JP5192890B2 - 耐食性に優れた熱交換器用押出扁平多穴管および熱交換器 - Google Patents
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Description
すなわち、Cuの含有されたアルミニウム合金では、Cuの含有量が多いと、低融点化合物の形成が避けられなくなり、高速押出の押出加工熱によって局部的な溶融が生じてしまう。この局部的な溶融によってアルミ滓が生じ、アルミ滓が押出金型に凝着・堆積することにより、ピックアップを生じさせる。
また、本発明は、本発明の耐食性に優れた熱交換器用押出扁平多穴管を用いた、耐食性に優れ、十分な強度を有する熱交換器を提供することを目的とする。
本発明において、AlFe相とは、EDXにより測定したFe、Si原子濃度の比(=Fe原子濃度/Si原子濃度)が7.0以上のものを意味する。
また、上記の耐食性に優れた熱交換器用押出扁平多穴管においては、前記Znフラックス層がZnF2,ZnCl2,KZnF3のいずれか1種又は2種以上からなるものとすることができる。
また、本発明の熱交換器によれば、耐食性に優れ、十分な強度を有するものとなる。
図1は、本発明の熱交換器用扁平多穴管の一例を示した斜視図である。図1に示す熱交換器用扁平多穴管1は、複数の冷媒通路穴4を有する断面視偏平状のものであり、外表面にZn溶射皮膜2が設けられている。
図1に示す熱交換器用押出扁平多穴管1は、質量%でSi:0.01〜0.4%、Fe:0.01〜0.3%、Mn:0.05〜0.7%、Ti:0.05〜0.2%、SiとMnの合計が0.8%以下、不可避不純物としてのCuが0.1%以下に規制されている、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、マトリックス中に分散している粒子面積1.0μm2以上の粒子のうち、AlFeSi安定相の占める面積率が0.1%以上0.5%未満であるものである。
以下に記載する各元素の含有量は、特に規定しない限り質量%である。
「Si」0.01〜0.4%
アルミニウム合金にSiを含有させることにより、マトリックス中にAlFeSi安定相を生じさせることができる。アルミニウム合金にSiを含有させて、AlFeSi安定相を生じさせることにより、マトリックス中にSiが固溶していることに起因するピックアップの発生を抑制できる。また、Siを含有させることにより、強度、耐食性、押出性を向上させることができる。
Siの含有量が0.01%未満であると、マトリックス中にAlFeSi安定相を生じさせる効果が十分に得られず、耐食性を十分に向上させることができない場合がある。また、Siの含有量が0.01%未満であると、強度が不十分となるため好ましくない。また、Siの含有量が0.4%を超えると、低融点化合物が形成されやすくなり、高速押出の押出加工熱に起因するピックアップが生じやすくなる。
アルミニウム合金にFeを含有させることにより、マトリックス中にAlFeSi安定相を生じさせることができる。また、Feは、分散強化によってアルミニウム合金の強度を向上させる一方、粗大な晶出物を生成しやすく、合金の腐食速度を増大させて、耐食性を低下させる虞がある。また、Feを含有させることによって、生成した晶出物が再結晶の核となるため、ろう付時の再結晶粒が微細となり、耐ろう侵食性が低下する場合がある。このため、Feの含有量は、質量%で0.01〜0.3であることが望ましい。Feの含有量を0.01〜0.3とすることにより、耐食性、ろう付性を劣化させることなく、強度を向上させることができる。
本実施形態のアルミニウム合金において、Mnは、強度および耐食性を向上させる作用がある。また、アルミニウム合金に含有されたMnは、Alマトリックスに対して貴であって腐食の原因となるAlFe化合物と反応して、AlFeMnを生成することにより、Alマトリックスに対する貴を低下させて、耐食性を向上させるものである。
Mnの含有量が0.05%未満であると、熱交換器用押出扁平多穴管1の強度および耐食性が不十分となるため好ましくない。また、Mnの含有量が0.7%を越えると、押出時の変形抵抗が上昇して高速押出が困難となる恐れが生じるため好ましくない。また、Mnの含有量が0.3%を越えると、高速押出時にピックアップが生じやすくなる。
