JP2008264825A - アルミニウムクラッド材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的厚みのある素材を用いたクラッド材にも適用しうる製造方法であって、クラッド界面の剥離を防止しつつ、高圧下率にて圧着圧延を行うことができる、生産性に優れたアルミニウムクラッド材の製造方法を提供する。
【解決手段】芯材１とその両面に重ね合わせた合せ材２，２とを熱間圧延にて圧着してアルミニウムクラッド材を製造する方法であって、熱間圧延の初期段階において、圧延ロール５，５への通板の直前に各合せ材２，２の表層部のみを、例えば直火バーナ６，６にてさらに加熱することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の熱交換器等に使用されるアルミニウム合金製ブレージングシートなどのアルミニウムクラッド材の製造方法に関する。

アルミニウムクラッド材は、一般的に、重ね合わせた複数の材料を熱間圧延または冷間圧延により圧着圧延する技術を用いて製造されている。しかしながら、未圧着の材料を圧着圧延する場合には、高い圧下を行うと圧延機の出側で板反りにより圧着面が剥離し、クラッド材を製造できないという課題がある。また、未圧着でなくでも、クラッド界面（以下、単に「界面」ということあり。）の周囲を溶接した場合や、初期の圧延パスで圧延強度が不十分な材料の場合でも、強圧下を行うと、上記と同様の理由により剥離が生じてしまう。このため、従来は、圧着強度が十分になるまで強圧下ができず、生産性に劣る軽圧下の圧延を続けなければならなかった。

例えば、自動車等の熱交換器用のブレージングシートは、一般に、熱間圧延による圧着圧延技術を用いて製造されているが、犠牲陽極材とろう材とをそれぞれ芯材に圧着するために１パス当たりの圧下量を増加させると、クラッド界面でのせん断変形により剥離が発生する。このため、圧着を行いながら剥離が発生しないように、通常、特に圧延工程の前段側で軽い圧下を繰り返すパススケジュールが採用されている。例えば、圧延開始前の板厚の６０％以上の板厚での圧下率を１．０％以上５％以下とし、圧延開始前の板厚の３０％以上６０％未満の板厚での圧下率を５％以上１５％以下として、圧延の前段側を後段側に比べて軽圧下とする製造方法が開示されている（特許文献１参照）。

一方、クラッド材を構成する各材料の変形抵抗の差を考慮して、材料ごとに分けて加熱するとともにそれらの材料ごとに異なる張力を付与して圧着圧延を行う方法（特許文献２参照）や、変形抵抗の大きい方の材料のみを赤外線で急速加熱して圧着圧延する方法（特許文献３参照）が開示されている。

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法のように、圧延工程の前段側で軽圧下を繰り返すことにより、芯材への両表層材の圧着の促進とクラッド界面の剥離の防止を両立させることは可能であるが、上述したように、軽圧下を繰り返すことは、所要の板厚に減少させるまでに多くのパス回数を要し、著しい生産性の低下が発生する。

また、上記特許文献２に記載の方法のように、材料ごとに分けて加熱するとともにそれらの材料ごとに異なる張力を付与することは、材料間の変形抵抗差を少なくでき、強圧下を可能とする点で有力な方法であるが、複雑な設備および制御を必要とし、設備コスト、ひいては加工コストが上昇してしまう問題がある。

また、特許文献３に記載の方法のように、変形抵抗の大きい方の材料（合せ材）のみを急速加熱することは、その実施例に記載されているように、アルミニウム箔のような厚みの薄い材料を用いる場合には、赤外線ランプ等を用いて合せ材の厚み全体を急速加熱することは可能である。しかしながら、自動車等の熱交換器用のブレージングシートなど比較的厚みのあるクラッド材を製造する場合には、材料の厚みが厚いため、合せ材の厚み全体の変形抵抗を低下させるほど急速に温度上昇を行うのは困難である。
特開平９−１８４０３８号公報 特開昭６２−２８９３８６号公報 特開平４−１１８１８５号公報

