JPH0788678A - アルミニウム合金ろう材およびアルミニウム合金製熱交換器の製造方法 - Google Patents

アルミニウム合金ろう材およびアルミニウム合金製熱交換器の製造方法

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JPH0788678A
JPH0788678A JP24596993A JP24596993A JPH0788678A JP H0788678 A JPH0788678 A JP H0788678A JP 24596993 A JP24596993 A JP 24596993A JP 24596993 A JP24596993 A JP 24596993A JP H0788678 A JPH0788678 A JP H0788678A
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JP
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brazing
aluminum alloy
heat exchanger
temperature
alloy
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JP24596993A
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Koji Okada
光司 岡田
Takenobu Dokou
武宜 土公
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱効率に優れ、高強度のアルミニウム合金製
熱交換器をろう付工法により製造するためのアルミニウ
ム合金ろう材およびそれを用いた熱交換器の製造方法を
提供する。 【構成】 (1)7.0wt%を超え、12.0wt%以下のS
i、0.1wt%を超え、8.0wt%以下のCu、0.5
wt%を超え、6.0wt%以下のZnを含有し、さらに
0.002wt%を超え、0.3wt%以下のIn、0.0
02wt%を超え、0.3wt%以下のSnを含有し、残部
Alと不可避的不純物とからなることを特徴とするアル
ミニウム合金ろう材。 (2) アルミニウム合金製熱交換器をろう付により製造す
るにあたり、上記のアルミニウム合金ろう材を用い、5
70〜585℃の温度でろう付を行うことを特徴とする
アルミニウム合金製熱交換器の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム合金ろう
材およびアルミニウム合金製熱交換器の製造方法に関す
るものであり、さらに詳しくは、熱効率に優れ、高強度
のアルミニウム合金製熱交換器をろう付工法により製造
するためのアルミニウム合金ろう材およびそれを用いた
アルミニウム合金製熱交換器の製造方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術とその課題】ラジエーター等の熱交換器は
例えば図1に示すように複数本の偏平チューブ1の間に
コルゲート状に加工した薄肉フィン2を一体に形成し、
該偏平チューブ1の両端はヘッダー3とタンク4とで構
成される空間にそれぞれ開口しており、一方のタンク側
の空間から偏平チューブ1内を通して高温冷媒を他方の
タンク4側の空間に送り、偏平チューブ1および薄肉フ
ィン2の部分で熱交換して低温になった冷媒を再び循環
させるものである。このような熱交換器のチューブ材お
よびヘッダー材は例えば JIS 3003 合金を芯材とし、該
芯材の内側、すなわち冷媒に常時触れている側には犠牲
材として JIS 7072 合金を、そして、該芯材の外側に
は、通常 JIS 4045 合金等のろう材をクラッドしたブレ
ージングシートを用い、コルゲート加工を行ったフィン
材等のの他の部材とともに、ブレージングにより一体に
組み立てられている。
【0003】また、図2はサーペンタインタイプのコン
デンサーであるが、このコンデンサーは熱間または温間
で管状に押し出し成形した管材5を蛇行状に折り曲げ、
管材5の間にブレージングシートからなるコルゲートフ
ィン6を取付けたものである。ここで7はコネクターを
示す。管材には JIS 3003 合金等が用いられ、フィンに
は JIS 3003 合金やそれに犠牲効果を与える目的でZn
