JP6990209B2 - アルミニウム合金製配管材及びその製造方法 - Google Patents

アルミニウム合金製配管材及びその製造方法 Download PDF

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Description

本明細書により開示される技術は、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、高い強度を有するアルミニウム合金製配管材及びその製造方法に関する。
従来、Al-Mg系もしくはAl-Mg-Mn系の、5000系と称されるアルミニウム合金が知られている。中でも、Al-Mg系アルミニウム合金は、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と比べ、強度、耐食性などにおいて優れた材料特性を備えている。一方で、5000系のアルミニウム合金は、硬質であるが故に、押出性が低下する。そこで、下記特許文献1には、合金成分や加工硬化指数n値、押出管の断面形状などを調節することによって、一定以上の押出性を維持しつつ優れた加工性を有する5000系アルミニウム合金管形状中空形材が提案されている。
特許文献1に開示されているアルミニウム合金管形状中空形材は、例えばポートホール押出が可能であり、曲げ加工性にも優れたものとされている。しかしながら、より高い強度を達成するためにはMg含有量をさらに多くする必要があるが、その場合は押出圧力が上昇してポートホール押出による製造が困難になるという課題があった。
特開2018-204078号公報
本技術の目的は、5000系アルミニウム合金製の配管材であって、押出性に優れ従来よりも高い強度を有するアルミニウム合金製配管材及びその製造方法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、合金成分を調節して押出した配管材に、特定の範囲のZn付着量を有するZn溶射を施し、その後拡散熱処理を施すことにより、外側表面に強度の高いZn含有層を配して強度向上を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。なお、Zn含有層において強度が向上するのは、Al-Mg系合金中に拡散させたZnが母相中の固溶Mgと微細なMgZn析出物を形成するためではないかと推察される。
すなわち、本明細書が開示する技術(1)は、アルミニウム合金製配管材であって、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系合金からなる配管材本体部と、前記配管材本体部の外側表面に配され、前記Al-Mg系合金中に0.1質量%以上のZnが拡散しているZn含有層と、を備える、熱交換器用のアルミニウム合金製配管材を提供するものである。
また、本明細書が開示する技術(2)は、前記Zn含有層の厚さは、50μm以上である、(1)に記載のアルミニウム合金製配管材を提供するものである。
また、本明細書が開示する技術(3)は、前記Zn含有層は、前記配管材本体部よりも50%以上高いビッカース硬さを有している、(1)又は(2)に記載のアルミニウム合金製配管材を提供するものである。
また、本明細書が開示する技術(4)は、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系合金を熱間押出して、管状の配管材を成形する熱間押出工程と、前記配管材の外側表面に、前記Al-Mg系合金中に0.1質量%以上のZnが拡散しているZn含有層を形成するZn含有層形成工程と、を含む、アルミニウム合金製配管材の製造方法を提供するものである。
また、本明細書が開示する技術(5)は、前記熱間押出工程は、ポートホール押出によって行われる、(4)に記載のアルミニウム合金製配管材の製造方法を提供するものである。
また、本明細書が開示する技術(6)は、前記Zn含有層形成工程は、前記配管材にZnを溶射して、前記配管材の外側表面にZnが付着したZn溶射配管材を得るZn溶射工程と、前記Zn溶射配管材に拡散熱処理を施して、前記Al-Mg系合金からなる配管材本体部の外側表面に前記Zn含有層を形成させる拡散熱処理工程と、を含む、(4)又は(5)に記載のアルミニウム合金製配管材の製造方法を提供するものである。
また、本明細書が開示する技術(7)は、前記Zn溶射配管材におけるZnの付着量は、2g/m以上30g/m以下である、(6)に記載のアルミニウム合金製配管材の製造方法を提供するものである。
本技術によれば、5000系アルミニウム合金製配管材であって、押出性に優れ従来よりも高い強度を有するアルミニウム合金製配管材を提供することができる。
実施形態に係るアルミニウム合金製配管材の断面構成の概略を表した模式図 図1の部分拡大図 アルミニウム合金の成分表 評価結果
<実施形態>
図1及び図2に示すように、本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10は、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系合金からなる配管材本体部11と、前記配管材本体部の外側表面に配され、前記Al-Mg系合金中に0.1質量%以上のZnが拡散しているZn含有層12と、を備えることを特徴とするアルミニウム合金製配管材である。
