JPH06228694A

JPH06228694A - 熱交換器用高強度高耐食性アルミニウム合金複合材

Info

Publication number: JPH06228694A
Application number: JP4221393A
Authority: JP
Inventors: Yoji Hirano; 洋二平野; Hiroaki Takeuchi; 宏明竹内; Motoyoshi Yamaguchi; 元由山口
Original assignee: Furukawa Aluminum Co Ltd
Current assignee: Furukawa Aluminum Co Ltd
Priority date: 1993-02-04
Filing date: 1993-02-04
Publication date: 1994-08-16

Abstract

(57)【要約】【目的】強度、ろう付性、耐食性がバランスよく維持
向上された熱交換器用高強度高耐食性アルミニウム合金
複合材を提供する。【構成】芯材の片面にＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材を、
他の面に犠牲陽極材をクラッドしたアルミニウム合金複
合材において、犠牲陽極材がＭｇ０．５〜４．０％（重
量％、以下同じ）、Ｓｉ０．０５％以上０．２％未満を
含有し、さらに必要に応じて０．１〜１．５％のＭｎ、
各々０．００５〜１．０％のＴｉ、Ｇａ、および０．０
１〜１．０％のＮｉのうち１種または２種以上を含有
し、残部Ａｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金
で構成されることを特徴とする熱交換器用高強度高耐食
性アルミニウム合金複合材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車の熱交換器等に用
いられるアルミニウム合金複合材に関するものであり、
更に詳しくは熱交換器の冷媒通路を形成するパイプ等の
材料として用いられるアルミニウム合金複合材に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来Ａｌ製熱交換器、例えばラジエータ
ー、ヒーターコア等はフッ化物系の非腐食性フラックス
を使用したフラックスろう付けで製造されている。ラジ
エーターは図１（イ）（ロ）に示すように、冷媒を通す
チューブ（１）間にフィン（２）を配置し、チューブ
（１）の両端にヘッダープレート（３）を取付けてコア
（４）を組立て、ろう付け後にヘッダープレート（３）
にパッキング（６）を介して樹脂タンク（５）（５’）
を取付けたもので、フィンにはＪＩＳ３００３合金にＺ
ｎを１．５wt％（以下wt％を％と略記）程度添加した厚
さ０．１ｍｍ前後の板を用い、チューブにはＪＩＳ３０
０３合金からなる芯材の外側（大気側）にＪＩＳ４３４
３合金ろう材をクラッドし、内側（冷媒側）にＪＩＳ７
０７２合金を犠牲材としてクラッドした厚さ０．３〜
０．４ｍｍのブレージングシート（内外層のクラッド率
は５〜１０％）を用い、ヘッダープレートには厚さ１．
０〜１．３ｍｍのチューブと同様のブレージングシート
を用いている。

【０００３】このようなラジエーターにおいて、冷媒側
の孔食発生を防止するため、次のような対策がとられて
いる。即ちチューブ材の板厚が０．３〜０．４ｍｍと薄
く、ＪＩＳ３００３合金だけではＡｌ合金特有の孔食が
発生し、早期に液漏れを起こす場合があるため、図２
（イ）に示すように、ＪＩＳ３００３合金からなる芯材
の内側（冷媒側）に、これより電位の卑なＪＩＳ７０７
２合金（Ａｌ−Ｚｎ系合金）を犠牲材としてクラッドし
ている。

【０００４】ＪＩＳ７０７２合金からなる犠牲材とＪＩ
Ｓ３００３合金からなる芯材は、上記ろう付け加熱時に
６００℃程度の雰囲気にさらされ、これによってＪＩＳ
７０７２合金からなる犠牲材中のＺｎは図２（ロ）に示
すようにＪＩＳ３００３合金から芯材中に拡散し、表面
Ｚｎ濃度０．４〜０．８％、拡散深さ３０〜１５０μｍ
のＺｎ拡散パターンを示す。このＺｎ拡散層の優先腐食
により、冷媒側から発生する孔食は深く成長せず、浅く
広い腐食形態をとり、長期の耐孔食性を示すようにな
る。

