JP6961395B2 - アルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材及び熱交換器用配管材 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器用の配管やホースジョイントなどとして用いられる曲げ加工性及び耐食性に優れるアルミニウム合金管形状中空形材に関する。

従来、熱交換器用の配管材やホースジョイント材などのアルミニウム合金管材としては、１０００系（純アルミニウム系）、３０００系（Ａｌ−Ｍｎ系）、６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）のアルミニウム合金の押出管が用いられてきた。

押出管を製造するための押出方法としては、中空孔を持つビレットをステムに接続したマンドレルを用いて円形管に押出成形するマンドレル押出、材料を分割するポート孔と中空部をつくるマンドレルを設けた雄型と、分割された材料をマンドレルを取り囲んで一体化、溶着するためのチャンバーを設けた雌型を組み合わせたホローダイスを用いて押出成形するポートホール押出があるが、マンドレル押出による押出管は偏肉が生じ易く、薄肉管を成形し難いなどの課題があるため、配管材やホースジョイント材などのアルミニウム合金管としては、ポートホール押出により押出管を作製するのが望ましい。

上記従来のアルミニウム合金については、いずれの押出法も適用可能であり、ポートホール押出を適用して所定形状の押出管を作製することができるが、１０００系アルミニウム材は高強度の要求に応えらず、３０００系アルミニウム合金材は押し継ぎ部付近の溶着線に沿ったＭｎの過剰析出により耐食性が低下する場合があり、６０００系アルミニウム合金材は熱処理型であるため製造工程に制約が多いなど、それぞれ材料特性上、製造上の難点がある。

更に、配管材等では熱交換器を適切に配置及び接続するために曲げ加工が施されるが、上記の従来アルミニウム合金では曲げ加工時に曲げ部が均一に変形せず、部分的に大きく扁平に変形してしまうという加工特性上の課題があった。熱交換効率及び冷媒の圧力損失の観点では、この扁平量を可能な限り小さくすることが望ましい。

これに対して、材料特性的には５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）のアルミニウム合金は、強度、耐食性、加工性などに優れた材料特性をそなえているが、硬質であるため、一般にはポートホール押出ができず、中空管は、通常、マンドレル押出により押出成形されている（特許文献１〜３）。

５０００系アルミニウム合金をポートホール押出により成形する試みもいくつか提案されているが、特殊なダイス構造を必要としたり、押出管の断面寸法上の制約などがあったりするなど必ずしも満足すべきものではない。

加工特性上の解決策として、内面平滑管の場合は抽伸加工を施してＨ調質とし、曲げ加工前に適度に硬化させることで扁平変形量を小さくする手法が取られてきた。

特許文献４は、合金成分や押出条件、押出管の断面形状の考案により加工性や耐食性に優れる５０００系アルミニウム合金のポートホール押出を可能にしたものである。

特開昭６１−１９４１４５号 特開２００２−３６３６７７号 特開２００３−２２６９２８号 ＷＯ２０１６／１５９３６１号

特許文献４は、５０００系アルミニウム合金のポートホール押出平滑管に関するものであり、内面凸構造を有する中空形材の課題解決手段については、開示されていない。熱交性能の向上のために内面にリブ等の内面凸構造を有する中空形材の場合、内面平滑管のような抽伸加工は不可能であり、抽伸加工による強度向上が困難であった。

そして、配管やホースジョイントなどには、アルミニウム合金管形状中空形材を、曲げ加工した成形体が用いられる。ところが、アルミニウム合金のポートホール押出平滑管では、曲げ加工を施したときに、曲げ部が均一に変形せず、部分的に大きく扁平に変形してしまうという問題があった。

従って、本発明の目的は、ポートホール押出により作製される５０００系アルミニウム合金のアルミニウム合金管形状中空形材であって、曲げ加工性に優れるアルミニウム合金管形状中空形材を提供することにある。

