱間圧延により圧着・圧延して板材とした。その後、当該板材に対し、冷間圧延、中間焼鈍、仕上圧延、仕上焼鈍を行い、所定の板厚のクラッド材(供試材)とした。
ろう付後強度は、以下のようにして評価した。まず、供試材について、窒素雰囲気の下、600℃で5分間保持のろう付を模擬した熱処理を施した。その後、室温で7日間保持し、引張方向が圧延方向と平行となるように、JIS5号試験片に加工して、室温にて引張試験を実施することによりろう付後強度を測定した。
ろう付後強度は、引張強さが200MPa以上のものを極めて良好(◎)と評価し、200MPa未満180MPa以上のものを良好(○)と評価し、180MPa未満のものを不良(×)と評価した。
ろう付性は、竹本正ら著、「アルミニウムブレージングハンドブック(改訂版)」、軽金属溶接構造協会(2003年3月発行)の132〜136頁に記載されている評価方法により評価した。図2に示すように、ろう材面が上向きとなるように水平に置いた下板(供試材(縦幅25mm×横幅60mm))と、この下板に対して垂直に立てて配置した上板(3003−O材(厚さ2.0mm×縦幅25mm×横幅55mm))との間に、φ2mmのステンレス製スペーサを挟んで、一定のクリアランスを設定した。なお、下板の供試材は、ろう材面側にフラックス(森田化学工業株製FL−7)を5g/m2塗布した。そして、窒素雰囲気下、600℃で5分間という条件の加熱処理を行った後、下板と上板のすき間がフィレットにより充填された長さ(間隙充填長さ)をノギスで測定してろう付性を数値化した。
間隙充填長さが25mm以上のものを極めて良好(◎)と評価し、25mm未満15mm以上のものを良好(○)と評価し、15mm未満のものを不良(×)と評価した。
犠材側耐食性は、供試材(縦幅60mm×横幅50mm)について、窒素雰囲気の下、600℃×5分間のろう付相当の加熱を行なった後に、ろう材側の全面をマスキング用シールで覆い、犠材側を試験面とした。そして、OY水浸漬試験を行い、腐食深さを測定することにより評価した。
この水浸漬試験とは、88℃のOY水に8時間浸漬し(使用時を想定)、室温のOY水に16時間浸漬(保管時を想定)するという一連の作業を1サイクルとし、これを90サイクル繰り返した後の最大腐食深さを測定するというものである。なお、OY(Old Yokohama river water)水とは、代表的な日本の河川に含有される塩素イオン及び硫酸イオン等を模擬した腐食試験液であり、このOY水の組成(Cl−:195ppm、SO4 2−:60ppm、Cu2+:1ppm、Fe3+:30ppm)が規定されている(Y.Ando.et.al.,SAE Technical Paper 870180(1987))。
犠材側耐食性は、試験後の腐食深さが犠材厚さ以下のものを極めて良好(◎)、犠材厚さを超えて全板厚の半分未満のものを良好(○)、全板厚の半分以上のものを不良(×)とした。
表3に示すように、供試材No.1〜33は、本発明の要件を満たしているため、板厚が0.2mm未満にもかかわらず、ろう付後強度評価、耐食性評価(犠材側耐食性評価)のいずれもが良好以上の評価となった。加えて、供試材No.1〜33は、ろう付性評価についても良好以上の評価となった。
供試材No.34は、犠材のMg含有量が少なかったため、ろう付後強度評価が不良となった。供試材No.35は、犠材のMg含有量が多かったため、圧着性が低下し製造できなかった。供試材No.36は、犠材のZn含有量が少なかったため、犠牲防食効果が充分に発揮されず耐食性評価が不良となった。供試材No.37は、犠材のZn含有量が多かったため、ろう付時に犠材が溶融した。
供試材No.40は、犠材のCr含有量が多かったため、圧延時に割れが発生し、供試材の作製ができなかった。供試材No.41は、犠材のMn含有量が多かったため、圧延時に割れが発生し、供試材の作製ができなかった。供試材No.42は、犠材のTi含有量が多かったため、圧延時に割れが発生し、供試材の作製ができなかった。供試材No.43は、犠材のZr含有量が多かったため、圧延時に割れが発生し、供試材の作製ができなかった。
2 心材
3 犠材
4 ろう材
Claims (6)
- 心材と、前記心材の一方の面に設けられた犠材と、前記心材の他方の面に設けられたろう材と、を備えるアルミニウム合金クラッド材であって、
前記アルミニウム合金クラッド材の板厚は、0.2mm未満であり、
前記心材は、Si:0.1〜1.2質量%、Cu:0.5〜1.5質量%、Mn:0.5〜2.0質量%を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなり、
前記犠材は、Zn:2.5〜7.0質量%、Mg:1.5〜3.0質量%、Si:0.2〜0.9質量%を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなり、
前記心材の厚さと前記犠材の厚さとの合計に対する前記犠材の厚さの比率が22.5〜50%であることを特徴とするアルミニウム合金クラッド材。 - 前記犠材は、Mn:0.5〜2.0質量%をさらに含有することを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム合金クラッド材。
- 前記犠材は、Ti:0.05〜0.30質量%をさらに含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアルミニウム合金クラッド材。
- 前記犠材は、Cr:0.05〜0.30質量%、Zr:0.05〜0.30質量%、のうち1種以上をさらに含有するとともに、CrとZrの含有量は前記した上限値を超えないことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金クラッド材。
- 前記心材は、Ti:0.05〜0.30質量%をさらに含有することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金クラッド材。
- 前記心材は、Mg:0.05〜0.50質量%、Cr:0.05〜0.30質量%、Zr:0.05〜0.30質量%、のうち1種以上をさらに含有するとともに、MgとCrとZrの含有量は前記した上限値を超えないことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のアルミニウム合金クラッド材。
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