【０００５】Ａｌ−Ｚｎ合金自体浅く広い腐食形態（面
食）をとる特徴があり、更に芯材とＡｌ−Ｚｎ合金犠牲
材との電位差により、芯材が暴露した後も犠牲材層が優
先的に腐食され、芯材の腐食を防止する。また芯材中に
拡散したＺｎにより、芯材表面も面食を起こし、孔食発
生を抑制する。このような犠牲材としては、Ａｌ−Ｚｎ
合金の他にＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｎ−Ｚｎ、Ａｌ
−Ｍｎ−Ｚｎ−Ｍｇ合金等がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記ラジエーターのチ
ューブ材のＺｎ拡散パターンは、ろう付け条件の変動に
より表面Ｚｎ濃度が低下し、拡散深さが深くなる場合が
あり、そのため、芯材との電位差が十分に確保できず、
耐孔食性が著しく低下する。またチューブ材の板厚が更
に薄くなると、従来と同様のろう付け加熱を行った場
合、上記のように過度の加熱によりＺｎ拡散が進むだけ
でなく、チューブ材板厚に占めるＺｎ拡散層の比率が大
となり、腐食による板厚の減少が耐食性ばかりでなく、
構造強度に大きな影響を及ぼすことになる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、特に薄肉のラ
ジエーターチューブ材として用いるアルミニウム合金複
合材において、ろう付後に高強度、高耐食性を有するア
ルミニウム合金複合材を開発したものであり、請求項１
記載の発明は、芯材の片面にＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材
を、他の面に犠牲陽極材をクラッドしたアルミニウム合
金複合材において、犠牲陽極材がＭｇ０．５〜４．０％
（重量％、以下同じ）、Ｓｉ０．０５％以上０．２％未
満を含有し、さらに必要に応じて０．１〜１．５％のＭ
ｎ、各々０．００５〜１．０％のＴｉ、Ｇａ、および
０．０１〜１．０％のＮｉのうち１種または２種以上を
含有し、残部Ａｌと不可避不純物からなるアルミニウム
合金で構成されることを特徴とする熱交換器用高強度高
耐食性アルミニウム合金複合材である。

【０００８】又、請求項２記載の発明は、芯材の片面に
Ａｌ−Ｓｉ系合金のろう材を、他の面に犠牲陽極材をク
ラッドしたアルミニウム合金複合材において、犠牲陽極
材がＭｇ０．５〜４．０％、Ｓｉ０．０５％以上０．２
％未満を含有し、さらに必要に応じて０．１〜１．５％
のＭｎ、各々０．００５〜１．０％のＴｉ、Ｇａ、およ
び０．０１〜１．０％のＮｉのうち１種または２種以上
を含有し、残部Ａｌと不可避不純物からなるアルミニウ
ム合金で構成され、芯材がＳｉ０．２〜１．５％、Ｃｕ
０．１〜１．０％、Ｍｎ０．１〜２．０％、Ｍｇ０．３
％以下を含有し、さらに必要に応じて各々０．０１〜
０．５％のＣｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、および０．０１〜２．０
％のＮｉのうち１種または２種以上を含有し、残部Ａｌ
と不可避不純物とからなるＡｌ合金で構成されることを
特徴とする熱交換器用高強度高耐食性アルミニウム合金
複合材である。

【０００９】

【作用】本発明は、犠牲陽極材にＭｇ、Ｓｉを必須添加
することにより、耐食性の向上を図り、かつ犠牲材にて
複合材（クラッド）の強度を維持向上させるのである。
芯材へのＳｉ、Ｃｕ、Ｍｎ添加は材料強度に寄与し、ま
たＭｇ添加量を少量とすることにより、芯材中の粒界腐
食は抑制され、かつろう付性低下が防止されることか
ら、強度、ろう付性、耐食性のバランスを維持し、各々
の特性を向上させたアルミニウム合金複合材を提供する
ものである。

