JP6470062B2 - ろう付け用高強度被加工アルミニウム合金材およびネジ強度に優れるコネクタ材 - Google Patents
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Description
コネクタは配管と熱交換器をつなぐ重要な部品であり、接合ユニットの信頼性から高い材料強度が必要となる。そのため、その部材には、従来からJIS A 3004系のAl−Mn−Mg合金やJIS A 7000系のAl−Mg−Zn合金などが用いられることが多い。さらに、コネクタは、自身にネジ加工を施すことで配管とネジ止めにより接合されるため、ネジ加工のための素材としての切削性とろう付後の配管接合時におけるネジ強度の2点が特に要求される。
また一般的な7000系合金等ではろう付後のネジ強度は高いものの、強度向上効果の高いMgを多量に含むことで、酸化皮膜除去のためのフラックス(KAlF3等)と材料中のMgが反応して化合物を形成することで、コネクタのろう付性が大幅に低下して、熱交換器本体とコネクタ材のろう付接合が脆弱となる問題がある。またこれらMgの多量添加は、ろう付前の素材硬さも大幅に向上させるため、ネジ加工のための切削性が大幅に低下してしまう問題がある。
また、特許文献1の材料では、強度向上に寄与するMnや時効硬化に寄与するMgの添加量が十分ではなく、ろう付後に所望の強度を得るまでに時間を要する問題がある。コネクタ材はろう付接合後に速やかに配管とネジ止めされる場合が多く短時間での強度向上が必要となる。
Mnは、固溶強化や金属間化合物の分散硬化によりネジ強度が向上する。ただし、Mnの含有量が0.50%未満では、十分な強度が得られない。一方、Mnを過剰に含有すると、切削性を低下させる。このため、Mn含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を0.70%、上限を1.10%とするのが望ましい。
Mgは、ZnとMgZn2などの第二相粒子を形成することで時効硬化が得られネジ強度が向上する。ただし、Mgの含有量が0.30%未満では、十分な強度が得られない。一方、Mgを過剰に含有すると、ろう付け性を低下させる。このため、Mg含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を0.35%、上限を0.45%とするのが望ましい。
Znは、MgとMgZn2などの第二相粒子を形成することで時効硬化が得られネジ強度が向上する。ただし、Znの含有量が4.5%未満では、十分な強度が得られない。一方、Znを過剰に含有すると、耐食性が低下し、融点が低下してろう付け性が低下する。このため、Zn含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を5.0%、上限を6.0%とするのが望ましい。
Feは、固溶硬化や金属間化合物の分散硬化によりネジ強度が向上する。ただし、Feの含有量が0.10%未満では、十分な強度が得られない。一方、Feを過剰に含有すると、切削性、耐食性が低下する。このため、Fe含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を0.15%、上限を0.25%とするのが望ましい。
Tiは、固溶強化や金属間化合物の分散硬化によりネジ強度が向上する。ただし、Tiの含有量が0.01%未満では、十分な強度が得られない。一方、Tiを過剰に含有すると、鋳造性、圧延性などが低下し、製造性が悪化する。このため、Ti含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を0.05%、上限を0.15%とするのが望ましい。なお、Tiを0.005%未満で不可避不純物として含有するものであってもよい。
Biは、ろう付け性向上のために添加される。ただし、Biの含有量が0.01%未満であると、所望の効果が得られない。一方、Biを過剰に含有すると鋳造性、圧延性などが低下し、製造性が悪化する。このため、Bi含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を0.05%、上限を0.15%とするのが望ましい。なお、Biを0.005%未満で不可避不純物として含有するものであってもよい。
MgZn2第二相粒子の分散状態によって材料強度は変わり、ろう付前の切削性に影響を及ぼす。すなわち範囲の下限未満では強度が切削性に劣り、上限を超えると強度向上が大きすぎて、所望の切削性が得られない。
MgZn2第二相粒子の分散状態によって材料強度は変わり、ろう付後のネジ強度特性に影響を及ぼす。すなわち範囲の下限未満では、強度が不十分でネジ強度に劣り、上限を超えると粒子サイズ、分散状態が適切ではなく、やはり材料強度は低下して所望のネジ強度が得られない。
本発明のアルミニウム合金は、質量%で、Mn:0.50〜1.30%、Mg:0.30〜0.60%、Zn:4.5〜6.5%、Fe:0.10〜0.30%を含有し、さらに所望によりTi:0.01〜0.20%、Bi:0.01〜0.20%のうち、1種または2種を含有し、残部がAlと不可避不純物からなる組成に溶製される。本発明においてアルミニウム合金の溶製方法は、特に限定されるものではなく、常法を用いることができる。
