JP7590302B2 - アルミニウム合金クラッド材 - Google Patents
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Description
しかしながら、近年、熱交換器の使用条件は高温化する方向にあり、アルミニウム合金クラッド材やアルミニウム合金ブレージングシートについては、100℃以上の使用環境においても耐食性が良好であることが要求される。
[1] 対向する一対の主面を有する心材と、前記心材の少なくとも一方の主面上に設けられる犠牲陽極層とを備え、下記条件のアノード分極測定から求められる孔食電位について、前記心材の孔食電位が前記犠牲陽極層の孔食電位よりも貴であり、その電位差が50mV以上である、アルミニウム合金クラッド材。
(条件)
作用極:心材又は犠牲陽極層、対極:Pt、参照電極:Ag/AgCl/飽和KCl、電解液:Cl-を300ppm及びSO4 2-を100ppm含有する水溶液、温度:95℃、雰囲気:高純度窒素ガス、掃引速度:1mV/s
「2」 前記心材は、Siを0.05~0.6質量%、Mnを1.0~1.5質量%、及びCuを0.05~1.8質量%含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなり
前記犠牲陽極層は、Znを1.0~5.0質量%含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるAl-Zn合金の層である、前記[1]に記載のアルミニウム合金クラッド材。
本実施形態に係るアルミニウム合金クラッド材は、対向する一対の主面を有する心材と、心材の少なくとも一方の主面上に設けられる犠牲陽極層とを備える。心材の孔食電位は犠牲陽極層の孔食電位よりも貴であり、その電位差は50mV以上である。
アルミニウム合金クラッド材をろう付け相当熱処理後に適当な大きさに切出して試験片とし、犠牲陽極層を除いた心材の中央部又は犠牲陽極層の10mm×10mmの領域を除き、マスキングを行う。心材の中央部とは、心材の厚さ方向における中央部であり、犠牲陽極層及び心材表面部を5%NaOH水溶液にてエッチングし、溶解して露出させる。これを作用極として用い、下記条件により三極式でアノード分極測定を行う。アノード分極測定で得られた分極曲線において、電流密度が急激に増加した屈曲点の電位を、心材又は犠牲陽極層の孔食電位とする。
なお、下記条件における温度は95℃であり、想定する熱交換器の使用温度である100℃以上より低い。これは、アノード分極測定が圧力をかけられない開放系で行われるために、電解液が沸騰して液体状態を保てず、それ以上の温度とできないためである。しかしながら、温度が95℃であっても、後述する高温腐食試験の結果や、温度を60℃にした場合の孔食電位の結果を併せ鑑みれば、100℃以上の場合、少なくとも100~120℃の場合の耐食性の優劣と結びつけて判断するには十分な条件と言える。
(条件)
作用極:心材又は犠牲陽極層
対極:Pt
参照電極:Ag/AgCl/飽和KCl
電解液:Cl-を300ppm及びSO4 2-を100ppm含有する水溶液
温度:95℃
雰囲気:高純度窒素ガス
掃引速度:1mV/秒
なお、前処理として、作用極を5%NaOH水溶液に30秒浸漬し、水洗後、30%HNO3水溶液に60秒浸漬し、水洗したものを用いる。その上で、自然電位を20分測定した後に、アノード分極測定を実施する。また、高純度窒素ガス雰囲気で測定を行うが、高純度窒素ガスを吹き込んだ状態で測定を行う。
アルミニウム合金クラッド材を適当な大きさに切出して試験片とし、高温伝熱面腐食試験機を用いて、120℃の水溶液中で6時間又は24時間の腐食試験を行う。水溶液は、Cu2+を10ppm、Cl-を300ppm及びSO4 2-を100ppm含む。試験後の試験片を水洗、次いで硝酸で洗浄する。焦点深度法にて最大腐食深さ相当部を選定し、腐食部を樹脂で埋込、研磨し、光学顕微鏡で断面形状を観察し、その断面写真における犠牲陽極層表面と腐食最深部との距離から、最大腐食深さを計測する。
以下に各々の詳細について説明する。
Si:0.05~0.6質量%
Siは、母相への固溶や、Mnと共にAl-Mn-Si系の金属間化合物を形成することで、アルミニウム合金クラッド材にろう材を設けてアルミニウム合金ブレージングシートとした際のろう付後の強度を向上させる成分である。かかる強度向上の観点から、Siの含有量は0.05質量%以上が好ましく、0.1質量%以上がより好ましく、0.15質量%以上がさらに好ましい。また、固相線温度が低下して、ろう付時に溶融するのを防ぐ観点から、Siの含有量は0.6質量%以下が好ましく、0.5質量%以下がより好ましく、0.4質量%以下がさらに好ましい。
