JP2016121373A - 熱交換器用フィン材および熱交換器用組み付け体 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1では、Fe、Mn、Siを適量含有し、結晶粒径を調整することで成形性、ろう付け性などを改善したフィン材が提案されており、特許文献2では、Mn、Si、Feを適量含有し、Fe/Mn比を規定することで強度、耐食性、熱伝導性などを改善したフィン材が提案されている。また、特許文献3では、Mn、Si、Fe、Znを適量含有し、Mn、Si量相互の関係を規定し、さらに金属間化合物を規定することで高強度、高熱伝導性を改善したフィン材が提案されている。
また、最近では熱交換器として組み付けられた後のろう付加熱過程におけるフィン材の強度変化特性が非常に重要であることが分かってきている。つまり、ろう付加熱過程において、フィン材がチューブ材に対して、低温領域で軟化すると、フィンの強度が低下して座屈を生じ局部的にろう付不良(フィンの未接着)が生じる。一方でチューブ材に対して、高温領域まで軟化しないと、相対的にフィンの強度が高いために、接合体であるチューブを変形させてしまう問題がある。このように、近年ではDC製法において、ろう付後の高強度と高導電牲を満足しつつ、なお且つ熱交換器としてのろう付性に優れるフィン材が求められている。
Mnは、Al−(Mn、Fe)−Si系粒子を析出させ、分散強化によるろう付後の強度を得るために含有する。ただし、1.0%未満であると、Al−(Mn、Fe)−Si系金属化合物による分散強化の効果が小さく、所望のろう付後強度が得られない。一方、2.0%を越えると、鋳造性、圧延性などにおいて製造性を悪化させる。このためMn含有量を1.0〜2.0%とする。なお、同様の理由で下限を1.2%、上限を1.8%とするのが望ましい。
Al−(Mn、Fe)−Si系粒子は、Al、Mn、Siを必須の成分として含む。Al−(Mn、Fe)−Si系粒子は、Al、Mn、Siのみで構成されていてもよく、これにFeを含んでいてもよい。以下も同様である。
Cuは、ろう付け後の強度向上に寄与する。ただし、0.01%未満の含有では、強度向上の効果が小さく、一方、0.20%を超えて含有すると、鋳造性が低下して製造性が悪化し、また、融点が低下してろう付け性が低下する。このため、Cu含有量は、0.01〜0.20%とする。なお、同様の理由で下限を0.05%、上限を0.15%とするのが望ましい。
Siは、Al−(Mn、Fe)−Si系粒子を析出させ、分散強化によるろう付後の強度を得るために含有する。ただし、0.5%未満の含有では、Al−(Mn、Fe)−Si系金属間化合物による分散強化の効果が小さく、所望のろう付後強度が得られない。一方、1.3%を超えて含有すると、融点が低下してろう付け性が低下する。このため、Si含有量を0.5〜1.3%とする。なお、同様の理由で下限を1.0%、上限を1.2%とするのが望ましい。
Feは、Al−(Mn、Fe)−Si系粒子を析出させ、分散強化によるろう付後の強度を向上させる効果がある。ただし、0.5%を超えて含有すると、鋳造性、圧延性などにおいて製造性を悪化させ、耐食性が低下する。このため、Fe含有量は、0.1〜0.5%とする。また、上記効果を得るため、Fe含有量は下限を0.2%、上限を0.4%とするのが望ましい。
Znは、アルミニウム合金の電位を卑にする作用があり、犠牲陽極効果を得て耐食性を向上させるために含有する。ただし、1.0%未満の含有では、所望の耐食性向上効果が得られない。一方、3.0%を超えて含有すると腐食減量が増加する。このため、Zn含有量を1.0〜3.0%とする。なお、同様の理由で下限を1.5%、上限を2.0%とするのが望ましい。
Ti、Cr、Mgは金属間化合物を形成し、分散強化および固溶強化により強度が向上するので、所望により1種以上を含有する。ただし、それぞれ含有量が下限未満であると、分散強化および固溶強化への影響が小さく、強度が向上する効果が小さい。Ti、Crがそれぞれの上限を超えると、鋳造時の晶出物が粗大化し、製造性が低下する。また、Mgは、上限を超えるとろう付性を低下させる。
したがって、それぞれの含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由でTi、Cr、Mgで、下限0.03%、上限0.15%とするのが望ましい。
