JP7244271B2 - 熱交換器用アルミニウム合金クラッド材及び熱交換器 - Google Patents

熱交換器用アルミニウム合金クラッド材及び熱交換器 Download PDF

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Description

本発明は、自動車等の熱交換器用部品として用いられる熱交換器用アルミニウム合金クラッド材及び熱交換器に関する。
近年、電気自動車や燃料電池車に代表される環境対応車の登場により、自動車熱交換器には、従来よりも高性能化や形状の複雑化の要求が高まっている。このため、従来では耐食性確保のため犠牲材が適用されていた熱交換器冷却水側についても、ろう付を適用する例が増えており、接合性および冷却水側での耐食性を両立する様なろう材が求められている。
例えば、特許文献1に記載の熱交換器の製造方法では、アルミニウムクラッド板材として、心材の片面にAl-Si系ろう材をクラッドし、他の片面にSi:2.5~6.0質量%を含有するアルミニウム合金材をクラッドしてなるクラッド板材を使用し、ろう付け時、組み付けられたクラッド板材の端部近傍において、片面にクラッドされたAl-Si系ろう材からの溶融ろうがクラッド板材の端部から他の片面にクラッドされたアルミニウム合金材面に流動することにより接合部を形成している。また、このアルミニウム合金材は、Znを1.5~6.0%含有し、犠牲陽極層としての機能を有している。
また、特許文献2に記載のアルミニウム合金ブレージングシートは、アルミニウム合金の心材と、心材の少なくとも一方の面にクラッドされたろう付機能付与犠牲材とを備え、心材が、MnとFeを含有し残部Al及び不可避的不純物からなり、ろう付機能付与犠牲材が、Si、Zn、Feを含有し残部Al及び不可避的不純物からなり、ろう付機能付与犠牲材のクラッド率が3~25%であり、ろう付加熱前における金属組織として、心材が繊維状組織であり、ろう付機能付与犠牲材が再結晶組織である。
これら特許文献1及び2に記載のアルミニウム合金材及びろう付け機能付与犠牲材(以下、ろう材という)は、耐食性を向上させるため、Znが添加され、これによりろう材表面から芯材内部にかけての電位勾配を確保している。
特開2007-178062号公報 特開2014-114475号公報
しかしながら、特許文献1及び2に記載の構成では、ろう付熱処理の際にろう材が流動することで、材料表面に均一にZnが分布しないことや、ろう材共晶部へ局所的に腐食が進行することにより、犠牲材に匹敵するような耐食性を得ることが難しい。具体的には、ろう材は初晶(ろう材初晶)と共晶組織(共晶ろう)を有するため、犠牲材のような面状腐食にならずに芯材方向へ局部腐食が発生し易い。
以上の観点から、芯材の両面又は片面にろう材を有する熱交換器用アルミニウム合金クラッド材の耐食性を向上させることが望まれている。
本発明は、耐食性を向上できる熱交換器用アルミニウム合金クラッド材及び熱交換器を提供することを目的とする。
本件発明者らは、上記問題点を鑑み、ろう付熱処理時に流動するろう材量を適正化し、ろう付後に材料表面で防食層として作用するろう材の厚さを大きくし、かつ熱交換器用アルミニウム合金クラッド材の芯材におけるろう付時の再結晶粒径を粗大化させることで、ろう付熱処理後のろう材組織において、共晶ろうが材料表層部近傍に広く分布する形態となることを見出した。
すなわち、本発明の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる芯材と、その片面又は両面に張り合わされたAl-Si-Znろう材とからなる熱交換器用アルミニウム合金クラッド材であって、前記Al-Si-Znろう材は、質量%で、Si:2.0%以上5.0%、Zn:0.2%以上7.0%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなり、前記Al-Si-Znろう材を570℃まで加熱して急冷した前記芯材と前記Al-Si-Znろう材との界面に接する前記芯材の結晶粒界が3個/mm以下であり、ろう付け相当熱処理後における前記Al-Si-Znろう材における共晶Si粒子が円相当径で2.0μm以下であり、かつ、圧延方向平行断面において、前記Al-Si-Znろう材と前記芯材との界面から前記Al-Si-Znろう材の板厚中央部までの領域における共晶ろうが占める面積割合が10%以下であり、さらに残存ろうの厚さが45μm以上である。
