(57)【要約】【課題】  耐エロージョン性に優れるとともに高強度な熱交換器用のアルミニウム合金フィン材および熱交換器を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｍｎ：０．００５％以上３．０以下、Ｚｎ：０．０１％以上８．０％以下を含有し、更に、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．０５％以上０．８％以下、Ｍｇ：０．０１％以上０．５％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金フィン材を採用する。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｍｎ：０．００５％以上３．０以下、Ｚｎ：０．０１％以上８．０％以下を含有し、
更に、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．０５％以上０．８％以下、Ｍｇ：０．０１％以上０．５％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金フィン材。
【請求項２】
更に、Ｔｉ：０．０１％以上０．２５％以下、Ｃｒ：０．０１％以上０．１％以下、Ｖ：０．０１％以上０．１％以下、Ｎｉ：０．０１％以上２．０％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金フィン材。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のフィン材を備えたことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金フィン材および熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車のラジエータ等に用いられている熱交換器においては、チューブ材やヘッダープレートにクラッド材が使用されている。このクラッド材は、例えば、ＡＡ３００３合金などのＡｌ−Ｍｎ合金芯材の一面に、ＡＡ４３４３ろう材やＡＡ４０４５ろう材が貼り合わされるとともに、他面にＡＡ７０７２合金が貼り合わされて構成されている。
また、熱交換器の剛性を高めるためにコア最外部に取付けられるサイドサポート材には、Ａ３００３合金の片面にＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を貼り合わせたクラッド材が使用されている。
更に、熱交換器用のフィン材は、チューブ材のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材によってチューブ材にろう付されるものであり、伝熱面積を広くすることで熱交換効率の向上を図っている。このようなフィン材には、ＡＡ１０５０合金などの純Ａｌ系合金や、ＡＡ３００３合金などのＡｌ−Ｍｎ合金やＡｌ−Ｆｅ系合金などが用いられている。
【０００３】
ところで、近年の自動車の軽量化により自動車用の熱交換器もまた軽量化が求められており、これに対応すべくフィン材の薄肉化、高強度化が求められている。一方、フィン材の薄肉化により発生する問題としては、溶融したろうによる侵食（エロージョン）がある。エロージョンによってフィン材などに貫通孔が生じてしまうと、熱交換器として必要な強度が得られなくなったり、ひいては熱交換器としての構造が保てなくなったりするなどの問題が生じていた。
【０００４】
前述のように、フィン材にはＡＡ１０５０合金、ＡＡ３００３合金などが用いられている。また、高強度化を達成するために、例えば、チューブ材やヘッダープレート、サイドサポート材、あるいは両面にろう材を貼り合わせてなるクラッドフィン材等には、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金芯材が使用されたり、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系犠牲材を貼り合わせた高強度材が開発されている。
また、ベアフィン材用のアルミニウム合金として、Ｍｎ：０．８−１．３％、Ｓｉ：０．２−０．７％からなる組成で熱間圧延温度や中間焼鈍温度あるいは最終冷間圧延率を規定した合金も開発されており、耐垂下性や犠牲陽極効果に優れているとのことである（特許文献１）。
このほか、ＭｎやＳｉを含有した合金には、特許文献２−５に記載された合金があり、強度や耐垂下性に優れると言われている。
【特許文献１】特許第２７８６６４０号公報
【特許文献２】特開平１１−２５６２６１号公報
【特許文献３】特開平４−２４７８４１号公報
【特許文献４】特開平５−４３９９９号公報
