JP6415144B2 - アルミニウム合金クラッド材及び熱交換器 - Google Patents
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特許文献2に開示の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材は、Mn,Cuを含有し、残りがAl及び不可避不純物からなる組成の芯材の片面に、Al−Si系あるいはAl−Si−Zn系ろう材をクラッドし、他方の面に、Mnを含有し、残りがAl及び不可避不純物からなる犠牲陽極皮材がクラッドされている。
特許文献3に開示のアルミニウム合金ブレージングシートは、Mn,Si,Cu,Fe,Mg,Znを含有し、残りがAl及び不可避不純物からなる組成の芯材の片面に、Si,Znを含有し、残りがAl及び不可避不純物からなるろう材、他の面に、Zn、Mg、Mn,Siを含有し、残りがAl及び不可避不純物からなる犠牲材がクラッドされている。
ニウム合金クラッド材であって、前記皮材は、Si:4質量%〜5.5質量%、Zn:2質量%〜4質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記芯材は、Mn:0.8質量%〜1.8質量%、Si:0.05質量%〜0.5質量%、Cu:0.05質量%〜0.3質量%、Fe:0.1質量%〜0.6質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、さらに600℃〜610℃で3分〜15分の熱処理後の芯材の結晶粒径が50μm〜200μmの範囲にあることを特徴とする。
Siは材料の融点を低下させるので、皮材に添加した場合、ろう付熱処理時に溶融して他部材と接合する機能を付与する効果がある。下限未満ではその効果が十分発揮されず、上限を超えると溶融ろうの流動性が高くなりすぎて、ろう付後に残存するろう厚さが低下するとともに表面Zn濃度が低下することで耐食性が劣化する。
Znは材料の電位を卑にするので皮材に添加した場合、皮材の電位を卑にして芯材を防食する効果がある。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、接合部にZnが過剰に濃縮して優先的に腐食するようになるので、接合部の耐食性が劣化する。
Mnはマトリックス中にAl−Mn−Si系、Al−Mn−Fe系、Al−Mn−Fe−Si系金属間化合物を微細に形成し、材料の強度を高める効果がある。下限未満ではその効果が十分発揮されず、上限を超えると鋳造時に巨大な金属間化合物を生成するため材料の成形性が低下してしまう。
Siはマトリックス中にAl−Mn−Si系、Al−Mn−Fe系、Al−Mn−Fe−Si系金属間化合物を微細に形成し、材料の強度を高める効果がある。下限未満ではその効果が十分発揮されず、上限を超えると鋳造時に巨大な金属間化合物を生成するため材料の成形性が低下してしまう。
Cuはマトリックス中に固溶し、材料の強度を高める効果がある。下限未満ではその効果が十分に発揮されず、上限を超えると粒界腐食が発生しやすくなり耐食性が低下してしまう。
Feはマトリックス中に粗大なAl−Mn−Fe系、Al−Mn−Fe−Si系金属間化合物を形成して、ろう付熱処理後の結晶粒径を小さくする効果がある。下限未満ではその効果が十分に発揮されず、上限を超えると鋳造時に巨大な金属間化合物が生成するため材料の成形性が低下してしまう。
結晶粒界はろう侵食の起点となることで溶融ろうの流動に対する抵抗になる。そのため、ろう溶融直前の芯材の結晶粒径が微細な場合にはろうの流動性が低下して、ろう付後に残存するろう材厚さを増す効果がある。また、それにともなってろう付後の表面Zn濃度が増加するため耐食性が向上する。
上記熱処理条件はろう付条件を想定したものであり、この熱処理後の芯材の結晶粒径が下限未満ではろう侵食の起点が多くなりすぎて著しいエロージョンが発生する。上限を超えるとろうの流動性を低下させる効果が不十分となり、残存ろう厚さが薄くなるとともに表面Zn濃度が低下して耐食性が劣化する。さらに接合部にろうが流動しやすくなり接合部のZn濃度が高くなり過ぎて、接合部の耐食性が低下する。なお、ろう溶融直前の結晶粒組織とろう付後の結晶粒組織はほとんど変化しない。