本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10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材とすることができる。アルミニウム合金からなる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して溶着するためのチャンバーを設けた雌型と、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。このうち、一般的に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。よって、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は、ポートホール押出によって作製することが望ましい。
本実施形態において、配管材本体部11を形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。配管材本体部11を形成す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質量%以上1.3質量%以下である。アルミニウム合金のMg含有量が上記範囲にあれば、配管材などとして要求される強度を発現可能であるとともに、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、好ましくは80MPa以上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、パイプ形状の押出が困難となる。
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。配管材本体部11を形成す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質量%以上0.05質量%以下である。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ため引張試験において伸びが低下し、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。
配管材本体部11を形成す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:0.5質量%以下、Mn:0.50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、MgSi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、AlFe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0.5質量%を超えると、耐食性が低くなる。
Mnは押出時に析出が進行し易い。3000系アルミニウム合金やAl-Mg-Mn系5000系アルミニウム合金のように、アルミニウム合金のMn含有量が0.50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。このため、配管材本体部11を形成するアルミニウム合金には、5000系アルミニウム合金の中でもAl-Mg系アルミニウム合金を用いることが好ましい。なお、本実施形態において、配管材本体部11を形成するAl-Mg系アルミニウム合金は、Mnを含有せず所定量のMgを含有しており、押出時にMgの析出が進行しないため、優先腐食を生じず、さらに、5000系合金であるため、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。配管材本体部11を形成す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。
配管材本体部11を形成するアルミニウム合金は、上記のSi、Fe、Cu、Mn、Cr及びZn以外に、本技術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。
図1及び図2に示すように、本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10は、上記した配管材本体部11を形成するアルミニウム合金中に0.1質量%以上のZnが混在するZn含有層12を備える。なお、各図では、説明の便宜を考慮して一部の部材の尺度を変更していることがある。Zn含有層12は、配管材本体部11の外側表面に配されるが、配管材本体部11とZn含有層12との境界は明確であることを要しない。上記したようにZn含有量が0.10%以下である配管材本体部11から、例えば図2に示すように、アルミニウム合金製配管材10の外側表面に向けて徐々にアルミニウム合金中のZn含有量が増加し、アルミニウム合金製配管材10の最も外側表面において、Zn含有量が0.1質量%以上であるZn含有層12を有するように形成してもよい。
Zn含有層12を備えるアルミニウム合金製配管材10は、上記した配管材本体部11を形成するアルミニウム合金をポートホール押出などにより熱間押出して管状の配管材を得る熱間押出工程と、得られた配管材の外側表面にZn含有層12を形成するZn含有層形成工程と、を含む製造方法によって製造できる。Zn含有層12は、例えば、熱間押出工程で得られた配管材にZn溶射を施して外側表面にZnが付着したZn溶射配管材を得るZn溶射工程と、Zn溶射配管材に拡散熱処理を施す拡散熱処理工程と、によって形成できる。
Zn溶射工程では、配管材の外側表面に2g/m以上30g/m以下のZnが付着したZn溶射配管材を得ることが好ましい。Zn付着量が2g/m未満の場合、強度向上の効果が小さくなる。またZn付着量を30g/mよりも多くしようとすると溶射時のライン速度を極端に遅くする必要があるため、生産性が大きく低下する。