本発明では、熱交換器用アルミニウム合金クラッド材のろう材として、Al-Si-Znろう材を用いており、Siは、ろう付け性を向上させる機能を有する。なお、Siが2.0質量%未満では、その効果が十分に発揮されず、5.0質量%を超えると、ろう付時の溶融ろうの流動性が高くなり過ぎて、ろう付後に残存するろう材層の厚さが低下して、45μm未満となる。また、Siのさらに好ましい範囲は、2.5質量%~3.5質量%である。Znは、ろう材を芯材に対して卑な電位として芯材を防食する機能を有する。なお、Znが0.2質量%未満では、その効果が十分発揮されず、7.0質量%を超えると、腐食速度が速くなり過ぎて、ろう材層が早期に腐食、消耗することで耐食性が低下する。また、Znのさらに好ましい範囲は2.0質量%~5.0質量%である。
また、ろう付け相当熱処理後のAl-Si-Znろう材の共晶Si粒子が2.0μm以下と小さいので、共晶Si粒子が大きい場合に比べて、カソード反応が抑制されて耐食性を向上させる。なお、共晶Si粒子が2.0μmを超えると、耐食性を向上させる効果を発揮できない。
さらに、Al-Si-Znろう材を570℃まで加熱して急冷した芯材とAl-Si-Znろう材との界面に接する芯材の結晶粒界が3個/mm以下であることから、結晶粒界を経由するろう浸食量を低減できる。また、結晶粒界が3個/mm以下と少ないので、ろう付相当熱処理後のAl-Si-Znろう材組織において、共晶ろうをその表層部近傍に広く分布させることができる。なお、Al-Si-Znろう材を570℃まで加熱して急冷した芯材とAl-Si-Znろう材との界面に接する芯材の結晶粒界が3個/mmを超えている場合の他、残存ろうの厚さが45μm未満の場合には、上記効果を十分に発揮できない。
上述したような芯材及びAl-Si-Znろう材からなる熱交換器用アルミニウム合金クラッド材に対して、ろう付け熱処理を実行すると、圧延方向平行断面において、Al-Si-Znろう材と芯材との界面からAl-Si-Znろう材の板厚中央部までの領域における共晶ろうが占める面積割合が10%以下となる。すなわち、ろう材では、共晶ろうと、ろう材初晶とが2層状になる組織が得られ、表層に共晶ろうが配置され、芯材とろう材との界面側にろう材初晶が配置されることとなる。これにより、ろう材が冷却水側の腐食環境に曝された時、表層部の共晶ろうが優先腐食した後、その下にあるろう材初晶が均一に腐食し、全面腐食の形態が得られ、耐食性が向上する。
本発明の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材の好ましい態様としては、前記Al-Si-Znろう材は、質量%で、Sr:0.01%以上0.10%以下、Bi:0.01%以上0.30%以下、Mn:0.1%以上1.0%以下、Fe:0.1%以上1.0%以下のうち、一種又は二種をさらに含有しているとよい。
Srは、ろう材中の共晶Si粒子を微細にすることで、ろう付熱処理後の共晶Si粒子が大きい場合に比べて、カソード反応が抑制されて耐食性を向上させる。Srが0.01質量%未満では、その効果が十分発揮されず、0.1質量%を超えると、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成しやすく圧延が困難となる。なお、同様の理由でさらに好ましい範囲は0.02質量%以上0.05質量%以下である。
Biは、溶融したろうの表面張力を小さくして、溶融したろうの流動性を向上させる効果があり、Si濃度が低いろうにおいても接合性を向上させる。このBiが0.01質量%未満では、その効果が十分発揮されず、0.3質量%を超えると、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成しやすく圧延が困難となる。なお、同様の理由でさらに好ましい範囲は、0.10質量%以上0.20質量%以下である。
Mn及びFeは、溶融したろうの流動性を抑制させ耐食性を向上させる。Mn及びFeが0.1質量%未満では、その効果が十分発揮されず、Mn及びFeが1.0質量%を超えると、カソードの起点となり耐食性が低下する。同様の理由でさらに好ましい範囲は、0.2質量%以上0.6質量%以下である。
