JP5689717B2 - 自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は耐食性及び屈曲性に優れた自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブと、その製造方法に関する。

現在の自動車において、ラジエータとエンジンとを結ぶ冷却水用配管にはゴムホースが用いられることが一般的ではあるが、ゴムホースでは配管の配置によりゴムホースがつぶれてしまい効率的に冷却水の循環が行えない場合があり、また、高出力のエンジンに使用される場合、エンジンルームが高温になるため、ゴムホースの劣化が問題となる場合もあり、ゴムホースに替えてアルミ製ホースが用いられることがある。

この様なアルミ製ホースとして、特許文献１のような犠牲防食層を配置したクラッド管を用いることが一般的であったが、屈曲性を有していないため、エンジンルーム内の形状に合わせ配管を曲げ加工した後、ラジエータとエンジンとを接続せねばならず生産性が低かった。

屈曲性を有するアルミ製ホースとしては、特許文献２のような、コルゲート状の配管構造を有するものが知られているが耐食性を有しておらず、冷却水を循環させる用途には利用できなかった。

特開平１１−４４４９７号公報 特開２００４−１５６６７２号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、屈曲性と耐食性とを両立させた自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブは、
Siを0.05mass%以上、0.9mass%以下、Feを0.2mass%以上、0.5mass%以下、Cuを0.1mass%以上、0.7mass%以下、Mnを0.5mass%以上、1.8mass%以下、Tiを0.05mass%以上、0.2mass%以下含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金の心材層と、心材層の一方の片面にZnを0.2mass%以上、5mass%以下、Feを0.2mass%以上、0.5mass%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる犠牲材層の２層からなり、
最小直径と最大直径の比率が０．５〜０．９であることを特徴とする。

コルゲートチューブ材の厚みが0.2mm以上で1.0mm以下であり、犠牲材の厚みが全体の厚みの３〜３０％であることが好ましい。

本発明の第２の観点にかかる自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブの製造方法は、
Siを0.05mass%以上、0.9mass%以下、Feを0.2mass%以上、0.5mass%以下、Cuを0.1mass%以上、0.7mass%以下、Mnを0.5mass%以上、1.8mass%以下、Tiを0.05mass%以上、0.2mass%以下含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金の心材層と、心材層の一方の片面にZnを0.2mass%以上、5mass%以下、Feを0.2mass%以上、0.5mass%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる犠牲材層の２層からなり、最小直径と最大直径の比率が０．５〜０．９であり、
全板厚が0.2mm以上で1.0mm以下であるアルミニウム合金クラッド板材を、円筒形状に折り曲げて成型したのち、その両端部を融接し、コルゲート加工により長手方向へ螺旋状の突条を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、屈曲性を有することにより、予め配管形状を決めることなく、取り付け時にエンジンルーム内の形状に合わせて形状を決めることができ、かつ、高い耐食性を有する自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブ及びその製造方法を提供することができる。

本発明の自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブの一例を示す図である。 アルミニウム合金クラッド板材の接合を説明するための図である。 引張強度測定におけるアルミニウムコルゲートチューブ材の様態を示す図である。 曲げ加工性評価におけるアルミニウムコルゲートチューブ材の様態を示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明の自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブは、心材（層）と、心材の一方の片面の犠牲材（層）との２層からなる。

（犠牲材）
犠牲材において、Znは0.2mass%以上、5.0mass%以下添加される。Znが添加されることで、心材よりも犠牲陽極材の自然電位を下げる働きを持ち、犠牲防食効果によりクラッド材の耐食性が向上する。Znが0.2mass%未満では、犠牲防食効果が機能しにくくなり、耐食性が低下する。一方、Znが5.0mass%を超えると、犠牲材の自己耐食性が低下するために耐食性が低下し、アルミニウムコルゲートチューブの融接部でのZnの濃縮が顕著となり、優先腐食が発生する。

犠牲材において、Feは0.2mass%以上、0.5mass%以下添加される。Feは、Al-Fe系化合物やAl-Fe-Si系化合物として存在し、強度を向上させる効果がある。Feが0.2mass%未満では、これらの化合物が少ないために、強度が不足する。一方、Feが0.5mass%を超えると、これらの化合物が多くなるために、カソードサイトが増加し、自己耐食性が低下する。強度と耐食性の観点から、Feは0.2mass%以上、0.5%mass以下であることが好ましい。

（心材）
心材において、Siは0.05mass%以上、0.9mass%以下添加される。心材のSi量は、0.05mass%未満であると強度向上の面では効果がなく、0.9mass%を越えると単体Siによる深い孔食を引き起こすおそれがある。より好ましくはSiを0.3〜0.6mass%とするのがよい。