本発明者らは、上記課題について鋭意研究を重ねた結果、合金成分を調節し、特定の範囲の加工硬化指数ｎ値とすることにより、曲げ加工を施した際に曲げ部において適度に加工硬化が進行し、均一に変形することができ、且つ、特定の範囲の内面凸構造の面積率とすることにより、曲げ加工を施した際に曲げ部にかかる荷重が内面平滑管の場合と比較して分散され、局所的な変形が少なくなるため、扁平量を小さくすることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明（１）は、アルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材であって、
Ｍｇ：０．７質量％以上２．５質量％未満、及びＴｉ：０質量％を超え０．１５質量％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ系合金からなり、
加工硬化指数ｎ値が０．２５以上０．４３未満であり、
該アルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材の内部に、内面凸構造を有し、該アルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材の伸長方向に対して垂直な断面における該内面凸構造の面積率が１〜３０％であること、
を特徴とするアルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材を提供するものである。

また、本発明（２）は、前記内面凸構造の面積率が４〜３０％で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製ポートホール押出管形状中空形材を提供するものである。

また、本発明（３）は、請求項１又は２いずれか１項記載のアルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材の成形体であることを特徴とする熱交換器用配管材を提供するものである。

本発明によれば、ポートホール押出により作製される５０００系アルミニウム合金のアルミニウム合金管形状中空形材であって、曲げ加工性に優れるアルミニウム合金管形状中空形材を提供することすることができる。

内面リブを有するアルミニウム合金管形状中空形材の形態例を示す模式的な断面図である。 仕切りを有するアルミニウム合金管形状中空形材の形態例を示す模式的な断面図である。 実施例及び比較例における曲げ加工の方法を示す図である。 扁平率の算出におけるＤ_０及びＤ_Ｂを示す図である。

本発明のアルミニウム合金管形状中空形材は、ポートホール押出により作製されたアルミニウム合金管形状中空形材であって、
Ｍｇ：０．７質量％以上２．５質量％未満、及びＴｉ：０質量％を超え０．１５質量％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ系合金からなり、
加工硬化指数ｎ値が０．２５以上０．４３未満であり、
該アルミニウム合金管形状中空形材の内部に、内面凸構造を有し、該アルミニウム合金管形状中空形材の伸長方向に対して垂直な断面における該内面凸構造の面積率が１〜３０％であること、
を特徴とするアルミニウム合金管形状中空形材である。

本発明によるアルミニウム合金管形状中空形材は、所定の組成を有するアルミニウム合金の押出用ビレットを、ポートホール押出することにより作製されたもの、すなわち、アルミニウム合金からなるポートホール押出管形状中空形材である。

本発明のアルミニウム合金管形状中空形材を構成するアルミニウム合金は、所定量のＭｇ及びＴｉを含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ系合金である。

Ｍｇは強度を向上するために機能するものである。本発明のアルミニウム合金管形状中空形材に係るアルミニウム合金のＭｇ含有量は、０．７質量％以上２．５質量％未満、好ましくは０．７〜１．３質量％である。アルミニウム合金のＭｇ含有量が、上記範囲にあることにより、配管材などとして要求される強度を有するとともに、押出時の熱間変形抵抗が過度に上昇することがないためポートホール押出による製造が可能となり、また、Ｍｇの含有により、１０００系や３０００系のアルミニウム合金と比較して、加工硬化指数ｎ値が高くなるため、曲げ加工を施した際に曲げ部において適度に加工硬化が進行し、均一に変形することが可能となり、優れた加工性を備えた中空形材となる。一方、アルミニウム合金のＭｇ含有量が、上記範囲未満だと、１０００系アルミニウム合金と同等の強度となり、一般的に配管材に要求される強度を達成することができず、また、上記範囲を超えると、ポートホール押出時の押出圧力が上昇し、押出が困難となる。

Ｔｉは、鋳造組織の微細化など組織微細化剤として機能する。本発明のアルミニウム合金管形状中空形材に係るアルミニウム合金のＴｉ含有量は、０質量％を超え０．１５質量％以下、好ましくは０．０１〜０．０５質量％である。アルミニウム合金のＴｉ含有量が０質量％、すなわち、アルミニウム合金がＴｉを含有しない場合は、羽毛状晶などの粗大且つ不均一な鋳造組織となり、押出管形状中空形材の組織に、部分的に粗大結晶粒が生じ、不均一な結晶粒組織になるなど、曲げ加工時に均一に変形することが難しくなり、また、上記範囲を超えると、巨大晶出物を生じ、押出時に表面欠陥等が発生する、あるいは、巨大晶出物を起点として曲げ加工時に割れや切れが生じ易くなるなど、製品としての加工性を損なうおそれがある。