押出条件は通常400〜600℃で均質化処理を実施したビレットを400〜600℃にて所定の形状に押し出すが、押出条件は限定されない。
本発明のアルミニウム合金は、ろう付けに供されるが、ろう付け前に、ビッカース硬さが70〜110を有している。この硬度においては、切削などの加工を良好に行うことができる。
ろう付け後には、良好な強度を有することができる。600℃のろう付熱処理(ろう付時間の影響は小さく、差異は無視できる)を想定すると、室温で100時間経過後のビッカース硬さが70以上を有している。
ビッカース硬さが、70以上であることにより、高いネジ強度を有している。ネジ強度が低いとネジ締め付け時にネジ上がりが発生して接合不良を生じるため接合部の健全性(洩れ無きこと等)でNGとなってしまう。コネクタ材1は、車両などに搭載されて振動などを受けるため、十分なネジ止めが必要である。M6ピッチのネジにて締め付けトルクは15N・m以上有するのが望ましく、上記ビッカース硬さにより締め付けトルクに対する十分な強度を示す。
熱間加工(好適には押出)後の時効処理は、温度と時間を適正化することでMgZn2の析出を制御する必要がある。一般的に温度が低い場合は長時間、温度が高い場合は短時間で析出が進む。
特に時効温度の影響は大きく、温度が100℃以下の低温の場合、析出が不十分となり、ろう付前に円相当径で0.001〜0.05μmのMgZn2第二相粒子が1.0×102個/mm2以上などを満足できない。
一方で、温度が220℃以上の高温の場合、析出が促進且つ析出物が粗大化するため、ろう付前に円相当径で0.001〜0.05μmのMgZn2第二相粒子が1.0×105個/mm2以下などを満足できない。
温度条件を適正化する事でろう付前に、円相当径が0.001〜0.05μmのMgZn2の第二相粒子が1.0×102〜1.0×105個/mm2とする事で600℃のろう付熱処理後に室温で100時間経過後のビッカース硬さが70以上を満足する。
表1に示す組成(残部Al+不可避不純物)を有するアルミニウム合金を、DC法(半連続鋳造法)により溶解、鋳造して8インチ径のビレットを作製した。なお、ビレットの冷却速度は、0.5〜3.5℃/秒であった。さらに、得られたビレットに対し、500℃で4時間の均質化処理を実施し、その後、500℃にて押出を行い、50mm径の丸棒を作製した。
さらに得られた丸棒に、表1に示す各時効処理を実施して供試材とした。
室温から600℃まで平均昇温速度30℃/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熱処理の条件でろう付相当加熱を行った。加熱後の供試材について、以下の評価試験を行った。
ろう付前後の第二相粒子(分散粒子)の個数密度(個/μm2)を透過型電子顕微鏡(TEM)によって測定した。測定方法は、ろう付前は素材に400℃×15秒のソルトバス焼鈍を行って変形ひずみを除去して化合物を観察しやすくした後、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、透過型電子顕微鏡にて30000倍でそれぞれ写真撮影した。各5視野について写真撮影し、画像解析によって分散粒子のサイズおよび個数密度を計測した。
JISZ2244に準拠し、ろう付前後のビッカース硬さを測定した。
ろう付後に室温で100時間経過後、塩水噴霧試験(SST)を4週(28日)実施した。試験後の腐食減量が50mg/dm2未満を◎、50以上〜100mg/mm2未満を○、100g/mm2以上を×と評価した。
2 ネジ穴
10 熱交換器本体
20 配管部材
22 ネジ
Claims (5)
- 質量%で、Mn:0.50〜1.30%、Mg:0.30〜0.60%、Zn:4.5〜6.5%、Fe:0.10〜0.30%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなり、ろう付前のビッカース硬さが70〜110であり、600℃のろう付熱処理後に室温で100時間経過後のビッカース硬さが70以上であることを特徴とするろう付け用高強度被加工アルミニウム合金材。
- さらに、質量%で、Ti:0.01〜0.20%、Bi:0.01〜0.20%のうち、1種または2種を含有することを特徴とする請求項1記載のろう付け用高強度被加工アルミニウム合金材。
- ろう付前に円相当径で0.001〜0.05μmのMgZn2第二相粒子が1×102〜1×105個/mm2存在することを特徴とする請求項1または2に記載のろう付け用高強度被加工アルミニウム合金材。
- ろう付後に室温で100時間経過後に円相当径で0.01〜0.10μmのMgZn2第二相粒子が1.0×101〜1.0×103個/mm2存在することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のろう付け用高強度被加工アルミニウム合金材。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のろう付け用高強度被加工アルミニウム合金材からなることを特徴とするネジ強度に優れるコネクタ材。
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