(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：１．０質量％〜５．０質量％、Ｆｅ：０．０１質量％〜２．０質量％を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金材であって、
０．５〜５μｍの円相当径を有し、単体Ｓｉ及び単体Ｓｉの一部にＣａやＰの元素を含むものから選択されるＳｉ系金属間化合物が、前記アルミニウム合金材断面において１．３×１０３個／ｍｍ２以上２．２×１０４個／ｍｍ２以下存在し、
０．５〜５μｍの円相当径を有し、Ａｌ−Ｆｅ系及びＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系から選択されるＡｌと添加元素によって生成するＡｌ系金属間化合物の分散粒子が、前記アルミニウム合金材断面において１．３×１０３個／ｍｍ２以上３．３×１０４個／ｍｍ２以下存在することを特徴とする単層で加熱接合機能を有する熱交換器用アルミニウム合金材。
【請求項２】
Ｓｉ：１．０質量％〜５．０質量％、Ｆｅ：０．０１質量％〜２．０質量％を含有し、Ｍｇ：２．０質量％以下、Ｃｕ：１．５質量％以下及びＭｎ：２．０質量％以下から選択される１種または２種以上を更に含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金材であって、
０．５〜５μｍの円相当径を有し、単体Ｓｉ及び単体Ｓｉの一部にＣａやＰの元素を含むものから選択されるＳｉ系金属間化合物が、前記アルミニウム合金材断面において１．３×１０３個／ｍｍ２以上２．２×１０４個／ｍｍ２以下存在し、
０．５〜５μｍの円相当径を有し、Ａｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系及びＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系から選択されるＡｌと添加元素によって生成するＡｌ系金属間化合物の分散粒子が、前記アルミニウム合金材断面において１．３×１０３個／ｍｍ２以上３．３×１０４個／ｍｍ２以下存在することを特徴とする単層で加熱接合機能を有する熱交換器用アルミニウム合金材。
【請求項３】
前記アルミニウム合金材が、Ｚｎ：６．０質量％以下、Ｉｎ：０．３質量％以下及びＳｎ：０．３質量％以下から選択される１種または２種以上を更に含有する、請求項１又は請求項２記載の単層で加熱接合機能を有する熱交換器用アルミニウム合金材。
【請求項４】
前記アルミニウム合金材が、Ｔｉ：０．３質量％以下、Ｖ：０．３質量％以下、Ｃｒ：０．３質量％以下、Ｎｉ：２．０質量％以下及びＺｒ：０．３質量％以下から選択される１種または２種以上を更に含有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の単層で加熱接合機能を有する熱交換器用アルミニウム合金材。
【請求項５】
前記アルミニウム合金材が、Ｂｅ：０．１質量％以下、Ｓｒ：０．１質量％以下、Ｂｉ：０．１質量％以下、Ｎａ：０．１質量％以下及びＣａ：０．０５質量％以下から選択される１種または２種以上を更に含有する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の単層で加熱接合機能を有する熱交換器用アルミニウム合金材。
【請求項６】
前記アルミニウム合金材の表面にＺｎを含有する層が形成されている、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の単層で加熱接合機能を有する熱交換器用アルミニウム合金材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の単層で加熱接合機能を有する熱交換器用アルミニウム合金材と；当該アルミニウム合金材又はこれと異なるアルミニウム合金材からなる一又は二以上の部材と；を加熱接合したアルミニウム合金構造体において、少なくとも一つの接合箇所で、接合された少なくとも前記請求項１〜６のいずれか一項に記載のアルミニウム合金材の断面の金属組織において、１μｍ以上の円相当径を有する前記Ｓｉ系金属間化合物及びＡｌ系金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の個数が、全結晶粒界の三重点の個数の５０％以上の割合であることを特徴とするアルミニウム合金構造体。
【請求項８】
接合された前記請求項１〜６のいずれか一項に記載の単層で加熱接合機能を有する熱交換器用アルミニウム合金材と、当該アルミニウム合金材又はこれと異なるアルミニウム合金材からなる一又は二以上の部材；の少なくとも一つが、その表面にＺｎを含有する層を有する、請求項７に記載のアルミニウム合金構造体。
【請求項９】
前記アルミニウム合金構造体が、フィン材、チューブ材、プレート材及びタンク材から選択される二つ以上の部材が接合された熱交換器を構成する、請求項７又は８に記載のアルミニウム合金構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金材に関し、詳しくは、ろう材又は溶加材のような接合部材を使用することなくそれ自体の作用により、他の部材に接合可能なアルミニウム合金材に関する。また、このアルミニウム合金材を用いた、効率的に接合され、かつ接合前後の寸法変化又は形状変化が殆ど無い構造体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金材を構成部材とする熱交換器等の構造体の製造に際しては、アルミニウム合金材同士又はアルミニウム合金材と異種材料とを接合する必要がある。アルミニウム合金材の接合方法としては、様々な方法が知られているが、それらの中でブレージング法（ろう付け法）が多く用いられている。ブレージング法が多く用いられるのは、母材を溶融させることなく短時間で強固な接合を得ることができる等の利点が考慮されるためである。ブレージング法によるアルミニウム合金材の接合方法を用いて熱交換器等を製造する方法としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ合金からなるろう材をクラッドしたブレージングシートを用いる方法；粉末ろう材を塗布した押出材を用いる方法；各材料を組付け後に接合が必要な部分に別途ろう材を塗布する方法；などが知られている（特許文献１〜３）。更に、非特許文献１の「３．２  ろうとブレージングシート」の章には、これらのクラッドブレージングシートや粉末ろう材の詳細が説明されている。
【０００３】
これまで、アルミニウム合金材の構造体の製造においては、様々なブレージング法が開発されてきた。例えば自動車用熱交換器においては、フィン材を単層で用いる場合には、チューブ材にろう材をクラッドしたブレージングシートを使用する方法や、チューブ材にＳｉ粉末やＳｉ含有ろうを別途塗布する方法が採用されていた。一方、チューブ材を単層で用いる場合には、フィン材にろう材をクラッドしたブレージングシートを使用する方法が採用されていた。
【０００４】
特許文献４には、上述したクラッド材のブレージングシートに替えて、単層のブレージングシートを用いる方法が記載されている。この方法においては、熱交換器のチューブ材とタンク材に熱交換器用単層ブレージングシートを用いることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３０３４０５公報
【特許文献２】特開２００９−１６１８３５号公報
【特許文献３】特開２００８−３０８７６０号公報
【特許文献４】特開２０１０−１６８６１３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「アルミニウムブレージングハンドブック（改訂版）」社団法人軽金属溶接構造協会  ２００３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ブレージングシートのようなクラッド材を製造するには、各層を別々に製造し、更にそれらを重ね接合する工程が必要である。ブレージングシートの使用は熱交換器等のコストダウンの要求に反することとなる。また、粉末ろう材の塗布もろう材コストの分だけ製品コストに反映されることとなる。
【０００８】
これに対して、上述のように、クラッド材とされたブレージングシートに替えて単層ブレージングシートを適用するという提案もある。しかしながら、例えば、熱交換器製造において、単層のブレージングシートをチューブ材としてそのまま用いると、熱交換器の製造時の加熱によって、チューブ材が大きく変形してしまう問題点がある。また、単層のブレージングシートを板厚の薄いフィン材として用いると、フィンが容易に座屈変形してしまう問題点もある。
【０００９】