等を添加した合金を芯材とし、この芯材の両面に JIS 4
045 合金や JIS 4343 合金等のろう材をクラッドしたク
ラッドフィンが用いられている。
【0004】これらは、いずれも600℃付近の温度に
加熱してろう付けするブレージングにより組み立てられ
るが、ブレージング工法としては、フラックスブレージ
ング法、非腐食性のフラックスを用いたノコロックブレ
ージング法等が行われる。
【0005】ところで、近年、熱交換器は軽量・小型化
の方向にあり、そのために材料の薄肉化が望まれてい
る。しかし、従来の材料で薄肉化を行った場合、多くの
問題点が生じる。まず、冷媒通路構成部材(チューブ材
等)にしても、フィン材にしても材料の肉厚が減少する
分強度を向上させる必要があり、高強度合金がいくつか
提案されているが十分な強度が得られていない。これ
は、強度を向上させるためには合金元素の添加が必要で
あるが、合金元素を添加すると融点が低下し、600℃
付近の温度に加熱するブレージング工程の際に溶融して
しまうためである。また、犠牲層を有する冷媒通路構成
部材では、芯材にCuを含有した合金を用いるとブレー
ジングの際にCuが犠牲層に拡散し、犠牲層が犠牲層と
しての効果を果たさなくなり耐食性が低下する。そのた
め、強度向上のために添加できる芯材へのCu添加量は
限られてしまう。また、ブレージングの際にフィンが座
屈したり、フィンにろうが拡散し溶融してしまう現象
は、フィンが薄くなるほど生じやすくなり、ベアのフィ
ンでは50μm、クラッドフィンでは100μmが薄さ
の限界とされている。座屈が生じると通風抵抗の増加に
より熱交換器の熱効率が低下する。さらに材料の薄肉化
に伴い、熱交換器の熱効率が低下する問題を解決するた
めに、熱伝導性に優れたフィンの開発がなされており、
例えばAl−Zr系合金のフィン材が提案されている。
しかし、そのようなフィン材では強度が低く、さらにろ
う付加熱時にろうが拡散し易いという問題点がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明はこれに鑑み、熱
効率に優れ、小型、軽量化が可能な高強度のアルミニウ
ム合金製熱交換器を製造するためのアルミニウム合金ろ
う材およびそれを用いたアルミニウム合金製熱交換器の
製造方法を開発したものである。即ち請求項1記載の発
明は7.0wt%を超え、12.0wt%以下のSi、0.
1wt%を超え、8.0wt%以下のCu、0.5wt%を超
え、6.0wt%以下のZnを含有し、さらに0.002
wt%を超え、0.3wt%以下のIn、0.002wt%を
超え、0.3wt%以下のSnのうちの1種または2種を
含有し、残部Alと不可避的不純物とからなることを特
徴とするアルミニウム合金ろう材である。また請求項2
記載の発明はアルミニウム合金製熱交換器をろう付によ
り製造するにあたり、7.0wt%を超え、12.0wt%
以下のSi、0.1wt%を超え、8.0wt%以下のC
u、0.5wt%を超え、6.0wt%以下のZnを含有
し、さらに0.002wt%を超え、0.3wt%以下のI
n、0.002wt%を超え、0.3wt%以下のSnのう
ちの1種または2種を含有し、残部Alと不可避的不純
物とからなるアルミニウム合金ろう材を用い、570〜
585℃の温度でろう付を行うことを特徴とするアルミ
ニウム合金製熱交換器の製造方法である
【0007】
【作用】まず、本発明の考え方について説明する。アル
ミニウム合金製熱交換器を上記のようにブレージング工
法にて製造する場合、その加熱は通常600℃付近の温
度で行われている。この600℃という温度はアルミニ
ウム合金にとってかなりの高温であるため、つぎの4つ
の問題を生じる。即ちろう付加熱中にフィンが座屈す
る。合金中の金属間化合物が再固溶してフィンの熱伝
導性が低下する。低融点の高強度合金が使用できな
い。犠牲層を有する冷媒通路構成部材では芯材のCu
が犠牲層に拡散して耐食性が低下する。発明者らは、こ
れらの問題を解決するために鋭意検討を行い、ろう付け
加熱温度を下げることが有効ではないかと考え、ろう付
加熱温度を何℃以下に下げたらこのような問題点を解決
できるか検討したところ、585℃以下であれば、ろう
付中のフィンの座屈が生じにくくなり、熱伝導性の低下
がわずかとなり、フィン中のSiの添加量を増やすこと
で合金の強度を向上できること、さらにCuの拡散量が
減り耐食性が向上することを見出した。