本発明の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材の好ましい態様としては、前記芯材は、Mnを0.1質量%以上2.0質量%以下含有し、質量%で、Si:0.1%以上1.2%以下、Cu:0.1%以上1.2%以下、Fe:0.1%以上1.0%以下のうち、一種又は二種をさらに含有しているとよい。
熱交換器用アルミニウム合金クラッド材の芯材として、Mnを0.1質量%以上2.0質量%以下含有するAl-Mn系芯材を用いており、この芯材に含まれるMnは、芯材の強度を向上させる効果があり、0.1質量%未満では、その効果が十分に発揮されず、2.0質量%を超えると、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成して圧延性が困難となる。同様の理由でさらに好ましい範囲は0.5%~1.5%である。
Siは、ろう付後の強度を向上させる効果があり、0.1質量%未満では、その効果が十分に発揮されず、1.2質量%を超えると、融点が低下しろう付熱処理時に局部溶融を引き起こす。同様の理由でさらに好ましい範囲は0.3%~0.8%である。
Cuは、ろう付後の強度を向上させる効果があり、0.1質量%未満では、その効果が十分に発揮されず、1.2質量%を超えると、耐食性が大幅に低下する。同様の理由でさらに好ましい範囲は0.3%~0.8%である。
Feは、ろう付後の強度を向上させる効果があり、0.1質量%未満では、その効果が十分に発揮されず、1.0質量%を超えると、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成して圧延性が困難となる。同様の理由でさらに好ましい範囲は0.2%~0.5%である。
本発明の熱交換器は、液体が流通する液体流路と、液体が流通する液体流路と、前記液体流路に隣接して配置され、前記液体を冷却する冷却水が流通する冷却水流路と、を備え、前記液体流路及び前記冷却水流路を区画するプレートは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる芯材と、その片面又は両面に貼り合わされたAl-Si-Znろう材とからなる熱交換器用アルミニウム合金クラッド材により構成され、前記熱交換器用アルミニウム合金クラッド材は、前記Al-Si-Znろう材が質量%で、Si:2.0%以上5.0%以下、Zn:0.2%以上7.0%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなり、前記Al-Si-Znろう材における共晶Si粒子が円相当径で2.0μm以下であり、圧延方向平行断面において、前記Al-Si-Znろう材と前記芯材との界面から前記Al-Si-Znろう材の板厚中央部までの領域における共晶ろうが占める面積割合が10%以下であり、さらに残存ろうの厚さが45μm以上である。
本発明では、熱交換器を構成するプレートの耐食性が向上するので、熱交換器の耐食性(耐久性)を向上できる。
本発明によれば、熱交換器用アルミニウム合金クラッド材及び熱交換器の耐食性を向上できる。
本発明の実施形態に係る熱交換器用アルミニウム合金クラッド材が用いられた熱交換器を示す断面図である。 図1に示す熱交換器用アルミニウム合金クラッド材のプレートの表面近傍における拡大図である。
以下、本発明に係る熱交換器用アルミニウム合金クラッド材及び熱交換器用アルミニウム合金クラッド材を用いた熱交換器の実施形態について、図面を用いて説明する。
本発明に係る熱交換器用アルミニウム合金クラッド材(以下、単にクラッド材という場合がある)を用いた熱交換器1は、図1に示すように、それぞれが略同一形状に形成された複数のプレート4,5と、上側プレート2と、下側プレート3と、冷却水流入パイプ6と、冷却水流出パイプ7と、インナーフィン8と、を備えている。
各プレート4,5は、交互に積層され、これらの中央部に空間を形成し、該空間にはインナーフィン8が配置される。そして、各プレート4,5は、液体(例えば、オイル)が流通する液体流路81と冷却水が流通する冷却水流路82とを区画している。また、プレート4の外周部においては、液体が流通する液体流路41及び冷却水が流通する冷却水流路42が交互に配置されている。