以上のように、熱交換器等のアルミニウム合金構造体のコストダウンのためには、ろう材を使わずに単層同士の材料で接合を行うことが好ましいといえる。しかしながら、単層のブレージングシートを安易に適用すれば、部材の変形の問題を回避することは困難である。本発明は、上記のような背景のもとになされたものであり、各種のアルミニウム合金構造体を製造するに際して、複層の部材を使用することによるコストアップを解消しつつも、接合時の変形の問題も生じさせない手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】
【００１０】
本発明者らは、鋭意検討の結果、これまでのブレージング法によるアルミニウム合金材の接合方法を改良するものであり、ろう材を使用することなく被接合材が発揮する接合能力を利用する新規な接合方法を見出した。この接合方法は、以下のアルミニウム合金材を用いて、特定の条件で接合し組み立てるものであり、ろう材のような接合部材がなくとも接合可能であり、更に、接合前後の変形も極めて少ないという特徴を有する。
【００１１】
即ち、本発明は、Ｓｉ：１．０質量％〜５．０質量％、Ｆｅ：０．０１質量％〜２．０質量％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金材であって、
０．５〜５μｍの円相当径を有するＳｉ系金属間化合物が、前記アルミニウム合金材断面において２５０個／ｍｍ２以上７×１０５個／ｍｍ２以下存在し、
０．５〜５μｍの円相当径を有するＡｌ系金属間化合物の分散粒子が、前記アルミニウム合金材断面において１００個／ｍｍ２以上７×１０５個／ｍｍ２以下存在することを特徴とするアルミニウム合金材である。
【００１２】
以下、本発明についてより詳細に説明する。本発明は、上記組成のアルミニウム合金材を加熱する際に生成する液相を接合に利用する点を基本的な特徴とする。そこで、まずこの液相の生成メカニズムについて説明する。
【００１３】
図１に代表的な２元系共晶合金であるＡｌ−Ｓｉ系合金の状態図を模式的に示す。Ｓｉ濃度がｃ１であるアルミニウム合金材を加熱すると、共晶温度（固相線温度）Ｔｅを超えた付近の温度Ｔ１で液相の生成が始まる。共晶温度Ｔｅ以下では、図２（ａ）に示すように、結晶粒界で区分されるマトリクス中に晶析出物が分布している。ここで液相の生成が始まると、図２（ｂ）に示すように、晶析出物分布の偏析の多い結晶粒界が溶融して液相となる。次いで、図２（ｃ）に示すように、アルミニウム合金材のマトリクス中に分散する主添加元素成分であるＳｉの晶析出物粒子や金属間化合物の周辺が球状に溶融して液相となる。更に図２（ｄ）に示すように、マトリクス中に生成したこの球状の液相は、界面エネルギーにより時間の経過や温度上昇と共にマトリクスに再固溶し、固相内拡散によって結晶粒界や表面に移動する。次いで、図１に示すように温度がＴ２に上昇すると、状態図より液相量は増加する。
【００１４】
また、図１において、アルミニウム合金材のＳｉ濃度が最大固溶限濃度より小さいｃ２の場合には、固相線温度Ｔｓ２を超えた付近で液相の生成が始まる。但し、ｃ１の場合と異なり、溶融直前の組織は図３（ａ）に示すように、マトリクス中に晶析出物が存在しない場合がある。この場合、図３（ｂ）に示すように粒界でまず溶融して液相となった後、図３（ｃ）に示すようにマトリクス中において局所的に溶質元素濃度が高い場所から液相が発生する。図３（ｄ）に示すように、マトリクス中に生成したこの球状の液相は、ｃ１の場合と同様に、界面エネルギーにより時間の経過や温度上昇と共にマトリクスに再固溶し、固相内拡散によって結晶粒界や表面に移動する。温度がＴ３に上昇すると、状態図より液相量は増加する。
【００１５】
本発明に係るアルミニウム合金材を用いた接合方法は、上記のようなアルミニウム合金材内部の局所的な溶融により生成される液相を利用するものである。そして、加熱温度の調整により液相の質量を好適な範囲にすることにより、接合と形状維持の両立を実現できるものである。例えば、本発明のアルミニウム合金材を成形して、チューブ、フィン、プレート等の構造体を作製し、６００℃程度の温度で熱処理を行うと、該アルミニウム合金材の内部の一部から液相が生成し、それが材料表面に染み出してきて接合が可能となり、ろう材等の接合部材を用いることなく熱交換器を製造することができる。
【００１６】
また、本発明に係るアルミニウム合金材においては、主に未溶融のマトリクス（アルミニウム材料中において金属間化合物を除いた部分）と液相生成に寄与しない金属間化合物がその材料強度を担っている。そのため、本発明に係るアルミニウム合金材は、接合中に一部溶融部分が生じている状態になっているが、形状を維持するのに十分な強度を有することができる。従って、本発明により製造される構造体は、接合中の強度低下による寸法変化や形状変化が殆どないという特徴を有する。このような特徴により、本発明のアルミニウム合金材は、接合時に変形し易いフィン等の薄肉の材料として好適に使用することができる。
【００１７】
このように、本発明は、アルミニウム合金材の液相を利用するものであるが、本発明の具体的特徴は、第１の態様として、アルミニウム合金材としてＳｉ濃度：１．０質量％〜５．０質量％、Ｆｅ：０．０１質量％〜２．０質量％のＡｌ−Ｓｉ―Ｆｅ系合金を基本組成とすること、及び、その金属組織においてＳｉ系金属間化合物及びＡｌ系金属間化合物が、断面において所定の面密度範囲で存在することにある。そこで、以下にこれらの特徴について説明する。尚、以下においては、「質量％」を単に「％」と記載する。
【００１８】
Ｓｉ濃度について、ＳｉはＡｌ−Ｓｉ系の液相を生成し、接合に寄与する元素である。但し、Ｓｉ濃度が１．０％未満の場合は充分な量の液相を生成することができず、液相の染み出しが少なくなり、接合が不完全となる。一方、５．０％を超えるとアルミニウム合金材中の液相の生成量が多くなるため、加熱中の材料強度が極端に低下し、構造体の形状維持が困難となる。従って、Ｓｉ濃度を１．０％〜５．０％と規定する。このＳｉ濃度は、好ましくは１．５％〜３．５％であり、より好ましくは２．０％〜３．０％である。尚、染み出す液相の量は板厚が厚く、加熱温度が高いほど多くなるので、加熱時に必要とする液相の量は、製造する構造体の構造に応じて必要となるＳｉ量や接合加熱温度を調整することが望ましい。
【００１９】
Ｆｅ濃度について、Ｆｅはマトリクスに若干固溶して強度を向上させる効果を有するのに加えて、晶出物として分散して特に高温での強度低下を防ぐ効果を有する。Ｆｅは、その添加量が０．０１％未満の場合、上記の効果が小さいだけでなく、高純度の地金を使用する必要がありコストが増加する。また、２．０％を超えると、鋳造時に粗大な金属間化合物が生成し、製造性に問題が生じる。また、本接合体が腐食環境（特に液体が流動するような腐食環境）に曝された場合には耐食性が低下する。更に、接合時の加熱によって再結晶した結晶粒が微細化して粒界密度が増加するため、接合前後で寸法変化が大きくなる。従って、Ｆｅの添加量は０．０１％〜２．０％とする。好ましいＦｅの添加量は、０．２％〜１．０％である。
【００２０】
次に、本発明に係るアルミニウム合金材の金属組織における特徴について説明する。本発明に係るアルミニウム合金材は、０．５〜５μｍの円相当径を有するＳｉ系金属間化合物が、その断面において２５０個／ｍｍ２以上７×１０５個／ｍｍ２以下存在することを特徴とする。ここで、Ｓｉ系金属間化合物とは、（１）単体Ｓｉ、及び（２）単体Ｓｉの一部にＣａやＰなどの元素を含むものであり、上述の液相発生のプロセスで説明した液相生成に寄与する金属間化合物である。尚、断面とは、アルミニウム合金材の任意の断面であり、例えば厚さ方向に沿った断面でもよく、板材表面と平行な断面でもよい。材料評価の簡便性の観点から、厚さ方向に沿った断面を採用するのが好ましい。
【００２１】
上記の通り、アルミニウム合金材中に分散したＳｉ粒子等の金属間化合物の分散粒子は、接合時においてその周囲のマトリクスと反応して液相を生成する。そのため、前記金属間化合物の分散粒子が微細なほど粒子とマトリクスの接する面積が増加する。従って、前記金属間化合物の分散粒子が微細なほど、接合加熱時において、より速やかに液相が生成し易くなり、良好な接合性が得られる。この効果は、接合温度が固相線に近い場合や昇温速度が速い場合により顕著である。そのため、本発明では、好適なＳｉ系金属間化合物として、その円相当径を０．５〜５μｍと規定すると共に、その存在割合として断面で２５０個／ｍｍ２以上７×１０５個／ｍｍ２以下であることを必要とする。２５０個／ｍｍ２未満であると、生成する液相に偏りが生じ良好な接合が得られなくなる。７×１０５個／ｍｍ２を超えると、粒子とマトリクスの反応面積が大きすぎるために、液相量の増加が急激に起こり変形が生じ易くなる。このように、このＳｉ系金属間化合物の存在割合は、２５０個／ｍｍ２以上７×１０５個／ｍｍ２以下とする。なお、この存在割合は、好ましくは１×１０３個／ｍｍ２以上１×１０５個／ｍｍ２以下である。
【００２２】
