(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｃｕ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．５〜１．３％、Ｆｅ：０．１〜０．５％、Ｚｎ：１．０〜３．０％、を含有し、残部がＡｌと不可避不純物の組成のアルミニウム合金からなり、ろう付前において、導電率が４５％ＩＡＣＳ以上であり、かつ円相当径が０．０１〜０．１０μｍのＡｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系第２相粒子が１．０×１０４〜１．０×１０６個／ｍｍ２存在し、ろう付加熱において、加熱温度が２５０℃以下で耐力が１４０ＭＰａ以上、加熱温度が４５０℃以上で耐力が８０ＭＰａ以下であり、ろう付後において、常温で、引張強さが１４０ＭＰａ以上、耐力が５０ＭＰａ以上、導電率が４２％ＩＡＣＳ以上であり、ろう付後の平均結晶粒径が１５０μｍ以上であることを特徴とする強度、導電性、ろう付性に優れた熱交換器用フィン材。
【請求項２】
板厚が８０μｍ以下である請求項１記載の強度、導電性、ろう付性に優れた熱交換器用フィン材。
【請求項３】
質量％で、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％、Ｍｇ：０．０１〜０．２０％のうち、１種類以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の強度、導電性、ろう付性に優れた熱交換器用フィン材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器用フィン材と、ろう付加熱において、加熱温度が３００℃以下で耐力が１４０ＭＰａ以上、加熱温度が４００℃以上で耐力が９０ＭＰａ以下であるＡｌ−Ｍｎ系相手材とが組み付けられていることを特徴とする熱交換器用組み付け体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車用の熱交換器などに好適に用いることができる熱交換器用フィン材および熱交換器用組み付け体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用ラジエータ、オイルクーラ、インタークーラ、エアコン等の熱交換器では、軽量なＡｌ合金材が多く使われている。熱交換器の構成部材のひとつであるフィン材にもＡｌ合金材が用いられている。このような熱交換器用フィン材として、強度、高導電性などの特性が要求されている。
例えば、特許文献１では、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉを適量含有し、結晶粒径を調整することで成形性、ろう付け性などを改善したフィン材が提案されており、特許文献２では、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｆｅを適量含有し、Ｆｅ／Ｍｎ比を規定することで強度、耐食性、熱伝導性などを改善したフィン材が提案されている。また、特許文献３では、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｚｎを適量含有し、Ｍｎ、Ｓｉ量相互の関係を規定し、さらに金属間化合物を規定することで高強度、高熱伝導性を改善したフィン材が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７６０９０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３２５７０号公報
【特許文献３】特開２０１２−０２６００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
自動車用などの熱交換器用フィン材では、特にろう付後の高強度、高導電性が求められているが、従来のＤＣ（半連続鋳造）製法では、鋳造時の凝固速度が遅いため、高強度を狙って各種添加元素量を増加させると過飽和固溶により導電率が低下するトレードオフの関係にある。このため、強度、導電性の両方が格別に優れたフィン材を得るに至っていない。
また、最近では熱交換器として組み付けられた後のろう付加熱過程におけるフィン材の強度変化特性が非常に重要であることが分かってきている。つまり、ろう付加熱過程において、フィン材がチューブ材に対して、低温領域で軟化すると、フィンの強度が低下して座屈を生じ局部的にろう付不良（フィンの未接着）が生じる。一方でチューブ材に対して、高温領域まで軟化しないと、相対的にフィンの強度が高いために、接合体であるチューブを変形させてしまう問題がある。このように、近年ではＤＣ製法において、ろう付後の高強度と高導電牲を満足しつつ、なお且つ熱交換器としてのろう付性に優れるフィン材が求められている。