このような熱交換器1を構成しているプレート4,5及びインナーフィン8のそれぞれは、本発明に係る熱交換器用アルミニウム合金クラッド材により構成され、これらはろう付けにより接合される。なお、以下の説明では、組成が同一であるため、プレート4についてのみ説明する。
図2は、プレート4のろう付け後の表面近傍の拡大断面図である。
プレート4は、本発明の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材に相当し、ろう付け熱処理後のプレート4は、図2に示すように、圧延方向平行断面において、ろう材4bと芯材4aとの界面E1からろう材4bの板厚中央部までの領域Ar1における共晶ろうE3が占める面積割合が10%以下である。換言すると、上記領域Ar1におけるろう材初晶E2が占める面積割合が90%以上である。また、ろう材4bの表面からろう材4bの板厚中央部までの領域Ar2におけるにおける共晶ろうE3が占める面積割合は、30%以下であり、ろう材初晶E2が占める面積割合は、70%以上あり、共晶ろうE3はろう材4bの表層部近傍に広く分布する形態となっている。
すなわち、ろう材4bでは、共晶ろうE3とろう材初晶E2とが2層状になる組織が得られ、表層に共晶ろうE3が配置され、芯材4aとろう材4bとの界面E1側にろう材初晶E2が配置されることとなる。これにより、ろう材4bが冷却水側の腐食環境に曝された時、表層部の共晶ろうE3が優先腐食した後、その下にあるろう材初晶E2が均一に腐食し、全面腐食の形態が得られ、耐食性が向上する。
なお、芯材4aの板厚及びろう材4bのクラッド率は特に限定されるものではないが、例えばアルミニウム製積層型オイルクーラ用プレート材として用いる場合には、芯材4aの板厚が0.3mm以上0.6mm以下、ろう材4bのクラッド率が5%以上~15%以下(片面)、ろう材4bの厚さが45μm以上であることが好ましい。これにより、残存ろうの厚さを45μm以上とすることが可能となる。
[芯材の組成]
本実施形態では、芯材4aとしてアルミニウム合金(例えばAl-Mn系芯材)を用いており、この芯材4aに含まれるMnは、芯材の強度を向上させる。具体的には、Mnを1.0質量%以上2.0質量%以下の範囲で含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金により構成されるとよい。なお、Mnが0.1質量%未満では、その効果が十分に発揮されず、2.0質量%を超えると、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成して圧延性が困難となる。同様の理由でさらに好ましい範囲は0.5%~1.5%である。
さらに、芯材4aは、Siを0.1質量%以上1.2質量%以下、Cuを0.1質量%以上1.2質量%以下、Feを0.1質量%以上1.0質量%以下のうち、一種又は二種をさらに含有していてもよい。
Siは、ろう付後の強度を向上させる効果があり、0.1質量%未満では、その効果が十分に発揮されず、1.2質量%を超えると、融点が低下しろう付熱処理時に局部溶融を引き起こす。同様の理由でさらに好ましい範囲は0.3%~0.8%である。
Cuは、ろう付後の強度を向上させる効果があり、0.1質量%未満では、その効果が十分に発揮されず、1.2質量%を超えると、耐食性が大幅に低下する。同様の理由でさらに好ましい範囲は0.3%~0.8%である。
Feは、ろう付後の強度を向上させる効果があり、0.1質量%未満では、その効果が十分に発揮されず、1.0質量%を超えると、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成して圧延性が困難となる。同様の理由でさらに好ましい範囲は0.2%~0.5%である。
芯材4aは、ろう材4bを570℃まで加熱して急冷した芯材4aとろう材4bとの界面E1に接する芯材4aの結晶粒界が3個/mm以下とされているので、結晶粒界を経由するろう浸食量を低減できる。また、結晶粒界が3個/mm以下と少ない、すなわち、芯材4aの結晶粒が粗大化されているので、ろう付熱処理後のろう材4b組織において、共晶ろうE3をその表層部近傍に広く分布させることができる。なお、ろう材4bを570℃まで加熱して急冷した芯材4aとろう材4bとの界面E1に接する芯材4aの結晶粒界が3個/mmを超えている場合には、ろう付け熱処理後のろう材4bにおいて、共晶ろうE3をその表層部近傍に分布させることができない。