そこで本発明は、比較的厚みのある素材を用いたクラッド材にも適用しうる製造方法であって、クラッド界面の剥離を防止しつつ、高圧下率にて圧着圧延を行うことができる、生産性に優れたアルミニウムクラッド材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記クラッド材の圧着圧延時におけるクラッド界面の剥離現象について種々検討を行った結果、この剥離は、圧延機出側においてクラッド界面に作用するせん断応力が主要原因であることを突き止めた。なかでも、クラッド界面を引き剥がす方向に垂直応力が作用しているときにおけるせん断応力の最大値（最大せん断応力）が重要であることがわかった。

すなわち、このクラッド界面に作用するせん断応力と垂直応力は、後記図４および５に示すように、従来の圧延方法では圧下率の上昇とともに増加するため、圧延初期における圧着圧延時に大きな圧下率が取れない原因となることが判明した。

また、このせん断応力と垂直応力は、合せ材の変形抵抗に依存し、該変形抵抗が大きくなるにしたがってともに増加することが知られている。したがって、合せ材を加熱してその変形抵抗を低下させることは、上記せん断応力と垂直応力をともに低下させ、圧延初期の圧下率を高めるのに有効と考えられる。しかしながら、合せ材のみを加熱する方法には上記従来技術のような問題点が存在する。

そこで、上記従来技術の問題点を解決するため、さらに検討を進めた結果、上記クラッド界面に作用するせん断応力と垂直応力をともに低下させて、圧延初期の圧下率を高めるためには、必ずしも合せ材の厚み全体を加熱する必要はなく、該合せ材の表層部のみを加熱すればよいことを見出した。
上記知見に基づき完成させた発明は以下のとおりである。

請求項１に記載の発明は、芯材とその両面に重ね合わせた合せ材とを熱間圧延にて圧着してアルミニウムクラッド材を製造する方法であって、熱間圧延の初期段階において、圧延ロールへの通板の直前に各合せ材の表層部のみをさらに加熱することを特徴とするアルミニウムクラッド材の製造方法である。

請求項２に記載の発明は、前記表層部の加熱を行う各合せ材の部位が、該各合せ材の先端部および尾端部のみである請求項１に記載のアルミニウムクラッド材の製造方法である。

請求項３に記載の発明は、前記合わせ材の表層部の加熱を、前記圧延ロールの入り側直近に設けた加熱装置で行う請求項１または２に記載のアルミニウムクラッド材の製造方法である。

請求項４に記載の発明は、前記加熱装置が、直火バーナである請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウムクラッド材の製造方法である。

本発明によれば、圧着圧延の初期段階において、圧延ロールへの通板の直前に各合せ材の表層部のみを加熱することで、クラッド界面における引張応力およびせん断応力を大幅に低減でき、その結果、剥離を生じさせることなく、高圧下率にて圧着を行うことができるようになり、高生産性にてアルミニウムクラッド材が製造できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

［実施形態］
図１は、本発明に係る製造方法の一実施形態であるアルミニウムクラッド材の製造装置を模式的に示す図である。芯材１とその両面に重ね合わせた合せ材２，２とからなる３層構造の積層材３は、図示しない加熱炉で所定温度に加熱された後、圧延機４に搬送され、熱間圧延されてクラッド材となるが、熱間圧延の初期段階において、圧延機４の圧延ロール５へ通板する直前に各合せ材２，２の表層部のみを加熱装置としての直火バーナ６，６でさらに加熱する。この直火バーナ６，６による加熱は、最初の圧延パスの直前にだけ行ってもよいが、最初の複数パスの各直前に行うようにしてもよい。

上記加熱により、実質的に昇温（例えば１５℃程度以上の昇温）される表層部の深さおよび表面温度の上昇度合いは、後記実施例の図２に示す計算結果より、表層部の深さは２０〜５０ｍｍ程度、表面温度の上昇度合いは２５〜４５℃程度とすればよい。

また、図示しない加熱炉の出口から圧延機４まで搬送される間での放冷による表面温度の低下を少なくするため、直火バーナ６，６は圧延ロール５入口にできるだけ近接して設けることが望ましい。図１は圧延機４としてのリバースミルへの適用例であり、圧延ロール５の入り出両側に直火バーナ６，６が設けられ、圧延を開始するときだけ着火し、バーナ能力に応じて通板速度を調節することにより各合せ材２，２の表層部のみを加熱することができる。また、直火バーナ６，６は昇降可能としておくことにより、直火バーナ６，６の火焔と合せ板２，２の表面との距離を調節することができるので、種々の厚みの積層材３に対応できるとともに、クラッド材以外の材料を圧延するときなど、直火バーナ６，６が不要な場合は、操業トラブルを避けるために被圧延材から退避させておくことができる。