【０００５】
本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ろう付け性に優れ、ろう付後の強度と導電牲に優れた熱交換器用のフィン材を提供することを基本的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明の強度、導電性、ろう付性に優れた熱交換器用フィン材のうち、第１の本発明は、質量％で、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｃｕ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：０．５〜１．３％、Ｆｅ：０．１〜０．５％、Ｚｎ：１．０〜３．０％、を含有し、残部がＡｌと不可避不純物の組成のアルミニウム合金からなり、ろう付前において、導電率が４５％ＩＡＣＳ以上であり、かつ円相当径が０．０１〜０．１０μｍのＡｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系第２相粒子が１．０×１０４〜１．０×１０６個／ｍｍ２存在し、ろう付加熱において、加熱温度が２５０℃以下で耐力が１４０ＭＰａ以上、加熱温度が４５０℃以上で耐力が８０ＭＰａ以下であり、ろう付後において、常温で、引張強さが１４０ＭＰａ以上、耐力が５０ＭＰａ以上、導電率が４２％ＩＡＣＳ以上であり、ろう付後の平均結晶粒径が１５０μｍ以上であることを特徴とする。
【０００７】
第２の本発明の強度、導電性、ろう付性に優れた熱交換器用フィン材は、前記第１の本発明において、板厚が８０μｍ以下である。
【０００８】
第３の本発明の強度、導電性、ろう付性に優れた熱交換器用フィン材は、前記第１または第２の本発明において、質量％で、Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％、Ｍｇ：０．０１〜０．２０％のうち、１種類以上を含有することを特徴とする。
【００１０】
第４の本発明の熱交換器用組み付け体は、前記第１〜第３の本発明のいずれかに記載の熱交換器用フィン材と、ろう付加熱において、加熱温度が３００℃以下で耐力が１４０ＭＰａ以上、加熱温度が４００℃以上で耐力が９０ＭＰａ以下であるＡｌ−Ｍｎ系相手材とが組み付けられていることを特徴とする。
【００１１】
以下に、本発明における成分などの限定理由を説明する。なお、以下の成分量はいずれも質量％で示される。
【００１２】
Ｍｎ：１．０〜２．０％
Ｍｎは、Ａｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系粒子を析出させ、分散強化によるろう付後の強度を得るために含有する。ただし、１．０％未満であると、Ａｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系金属化合物による分散強化の効果が小さく、所望のろう付後強度が得られない。一方、２．０％を越えると、鋳造性、圧延性などにおいて製造性を悪化させる。このためＭｎ含有量を１．０〜２．０％とする。なお、同様の理由で下限を１．２％、上限を１．８％とするのが望ましい。
Ａｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系粒子は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｓｉを必須の成分として含む。Ａｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系粒子は、Ａｌ、Ｍｎ、Ｓｉのみで構成されていてもよく、これにＦｅを含んでいてもよい。以下も同様である。
【００１３】
Ｃｕ：０．０１〜０．２０％
Ｃｕは、ろう付け後の強度向上に寄与する。ただし、０．０１％未満の含有では、強度向上の効果が小さく、一方、０．２０％を超えて含有すると、鋳造性が低下して製造性が悪化し、また、融点が低下してろう付け性が低下する。このため、Ｃｕ含有量は、０．０１〜０．２０％とする。なお、同様の理由で下限を０．０５％、上限を０．１５％とするのが望ましい。
【００１４】
Ｓｉ：０．５〜１．３％