【００１０】以下、犠牲材、芯材に各々における添加元
素の添加理由と添加量の限定理由について述べる。犠牲
材において、ＭｇはＺｎより腐食進行を抑制し、耐食性
を向上させる効果がある。またＭｇ添加により犠牲材自
身の強度が向上し、ろう付加熱による芯材への拡散も伴
って芯材強度も向上することから、複合材としての強度
向上に大きく寄与するのである。Ｍｇ添加量を０．５〜
４．０％と限定したのは、０．５％未満では上記効果が
得られなく、４．０％を超えるとクラッド製造や圧延性
に問題が生じ、犠牲材のクラッド率、および高温でのろ
う付加熱条件によっては溶融の恐れが出てくるからであ
る。Ｓｉは、犠牲材自身の強度を向上させ、複合材とし
ての強度向上に寄与する。Ｓｉ添加量を０．０５％以上
０．２％未満と限定したのは、０．０５％未満では上記
の効果が得られなく、０．２％以上ではＡｌとの化合物
として晶出し、犠牲材を芯材に比べて電気的に卑にする
ことを妨げるとともに犠牲材自身の耐蝕性も低下させる
からである。本発明では、Ｍｇ、Ｓｉを本規定範囲内で
犠牲材中に複合同時添加した場合に所望の効果、すなわ
ち陰極防食効果、耐孔食性および強度の向上効果が得ら
れるのである。

【００１１】Ｍｎは強度を向上させるが、０．１％未満
では効果がなく、１．５％を超えると塑性加工性が低下
する。Ｔｉは耐孔食性を向上させ、Ｇａは陰極防食効果
があるが、０．００５％未満では効果がなく、１．０％
を超えるとＴｉにおいては加工性が低下し、Ｇａにおい
ては電位が卑となり過ぎて、孔食の防止は出来ても犠牲
陽極層の腐食量が多くなって、多量に発生する腐食生成
物が伝熱管を詰まらせる原因となったりするなどの問題
が生じる。ＮｉはＺｎより、水素過電圧の低い元素であ
ることから、沸騰水処理、あるいは加圧蒸気処理の際、
粒界腐食を防止する効果がある。０．０１％未満では効
果がなく、１．０％を超えると逆に耐食性、耐酸性が劣
化する。よって、Ｍｎについては０．１〜１．５％、Ｔ
ｉ、Ｇａについては各々０．００５〜１．０％、Ｎｉに
ついては０．０１〜１．０％と限定しているのである。

【００１２】芯材において、Ｓｉはろう付後マトリック
ス中に固溶し、強度向上に効果がある。添加量を０．２
〜１．５％としたのは、０．２％未満では効果がなく、
１．５％を超えると単体Ｓｉが多くなり塑性加工性が低
下し、さらにはＭｇ₂Ｓｉの粒界析出による粒界腐食を
引き起こす恐れがあるからである。Ｃｕは強度と耐食性
向上に効果がある。添加量を０．１〜１．０％としたの
は、０．１％未満では効果がなく、１．０％を超えると
塑性加工性が悪くなるだけでなく、犠牲層側にＣｕが多
量に拡散するために、犠牲層の犠牲陽極効果が低下し、
クラッド材としての耐食性が劣化するためである。Ｍｎ
は強度と耐食性を向上させるために添加するもので、添
加量を０．１〜２．０％と限定したのは、０．１％未満
では効果がなく、２．０％を超えると塑性加工性が低下
するためである。Ｍｇはろう付後の強度向上に効果があ
るが、０．３％を超えて添加すると、ろう材側に拡散し
てフラックスのＦと反応し、ろう付性を低下させたり、
あるいはＳｉと反応してＭｇ₂Ｓｉの粒界析出による粒
界腐食を引き起こす恐れがある。したがって、Ｍｇは
０．３％以下とする。

【００１３】Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒはいずれも強度向上に、
特にＴｉは耐食性向上に効果があるが、各々０．０１％
未満では効果がなく、０．５％を超えると巨大な化合物
を形成して塑性加工性を低下させる。Ｎｉは強度向上に
効果があり、０．０１〜２．０％と限定したのは、０．
０１％未満では効果がなく、２．０％を超えると塑性加
工性が低下するためである。Ｆｅは３００３合金の不純
物程度の添加は良いが、少ないほど耐食性は良好とな
る。