また、クラッド界面での剥離は、通常、クラッド材の先端部および尾端部で発生することから、例えば、クラッド材の先端部および尾端部が直火バーナ６，６の位置を通過するときだけ直火バーナ６，６をオンにし、その他のときはオフにしておくなど、積層材３の先端部および尾端部のみを加熱することで、燃料コストを低減することも可能である。

上記のように、圧着圧延の初期段階において、圧延ロール５へ通板する直前に各合せ材２，２の表層部のみを加熱することで、圧延ロール５へ通板したとき該表層部の変形抵抗が小さくなりこの部分での歪みが大きくなるので、クラッド界面における歪みが減少して該界面での垂直応力およびせん断応力が減少する。この結果、圧着圧延の初期段階において、従来より強圧下してもクラッド界面での剥離が生じることが防止される。

本発明に係る製造方法を適用した具体的なパススケジュールは、例えば、剥離を生じない界面接合強度の指標となる臨界最大せん断応力τ(limit)を予め算出しておき、熱間圧延のパス毎にクラッド界面に作用する最大せん断応力τを数値解析により予測し、この予測した最大せん断応力τが前記臨界最大せん断応力τ(limit)を超えないようにパス毎の圧下量を決定することにより作成できる。

ここで、前記最大せん断応力τは、以下のようにして予測することができる。すなわち、合せ材の表層部のみを加熱したときの該合せ材の表面温度（目標値）と、クラッド材の中心温度（加熱炉による加熱温度に相当）とから、クラッド材の板厚方向の温度分布を計算し、この温度分布に基づいて該板厚方向の変形抵抗分布を求める。そして、この変形抵抗分布より、例えば有限要素法を用いて、クラッド界面に作用するせん断応力と垂直応力のクラッド界面長手方向分布を計算する。そして、これらの応力分布より、垂直応力が存在する（すなわち、クラッド界面を引き剥がす方向に応力が作用している）領域における、せん断応力の最大値を求め、これを最大せん断応力τとすればよい。

また、臨界最大せん断応力τ(limit)を理論的に求めることは困難であるため、例えば、種々の圧延条件で実施した実機実験にて剥離を生じなかった圧下率の各パスに対して、上記数値計算にてクラッド界面での最大せん断応力τを計算し、これらの最大せん断応力τの計算値のうち最大のものを臨界最大せん断応力τ(limit)とすればよい。

（変形例）
上記実施形態では、加熱装置として直火バーナを例示したが、合せ材の表面を加熱できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、赤外線ヒータを用いることもできる。しかしながら、比較的厚手の合せ材の表層部を急速加熱するためには、エネルギ密度の高い直火バーナを用いることが推奨される。なお、直火バーナを用いても、各合せ材の表面から表層部のみを加熱するので、クラッド界面が酸化されることはなく、接着強度が低下するおそれはない。

また、上記実施形態では、３層構造のクラッド材への適用例を示したが、これに限定されるものではなく、４層以上の構造のものにも当然適用できる。

本発明の作用効果を確証するため、以下の数値計算を実施した。
〔クラッド材の板厚方向温度分布〕

（比較例）
比較例として、図２に、加熱炉から抽出した後における、自然放冷によるクラッド材の板厚方向の温度分布を数値計算で求めた結果を示す。計算条件は、クラッド材の熱物性値（比熱、熱伝導度など）としては、アルミニウム合金は純アルミニウムとほぼ同じ熱物性値を有することから、クラッド材全板厚にわたって純アルミニウムの熱物性値を採用し、クラッド材初期全板厚６００ｍｍ、抽出温度（加熱温度）５１０℃、外気温度３０℃とし、クラッド材表面から外気への伝熱は、対流伝熱および放射伝熱を考慮した。

