JP6665045B2

JP6665045B2 - ろう付後の強度に優れるろう付け用部材、クラッド材および自動車用熱交換器

Info

Publication number: JP6665045B2
Application number: JP2016126990A
Authority: JP
Inventors: 岩尾　祥平; 祥平岩尾
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2036-06-27
Also published as: JP2018003045A

Description

この発明は、ろう付け後の強度に優れるろう付け用部材、クラッド材および自動車用熱交換器に関するものである。

自動車用熱交換器用部材には部材薄肉化に伴う高強度化が要求されるが、一般的なＤＣ鋳造法（半連続鋳造）では鋳造時の凝固速度は数℃／ｓ程度であり、ＣＣ鋳造（連続鋳造）のような、凝固速度が数百℃／ｓと速い場合に生じる添加元素の過飽和固溶とそれによる固溶強化が望めない。また仮にＤＣ鋳造時に過飽和固溶状態が得られたとしても、ＤＣ法では鋳造後に熱間圧延を施す必要があり、熱延時の変形抵抗が大きくなるため、熱間圧延時の圧延荷重増加やサイドクラックの発生が顕著となり、生産性が大きく低下する。

このため、ＤＣ鋳造法によるアルミニウム合金では一定以上の固溶硬化による高強度化を達成するのが難しい現状がある。このため、これまでにＤＣ鋳造材で高強度を得るためには、例えば、特許文献１や特許文献２などに示されるように、各添加元素の金属間化合物を合金成分や製造工程を最適化することで微細化させて、分散強化による強度向上を達成している。

特開２００９−１７４０５２号公報特開平１−２２５７３６号公報特開平５−１６９１３３号公報特開２０１２−１２６９５０号公報特開平１１−２６９５９０号公報

しかし、従来の金属間化合物の微細分散効果では、素材の高強度化という点ではメリットがあるが、約６００℃のろう付熱処理により、微細分散粒子の再固溶や粗大化が生じやすく、ろう付後の強度が所望のレベルに達しない事も多いという点でデメリットがある。
また、ろう付時に粗大化した金属間化合物がカソードサイトとなることで自己耐食性の低下につながるデメリットも考えられる。
このため、ろう付け後に高い強度が維持でき、耐食性も損なわないという点で、固溶硬化機構に着目した。

本発明では、上記事情を背景としてなされたものであり、従来の金属間化合物の微細分散効果ではなく、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系合金において、各添加元素のろう付前のアルミマトリクスへの固溶度および金属間化合物サイズを制御し、添加元素の過飽和固溶とそれによる固溶強化により高強度材を得ることを目的の一つする。

すなわち、本発明のろう付後の強度に優れるろう付け用部材のうち、第１の形態は、質量％で、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ｓｉ：０．３〜１．０％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなり、ろう付熱処理前に、電気伝導度が４５％ＩＡＣＳ以下であり、各元素のマトリクスへの固溶度が、質量％で、Ｍｎ含有量で１８％〜２５％、Ｓｉ含有量で３５％〜４５％、Ｃｕ含有量で７０％〜８０％を満足し、且つ円相当径で０．５μｍ以上３．５μｍ以下のＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系金属間化合物の数密度が１．０×１０^４個／ｍｍ^２以下であることを特徴とする。

他の形態のろう付後の強度に優れるろう付け用部材の発明は、前記形態の本発明において、６００℃×３分のろう付け相当加熱後のろう付け後強度（引張強さ）が１５０ＭＰａ〜２００ＭＰａであることを特徴とする。

本発明のクラッド材は、前記本発明のろう付け用部材を芯材とし、前記芯材の片面または両面にろう材がクラッドされていることを特徴とする。

他の形態のクラッド材の発明は、前記形態の本発明において、前記芯材の片面にＡｌ−Ｚｎ合金からなる犠牲材がクラッドされていることを特徴とする。

本発明の自動車用熱交換器は、前記本発明のろう付け用部材がろう付け接合されていることを特徴とする。

次に、本発明で記載される事項について説明する。なお、以下で成分含有量を示す場合はいずれも質量％で示されている。

ろう付け用部材（ろう付熱処理前）
・Ｍｎ：１．０〜２．０％
Ｍｎは、材料の高強度化のために含有する。ただし、含有量が少ないと強度化が十分になされず、一方、含有量が多すぎると成形性が低下する。このため、Ｍｎ含有量を１．０〜２．０％に限定する。なお、同様の理由で、下限を１．０％、上限を１．８％とするのが望ましい。