心材において、Feは0.2mass%以上、0.5mass%以下添加される。Feは、心材に添加することで、Al-Fe系化合物やAl-Fe-Si系化合物として存在し、強度を向上させる効果がある。Feが0.2mass%未満では、これらの化合物が少ないために、強度が不足する。また、Feが0.5mass%を超えると、これらの化合物が多くなるために、カソードサイトが増加し、心材の耐食性が低下する。強度と耐食性の観点から、Feは、0.1mass%以上、0.5mass%以下であることがより好ましい。

心材において、Cuは0.1mass%以上、0.7mass%以下添加される。Cuは、心材の強度を向上させる元素であり、0.1mass%未満では、心材の強度を向上させることができない。また、0.7mass%を超えると粒界腐食感受性が増加し、耐食性を低下させる。

心材において、Mnは0.5mass%以上、1.8mass%以下添加される。Mnは心材の強度を向上させる元素である。Mnが0.5mass%未満では、心材の強度を向上させることができない。また、Mnが1.8mass%を超えると、粗大金属間化合物が生成されるために、加工性と耐食性が低下する。

心材において、Tiは、0.05mass%以上、0.2mass%以下添加される。Tiは心材の耐食性を向上させる元素であり、心材にTiが含有されていると、心材中へ層状に析出して、孔食が深さ方向に進行するのを抑制する効果がある。Tiが0.05mass%未満では、耐食性向上に影響を与えない。また、Tiが0.2mass%を超えると、粗大な金属間化合物が生成するために、加工性と耐食性が低下してしまう。

犠牲材の厚さは、3%以上、30%以下でクラッドされる。犠牲材の厚さが3%未満では、心材との厚み差が極端に大きいため圧延後のクラッドが困難となる。一方、犠牲材の厚さが30%を越えると、犠牲材自体が強度が低いため、内側の犠牲材比率が高まることで、コルゲートチューブ材自体の強下を招き、屈曲させた際に割れ、破壊しやすくなる。

コルゲートチューブの厚みは、0.2mm以上で1.0mm以下が適正である。コルゲートチューブの厚みが0.2mm未満では、成型したコルゲートチューブ材を曲げた時に、曲げ部でのチューブ断面が極端に変形する。一方、コルゲートチューブの厚みが1.0mmを超えると、曲げ変形しにくくなり、現場での施工が困難となる。

また、本コルゲートチューブは、コネクターなど他部材との接合のために、外表にろう材層をクラッドすることは、なんら実用上問題がなく、本発明の機能を損なうことはない。ろう付けを行う場合は、主にフッ化物系のフラックスを使用するろう付けに適用されるものである。コネクターとの接合では、トーチろう付けでの施工も対象となる。

犠牲材、心材の鋳塊は、ＤＣ鋳造法、連続鋳造法等により鋳造される。犠牲材、ろう材の鋳塊においては、面削後に所定の板厚に熱間圧延を実施する。心材用鋳塊は、均質化処理、面削を実施し後に、犠牲材板とろう材板を合わせて、常法により製造することができる。

圧延加工後に所定の板厚になった板材を、円筒形状に曲げ成形を行い、その曲げ成型した突合せ板端部を、図２に示すように、長手方向に溶接また電縫加工にて接合する。接合された連続円筒材を断面直径が一定の間隔で波型に屈曲した形状に転造加工にて作成することにより、図１に示すような自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブが製造される。この転造加工に成型される波型の屈曲した形状は、最大直径と最小直径の比率が0.5から0.9が適正である。0.5未満では成型したコルゲートチューブ材を曲げた時にその変形が波型形状の限られた谷部変形が集中し、大きな応力が蓄積して破壊しやすくなる。0.9を超えると曲げた時にチューブ断面がつぶれる形で変形し、チューブ断面形状を確保しにくい。

以下に、この発明の実施例を比較例と対比して説明する。

（実施例）
表１の合金符号Ａ１〜Ａ１０に示すこの発明の成分組成範囲内の犠牲陽極材、表２の合金符号Ｂ１〜Ｂ１３に示すこの発明の成分組成範囲内の心材について、それぞれＤＣ鋳造を行い鋳塊を作製した。

犠牲材については、面削を実施後に、５００℃にて熱間圧延により所定の板厚に圧延して板形状にした。心材用鋳塊は、５２０℃で６時間の均質化処理を行い、厚さ４０ｍｍに面削をした。それぞれ、犠牲材板、心材用鋳塊をこの順に表５〜表１１に示す組合せで重ねて、４８０℃で熱間圧延を施して厚さ３．５ｍｍの２層クラッド材とし、これを０．６ｍｍまで冷間圧延を行い、次いで３６０℃で３時間の焼鈍を施した後に、所定の板厚まで冷間圧延を実施し、クラッド材とした。