Mnは、母相への固溶や、Siと共にAl-Mn-Si系の金属間化合物を形成することで、アルミニウム合金クラッド材にろう材を設けてアルミニウム合金ブレージングシートとした際のろう付後の強度を向上させる成分である。かかる強度向上の観点から、Mnの含有量は1.0質量%以上が好ましく、1.1質量%以上がより好ましく、1.2質量%以上がさらに好ましい。また、金属間化合物が粗大に析出して圧延性が低下し、製造が困難となるのを防ぐ観点から、Mnの含有量は1.5質量%以下が好ましく、1.4質量%以下がより好ましく、1.3質量%以下がさらに好ましい。
Cuは、心材の孔食電位を貴化させ、犠牲陽極層の孔食電位との電位差を大きくすることで耐食性向上に寄与する成分である。かかる電位差を得る観点から、0.05質量%以上が好ましく、0.3質量%以上がより好ましく、0.5質量%以上がさらに好ましい。また、アルミニウム合金クラッド材にろう材を設けてアルミニウム合金ブレージングシートとした際のろう付時に、成分が表面へ拡散して耐食性が低下するのを抑制する観点や、固相線温度が低下して、ろう付時に溶融するのを防ぐ観点から、Cuの含有量は1.8質量%以下が好ましく、1.5質量%以下がより好ましく、1.2質量%以下がさらに好ましい。
Tiは、アルミニウム合金中に層状に分布することによって、アルミニウム合金ブレージングシートやアルミニウム合金クラッド材の電位分布を、Ti含有量の濃淡に対応した分布とできる成分である。そのため、腐食形態が層状化し、深さ方向への腐食の進行速度を低減し、耐食性の向上に寄与できる。そのため、Tiを含有する場合には、Tiの含有量は0.01質量%以上が好ましく、0.03質量%以上がより好ましく、0.05質量%以上がさらに好ましい。また、鋳造時に粗大なAl3Ti金属間化合物を形成し易く、加工性が低下して、チューブ成型時に割れが発生するのを抑制する観点から、Tiの含有量は0.3質量%以下が好ましく、0.2質量%以下がより好ましく、0.15質量%以下がさらに好ましい。
Crは、AlとAl3Cr分散粒子を形成して分散強化することで、アルミニウム合金ブレージングシートとした際のろう付後の強度向上と、結晶粒微細化による耐食性向上に寄与する成分である。そのため、Crを含有する場合には、Crの含有量は0.01質量%以上が好ましく、0.03質量%以上がより好ましく、0.05質量%以上がさらに好ましい。また、粗大なAl3Cr金属間化合物を形成しやすく、延性を低下させるのを抑制する観点から、Crの含有量は0.3質量%以下が好ましく、0.2質量%以下がより好ましく、0.15質量%以下がさらに好ましい。
Zrは、AlとAl3Zr分散粒子を形成して分散強化することで、アルミニウム合金ブレージングシートとした際のろう付後の強度向上と、結晶粒微細化による耐食性向上に寄与する成分である。そのため、Zrを含有する場合には、Zrの含有量は0.01質量%以上が好ましく、0.03質量%以上がより好ましく、0.05質量%以上がさらに好ましい。また、鋳造時に粗大なAl3Zr金属間化合物を形成やすく、加工性が低下して、チューブ成型時に割れが発生するのを抑制する観点から、Zrの含有量は0.3質量%以下が好ましく、0.2質量%以下がより好ましく、0.15質量%以下がさらに好ましい。
Feは、固溶強化作用により強度を向上させる成分である。そのため、Feを含有する場合には、Feの含有量は0.01質量%以上が好ましく、0.03質量%以上がより好ましく、0.05質量%以上がさらに好ましい。また、耐食性が低下するのを抑制する観点から、Feの含有量は0.15質量%以下が好ましく、0.1質量%以下がより好ましく、0.08質量%以下がさらに好ましい。
本実施形態における心材の残部はAl及び不可避的不純物である。不可避的不純物は、原料の溶解時に不可避的に混入する不純物であり、例えば、V、Ni、Ca、Na、Sr、Li、Mo、Zn、Sn、In等が挙げられる。これらは、本発明の効果を妨げない範囲で1種又は2種以上含有されていてもよい。上記に例示したV、Ni、Ca、Na、Sr、Li、Mo、Zn、Sn、Inの含有量は、それぞれ0.05質量%以下が好ましい。また、これらの合計の含有量は0.2質量%以下が好ましい。
また、上記不可避的不純物の成分は、不可避的に混入する不純物として含有される場合だけではなく、積極的に添加されてもよい。一方、上記Ti、Cr、Zr、Feも積極的に添加される場合だけでなく、不可避的不純物として含有されていてもよい。
Ti、Cr、Zr及びFeの合計の含有量は、0.4質量%以下が好ましい。