・Ｃｕ：０．１〜１．０％
Ｃｕは、材料の高強度化のために含有する。ただし、含有量が少ないと強度化が十分になされず、一方、含有量が多すぎると融点が低下する。このため、Ｃｕ含有量を０．１〜１．０％に限定する。なお、同様の理由で、下限を０．３％、上限を０．６％とするのが望ましい。

・Ｓｉ：０．３〜１．０％
Ｓｉは、材料の高強度化のために含有する。ただし、含有量が少ないと強度化が十分になされず、一方、含有量が多すぎると融点が低下する。このため、Ｓｉ含有量を０．３〜１．０％に限定する。なお、同様の理由で、下限を０．５％、上限を０．８％とするのが望ましい。

・Ｍｎ固溶度：１８〜２５％
Ｍｎの固溶物は、材料を高強度化させる。ただし、Ｍｎ固溶度が小さいと強度化が十分になされず、Ｍｎ固溶度が大きいと、圧延性が低下するため、Ｍｎ固溶度を１８〜２５％に限定する。なお、同様の理由で、Ｍｎ固溶度の下限を２０％、上限を２２％とするのが望ましい。

・Ｓｉ固溶度：３５％〜４５％
Ｓｉの固溶物は、材料を高強度化させる。ただし、Ｓｉ固溶度が小さいと強度化が十分になされず、Ｓｉ固溶度が大きすぎると、融点が低下するため、Ｓｉ固溶度を３５％〜４５％に限定する。なお、同様の理由で、Ｓｉ固溶度の下限を３８％、上限を４２％とするのが望ましい。

・Ｃｕ固溶度：７０％〜８０％
Ｃｕの固溶物は、材料を高強度化させる。ただし、Ｃｕ固溶度が小さいと強度化が十分になされず、Ｃｕ固溶度が大きすぎると、融点が低下するため、Ｃｕ固溶度を７０％〜８０％に限定する。なお、同様の理由で、Ｃｕ固溶度の下限を７３％、上限を７７％とするのが望ましい。

・電気伝導度：４５％ＩＡＣＳ以下
各添加元素の基材アルミニウムへの固溶度が高いほど電気伝導度は、低下する。所望の固溶強化を得るためには伝導度４５％ＩＡＣＳ以下とする必要がある。

・円相当径で０．５μｍ以上３．５μｍ以下のＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系金属間化合物の数密度：１．０×１０^４個／ｍｍ^２以下
粗大な金属間化合物は、ろう付処理時に再固溶し難く所望の固溶強化機構が得られない。そこで、円相当径０．５μｍ〜３．５μｍのサイズの化合物数を規定する。なお、円相当径０．５μｍ未満の金属間化合物は、ろう付熱処理により固溶するため規定する必要はない。また、３．５μｍより大きな化合物は、ろう付時や製造工程における焼鈍等の熱処理において再結晶の核サイトとなるため一定数必要であり、規定しない。
円相当径０．５μｍ〜３．５μｍのサイズの化合物数は、数密度で１．０×１０^４個／ｍｍ^２を超えると、再固溶しない金属間化合物が増えて、固溶強化を阻害する。なお、同様の理由で、数密度を９．０×１０^３個／ｍｍ^２を以下とするのが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、耐食性を損なうことなくろう付け後の強度に優れた効果が得られる。

本発明の一実施形態におけるろう付後の強度に優れるろう付け用部材およびクラッド材を示す図である。本発明の一実施形態における自動車用熱交換器を示す斜視図である。

本発明の組成成分に調整したアルミニウム合金は、常法により溶解製造することができる。鋳造時の鋳造速度は、０．２〜１０℃／ｓとするのが望ましい。
上記鋳塊を好適には４００〜６００℃×８〜１６時間の条件で加熱する均質化をすることが望ましい。これにより、鋳造時に生じる偏析の除去や過飽和元素の安定析出を促し熱間圧延性を向上させるとともに、所定条件により所望の金属間化合物の分散状態を得る。