また、本発明に係るアルミニウム合金材では、基本組成（Ａｌ−Ｓｉ系合金）で生じるＳｉ系金属間化合物に加えて、Ａｌ系の金属間化合物が分散粒子として存在する。このＡｌ系金属間化合物は、Ａｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｎ―Ｓｉ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物等、Ａｌと添加元素によって生成する金属間化合物である。これらのＡｌ系金属間化合物は、Ｓｉ系金属間化合物とは異なり液相生成に大きく寄与するものではないが、マトリクスと共に材料強度を担う分散粒子である。そして、このＡｌ系金属間化合物については、０．５〜５μｍの円相当径を有するものが、材料断面において１００個／ｍｍ２以上７×１０５個／ｍｍ２以下存在する必要がある。１００個／ｍｍ２未満の場合には、強度低下による変形が生じる。一方、７×１０５個／ｍｍ２超える場合には、再結晶の核が増加して結晶粒が微細になり変形が生じる。このように、このＡｌ系金属間化合物の存在割合は、１００個／ｍｍ２以上７×１０５個／ｍｍ２以下とする。なお、この存在割合は、好ましくは１×１０３個／ｍｍ２以上１×１０５個／ｍｍ２以下である。
【００２３】
尚、分散粒子の円相当径は、断面のＳＥＭ観察（反射電子像観察）を行うことで決定することができる。ここで、円相当径とは円相当直径をいう。ＳＥＭ写真を画像解析することで、接合前の分散粒子の円相当径及を求めることが好ましい。また、Ｓｉ系金属間化合物とＡｌ系金属間化合物は、ＳＥＭ−反射電子像観察で、コントラストの濃淡で区別することもできる。また、分散粒子の金属種は、ＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー）等でより正確に特定することができる。
【００２４】
以上説明した、Ｓｉ、Ｆｅ濃度範囲及び金属組織に特徴を有する本発明に係るアルミニウム合金材は、それ自体の接合性により接合を可能とし各種のアルミニウム合金構造物の構成部材として用いることができる。
【００２５】
以上のように、本発明に係るアルミニウム合金材は第１態様において、接合性という基本的機能を果たすためには、Ｓｉ及びＦｅを必須元素としてその添加量が規定される。接合性という基本的機能に加えて強度を更に向上させるために、本発明に係るアルミニウム合金材は第２態様において、第１態様で規定した添加量のＳｉ及びＦｅに加えて、所定量のＭｎ、Ｍｇ及びＣｕが必須元素として更に添加される。なお、第２実施態様では、Ｓｉ系金属間化合物及びＡｌ系金属間化合物の断面における面密度については、第１実施態様と同様に規定される。
【００２６】
Ｍｎは、ＳｉとともにＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の金属間化合物を形成し、分散強化として作用し、或いは、アルミニウム母相中に固溶して固溶強化により強度を向上させる重要な添加元素である。Ｍｎ添加量が２．０％を超えると、粗大金属間化合物が形成され易くなり耐食性を低下させる。従って、Ｍｎ添加量は２．０％以下とする。好ましいＭｎ添加量は、０．０５％〜２．０％である。なお、本発明においては、Ｍｎのみならず他の合金成分においても、所定添加量以下という場合は０％も含むものとする。
【００２７】
Ｍｇは、接合加熱後においてＭｇ２Ｓｉによる時効硬化が生じ、この時効硬化によって強度向上が図られる。このように、Ｍｇは強度向上の効果を発揮する添加元素である。Ｍｇ添加量が、２．０％を超えるとフラックスと反応して、高融点の化合物を形成するため著しく接合性が低下する。従って、Ｍｇの添加量は２．０％以下とする。好ましいＭｇの添加量は、０．０５％〜２．０％である。
【００２８】
Ｃｕは、マトリクス中に固溶して強度向上させる添加元素である。Ｃｕ添加量が、１．５％を超えると耐食性が低下する。従って、Ｃｕの添加量は１．５％以下とする。好ましいＣｕの添加量は、０．０５％〜１．５％である。
【００２９】
本発明においては、強度や耐食性を更に向上させるために、上記必須元素以外の元素として、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＺｒを単独又は複数で選択的に添加することができる。以下に各選択的添加元素について述べる。
【００３０】
Ｔｉ及びＶは、マトリクス中に固溶して強度向上させる他に、層状に分布して板厚方向の腐食の進展を防ぐ効果がある。０．３％を超えると巨大晶出物が発生し、成形性、耐食性を阻害する。従って、Ｔｉ及びＶの添加量は０．３％以下とするのが好ましく、０．０５％〜０．３％とするのがより好ましい。
【００３１】
Ｃｒは、固溶強化により強度を向上させ、またＡｌ−Ｃｒ系の金属間化合物の析出により、加熱後の結晶粒粗大化に作用する。０．３％を超えると粗大な金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる。よって、Ｃｒの添加量は０．３％以下とするのが好ましく、０．０５％〜０．３％とするのがより好ましい。
【００３２】
Ｎｉは、金属間化合物として晶出又は析出し、分散強化によって接合後の強度を向上させる効果を発揮する。Ｎｉの添加量は、２．０％以下の範囲とするのが好ましく、０．０５％〜２．０％の範囲とするのがより好ましい。Ｎｉの含有量が２．０％を超えると、粗大な金属間化合物を形成し易くなり、加工性を低下させ自己耐食性も低下する。
【００３３】
ＺｒはＡｌ−Ｚｒ系の金属間化合物として析出し、分散強化によって接合後の強度を向上させる効果を発揮する。また、Ａｌ−Ｚｒ系の金属間化合物は加熱中の結晶粒粗大化に作用する。０．３％を超えると粗大な金属間化合物を形成し易くなり、塑性加工性を低下させる。よって、Ｚｒの添加量は０．３％以下とするのが好ましく、０．０５％〜０．３％とするのがより好ましい。
【００３４】
以上の主に強度向上のための選択的添加元素の他に、耐食性向上のための選択的添加元素を加えても良い。耐食性向上のための選択的添加元素としては、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎが挙げられる。
【００３５】
Ｚｎの添加は、犠牲防食作用による耐食性向上に有効である。Ｚｎはマトリクス中にほぼ均一に固溶しているが、液相が生じると液相中に溶け出して液相のＺｎが濃化する。液相が表面に染み出すと、染み出した部分におけるＺｎ濃度が上昇するため、犠牲陽極作用によって耐食性が向上する。また、本発明のアルミニウム合金材を熱交換器に応用する場合、本発明のアルミニウム合金材をフィンに用いることで、チューブ等を防食する犠牲防食作用を働かせることもできる。Ｚｎ添加量が６．０％を超えると腐食速度が速くなって自己耐食性が低下する。従って、Ｚｎ添加量は、６．０％以下が好ましく、０．０５％〜６．０％がより好ましい。
【００３６】
ＳｎとＩｎは、犠牲陽極作用を発揮する効果を奏する。それぞれの添加量が０．３％を超えると腐食速度が速くなり自己耐食性が低下する。従って、ＳｎとＩｎの添加量は、０．３％以下が好ましく、０．０５％〜０．３％がより好ましい。
【００３７】
本発明に係るアルミニウム合金材では、液相の特性改善を図ることにより接合性を更に良好にするための選択的元素を更に添加してもよい。このような元素としては、Ｂｅ：０．１％以下、Ｓｒ：０．１％以下、Ｂｉ：０．１％以下、Ｎａ：０．１％以下、Ｃａ：０．０５％以下とするのが好ましく、これらの１種又は２種以上が必要に応じて添加される。なお、これら各元素のより好ましい範囲は、Ｂｅ：０．０００１％〜０．１％、Ｓｒ：０．０００１％〜０．１％、Ｂｉ：０．０００１％〜０．１％、Ｎａ：０．０００１％〜０．１％以下、Ｃａ：０．０００１％〜０．０５％以下である。これらの微量元素はＳｉ粒子の微細分散、液相の流動性向上等によって接合性を改善することができる。これらの微量元素は、上記のより好ましい規定範囲未満では、Ｓｉ粒子の微細分散や液相の流動性向上等の効果が不十分となる場合がある。また、上記のより好ましい規定範囲を超えると耐食性低下等の弊害を生じる場合がある。尚、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｎａ、Ｃａの１種又が添加される場合においても、任意の２種以上が添加される場合においても、上記いずれの元素は上記好ましい又はより好ましい成分範囲内で添加される。
【００３８】
ところで、Ｆｅ及びＭｎは、いずれもＳｉと共にＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の金属間化合物を形成する。Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系金属間化合物を生成するＳｉは液相の生成への寄与が小さいため、接合性が低下することになる。そのため、本発明に係るアルミニウム合金材でＦｅ及びＭｎを添加する場合には、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎの添加量について留意することが好ましい。具体的には、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎの含有量（質量％）をそれぞれＳ、Ｆ、Ｍとしたとき、１．２≦Ｓ−０．３（Ｆ＋Ｍ）≦３．５の関係式を満たすことが好ましい。Ｓ−０．３（Ｆ＋Ｍ）が１．２未満の場合は、接合が不十分となる。一方、Ｓ−０．３（Ｆ＋Ｍ）が３．５より大きい場合は、接合前後で形状が変化し易くなる。