【特許文献５】特開平４−３７１３６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の熱交換器用のアルミニウム合金材料では、強度が不足したり、耐エロージョン性が不足するものであった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐エロージョン性に優れるとともに高強度な熱交換器用のアルミニウム合金フィン材および熱交換器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】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金フィン材は、質量％で、Ｓｃ：０．０００１％以上１．０％以下、Ｍｎ：０．００５％以上３．０以下、Ｚｎ：０．０１％以上８．０％以下を含有し、更に、Ｆｅ：０．０５％以上２．５％以下、Ｓｉ：０．０５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．０５％以上０．８％以下、Ｍｇ：０．０１％以上０．５％以下、Ｚｒ：０．００１％以上０．３％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
また、上記のフィン材においては、更に、Ｔｉ：０．０１％以上０．２５％以下、Ｃｒ：０．０１％以上０．１％以下、Ｖ：０．０１％以上０．１％以下、Ｎｉ：０．０１％以上２．０％以下、のうちの１種または２種以上の元素を含有することが好ましい。
また、本発明の熱交換器は、先のいずれかに記載のフィン材が備えられていることを特徴とする。
【０００７】
上記のアルミニウム合金フィン材によれば、添加されたＳｃがろう付け熱処理によって合金組織中に固溶するとともに、Ｓｃの一部がＡｌ３Ｓｃなる組成の金属間化合物を形成してこの微細なＡｌ３Ｓｃが時効析出するので、フィン材の強度を高めることができる。また、ろう付け熱処理の昇温過程において再結晶粒径が粗大化して結晶粒界が減少し、これにより溶融ろうによるエロージョンの発生を抑制することができる。
また、添加されたＭｎが他の合金成分と化合して金属間化合物を形成、晶出若しくは析出するので、フィン材の強度を高めることができる。
更に、Ｚｎを添加することにより、Ｓｃの添加によって貴側に上昇した電位を卑にすることができ、チューブ材等とともに当該フィン材を用いて熱交換器を組み立てた場合にフィン材を他の部材の犠牲陽極材として用いることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、耐エロージョン性に優れるとともに高強度な熱交換器用のアルミニウム合金フィン材および熱交換器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詳細に説明する。
本実施形態の耐エロージョン性に優れた熱交換器用の高強度アルミニウム合金フィン材（以下、フィン材と表記）は、ＳｃとＭｎとＺｎとが含有され、更に、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、のうちの１種または２種以上の元素が含有され、更に残部がＡｌおよび不可避的不純物が含有されて構成されている。また必要に応じて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｉのうちの１種または２種以上の元素が含有されていても良い。
以下、フィン材の合金組成の限定理由について説明する。
【００１０】
「Ｓｃ」
スカンジウム（Ｓｃ）はフィン材の必須元素であり、ろう材熱処理の際に合金組織中に固溶してフィン材の機械的強度を向上させる。また、一部がＡｌ３Ｓｃなる組成の金属間化合物を形成してこの微細なＡｌ３Ｓｃが時効析出してフィン材の機械的強度を向上させる。更に、ろう付熱処理の昇温過程においてこのＳｃの作用により再結晶粒径が粗大化するため、溶融ろうによる侵食（エロージョン）が抑制される。Ｓｃの組成比は質量％で０．０００１％以上１．０％以下の範囲が好ましく、０．０００１％以上０．２％未満の範囲がより好ましい。Ｓｃの組成比が０．０００１％未満になると機械的強度の向上効果およびエロージョンの抑制効果が得られない。またＳｃの組成比が１．０％を越えると機械的強度の向上効果およびエロージョンの抑制効果が飽和してしまい、添加する効果が得られない。更に、Ｓｃの添加量が０．２％以上になると、冷間圧延時にクラックが発生しやすくなる等の問題が発生する。
【００１１】
「Ｍｎ」