本発明のアルミニウム合金管形状中空形材に係るアルミニウム合金は、Ｍｇ及びＴｉ以外に、必要に応じて、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｎのうちいずれか１種又は２種以上を含むことができる。その場合、アルミニウム合金の各元素の含有量は、Ｓｉ：０．２０質量％以下、Ｆｅ：０．２０質量％以下、Ｃｕ：０．０５質量％以下、Ｍｎ：０．１０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以下、Ｚｎ：０．１０質量％以下である。

アルミニウム合金のＳｉ含有量が０．２０質量％を超えると、Ｍｇ_２Ｓｉ化合物が過剰に形成されて耐食性が低くなる。アルミニウム合金のＦｅ含有量が０．２０質量％を超えると、Ａｌ_３Ｆｅ化合物が過剰に析出して耐食性が低くなる。アルミニウム合金のＣｕ含有量が０．０５質量％を超えると、粒界腐食感受性が高くなり耐食性が低くなる。

Ｍｎは押出時に析出が進行し易い。アルミニウム合金のＭｎ含有量が０．１０質量％を超えると、ポートホール押出で溶着部において過剰析出が進行した場合に溶着部と一般部で電位差を生じ、溶着部に沿った優先腐食を生じることで早期に貫通へと至り、耐食性が害される。なお、本発明のアルミニウム合金管形状中空形材は、Ｍｎを含有しないか、又はＭｎを含有したとしても０．１質量％を超えて含有せず、且つ、所定量のＭｇを含有しているので、Ａｌ−Ｍｇ合金は、押出時にＭｇの析出が進行しないため、優先腐食を生じず、更に、５０００系アルミニウム合金であるため、塩水環境中において良好な耐食性を示す。

アルミニウム合金のＣｒ含有量が０．１０質量％を超えると、Ｃｒは押出後の再結晶を抑制するため、再結晶組織と繊維状組織が混在した不均一な結晶粒組織となり、加工時に均一に変形することが難しくなる。アルミニウム合金のＺｎ含有量が０．１０質量％を超えると、全面腐食が進行して腐食量が増加し、耐食性が低くなる。

本発明のアルミニウム合金管形状中空形材に係るアルミニウム合金は、上記のＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｎ以外に、本発明の効果に影響しない範囲であれば、その他の不純物を含有してもよく、その他の不純物の含有量は、各々で０．０５質量％以下、合計で０．１５質量％以下の範囲であれば許容される。

本発明のアルミニウム合金管形状中空形材の加工硬化指数ｎ値は、０．２５以上０．４３未満である。アルミニウム合金管形状中空形材の加工硬化指数ｎ値が、０．２５未満だと、従来１０００系や３０００系アルミニウム合金と同程度の値となり、曲げ加工を施した際の曲げ部における加工硬化が不十分なため曲げ部の扁平変形量が大きくなってしまい、また、０．４３以上だと、加工硬化が過度に進行し、通常の曲げ加工法では所定の曲げ形状を得ることが難しくなる。

本発明のアルミニウム合金管形状中空形材は、内部に、内面凸構造を有する。この内面凸構造は、ポートホール押出時に形成される。そして、本発明のアルミニウム合金管形状中空形材では、アルミニウム合金管形状中空形材の伸長方向に対して垂直な断面における内面凸構造の面積率が、１〜３０％、好ましくは４〜２５％である。アルミニウム合金管形状中空形材の内面凸構造の面積率が、上記範囲にあることにより、曲げ加工を施した際に曲げ部にかかる荷重が内面平滑管の場合と比較して分散され、局所的な変形が少なくなるため、扁平量を小さくすることができる。一方、アルミニウム合金管形状中空形材の内面凸構造の面積率が、上記範囲未満だと、曲げ部にかかる荷重を分散する効果が得られず、平滑管の場合と同様に曲げ部が扁平に変形し易くなり、また、上記範囲を超えると、曲げ加工時に必要な荷重が大きくなるため、通常の曲げ加工法では所定の曲げ形状を得ることが難しくなる。