Zn溶射工程の後には、拡散熱処理工程を実施する。Zn溶射の後に拡散熱処理を施さない場合には、素材中へのZnの拡散が不十分となり、狙い通りの硬さ向上効果が得られなくなる。拡散熱処理を施した後のZn含有層12の厚さは、50μm以上であることが好ましい。なお、Zn含有層12の厚さは、上記範囲の中でも、100μm以上であることがより好ましく、150μm以上であることがさらに好ましい。また、Zn含有層を形成することによる生産性の極端な低下を抑制するため、Zn含有層の厚さは、最大でも概ね300μm以下とすることが好ましい。上記したように、Mgを含有するポートホール押出材に所定の条件を満たすZn溶射及び拡散熱処理を施すことにより、表層から50μmの領域における硬さがZn溶射しない場合の硬さに比べて50%向上し、Mg含有量を増加せずとも高い強度を有する5000系アルミニウム合金製配管材を提供することができる。なお上記を満たすための拡散熱処理の条件としては温度:350℃~560℃、時間:0.5h~12hが好ましい。Zn含有層12の厚さが50μmよりも薄い場合、あるいは硬さ向上代が50%未満の場合は、全体の肉厚に対するZn含有層12厚さや硬さ向上代の割合が低下するため、強度向上の効果が小さくなる。
以下に、実施例を示して、本実施形態を具体的に説明するが、本実施形態は、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)
図3の表に示す組成を有するアルミニウム合金A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。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、直径8mm肉厚1mmの管形状に押出した。続いて押出直後に(冷却することなく)Zn溶射を行い、室温まで冷却した後に450℃×4hの拡散熱処理を実施した。上記においてZn溶射条件を変えることにより、Zn付着量の異なる2種類のアルミニウム合金製配管材を得た。
[評価方法]
<Zn付着量>
蛍光X線分析装置にて拡散熱処理前の配管材表面を分析し、Zn付着量を求めた。図4の表に示すように、拡散熱処理前のZn付着量が10g/mであったものを実施例1、18g/mであったものを実施例2とする。また、Zn溶射及び拡散熱処理を施していないアルミニウム合金製配管材を比較例1とする。
<Zn含有層厚さ>
拡散熱処理後の実施例1及び実施例2のアルミニウム合金製配管材、並びに、比較例1のアルミニウム合金製配管材について、断面より肉厚方向外周から内周にかけてEPMA線分析を行い、Zn含有層の厚さを求めた。0.1質量%以上のZnが検出される深さをZn含有層厚さとした。
<硬さ向上率>
実施例1、実施例2、及び比較例1のアルミニウム合金製配管材の断面より、外側表面から深さ50μmの位置にてビッカース硬さを測定した(JIS Z 2244)。Zn溶射していない場合の硬さを分母、硬さの増加分を分子として、拡散熱処理後の硬さ向上率を算出した。
[評価結果]
上記の硬さ向上率について、50%以上であったものを○、50%未満であったものを×と評価した。図4の表に示す評価結果より、実施例1及び実施例2のアルミニウム合金製配管材は、それぞれ100μm及び150μmの厚さのZn含有層を有し、何れにおいても50%以上の硬さ向上率が達成されたことが知られた。
これに対して、Zn溶射していない比較例1のアルミニウム合金製配管材は、Zn含有層を有しておらず、硬さの向上は認められなかった。
以上記載したように、本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10は、(1)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系合金からなる配管材本体部11と、配管材本体部11の外側表面に配され、前記Al-Mg系合金中に0.1質量%以上のZnが拡散しているZn含有層12と、を備える、熱交換器用のアルミニウム合金製配管材である。
上記構成によれば、押出性に優れたAl-Mg系合金からなる配管材本体部11の外側表面に強度の高いZn含有層12を配することで、熱間押出時の押出性を損なうことなくアルミニウム合金製配管材10の強度を向上させることができる。なお、Zn含有層12において強度が向上する一因として、Al-Mg系合金中に拡散させ混在させたZnが母相中の固溶Mgと微細なMgZn析出物を形成することが考えられる。このようなアルミニウム合金製配管材10は、例えば熱交換器に用いられる配管材として、好適に使用できる。
また、本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10において、Zn含有層12の厚さは、50μm以上である。このような構成によれば、配管材本体部11の外側表面に、十分な厚さで高強度のZn含有層12が配されることにより、アルミニウム合金製配管材10の強度を向上させることができる。Zn含有層12の厚さが50μm未満の場合、アルミニウム合金製配管材10全体に対する高強度層の割合が低いために、十分な強度向上効果が得られない。なお、Zn含有層12の厚さは、上記範囲の中でも、100μm以上であることがより好ましく、150μm以上であることがさらに好ましい。また、Zn含有層12を形成することによる生産性の低下を抑制するため、Zn含有層12の厚さは、概ね200μm以下とすることが好ましい。