Ｓｉは、Ａｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系粒子を析出させ、分散強化によるろう付後の強度を得るために含有する。ただし、０．５％未満の含有では、Ａｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系金属間化合物による分散強化の効果が小さく、所望のろう付後強度が得られない。一方、１．３％を超えて含有すると、融点が低下してろう付け性が低下する。このため、Ｓｉ含有量を０．５〜１．３％とする。なお、同様の理由で下限を１．０％、上限を１．２％とするのが望ましい。
【００１５】
Ｆｅ：０．１〜０．５％  
Ｆｅは、Ａｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系粒子を析出させ、分散強化によるろう付後の強度を向上させる効果がある。ただし、０．５％を超えて含有すると、鋳造性、圧延性などにおいて製造性を悪化させ、耐食性が低下する。このため、Ｆｅ含有量は、０．１〜０．５％とする。また、上記効果を得るため、Ｆｅ含有量は下限を０．２％、上限を０．４％とするのが望ましい。
【００１６】
Ｚｎ：１．０〜３．０％
Ｚｎは、アルミニウム合金の電位を卑にする作用があり、犠牲陽極効果を得て耐食性を向上させるために含有する。ただし、１．０％未満の含有では、所望の耐食性向上効果が得られない。一方、３．０％を超えて含有すると腐食減量が増加する。このため、Ｚｎ含有量を１．０〜３．０％とする。なお、同様の理由で下限を１．５％、上限を２．０％とするのが望ましい。
【００１７】
Ｔｉ：０．０１〜０．２０％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％、Ｍｇ：０．０１〜０．２０％のうち、１種類以上を含有
Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｇは金属間化合物を形成し、分散強化および固溶強化により強度が向上するので、所望により１種以上を含有する。ただし、それぞれ含有量が下限未満であると、分散強化および固溶強化への影響が小さく、強度が向上する効果が小さい。Ｔｉ、Ｃｒがそれぞれの上限を超えると、鋳造時の晶出物が粗大化し、製造性が低下する。また、Ｍｇは、上限を超えるとろう付性を低下させる。
したがって、それぞれの含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由でＴｉ、Ｃｒ、Ｍｇで、下限０．０３％、上限０．１５％とするのが望ましい。
【００１８】
ろう付加熱において、加熱温度が２５０℃以下で耐力１４０ＭＰａ以上、加熱温度が４５０℃以上で耐力が８０ＭＰａ以下
ろう付けに際し、上記強度変化を満たすことで、強度変化を生じる相手材との間で強度差を抑えて良好なろう付けを行うことができる。
なお、同様の理由で加熱温度が３００℃以下で耐力１４０ＭＰａ以上、または、加熱温度が４００℃以上で耐力が８０ＭＰａ以下とするのが望ましい。
【００１９】
ろう付後において、引張強さが１４０ＭＰａ以上、耐力が５０ＭＰａ以上、
ろう付後において、導電率が４２％ＩＡＣＳ以上
部材の薄肉化に伴い、高強度材が求められている。フィン材のろう付後強度が低いと車載搭載時に熱交換器に負荷される繰り返しの振動や冷却水の膨張、圧縮により、フィン破断が生じやすくなる。このような破断部ではフィンのチューブ膨張、圧縮を抑制する効果が得られず、チューブは太鼓状に膨張して、早期の破断つまり内部冷却水の漏れにつながる。これまでの実績ではフィン板厚が８０μｍ以下となった場合でもろう付後の引張強さ１４０ＭＰａ以上有していれば、市場でのフィン破断を大幅に軽減できることが分かっている。
耐力は弾性限度を示しており、ろう付後の耐力が低い場合、車載搭載時の繰り返し振動により、フィン破断に至らなくても、塑性変形を生じて原形を留めず、複数段のフィンが変形する事でコア収縮が生じる。フィン板厚が８０μｍ以下となった場合でもろう付後の耐力５０ＭＰａ以上有していれば、上記影響を軽減できることが分かっている。
【００２０】
ろう付け後の平均結晶粒径が１５０μｍ以上
ろう付後の平均結晶粒径が１５０μｍ未満と細かいと結晶粒界を経路としたろう侵食（エロージョン）が起こりやすく、フィンの座屈を生じやすくなる。
【００２１】
板厚：８０μｍ以下
フィン材の厚さが薄いことにより、ろう付け時の高温軟化が顕著になり、本願発明の効果が顕著になる。
【００２２】
ろう付前において、導電率４５％ＩＡＣＳ以上
円相当径０．０１〜０．１０μｍのＡｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系第２相粒子が１．０×１０４〜１．０×１０６個／ｍｍ２存在