【００３９】
尚、本発明の液相を生成するアルミニウム合金材は、固相線温度と液相線温度の差が１０℃以上であるものが好ましい。固相線温度を超えると液相の生成が始まるが、固相線温度と液相線温度の差が小さいと、固体と液体が共存する温度範囲が狭くなり、発生する液相の量を制御することが困難となる。従って、この差を１０℃以上とするのが好ましい。例えば、この条件を満たす組成を有する２元系の合金としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系及びＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系等が挙げられる。尚、固相線温度と液相線温度の差が大きくなるほど、適切な液相量に制御するのが容易になる。従って、固相線温度と液相線温度の差の上限は、特に限定されるものではない。
【００４０】
更に、本発明に係るアルミニウム合金材の耐食性を更に向上させるために、このアルミニウム合金材の表面にＺｎを主成分とする層を形成することができる。アルミニウム合金材表面に形成される層に存在するＺｎは、接合加熱時に合金内部へと固溶・拡散し、表面から内部に向かってＺｎ濃度が減少する濃度分布を形成する。このようなＺｎ濃度分布は孔食電位の卑貴に対応し、犠牲防食作用によってアルミニウム合金材内部への腐食進行を大幅に抑制できる。
【００４１】
アルミニウム合金材の表面にＺｎを主成分とする層を付与する方法としては、純ＺｎもしくはＡｌ−Ｚｎ合金を用いたＺｎ溶射；Ｚｎ置換フラックス塗布；Ｚｎ粉末被覆；Ｚｎめっき；等が挙げられる。いずれの方法でも、付与されるＺｎが少なすぎると犠牲防食作用が不十分となり、付与されるＺｎが多すぎると腐食速度が速くなって自己耐食性が低下する。そのため、付与されるＺｎ量は１〜３０ｇ／ｍ２が好ましく、５〜２０ｇ／ｍ２がより好ましい。
【００４２】
次に、本発明のアルミニウム合金材の製造方法について説明する。本発明のアルミニウム合金材は、連続鋳造法、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｈｉｌｌ）鋳造法又は押出法を用いて製造することができる。連続鋳造法としては、双ロール式連続鋳造圧延法や双ベルト式連続鋳造法等の連続的に板材を鋳造する方法であれば特に限定されるものではない。双ロール式連続鋳造圧延法とは、耐火物製の給湯ノズルから一対の水冷ロール間にアルミニウム溶湯を供給し、薄板を連続的に鋳造圧延する方法であり、ハンター法や３Ｃ法等が知られている。また、双ベルト式連続鋳造法は、上下に対峙し水冷されている回転ベルト間に溶湯を注湯してベルト面からの冷却で溶湯を凝固させてスラブとし、ベルトの反注湯側より該スラブを連続して引き出してコイル状に巻き取る連続鋳造方法である。
【００４３】
双ロール式連続鋳造圧延法では、鋳造時の冷却速度がＤＣ鋳造法に比べて数倍〜数百倍速い。例えば、ＤＣ鋳造法の場合の冷却速度が０．５〜２０℃／ｓｅｃであるのに対し、双ロール式連続鋳造圧延法の場合の冷却速度は１００〜１０００℃／ｓｅｃである。そのため、鋳造時に生成する分散粒子が、ＤＣ鋳造法に比べて微細かつ高密度に分布する特徴を有する。この高密度に分布した分散粒子は、接合時においてこれら分散粒子の周囲のマトリクスと反応し、多量の液相を生成し易くすることができ、それによって良好な接合性が得られる。
【００４４】
双ロール式連続鋳造圧延法で鋳造する際の圧延板の速度は０．５ｍ／分以上、３ｍ／分以下が好ましい。鋳造速度は、冷却速度に影響を及ぼす。鋳造速度が０．５ｍ／分未満の場合は、十分な冷却速度が得られず化合物が粗大になる。また、３ｍ／分を超える場合は、鋳造時にロール間でアルミニウム材が十分に凝固せず、正常な板状鋳塊が得られない。
【００４５】
双ロール式連続鋳造圧延法で鋳造する際の溶湯温度は、６５０〜８００℃の範囲が好ましい。溶湯温度は、給湯ノズル直前にあるヘッドボックスの温度である。溶湯温度が６５０℃未満の温度では、給湯ノズル内に巨大な金属間化合物の分散粒子が生成し、それらが鋳塊に混入することで冷間圧延時の板切れの原因となる。溶湯温度が８００℃を超えると、鋳造時にロール間でアルミニウム材が十分に凝固せず、正常な板状鋳塊が得られない。より好ましい溶湯温度は６８０〜７５０℃である。
【００４６】
また、鋳造する板厚は２ｍｍ〜１０ｍｍが好ましい。この厚さ範囲においては、板厚中央部の凝固速度も速く、均一組織な組織が得られ易い。鋳造板厚が２ｍｍ未満であると、単位時間当たりに鋳造機を通過するアルミニウム量が少なく、安定して溶湯を板幅方向に供給することが困難になる。一方、鋳造板厚が１０ｍｍを超えると、ロールによる巻取りが困難になる。より好ましい鋳造板厚は、４ｍｍ〜８ｍｍである。
【００４７】
得られた鋳造板材を最終板厚に圧延加工する工程中では、焼鈍を１回以上行っても良い。調質は用途に応じて適切な調質を選定する。通常はエロージョン防止のためにＨ１ｎ又はＨ２ｎ調質とするが、形状や使用方法によっては焼鈍材を使用しても良い。
【００４８】
本発明に係るアルミニウム合金材をＤＣ連続鋳造法で製造するに場合は、鋳造時のスラブやビレットの鋳造速度を制御するのが好ましい。鋳造速度は、冷却速度に影響を及ぼすので、２０ｍｍ／分以上、１００ｍ／分以下が好ましい。鋳造速度が２０ｍｍ／分未満の場合は、十分な冷却速度が得られず化合物が粗大化する。一方、１００ｍ／分を超える場合は、鋳造時にアルミニウム材が十分に凝固せず、正常な鋳塊が得られない。より好ましい鋳造速度は、３０ｍｍ／分以上、８０ｍｍ／分以下である。
【００４９】
ＤＣ連続鋳造時のスラブ厚さは、６００ｍｍ以下が好ましい。スラブ厚さが６００ｍｍを超える場合は、十分な冷却速度が得られず金属間化合物が粗大になる。より好ましいスラブ厚さは、５００ｍｍ以下である。
【００５０】
ＤＣ鋳造法でスラブを製造した後は、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍を必要に応じて行えばよい。また、用途に応じて調質が行われる。この調質は、通常はエロージョン防止のためにＨ１ｎ又はＨ２ｎとするが、形状や使用方法によっては軟質材を使用しても良い。
【００５１】
本発明に係るアルミニウム合金材を押出法で製造する場合は、ＤＣ鋳造でビレットを製造した後に、均質化処理と熱間押出を必要に応じて行えばよい。また、用途に応じて調質が行われる。ビレット鋳造には、ホットトップ鋳造法又はＧＤＣ鋳造法が用いられる。
【００５２】
本発明のアルミニウム合金材は、展伸材、鍛造材、鋳物等の形態で提供されるが、接合性と形状維持の点から展伸材の形態が最適である。展伸材は、その製造までに受ける加工率が鍛造材や鋳物等より大きいため、金属間化合物が微細に分断された状態が発現し易い。従って、Ｓｉ系金属間化合物とＡｌ系金属間化合物の密度を増加させることができ、これまで述べてきたように、良好な接合性と形状維持を達成し易い利点を有する。
【００５３】
次に、本発明に係るアルミニウム合金材の接合方法、すなわち、アルミニウム合金構造体の製造方法について説明する。本願においてアルミニウム合金構造体とは、二つ以上の部材が接合されてなる構造体であって、これを構成する部材の少なくとも一つの部材が本発明に係るアルミニウム合金材からなるものである。本発明に係るアルミニウム合金構造体の製造方法は、上記組成を有するアルミニウム合金材を二つ以上の部材の少なくとも一つの被接合部材として他の被接合部材と組み合わせた後、加熱処理を行ってこれら被接合部材を接合するものである。この加熱処理では、上記二つ以上の部材の少なくとも一つの被接合部材の内部において、液相が生成する固相線温度以上液相線温度以下であって、強度が低下して形状を維持できなくなる温度以下において、接合に必要な時間加熱するものである。
【００５４】
上記の接合方法における接合条件の中で加熱条件は特に重要である。この加熱条件としては、上記二つ以上の部材の少なくとも一つの被接合部材であるアルミニウム合金材の全質量に対する当該アルミニウム合金材内に生成する液相の質量の比（以下、「液相率」と記す。）が０％を超え３５％以下となる温度で接合する必要がある。液相が生成しなければ接合ができないので液相率は０％より多いことが必要である。しかしながら、液相が少ないと接合が困難となるため、液相率は５％以上とするのが好ましい。液相率が３５％を超えると、生成する液相の量が多過ぎて、接合加熱時にアルミニウム合金材が大きく変形してしまい形状を保持できなくなる。以上のように、好ましい液相率は５〜３０％である。なお、より好ましい液相率は１０〜２０％である。