【0008】上記4点をさらに詳しく説明する。 フィンの座屈の大部分は、高温でのフィンの高温ク
リープ現象を原因として生じるものであるが、この現象
は590℃付近を境にこれより高い温度で急激に生じる
(フィンが弱くなる)ことを見出した。従って、585
℃以下であればこれを原因とする座屈は生じないのであ
る。さらに、フィンにろうが拡散することによる座屈が
あるが、ろうの拡散は595℃付近を境に、これより高
い温度で急激に生じることを見出した。そのため、58
5℃以下であればろうの拡散は少なくなり、全体として
フィンの座屈は生じにくくなるのである。 ブレージングを行うフィンの熱伝導性はアルミニウ
ム合金中に析出していた金属間化合物がろう付加熱時に
再固溶することで低下するのであるが、加熱温度が高い
ほど合金元素の固溶限が大きくなりかつ拡散速度が大き
くなるので、再固溶は進行しやすくなる。そのため、ブ
レージング温度を下げることはフィンの熱伝導性を高め
る効果があることを見出し、585℃以下であれば再固
溶の進行速度が小さく、熱伝導性の低下は少ないことを
見出した。 強度については、高強度アルミニウム合金としては
添加される元素はCu、Mg、Si等があるが、冷媒通
路構成部材として用いる場合、耐食性やろう付性を考慮
しなければならないし、フィンとして用いる場合、犠牲
効果、熱伝導性やろう付性を考慮しなければならない。
よって、強度向上のために添加できる元素は限られ、具
体的にはSiの添加が有力である。600℃のろう付で
添加可能のSi量は1wt%程度であるが、585℃以下
では、2.5wt%程度の添加が可能となる。 冷媒通路構成部材として犠牲層を有する材料では、
これまで、高強度化が難しかった。それは、高強度化の
ために、芯材にCuを添加すると冷媒通路構成部材の耐
食性が急激に低下するためである。この原因について発
明者らが鋭意検討を行ったところ、芯材中のCuが犠牲
層に拡散することおよび犠牲材の成分(例えばZn)が
芯材に拡散することで、犠牲層の成分がブレージング前
と大きく変化し、これが原因で犠牲効果が減じ耐食性が
低下することを見出した。拡散を防止する方法を種々検
討したが、高温での原子の拡散が原因で生じるために、
通常の方法では防止効果がなく、ろう付加熱温度を低下
させることが有効な手段であることを見出し、その温度
を検討した。そこで上記〜の上限温度である585
℃と通常のろう付加熱温度である600℃とを比較して
みたところ、585℃では600℃と比較して拡散量が
減り、耐食性が向上することを見出したのである。
【0009】さて、このように通常のろう付温度より低
い温度でろう付を行う方法に、低温ろう付と言われてい
る500℃前後の温度でろう付を行う方法が知られてい
る。この方法はZnを20wt%以上を含有したAl−Z
n系合金やZn合金を通常ろうとして用いるために、ろ
う付後にろう材が腐食されやすいという問題点があり、
現実には熱交換器には用いられていない。さらにAl−
Zn系合金でZnの添加量が8wt%を超えると圧延性が
非常に悪くなり、合わせ圧延によるブレージングシート
の製造は不可能であり、工業的に安定して低温ろう付用
のブレージングシートを供給する製造方法は確立されて
いない。そのため、置きろう等としてろうを用いねばな
らず、製造できる部材の種類は限られている。しかし、
発明者らは上記のように低温ろう付よりはるかに高温で
ある585℃程度のろう付温度でも熱交換器の特性向上
が可能なことを見出しており、それならば、ブレージン
グシートとして製造できるろう材の開発が可能であると
考えたのである。
【0010】ところで、従来より低融点のアルミニウム
合金ろう材として知られている合金がある(例えば特開
平3−57588)。これらは、主に鋳物をろう付する
ために開発されたものであり、多量のCuが含有されて
いたり、上記のように多量のZnが添加されていたりす
るため、圧延加工を行うと割れてしまう問題がありブレ
ージングシートの製造ができなかったのである。ブレー
ジングシートとして使用できなければ、工業的に熱交換
器を製造するのに実用性が乏しい。本発明ではこのよう
な問題点を解決し、ブレージングシートとして製造可能
なろう材を開発したものである。
【0011】ここで、本発明のろう材の合金組成は7.
0wt%を超え、12.0wt%以下のSi、0.1wt%を
超え、8.0wt%以下のCu、0.5wt%を超え、6.
