JPH0788682A

JPH0788682A - 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

Info

Publication number: JPH0788682A
Application number: JP22825993A
Authority: JP
Inventors: Yoji Hirano; 洋二平野; Takenobu Dokou; 武宜土公; Koji Okada; 光司岡田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1995-04-04

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、０．５wt％以下のＣｕ、０．５
wt％を超え６．０wt％以下のＺｎ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、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 3
003 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等を含有した合金を芯
材とし、 JIS 4045 合金や JIS 4343 合金等のろう材を
両面にクラッドしている。

【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、０．５wt％以下のＣｕ、０．５wt％を超
え６．０wt％以下のＺｎ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、７．０
wt％を超え、１２．０wt％以下のＳｉ、０．１wt％を超
え、０．５wt％以下のＣｕ、０．５wt％を超え６．０wt
％以下のＺｎ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、０．５wt％以下のＣｕ、０．５wt％を超え６．０
wt％以下のＺｎ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
０．５wt％を超えると、ろう材の強度が高くなり、熱間
圧延前に芯材の大きさに合わせて切断するときの切断性
が劣り、切断刃の磨耗が若干激しくなる。従って、Ｃｕ
は０．１wt％を超え、０．５wt％以下とする。

【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】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代表的な元素にＦｅがあ
る。Ｆｅは１．０wt％以下であれば含有可能である。し
かし、Ｆｅはろう材が凝固する際に金属間化合物を形成
し、これが腐食の起点となる。そのため、Ｆｅ量は０．
５wt％以下が望ましい。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。

【００１６】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Ｓｉ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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】

【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、表２の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。ろう材
合金中の不純物としてＦｅは１wt％以下、他の元素は
０．０５wt％以下である。これらを、表３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３に記した。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【表３】

【００２３】表３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. １〜１９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。

【００２４】〔実施例２〕表４、表５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、ろう材中の不純物とし
ては、Ｆｅは１wt％以下、他の元素は０．０５wt％以下
であり、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６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（ＪＩＳＨ８６８１）を３６０時間行
い、孔食の発生状態を調べた。結果を表６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、８０℃×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６に記した。

【００２５】

【表４】

【００２６】

【表５】

【００２７】

【表６】

【００２８】表４、５、６から明らかなように、比較例
No. ４８はろう材にＺｎを含有していないものであり、
比較例No. ５１はろう材にＺｎを過剰に含有しているも
のであり、いずれも外部耐食性が低下している。比較例
No. ４９はろう材にＣｕを含有していないもので、外部
耐食性が低下している。比較例No. ５０、５２、５３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℃以上の温度で
加熱を行ったが、芯材が溶融してしまった。従来例No.
５４はＣｕを比較的多く芯材に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. ３１〜４
７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。

【００２９】（実施例３）表７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作製したフィン
材とチューブ材、ヘッダー材とを表８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。ろう材中の
不純物としてＦｅは１wt％以下、他の元素は０．０５wt
％以下である。フィン材はベア材で板厚０．０６mmと
し、チューブ材は、表７に示す構成の板厚０．３mm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
は、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８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８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８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８に記した。また、参考のために
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８に併記した。

【００３０】

【表７】

【００３１】

【表８】

【００３２】表８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。

【００３３】

【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

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ２８Ｆ 21/08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】７．０wt％を超え、１２．０wt％以下の
Ｓｉ、０．１wt％を超え、０．５wt％以下のＣｕ、０．
５wt％を超え６．０wt％以下のＺｎ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。
【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、０．５wt％以下のＣ
ｕ、０．５wt％を超え６．０wt％以下のＺｎ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。