【００５５】
また、液相が接合部に十分に充填される為にはその充填時間も考慮することが好ましく、液相率が５％以上である時間を３０秒以上３６００秒以内とするのが好ましい。より好ましくは、液相率が５％以上の時間が６０秒以上、１８００秒以内であり、これにより更に十分な充填が行われ確実な接合がなされる。液相率が５％以上である時間が３０秒未満では、接合部に液相が十分に充填されない場合がある。一方、３６００秒を超えると、アルミニウム材の変形が進行する場合がある。尚、本発明における接合方法では、液相は接合部の極近傍においてしか移動しないので、この充填に必要な時間は接合部の大きさには依存しない。
【００５６】
望ましい接合条件の具体例としては、５８０℃〜６２０℃を接合温度とし、接合温度での保持時間を０分〜１０分程度とすればよい。ここで、０分とは、部材の温度が所定の接合温度に到達したら直ちに冷却を開始することを意味する。また、接合部の金属組織を後述する好適な状態にするために、組成に応じて加熱条件を調整しても良い。さらに好ましくは３０秒から５分である。
【００５７】
尚、加熱中における実際の液相率を測定することは極めて困難である。そこで、本発明で規定する液相率は、通常、平衡状態図を利用して、合金組成と最高到達温度から、てこの原理（ｌｅｖｅｒ  ｒｕｌｅ）によって求めることができる。すでに状態図が明らかになっている合金系においては、その状態図を使用し、てこの原理を用いて液相率を求めることができる。一方、平衡状態図が公表されていない合金系に関しては、平衡計算状態図ソフトを利用して液相率を求めることができる。平衡計算状態図ソフトには、合金組成と温度を用いて、てこの原理で液相率を求める手法が組み込まれている。平衡計算状態図ソフトには、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ；Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  ＡＢ社製などがある。平衡状態図が明らかになっている合金系においても、平衡計算状態図ソフトを用いて液相率を計算しても、平衡状態図からてこの原理を用いて液相率を求めた結果と同じ結果となるので、簡便化のために、平衡計算状態図ソフトを利用しても良い。
【００５８】
また、加熱処理における加熱雰囲気は窒素やアルゴン等で置換した非酸化性雰囲気等が好ましい。また、非腐食性フラックスを使用することで更に良好な接合性を得ることができる。更に、真空中や減圧中で加熱して接合することも可能である。
【００５９】
上記非腐食性フラックス塗布する方法には、被接合部材を組み付けた後、フラックス粉末を振りかける方法や、フラックス粉末を水に懸濁してスプレー塗布する方法等が挙げられる。あらかじめ素材に塗装する場合には、フラックス粉末にアクリル樹脂等のバインダーを混合して塗布すれば、塗装の密着性を高めることができる。通常のフラックスの機能を得るために用いる非腐食性フラックスとしては、ＫＡｌＦ４、Ｋ２ＡｌＦ５、Ｋ２ＡｌＦ５・Ｈ２Ｏ、Ｋ３ＡｌＦ６、ＡｌＦ３、ＫＺｎＦ３、Ｋ２ＳｉＦ６等のフッ化物系フラックスや、Ｃｓ３ＡｌＦ６、ＣｓＡｌＦ４・２Ｈ２Ｏ、Ｃｓ２ＡｌＦ５・Ｈ２Ｏ等のセシウム系フラックスや、塩化物系フラックス等が挙げられる。
【００６０】
以上説明した加熱処理及び加熱雰囲気の制御により、必要な接合特性を得ることできる。但し、例えば、中空部を備える等の比較的脆弱な構造体を形成する場合においては、構造体内に発生する応力が高すぎると構造体の形状を維持できない場合がある。特に接合時の液相率が大きくなる場合、構造体内に発生する応力は比較的小さな応力に留めたほうが形状を良好に維持できる。このように構造体内の応力を考慮することが好ましい場合は、二つ以上の部材のうち、液相が生成する被接合部材内に発生する応力のうちの最大値をＰ（ｋＰａ）、液相率をＶ（％）とした場合、Ｐ≦４６０−１２Ｖの条件を満たせば、非常に安定した接合が得られる。この式の右辺（４６０−１２Ｖ）で示される値は限界応力であり、これを超える応力が、液相を生じるアルミニウム合金材に加わると大きな変形が発生するおそれがある。尚、この液相が生成する被接合部材が二つ以上の部材において複数ある場合には、これら複数の被接合部材各々に対して、各々の応力Ｐ、液相率Ｖを用いてＰ≦４６０−１２Ｖを算出し、全ての複数の被接合部材が上記式を同時に満たすように接合を行うのが好ましい。各被接合部材内の各部位に発生する応力は、形状と荷重から求められる。例えば、構造計算プログラム等を用いて計算することができる。
【００６１】
更に、接合部の圧力と同様に接合部の表面形態も接合性に影響を与えることがあり、両面が平滑な方がより安定した接合が得られる。本発明においては、二つの被接合部材を接合する場合に、接合前の被接合部材の双方の接合面の表面の凹凸から求められる算術平均うねりＷａ１とＷａ２の和が、Ｗａ１＋Ｗａ２≦１０（μｍ）を満たす場合に、更に十分な接合が得られる。尚、算術平均うねりＷａ１、Ｗａ２は、ＪＩＳＢ０６３３で規定されるものであり、波長が２５〜２５００μｍの間で凹凸となるようカットオフ値を設定し、レーザー顕微鏡やコンフォーカル顕微鏡で測定されたうねり曲線から求められる。
【００６２】
また、本発明に係る構造体の耐食性を更に向上させるために、本発明に係るアルミニウム合金材の表面にＺｎ溶射やＺｎ置換フラックス塗布を行って構造体を形成しても良い。更に、加熱処理後の構造体にクロメート処理やノンクロメート処理等の表面処理を実施して耐食性向上を図っても良い。
【００６３】
以上説明したアルミニウム合金構造体の製造方法により製造されるアルミニウム合金構造体は、接合前後において構造体の寸法や形状が殆ど変化しない利点を有する。これは、上述のメカニズムに従って液相が被接合部材であるアルミニウム合金材内部から生成するが、生成する液相量は適切な範囲に制御されており、接合時に結晶粒界等に沿ったすべり変形が発生し難いためである。また、マトリクスや、液相の生成に寄与しない金属間化合物により、加熱中に被接合部材の形状が維持される効果も、上記利点の要因である。
【００６４】
そして、本発明に係るアルミニウム合金構造体は、接合された部材の少なくとも一つの部材の接合部付近において好適な金属組織的特徴を有する。すなわち、本発明に係る方法により接合されたアルミニウム合金材は、結晶粒界に金属間化合物等が多く存在した組織になる。図２に示す液相生成メカニズムからも明確なように、液相が生成して外部に流出する過程において、結晶粒界が液相の流出経路の一つとなるため、接合の加熱時には結晶粒界に液相が存在する。したがって、その後に冷却すると、その液相が凝固するため、結晶粒界にＳｉ系金属間化合物及びＡｌ系金属間化合物が生成する。本発明者等の検討によれば、良好な接合性と接合時の材料強度の良好なバランスが取れた接合体では、１μｍ以上の円相当径を有するＳｉ系金属間化合物及びＡｌ系金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の個数が、全結晶粒界の三重点の個数の５０％以上の割合であることが判明した。ここで、結晶粒界の三重点とは、材料の断面を観察した際に、マトリクスの結晶粒界が少なくとも３本以上交わっている点（三重点）をいう。
【００６５】
この結晶粒界の三重点に存在するＳｉ系金属間化合物及びＡｌ系金属間化合物（以下において、両者を合わせたものを「金属間化合物」と記す）は、分散強化作用を有する第２相分散粒子として働き、構造体を構成する部材を強化する働きを発揮する。また、この金属間化合物は、部材を接合するための加熱後における冷却時において、結晶粒の成長を抑制する効果を有する。更に、接合された構造体を再加熱する場合には、構造体を構成する部材の結晶粒の粗大化を抑制する効果を発揮する。これらの効果は、金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の上記割合が５０％未満では十分ではない。従って、全ての結晶粒界の三重点のうち、円相当径１μｍ以上の金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の個数が５０％以上の割合とする。また、この割合は、好ましくは８０％以上である。なお、この割合の上限値は１００％である。
【００６６】
結晶粒界の三重点に存在する金属間化合物は、Ａｌ系金属間化合物とＳｉ系金属間化合物を含む。Ｓｉ系金属間化合物は、ＳｉにＦｅ、Ｍｎ等が固溶した金属間化合物である。Ａｌ系金属間化合物は、Ａｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｎ―Ｓｉ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物等、Ａｌと添加元素とから生成された金属間化合物である。
