(57)【要約】【課題】高いろう付け性と、ろう付け後の高温下における高い耐クリープ性が得られるアルミニウム合金材の製造方法を提供する。【解決手段】Ｍｎ：１．０〜１．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜０．２質量％を含有し、不純物としてのＳｉを０．６質量％未満、Ｆｅを０．７質量％未満に規制し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなる合金素材に、最終寸法となるまで冷間加工を施す。その後、合金素材に対し５６０〜６２０℃の温度で０．５〜２０００時間保持する溶体化処理を施す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎ：１．０〜１．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜０．２質量％を含有し、不純物としてのＳｉを０．６質量％未満、Ｆｅを０．７質量％未満に規制し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなる合金素材に、最終寸法となるまで冷間加工を施す工程と、
前記冷間加工された前記合金素材に対し５６０〜６２０℃の温度で０．５〜２０００時間保持する溶体化処理を施す工程と、を備えた、
ことを特徴とする耐クリープ性に優れたアルミニウム合金材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐クリープ性に優れたアルミニウム合金材の製造方法に関し、特に、熱交換器等のろう付け構造体の一部をなす素材として有用な、Ａｌ−Ｍｎ合金材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ろう付け接合で構成される自動車用熱交換器では、Ａｌ−Ｍｎ合金材から形成された部材が多用されている。近年、自動車の燃費性能向上や環境対応のため、従来のものより高い温度及び圧力の下で使用される熱交換器（高性能インタークーラーやＣＯ２冷媒を用いたエアコン等）の開発が進められている。これに対応するため、部材の材料であるＡｌ−Ｍｎ合金材にも高温、具体的には１５０〜２７０℃での耐クリープ性の向上が求められている。
【０００３】
ろう付け接合され使用される熱交換器用Ａｌ−Ｍｎ合金材について、析出物の制御や合金元素の添加等により高温強度を向上させる技術は、例えば特許文献１，２に提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５３０７９４号公報
【特許文献２】特表２００４−５２４４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に開示された技術は、Ｍｇ等の合金元素の添加による強化を骨子とするものである。しかしながら、例えばＭｇの添加は、フラックスを使用した場合のろう付け性を低下させてしまうという問題点がある。また、特許文献１，２には、ろう付け後の使用温度での耐クリープ性を向上させる技術は開示されていない。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、高いろう付け性と、ろう付け後の高温下における高い耐クリープ性が得られるアルミニウム合金材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る耐クリープ性に優れたアルミニウム合金材の製造方法は、
Ｍｎ：１．０〜１．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜０．２質量％を含有し、不純物としてのＳｉを０．６質量％未満、Ｆｅを０．７質量％未満に規制し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなる合金素材に、最終寸法となるまで冷間加工を施す工程と、
前記冷間加工された前記合金素材に対し５６０〜６２０℃の温度で０．５〜２０００時間保持する溶体化処理を施す工程と、を備えた、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱交換器用の部材として多用されているＡｌ−Ｍｎ合金（ＪＩＳ３００３合金）に適切な溶体化処理を施すことにより、Ｍｎ及びＣｕによる固溶強化を増大させるとともに結晶粒を成長させることができるため、高いろう付け性を得ながら耐クリープ性に優れたアルミニウム合金材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明者らは、ＭｇレスのＪＩＳ３００３合金が、熱交換器用の部材として多用されていることを重視し、このような一般的なＡｌ−Ｍｎ合金の１５０〜２７０℃での耐クリープ性を向上するための方法を検討した。そして、本発明者らは、最終板厚まで圧延した後に適切な条件で熱処理することにより、Ａｌ−Ｍｎ合金板の耐クリープ性の向上が可能なことを見出し、さらにろう付け後の耐クリープ性も改善されることを見出した。
【００１０】