Zn:1.0~5.0質量%
Znは、母材の電位を卑にし、心材に対して犠牲防食効果を高めることで、孔食や隙間腐食を防止する成分である。かかる腐食を防止する観点から、Znの含有量は1.0質量%以上が好ましく、1.5質量%以上がより好ましく、2.0質量%以上がさらに好ましい。また、犠牲陽極層の自己腐食性が過剰となって、アルミニウム合金クラッド材全体の防食寿命が低下するのを防ぐ観点から、Znの含有量は5.0質量%以下が好ましく、4.5質量%以下がより好ましく、4.0質量%以下がさらに好ましい。
本実施形態における犠牲陽極層の残部はAl及び不可避的不純物である。不可避的不純物は、原料の溶解時に不可避的に混入する不純物であり、例えば、Si、Mn、Ti、Cr、Zr、V、Ni、Ca、Na、Sr、Li、Mo、Sn、In等が挙げられる。これらは、本発明の効果を妨げない範囲で1種又は2種以上含有されていてもよい。上記に例示したSi、Mn、Ti、Cr、Zr、V、Ni、Ca、Na、Sr、Li、Mo、Zn、Sn、Inの含有量は、それぞれ0.05質量%以下が好ましい。また、これらの合計の含有量は0.2質量%以下が好ましい。
また、上記不可避的不純物の成分は、不可避的に混入する不純物として含有される場合だけではなく、積極的に添加されてもよい。一方、上記Znも積極的に添加される場合だけでなく、不可避的不純物として含有されていてもよい。
本実施形態に係るアルミニウム合金クラッド材の厚さは特に限定されないが、例えば自動車用熱交換器の部材に適用することを考慮すると、成形性の観点から、厚さは0.5mm以下が好ましく、0.45mm以下がより好ましく、0.4mm以下がさらに好ましい。また、強度および耐食性の観点から、厚さは0.2mm以上が好ましく、0.25mm以上がより好ましく、0.3mm以上がさらに好ましい。
なお、アルミニウム合金クラッド材の厚さとは、心材と犠牲陽極層の合計の厚さである。
本実施形態に係るアルミニウム合金クラッド材は、上記心材と犠牲陽極層とを備えるが、心材の犠牲陽極層を備える側とは反対側の主面上にろう材を備えて、アルミニウム合金ブレージングシートとできる。また、心材とろう材との間や心材と犠牲陽極層との間には、さらに中間層を備えていてもよい。
例えばAl-Si系合金の場合、一般的なJIS合金、例えば、JIS Z 3263:2002に規定されている4343、4045等が挙げられる。Al-Si系合金としては、例えば、Siを好ましくは5~15質量%、より好ましくは7~13質量%含有したものが挙げられるが、Si含有量はこの範囲に限られるものではない。
Al、Si、Zn以外のその他の成分としては、Mg、Bi、Cu、Mn、Ti、Ca、Be、Sr、Na、Sb、希土類元素、Li等が挙げられる。これらは、積極的に添加しても、不可避的不純物として含まれていてもよい。
なお、アルミニウム合金ブレージングシートの厚さとは、心材と犠牲陽極層に加えて、ろう材と中間層も足したの合計の厚さである。
本実施形態に係るアルミニウム合金クラッド材の製造方法は特に限定されず、例えば公知の製造方法により製造できる。以下にその一例を説明する。
まず、心材、犠牲陽極層のそれぞれの成分組成のアルミニウム合金を、溶解、鋳造し、さらに必要に応じて鋳塊の表面平滑化処理である面削や均質化処理を行い、それぞれの鋳塊を得る。犠牲陽極層の鋳塊については、所定厚さまで熱間圧延もしくは機械的にスライスを施し、心材の鋳塊と組み合わせて、常法にしたがって、熱間圧延によりアルミニウム合金クラッド材が得られる。
ここで用いる心材及び犠牲陽極層の好ましい態様は、それぞれ上記<アルミニウムクラッド材>に記載の心材及び犠牲陽極層と同様である。
その後、クラッド材に対して、冷間圧延、必要に応じて中間焼鈍、さらに、最終冷間圧延を施し、必要に応じて最終焼鈍を施すことで、アルミニウム合金ブレージングシートが得られる。
最終焼鈍を実施する場合には、中間焼鈍を省略することが可能である。また、調質は、H1n、H2n、H3n(JIS H 0001:1998)のいずれでもよい。
表1に記載の成分組成のアルミニウム合金を鋳造し、心材は500~600℃で3~5時間、犠牲陽極層は450~550℃で3~5時間の均質化処理を行った。次いで、表2に記載の組み合わせで450~550℃で30分ほど合わせ均熱を施し、熱間圧延をし、冷間圧延を行った。次に、300~400℃で3~5時間の中間焼鈍を行い、最後に、全体の厚さが0.3mmとなるように最終冷間圧延を行ってアルミニウム合金クラッド材を得た。また、犠牲陽極層の厚さは断面観察により測定した。結果を表1に示す。