本発明を構成するアルミニウム合金において、Tiは、熱交換器用押出扁平多穴管1の強度および耐久性を向上させ、押出装置の金型と熱交換器用押出扁平多穴管1との接触部分の高速押出時における潤滑性を向上させてピックアップの発生を抑制するものである。また、Tiを添加することにより、Al−Ti系化合物を形成でき、押出時の金型クリーニング効果が得られる。さらに、Tiを添加することにより、熱交換器用押出扁平多穴管1を構成する合金組織の扁平化を促すことができ、孔食状の腐食による貫通孔の発生を抑制することができる。
Tiの含有量が0.05%未満であると、熱交換器用押出合金の強度および耐久性を向上させる効果が十分に得られなくなる場合があるため好ましくない。また、Tiの含有量が0.05%未満であると、高速押出時における潤滑性を向上させる効果が十分に得られず、高速押出時におけるピックアップの発生を抑制する効果を向上させることができない恐れがある。また、Tiの含有量が0.2%を越えると、押出時の変形抵抗が上昇して高速押出が困難となる恐れが生じるため好ましくない。さらに、Tiの含有量が0.2%を越えると、粗大なTi化合物が発生しやすく、素材の品質を損なう場合があるため好ましくない。
SiおよびMnは、ともに過剰な添加が高速押出時にピックアップ発生の原因となる。SiとMnの添加量の総和を0.8%以下に規制することで、良好な高速押出性を確保することが出来る。
Cuが上記範囲を超えると、CuがAlの原子格子構造の中に入り込んで、Alを変形し難くするため、高速押出が困難となる。
また、Cuが上記範囲を超えると、以下に示す問題が生じて耐食性を劣化させる場合がある。すなわち、加熱や経時変化によりCuがSiとともに析出して、粒界近傍にCu−Si欠乏相が形成され、粒界腐食が発生する問題が生じる。また、マトリックスの電位が貴になってマトリックスとAlTi粒子との電位差が十分に得られなくなる問題や、熱交換器用押出扁平多穴管1の外表面にZn溶射皮膜を設けた場合に生じるZnによる犠牲陽極効果を阻害する問題などが生じる。
また、本実施形態のアルミニウム合金は、マトリックス中に分散している粒子面積1.0μm2以上の粒子のうち、AlFeSi安定相の占める面積率が0.1%以上0.5%未満であるものであり、0.2%以上0.3%以下であることがより好ましい。このようなアルミニウム合金は、マトリックス中のSiがAlFeSi安定相として析出されたものとなる。ここで、マトリックス中に分散している粒子のうち粒子面積1.0μm2未満の粒子は、粒子の容量が少ないため、押出時の加熱(予熱、加工熱、摩擦熱)によって、容易にSiの固溶が生じ、効果的にSiをAlFeSi安定相として析出させることができないため、好ましくない。上記面積率が0.1%未満であると、SiをAlFeSi安定相として析出させる効果が十分に得られないため、好ましくない。また、上記面積率を0.5%以上としても、Siを析出させることによる効果が飽和するため、耐食性の向上は見られない。
ここで、「AlFeSi安定相」とは、EDXにより測定したFe、Si原子濃度の比(=Fe原子濃度/Si原子濃度)が3.5未満であるものを意味する。
また、「AlFeSi準安定相」とは、EDXにより測定したFe、Si原子濃度の比(=Fe原子濃度/Si原子濃度)が3.5〜7.0の範囲であるものを意味する。
次に、本実施形態の熱交換器用押出扁平多穴管1の製造方法について説明する。
本実施形態においては、上記のアルミニウム合金を均質化処理する工程を備え、アルミニウム合金を均質化処理する工程において、第1熱処理と冷却工程と第2熱処理とを順に行なう製造方法を例に挙げて説明する。
第1熱処理においては、上記のアルミニウム合金を560℃〜620℃の範囲の温度、より好ましくは590℃超〜610℃の範囲の温度で1時間〜18時間、より好ましくは3時間〜10時間保持する。
第1熱処理を行なうことで、CuやSiなどの各元素を均一に分布させることができる。
冷却工程は、第1熱処理の後、第2熱処理の前に、第1熱処理によって高温となったアルミニウム合金を常温とする工程である。