[ろう材の組成]
本実施形態では、ろう材4bとしてAl-Si-Znろう材を用いており、Siを2.0質量%以上5.0質量%以下、Znを0.2質量%以上7.0質量%以下の範囲で含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金により構成されるとよい。
ろう材4bにおいて、Siが2.0質量%未満であると、添加量が少ないため、ろう付け不良が発生しやすく、Siが5.0質量%を超えていると、ろう付時の溶融ろうの流動性が高くなり過ぎて、ろう付後に残存するろう材層の厚さが低下するおそれがある。また、Siのさらに好ましい範囲は、2.5質量%~3.5質量%である。また、Znは、ろう材4bを芯材4aに対して卑な電位として芯材を防食する機能を有する。なお、Znが0.2質量%未満では、その効果が十分発揮されず、7.0質量%を超えると、腐食速度が速くなり過ぎて、ろう材層が早期に腐食、消耗することで耐食性が低下する。また、Znのさらに好ましい範囲は2.0質量%~5.0質量%である。
さらに、ろう付け相当熱処理後におけるろう材4bにおける共晶Si粒子は円相当径で2.0μm以下と小さいため、ろう付け相当熱処理後の共晶Si粒子が大きい場合に比べて、カソード反応が抑制されて耐食性を向上させる。この共晶Si粒子が2.0μmを超えると、耐食性を向上させる効果を発揮できない。
なお、ろう材4bは、Al-Si-Znろう材からなることとしたが、ろう材4bは、Srを0.01質量%以上0.10質量%以下、Biを0.01質量%以上0.30質量%以下、Mnを0.1質量%以上1.0%質量以下、Feを0.1質量%以上1.0質量%以下のうち、一種又は二種をさらに含有しているとよい。
Srは、ろう材中の共晶Si粒子を微細にすることで、ろう付熱処理後の共晶Si粒子が大きい場合に比べて、カソード反応が抑制されて耐食性を向上させる。Srが0.01質量%未満では、その効果が十分発揮されず、0.1質量%を超えると、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成しやすく圧延が困難となる。なお、同様の理由でさらに好ましい範囲は、0.02質量%以上0.05質量%以下である。
Biは、溶融したろうの表面張力を小さくして、溶融したろうの流動性を向上させる効果があり、Si濃度が低いろうにおいても接合性を向上させる。このBiが0.01質量%未満では、その効果が十分発揮されず、0.3質量%を超えると、鋳造時に巨大な金属間化合物を生成しやすく圧延が困難となる。なお、同様の理由でさらに好ましい範囲は、0.10質量%以上0.20質量%以下である。
Mn及びFeは、溶融したろうの流動性を抑制させ耐食性を向上させる。Mn及びFeが0.1質量%未満では、その効果が十分発揮されず、Mn及びFeが1.0質量%を超えると、カソードの起点となり耐食性が低下する。同様の理由でさらに好ましい範囲は、0.2質量%以上0.6質量%以下である。
[熱交換器用アルミニウム合金クラッド材の製造方法]
次に、この熱交換器用アルミニウム合金クラッド材を製造する方法について説明する。
まず、溶解鋳造により芯材用アルミニウム合金(例えば、JIS A3003合金)、ろう材用アルミニウム合金(Al-Si-Zn合金)を鋳造し、得られた鋳塊について所定温度で均質化処理を行う。
芯材の均質化処理は400℃~600℃で5~15時間の範囲から選択することができる。
ろう材の均質化処理は、400~550℃で1~5時間とする。通常、熱交換器用アルミニウム合金クラッド材(ブレージングシート)の作製工程において、ろう材層へ均質化処理を実施しないことが一般的であり、この工程にて作製されたブレージングシートのろう材層内には円相当径で1μm程度のSi粒子が多数存在する。このろう材層内のSi粒子サイズを制御するために、均質化処理が効果的であり、400~550℃で1~5時間の範囲から選択することができ、480~550℃で2~4時間の範囲で実施するのがより好ましい。