【００１４】請求項１の発明で規定したアルミニウム合
金複合材（クラッド）における芯材合金としては、犠牲
材より電位の貴な合金であればいかなる合金も使用出来
る。例えば、一般的にブレージングシートの芯材として
使用されているＪＩＳ３００３合金、Ａｌ−０．５％Ｃ
ｕ−１．１％Ｍｎ合金、Ａｌ−０．５％Ｃｕ−０．８％
Ｍｎ−０．１５％Ｔｉ合金等も使用できる。特に、ＪＩ
Ｓ６９５１（Ａｌ−０．３５％Ｓｉ−０．３％Ｃｕ−
０．６Ｍｇ）合金、Ａｌ−０．５％Ｃｕ−１．１％Ｍｎ
−０．３％Ｍｇ−０．７％Ｓｉ合金等のＭｇを含む粒界
腐食し易い合金に有効である。

【００１５】本発明アルミニウム合金複合材は、チュー
ブ材として使用するが、ラジエーターのヘッダー材にも
使用でき、その他本発明の目的と同様であればいかなる
部材としても使用できる。また、ろう付方法は規定する
ものではなく、フラックスろう付法、真空ろう付法、そ
の他のろう付法でろう付する熱交換器用材料としても使
用できる。

【００１６】ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系のＪＩＳ４
３４３（Ａｌ−７．５％Ｓｉ）合金、ＪＩＳ４０４５
（Ａｌ−１０％Ｓｉ）合金、ＪＩＳ４０４７（Ａｌ−１
２％Ｓｉ）合金、およびＪＩＳ４００４（Ａｌ−１０％
Ｓｉ−１．５％Ｍｇ）合金、Ａｌ−１０％Ｓｉ−１．５
％Ｍｇ−０．１％Ｂｉ合金等や、その他ろう材にろう付
性改善や耐食性改善の目的で微量の他の元素を添加して
も差し支えない。

【００１７】実施例１表１、２に示す犠牲陽極材１９種および従来例としての
犠牲材合金ＪＩＳ７０７２を金型鋳造により鋳造して各
々両面面削した後、そのままあるいは熱間圧延により５
〜２５ｍｍ厚（クラッド率１０〜５０％）とした。ろう
材はＪＩＳ４３４３合金を用い、犠牲材同様金型鋳造
し、面削後、熱間圧延により５ｍｍ厚（クラッド率１０
％）とした。芯材は３００３合金を用い、同様に金型鋳
造し、面削後、４０〜２０ｍｍとした。ろう材、芯材、
犠牲材の３枚をこの順に重ね合わせ、全板厚５０ｍｍと
した状態で４５０℃にて熱間圧延により３層の複合材と
した。その後冷間圧延により０．４２ｍｍ厚とし、３３
０℃×２時間の中間焼鈍を入れて最終的には０．３０ｍ
ｍ厚にまで冷間圧延し、Ｈ１４材の試料とした。