また、本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10において、Zn含有層12は、配管材本体部11よりも50%以上高いビッカース硬さを有している。このような構成によれば、配管材本体部11の外側表面に、配管材本体部11よりも上記範囲だけビッカース硬さが向上したZn含有層12が配されることにより、アルミニウム合金製配管材10の全体としての強度を十分に向上させることができる。
また、本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10の製造方法は、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系合金を熱間押出して、管状の配管材を成形する熱間押出工程と、前記配管材の外側表面に、前記Al-Mg系合金中に0.1質量%以上のZnが拡散しているZn含有層12を形成するZn含有層形成工程と、を含む。このような構成によれば、押出を行った後に外側表面に高強度のZn含有層12を形成することで、熱間押出時の加工性を損なうことなく、製造されるアルミニウム合金製配管材10の強度を向上させることができる。
また、本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10の製造方法において、熱間押出工程は、ポートホール押出によって行われる。このような構成によれば、偏肉が少なく薄肉な押出管を形成できる。
また、本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10の製造方法において、Zn含有層形成工程は、熱間押出により得られた配管材にZnを溶射して、前記配管材の外側表面にZnが付着したZn溶射配管材を得るZn溶射工程と、Zn溶射配管材に拡散熱処理を施して、前記Al-Mg系合金からなる配管材本体部11の外側表面に前記Zn含有層12を形成させる拡散熱処理工程と、を含む。このような構成によれば、Zn溶射工程によって配管材の表面に付着させたZnを、拡散熱処理して配管材内部に向けて拡散させることにより、アルミニウム合金中にZnが拡散し、場合によっては金属間化合物が形成される。この結果、Al-Mg系合金からなる配管材本体部11の外側表面に高強度のZn含有層12が配され、アルミニウム合金製配管材10の強度を向上させることができる。
また、本実施形態に係るアルミニウム合金製配管材10の製造方法において、前記Zn溶射配管材におけるZnの付着量は、2g/m以上30g/m以下である。このような構成によれば、一定の生産性を維持しながら、十分な強度向上効果を得ることができる。
<他の実施形態>
本技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態もこの技術的範囲に含まれる。
(1) 上記実施形態では、熱間押出工程後に、Zn溶射工程、拡散熱処理を引き続いて施してアルミニウム合金製配管材を製造する場合について例示したが、これに限定されない。熱間押出工程とZn溶射工程との間、あるいは、Zn溶射工程と拡散熱処理工程との間に、折曲や延伸、冷間加工といった加工工程など、別の工程が施されても構わない。例えば、熱間押出工程の後に、Zn溶射工程・抽伸加工工程・拡散熱処理工程を順次に施す、あるいは、熱間押出工程の後に、抽伸加工工程・Zn溶射工程・拡散熱処理工程を順次に施す、といった方法でも、本技術に係るアルミニウム合金製配管材を製造できる。あるいは、熱間押出工程後、製品として曲げ加工等を施した後に、Zn溶射工程及び拡散熱処理工程を施してもよい。
(2) 上記実施形態では、図1に示すアルミニウム合金製配管材10のように、配管材内面を平滑に形成した内面平滑管について例示したが、これに限定されない。例えば、配管材内面に様々な形状の凹凸等が形成された内面溝付き管にも、本技術は適用可能である。
10…アルミニウム合金製配管材、11…配管材本体部、12…Zn含有層

Claims (5)

  1. アルミニウム合金製配管材であって、
    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系合金からなる配管材本体部と、
    前記配管材本体部の外側表面に配され、前記Al-Mg系合金中に0.1質量%以上のZnが混在し、MgZn 析出物が形成されているZn含有層と、
    を備える、熱交換器用のアルミニウム合金製配管材。
  2. 前記Zn含有層の厚さは、50μm以上である、請求項1に記載のアルミニウム合金製配管材。
  3. 前記Zn含有層は、前記配管材本体部よりも50%以上高いビッカース硬さを有している、請求項1又は請求項2に記載のアルミニウム合金製配管材。
  4. 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系合金を熱間押出して、管状の配管材を成形する熱間押出成形工程と、
    前記配管材の外側表面に、前記Al-Mg系合金中に0.1質量%以上のZnが混在しているZn含有層を形成するZn含有層形成工程と、
    を含み、
    前記熱間押出成形工程は、ポートホール押出によって行われ、
    前記Zn含有層形成工程は、
    前記配管材にZnを溶射して、前記配管材の外側表面にZnが付着したZn溶着配管材を得るZn溶射工程と、
    前記Zn溶着配管材に拡散熱処理を施して、前記Al-Mg系合金からなる配管材本体部の外側表面に前記Zn含有層を形成させ、MgZn 析出物を形成させる拡散熱処理工程と、
    を含む、
    アルミニウム合金製配管材の製造方法。
  5. 前記Zn溶着配管材におけるZnの付着量は、2g/m以上30g/m以下である、請求項4に記載のアルミニウム合金製配管材の製造方法。
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