JP6758281B2 - 熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材及びその製造方法 - Google Patents
熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
ろう付加熱前において、当該フィン材が、6〜16%の片面平均クラッド率、40〜120μmの厚さ及び48〜54%IACSの導電率を有し、前記芯材の金属組織が、円相当径0.05〜0.50μmのMn系化合物が0.05〜0.35μmの平均粒子間距離で存在する分布状態を有し、
窒素ガス雰囲気炉内で加熱して600℃で3分間保持し、次いで、100℃/分の冷却速度で室温まで冷却するろう付相当の加熱後において、当該フィン材が40〜44%IACSの導電率を有し、前記芯材の金属組織が、円相当径0.50μm以下のMn系化合物が0.45μm以下の平均粒子間距離で存在する分布状態を有することを特徴とする熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材とした。
前記芯材の鋳造工程において、凝固後の芯材鋳塊を550〜200℃まで冷却する平均冷却速度を0.10℃/秒以上とし、
前記芯材鋳塊を510℃以上の温度で均質化処理する均質化処理工程を設けず、
前記熱間合わせ圧延工程において、合わせ材の加熱温度を420〜500℃とし、熱間圧延率が10%に達したときの圧延板の温度を370〜450℃とし、
前記一次冷間圧延工程において、冷間圧延率を85.0〜99.5%とし、
前記焼鈍工程において、焼鈍温度を300〜450℃として芯材を再結晶させ、前記二次冷間圧延工程において、冷間圧延率を10〜85%とすることを特徴とする熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法とした。
前記芯材の鋳造工程において、凝固後の芯材鋳塊を550〜200℃まで冷却する平均冷却速度を0.10℃/秒以上とし、
前記芯材鋳塊を510℃以上の温度で均質化処理する均質化処理工程を設けず、
前記熱間合わせ圧延工程において、合わせ材の加熱温度を420〜500℃とし、熱間圧延率が10%に達したときの圧延板の温度を370〜450℃とし、
前記一次冷間圧延工程において、冷間圧延率を85.0〜99.5%とし、
前記焼鈍工程において、焼鈍温度を150℃以上300℃未満として芯材を再結晶させず、
前記二次冷間圧延工程において、冷間圧延率を3〜40%とすることを特徴とする熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法とした。
前記芯材の鋳造工程において、凝固後の芯材鋳塊を550〜200℃まで冷却する平均冷却速度を0.10℃/秒以上とし、
前記芯材鋳塊を510℃以上の温度で均質化処理する均質化処理工程を設けず、
前記熱間合わせ圧延工程において、合わせ材の加熱温度を420〜500℃とし、熱間圧延率が10%に達したときの圧延板の温度を370〜450℃とし、
前記冷間圧延工程において、冷間圧延率を85.0〜99.5%とし、
前記焼鈍工程において、焼鈍温度を150℃以上300℃未満として芯材を再結晶させないことを特徴とする熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法とした。
本発明に係る熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材は、芯材及びろう材が所定のアルミニウム合金組成を有し、更に、所定の厚さとクラッド率、ならびに、ろう付加熱前後において所定の導電率と金属組織を有する。
芯材は、Si、Fe、Mnを必須元素とする。芯材のSiは、強度や耐高温座屈性の向上に寄与する。Si含有量は、0.05〜0.8質量%(以下、単に「%」と記す)とする。Si含有量が0.05%未満では、Mn系化合物が十分に形成されず、ろう付加熱後に十分な強度が得られない。一方、Si含有量が0.8%を超えると、Mn系化合物が過剰に形成されてろう付加熱前に適切なMn固溶量を確保できず、ろう付加熱後に十分な強度が得られない。また、芯材の融点が低温化するため芯材へのろう侵食が発生し、自己耐食性が低下する。芯材のSiの好ましい含有量は0.1〜0.7%であり、より好ましい含有量は0.1〜0.6%である。
