JPH11256261A - 熱交換器用高強度アルミニウム合金フィン材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 Ｍｎ1.6 ％を越え2.0 ％以下、Ｓｉ0.7 〜1.
3 ％、Ｚｎ1.1 〜2.5 ％、Ｚｒ0.06〜0.2 ％を含有し、
不純物としてのＭｇを0.01％未満に制限し、残部Ａｌお
よび不可避的不純物からなる。Ｃｕ0.2 ％以下を含有さ
せてもよい。 【効果】 ろう付け性に優れ、ろう付け後の強度、熱伝
導度および犠牲陽極効果に優れたアルミニウム合金フィ
ン材が提供されフィンの薄肉化が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱交換器用高強度アル
ミニウム合金フィン材、詳しくは、ラジエータ、カーヒ
ータ、カーエアコンなどのようにフィンと作動流体通路
構成材料とがろう付けにより接合される熱交換器に用い
られるアルミニウム合金フィン材、とくにフッ化物系フ
ラックスろう付けにおけるろう付け性に優れ、ろう付け
後の熱伝導度と強度が高く、且つ犠牲陽極効果に優れた
熱交換器用高強度アルミニウム合金フィン材に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のラジエータ、エアコン、インタ
ークーラー、オイルクーラーなどの熱交換器は、Ａｌ−
Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合
金などからなる作動流体構成材料と、Ａｌ−Ｍｎ系合金
フィンとをろう付けすることにより組立てられている。
フィン材には、作動流体構成材料を防食するために犠牲
陽極効果が要求されるとともに、ろう付け時の高温加熱
により変形したり、ろうが浸透したりしないように優れ
た耐高温座屈性が要求される。また、フィンと作動流体
構成材料とのろう付けには、無公害、低コストの観点か
らフッ化物系フラックスを用いるろう付けを適用する場
合が多く、この場合のろう付け性に優れていることも重
要な要素となる。

【０００３】フィン材としてJIS 3003、JIS 3203などの
Ａｌ−Ｍｎ系アルミニウム合金が使用されるのは、Ｍｎ
がろう付け時の変形やろうの浸食を防ぐために有効に作
用するためである。Ａｌ−Ｍｎ系合金フィン材に犠牲陽
極効果を付与するためには、この合金にＺｎ、Ｓｎ、Ｉ
ｎなどを添加して電気化学的に卑にする方法（特開昭62
-120455 号公報など) があり、耐高温座屈性( 耐高温サ
グ性) をさらに向上させるためには、Ａｌ−Ｍｎ系合金
にＣｒ、Ｔｉ、Ｚｒなどを含有させる方法（特開昭50-1
18919 号公報) がある。

【０００４】しかし、最近では、熱交換器の軽量化、コ
スト低減がますます強く要求され、作動流体通路材料、
フィン材などの熱交換器構成材料をさらに薄肉化するこ
とが必要となってきているが、例えばフィンを薄肉化す
ると伝熱断面積が小さくなるために熱交換性能が低下
し、製品としての熱交換器の強度、耐久性にも問題が生
じるところから、伝熱性能とろう付け後の強度の一層の
改善が望まれている。

【０００５】従来のＡｌ−Ｍｎ系合金では、ろう付け時
の加熱によりＭｎが固溶するため、熱伝導度が低下する
という問題点がある。この難点を解決するフィン材とし
て、Ｍｎ含有量を0.8 ％以下に制限し、Ｚｒ0.02〜0.2
％およびＳｉ0.1 〜0.8 ％を含むアルミニウム合金が提
案されている。（特公昭63-23260号公報) この合金は改
善された熱伝導度を有するが、Ｍｎが少ないためろう付
け後の強度が十分でなく、熱交換器として使用中にフィ
ン倒れや変形が生じ易く、また電位が十分に卑でないた
めに犠牲陽極効果が小さいという欠点がある。

【０００６】Ｍｎ0.3 〜2.5 ％、Ｓｉ0.5 〜1.5 ％、Ｍ
ｇ0.01〜1 ％、Ｚｒ0.01〜0.3 ％、Ｚｎ0.1 〜3 ％を含
有するＡｌ合金フィンも提案されている（特開平8-1439
98号公報) が、このフィン材はフッ化物系フラックスろ
う付けにおけるろう付け性が劣る。Ｍｎ0.01〜0.3 ％、
Ｚｒ0.01〜0.4 ％の１種または２種を含有し、Ｓｉ0.03
〜0.3 ％、Ｆｅ0.05〜0.6 ％を含むフィン用アルミニウ
ム合金も提案されている（特開昭63-45352号公報) が、
この合金も電位が十分卑でないために犠牲陽極効果が小
さい。また、熱伝導度が高い純アルミニウム(JIS 1050,
1070など) にＺｎ、Ｓｎ、Ｉｎを含有させて犠牲陽極効
果を付与させたり、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒなどを添加して耐
高温座屈性を改善する試みも行われているが、これらの
合金も伝熱性能は優れているもののろう付け後の強度が
必ずしも十分でない。