0wt%以下のZnを含有し、さらに0.002wt%を超
え、0.3wt%以下のIn、0.002wt%を超え、
0.3wt%以下のSnのうちの1種または2種を含有
し、残部Alと不可避的不純物とからなるアルミニウム
合金であり、以下にその限定理由を説明する。
【0012】Siの添加は合金の融点を下げるが、その
量が7.0wt%以下では十分に融点が低下せず、585
℃以下の温度でろう付できない。さらに、その量が1
2.0wt%を超えると逆に融点が上がるため、585℃
以下の温度でろう付できなくなる。
【0013】Cuの添加は合金の融点を下げ、ろう流れ
性を向上させる。さらにろう材中のCuは冷媒通路構成
部材にCuを添加した合金を用いる場合に熱交換器の外
部耐食性を高める働きを有する。即ち、熱交換器の外部
耐食性についてさまざまな検討を行い、ろう材にCuを
添加しない場合、冷媒通路構成部材中に添加されている
Cuがろう付中にろう材に拡散し、ろう材と冷媒通路構
成部材との境界に低Cu領域が生じて、そこが優先的に
腐食されるため、膨れを伴う激しい腐食を生じることを
見出した。本発明ではろう材にCuを添加することで、
冷媒通路構成部材からろう材へのCuの拡散を防止し、
ろう材と冷媒通路構成部材との境界に低Cu領域が生じ
ないようにし、耐食性を向上させた。ここでCu量が
0.1wt%以下では以上の効果が十分でなく、その量が
8.0wt%を超えると、ろう材の電位が貴になりすぎ
て、冷媒通路構成部材が優先的に腐食するようになり、
耐食性が低下する上に、合金の圧延性が低下し、熱交換
器用のブレージングシートに用いるろう材としては適さ
なくなる。従って、Cuは0.1wt%を超え、8.0wt
%以下とするが、特に0.5〜3.5wt%で安定した特
性を示す。
【0014】Znの添加は合金の融点を下げる。さら
に、本発明のようにCuを添加したろう材では外部腐食
による膨れの発生は抑えられるものの、ろう材の電位が
芯材の電位より貴になり、外部腐食がピット状に進行
し、その速度が速いという問題がある。Znの添加はろ
う材の電位を下げ、ろう材の電位を芯材の電位に近づ
け、耐食性を向上させる。しかし、その量が0.5wt%
以下では効果が十分ではなく、その量が6.0wt%を超
えるとろう材の自己耐食性が低下する上に、合金の圧延
加工性が低下し、熱交換器用のブレージングシートに用
いるろう材としては適当ではなくなる。
【0015】In、Snはろう材の電位を卑にし、冷媒
通路構成部材の耐食性を向上させるもので、Znの効果
を助ける意味で添加する。その量が0.002wt%以下
では効果が十分ではなく、0.3wt%を超えると合金の
圧延加工性が低下する。
【0016】本発明ろう材の合金元素は以上の通りであ
るが、不可避的不純物として、Feは1.0wt%以下で
あれば含有可能である。Fe以外の不可避的不純物とし
て、他の元素もそれぞれ0.05wt%以下であれば含有
してもよい。
【0017】本発明ろう材は、ブレージングシートとし
て、アルミニウム合金製熱交換器のろう付に用いられ
る。ここでいうアルミニウム合金製熱交換器としては、
ラジエーター、コンデンサー、エバポレーター等が挙げ
られるがこれらに限定するものでない。ここで本発明ろ
う材の用途を熱交換器に限定したのは、本発明を実施し
た場合、材料の熱伝導性の向上効果により熱交換器の熱
効率の向上の効果があり、さらに、熱交換器には通常フ
ィンを有しているが、フィンの耐高温座屈性向上に効果
があるためである。この場合、ろう材合金組成は上記の
ように限定するが、それ以外のフィンや冷媒通路構成部
材に用いられるアルミニウム合金の合金組成は特に限定
しない。600℃付近の温度でろう付を行うための合金