アルミニウム合金中に析出されたTi化合物は、押出装置の金型と熱交換器用押出合金との接触部分の高速押出時における潤滑性を向上させてピックアップの発生を抑制するとともに、金型の磨耗性を向上させる。Ti化合物からなる析出物(サイト)の大きさは、均質化処理における温度が高温であるほど大きく、低温であるほど小さくなり、析出物(サイト)の数は、均質化処理における温度が高温であるほど少なく、低温であるほど多くなる。したがって、冷却工程により、析出物(サイト)の核となる大きさの小さい析出物を多数形成しておくことで、第2熱処理において、冷却工程で形成された小さい析出物を軸としたTi化合物の析出を促進することができる。
第2熱処理は、第1熱処理後のアルミニウム合金を450℃〜520℃の範囲の温度、より好ましくは480℃〜510℃の範囲の温度で2時間超〜18時間、より好ましくは3時間〜10時間保持する。
第2熱処理を行なうことにより、第1熱処理によって一旦固溶したSi、Cu、Mnを前記冷却工程で形成した析出物(サイト)と結合させることで、押出装置の金型と熱交換器用押出合金との接触部分の高速押出時における潤滑性を向上させ、ピックアップの発生を抑制するとともに、金型の磨耗性を向上させることができる。
また、本実施形態の熱交換器用押出扁平多穴管1は、高速押出可能なものであるから、押出加工手段から押出された熱交換器用押出扁平多穴管1を、押出加工手段から押出す押出速度で溶射加工手段内を通過させることによって、熱交換器用押出扁平多穴管1の外表面にZn溶射皮膜2を設ける場合、押出加工手段から高速で押出された熱交換器用押出扁平多穴管1が、高速で溶射加工手段内を通過することになり、熱交換器用押出扁平多穴管1の外表面に薄く均一なZn溶射皮膜2が形成される。したがって、薄くて均一なZn溶射皮膜2を有し、軽量で均一なZnの犠牲陽極効果による耐食性向上効果が得られる熱交換器用押出扁平多穴管1を高速で製造できる。
Znフラックス層には、Znが少なくとも含まれるが、Znの他に、Znを含まないZn非含有フラックス層が含まれていても良い。Znフラックス層は、ZnF2、ZnCl2、KZnF3のいずれか1種又は2種以上のZn化合物からなるものであることが好ましい。このようなZnフラックス層は、Znフラックスを塗布することより、容易に薄くかつ均一な犠牲陽極層として機能するものとなるため、好ましい。また、Zn非含有フラックス層としては、例えば、LiF,KF,CaF2、AlF3、SiF4などの弗化物や、前記弗化物の錯化合物であるKAlF4、KAlF3などが少なくとも1種以上含まれているものなどが好ましく用いられる。
図2は、本発明の熱交換器の一例を示した斜視図である。図2に示す熱交換器は、ヘッダーパイプ5と称される左右一対の管体と、ヘッダーパイプ5の間に互いに平行に間隔を空けて設けられた図1に示す熱交換器用扁平多穴管1と、熱交換器用扁平多穴管1、1同士の間に設けられた波形のフィン6とを備えたものである。図2に示す熱交換器においては、各熱交換器用扁平多穴管1の内部空間とヘッダーパイプ5の内部空間とが連通されている。そして、図2に示す熱交換器では、ヘッダーパイプ5の内部空間と各熱交換器用扁平多穴管1の内部空間とに媒体を循環させることにより、フィン6を介して効率良く熱交換ができるようになっている。
なお、本発明においては、ろう付けの際の雰囲気や加熱温度、時間などの条件について、特に限定されるものではない。また、ろう付け方法も特に限定されない。
「実施例1〜実施例14、比較例1〜比較例8」
表1に示す成分を含有するアルミニウム合金を鋳造してなるビレットを製作し、このビレットに、表2に示す均質化処理を行なった。そして均質化処理後のビレットを押出し、押出された熱交換器用押出扁平多穴管を表3および表4に示す押出速度でZn溶射量10g/m2で溶射加工手段内を通過させ、熱交換器用押出扁平多穴管の外表面にZn溶射皮膜2を設けることにより、図1に示す熱交換器用押出扁平多穴管1を得た。
AlFeSi安定相の面積率は、以下に示すようにして算出した。まず、測定面積1mm2の測定視野内に存在する全粒子について、EDX(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)によりFe、Si原子濃度を測定した。そして、FeとSiの原子濃度の比(=Fe原子濃度/Si原子濃度)が3.5未満であることをAlFeSi安定相の判定基準とし、以下の式(1)により、AlFeSi安定相総面積率(%)を算出した。