このクラッド材を、円筒形状に曲げ成形を行い、その曲げ成型した突合せ板端部を長手方向にＴＩＧ溶接にて接合した。接合された連続円筒材を表５〜１１に示す寸法比率で、断面直径が一定の間隔で波型に屈曲した形状に転造加工を行い、評価コルゲートチューブ材を作製した。

（比較例）
表１の合金符号Ａ１１〜Ａ１７に示す犠牲材、表２の合金符号Ｂ１４〜Ｂ２３に示す心材、実施例と同様にして表１２〜１５に示す組合せのクラッド材を作製した。

また、表３の合金符号Ｃ１に示す犠牲材、表４の合金符号Ｄ１に示す心材を溶解し、鋳造して心材合金の円筒状心材中空ビレット（外径４００ｍｍ、内径９０ｍｍ、長さ９９０ｍｍ）内面を切削加工して常温で１５０ｍｍφとした心材中空ビレットを得、犠牲材合金の押出し管（常温：外径１５０ｍｍ、内径所定クラッド構成に設定、長さ９９０ｍｍ）を犠牲材中空ビレットとして得た。心材中空ビレットを５００℃に加熱後、常温の犠牲材中空ビレットを心材中空ビレットの内径部に挿入し、冷却することによって焼嵌めを行った。焼嵌めされた２層クラッドの中空ビレットを４５０℃で間接押出し、外径４７ｍｍ、肉厚３．５ｍｍの押出し管とし、この押出し管に引抜き加工を繰返し施して、外径１０．０５ｍｍ、肉厚を所定の厚みした２層クラッド管を得、表１５の組み合わせとした。

なお、ここで表１、２、３、４に示す各成分組成値は発光分光分析装置によって、鋳造後の犠牲材、心材より測定された値である。

（評価）
得られた各々のアルミニウムコルゲートチューブ材について、製造性、引張強度、曲げ加工性、耐食性について、次のように評価した。その結果を表５〜１５に示す。

（製造性評価）
犠牲陽極材、心材を重ね合せてクラッド材を製造した際に、健全なクラッド材ができた場合を◎とし、クラッド率の制御ができなかった場合を×とした。

（引張強度測定）
各アルミニウムコルゲートチューブ材を図３に示す様態で、引張試験を行ない、引張強度を調べた。そして引張強度が１７０ＭＰａ以上を◎、１７０ＭＰａ以下を×とした。

（曲げ加工性評価）
図４に示すような様態で、曲げ加工を行い、曲げ部外側と内側でクラックの発生しなかった場合を◎とし、発生した場合は×とした。また、チューブ断面が大きく変形しなかった場合を◎とし、変形した場合を×とした。

（耐食性評価）
チューブ材内側に、Ｃｕ^２＋イオンを１０ｐｐｍ加えた市水を腐食液として、室温で１６ｈｒと８０℃で８ｈｒのサイクル循環試験を行い、３ヶ月での内面クラッド層の孔食深さを測定した。腐食液の流速は１０ｌ／ｍｉｎとした。最大孔食深さが、６０μｍ未満を◎、８０μｍ未満を○、１００μｍ以上を×とした。

表５〜表１５に示すように、各種試験の結果、この発明の実施例１〜９５では、いずれも製造性、引張強度曲げ加工性、耐食性について、この発明のアルミニウムコルゲートチューブ材が適用される用途および環境に適していることが確認されたが、比較例９６〜１３２では、次に述べるように、この発明のアルミニウムコルゲートチューブ材が使用される用途、環境において、不当な結果となることが判明した。

すなわち、
比較例９６の場合は、アルミニウムコルゲートチューブ材の最小直径／最大直径比率が小さかったため曲げ加工性が低下した。
比較例９７の場合は、アルミニウムコルゲートチューブ材の最小直径／最大直径比率が小さかったため曲げ加工性が低下した。
比較例９８の場合は、犠牲材のＺｎ量が少ないため、耐食性が低下した。
比較例９９の場合は、犠牲材のＺｎ量が多いため、耐食性が低下した。
比較例１００の場合は、犠牲材のＦｅ量が少ないため、強度が低下した。
比較例１０１の場合は、犠牲材のＦｅ量が多いため、耐食性が低下した。
比較例１０２の場合は、アルミニウムコルゲートチューブ材の最小直径／最大直径比率が小さかったため曲げ加工性が低下した。
比較例１０３の場合は、犠牲材の厚さが小さいため、健全なクラッド材が製造できなかった。
比較例１０４の場合は、犠牲材の厚さが大きいため、健全なクラッド材が製造できなかった。
比較例１０５の場合は、心材のＳｉ量が少ないため、強度が低下した。
比較例１０６の場合は、心材のＳｉ量が多いため、耐食性が低下した。
比較例１０７の場合は、心材のＦｅ量が少ないため、強度が低下した。
比較例１０８の場合は、心材のＦｅ量が多いため、耐食性が低下した。
比較例１０９の場合は、心材のＭｎ量が少ないため、強度が低下した。
比較例１１０の場合は、心材のＭｎ量が多いため、製造できなかった。