均質化処理を実施した芯材用アルミニウム合金及びろう材用アルミニウム合金の鋳塊は、それぞれ熱間圧延を得て合金板とされる。また、鋳造工程と圧延工程とを分けずに、連続鋳造圧延を経て合金板としてもよい。この熱間圧延における圧下量は、共晶Si粒子サイズに影響するため、総圧下量は、40%以上に設定されている。
そして、これら合金板を適宜のクラッド率でクラッドされる。そのクラッドは一般には圧延により行われる。その後、さらに冷間圧延を施すことにより、所望の厚さの熱交換器用アルミニウム合金クラッド材が得られる。そして、最終焼鈍を例えば360℃で3時間行うことにより、O調質のクラッド材とする。
熱交換器用アルミニウム合金クラッド材(クラッド材)の厚みの構成は、例えば、ろう材層:芯材:犠牲材層=10%:70%:20%とすることができるが、これに限定されるものではなく、ろう材層のクラッド率を5%や15%としてもよい。
熱間圧延、冷間圧延、最終焼鈍は常法によって行えばよいが、冷間圧延工程時に、中間焼鈍を介在させることも可能である。その場合、中間焼鈍としては、例えば200~400℃で1~6時間の加熱によって行なうことができる。中間焼鈍後の最終圧延では、10~50%の冷間圧延率で圧延を行なう。
以上説明した熱交換器用アルミニウム合金クラッド材により構成されるプレート4,5及びインナーフィン8を含む各構成を、図1に示す状態に組み立てた状態で全体を高温の炉内に挿入し、冷却することで、ろう材4bが溶融して各部材の接触部位がろう付け接合され、熱交換器1が構成される。この場合のろう付条件は、高純度窒素ガス雰囲気下においてドロップ形式で実行され、室温から目標温度までの到達時間が1~20分となるような昇温速度で加熱し、590~610℃の目標温度で1~8分間保持し、その後、室温まで空冷を行なう処理である。
なお、上記の熱交換器の部材構成、およびろう付条件等は、あくまでも実施形態の一例であり、特にこれに限定されるものではない。
本実施形態では、圧延方向平行断面において、Al-Si-Znろう材4bとAl-Mn系芯材4aとの界面からAl-Si-Znろう材4bの板厚中央部までの領域Ar2における共晶ろうE3が占める面積割合が10%以下、すなわち、ろう材4bでは、共晶ろうE3とろう材初晶E2とが2層状になる組織が得られ、表層に共晶ろうE3が配置され、芯材4aとろう材4bとの界面E1側にろう材初晶E2が配置されることとしたことから、ろう材4bが冷却水側の腐食環境に曝された時、表層部の共晶ろうE3が優先腐食した後、その下にあるろう材初晶E2が均一に腐食し、全面腐食の形態が得られるので、耐食性を向上できる。
また、プレート4,5及びインナーフィン8は、上記熱交換器用アルミニウム合金により構成されているので、熱交換器1の耐久性を向上できる。
なお、本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材は、冷却対象(液体)を冷却水により冷却する構成に限定されるものではなく、冷却対象を冷却風等により冷却する構成であってもよい。また、冷却対象(液体)もオイルに限られない。
上記実施形態では、芯材4aの一方の面にろう材4bがクラッドされ、他方の面に犠牲材がクラッドされる構成としたが、これに限らず、芯材4aの両面にろう材4bがクラッドされてもよい。
半連続鋳造により芯材用アルミニウム合金およびろう材用アルミニウム合金を鋳造した。芯材用アルミニウム合金は、表1に示す合金(残部Alおよび不可避不純物)を用い、ろう材用アルミニウム合金には表1に示す合金(残部Alおよび不可避不純物)を用いた。芯材用の材料にはそれぞれ表2に示す条件にて均質化処理を行なった。なお、ろう材用の材料には450℃で1時間の均質化処理を行なった。
次に、芯材の一方の面にろう材を組み合わせて所定の条件にて熱間圧延してクラッド材とし、さらに冷間圧延を行った。その後、所定の圧延率とした冷間圧延により板厚を0.5mmとした後、最終焼鈍を400℃で3時間実施して、O調質のアルミニウム合金材(供試材)を作製した。この供試材の構成は、芯材の厚さ:ろう材の厚さ=90%:10%とした。また、この供試材において、ろう付け相当熱処理前の芯材の材料板厚を450μm、ろう材の材料板厚を50μmとした。