このアルミニウム合金クラッド材は、自動車熱交換器用部品として用いられるもので、芯材の両面に皮材がクラッドされており、皮材は、Si:3質量%〜6質量%、Zn:2質量%〜4質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、芯材は、Mn:0.8質量%〜1.8質量%、Si:0.05質量%〜0.5質量%、Cu:0.05質量%〜0.3質量%、Fe:0.1質量%〜0.6質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる質別Oの材料からなり、さらに600℃〜610℃で3分〜15分の熱処理後の芯材の結晶粒径が50μm〜200μmの範囲にある。
この場合、芯材中の晶出相を除く第二相粒子であるAl−Mn系、Al−Mn−Si系、Al−Mn−Fe系、Al−Mn−Fe−Si系化合物の円相当平均直径が0.1μm〜0.8μmの範囲にあることが好ましい。
上記基本組成に加えて、皮材は、さらにMn:0.05質量%〜0.5質量%、Fe:0.05質量%〜0.5質量%、Sr:0.05質量%〜0.5質量%、Ti:0.05質量%〜0.5質量%、Zr:0.05質量%〜0.5%の内の1種または2種以上を含有してもよい。
また、芯材については、さらにTi,Zr,Crがそれぞれ0.05質量%〜0.3質量%の範囲で1種または2種以上含有してもよい。
これらの特定理由は上述した通りであるが、これらのうち、皮材のSi含有量は4質量%〜5.5質量%、Zn含有量は3質量%〜4質量%がさらに好ましい。
このアルミニウム合金クラッド材は以下の方法にて製造される。
まず、半連続鋳造により芯材用アルミニウム合金、皮材(ろう材)用アルミニウム合金を鋳造し、得られた芯材の鋳塊については所定温度で均質化処理を行う。
この均質化処理は、530℃〜610℃で3時間〜20時間が適切であり、高温あるいは長時間側にすることで第二相粒子を粗大にしてろう付後の結晶粒径を微細にする作用がある。皮材については均質化処理しなくてよいが、均質化処理してもよい。
この均質化処理の後、芯材の鋳塊の両面に皮材の鋳塊を組み合わせて熱間圧延することによりクラッド材とし、さらに冷間圧延により目的の厚さまで圧延し、さらに最終焼鈍を例えば350℃で6時間行うことにより、質別Oのクラッド材とする。熱間圧延、冷間圧延、最終焼鈍は常法によって行えばよい。ただし、製造工程はこれに限定されるものではなく、冷間圧延の途中に中間焼鈍を追加することも可能である。
最終的なアルミニウム合金クラッド材の構成は、厚さの比率で、例えば皮材:芯材:皮材=10%:80%:10%とされるが、これに限定されるものではなく、例えば、皮材のクラッド率を12%、15%や20%にしてもよい。
このようにして製造されるアルミニウム合金クラッド材は、自動車の熱交換器用部材として用いられ、その片面あるいは両面の少なくとも一部が他部品とろう付されて熱交換器に組み付けられる。この場合のろう付条件は、595℃〜620℃で1分〜15分保持が適切である。
特に、ろう付条件を595℃〜610℃で1分〜7分保持に制御することで、ろう付後に、ろう付されていない部分のアルミニウム合金クラッド材の表面のZn濃度が1.5質量%〜3.0質量%の範囲にあり、また、ろう付接合部における最大Zn濃度が6質量%未満になる。
このようなZn濃度となることで、冷却水に対する耐食性がさらに向上し、腐食・消耗しにくくなる。
作製した試料を苛性ソーダによるアルカリエッチングおよび機械研磨によって芯材中央部付近を露出させ、通常の方法で機械研磨、および電解研磨によって薄膜を作製し、TEMで10000倍で写真撮影した。撮影した写真5視野について画像解析し、第二相粒子の平均サイズを求めた。その際、1μm以上のサイズのものは晶出物と判断して計測からは除外した。
図1(a)に示すようにJIS3003アルミニウム合金のO材からなる厚さ1.0mmの板1とクラッド材試料2とを用意し、熱処理として、これらを表3に示す条件で図1(b)に示すようにろう付接合した。ろう付した接合体3の非接合部4からサンプルを採取し、素材の圧延方向に平行な縦断面を樹脂埋め後、エメリー研磨、バフ研磨によって鏡面に研磨した後、バーカー氏液を用いた陽極酸化によって結晶粒を現出させ、偏光顕微鏡で芯材の結晶粒組織を観察した。撮影倍率は100倍とし、結晶粒が微細な場合や粗大な場合に観察が困難となった際は200倍、あるいは50倍を選択した。測定視野数は3箇所とし、撮影した写真から圧延方向について切断法で結晶粒径を測定した。
ろう付した接合体3の非接合部4からサンプルを採取し、その箇所を樹脂埋め後、エメリー研磨、バフ研磨によって鏡面に研磨した後、EPMA線分析でZn拡散状態を調査し(ステップサイズは1μm)、材料表面から3μm〜7μmの位置での平均Zn濃度を求め、表面Zn濃度とした。5箇所でZn濃度を測定し、その平均を求めた。