【０００７】ろう付け後の強度を改善したフィン材とし
て、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｆｅ系合金にＩｎ、Ｚｎ
を添加したアルミニウム合金やＧａ、Ｓｎなどを添加し
たアルミニウム合金も開発されており（特開平4-128337
号公報、特開平3-20436 号公報) 、ある程度の薄肉化は
可能であるが、フィン材に対する最近の薄肉化の要求を
十分満足させるまでには至っていない。また、フッ化物
系フラックスを用いるろう付けを適用する場合、Ｍｇを
含有する合金材はろう付け性が劣るため、フィン接合率
が低下し、熱交換器としての伝熱特性に問題が生じると
いう問題点もある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱交換器用
フィン材に対する薄肉化の要求を満足し、且つろう付け
性とくにフッ化物系フラックスを用いるろう付け性にも
優れたアルミニウム合金フィン材を開発するために、強
度特性、伝熱性能、犠牲陽極効果およびろう付け性に対
する合金成分の影響、合金成分の組合せの効果について
多角的に検討した結果としてなされたものであり、その
目的は、ろう付け後において高い強度と熱伝導度を有
し、犠牲陽極効果に優れ、ろう付け性とくにフッ化物系
フラックスを用いるろう付けにおけるろう付け性が良好
な熱交換器用高強度アルミニウム合金フィン材を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の熱交換器用高強度アルミニウム合金フィン
材は、Ｍｎ1.6 ％を越え2.0 ％以下、Ｓｉ0.7 〜1.3
％、Ｚｎ1.1 〜2.5 ％、Ｚｒ0.06〜0.2 ％を含有し、不
純物としてのＭｇを0.01％未満に制限し、残部Ａｌと不
可避的不純物からなることを第１の特徴とし、Ｍｎ1.6
％を越え2.0 ％以下、Ｓｉ0.7 〜1.3 ％、Ｚｎ1.1 〜2.
5 ％、Ｚｒ0.06〜0.2 ％、Ｃｕ0.2 ％以下を含有し、不
純物としてのＭｇを0.01％未満に制限し、残部Ａｌと不
可避的不純物からなることを第２の特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の熱交換器用高強度アルミ
ニウム合金フィン材における合金成分の意義および限定
理由について説明すると、Ｍｎは、Ｓｉと共存させるこ
とによりＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の化合物を生成して、ろう
付け前およびろう付け後の合金材の強度を向上し、耐高
温座屈性および成形加工性を改良する。Ｍｎが1.6 ％以
下では効果が十分でなく、2.0 ％を越えると合金の鋳造
時に粗大な晶出物が生成して板材の製造が困難となり、
Ｍｎの固溶量が増加して熱伝導度が低下する。従って、
好ましい含有範囲は1.6 ％を越え2.0 ％以下とする。

【００１１】Ｓｉは、Ｍｎと共存してＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ
系の化合物を生成し、強度を向上させるとともに、Ｍｎ
の固溶量を減少させて熱伝導度を向上させる。Ｓｉの含
有量が0.7 ％未満では効果が十分でなく、1.3 ％を越え
るとろう付け時にフィン材の溶融が生じるおそれがあ
る。従って、好ましい含有範囲は0.7 〜1.3 ％とする。
Ｓｉのさらに好ましい含有範囲は0.7 〜1.0 ％である。
Ｚｎは、フィン材の電位を卑にし、犠牲陽極効果を与え
る。含有量が1.1 ％未満ではその効果が十分でなく、2.
5 ％を越えると材料の自己腐食性が劣化し好ましくな
い。従って、好ましい含有量は1.1 〜2.5 ％とする。Ｚ
ｎのさらに好ましい含有範囲は1.1 〜2.0 ％である。