以下、本実施形態のアルミニウム合金（以下、Ａｌ−Ｍｎ合金ともいう）材の製造方法について説明する。なお、以下の説明では、主にＡｌ−Ｍｎ合金板の製造方法について説明する。
【００１１】
先ず、本実施形態に使用する合金素材を用意する。本発明の対象の合金素材は、Ｍｎ：１．０〜１．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜０．２質量％を含有し、不純物としてのＳｉを０．６質量％未満、Ｆｅを０．７質量％未満に規制し、残部がＡｌと不可避的不純物とからなるＡｌ−Ｍｎ合金である。
【００１２】
Ｓｉを０．６質量％以上含有する場合、又はＦｅを０．７質量％以上含有する場合には、成形性や耐食性が阻害されるため好ましくない。
【００１３】
上記Ａｌ−Ｍｎ合金は、アルミニウム合金に対する不可避的な不純物元素として０．１質量％以下のＺｎを含有していてもよい。さらに、アルミニウムの鋳造で一般的に用いられる微細化剤由来の成分であるＴｉ：０．０１質量％〜０．１５質量％を、単独で、又はＢ（ボロン）：０．０００１質量％〜０．０５質量％とともに含有していてもよい。Ｔｉ含有量が０．０１質量％未満であり、かつＢ含有量が０．０００１質量％未満である場合には、鋳塊の組織微細化の効果が少なくなる。また、Ｔｉ含有量が０．１５質量％を超えるとＴｉＡｌ３が晶出し成形性が阻害され、Ｂ含有量が０．０５質量％を超えるとＴｉＢ２の粗大粒子が混入し成形性が阻害される。以上の理由により、Ｔｉ及びＢの含有量は上記範囲内であることが好ましい。
【００１４】
ＪＩＳ規格の３００３合金が、上記の対象合金範囲に該当する。
【００１５】
なお、必須合金成分であるＭｎは、溶体化処理により、多くが固溶状態となって、クリープに対する抵抗を増大させる効果を持つ。Ｍｎの添加量が１．０〜１．５質量％より少なくなると、耐クリープ性向上の効果が限定されるため好ましくない。また、Ｍｎの添加量が上記の範囲より多くなると、粗大な晶出物が多く形成され、耐クリープ性の向上は飽和するので不適当である。
【００１６】
Ｃｕも耐クリープ性の向上に有効な添加元素である。Ｃｕの添加量が０．０５〜０．２質量％より少なくなると、耐クリープ性の向上効果が限定されるため好ましくない。また、Ｃｕの添加量が上記の範囲より多くなると、ろう付け後の１５０〜２７０℃での使用時に粒界に析出物が形成され、粒界腐食感受性が高くなるので不適当である。
【００１７】
次に、上記合金素材を最終板厚まで圧延する。圧延は、例えば、ＤＣ（Direct Chill）鋳造、均質化処理、熱間圧延及び冷間圧延を用いた公知の方法により行うことができる。これにより、Ａｌ−Ｍｎ合金板が得られる。冷間圧延においては、中間板厚又は最終板厚での焼鈍を適宜実施してもよい。また、Ａｌ−Ｍｎ合金板は、最終焼鈍されたＯ材、又は加工が加えられたＨ材のいずれでもよい。
【００１８】
次に、Ａｌ−Ｍｎ合金板に対して、以下の条件で溶体化処理を施す。具体的には、５６０〜６２０℃で０．５〜２０００時間保持し、その後１００℃までの平均冷却速度が１℃／ｓ以上となるように急冷する。これより遅い冷却速度であると、冷却中にＭｎを含む金属間化合物の析出が起こり、耐クリープ性に寄与する固溶Ｍｎが減少するため不適当である。
【００１９】
ここで、溶体化処理温度及び保持時間を上記範囲内とした理由を以下に示す。
【００２０】
溶体化処理温度が５６０℃より低いと、合金元素成分の固溶が不十分になるため不適当である。また、溶体化処理温度が６２０℃より高い温度でも、効果の改善は飽和し、局部溶融等の弊害が起こる可能性があるので不適当である。
【００２１】
保持時間を０．５時間未満とすると、溶体化効果及び結晶粒成長が不足するため不適当である。また、２０００時間を超える保持時間で溶体化処理をしても特段の性能向上に結びつかない。従って、保持時間は０．５〜２０００時間とすることが適当である。特に、保持時間を１５時間以上とすると、後述するように耐クリープ性の向上が大きいため、特に望ましい。
【００２２】
なお、溶体化処理は、大気雰囲気炉、非酸化性ガス雰囲気炉又は塩浴炉等の炉を適宜選択して実施することができる。また、冷却方法は、空冷又は水焼入れ等の方法を適宜選択することができる。さらに、溶体化処理の前又は後に、板のプレス成形やロール成形等の加工を行っても差し支えない。
【００２３】
上記方法で製造されたＡｌ−Ｍｎ合金板は、最も多い使用形態として、熱交換器等の構造体を形成するために、他の部材と組み合わせてろう付け接合される。このような使用形態では、少なくとも接合しうる部位にはＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材が配置される。ここで、相手材については、Ａｌ−Ｓｉ系合金を皮材とするブレージングシートとすることが生産効率上好ましい。
【００２４】
ろう付け方法は、フッ化物系などの非腐食性フラックスを用いて炉中でろう付けを行う、所謂ノコロック法が好適であるが、これに限定されるものではない。ろう付け加熱温度は５９０〜６１０℃の範囲が好適であり、この温度範囲内で１〜３０分間保持されることで接合される。ろう付け加熱の冷却は１℃／ｓ以上の速度で行うことが望ましい。