マンガン（（Ｍｎ）はＳｃとともにフィン材の必須元素であり、他の合金成分（具体的にはＳｉ）と化合してＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物を形成し、この金属間化合物が晶出若しくは析出されて、ろう付け後のフィン材の機械的強度が向上される。また、金属間化合物の形成によって合金組織中のＳｉの固溶度が相対的に低下し、これによりフィン材の融点を向上させることができ、フィン材の耐熱性を高めることができる。Ｍｎの組成比は質量％で０．００５％以上３．０％以下の範囲が好ましく、０．３％以上２．０％以下の範囲がより好ましい。Ｍｎの組成比が０．００５％未満になると機械的強度の向上効果が得られない。またＭｎの組成比が３．０％を越えると機械的強度が高くなりすぎて鋳造性や圧延加工性が低下するので好ましくない。
【００１２】
「Ｚｎ」
亜鉛（Ｚｎ）はＳｃ及びＭｎとともにフィン材の必須元素であり、Ｓｃの添加によって上昇した電位を卑にさせて、フィン材をチューブ材やクラッド材の芯材に対する犠牲陽極材として利用することを可能にする。Ｚｎの組成比は質量％で０．０１％以上８．０％以下の範囲が好ましく、０．２％以上８．０％以下の範囲がより好ましい。Ｚｎの組成比が０．０１％未満になると、電位を卑にする効果が得られない。またＺｎの組成比が８．０％を越えると、フィン材の自己耐食性が低下してしまう。一方、Ｚｎの組成比を０．２％以上にすることで、より十分に電位を卑にできる。
【００１３】
「Ｆｅ」
鉄（Ｆｅ）は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｓｉとともに金属間化合物を形成して合金組織中に晶出または析出し、ろう付後のフィン材の強度を向上させる。金属間化合物としては、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物を例示できる。また、これらの金属間化合物の形成によって、合金組織中におけるＭｎやＳｉの固溶度を低下させ、フィン材の融点を向上させることができる。Ｆｅの組成比は質量％で０．０５％以上２．５％以下の範囲が好ましく、０．２％以上１．８％以下の範囲がより好ましい。Ｆｅの組成比が０．０５％未満では、フィン材の強度向上及び融点上昇の効果が得られない。またＦｅの組成比が２．５％を越えると、フィン材の腐食速度が高くなり、また巨大な晶出物が出現してフィン材の鋳造性や圧延性が低下する。
【００１４】
「Ｓｉ」
ケイ素（Ｓｉ）は、ＡｌおよびＭｎとともに、金属間化合物であるＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物を形成して合金組織中に析出し、ろう付後のフィン材の強度を向上させる。またＳｉは、その一部が合金組織中に固溶してフィン材の強度を向上させる。Ｓｉの組成比は質量％で０．０５％以上１．５％以下の範囲が好ましく、０．４％以上１．２％以下の範囲がより好ましい。Ｓｉの組成比が０．０５％未満では、フィン材の強度向上の効果が得られない。またＳｉの組成比が１．５％を越えると、フィン材の融点が低下してろう付け時に溶融してしまい、更にフィン材の熱伝導性を低下させる。
【００１５】
「Ｃｕ」
銅（Ｃｕ）は、合金組織中に固溶してフィン材の強度を向上させる。Ｃｕの組成比は質量％で０．０５％以上０．８％以下の範囲が好ましく、０．０７％以上０．２％以下の範囲がより好ましい。Ｃｕの組成比が０．０５％未満では、フィン材の強度向上の効果が得られない。またＣｕの組成比が０．８％を越えると、フィン材の融点が低下してろう付け時に溶融してしまう。
【００１６】
「Ｍｇ」
マグネシウム（Ｍｇ）は、Ｃｕと同様に合金組織中に固溶してフィン材の強度を向上させる。Ｍｇの組成比は質量％で０．０１％以上０．５％以下の範囲が好ましく、０．０５％以上０．２％以下の範囲がより好ましい。Ｍｇの組成比が０．０１％未満では、フィン材の強度向上の効果が得られない。またＭｇの組成比が０．５％を越えると、フィン材の融点が低下してろう付け時に溶融してしまうとともに、Ｍｇとフラックスとの反応によりろう付け性が低下する。
【００１７】
「Ｚｒ」
ジルコニウム（Ｚｒ）は、ろう付の際の加熱によって微細な金属間化合物として分散析出して強度を向上させる。また、Ｓｃの添加効果を一層を高める作用がある。Ｚｒの組成比は質量％で０．００１％以上０．３％以下の範囲が好ましく、０．０５％以上０．１５％以下の範囲がより好ましい。Ｚｒの組成比が０．００１％未満では、フィン材の強度向上の効果が得られない。またＺｒの組成比が０．３％を越えると、フィン材の強度が高くなりすぎて成形性が低下したり、自己耐食性が低下したり、熱伝導性が低下したりする。
【００１８】
以上のように、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒはいずれも、フィン材の強度を向上させる元素なので、これらの内の１種または２種以上の元素を添加すれば良い。
【００１９】
「Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ」
チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）はいずれも、ろう付の際の加熱によって微細な金属間化合物として分散析出して強度を向上させる。Ｔｉの組成比は質量％で０．０１％以上０．２５％以下の範囲が好ましく、０．０５％以上０．１５％以下の範囲がより好ましい。また、Ｃｒの組成比は質量％で０．０１％以上０．１％以下の範囲が好ましく、０．０２％以上０．０７％以下の範囲がより好ましい。更に、Ｖの組成比は質量％で０．０１％以上０．１％以下の範囲が好ましく、０．０２％以上０．０７％以下の範囲がより好ましい。各元素の組成比が下限未満になると、フィン材の強度向上の効果が得られない。また、各元素の組成比が上限を超えると、フィン材の強度が高くなりすぎて成形性が低下してしまう。
【００２０】
「Ｎｉ」
ニッケル（Ｎｉ）は、金属間化合物として合金組織中に晶出または析出して、ろう付後のフィン材の強度を向上させる。Ｎｉの組成比は質量％で０．０１％以上２．０％以下の範囲が好ましく、０．２％以上１．１％以下の範囲がより好ましい。Ｎｉが０、０１％未満になると、フィン材の強度向上の効果が得られない。また、Ｎｉが２．０％を越えると、自己耐食性が低下する。
【００２１】
以上のように、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖ及びＮｉはいずれも、フィン材の強度を向上させる元素なので、必要に応じてこれらの内の１種または２種以上の元素を添加すれば良い。
【００２２】
本実施形態のフィン材は、例えば、上記適正範囲の組成を有するアルミニウム合金を溶解、鋳造してインゴットを得、このインゴットに対して均質化を施す。続いて、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍および冷間圧延を行なってフィン材とする。焼鈍温度は３００℃ないし４５０℃程度が好ましい。また最終冷間圧延率は１０％ないし４０％程度が好ましい。また連続鋳造法を採用しても良い。
【００２３】
図１には、本発明の実施形態である自動車用のラジエータ（熱交換器）の分解斜視図を示す。図１において、符号１１はフィン（フィン材）、符号１２はチューブ、符号１３はヘッダー、符号１４はサイドサポートである。図１に示すラジエータは、フッ化物系フラックスを用いたろう付接合によってチューブ１２、フィン１１およびヘッダー１３が各々一体化され、更に樹脂タンクが機械的接合（かしめ加工）により取り付けられて製造される。ろう付け時の熱処理温度は、５９０℃ないし６１０℃程度が好ましく、保持時間は３分ないし１０分程度が好ましい。このときの熱処理によって、フィン材の合金組織中に各種の金属間化合物が生成するので、フィン材の強度を向上できるとともに耐エロージョン特性を向上させることができる。
【実施例】
【００２４】
下記表１に示す成分組成のアルミニウム合金を溶解鋳造してインゴットを製造し、このインゴットを均質化処理した後、熱間圧延及び冷間圧延を行い、更に昇温速度２℃／分、焼鈍温度３５０℃、焼鈍時間６０分の条件で中間焼鈍を行い、続いて最終冷間圧延率が３５％となる条件で冷間圧延を行なって、厚み０．０８ｍｍの圧延材（フィン材）を作製した。
【００２５】
得られたフィン材について、耐エロージョン性の評価を行った。対エロージョン評価は、３００３合金からなる心材の片面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材（Ｓｉの含有率１０％）が貼り合わされてなるブレージングシートに、コルゲート加工したフィン材を組み付け、これにフラックスとしてＫ１−３ＡｌＦ４−６を塗布した後、ろう付けに相当する熱処理（窒素ガス雰囲気中６００℃で３分保持し、１００℃／分で室温まで冷却）を行ない、その後、フィン材とブレージングシートの接合部分の断面観察を行なうことにより、ろうによるフィン材の最大侵食深さについて測定した。
また、フィン材の強度は、フィン材に対して、ろう付けに相当する熱処理（６００℃、３分）を行ない、その後、引張試験を行って評価した。
最大侵食深さおよび引張強度を表２に示す。
【００２６】
【表１】
2006176850.tif 000002
【００２７】
【表２】
2006176850.tif 000003
【００２８】
表２に示すように、本発明のフィン材は、比較例のフィン材と比べて、侵食深さが小さく、また引張強度にも優れていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施形態である自動車用のラジエータ（熱交換器）を示す分解斜視図。
【符号の説明】
【００３０】
１１…フィン（フィン材）、１２…チューブ、１３…ヘッダー、１４…サイドサポート
【図１】
2006176850.tif 000004