ろう材は、Si、Feを必須元素とする。ろう材のSiは、融点やろう流動量に寄与する。また、ブレージングシートフィン材の場合、ろう材のSiはろう付加熱中に芯材へ拡散し、芯材でMn系化合物を形成するか、或いは、芯材の母相に固溶する。ろう材のSi含有量は、6.0〜13.0%とする。Si含有量が6.0%未満では、ろう材から芯材へ拡散するSi量が不十分となり、ろう付加熱後に十分な強度が得られない。また、ろう流動性が不十分となり、ろう付性を確保できない。一方、Si含有量が13.0%を超えと、ろう付加熱中にろう材から拡散するSiと芯材の固溶Mnとで形成されるMn系化合物が過剰に析出してろう付加熱後に適切なMn固溶量を確保できず、ろう付加熱後に十分な強度が得られない。また、ろう付加熱中のろう材の液相量が過剰となり、自己耐食性を確保できない。ろう材のSiの好ましい含有量は7.0〜13.0%であり、より好ましい含有量は7.0〜12.0%である。
本発明に係るアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材は、40〜120μm、好ましくは40〜100μmの厚さを有する。厚さが40μm未満では、クラッド率や厚さのバラツキを制御するのが困難となり、工業製品としての品質確保が困難となる。一方、厚さが120μmを超えると熱交換器の軽量化に寄与できない。
次に、ろう材のクラッド率について説明する。ろう材のクラッド率は、ろう流動量に寄与する。ブレージングシートフィン材では、ろう材のクラッド率は、ろう付加熱中のろう流動量への寄与の他、ろう材から芯材へ拡散するSiの量にも寄与する。本発明では、ろう材の片面平均クラッド率を6〜16%とする。このクラッド率が6%未満では、ろう付加熱中にろう材から芯材へ拡散するSiの量が不十分となり、ろう付加熱後において分散強化による十分な強度向上が得られない。また、ろう流動量が不十分となり、ろう付性を確保できない。一方、上記クラッド率が16%を超えると、ろう付加熱中にろう材から芯材へ拡散するSi量が過剰となり芯材中にMn系化合物を形成し、芯材のMn固溶量が減少する。その結果、ろう付加熱後において固溶強化による十分な強度向上が得られない。また、ろう付加熱中のろう材の液相量が過剰となり、自己耐食性を確保できない。ろう材の好ましい片面平均クラッド率は、7〜15%であり、より好ましい片面平均クラッド率は8〜14%である。
ろう付加熱前のブレージングシートフィン材の導電率は、芯材に添加されている元素の固溶量と相関関係を有する。本発明で用いる芯材のようなAl−Mn系合金の導電率は、Mnの固溶量と相関関係を有する。上述したようにろう付加熱後に十分な強度を得るためには、ろう付加熱前の芯材において適切なMn固溶量を確保する必要がある。そこで、ろう付加熱前のブレージングシートフィン材の導電率を、48〜54%IACS(International Annealed Copper Standard)とする。導電率が48%IACS未満の場合には、芯材のMn固溶量が過剰でありMn系化合物の形成が不十分なために、ろう付加熱後において分散強化による十分な強度向上が得られない。一方、導電率が54%IACSを超える場合には、ろう付加熱前の芯材のMn固溶量が不十分となり、ろう付加熱後において固溶強化による十分な強度向上が得られない。ろう付加熱前の好ましい導電率は49〜54%IACSであり、より好ましい導電率は49〜53%IACSである。
ろう付加熱後において芯材を適切な金属組織とすることにより、ブレージングシートフィン材の分散強化の効果が得られる。ろう付加熱後における芯材の金属組織は、ろう付加熱前における芯材の金属組織の影響を受ける。そこで、ろう付加熱後において適切な芯材金属組織を得るために、ろう付加熱前における芯材の金属組織を規定することが必要となる。ろう付加熱前の芯材には、製造工程で形成されたMn系化合物が分布する。そこで、金属組織としてMn系化合物の分布状態を規定することとした。具体的には、ろう付加熱前における芯材の金属組織を、円相当径(円相当直径であり、以下において同じ)0.05〜0.50μmのMn系化合物が0.05〜0.35μmの平均粒子間距離で存在する分布状態を有するものとする。円相当径0.05〜0.50μmのMn系化合物は、一部はろう付加熱中に再固溶するが多くはろう付加熱後においても残存し、この残存するMn系化合物によってろう付加熱後のフィン材において分散強化の効果が得られる。Mn系化合物のうち円相当径0.05μm未満のものは、大部分がろう付加熱中に再固溶する。また、円相当径が0.50μmを超えるものは、0.05〜0.50μmのものより密度が非常に小さく、平均粒子間距離をほとんど増減させない。従って、金属組織を規定するMn系化合物としては、円相当径0.05〜0.50μmのものを対象とし、円相当径0.05μm未満のもの及び0.50μmを超えるものは対象外とした。
本発明に係る熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法について以下に説明する。