【００２５】
上述した本実施形態の製造方法によれば、適切な溶体化処理を施すことで、Ｍｎ及びＣｕによる固溶強化の効果が増大する。これにより、Ａｌ−Ｍｎ合金板の耐クリープ性を向上させることができる。また、本実施形態の溶体化処理時に結晶粒が成長することも耐クリープ性の向上に寄与する。なお、Ａｌ−Ｍｎ合金板をろう付けする場合には５９０℃〜６１０℃での短時間の加熱が行われるが、事前の溶体化処理を行うことにより、十分に有効元素を固溶させることが可能となる。また、本実施形態の製造方法は、Ｍｇ等のろう付け性を低下させる合金元素を添加していないため、フラックスを使用した場合にも良好なろう付け性が得られる。
【００２６】
なお、上述の実施形態ではＡｌ−Ｍｎ合金板の製造方法について説明した。しかし、本発明に係るアルミニウム材の製造方法は、板材のみならず、棒材、線材、管材等、用途に応じ様々な形状のＡｌ−Ｍｎ合金材に使用することとしてもよい。これらの場合、最終寸法までの冷間加工は、圧延以外にも押出し、引抜き等、Ａｌ−Ｍｎ合金材の形状に応じた種々の方法を使用することができる。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明の効果について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００２８】
先ず、表１に示す組成のＡｌ−Ｍｎ合金を通常のＤＣ鋳造で鋳塊とし、均質化処理後に熱間圧延して厚さ５ｍｍの熱間圧延板とした。続いて、この熱間圧延板を、さらに冷間圧延で板厚２ｍｍとし、最終焼鈍で再結晶させてＯ材のＡｌ−Ｍｎ合金板とした。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
次に、上記のＡｌ−Ｍｎ合金板（Ｏ材）を、表２に示すように６００℃で保持時間を変えて溶体化処理した。この際の冷却は水焼入れとしたが、冷却速度は５００℃／ｓ以上であった。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
このようにして作製した試験片について、耐クリープ性をシングル型クリープラプチャー試験装置によって評価した。試験片は平行部５ｍｍで評点間３０ｍｍのものを用い、試験条件は２５０℃、負荷応力は４５ＭＰａとした。
【００３３】
本発明の規定範囲内で処理された実施例１〜６と、比較例１〜４とについての上記試験結果を表３に示す。実施例１〜４と比較例１，２とは、ともにろう付け加熱がなされていない例である。表３に示すように、実施例１〜４の場合に、最小歪速度が小さくなるとともに破断時間が長くなった。即ち、実施例１〜４の場合に耐クリープ性が改善されたことを示す結果が得られた。その中でも、溶体化処理の保持時間が１５時間以上である実施例１，２では、特に最小歪速度が１０−６／ｓのオーダーと小さくなり破断時間が長くなることから、特筆すべき耐クリープ性の向上が実現されている。これに対し、溶体化処理保持時間の短い比較例１、及び、溶体化処理しなかった比較例２では、最小歪速度が大きく破断時間が短い。即ち、比較例１，２では耐クリープ性が不十分である。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
また、一部の溶体化処理条件で、本発明の処理を施したＡｌ−Ｍｎ合金板と本発明の範囲から外れるＡｌ−Ｍｎ合金板とに、それぞれろう付け加熱を行った上で試験片を作製した。その作製方法を以下に示す。
【００３６】
先ず、図１に示すように、Ａｌ−Ｍｎ合金板１１の長手方向の両端部にブレージングシート１２をろう付けしてろう付け構造体１０を形成した。ブレージングシート１２は、Ａｌ−Ｓｉろう材を外皮とするクラッド材である。Ａｌ−Ｍｎ合金板１１とブレージングシート１２との接合部は、公知の方法でフッ化物系のフラックスを塗布し、６００℃で３分間保持する条件で窒素中ろう付けした。このろう付け温度保持後の冷却は、約１．８℃／ｓ程度の速度であった。その後、Ａｌ−Ｍｎ合金板１１から試験片を採取した。
【００３７】
このように作製されたろう付け加熱後の試験片に対して、上述した試験条件と同様のクリープラプチャー試験を実施した。表３に示すように、溶体化が短時間か溶体化処理なしでろう付け加熱された比較例３，４に対して、本発明の実施例５，６はろう付け後でも２５０℃での耐クリープ性が良好であるという結果が得られた。また、ろう付け加熱された試験片の場合でも、溶体化処理の保持時間が１５ｈ以上である実施例５で特に耐クリープ性が良好であった。なお、ろう付け性は本発明の実施例５，６ともに良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例におけるろう付け構造体を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ろう付け構造体
１１  Ａｌ−Ｍｎ合金板
１２  ブレージングシート
【図１】
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