得られた厚さ0.3mmのアルミニウム合金クラッド材を必要に応じた大きさに切断し、窒素雰囲気下、590℃以上で3分間以上保持することで、ろう付に相当する加熱処理を行ったものを供試材として評価に供した。
供試材を70mm×70mmの大きさに切出し、高温伝熱面腐食試験機(ASTM D-4340-1984に対応)を使用して、120℃の水溶液中で6時間又は24時間の腐食試験を行った。水溶液は、Cu2+を10ppm、Cl-を300ppm及びSO4 2-を100ppm含む。試験後の試験片を水洗、次いで硝酸で洗浄し、光学顕微鏡(オリンパス社製、PMG3)を用いて、腐食断面から最大腐食深さを計測した。結果を表2に示す。
供試材を20mm×20mmの大きさに切出して試験片とし、犠牲陽極層を除いた心材の中央部又は犠牲陽極層の10mm×10mmの領域を除き、テフロン(登録商標)テープ及びシリコンでマスキングを行った。これを作用極として用い、下記条件により三極式でアノード分極測定を行った。アノード分極測定で得られた分極曲線において、電流密度が急激に増加した屈曲点の電位を、心材又は犠牲陽極層の孔食電位とした。
(条件)
作用極:心材又は犠牲陽極層
対極:Pt
参照電極:Ag/AgCl/飽和KCl
電解液:Cl-を300ppm及びSO4 2-を100ppm含有する水溶液
温度:95℃
雰囲気:高純度窒素ガス
掃引速度:1mV/秒
なお、前処理として、作用極を5%NaOH水溶液に30秒浸漬し、水洗後、30%HNO3水溶液に60秒浸漬し、水洗したものを用いた。その上で、自然電位を20分測定した後に、アノード分極測定を実施した。また、高純度窒素ガス雰囲気での測定は、高純度窒素ガスを吹き込んだ状態で行った。
得られた心材の孔食電位はいずれも犠牲陽極層の孔食電位よりも貴であった。それらの電位差を表2に示す。
参考例1として、比較例1のアルミニウム合金クラッド材の供試材について、水溶液の温度を50℃とした以外は上記(評価:高温腐食試験)と同様にして腐食試験を行った。
また、比較例1のアルミニウム合金クラッド材の供試材について、水溶液の温度を60℃とした以外は上記(評価:アノード分極測定)と同様にして、心材の孔食電位及び犠牲陽極層の孔食電位を求めた。心材の孔食電位は犠牲陽極層の孔食電位よりも貴であり、電位差を表2に示す。
なお、比較例1のアルミニウム合金クラッド材は、参考例1として示されるように、60℃においては、95℃で試験した実施例と同程度の電位差を示し、50℃において非常に良好な耐食性を示すにも関わらず、120℃と高温になると耐食性が悪くなったことから、従来良好な耐食性を示すものが、そのまま100℃以上の高温環境下でも同様に良好な耐食性を示すわけではないことが明らかとなった。
Claims (2)
- 対向する一対の主面を有する心材と、前記心材の少なくとも一方の主面上に設けられる犠牲陽極層とを備えるアルミニウム合金クラッド材であって、
前記心材は、Siを0.05~0.6質量%、Mnを1.0~1.5質量%、及びCuを0.05~1.8質量%含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなり、
前記犠牲陽極層は、Znを1.0~5.0質量%含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるAl-Zn合金の層であり、
前記アルミニウム合金クラッド材の厚さは0.25mm以上であり、
前記犠牲陽極層のクラッド率は10~22%であり、
下記条件のアノード分極測定から求められる孔食電位について、前記心材の孔食電位が前記犠牲陽極層の孔食電位よりも貴であり、その電位差が50mV以上であり、
使用条件が100℃以上となる環境下で用いられる、アルミニウム合金クラッド材。
(条件)
作用極:心材又は犠牲陽極層
対極:Pt
参照電極:Ag/AgCl/飽和KCl
電解液:Cl-を300ppm及びSO4 2-を100ppm含有する水溶液
温度:95℃
雰囲気:高純度窒素ガス
掃引速度:1mV/秒 - 前記心材は、Siを0.05~0.4質量%、Mnを1.1~1.5質量%、及びCuを0.05~1.8質量%含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなり
前記犠牲陽極層は、Znを2.0~4.7質量%含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなるAl-Zn合金の層である、請求項1に記載のアルミニウム合金クラッド材。
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