AlFeSi安定相の面積率(%)=AlFeSi安定相総面積÷測定面積×100・・・(1)
AlFe相の面積率は、以下に示すようにして算出した。まず、AlFeSi安定相の面積率と同様にして、Fe、Si原子濃度を測定した。そして、FeとSiの原子濃度の比(=Fe原子濃度/Si原子濃度)が7.0以上であることをAlFe相の判定基準とし、以下の式(2)により、AlFe相総面積率(%)を算出した。
AlFe相の面積率(%)=AlFe相総面積÷測定面積×100・・・(2)
比較例1における押出速度を1とした場合の比(倍)を意味する。
「ピックアップ評価」
ピックアップの発生の評価として、表面粗さ(Rmax(μm))を測定した。ピックアップが発生すると、扁平押出多穴管の表面は荒れた外観となり、表面粗さの数値が大きくなる。
「強度」
熱交換器用押出扁平多穴管を長手方向に引張試験機にて引っ張る方法により測定した。
実施例1〜実施例14、比較例1〜比較例7の熱交換器用押出扁平多穴管と、両面ろうを有するフィンとを組み合わせ、600℃で3minのろう付けのための熱処理を行なうことにより図3に示すコア3(試験体)を作製し、SWAAT(Sea Water Acetic Acid Test、人工海水噴霧試験)評価を行なった。図3において、符号10、20は熱交換器用押出扁平多穴管を示し、符号30はフィンを示している。
試験方法は、ASTM(G85−85)規格に則り、以下の条件で(1)および(2)を2サイクル行い実施した。
(1)人工海水(pH=3)噴霧:50℃、0.5時間
(2)湿潤:50℃、1.5時間
また、比較例2〜比較例4では、SiとMnの合計が0.8%を超えているので、強度は高いが、表面粗さが大きかった。
また、比較例5では、Cuの含有量が0.1%を超えているので、強度は高いが、表面粗さが大きかった。
また、比較例6および比較例7では、AlFeSi安定相の占める面積率が0.1%未満であるため、SWAAT貫通日数が少なく、耐食性が不十分であった。
表1に示す成分を含有するアルミニウム合金を鋳造してなるビレットを製作し、このビレットに、表2に示す均質化処理を行なった。そして均質化処理後のビレットを表5および表6に示す押出速度で押出すことにより、熱交換器用押出扁平多穴管を得た。
また、比較例9〜比較例11では、SiとMnの合計が0.8%を超えているので、強度は高いが、表面粗さが大きかった。
また、比較例12では、Cuの含有量が0.1%を超えているので、強度は高いが、表面粗さが大きかった。
また、比較例13および比較例14では、AlFeSi安定相の占める面積率が0.1%未満であるため、SWAAT貫通日数が少なく、耐食性が不十分であった。
Claims (6)
- 質量%でSi:0.01〜0.4%、Fe:0.01〜0.3%、Mn:0.05〜0.7%、Ti:0.05〜0.2%、SiとMnの合計が0.8%以下、不可避不純物としてのCuが0.1%以下に規制されている、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、
マトリックス中に分散している粒子面積1.0μm2以上の粒子のうち、AlFeSi安定相の占める面積率が0.1%以上0.5%未満であることを特徴とする耐食性に優れた熱交換器用押出扁平多穴管。 - マトリックス中に分散している粒子面積1.0μm2以上の粒子のうち、AlFe相の占める面積率が0.3%以下であることを特徴とする請求項1に記載の耐食性に優れた熱交換器用押出扁平多穴管。
- 外表面にZn溶射皮膜が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の耐食性に優れた熱交換器用押出扁平多穴管。
- 外表面にZnフラックス層が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の耐食性に優れた熱交換器用押出扁平多穴管。
- 前記Znフラックス層がZnF2,ZnCl2,KZnF3のいずれか1種又は2種以上からなることを特徴とする請求項4に記載の耐食性に優れた熱交換器用押出扁平多穴管。
- 請求項1〜請求項5のいずれかに記載の耐食性に優れた熱交換器用押出扁平多穴管を備えたことを特徴とする熱交換器。
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