ろう付けに際し、上記強度変化を満たすことで、強度変化を生じる相手材との間で強度差を抑えて良好なろう付けを行うことができる。
なお、同様の理由で加熱温度が300℃以下で耐力140MPa以上、または、加熱温度が400℃以上で耐力が80MPa以下とするのが望ましい。
ろう付後において、導電率が42%IACS以上
部材の薄肉化に伴い、高強度材が求められている。フィン材のろう付後強度が低いと車載搭載時に熱交換器に負荷される繰り返しの振動や冷却水の膨張、圧縮により、フィン破断が生じやすくなる。このような破断部ではフィンのチューブ膨張、圧縮を抑制する効果が得られず、チューブは太鼓状に膨張して、早期の破断つまり内部冷却水の漏れにつながる。これまでの実績ではフィン板厚が80μm以下となった場合でもろう付後の引張強さ140MPa以上有していれば、市場でのフィン破断を大幅に軽減できることが分かっている。
耐力は弾性限度を示しており、ろう付後の耐力が低い場合、車載搭載時の繰り返し振動により、フィン破断に至らなくても、塑性変形を生じて原形を留めず、複数段のフィンが変形する事でコア収縮が生じる。フィン板厚が80μm以下となった場合でもろう付後の耐力50MPa以上有していれば、上記影響を軽減できることが分かっている。
ろう付後の平均結晶粒径が150μm未満と細かいと結晶粒界を経路としたろう侵食(エロージョン)が起こりやすく、フィンの座屈を生じやすくなる。
フィン材の厚さが薄いことにより、ろう付け時の高温軟化が顕著になり、本願発明の効果が顕著になる。
円相当径0.01〜0.10μmのAl−(Mn、Fe)−Si系第2相粒子が1.0×104〜1.0×106個/mm2存在
ろう付け前の導電率は、添加元素の固溶析出状態を判断できる45%IACS以上とすることで、固溶度が低くて、ろう付加熱時の再結晶は阻害されないため所望の強度特性が得られる。
また、ろう付け前に円相当径0.01〜0.10μmのAl−(Mn、Fe)−Si系第2相粒子が1×104個/mm2以上存在することで、これら微細な第2相粒子が、転位や亜粒界の移動に対する障害となることで、ろう付時の再結晶サイトへのひずみの蓄積を抑制させ、再結晶温度を遅延させることができる。これら効果により、ろう付加熱時の軟化挙動(強度変化)を所望の範囲に制御できる。また、これら第2相粒子の分散状態は析出強化によるろう付後の強度向上および固溶元素量低下による導電率向上に寄与する。
これら第2相粒子は、腐食環境においてカソード(還元反応)を促進させるため、腐食速度の増加を抑制するために、上限を1×106個/mm2とする。
本発明のフィン材は、例えば常法の工程を利用して製造することができるが、添加元素の固溶度を制御する工程を含むのが望ましい。
アルミニウム合金は、本発明組成に調製して溶製することができる。該溶製は半連続鋳造法によって行うことができる。
得られたアルミニウム合金鋳塊に対しては、所定条件で均質化処理を行う。すなわち、均質化処理は、温度350〜450℃、保持時間3〜12時間が望ましい。
その後、熱間圧延、冷間圧延などを経て、例えば板厚80μm以下の薄板状フィン材とする。本発明では、上記のように半連続鋳造法の適用が可能であるが、CC鋳造法(連続鋳造圧延法)の適用を排除するものではなく、連続鋳造法の後、冷間圧延を行ってもよい。
フィン材は単材として用いてもよく、ろう材とクラッドしたブレージングシートとして用いてもよい。ブレージングシートでは、一面にAl−Si系などのろう材をクラッドし、他面に犠牲陽極材などをクラッドしたものとしてもよい。
なお、相手部材の材料組成は特に限定されるものではないが、例えばAl−Mn系合金を芯材としたブレージングシートを示すことができる。
なお、本発明としては、ろう付における条件(ろう付温度、雰囲気、フラックスの使用の有無、ろう材の種別など)は特に限定されるものではない。ろう付けの際の温度管理としては、例えば、昇温速度10〜100℃/min、保持温度590〜610℃、保持時間1〜10min、冷却速度10〜100℃/minなどの条件で行うことができる。
上記ろう付け条件内において、本発明における耐力の条件を満たすものは、本発明の範囲内となり得るものである。