ろう付け前の導電率は、添加元素の固溶析出状態を判断できる４５％ＩＡＣＳ以上とすることで、固溶度が低くて、ろう付加熱時の再結晶は阻害されないため所望の強度特性が得られる。
また、ろう付け前に円相当径０．０１〜０．１０μｍのＡｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系第２相粒子が１×１０４個／ｍｍ２以上存在することで、これら微細な第２相粒子が、転位や亜粒界の移動に対する障害となることで、ろう付時の再結晶サイトへのひずみの蓄積を抑制させ、再結晶温度を遅延させることができる。これら効果により、ろう付加熱時の軟化挙動(強度変化)を所望の範囲に制御できる。また、これら第２相粒子の分散状態は析出強化によるろう付後の強度向上および固溶元素量低下による導電率向上に寄与する。
これら第２相粒子は、腐食環境においてカソード(還元反応)を促進させるため、腐食速度の増加を抑制するために、上限を１×１０６個／ｍｍ２とする。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、ろう付け後の高強度、高導電率が両立し、かつ、ろう付け加熱時の強度変化が適正化されて良好なろう付けが可能になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態および実施例における組み付け体における、ろう付け時の強度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
本発明のフィン材は、例えば常法の工程を利用して製造することができるが、添加元素の固溶度を制御する工程を含むのが望ましい。
アルミニウム合金は、本発明組成に調製して溶製することができる。該溶製は半連続鋳造法によって行うことができる。
得られたアルミニウム合金鋳塊に対しては、所定条件で均質化処理を行う。すなわち、均質化処理は、温度３５０〜４５０℃、保持時間３〜１２時間が望ましい。
その後、熱間圧延、冷間圧延などを経て、例えば板厚８０μｍ以下の薄板状フィン材とする。本発明では、上記のように半連続鋳造法の適用が可能であるが、ＣＣ鋳造法（連続鋳造圧延法）の適用を排除するものではなく、連続鋳造法の後、冷間圧延を行ってもよい。
【００２６】
上記冷間圧延によって得られるフィン材は、その後、必要に応じてコルゲート加工などが施される。コルゲート加工は、回転する２つの金型の間を通すことによって行うことができ、良好に加工を行うことができ、優れた成形性を示す。
フィン材は単材として用いてもよく、ろう材とクラッドしたブレージングシートとして用いてもよい。ブレージングシートでは、一面にＡｌ−Ｓｉ系などのろう材をクラッドし、他面に犠牲陽極材などをクラッドしたものとしてもよい。
【００２７】
なお、フィン材は、ろう付前において、導電率が４５％ＩＡＣＳ以上であり、円相当径が０．０１〜０．１０μｍのＡｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系第２相粒子が１．０×１０４〜１．０×１０６個／ｍｍ２存在している。
【００２８】
上記で得られたフィン材は、熱交換器の構成部材として、他の相手部材（チューブやヘッダーなど）と組み合わせて組み付け体とされる。
なお、相手部材の材料組成は特に限定されるものではないが、例えばＡｌ−Ｍｎ系合金を芯材としたブレージングシートを示すことができる。
【００２９】
上記組み付け体は、ろう付に供される。この際に組み付け体は、接合面に押圧力が加わるように適度な押圧を行ってもよい。
なお、本発明としては、ろう付における条件（ろう付温度、雰囲気、フラックスの使用の有無、ろう材の種別など）は特に限定されるものではない。ろう付けの際の温度管理としては、例えば、昇温速度１０〜１００℃／ｍｉｎ、保持温度５９０〜６１０℃、保持時間１〜１０ｍｉｎ、冷却速度１０〜１００℃／ｍｉｎなどの条件で行うことができる。
上記ろう付け条件内において、本発明における耐力の条件を満たすものは、本発明の範囲内となり得るものである。
【００３０】
上記ろう付けに際しては、本実施形態のフィン材は、加熱温度が２５０℃以下で耐力が１４０ＭＰａ以上、加熱温度が４５０℃以上で耐力が８０ＭＰａ以下である。２５０℃超、４５０℃未満の加熱温度では、上記耐力を維持するか、高温に連れて強度が低下する強度範囲を有している。なお、加熱温度が３００℃以下で耐力１４０ＭＰａ以上、加熱温度が４００℃以上で耐力が８０ＭＰａ以下とするのが望ましい。