上記アルミニウム合金は、通常は熱間圧延、冷間圧延、一回以上の焼鈍を行なうことで所望の厚さのアルミニウム合金板が得られる。アルミニウム合金板は、電気伝導度が４５％ＩＡＣＳ以下であり、各元素のマトリクスへの固溶度が、質量％で、Ｍｎ含有量で１８％〜２５％、Ｓｉ含有量で３５％〜４５％、Ｃｕ含有量で７０％〜８０％を満足し、円相当径で０．５μｍ以上３．５μｍ以下のＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系金属間化合物の数密度が１．０×１０^４個／ｍｍ^２以下となっている。
なお、上記径の金属間化合物は、均質化処理の実施や再固溶処理によって制御することができる。
例えば、均質化処理では、好適には４００〜５００℃、８〜１２時間の条件で、適切なサイズで金属間化合物を析出させる。その後の工程を経て、最終的に、段落００２０で示されるのサイズの金属間化合物を得る。したがって、均質化処理では、後の工程による影響を考慮して適切なサイズとなるように上記範囲内で条件の設定を行う。例えば、０．５μｍ以下の微細な化合物が増加するとその後の再固溶処理で焼失するため、段落００２０に示すサイズを満足できなくなる。
また、再固溶処理では、冷間圧延で概ね板厚１ｍｍ以下となる時機などに、５５０〜６００℃、８〜１０時間などの条件で処理を行うことで、金属間化合物を再固溶させて、上記数密度を調整することができる。

また、上記アルミニウム合金は、ろう付け用部材として用いられるが、クラッド材の芯材として用いることができる。芯材として用いる場合は、ろう材、犠牲材を用意する。なお、犠牲材を用いることなく、芯材の片面または両面にろう材を用いるものであってもよい。
犠牲材、ろう材は常法により製造することができる。

クラッド材とする場合は、目的の板厚になるように冷間圧延を施すことによりクラッド材を得る。これらの材料のクラッド率は特に限定されるものではないが、例えば、芯材８５〜６０％、犠牲材５〜２０％、ろう材１０〜２０％のクラッド率が例示される。
図１に、クラッド材１の断面形状を示す。この例では、芯材１Ａの片面にろう材１Ｂ、他の片面に犠牲材１Ｃがクラッドされている。

さらに上記製造工程にて、冷間圧延途中の所定の板厚で５５０℃以上の熱処理（冷却速度２００℃／ｍｉｎ以上）が１回ないし２回以上負荷されるものとしてもよい。

上記材料は、図２に示すように、アルミニウム合金フィン材２として提供され、チューブ３やヘッダーなどと組み付けて、ろう付け体としてろう付に供される。ろう付の条件は、本発明としては特に限定されるものではないが、例えば、高純度窒素ガス雰囲気中で、目標温度になるまでに室温から１〜１５分となる昇温速度で、目標温度５９０℃〜６１０で、１分〜８分の保持し、冷却速度３０〜２００℃／ｍｉｎなどの条件で行うことができる。ろう付けによって熱交換器１０が得られる。
ろう付けされたアルミニウム合金フィン材２は、ろう付後の引張強さが１５０〜２００ＭＰａとなる高い強度を有している。

半連続鋳造によりアルミニウム合金を鋳造した。アルミニウム合金の組成は表１（残部Ａｌおよび不可避不純物）に示した。
得られたアルミニウム合金には、鋳造後、４８０℃で８時間の均質化処理を行なった。この均質化処理の条件は一例であり、温度：４００〜６００℃、保持時間：８〜１６時間の範囲から選択することができる。
次に、熱間圧延、冷間圧延を行った。その後、０．４０ｍｍ厚にて再固溶熱処理を５８０℃で１０時間行い、その後冷間圧延および焼鈍を行い、所定の圧延率とした最終の冷間圧延により厚さ０．２０ｍｍのＨ１４調質の供試材を作製した。ただし、中間焼鈍は、温度：２００〜３８０℃、保持時間：１〜６時間の範囲から選択することができる。
上記、均質化処理および再固溶処理によって、円相当径で０．５μｍ以上３．５μｍ以下のＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系金属間化合物の数密度を調整した。