同図に示すように、板表面温度は、加熱炉抽出後６０秒で約３５℃低下している。

（発明例）
発明例として、図３に、加熱炉から抽出した後にクラッド材の表面を直火バーナで加熱した場合における、クラッド材の板厚方向の温度分布を数値計算で求めた結果を示す。なお、本計算においては、上記比較例と同様、クラッド材全板厚にわたって純アルミニウムの熱物性値を採用し、クラッド材初期全板厚６００ｍｍ、抽出温度（加熱温度）５１０℃としたが、加熱炉抽出後の自然放冷による温度低下は無視し、バーナ火焔による雰囲気温度１４００℃とし、バーナ火焔からクラッド材表面への伝熱は、対流伝熱および放射伝熱を考慮した。

同図に示すように、加熱時間によって合せ材の表面温度の上昇度合いおよび実質的に昇温される表層部の深さを調整することができる。

〔クラッド界面における応力〕
次に、図２における抽出後６０秒放冷時の温度分布と、図３における２０秒加熱時の温度分布と、抽出温度のまま（板厚方向均一温度）の３種類の温度分布の下（順に、「表面冷却」、「表面加熱」、「均一温度」と表示）で、有限要素法を用いて、圧下率を順次変更して圧延した場合における、クラッド界面での垂直応力とせん断応力を数値計算により求めた。なお、本数値計算では、芯材の初期板厚３００ｍｍ、合せ材の初期板厚１５０ｍｍ（初期全板厚６００ｍｍ）とし、温度関数としての変形抵抗値は、実機圧延機にて、芯材をＡｌ−Ｍｎ系合金、合せ材をＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系合金として圧延した際に、板温と変形抵抗値とを測定することにより求めた。

計算結果を図４および５に示す。なお、本数値計算の範囲では軽圧下であるため合せ材のみ変形するので、圧下率として合せ材の圧下率を用いて表示した。

これらの図より、板表面が冷却された場合（表面冷却の場合）は、板厚方向温度が均一な場合（均一温度の場合）と比較すると、界面でのせん断応力は、合せ材の圧下率によらずあまり変化しない（図５参照）ものの、界面での垂直応力は、合せ材の圧下率の増加とともに大幅に上昇しており（図４参照）、剥離を起こしやすくなることがわかる。

これに対し、板表面を加熱した場合（表面加熱の場合）は、板厚方向温度が均一な場合（均一温度の場合）と比較すると、界面での垂直応力は、合せ材の圧下率によらず、あまり変化しない（図４参照）ものの、界面でのせん断応力は、合せ材の圧下率が４％以下の範囲では大幅に低下してほぼ０に近づいており（図５参照）、この圧下率の範囲では、剥離が起こらないといえる。

よって、合せ材の表面を加熱して表層部を昇温することで、圧延の初期段階から、従来より大きな圧下が可能となり、生産性を大幅に向上できることが確認できた。

実施形態に係るアルミニウムクラッド材の製造装置を模式的に示す図である。 加熱炉から抽出した後における、自然放冷によるクラッド材の板厚方向の温度分布を示すグラフ図である。 加熱炉から抽出した後にクラッド材の表面を直火バーナで加熱した場合における、クラッド材の板厚方向の温度分布を示すグラフ図である。 合せ材の圧下率とクラッド界面での垂直応力との関係を示すグラフ図である。 合せ材の圧下率とクラッド界面でのせん断応力との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１…芯材
２…合せ材
３…積層材
４…圧延機
５…圧延ロール
６…加熱装置（直火バーナ）

Claims (4)

1. 芯材とその両面に重ね合わせた合せ材とを熱間圧延にて圧着してアルミニウムクラッド材を製造する方法であって、熱間圧延の初期段階において、圧延ロールへの通板の直前に各合せ材の表層部のみをさらに加熱することを特徴とするアルミニウムクラッド材の製造方法。
2. 前記表層部の加熱を行う各合せ材の部位が、該各合せ材の先端部および尾端部のみである請求項１に記載のアルミニウムクラッド材の製造方法。
3. 前記合わせ材の表層部の加熱を、前記圧延ロールの入り側直近に設けた加熱装置で行う請求項１または２に記載のアルミニウムクラッド材の製造方法。
4. 前記加熱装置が、直火バーナである請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウムクラッド材の製造方法。
   

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