【００６７】
結晶粒界の三重点に存在する金属間化合物の存在を同定するには、幾つかの方法が挙げられる。光学顕微鏡を用いる方法では、まず、本発明の構造体を構成する部材の断面を機械的に研磨し、ケラー液などでエッチングして金属間化合物の位置を同定する。更に、この同じ断面における結晶粒界を陽極酸化法によって明らかにし、結晶粒界の三重点の位置を同定する。両者を比較して、全結晶粒界の三重点のうち、１μｍ以上の円相当径を有する金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合を決定する。
【００６８】
なお、結晶粒界に存在した液相が、凝固して共晶組織に変態する際において、粒界に金属間化合物が不連続に形成されたり、Ａｌ相と金属間化合物相が交互に並んだ共晶組織が形成される場合がある。このような場合には、結晶粒界が不明瞭になるため、結晶粒界が断続的な線として観察されることもあり、結晶粒界の三重点の位置が不明瞭となる。この場合は、金属間化合物や共晶組織を結晶粒界の一部と見なし、結晶粒界に添うように連続的な仮想線を引き結晶粒界の三重点を判別する。図６に示すように、Ｓｉ相（不図示）や共晶組織が大きく、結晶粒界の三重点が不明瞭な場合は、図７に示すようにその部分の全面積を結晶粒界とする。図７の点線で示すように、仮想的に三本の結晶粒界が交わる領域を結晶粒界の三重点と見なす。この場合の三重点とは、結晶粒界が交わる領域における各結晶粒界部分を合わせた面積部分となる。この面積部分中に一部でも金属間化合物が形成されていればよい。
【００６９】
また、ＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー）を使用する方法も挙げられる。ＥＰＭＡを用いて、構造体を構成する部材の断面におけるＳｉ、Ｆｅなどの元素の面成分を行うものである。結晶粒界近傍は、Ｓｉ濃度が低くなっているので、結晶粒界を同定することができる。金属間化合物は、Ｓｉ、Ｆｅなどの元素濃度が高い部分で同定することができる。断面のＳＥＭ観察（反射電子像観察）を用いて、結晶粒界と金属間化合物の位置を同定することもできる。
【００７０】
本発明により形成されるアルミニウム合金構造体は、その接合された部材の少なくとも一つの部材の接合部付近において、好適な金属組織的特徴を有する。すなわち、本発明に係るアルミニウム合金材の接合部においては、上述した液相生成メカニズムにおいて、Ｓｉ粒子周辺が球状に溶融しつつもマトリクス内にある程度残存し、図２に示すような共晶組織がマトリクスの結晶粒内（以下、単に「粒内」と記す）に多数分散した組織となる。本発明者等によれば、本発明に係るアルミニウム合金構造体では、良好な接合性と接合時の材料強度の良好なバランスが取れた場合、接合後において粒内に存在する３μｍ以上の長径を有する共晶組織が断面の面密度で１０個／ｍｍ２〜３０００個／ｍｍ２であるのが好ましいことが判明した。この金属組織上の好適条件について、上記の粒内共晶組織の面密度が１０個／ｍｍ２未満の場合には、接合に寄与した液相が多すぎて接合加熱中の強度維持が困難となる場合がある。一方、上記の粒内共晶組織の面密度が３０００個／ｍｍ２を超える場合には、接合に寄与した液相が少なく接合性が低下する場合がある。
【００７１】
このような粒内の共晶組織は、加熱時にＳｉ粒子周辺が球状に溶融して生成した液相が、冷却時に凝固して共晶組織となったものであるため、球状に近い形状になる場合が多い。この場合は、図２のように、断面観察において円状の共晶組織として観察される。また、液相が粒内のＡｌ系金属間化合物を核生成サイトとして生成し、粒内に残存している場合は、Ａｌ系金属間化合物に沿った形状の共晶組織が形成されることがある。
【００７２】
粒内の共晶組織の断面における面密度を測定するには、幾つかの方法が挙げられる。光学顕微鏡を使用する方法では、本発明の構造体を構成する部材の断面を機械的に研磨し、ケラー液などでエッチングして共晶組織の位置を同定する。共晶組織はＳｉ系金属間化合物相とＡｌ相が微細に交互に並んだ構造をなすことから、これを判別することができる。更に、この断面における結晶粒界の位置を陽極酸化法によって同定する。両者を比較して、結晶粒内に存在する３μｍ以上の長径を有する共晶組織の個数を測定して面密度に換算する。
【００７３】
ＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー）を使用する方法も挙げられる。ＥＰＭＡを用いて、構造体を構成する部材断面におけるＳｉ、Ｆｅなどの元素の面成分を行う。共晶組織は、Ｓｉ濃度が高い部分と低い部分が微細に交互に並んでいることから、これを同定することができる。また、結晶粒界近傍はＳｉ濃度が低くなっているので、結晶粒界を同定することができる。断面のＳＥＭ観察（反射電子像観察）によって、共晶組織を同定することもできる。その場合は、ＳＥＭ／ＥＢＳＢ法を用いて結晶粒界を同定する。
【００７４】
上記のような金属組織を有するアルミニウム合金構造体は、本発明に係るアルミニウム合金材の寸法や組成の調整、ならびに、組成を考慮した加熱条件の調整により製造される。例えば、被接合部材であるアルミニウム合金材の板厚が厚い場合や、接合時の温度が高温になり易い部分に配置されたアルミニウム合金部材においては、Ｓｉ添加量が低いものを用いても充分な液相量が確保できる。具体的には、３０μｍ〜１００μｍの板厚のフィン材の場合、Ｓｉ添加量を１．５％〜３．５％程度として、加熱温度を５８０℃〜６２０℃程度とすることが好ましい。この場合、粒内の共晶組織は２０〜５００個／ｍｍ２となる。このような接合後の組織観察により、粒内の共晶組織の断面面密度が１０〜３０００個／ｍｍ２となるように、被接合部材であるアルミニウム合金材のＳｉ添加量が１．５％〜５．０％の範囲で予め調整される。これによって、良好な接合性を有する接合体を得ることができる。また、Ｍｎを０．３％以上添加することにより、粒内共晶組織を減少させる効果がある。
【００７５】
上記の通り、本発明に係るアルミニウム合金構造体は、二つ以上の部材から構成される構造体であり、少なくとも一つの部材が本発明に係るアルミニウム合金材からなる。このアルミニウム合金構造体の好適な例としては、各種の熱交換器が挙げられる。熱交換器は、その用途や使用条件によりフィン材、チューブ材、プレート材、タンク材等の各種の部材を適宜に組み合わせて構成される。そして、本発明に係るアルミニウム合金材は、これら熱交換器の各種の部材を構成することができる。
【００７６】
例えば、本発明に係るアルミニウム合金材でチューブ材とタンク材を作製し、更に単層のフィン材（ベアフィン材）と組み合わせ、所定の加熱処理を施す。これにより、全ての部材が単層材で構成される熱交換器を製造することができる。また、本発明に係るアルミニウム合金材でフィン材とプレート材を作製し、ろう材を配置していないチューブ材（押出材や電縫加工したベアチューブ材）と組み合わせ、所定の加熱処理を施すことで熱交換器を製造するとすることができる。更に、板材をプレス成形して積層することで、ラミネートタイプの熱交換器を製造することができる。
【００７７】
上記の他に、本発明に係るアルミニウム合金材は、ヒートシンク、積層構造のオイルクーラー等の用途にも用いることができる。このようなろう材を配置していない単層材を用いた構造体は、従来材を用いた構造体に比べて高温における剛性が低下する場合がある。そこで、加熱処理する際に、高温に耐える鉄等の材質のジグを用いて構造体をセットすることにより、寸法精度のより高い構造体を得ることができる。
【００７８】
また、櫛刃形状の押出材と中空部を有する押出材とを別個に製造して、これら二つの押出材を接合することによって熱交換器を簡便に製造することができる。また、二つの押出材を積層構造として、必要サイズに見合ったオイルクーラーやヒートシンク等の製品とすることもできる。
【発明の効果】
【００７９】
本発明に係るアルミニウム合金材は、ブレージング法等の従来の接合方法とは異なる接合方法で接合されるものであり、単層の状態で各種の被接合部材と接合できる。そして、接合前後の寸法又は形状の変化が殆ど無い。本発明に係るアルミニウム合金材を用いる接合方法は、ろう材等の接合部材を使用することなく被接合部材同士を接合することができる。そして、本発明に係るアルミニウム合金構造体は、上記利点によりコストダウンの要求に応えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】２元系共晶合金としてＡｌ−Ｓｉ合金の状態図を示す模式図である。
【図２】本発明に係るアルミニウム合金材を用いた接合方法における、アルミニウム合金材での液相の生成メカニズムを示す説明図である。
【図３】本発明に係るアルミニウム合金材を用いた接合方法における、アルミニウム合金材の液相の生成メカニズムを示す説明図である。
【図４】第１〜第３実施形態で用いた３段積みのテストピース（ミニコア）の斜視図である。