そして、各供試材(クラッド材)について、室温から400℃の到達時間が4分~9分、400℃~550℃の到達時間が1分~2分、550℃~目標温度までの到達時間が3分~5分となるような昇温速度で加熱し、600℃の目標温度で3分間保持し、その後、300℃まで約100℃/分で冷却した後、室温まで空冷を行なうろう付け相当熱処理を施し、ろう材の共晶Si粒子のサイズ、芯材の平均結晶粒径、平均結晶粒形状比、共晶ろうの面積を算出するとともに、耐食性試験を実行し、その結果を表2に示した。
[ろう材の共晶Si粒子のサイズ]
ろう材の共晶Si粒子の円相当径を走査型電子顕微鏡(FE-SEM)によって測定した。 測定方法は、ろう付熱処理前の各供試材に機械研磨およびクロスセクションポリッシャー(CP)加工により板材断面(圧延方向平行断面)を露出させた試料を作製し、FE-SEMにて10000~50000倍で写真撮影した。10視野について写真撮影し、画像解析によって共晶Si粒子の円相当径を計測した。
[芯材の平均結晶粒径及び界面の結晶粒界数]
570℃まで加熱して、冷却速度300℃/分で常温まで急冷した各供試材を用いて、圧延方向平行断面を樹脂埋め後、鏡面に研磨した後、エッチング液(例えば常温のケラー氏液の1~3分浸漬)で芯材の結晶粒を現出させ、各供試材の5箇所について光学顕微鏡を用いて200倍で写真撮影した。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、平均結晶粒径を算出した。また得られた全ての画像データより結晶粒界の数を算出し、芯材とろう材との界面における芯材の結晶粒界数を求めた。
[共晶ろうの面積率]
各供試材のろう付け熱処理後の残存ろう材の断面において、残存ろう材と芯材との界面から残存ろう材の厚さ方向の中心までの領域内の共晶ろうの面積率(面積占有率)を算出した。この面積率は、電子線マイクロアナライザー(EPMA)による断面組織の2値化処理より、ろう材1cm当たりの共晶ろう割合を測定し、算出した。
[定常部の耐食性の評価]
ろう付相当熱処理後の各供試材から30×50mmのサンプルを切り出し、ろう材層側について、Cl:195ppm、SO 2-:60ppm、Cu2+:1ppm、Fe3+:30ppmを含む水溶液中で80℃×8時間と室温×16時間との間のサイクルで浸漬試験を4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、最大腐食部の断面観察を実施して腐食深さを測定し、この結果を用いて内部耐食性を評価した。腐食深さが50μm以下であったものを良好「A」と評価し、50μmを超えて150μm以下であるのものを可「B」と評価し、150μmを超えているものを不可「C」と評価した。
[接合部の耐食性の評価]
ろう付相当熱処理後の各供試材を所定の板厚で切り出した後、カップ形状に成形した。成形された2組のカップに関して、互いのろう材側が接する形でろう付処理を実施して接合部を有する腐食試験用サンプルを用意した。これらサンプルの接合部以外をマスキングして接合部のみが暴露される形とし、Cl:195ppm、SO 2-:60ppm、Cu2+:1ppm、Fe3+:30ppmを含む水溶液中で80℃×8時間と室温×16時間との間のサイクルで浸漬試験を4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、断面観察を実施して接合部の腐食深さを測定した。接合部に形成されたフィレット再表面からの腐食深さがフィレット全長の1/3以下であったものを良好「A」と評価し、1/2以下のものを可「B」と評価し、1/2を超えているものを不可「C」と評価した。
以上説明した測定結果及び評価は、表2に示す通りである。
Figure 0007244271000001
Figure 0007244271000002
表1及び表2から明らかなように、Al-Si-Znろう材の組成(ろう材合金の組成)が、質量%で、Si:2.0%以上5.0%、Zn:0.2%以上7.0%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなり、ろう材を570℃まで加熱して急冷した芯材とろう材との界面に接する芯材の結晶粒界が3個/mm以下であり、ろう付け相当熱処理後におけるろう材における共晶Si粒子が円相当径で2.0μm以下であり、かつ、圧延方向平行断面において、共晶ろうが占める面積割合(共晶ろうの面積率)が10%以下であり、さらに残存ろうの厚さが45μm以上である実施例1~14は、耐食試験において定常部及び接合部のいずれにおいても「B」以上であった。