(例えば3003合金をベースに各種元素を添加した合
金や1000系の合金)をそのまま用いても構わない。
これは、本発明のろう材を用いて585℃以下の温度で
ろう付を行った場合、フィンの耐高温座屈性および熱伝
導性は必ず向上するからである。また、合金の高強度化
を狙って、例えば1000系合金や3000系合金でS
iを1.2wt%以上添加したアルミニウム合金の使用も
可能である。
【0018】本発明では、ろう付温度を570℃以上5
85℃以下とする。ろう付温度が570℃未満では、本
発明のろう材中に溶融しない組成があり、ろう付するこ
とができないためである。また、585℃を超えると、
材料の熱伝導性が低下し、かつフィンの耐高温座屈性が
低下するためであり、さらに、低融点の合金やCuを多
量に含有した合金を冷媒通路構成部材に使用できなくな
るためである。なお、このようにろう付温度を低下させ
ることで、ろう付炉の寿命が延びるという効果も有す
る。
【0019】ここで、本発明のろう付条件は上記のよう
に、温度は限定されるが、それ以外の条件は従来とほと
んど同様でよい。すなわち、フラックスブレージング
法、非腐食性のフラックスを用いたノコロックブレージ
ング法等であればよく特に限定するものではない。ろう
付前の組み立て、洗浄、場合によってフラックス塗布等
は従来通り行えばよい。この場合フラックスは、例えば
セシウム系のフラックスを用いれば、本発明の温度域で
ろう付可能である。また、本発明では、加熱の後の工程
は特に限定しない。従来より行われているように、時効
処理やフラックス除去や塗装等の工程を行えばよい。
【0020】
【実施例】以下に実施例により本発明を更に具体的に説
明する。 〔実施例1〕表1〜3に示す合金組成のろう材と芯材か
らなるブレージングシートからフィンを作製した。フィ
ンの板厚は0.11mmであり、ろう材はいずれも芯材
の両面に10%ずつクラッドしたH14調質である。こ
れらを、表4の条件でN2 ガス中で加熱を行い、垂下試
験を行った。垂下試験は突き出し長さ50mmで実施し
た。結果を表4に記した。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】
【表4】
【0025】表4から明らかなように、本発明のろう材
を用いた本発明例No. 1〜29は従来例および比較例よ
りも垂下特性が極めて向上している。
【0026】〔実施例2〕表5、6に示す合金組成のろ
う材、芯材および犠牲材からなるチューブ材用の板厚
0.25mmの3層のブレージングシートを通常の方法
で作製した。ろう材のクラッド率は10%、犠牲材のク
ラッド率は15%である。また、犠牲材中の不純物とし
ては、Fe、Siがそれぞれ0.01〜0.2wt%の範
囲内で含まれている。これらを、表7、8の条件でN2
ガス中で加熱を行った。加熱後のブレージングシートに
ついて引張試験並びにろう材部を外側、犠牲材部を内側
として、外部耐食性試験および内部耐食性試験を行っ
た。外部耐食性試験は、ろう材の表面中央部のみを露出
させ、他の面をすべてシールし、CASS試験(JIS
H8681)を360時間行い、孔食の発生状態を調べ
た。結果を表7、8に記した。内部耐食性試験は、ろう
材部をマスキングしたブレージングシートをCu2+イオ
ンを10ppm添加した水道水中に5カ月間浸漬し、8
0℃×8時間と室温×16時間のサイクル腐食試験を行
い、犠牲材表面に発生したピット深さを光学顕微鏡によ
る焦点深度法によって求めた。これらの結果を表7、8
に記した。
【0027】
【表5】
【0028】
【表6】
【0029】
【表7】
【0030】
【表8】
【0031】表5〜8から明らかなように、比較例No.