【００１８】これらの試料について、強度、ろう付性、
耐食性を以下の方法で測定した。強度は、５ｗｔ％にな
るように懸濁したフッ化物系フラックスをろう材側に塗
布し大気中２００℃で乾燥した複合材を、Ｎ₂ガス中で
６００℃×４分のろう付加熱を行い、室温にて５日間放
置した後、引張強さを測定した。耐食性は、同様な工程
でろう付加熱した複合材の犠牲材側表面の一定面積のみ
を露出させ、他の面をテフロンテープでシールし、この
試料を、水道水に１５ppm Ｃｕ⁺⁺を加えた腐食液中に８
８℃で８時間浸漬した後、室温で１６時間放置するサイ
クル試験を４ケ月間行った。このサイクル試験を行った
後の複合材は、腐食生成物を除去した後、光学顕微鏡を
用いて焦点深度法により犠牲材側からの最大孔食深さを
測定した。ろう付性は、０．１ｍｍ厚の３００３合金フ
ィン材をコルゲート加工したものと複合材とを図３に示
すような組合せコアとし、これを５ｗｔ％になるように
懸濁したフッ化物系フラックス水溶液中に浸漬し、大気
中２００℃で乾燥後、Ｎ₂ガス中で６００℃×４分のろ
う付加熱を行い、フィンの接合率を測定した。接合率９
０％以上であればろう付性良好（○）、９０％未満であ
れば不良（×）と評価した。また、上記加熱後の試料の
犠牲材および芯材の電位を測定した。測定条件は２５℃
の５％ＮａＣｌ中で飽和カロメル電極を参照極とした。
芯材の電位は−７１０ｍＶであり、犠牲材はそれより卑
であった。結果を芯材と犠牲材との電位差を併記して表
１及び表２に示した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】表１及び表２より明らかなように、本発明
合金Ｎｏ．１〜１４は孔食深さが０．０８ｍｍ以下であ
り従来合金Ｎｏ．２０に比べ耐食性に優れている。また
引張強さも従来合金Ｎｏ．２０より高く、特に本発明合
金Ｎｏ．７、８、１３、１４は、１６kgf/mm²以上と高
強度を維持している。本発明合金Ｎｏ．１〜１４はろう
付性も従来材同等レベルを維持している。これに対し、
本発明例の範囲を外れる比較合金Ｎｏ．１５〜１９は、
従来合金Ｎｏ．２０に比べ耐食性、強度、ろう付性のい
ずれかが劣っている。したがって、本発明の特許請求項
１によるアルミニウム合金複合材は、従来材に比べ強
度、ろう付性、耐食性のバランスを維持しながら、各々
の特性を飛躍的に向上させることができるのである。

【００２２】実施例２表３及び表４に犠牲陽極材の合金１９種、従来例として
の犠牲材合金ＪＩＳ７０７２、芯材の合金２０種の成分
を示す。これら合金を金型鋳造により鋳造して各々両面
面削した後、犠牲材は５ｍｍ厚（クラッド率１０％）、
芯材は４０ｍｍに仕上げた。ろう材はＪＩＳ４３４３合
金を用い、犠牲材同様金型鋳造し、面削後、熱間圧延に
より５ｍｍ厚（クラッド率１０％）とした。ろう材、芯
材、犠牲材の３枚をこの順に重ね合わせ、全板厚５０ｍ
ｍとした状態で４５０℃にて熱間圧延により３層の複合
材とした。その後冷間圧延により０．４２ｍｍ厚とし、
３３０℃×２時間の中間焼鈍を入れて最終的には０．３
０ｍｍ厚にまで冷間圧延し、Ｈ１４材の試料とした。こ
れらの試料について、強度、ろう付性、耐食性を、実施
例１の場合と同じ方法で測定した。結果を表５に示し
た。

【００２３】

【表３】

【００２４】

【表４】

【００２５】

【表５】

【００２６】表３〜５より明らかなように、本発明例試
料Ｎｏ．２１〜３４は孔食深さが０．０８ｍｍ以下であ
り従来例試料Ｎｏ．４０に比べ耐食性に優れている。ま
た引張強さも従来例Ｎｏ．４０より高く、特に本発明例
試料Ｎｏ．２４〜２８、３２〜３４は、１６kgf/mm²以
上と高強度を維持している。本発明例試料Ｎｏ．２１〜
３４はろう付性も従来材同等レベルを維持している。こ
れに対し、本発明例の範囲を外れる比較例試料Ｎｏ．３
５〜３９は、従来例試料Ｎｏ．４０に比べろう付性、強
度、耐食性のいずれかが劣る。また、本発明合金と比較
しても、孔食深さが０．２３ｍｍ以上であり、耐食性は
劣っている。したがって、請求項２の発明によるアルミ
ニウム合金複合材は、従来材に比べ強度、ろう付性、耐
食性のバランスを維持しながら、各々の特性を飛躍的に
向上させることができるのである。

【００２７】実施例３実施例１の発明例合金Ｎｏ．１１と従来例合金Ｎｏ．２
０の板厚０．３ｍｍ、調質Ｈ１４の材料を用い、ろう材
が外面になるように、一般的な電縫管設備により厚さ
２．２ｍｍ×幅１６ｍｍのチューブ材を製造した。そし
て３００３を芯材とし片面に７０７２、片面に４０４５
ろう材を各々１０％クラッドした厚さ１．２ｍｍのブレ
ージングシートをヘッダー材とし、厚さ０．１ｍｍのＡ
ｌ−１％Ｍｎ−１．５％Ｚｎ合金をコルゲート加工した
フィン材とを組み合わせて図１に示す構造のラジエータ
ーを組み立てた。