このアルミニウム合金について、室温から４００℃の到達時間が７分〜９分、４００℃〜５５０℃の到達時間が１分〜２分、５５０℃〜目標温度までの到達時間が３分〜６分となるような昇温速度で加熱し、６００℃の目標温度で３分間保持し、その後、３００℃まで約６０℃／ｍｉｎで冷却した後、室温まで空冷を行なうろう付け相当熱処理を施した。このとき、ろう付時間：ｔ、Ｚｎの拡散係数：Ｄとした場合に√ΣＤｔにより与えられる入熱量は２５〜３５とした。
ただし、入熱量√ΣＤｔは下記式により求めた。
ｔ：室温〜６００℃〜冷却３００℃までの時間（ｓ）
Ｄ：Ｚｎの拡散係数（ｃｍ^２／ｓ）

◆評価方法
（素材の化合物の分布状態）
ろう付前後の晶出物および第二相粒子（分散粒子）の個数密度（個／μｍ^２）を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって測定した。測定方法は、ろう付前は素材に４００℃×１５秒のソルトバス焼鈍を行って変形ひずみを除去して化合物を観察しやすくした後、通常の方法で機械研磨、および電解研磨によって薄膜を作製し、透過型電子顕微鏡にて３０００倍で写真撮影した。各５視野について写真撮影し、画像解析によって分散粒子のサイズおよび個数密度を計測した。

（導電率）
ＪＩＳＨ−０５０５記載の導電率測定方法により、ダブルブリッジ式導電率計にて測定した。

（ろう付後強度）
前記記載の所定のろう付後、圧延方向と平行にサンプルを切り出してＪＩＳ１３号Ｂ形状の試験片を作製し、引張試験を実施し、引張強さを測定した。引張速度は３ｍｍ／分とした。ここで引張強さが１７０ＭＰａ以上のものを◎、１５０〜１７０ＭＰａのものを○、１５０ＭＰａ未満のものを×と評価した。

以上、本発明について、上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲を逸脱しない限りは本実施形態を適宜変更することが可能である。

本発明のろう付け用部材は、好適には、自動車用熱交換器のフィン材、チューブ材などに用いることができる。ただし、本発明としては適用範囲がこれに限定されるものではない。

１フィン材
１Ａ芯材
１Ｂろう材
１Ｃ犠牲材
２アルミニウム合金フィン材
３チューブ
１０熱交換器

Claims

質量％でＭｎ：１．０〜２．０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ｓｉ：０．３〜１．０％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなり、ろう付熱処理前に、電気伝導度が４５％ＩＡＣＳ以下であり、各元素のマトリクスへの固溶度が、質量％で、Ｍｎ含有量で１８％〜２５％、Ｓｉ含有量で３５％〜４５％、Ｃｕ含有量で７０％〜８０％を満足し、且つ円相当径で０．５μｍ以上３．５μｍ以下のＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系金属間化合物の数密度が１．０×１０^４個／ｍｍ^２以下であることを特徴とするろう付後の強度に優れるろう付け用部材。
６００℃×３分のろう付け相当加熱後のろう付け後強度（引張強さ）が１５０ＭＰａ〜２００ＭＰａであることを特徴とする請求項１記載のろう付後の強度に優れるろう付け用部材。
請求項１または２に記載のろう付け用部材を芯材とし、前記芯材の片面または両面にろう材がクラッドされていることを特徴とするクラッド材。
前記芯材の片面にＡｌ−Ｚｎ合金からなる犠牲材がクラッドされていることを特徴とする請求項３記載のクラッド材。
請求項１または２に記載のろう付け用部材がろう付け接合されていることを特徴とする自動車用熱交換器。