【図５】第３実施形態のテストピースに用いた押出チューブの形状の一部を示す斜視図である。
【図６】結晶粒界及びその三重点を示す模式図である。
【図７】結晶粒界の三重点を判別する方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００８１】
以下に、本発明を実施例と比較例に基づいて詳細に説明する。
【００８２】
第１実施形態：まず、表１、２に示す組成を有するアルミニウム合金を用いて、表３〜５のＢ１〜Ｂ５９、及びＢ７７〜Ｂ９８のアルミニウム合金材の試験材を製造した。尚、表１の合金組成において、「−」は検出限界以下であることを示すものであり、「残部」は不可避的不純物を含む。
【００８３】
Ｂ１〜Ｂ４８、Ｂ５２〜Ｂ５７、Ｂ８４の試験材については、双ロール式連続鋳造圧延法により鋳造した。双ロール式連続鋳造圧延法で鋳造する際の溶湯温度は６５０〜８００℃であり、鋳造板の厚さは７ｍｍであった。鋳造速度は、表３〜５に示すように種々変更した。次に、得られた板状鋳塊を０．７０ｍｍまで冷間圧延し、４２０℃×２Ｈｒの中間焼鈍後に、０．０５０ｍｍまで更に冷間圧延して供試材とした。供試材の算術平均うねりＷａは約０．５μｍであった。
【００８４】
Ｂ４９〜Ｂ５１、Ｂ５８〜Ｂ５９、Ｂ７７〜Ｂ８３，Ｂ８５〜Ｂ９８の試験材をＤＣ鋳造法で１００ｍｍ×３００ｍｍのサイズで鋳造した。鋳造速度は、表４、５に示すように種々変更した。得られたスラブを面削後に加熱して３ｍｍ厚さまで熱間圧延した。その後、圧延板を０．０７０ｍｍまで冷間圧延し、３８０℃×２Ｈｒの中間焼鈍後に、０．０５０ｍｍまで更に冷間圧延して供試材とした。供試材の算術平均うねりＷａは約０．５μｍであった。
【００８５】
これらの試験材については、製造過程における製造性の評価を行った。製造性の評価方法は、板材又はスラブを製造した際に、製造過程において問題が発生せず健全な板材やスラブが得られた場合を○とし、鋳造時に割れが発生した場合や、鋳造時の巨大金属間化合物発生が原因で圧延が困難となった場合など、製造過程において問題が発生した場合を×とした。
【００８６】
また、製造した板材（素板）中の金属間化合物の面密度は、板厚方向に沿った断面のＳＥＭ観察（反射電子像観察）により測定した。Ｓｉ系金属間化合物とＡｌ系金属間化合物（Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物等）は、ＳＥＭ観察においてコントラストの濃淡によって区別した。ＳＥＭ観察は各サンプルについて５視野ずつ行い、それぞれの視野のＳＥＭ写真を画像解析することによって、サンプル中の円相当径０．５μｍ〜５μｍの分散粒子の密度を測定した。
【００８７】
これらの製造性評価及び分散粒子の測定結果を、表３〜５に示す。表３〜５に示すように、アルミニウム合金材の組成が本発明で規定する範囲のものは製造性が良好であった。合金組成Ａ６８では、Ｆｅが規定量を超えているため、鋳造時に巨大な金属間化合物が生成し、最終板厚まで圧延できず製造性に問題が発生した。合金組成Ａ７０の加工では、Ｎｉが規定量を超えているため、鋳造時に巨大な金属間化合物が生成し、製造性に問題が発生した。合金組成Ａ７１では、Ｔｉが規定量を超えているため、鋳造時に巨大な金属間化合物が生成し、最終板厚まで圧延できず製造性に問題が発生した。合金組成Ａ８９〜９２では、それぞれＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒが規定量を超えているため、鋳造時に巨大な金属間化合物が生成し、最終板厚まで圧延できず製造性に問題が発生した。
【００８８】
次に、図４に示すように、各試験材を幅１６ｍｍ、山高さ７ｍｍ、ピッチ２．５ｍｍのフィン材に成形した。また、ｂ１の組成（表２）の素材を、算術平均うねりＷａが０．３μｍで板厚０．４ｍｍの電縫加工したチューブ材に成形した。そして、これらフィン材とチューブ材とを組み合わせてステンレス製のジグに組み込み、図４に示す３段積みのテストピース（ミニコア）を作製した。各試験材（Ｂ１〜Ｂ５９、Ｂ７７〜Ｂ９８）のフィン材とチューブ材によって作製したテストピース（ミニコア）は、Ｃ１〜Ｃ５９、Ｃ７７〜Ｃ９８として表３〜５に記載した。
【００８９】
次いで、上記ミニコアを非腐食性の弗化物系フラックスの１０％懸濁液に浸漬して乾燥後に、窒素雰囲気中において５８０〜６００℃で３分間加熱してフィン材とチューブ材とを接合した。尚、このミニコアの場合、ステンレスジグとアルミニウム材の熱膨張率の差によって、接合加熱時において、ステンレスジグとミニコアとの間に約４Ｎの圧縮荷重が生じた。接合面積から計算すると、フィンとチューブとの接合面には約１０ｋＰａの応力が生じていることになる。
【００９０】
フィン材とチューブ材とを接合した後に、フィンをチューブから剥してチューブとフィンの接合部４０箇所の接合状態を調べ、完全に接合していた箇所の比率（接合率）を求めた。また、フィン座屈の状態を調べた。接合前のフィン高さに対する接合前後のフィン高さ変化の割合が５％以下を◎、５％を超え１０％以下を○、１０％を超え１５％以下を△、１５％を超えるものを×と判定した。
【００９１】
更に、接合後のミニコアを樹脂埋めして研磨し、部材の断面組織を光学顕微鏡で観察し、長径３μｍ以上の粒内共晶組織の面密度を測定した。また、接合後のミニコアの断面を研磨し、ケラー液等でエッチングして金属間化合物の位置を同定し、更に、陽極酸化法によってこの断面における結晶粒界を明らかにして結晶粒界の三重点の位置を同定した。これら金属間化合物の位置と結晶粒界の三重点の位置を比較して、金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合を求めた。
【００９２】
以上のミニコア接合試験における各評価結果を、表３〜５に示す。表３〜５には、各サンプルにおける加熱温度での平衡液相率も示した。尚、平衡液相率は、平衡状態図計算ソフトによる計算値である。
【００９３】
【表１】
0005436714.tif 000002
【００９４】
【表２】
0005436714.tif 000003
【００９５】
【表３】
0005436714.tif 000004
【００９６】
【表４】
0005436714.tif 000005
【００９７】
【表５】
0005436714.tif 000006
【００９８】
表３〜５におけるミニコアの各サンプルについての評価結果と、フィン材のアルミニウム合金材の組成（表１、２）とを対比すると、アルミニウム合金材の組成及び加熱条件に関して本発明が規定する条件を具備するサンプル（Ｃ１〜Ｃ５１、Ｃ７７〜Ｃ９８）では、接合率及びフィン座屈のいずれも合格であった。
【００９９】
一方、比較例Ｃ５２（合金組成Ａ６６）では、Ｓｉ成分が規定量に満たないため、液相率（平衡液相率）が５％未満で低く、金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合も低かった。その結果、接合率が低下し、フィン座屈が測定できなかった。
比較例Ｃ５３（合金組成Ａ６７）では、Ｓｉ成分が規定量を超えているため、接合時に液相率が高くなり、フィンが潰れて座屈した。
上述の通り比較例Ｃ５４（合金組成Ａ６８）では、Ｆｅの成分が規定量を超えているため、粗大な金属間化合物が生成し、最終板圧まで圧延できず製造性に問題が発生した。
比較例Ｃ５５（合金組成Ａ６９）では、Ｍｇが規定量を超えているため、接合率が３０％と低く接合が不完全であった。
また、上述の通り、比較例Ｃ５６（合金組成Ａ７０）は製造性に問題が発生した。比較例Ｃ５７（合金組成Ａ７１）も上述の通り、鋳造時に巨大な金属間化合物が生成し、最終板圧まで圧延できず製造性に問題が発生した。
比較例Ｃ５８（合金組成Ａ７２）では、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂｉが規定量を超えているため、表面の酸化皮膜が厚くなり接合率が低下した。
比較例Ｃ５９（合金組成Ａ７３）では、Ｎａ、Ｃａが規定量を超えているため、表面の酸化皮膜が厚くなり接合率が低下した。
比較例Ｃ９３（合金組成Ａ８８）では、Ｆｅ組成が規定量未満であったため、合金中のＡｌ系金属間化合物の面密度が小さくなり、金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合も低かった。その結果、接合率が低下し、フィン座屈も生じた。
比較例Ｃ９４（合金組成Ａ８０）では、合金組成は規定範囲であるが、Ｓｉ系金属間化合物の面密度が小さくなり、金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合も低かった。その結果、接合率が低下した。
比較例Ｃ９５〜９８（合金組成Ａ８９〜９２）では、上述の通り鋳造時に巨大な金属間化合物が生成し、最終板圧まで圧延できず製造性に問題が発生した。
【０１００】