【００１２】Ｚｒは、合金材の耐高温座屈性を向上させ
るよう機能する。好ましい含有範囲は0.06〜0.2 ％であ
り、0.06％未満ではその効果が小さく、0.2 ％を越える
と、ろう付け後の熱伝導度が低下する。Ｃｕは、フィン
材の強度を向上させるのに役立つが、含有量が0.2 ％を
越えるとフィン材の電位を貴にし、犠牲陽極効果を損ね
るおそれがある。従って、含有量は0.2 ％以下に限定す
る。また、Ｃｕの含有量が0.06％未満では、フィン材の
強度を向上させる効果が小さくなるため、0.06〜0.2 ％
の範囲で含有させるのがより好ましい。

【００１３】Ｍｇは、ろう付け性に影響し、含有量が0.
01％以上になるとろう付け性を害するおそれがある。と
くにフッ化物系フラックスろう付けの場合、フラックス
の成分であるフッ素（Ｆ）と合金中のＭｇとが反応し易
くなり、ＭｇＦ₂ などの化合物が生成することに起因し
てろう付け時に有効に作用するフラックスの絶対量が不
足し、ろう付け不良が生じ易くなる。従って、不純物と
してのＭｇの含有量は0.01％未満に限定する。使用する
アルミニウム原材料によってはＭｇを多く含有するもの
もあるが、製造される合金中のＭｇ量は0.01％未満に制
限することが重要である。好ましくは0.009 ％以下に制
限する。

【００１４】本発明のアルミニウム合金フィン材は、通
常の溶解、鋳造方式に従って鋳塊とし、均質化処理後、
熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍および仕上げ冷間圧延を
経て製造され、通常厚さ0.1mm 以下の板材とする。この
板材は、所定幅にスリッティングした後コルゲート加工
して、作動流体通路用材料、例えば、ろう材を被覆した
3003合金などからなるクラッド板からなる偏平管と交互
に積層し、ろう付け接合することにより熱交換器ユニッ
トとする。

【００１５】本発明の構成によれば、ＭｎとＳｉを共存
させることによりＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物を生成さ
せ、Ｓｉの含有によりＭｎの固溶量を減少させ、Ｚｎを
含有させることによって材料の電位を卑にし、これら合
金元素の相互作用により、ろう付け後の強度、熱伝導度
を高め、犠牲陽極効果を優れたものとする。また、Ｍｇ
含有量を制限することによりＭｇとフラックスの反応を
防ぎ、ろう付けにおいて有効に作用するフラックスの割
合を増やしてフィン接合率を向上させ、伝熱性能、耐久
性の優れた熱交換器とすることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 実施例１ 表１に示す組成のアルミニウム合金鋳塊を常法に従って
均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍、仕上げ冷
間圧延し、0.07mm厚さのフィン材とした。得られたフィ
ン材について、フッ化物系フラックス( 濃度1 ％）を塗
布した後、ろう付け条件と同じく、窒素ガス雰囲気中で
600 ℃で3 分間の加熱を行い、加熱後の試験材について
引張試験を行った。

【００１７】また、加熱後の試験材について、25℃で電
気伝導度を測定することにより熱伝導度を評価した。本
発明のフィン材においては、一般の金属材と同様、熱伝
導度と電気伝導度との間には比例関係があり、電気伝導
度を測定することにより熱伝導度を評価できることが認
められている。さらに、犠牲陽極効果を評価するため
に、pH 3に調整した3 ％ＮａＣｌ水溶液中に8 時間浸漬
した後、自然電極電位を測定した。

【００１８】つぎに、フィン材にコルゲート加工を施
し、3003合金を心材とし4045合金を皮材( ろう材) とす
る厚さ0.4mm のプレート材の上に載置して、フッ化物系
フラックスろう付けを行い、コルゲートフィン材とプレ
ート材がろう付け接合している割合を調べ、フィン接合
率からろう付け性を評価し、フィンとプレートの接合部
について、CASS試験を、JIS H8681 に基づいて１か月間
実施し、プレートの最大腐食深さの測定と、フィンの腐
食状況の観察を行った。また、ろう付け前後におけるフ
ィン山高さの変化率を測定し、フィンの耐高温座屈性を
評価した。試験、測定、評価結果を表２に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】 《表注》耐高温座屈性評価：ろう付け前後のフィン山高さ変化率 が2.5 ％以下は◎、2.5 〜5 ％は○

【００２１】表２に示されるように、本発明に従う試験
材No.1〜No.11 は、ろう付け後に相当する引張強度（以
下、単に引張強度）がいずれも135MPa以上の優れた強度
を示し、従来のJIS 3005フィン材の電気伝導度が37％IA
CSであるのに対していずれも電気伝導度が40％IACS以上
であり、熱伝導度が良好なことを示した。また、フィン
接合率も98％以上でろう付け性が優れていることを示し
た。自然電極電位も−800 〜−840mV vs SCEの範囲で、
電気化学的に十分卑であり、CASS試験後のプレートの最
大腐食深さは0.11〜0.18mmと浅く、フィンの犠牲陽極効
果が優れていることが認められた。