まず、Al地金やAl母合金を溶解炉で溶解し、所定のアルミニウム合金組成を有するろう材合金や芯材合金が得られるように溶湯の成分を調整する。この溶湯を半連続鋳造法により鋳造して、ろう材と芯材の鋳塊を得る。芯材鋳塊には、均質化処理を施さないか、或いは、施しても高温での均質化処理とはしない。次に、ろう材鋳塊と芯材鋳塊を面削する。芯材鋳塊の厚さを考慮してろう材鋳塊を熱間圧延し、所定のクラッド率を達成できる厚さのろう材圧延板を作製する。このろう材圧延板を芯材鋳塊の両面に重ね合わせて合わせ材を得る。合わせ材を所定の温度で加熱して熱間合わせ圧延を開始する。所定の熱間圧延率に達したときの圧延板が所定の温度となるよう圧延板の温度を制御してクラッド材を得る。このクラッド材を途中で焼鈍することなく高圧延率で一次冷間圧延し、この冷間圧延材を所定の加熱条件で焼鈍する。その後、二次冷間圧延して所定の最終板厚としたブレージングシートフィン材を得る。これに代わって、熱間合わせ圧延したクラッド材を、途中で焼鈍することなく最終板厚まで高圧延率で冷間圧延し、その後、冷間圧延材を所定の加熱条件で焼鈍してブレージングシートフィン材を得てもよい。
芯材用及びろう材用のアルミニウム合金は、半連続鋳造法によりそれぞれ鋳造される。芯材の鋳塊の金属組織は、鋳造工程における溶湯凝固時の冷却速度と凝固後の鋳塊の冷却速度によって変化する。いずれの冷却速度も速めることにより、芯材鋳塊における適切なMn固溶量を確保できるので、ろう付加熱前の芯材のMn固溶量を確保できる。
芯材鋳塊には、均質化処理を施しても、或いは、施さなくてもよい。均質化処理を施す場合には、510℃以上の高温での処理を施さないこととする。すなわち、均質化処理を施す場合には、510℃未満の温度での処理とする。510℃以上で均質化処理すると、Mn系化合物が過剰に析出して芯材鋳塊において適切なMn固溶量を確保できない。熱間合わせ圧延前に合わせ材を加熱する工程で芯材鋳塊の均質化が実質的に達成できるため、芯材鋳塊には均質化処理を施さないのが好ましい。なお、510℃未満で均質化処理を行う場合の処理時間は、0.5〜12時間とする。0.5時間未満では均質化が不十分となり、12時間を超えると適切なMn固溶量を確保できない。
熱間合わせ圧延工程において、芯材鋳塊の両面にろう材を重ね合わせてなる合わせ材は420〜500℃に加熱し、これを熱間圧延する。加熱温度が420℃未満の場合には、熱間合わせ圧延の変形抵抗が大きくなり合わせ圧延が困難となる。一方、加熱温度が500℃を超える場合には、圧延時の加工発熱等により圧延材の温度が510℃を超えることがある。その結果、芯材中にMn系化合物が過剰に析出して芯材中における適切なMn固溶量を確保できない。好ましい加熱温度は、430〜490℃である。また、加熱保持時間は0.5〜12時間が好ましい。保持時間が0.5時間未満の場合には、鋳塊サイズや加熱炉によっては合わせ材全体が均一な所定温度に達しない虞がある。その結果、Mnの固溶量とMn系化合物の析出が芯材内で不均一となるだけでなく、ろう材と芯材の圧着不良が発生する虞がある。一方、保持時間が12時間を超える場合には、芯材中にMn系化合物が過剰に析出して芯材中における適切なMn固溶量を確保できない。
ろう付加熱前後の各試料について、20℃の恒温曹内で、JIS H0505に基づき電気抵抗を測定した。同一試料の3箇所で測定し、それらの算術平均値をもって導電率とした。
ろう付加熱前後の各試料について、板厚中央のL−LT面を透過型電子顕微鏡(TEM)により5万倍の倍率で撮影し、ろう付加熱前の試料については円相当径0.05〜0.50mmのMn系化合物の平均粒子間距離を、ろう付加熱後の試料については円相当径0.50mm以下の平均粒子間距離を、それぞれ画像解析ソフトで測定した。同一試料について、5視野で測定を行ってそれらの算術平均値をもって平均粒子間距離とした。
ろう付加熱後の各試料をJIS13号Bに準拠した形状とし、室温で引張試験を行って引張強さを測定した。ろう付加熱後の引張強度が130MPa以上の場合を合格(○)とし、130MPa未満の場合を不合格(×)と判定した。
サグ試験装置を用いた耐高温座屈性評価の模式図を、図1(a)〜(c)に示す。各試料から幅16mm、長さ60mmの試験片1を切り出し、試験台2上に固定治具3を用いて50mmの張り出し部を片持ちで保持してろう付加熱した後、試験片1の垂下量を測定した。図1(a)は加熱前の状態における正面からの模式図、図1(b)は図1(a)の状態における平面からの模式図、図1(c)は加熱後の垂下した状態における正面からの模式図を表す。ろう付加熱後の垂下量が30mm未満の場合を耐高温座屈性が合格(○)とし、垂下量が30mm以上の場合を耐高温座屈性が不合格(×)と判定した。