また、相手材は、加熱温度が300℃以下で耐力が140MPa以上、加熱温度が400℃以上で耐力が90MPa以下であり、300℃超、350℃未満の温度では、上記耐力を維持するか、高温に連れて強度が低下する強度範囲を有している。
加熱温度域における材料の強度変化の例を図1に示す。ろう付け加熱に際し、本実施形態のフィン材と相手材とは、強度変化が適正化されて良好なろう付けが達成される。
一方、図では、従来フィン材が示されている。この従来フィン材の成分は、例えばAl−Mn−Fe−Zn系合金で示される。この場合、加熱過程で従来フィン材と相手材とは、強度が大きく異なる領域が発生しており、ろう付け性を悪化させている。
冷間圧延工程では、75%以上で冷間圧延を行った後、350℃にて中間焼鈍を行い、その後圧延率40%の最終圧延を行い、板厚0.06mmで、質別H14のフィン材(供試材)を得た。
室温から600℃まで平均昇温速度40℃/分で昇温し、600℃で3分保持後、100℃/分の降温速度で降温冷却する熱処理の条件でろう付相当加熱を行った。
ろう付前後の円相当径が0.01〜0.10μmのAl−(Mn、Fe)−Si系第二相粒子(分散粒子)の個数密度(個/μm2)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第二相粒子について30000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。
ろう付加熱を想定して室温から450℃まで一定の速度100℃/minで昇温し、各温度(250,300,350,400,450℃)に到達後、速やかに常温まで急冷(冷却速度500℃/min)した。その後、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、耐力を測定した。引張速度は3mm/分とした。
作製した前記フィン材に、ろう付相当の熱処理を施した。具体的には、600℃まで平均昇温速度40℃/分で昇温し、600℃で3分保持後、100℃/分の降温速度で降温冷却した。その後、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、引張強さと耐力を測定した。引張速度は3mm/分とした。
JIS H−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。
塩酸、フッ酸、硝酸の混合液にてサンプル表面をエッチングすることで結晶粒を露出させ、撮影された表面結晶粒組織写真を用いて、直線切断法により結晶粒径を測定し、円相当径を算出した。
Claims (5)
- 質量%で、Mn:1.0〜2.0%、Cu:0.01〜0.20%、Si:0.5〜1.3%、Fe:0.1〜0.5%、Zn:1.0〜3.0%、を含有し、残部がAlと不可避不純物の組成のアルミニウム合金からなり、ろう付加熱において、加熱温度が250℃以下で耐力が140MPa以上、加熱温度が450℃以上で耐力が80MPa以下であり、ろう付後において、常温で、引張強さが140MPa以上、耐力が50MPa以上、導電率が42%IACS以上であり、ろう付け後の平均結晶粒径が150μm以上であることを特徴とする強度、導電性、ろう付性に優れた熱交換器用フィン材。
- 板厚が80μm以下である請求項1記載の熱交換器用フィン材。
- 質量%で、Ti:0.01〜0.20%、Cr:0.01〜0.20%、Mg:0.01〜0.20%のうち、1種類以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の強度、導電性、ろう付性に優れた熱交換器用フィン材。
- ろう付前において、導電率が45%IACS以上であり、かつ円相当径が0.01〜0.10μmのAl−(Mn、Fe)−Si系第2相粒子が1.0×104〜1.0×106個/mm2存在することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の強度、ろう付性に優れた熱交換器用フィン材。
- 請求項1〜4に記載の熱交換器用フィン材と、ろう付加熱において、加熱温度が300℃以下で耐力が140MPa以上、加熱温度が400℃以上で耐力が90MPa以下であるAl−Mn系相手材とが組み付けられていることを特徴とする熱交換器用組み付け体。
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