64はろう材にZn、In、Snを含有していないもの
であり、外部耐食性が低下している。比較例No. 65は
ろう材中のCuが本発明の範囲より少ないもので、外部
耐食性が低下している。比較例No. 66、67、69は
本発明ろう材の合金組成範囲を外れており、585℃以
下ではろう材が溶融しないため、600℃の温度で加熱
を行ったが、芯材が溶融してしまった。比較例No. 68
はろう材中にCu、Znが本発明の範囲より多く添加さ
れているもので、圧延時に割れてしまい、ブレージング
シートを製造することができなかった。従来例No. 70
は芯材にCuを比較的多く含有した例であるが、耐食性
に劣っている。これに対し、本発明例No. 41〜63は
高強度材の使用が可能であるため、強度が高く、また耐
食性にも優れている。
【0032】(実施例3)表9に示す合金組成のアルミ
ニウム合金フィン材と表9に示すろう材と芯材からなる
ブレージングシートから作製したチューブ材、ヘッダー
材とを表10に示すように組合せ、図1に示すラジエー
ターを組み立てた。フィン材はベア材で板厚0.06m
mとし、チューブ材は、表9に示す構成の板厚0.3m
mのコイル状板材を通常の方法により製造し、このコイ
ル状板材を電縫管のサイズに合わせてスリッターして幅
35.0mmの条材にした。この条材を電縫管製造装置
を用い、幅16.0mm、厚さ2.2mmの通液管用の
電縫管に加工した。また、ヘッダー材はチューブ材と同
一の構成の板厚1.0mmのコイル状板材を幅60mm
にスリッターしてヘッダー用の条材とした。組み立てら
れたラジエーターに、フッ化カリウム系フラックスにセ
シウム系フラックスを3%混合したフラックスの10%
濃度液を塗布し、N2 ガス中で表10の条件で加熱を行
い、ろう付けした。材料および加熱条件の組合せを表1
0に示す。得られたラジエーターについて、外観観察に
よりフィンおよびチューブの潰れ具合、フィレットの形
成について調査した。結果を表10に示す。また、きち
んとろう付されていたラジエーターについてはその熱効
率を調査した。熱効率は、 JIS D 1618 (自動車用冷房
機試験方法)に準じて行い、それぞれ従来法によるラジ
エーターの熱効率に対する向上の度合を表10に記し
た。また、チューブ材については、ろう付加熱後引張試
験を行い強度を調べ、表10に併記した。
【0033】
【表9】
【0034】
【表10】
【0035】表10から明らかなように本発明法によっ
て製造されたラジエーターNo.〜は、フィンの潰れ
が生じることなく製造されており、高強度材の使用が可
能であり、また従来法によるラジエーターNo.と比較
して熱効率に優れており、ろう付性も良好である。
【0036】
【発明の効果】以上述べたように本発明のろう材を使用
し、熱交換器を製造した場合、ろう付中のフィンの座屈
が少なく、部材の熱伝導性および強度向上の効果があ
り、熱交換器の小型、軽量化が可能であり、工業上顕著
な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】ラジエーターを示す一部断面の斜視図。
【図2】サーペンタインタイプのコンデンサーを示す一
部断面の斜視図。
【符号の説明】
1 偏平チューブ 2 薄肉フィン 3 ヘッダー 4 タンク 5 管材 6 コルゲートフィン 7 コネクター

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 7.0wt%を超え、12.0wt%以下の
    Si、0.1wt%を超え、8.0wt%以下のCu、0.
    5wt%を超え、6.0wt%以下のZnを含有し、さらに
    0.002wt%を超え、0.3wt%以下のIn、0.0
    02wt%を超え、0.3wt%以下のSnのうちの1種ま
    たは2種を含有し、残部Alと不可避的不純物とからな
    ることを特徴とするアルミニウム合金ろう材。
  2. 【請求項2】 アルミニウム合金製熱交換器をろう付に
    より製造するにあたり、7.0wt%を超え、12.0wt
    %以下のSi、0.1wt%を超え、8.0wt%以下のC
    u、0.5wt%を超え、6.0wt%以下のZnを含有
    し、さらに0.002wt%を超え、0.3wt%以下のI
    n、0.002wt%を超え、0.3wt%以下のSnのう
    ちの1種または2種を含有し、残部Alと不可避的不純
    物とからなるアルミニウム合金ろう材を用い、570〜
    585℃の温度でろう付を行うことを特徴とするアルミ
    ニウム合金製熱交換器の製造方法。
JP24596993A 1993-09-06 1993-09-06 アルミニウム合金ろう材およびアルミニウム合金製熱交換器の製造方法 Pending JPH0788678A (ja)

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