なお、本発明において、内面凸構造とは、基底となる管形状（言い換えると、内面平滑管とした場合の管形状）に対し、管内面に付与されたリブやフィン、あるいは、基底となる管形状の内部における仕切り部分を指す。

図１に示す形態例は、熱交性能の向上を目的として、内面の表面積を増加させるために、管の内面に、アルミニウム合金管形状中空形材の伸長方向に対して垂直な断面における形状が、長方形や台形状のリブやフィンが設けられているアルミニウム合金管形状中空形材である。図１に示す形態例では、このような管内面に設けられるリブ又はフィンが、内面凸構造である。

また、図２に示す形態例は、内部を流れる冷媒の分流を目的として、内部に複数の流路を形成させるために、管内部に、アルミニウム合金管形状中空形材の伸長方向に対して垂直な断面における形状が、管内部を複数の部分に区画する形状の仕切りが設けられているアルミニウム合金管形状中空形材である。図２に示す形態例では、このような管内部に設けられる仕切りが、内面凸構造である。なお、図２に示す形態例では、管内部を四等分するように、管の中心から４つの区画壁が形成されている。

本発明において、内面凸構造の面積率とは、アルミニウム合金管形状中空形材の伸長方向に対して垂直な断面における内面凸構造の面積率である。内面凸構造の面積率は、アルミニウム合金管形状中空形材の伸長方向に対して垂直な断面において、基底となる管形状の内径（図１及び図２中、符号Ｄ_Ｉ）より、基底となる管形状の内面の断面積（Ａ）（Ａ＝（π×（Ｄ_Ｉ／２）^２）を求め、内面凸構造の断面積（Ｂ）を除した数値を、百分率で表記したものである（下記式（１））。
内面凸構造の面積率（％）＝（Ｂ／Ａ）×１００ （１）
なお、基底となる管形状の内面の断面積（Ａ）とは、言い換えると、管が内面平滑管だとした場合の内面平滑管相当の管内部の断面積である。

本発明のアルミニウム合金管形状中空形材の肉厚は、好ましくは０．５〜２．５ｍｍ、特に好ましくは１．０〜２．０ｍｍである。

本発明のアルミニウム合金管形状中空形材は、５０００系アルミニウム合金であり、特定の範囲の加工硬化指数ｎ値を有するので、曲げ加工を施した際に曲げ部において適度に加工硬化が進行し、均一に変形することができ、且つ、特定の範囲の内面凸構造の面積率を有するので、曲げ加工を施した際に曲げ部にかかる荷重が内面平滑管の場合と比較して分散され、局所的な変形が少なくなるため、扁平量を小さくすることができる。そのため、本発明のアルミニウム合金管形状中空形材は、曲げ加工を要し、且つ、高強度が要求される熱交換器用の配管材等として、好適に用いられる。

本発明の熱交換器用配管材は、本発明のアルミニウム合金管形状中空形材の成形体であることを特徴とする熱交換器用配管材である。

以下に、実施例を示して、本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。

（実施例及び比較例）
表１に示す組成を有するアルミニウム合金Ａ〜Ｉを溶解し、連続鋳造により直径９０ｍｍのビレット形状に造塊した。比較のため、合金Ｊとして従来配管材用３００３合金も同時に作製した。得られたビレットを５００℃で８時間の均質化処理した後、４５０℃の温度で、表２に示すいずれかの形状の管形状中空形材に押出した（試験材Ｎｏ．１〜１６）。断面形状の一例を図１及び図２に示す。Ｎｏ．１〜７、１０〜１４が図１のような内面にリブを有する形状であり、Ｎｏ．８、９、１６が図２に示すような内面に仕切りを有する形状であり、Ｎｏ．１５が従来形状（内面平滑管）である。各形状では、内管径Ｄ_Ｉより、内面平滑管相当の管内部の断面積を求め、それに対する斜線に示す内面凸構造の面積が占める割合を面積率で表した。