【００２８】この組立物を有機溶剤により脱脂し、ＫＡ
ＩＦ₄を主体とする弗化物系フラックスの５％懸濁液を
塗布し、２００℃で乾燥後、露点−４０℃、酸素濃度１
００ｐｐｍの窒素ガスで置換された６００℃の雰囲気炉
に挿入し３分間保持し、炉外に取り出し１００℃／ｍｉ
ｎの速度で冷却した。そしてヘッダーにプラスチック製
のタンクを取りつけラジエーターを製造した。何れのチ
ューブ材もろう付性は良好であった。これらラジエータ
ー内部に、温度９０℃の水道水＋２０ｐｐｍＣｕ⁺⁺の腐
食液を循環させ耐食寿命を評価した。結果を表６に示し
た。

【００２９】

【表６】

【００３０】表６より明らかなように、従来例合金Ｎ
ｏ．２０の材料を用いたラジエーターは３０００時間で
チューブ部に貫通孔食が発生したのに対し、本発明例合
金Ｎｏ．１１の材料を用いたラジエーターは５７００時
間でチューブ部に貫通孔食が発生した。このように本発
明例のブレージングシートをチューブ材として使用した
ラジエーターの寿命は、従来例のチューブ材を使用した
ラジエーターに比較して明らかに長く、優れた耐食性を
有している。

【００３１】

【効果】以上述べたように、本発明の複合部材は、強
度、ろう付性、耐食性がバランスよく維持、向上された
ものなので、ラジエーター等の熱変換器に用いて顕著な
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ラジエーターの説明図である。（イ）は正面
図、（ロ）は（イ）におけるＡ−Ａ線の拡大断面を示
す。

【図２】チューブ材のろう付け加熱前後のＺｎ拡散状況
の説明図である。（イ）はろう付け加熱前の犠牲材表面
のＺｎ濃度を示し、（ロ）はろう付け加熱後の犠牲材表
面からのＺｎ拡散深さを示す。

【図３】ろう付性測定に用いた組合せコアの斜視図であ
る。

【符号の説明】

１チューブ２フィン３ヘッダープレート４コア５、５’ 樹脂タンク６パッキング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】芯材の片面にＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材
を、他の面に犠牲陽極材をクラッドしたアルミニウム合
金複合材において、犠牲陽極材がＭｇ０．５〜４．０％
（重量％、以下同じ）、Ｓｉ０．０５％以上０．２％未
満を含有し、さらに必要に応じて０．１〜１．５％のＭ
ｎ、各々０．００５〜１．０％のＴｉ、Ｇａ、および
０．０１〜１．０％のＮｉのうち１種または２種以上を
含有し、残部Ａｌと不可避不純物からなるアルミニウム
合金で構成されることを特徴とする熱交換器用高強度高
耐食性アルミニウム合金複合材。
【請求項２】芯材の片面にＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材
を、他の面に犠牲陽極材をクラッドしたアルミニウム合
金複合材において、犠牲陽極材がＭｇ０．５〜４．０％
（重量％、以下同じ）、Ｓｉ０．０５％以上０．２％未
満を含有し、さらに必要に応じて０．１〜１．５％のＭ
ｎ、各々０．００５〜１．０％のＴｉ、Ｇａ、および
０．０１〜１．０％のＮｉのうち１種または２種以上を
含有し、残部Ａｌと不可避不純物からなるアルミニウム
合金で構成され、芯材がＳｉ０．２〜１．５％、Ｃｕ
０．１〜１．０％、Ｍｎ０．１〜２．０％、Ｍｇ０．３
％以下を含有し、さらに必要に応じて各々０．０１〜
０．５％のＣｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、および０．０１〜２．０
％のＮｉのうち１種または２種以上を含有し、残部Ａｌ
と不可避不純物とからなるＡｌ合金で構成されることを
特徴とする熱交換器用高強度高耐食性アルミニウム合金
複合材。