ろう付した接合体3の接合部5からサンプルを採取し、その箇所を樹脂埋め後、エメリー研磨、バフ研磨によって接合部の断面を鏡面に研磨した後、EPMA線分析でZn拡散状態を調査し(ステップサイズは1μm)、測定される最大Zn濃度を求めた。5箇所で最大Zn濃度を測定し、その平均を求めた。
ろう付した接合体3の接合部5からサンプルを採取し、その箇所を樹脂埋め後、エメリー研磨、バフ研磨によって接合部の断面を鏡面に研磨した後、光学顕微鏡で観察して芯材へのろう侵食状態(エロージョン深さ)を調査した。
エロ―ジョン深さが50μm以上であったものを×、50μm未満であったものを○とした。
ろう付した接合体3の接合部5からサンプルを採取し、その箇所を樹脂埋め後、エメリー研磨、バフ研磨によって接合部の断面を鏡面に研磨した後、光学顕微鏡で観察し、その断面における接合長さを測定し、ろう付前の接触長さとの関係から、「(空隙を除く接合長さ)/(ろう付前の接触長)」を接合率として評価した。
接合率が80%未満であったものを×、80%以上90%未満であったものを○とし、90%以上であったものを〇〇とした。
接合体3の端部および評価面と反対側をマスキング後、Cl−:195ppm、SO4 2−:60ppm、Cu2+:1ppm、Fe3+:30ppmを含む水溶液中で80℃×8時間→室温×16時間のサイクルで浸漬試験を10週間実施した。腐食試験後のサンプルを沸騰させたリン酸クロム酸混合溶液に浸漬して腐食生成物を除去した後、接合部および非接合部それぞれについて断面観察を実施して腐食状況を測定した。
非接合部4の耐食性については、腐食深さが150μmを超えていたものを×、100μmを超え150μm以下であったものを○、100μm以下であったものを○○とした。
接合部5の耐食性については、接合部5の長さに対して腐食長さが1/2以上あったものを×、1/2未満1/3以上であったものを○とし、1/3未満であったものを〇〇とした。
以上の各評価項目のうち、いずれかが×であったものは×、全てが○又は〇〇であったものを○、エロ―ジョン深さが〇でそれ以外が○○であったものを○○とした。
これらの結果を表4に示す。
これら以外のクラッド材は、総合評価が○以上であり、接合性、耐食性とも良好であった。
2 クラッド材
3 接合体
4 非接合部
5 接合部
Claims (6)
- 芯材の両側の面に皮材をクラッドしたアルミニウム合金クラッド材であって、前記皮材は、Si:4質量%〜5.5質量%、Zn:2質量%〜4質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、前記芯材は、Mn:0.8質量%〜1.8質量%、Si:0.05質量%〜0.5質量%、Cu:0.05質量%〜0.3質量%、Fe:0.1質量%〜0.6質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、さらに600℃〜610℃で3分〜15分の熱処理後の芯材の結晶粒径が50μm〜200μmの範囲にあることを特徴とするアルミニウム合金クラッド材。
- 前記芯材中の晶出相を除く第二相粒子のうち、Al−Mn系、Al−Mn−Si系、Al−Mn−Fe系、Al−Mn−Fe−Si系化合物の円相当平均直径が0.1μm〜0.8μmの範囲にあることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金クラッド材。
- 前記皮材は、さらにMn:0.05質量%〜0.5質量%、Sr:0.05質量%〜0.5質量%、Ti:0.05質量%〜0.5質量%、Zr:0.05質量%〜0.5質量%の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1又は2記載のアルミニウム合金クラッド材。
- 前記芯材は、さらにTi,Zr,Crがそれぞれ0.05質量%〜0.3質量%の範囲で1種または2種以上含有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載のアルミニウム合金クラッド材。
- 請求項1から4のいずれか一項記載のアルミニウム合金クラッド材の少なくとも一部がろう付されており、ろう付されていない部分の前記アルミニウム合金クラッド材の表面のZn濃度が1.5質量%〜3.0質量%の範囲にあることを特徴とする熱交換器。
- 前記アルミニウム合金クラッド材のろう付接合部における最大Zn濃度が6質量%未満であることを特徴とする請求項5記載の熱交換器。
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