押出成形された試験材に対し、以下の方法により、機械的性質、加工硬化指数ｎ値、曲げ加工時の扁平率を評価した。結果を表３に示す。

＜機械的性質＞
試験材の長さ方向中央部よりサンプルを切り出して試験片を作製し、ＪＩＳ Ｚ−２２４１に準拠して引張試験を行い、機械的性質を評価した。

＜加工硬化指数ｎ値＞
引張試験にて得られた応力−ひずみ線図より、真応力、真ひずみを求め、以下の計算式より加工硬化指数ｎ値を算出した。
ｎ＝ｌｎσ／ｌｎε （式中、σ：真応力、ε：真ひずみ）

＜曲げ加工時の扁平率＞
試験材の長さ方向中央より５００ｍｍ長さのサンプルを切り出し、パイプベンダーを用いて試験片の中央にて曲げ加工を施した。加工の方法を図４に示す。なお、内面曲げＲ＝４０、曲げ角度＝９０°、曲げ力２０００ｋｇｆにて、加工を実施した。加工後の試験片は長手方向中央部分を切り出し、図５に示すように断面より曲げ後の内径のうち短径Ｄ_Ｂを測定し、曲げ前の内径Ｄ_０で割り扁平率（扁平率（％）＝（Ｄ_Ｂ／Ｄ_０）×１００）を求めた。扁平率が６５％以上のものを合格（○）、また７５％以上のものをさらに良い結果（◎）とした。

表３に示すように、実施例の試験材１（合金Ａ、形状Ｉ）は曲げ加工を施した際の扁平率が６５％以上であり、曲げ時の扁平量が少ない良好な加工性を備えていた。また、実施例の試験材２〜９（合金Ａ〜Ｅ、形状ＩＩ〜Ｖ）は曲げ加工を施した際の扁平率が７５％以上であり、さらに良好な曲げ加工性を備えていた。

これに対して、比較例の試験材１０はＭｇ含有量が少ないため、また、比較例の試験材１４は３０００系合金のためｎ値が低く、曲げ加工時の加工硬化が不足し、曲げ部が大きく扁平し不合格となった。

比較例の試験材１１はＭｇ含有量が多いためｎ値が高く、加工硬化が過度に進行して曲げに必要な荷重が大きくなったため、本曲げ試験では９０°の曲げ加工を施すことができなかった。

比較例の試験材１２はＴｉを含有しないため部分的に粗大結晶粒を生じ、曲げ加工時の変形が不均一になったために曲げ部が大きく扁平し不合格となった。

比較例の試験材１３はＴｉ含有量が多いために巨大晶出物を生じ、これを起点として曲げ加工時に割れが発生し、９０°の曲げ加工を施すことができなかった。

比較例の試験材１５は内面凸構造を有さない平滑管のため曲げ部にかかる荷重を分散する効果が得られず、曲げ部が大きく扁平し不合格となった。

比較例の試験材１６は内面凸構造の面積率が３０％以上のため曲げ加工時に必要な荷重が大きくなり、本曲げ試験では９０°の曲げ加工を施すことができなかった。

Claims (3)

1. アルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材であって、
   Ｍｇ：０．７質量％以上２．５質量％未満、及びＴｉ：０質量％を超え０．１５質量％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ系合金からなり、
   加工硬化指数ｎ値が０．２５以上０．４３未満であり、
   該アルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材の内部に、内面凸構造を有し、該アルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材の伸長方向に対して垂直な断面における該内面凸構造の面積率が１〜３０％であること、
   を特徴とするアルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材。
2. 前記内面凸構造の面積率が４〜３０％で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製ポートホール押出管形状中空形材。
3. 請求項１又は２いずれか１項記載のアルミニウム合金製ポートホール押出管形状中空形材の成形体であることを特徴とする熱交換器用配管材。

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