ろう付性評価に用いた試験片の模式的な正面図を、図2に示す。各試料をコルゲート加工してフィン材4を作製し、図2に示すように、フィン材4の両側に板厚0.5mm、幅16mm、長さ60mmのA3003板5を組付けたミニコア試験片を作製した。このミニコア試験片を、濃度5%のフッ化物系フラックス懸濁液に浸漬して乾燥させた後にろう付加熱した。このミニコア試験片におけるフィン接合率が95%以上であり、かつ、フィン試料に溶融が生じていない場合をろう付性が合格(○)とし、フィン接合率が95%未満、及び/又は、フィン試料に溶融が生じた場合をろう付性が不合格(×)と判定した。
ろう付加熱後の各試料の単板について、ASTM G85に準拠したSWAAT(Sea WaterAcetic Acid Test)試験を30時間行い、各試料の腐食状態を調査した。腐食が板厚を貫通していない場合を自己耐食性が合格(○)とし、腐食が板厚を貫通した場合を自己耐食性が不合格(×)とした。
2・・・試験台
3・・・固定治具
4・・・フィン材
5・・・板
Claims (16)
- アルミニウム合金の芯材と、当該芯材の両面にクラッドされたAl−Si系合金ろう材とを備えるアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材であって、前記芯材が、Si:0.05〜0.8質量%、Fe:0.05〜0.8質量%、Mn:0.8〜2.0質量%を含有し、かつ、前記Si、Fe、Mnの含有量がSi+Fe≦Mnの条件を満たし、残部Al及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金からなり、前記ろう材が、Si:6.0〜13.0質量%、Fe:0.05〜0.8質量%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるAl−Si系合金からなり、
ろう付加熱前において、当該フィン材が、6〜16%の片面平均クラッド率、40〜120μmの厚さ及び48〜54%IACSの導電率を有し、前記芯材の金属組織が、円相当径0.05〜0.50μmのMn系化合物が0.05〜0.35μmの平均粒子間距離で存在する分布状態を有し、
窒素ガス雰囲気炉内で加熱して600℃で3分間保持し、次いで、100℃/分の冷却速度で室温まで冷却するろう付相当の加熱後において、当該フィン材が40〜44%IACSの導電率を有し、前記芯材の金属組織が、円相当径0.50μm以下のMn系化合物が0.45μm以下の平均粒子間距離で存在する分布状態を有することを特徴とする熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材。 - 前記芯材が、Zn:0.3〜3.0質量%を更に含有するアルミニウム合金からなる、請求項1に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材。
- 前記芯材が、Cu:0.05〜0.5質量%を更に含有するアルミニウム合金からなる、請求項1又は2に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材。
- 前記芯材が、Zr:0.05〜0.3質量%、Ti:0.05〜0.3質量%、Cr:0.05〜0.3質量%及びV:0.05〜0.3質量%から選択される1種又は2種以上を更に含有するアルミニウム合金からなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材。
- 前記ろう材が、Zn:0.3〜3.0質量%を更に含有するAl−Si系合金からなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材。
- 前記ろう材が、Cu:0.1〜0.7質量%を更に含有するAl−Si系合金からなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材。
- 前記ろう材が、Na:0.003〜0.05質量%及びSr:0.003〜0.05質量%の少なくともいずれか一方を更に含有するAl−Si系合金からなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材。
- ろう付加熱後の引張強度が130MPa以上である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法であって、前記芯材用及びろう材用のアルミニウム合金を半連続鋳造法によりそれぞれ鋳造する鋳造工程と、芯材の両面に所定厚さに圧延したろう材を重ね合わせた合わせ材を熱間圧延する熱間合わせ圧延工程と、熱間合わせ圧延工程後のクラッド材を途中で焼鈍することなく冷間圧延する一次冷間圧延工程と、一次冷間圧延工程後においてクラッド材を焼鈍する焼鈍工程と、焼鈍工程後において途中で焼鈍することなく最終板厚まで冷間圧延する二次冷間圧延工程とを備え、