また、相手材は、加熱温度が３００℃以下で耐力が１４０ＭＰａ以上、加熱温度が４００℃以上で耐力が９０ＭＰａ以下であり、３００℃超、３５０℃未満の温度では、上記耐力を維持するか、高温に連れて強度が低下する強度範囲を有している。
【００３１】
上記フィン材では、各種添加元素の固溶度および析出粒子の分布状態が制御されており、ろう付加熱時の強度変化が適正化されて良好なろう付牲が得られ、ろう付後の強度、導電率ともに良好な特性を有している。
加熱温度域における材料の強度変化の例を図１に示す。ろう付け加熱に際し、本実施形態のフィン材と相手材とは、強度変化が適正化されて良好なろう付けが達成される。
一方、図では、従来フィン材が示されている。この従来フィン材の成分は、例えばＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ−Ｚｎ系合金で示される。この場合、加熱過程で従来フィン材と相手材とは、強度が大きく異なる領域が発生しており、ろう付け性を悪化させている。
【００３２】
そして、本実施形態のフィン材は、ろう付後において、引張強さが１４０ＭＰａ以上、耐力が５０ＭＰａ以上、導電率が４２％ＩＡＣＳ以上の特性を有している。
【００３３】
上記で作製された熱交換器は、自動車などの用途に使用される。該熱交換器のフィン部は、上記で得られたフィン材を使用しているので、薄肉化されつつも高強度と高導電性を兼ね備えたものとなっている。
【実施例１】
【００３４】
以下に、本発明の実施例を説明する。表１に示す組成（残部Ａｌ＋不可避不純物）を有するアルミニウム合金を、ＤＣ法（半連続鋳造法）により溶解、鋳造した。なお、スラブの冷却速度は、０．５〜３．５℃／秒であった。さらに、得られた鋳塊に対し、４００℃で１０時間の条件で均質化処理を行い、その後４００℃で５時間の条件で均熱を行い熱間圧延、その後冷間圧延を行った。
冷間圧延工程では、７５％以上で冷間圧延を行った後、３５０℃にて中間焼鈍を行い、その後圧延率４０％の最終圧延を行い、板厚０．０６ｍｍで、質別Ｈ１４のフィン材（供試材）を得た。
【００３５】
前記フィン材を下記の条件にて導電性の評価を行い、評価結果を表１に示す。また、前記フィン材を下記の条件にてろう付け相当熱処理を行い、加熱後のフィン材について、以下の評価試験を行った。評価結果を表１に示す。
【００３６】
（ろう付処理）
室温から６００℃まで平均昇温速度４０℃／分で昇温し、６００℃で３分保持後、１００℃／分の降温速度で降温冷却する熱処理の条件でろう付相当加熱を行った。
【００３７】
（素材の化合物の分布状態）
ろう付前後の円相当径が０．０１〜０．１０μｍのＡｌ−（Ｍｎ、Ｆｅ）−Ｓｉ系第二相粒子（分散粒子）の個数密度（個／μｍ２）を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって測定した。測定方法は、ろう付前は素材に４００℃×１５秒のソルトバス焼鈍を行って変形ひずみを除去して化合物を観察しやすくした後、通常の方法で機械研磨、および電解研磨によって薄膜を作製し、透過型電子顕微鏡にて第二相粒子について３００００倍で写真撮影した。各５視野について写真撮影し、画像解析によって分散粒子のサイズおよび個数密度を計測した。
【００３８】
（ろう付加熱途中の耐力）
ろう付加熱を想定して室温から４５０℃まで一定の速度１００℃／ｍｉｎで昇温し、各温度（２５０，３００，３５０，４００，４５０℃）に到達後、速やかに常温まで急冷（冷却速度５００℃／ｍｉｎ）した。その後、圧延方向と平行にサンプルを切り出してＪＩＳ１３号Ｂ形状の試験片を作製し、引張試験を実施し、耐力を測定した。引張速度は３ｍｍ／分とした。
【００３９】
（ろう付後強度）
作製した前記フィン材に、ろう付相当の熱処理を施した。具体的には、６００℃まで平均昇温速度４０℃／分で昇温し、６００℃で３分保持後、１００℃／分の降温速度で降温冷却した。その後、圧延方向と平行にサンプルを切り出してＪＩＳ１３号Ｂ形状の試験片を作製し、引張試験を実施し、引張強さと耐力を測定した。引張速度は３ｍｍ／分とした。
【００４０】
（導電率）
ＪＩＳ  Ｈ−０５０５記載の導電率測定方法により、ダブルブリッジ式導電率計にて測定した。
【００４１】
（結晶粒径）
塩酸、フッ酸、硝酸の混合液にてサンプル表面をエッチングすることで結晶粒を露出させ、撮影された表面結晶粒組織写真を用いて、直線切断法により結晶粒径を測定し、円相当径を算出した。
【００４２】
【表１】
0006635652.tif 000002
【図１】
0006635652.tif 000003