第２実施形態：この実施形態では、接合条件である加熱温度の影響について検討した。表６に示すように、第１実施形態にて製造した材料を抜粋して、第１実施形態と同様のフィン材に成形した。そして、第１実施形態と同様にして３段積みのテストピース（ミニコア）を作製した（図４）。このミニコアを非腐食性の弗化物系フラックスの１０％懸濁液に浸漬して乾燥後に、窒素雰囲気中において表６に示す種々の加熱温度で所定時間加熱保持してフィン材とチューブ材とを接合した。
【０１０１】
上記のようにして接合したミニコアについて、第１実施形態と同様にして、接合率を測定して評価した。また、また、接合後のミニコアのフィン高さを測定し、接合前に対する接合後の寸法変化率を変形率として求めた。この変形率が３％以下を◎、３％を超え５％以下を○、５％を超え８％以下を△、８％を超えるものを×と判定した。更に、第１実施形態と同様にして、部材断面の組織観察を行い、金属間化合物の面密度、３μｍ以上の長径を有する粒内共晶組織の面密度、全結晶粒界の三重点のうち、１μｍ以上の円相当径を有する金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合を求めた。評価結果を表６に示す。
【０１０２】
【表６】
0005436714.tif 000007
【０１０３】
表６から、本発明例Ｃ６１〜７３では、いずれも本発明で規定する条件を全て満たしており、接合率と変形率のいずれも合格であった。
【０１０４】
一方、比較例Ｃ７４とＣ７６では液相率が高過ぎたために、形状を維持できず変形率が高くなった。また、比較例Ｃ７５では、液相率が低過ぎた。また、金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合も低かった。その結果、接合率が低下した。
【０１０５】
第３実施形態：この実施形態では、押出成形性、ならびに、耐食性改善のためのＺｎを主成分とする層の効果について検討した。まず、表７に示す組成（Ｎｏ．Ｅ１〜Ｅ２４及びＥ２５、Ｅ２６）の材料をＤＣ鋳造して、φ１５０ｍｍのビレットを得た。尚、表７の合金組成において、「−」は検出限界以下であることを示すものであり、「残部」は不可避的不純物を含む。
【０１０６】
上記各ビレットの供試材を直接押出による熱間押出にかけ、表８に示すサンプルＮｏ：Ｄ１〜Ｄ２４及びＤ４３、Ｄ４４の扁平形状の押出チューブを作製した。図５は、この扁平形状の押出チューブ一部を示す斜視図である。上記供試材の算術平均うねりＷａは約１μｍであった。熱間押出における各供試材の押出性を評価した。押出性については、熱間押出した際に、健全な押出材が１０ｍ以上得られた場合を○とし、得られた健全な押出材が０ｍを超え１０ｍ未満であった場合を△とし、鋳造時に粗大金属間化合物が発生するなどして健全な押出材が得られなかった場合（得られた健全な押出材が０ｍの場合を含む）を×とした。
【０１０７】
表９に示すサンプルＮｏ：Ｄ２５〜Ｄ３９では、押出チューブの表面にＺｎを主成分とする層を形成した。表９に示すサンプルＮｏ：Ｄ４０〜Ｄ４２は、Ｚｎを主成分とする層を形成しない参考例である。Ｚｎ層形成には、Ｚｎ溶射、Ｚｎ置換フラックス塗布Ｚｎ粉末被覆及びＺｎめっきのいずれかの方法を採用した。
【０１０８】
次に、表７のＦ１の組成（ＪＩＳＡ３００３＋１．５Ｚｎ）の材料（算術平均うねりＷａが０．３μｍ、板厚０．０７ｍｍ）をフィン材に加工した。フィン材は、高さ７ｍｍにコルゲート成形したものとした。
【０１０９】
サンプルＮｏ．Ｄ１〜Ｄ４２及びＤ４３、Ｄ４４の扁平形状の押出チューブと上記フィン材を組み合わせてステンレス製のジグに組み込み、図４に示す３段積みのテストピース（ミニコア）を作製した。このミニコアの場合、ステンレスジグとアルミニウム材の熱膨張率の差によって、接合加熱時において、ステンレスジグとミニコアとの間に約４Ｎの圧縮荷重が生じた。接合面積から計算すると、フィンとチューブとの接合面には約１０ｋＰａの応力が生じていることになる。
【０１１０】
このようにして作製したミニコアを非腐食性の弗化物系フラックスの１０％懸濁液に浸漬して乾燥後に、窒素雰囲気中において５８０〜６００℃で３分間加熱してフィン材とチューブ材とを接合した。なお、サンプルＮｏ．Ｄ１３、Ｄ１４及びＤ２２では、フラックスを塗布せず真空中で接合した。また、サンプルＮｏ．Ｄ１２では、セシウム入りの弗化物系フラックスを用いた。サンプルＮｏ．Ｄ２６では、Ｚｎ置換フラックスを塗布して加熱を行った。
【０１１１】
サンプルＮｏ．Ｄ１〜Ｄ２４及びＤ４３、Ｄ４４については、第１実施形態と同様にしてチューブとフィンの接合率を求めて評価した。また、チューブの潰れの有無についても確認した。更に、耐食性評価のためにＣＡＳＳ試験を１０００ｈ行い、チューブを貫通する腐食の有無を確認した。腐食がなかったものを○、腐食が発生したものを×とした。
【０１１２】
また、第１実施形態と同様にして、部材断面の組織観察を行い、３μｍ以上の長径を有する粒内共晶組織の面密度、全結晶粒界の三重点のうち、１μｍ以上の円相当径を有する金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合を求めた。更に、第１実施形態と同様にして、サンプル中の円相当径０．５μｍ〜５μｍのＳｉ系金属間化合物とＡｌ系金属間化合物の分散粒子の面密度を測定した。評価結果を表８に示す。
【０１１３】
サンプルＮｏ．Ｄ２５〜Ｄ４２については、押出チューブをフィンから剥し、表面にＺｎを主成分とする層を付加した押出チューブに発生した腐食の深さを焦点深度法により測定した。評価結果を、表９に示す。
【０１１４】
【表７】
0005436714.tif 000008
【０１１５】
【表８】
0005436714.tif 000009
【０１１６】
【表９】
0005436714.tif 000010
【０１１７】
表８に示すように、実施例のＤ１〜Ｄ１５及びＤ４３、Ｄ４４は、いずれも押出性、接合率、チューブ潰れ性、耐食性ともに合格であった。
【０１１８】
これに対して、比較例Ｄ１６（合金組成Ｅ１６）では、Ｓｉ成分が規定値に満たないため、全結晶粒界の三重点のうち、１μｍ以上の円相当径を有する金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合が低かった。また、接合率も低下した。
比較例Ｄ１７（合金組成Ｅ１７）では、Ｓｉ成分が規定値を超え液相率が高くなり過ぎたために、接合時に押出管の潰れが発生した。
比較例Ｄ１８（合金組成Ｅ１８）では、Ｓｉ成分が規定値に満たないため、１μｍ以上の円相当径を有する金属間化合物が存在する結晶粒界の三重点の割合が低かった。また、接合率も低下した。
比較例Ｄ１９（合金組成Ｅ１９）では、Ｓｉ成分が規定値を超えているため、接合時に押出管の潰れが発生した。
【０１１９】
また、比較例Ｄ２０〜比較例Ｄ２４については、ＣＡＳＳ試験の結果において貫通孔が発生し耐食性の点で劣っていた。これらは、合金組成に起因するものであり、それぞれ、ＦｅとＣｕ成分（合金組成Ｅ２０）、Ｍｎ成分（合金組成Ｅ２１）、Ｚｎ成分（合金組成Ｅ２２）、Ｍｇ成分（合金組成Ｅ２３）、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ成分（合金組成Ｅ２４）が規定値を超えているためである。
【０１２０】
また、Ｚｎを主成分とする層の効果ついては、表９に示すように、実施例のＤ２５〜Ｄ３９では、表面にＺｎ層が形成されていることにより犠牲防食作用が働き、腐食深さが０．６０ｍｍ未満と浅かった。
【０１２１】
これに対し、参考例のＤ４０〜Ｄ４２では、表面にＺｎが付与されていないため、貫通には至っていないが０．９０ｍｍを超える深い腐食深さとなった。このように、耐食性改善のためのＺｎを主成分とする層形成の有効性が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明により、ろう材又は溶加材のような接合部材を使用することなくアルミニウム合金材を接合することができるので、その構造体を効率的に製造可能となる。また、本発明では、接合部材の接合前後における寸法又は形状の変化が殆ど生じない。このように、本発明に係るアルミニウム合金材、ならびに、これを用いた構造体及びその製造方法は、工業上顕著な効果を奏するものである。
【符号の説明】
【０１２３】
ｃ・・・Ｓｉ濃度
ｃ１・・・Ｓｉ濃度
ｃ２・・・Ｓｉ濃度
Ｔ・・・温度
Ｔ１・・・Ｔｅを超えた温度
Ｔ２・・・Ｔｓ２を超えた温度
Ｔｅ・・・固相線温度
Ｔｓ２・・・固相線温度
【図１】
0005436714.tif 000011
【図２】
0005436714.tif 000012
【図３】
0005436714.tif 000013
【図４】
0005436714.tif 000014
【図５】
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【図６】
0005436714.tif 000016
【図７】
0005436714.tif 000017