前記芯材の鋳造工程において、凝固後の芯材鋳塊を550〜200℃まで冷却する平均冷却速度を0.10℃/秒以上とし、
前記芯材鋳塊を510℃以上の温度で均質化処理する均質化処理工程を設けず、
前記熱間合わせ圧延工程において、合わせ材の加熱温度を420〜500℃とし、熱間圧延率が10%に達したときの圧延板の温度を370〜450℃とし、
前記一次冷間圧延工程において、冷間圧延率を85.0〜99.5%とし、
前記焼鈍工程において、焼鈍温度を300〜450℃として芯材を再結晶させ、前記二次冷間圧延工程において、冷間圧延率を10〜85%とすることを特徴とする熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法であって、前記芯材用及びろう材用のアルミニウム合金を半連続鋳造法によりそれぞれ鋳造する鋳造工程と、芯材の両面に所定厚さに圧延したろう材を重ね合わせた合わせ材を熱間圧延する熱間合わせ圧延工程と、熱間合わせ圧延工程後のクラッド材を途中で焼鈍することなく冷間圧延する一次冷間圧延工程と、一次冷間圧延工程後においてクラッド材を焼鈍する焼鈍工程と、焼鈍工程後において途中で焼鈍することなく最終板厚まで冷間圧延する二次冷間圧延工程とを備え、
前記芯材の鋳造工程において、凝固後の芯材鋳塊を550〜200℃まで冷却する平均冷却速度を0.10℃/秒以上とし、
前記芯材鋳塊を510℃以上の温度で均質化処理する均質化処理工程を設けず、
前記熱間合わせ圧延工程において、合わせ材の加熱温度を420〜500℃とし、熱間圧延率が10%に達したときの圧延板の温度を370〜450℃とし、
前記一次冷間圧延工程において、冷間圧延率を85.0〜99.5%とし、
前記焼鈍工程において、焼鈍温度を150℃以上300℃未満として芯材を再結晶させず、
前記二次冷間圧延工程において、冷間圧延率を3〜40%とすることを特徴とする熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法。 - 前記二次冷間圧延工程後において、圧延板を300℃以下の温度で焼鈍する焼鈍工程を更に備える、請求項9又は10に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法であって、前記芯材用及びろう材用のアルミニウム合金を半連続鋳造法によりそれぞれ鋳造する鋳造工程と、芯材の両面に所定厚さに圧延したろう材を重ね合わせた合わせ材を熱間圧延する熱間合わせ圧延工程と、熱間合わせ圧延工程後のクラッド材を途中で焼鈍することなく最終板厚まで冷間圧延する冷間圧延工程と、冷間圧延工程後においてクラッド材を焼鈍する焼鈍工程とを備え、
前記芯材の鋳造工程において、凝固後の芯材鋳塊を550〜200℃まで冷却する平均冷却速度を0.10℃/秒以上とし、
前記芯材鋳塊を510℃以上の温度で均質化処理する均質化処理工程を設けず、
前記熱間合わせ圧延工程において、合わせ材の加熱温度を420〜500℃とし、熱間圧延率が10%に達したときの圧延板の温度を370〜450℃とし、
前記冷間圧延工程において、冷間圧延率を85.0〜99.5%とし、
前記焼鈍工程において、焼鈍温度を150℃以上300℃未満として芯材を再結晶させないことを特徴とする熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法。 - 前記芯材の鋳造工程後において、芯材鋳塊を510℃未満の温度で均質化処理する均質化処理工程を更に備える、請求項9〜12のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法。
- 前記芯材の鋳造工程において、溶湯凝固時の平均冷却速度を0.5℃/秒以上とする、請求項9〜13のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法。
- 前記合わせ材を加熱する際において、前記加熱温度に達するまでの昇温時間を15時間以下とする、請求項9〜14のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法。
- 前記熱間合わせ圧延工程の終了時における圧延板温度を370℃未満とする、請求項9〜15のいずれか一項に記載の熱交換器用のアルミニウム合金製ブレージングシートフィン材の製造方法。
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