【００２２】比較例 表３に示す組成のアルミニウム合金鋳塊を、実施例１と
同一の条件で、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、中間
焼鈍および仕上げ冷間圧延し、0.07mm厚さのフィン材を
得た。得られたフィン材について、実施例１と同様、引
張強度、電気伝導度、自然電極電位を測定し、フィン材
の耐高温座屈性、ろう付け性を評価し、フィンとプレー
トの接合部についてCASS試験後の最大腐食深さを測定し
た。結果を表４に示す。

【００２３】

【表３】

【００２４】

【表４】 《表注》フィン材の耐高温座屈性：ろう付け前後のフィン山高さの変化 率が2.5 ％以下は◎、2.5 〜5 ％は○

【００２５】表４に示されるように、本発明の条件を満
たさないアルミニウム合金フィン材は、いずれも熱交換
器用フィン材として十分な性能を有しない。試験材No.1
2 、No.13 は、Ｍｇ含有量が多いためろう付け性がわる
く、フィン接合率が低くなり、熱交換器に組み込んだ場
合、熱交換器の熱特性を低下させる。No.14 は、Ｍｎ含
有量が少ないため引張強度が十分でない。No.15 は、Ｍ
ｎ含有量が多過ぎるため、熱間圧延が困難となり健全な
フィン材の製造ができなかった。

【００２６】試験材No.16 は、Ｓｉの含有量が少ないた
め、引張強度が十分でなく、また、Ｍｎの固溶量が増加
して電気伝導度を低下させ、熱伝導度が不十分なものと
なった。No.17 は、Ｓｉの含有量が多過ぎるために、ろ
う付け時の加熱においてフィン材の局部溶融が生じた。
No.18 は、Ｚｎ含有量が少なく自然電極電位が貴となる
ため、犠牲陽極効果が劣り、CASS試験においてプレート
に貫通孔が生じた。No.19 はＺｎ含有量が多過ぎるた
め、自然電極電位が卑となって自己腐食性が大きくな
り、フィンの腐食消耗が顕著となってフィン材の犠牲陽
極効果が長時間持続されない。

【００２７】No.20 は、Ｃｕの含有量が多く自然電位が
貴となるため、犠牲陽極効果が劣り、プレートの腐食深
さが大きい。No.21 は、Ｚｒの含有量が少ないため、耐
高温座屈性が劣りフィン材に座屈が生じた。No.22 は、
Ｚｒの含有量が多いため、電気伝導度が低くなり熱伝導
度が劣ることを示した。No.23 はJIS 3005合金材に相当
し、ＭｎおよびＳｉ含有量が低いため引張強度が十分で
なく、電気伝導度も低く熱伝導度が不十分である。また
Ｍｇ含有量が多過ぎるためろう付け性が劣り、フィン接
合率が低くなり、また、Ｚｒを含有しないためフィン材
に座屈が発生し、さらにＺｎを含有していないため、自
然電極電位が貴となり、プレートに貫通孔が生じた。

【００２８】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、ろう付
け性に優れ、ろう付け後の強度、熱伝導度および犠牲陽
極効果に優れたアルミニウム合金フィン材が提供され、
従って、フィン材の薄肉化が可能となり、熱交換器の軽
量化、長寿命化が達成される。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｍｎ1.6 ％（質量％、以下同じ）を越え
   2.0 ％以下、Ｓｉ0.7 〜1.3 ％、Ｚｎ1.1 〜2.5 ％、Ｚ
   ｒ0.06〜0.2 ％を含有し、不純物としてのＭｇを0.01％
   未満に制限し、残部Ａｌと不可避的不純物からなること
   を特徴とする熱交換器用高強度アルミニウム合金フィン
   材。
2. 【請求項２】 Ｍｎ1.6 ％を越え2.0 ％以下、Ｓｉ0.7
   〜1.3 ％、Ｚｎ1.1〜2.5 ％、Ｚｒ0.06〜0.2 ％、Ｃｕ
   0.2 ％以下（０％を含まず、以下同じ）を含有し、不純
   物としてのＭｇを0.01％未満に制限し、残部Ａｌと不可
   避的不純物からなることを特徴とする熱交換器用高強度
   アルミニウム合金フィン材。