一方、比較例1及び2は、ろう材合金のSiが上記範囲外であり、比較例3及び4はろう材合金のZnが上記範囲外であることから定常部及び接合部のいずれかにおいて「C」であり、耐食性が低下した。特に比較例1では、Siが1.9と少なかったため、接合部における接合が不十分となった。また、比較例5~8では、共晶ろうの面積率が10%を超えていたため、定常部における耐食性が「C」となった。
1 熱交換器
2 上側プレート
3 下側プレート
4 プレート(熱交換機用アルミニウム合金クラッド材)
4a 芯材
4b ろう材(Al-Si-Znろう材)
41 液体流路
42 冷却水流路
5 プレート
6 冷却水流入パイプ
7 冷却水流出パイプ
8 インナーフィン
81 液体流路
82 冷却水流路

Claims (4)

  1. アルミニウム又はアルミニウム合金からなる芯材と、その片面又は両面に貼り合わされたAl-Si-Znろう材とからなる熱交換器用アルミニウム合金クラッド材であって、
    前記Al-Si-Znろう材は、質量%で、Si:2.0%以上5.0%以下、Zn:0.2%以上7.0%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなり、
    前記Al-Si-Znろう材を570℃まで加熱して急冷した前記芯材と前記Al-Si-Znろう材との界面に接する前記芯材の結晶粒界が3個/mm以下であり、
    ろう付け相当熱処理後における前記Al-Si-Znろう材における共晶Si粒子が円相当径で2.0μm以下であり、かつ、圧延方向平行断面において、前記Al-Si-Znろう材と前記芯材との界面から前記Al-Si-Znろう材の板厚中央部までの領域における共晶ろうが占める面積割合が10%以下であり、さらに残存ろうの厚さが45μm以上であることを特徴とする熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
  2. 前記Al-Si-Znろう材は、質量%で、Sr:0.01%以上0.10%以下、Bi:0.01%以上0.30%以下、Mn:0.1%以上1.0%以下、Fe:0.1%以上1.0%以下のうち、一種又は二種をさらに含有していることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器用アルミニウム合金クラッド材。
  3. 前記芯材は、Mnを0.1質量%以上2.0質量%以下含有し、質量%で、Si:0.1%以上1.2%以下、Cu:0.1%以上1.2%以下、Fe:0.1%以上1.0%以下のうち、一種又は二種をさらに含有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱交換機用アルミニウム合金クラッド材。
  4. 液体が流通する液体流路と、前記液体流路に隣接して配置され、前記液体を冷却する冷却水が流通する冷却水流路と、を備え、
    前記液体流路及び前記冷却水流路を区画するプレートは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる芯材と、その片面又は両面に貼り合わされたAl-Si-Znろう材とからなる熱交換器用アルミニウム合金クラッド材により構成され、
    前記熱交換器用アルミニウム合金クラッド材は、前記Al-Si-Znろう材が質量%で、Si:2.0%以上5.0%以下、Zn:0.2%以上7.0%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなり、前記Al-Si-Znろう材における共晶Si粒子が円相当径で2.0μm以下であり、
    圧延方向平行断面において、前記Al-Si-Znろう材と前記芯材との界面から前記Al-Si-Znろう材の板厚中央部までの領域における共晶ろうが占める面積割合が10%以下であり、さらに残存ろうの厚さが45μm以上であることを特徴とする熱交換器。
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