比較例９６−１１０は、アルミニウムコルゲートチューブ材の最小直径／最大直径比率が小さかったため曲げ加工性が低下した。
比較例１１１の場合は、アルミニウムコルゲートチューブ材の最小直径／最大直径比率が大きかったため曲げ加工性が低下した。
比較例１１２の場合は、アルミニウムコルゲートチューブ材の最小直径／最大直径比率が大きかったため曲げ加工性が低下した。
比較例１１３の場合は、犠牲材のＺｎ量が少ないため、耐食性が低下した。
比較例１１４の場合は、犠牲材のＺｎ量が多いため、耐食性が低下した。
比較例１１５の場合は、犠牲材のＦｅ量が少ないため、強度が低下した。
比較例１１６の場合は、犠牲材のＦｅ量が多いため、耐食性が低下した。
比較例１１７の場合は、アルミニウムコルゲートチューブ材の最小直径／最大直径比率が小さかったため曲げ加工性が低下した。
比較例１１８の場合は、犠牲材の厚さが小さいため、健全なクラッド材が製造できなかった。
比較例１１９の場合は、犠牲材の厚さが大きいため、健全なクラッド材が製造できなかった。
比較例１２０の場合は、心材のＳｉ量が少ないため、強度が低下した。
比較例１２１の場合は、心材のＳｉ量が多いため、耐食性が低下した。
比較例１２２の場合は、心材のＦｅ量が少ないため、強度が低下した。
比較例１２３の場合は、心材のＦｅ量が多いため、耐食性が低下した。
比較例１２４の場合は、心材のＭｎ量が少ないため、強度が低下した。
比較例１２５の場合は、心材のＭｎ量が多いため、製造できなかった。

比較例１１１−１２５は、アルミニウムコルゲートチューブ材の最小直径／最大直径比率が大きかったため曲げ加工性が低下した。
比較例１２６の場合は、心材のＣｕ量が少ないため、強度が低下した。
比較例１２７の場合は、心材のＣｕ量が多いため、耐食性が低下した。
比較例１２８の場合は、心材のＴｉ量が少ないため、耐食性が低下した。
比較例１２９の場合は、心材のＴｉ量が多いため、製造できなかった。
比較例１３０の場合は、アルミニウムコルゲートチューブ材の全板厚が、薄かったので曲げ加工性が低下した。
比較例１３１の場合は、アルミニウムコルゲートチューブ材の全板厚が、厚かったので曲げ加工性が低下した。
比較例１３２の場合は、押出し材の最小直径／最大直径比率が１であったため、曲げ加工性が低下した。

Claims (3)

1. Siを0.05mass%以上、0.9mass%以下、Feを0.2mass%以上、0.5mass%以下、Cuを0.1mass%以上、0.7mass%以下、Mnを0.5mass%以上、1.8mass%以下、Tiを0.05mass%以上、0.2mass%以下含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金の心材層と、心材層の一方の片面にZnを0.2mass%以上、5mass%以下、Feを0.2mass%以上、0.5mass%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる犠牲材層の２層からなり、
   最小直径と最大直径の比率が０．５〜０．９であることを特徴とする自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブ。
2. コルゲートチューブの厚みが0.2mm以上で1.0mm以下であり、犠牲材の厚みが全体の厚みの３〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載の自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブ。
3. Siを0.05mass%以上、0.9mass%以下、Feを0.2mass%以上、0.5mass%以下、Cuを0.1mass%以上、0.7mass%以下、Mnを0.5mass%以上、1.8mass%以下、Tiを0.05mass%以上、0.2mass%以下含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなるアルミニウム合金の心材層と、心材層の一方の片面にZnを0.2mass%以上、5mass%以下、Feを0.2mass%以上、0.5mass%以下を含有し、残部がAl及び不可避不純物よりなる犠牲材層の２層からなり、最小直径と最大直径の比率が０．５〜０．９であり、
   全板厚が0.2mm以上で1.0mm以下であるアルミニウム合金クラッド板材を、円筒形状に折り曲げて成型したのち、その両端部を融接し、コルゲート加工により長手方向へ螺旋状の突条を形成したことを特徴とする自動車冷却水配管用アルミニウムコルゲートチューブの製造方法。