(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ０．０５〜０．１５重量％、Ｓｉ０．０５〜０．１５重量％、Ｆｅ０．１４〜０．２０重量％、Ｍｎ１．００〜１．３０重量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるＡｌ合金を溶湯より連続鋳造する工程と、
前記連続鋳造されたＡｌ合金を冷間圧延する工程と、
前記冷間圧延されたＡｌ合金を中間焼鈍する工程と、
前記中間焼鈍を経たＡｌ合金を仕上圧延する工程とを含み、
前記中間焼鈍を４３０〜４７０℃で８〜１２時間、１回のみ行う
ことを特徴とする熱交換器用フィン材の製造方法。
【請求項２】
前記連続鋳造により厚さ４〜１０ｍｍの板状体を製造し、かつ前記仕上圧延における加工率が２０〜６０％であることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器用フィン材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器用フィン材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種産業用の熱交換器のフィン材には、加工性や熱伝達性に優れ、軽量であることからアルミニウム合金が用いられている。中でも、化学プラント等に使用される大型の熱交換器のフィン材には、その接合方法や強度等の観点から、ＪＩＳ規格Ｈ４０００−３００３に規定されるアルミ合金（以下、「３００３合金」と称する場合もある）が主として用いられている。
【０００３】
フィン材は、種々の形状にコルゲート加工されたフィンとして、芯材の表面にろう材をクラッドしたブレージングシート間に組み付けられ、その後、真空加熱炉にて約６００℃の高温下で、溶融したろうにより接合（ろう付）される。
【０００４】
このろう付の際には、加熱によってフィン材に再結晶が起こるが、完全に再結晶するタイミングやその再結晶粒径によっては、溶融したろうがフィン母材に拡散してエロージョンが発生する。このエロージョンが発生すると、フィンが座屈して接合不良や通路閉塞に至り、製品不良へ繋がる。
【０００５】
上記エロージョンは溶融したろうとフィンとが接触する時間の影響も受ける。自動車用に代表される小型熱交換器のろう付では、溶融したろうとフィン材とが接触する時間が数分間であるのに対して、例えば化学プラント等で使用される大型熱交換器のろう付では、熱交換器本体が非常に大きいために長時間のろう付が不可避となり、溶融したろうとフィンとが接触する時間が５時間程度にまで及ぶ場合も多く、それ以上の場合もある。従って、大型熱交換器に使用されるフィン材には、遥かに過酷な条件下での耐エロージョン性が必要とされる。さらに、熱交換器本体の重量が十数トンになる場合もあり、ろう付時にその自重によって変形しない耐座屈性も必要とされる。
【０００６】
近年、大型熱交換器の更なる高性能化のため、現状よりもフィン材を薄肉化することが望まれており、そのためには、更に優れた耐エロージョン性を有するフィン材が求められるようになってきている。
【０００７】
この課題を解決するために、半連続鋳造を用いた製造方法では、合金成分、中間焼鈍時の板厚や温度、仕上圧延時における加工度（冷間加工率）等の調整が行われている。
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するための別のアプローチとして、連続鋳造法に着目した。
【０００９】
連続鋳造法に関しては、特許文献１に、特定の組成を有するＡｌ合金から連続鋳造法を含む製造方法を用いてフィン材を製造することが提案されている。ここでの連続鋳造法とは、アルミ溶湯から連続鋳造機にて板厚５〜１５ｍｍ程度の板を鋳造する方法であり、その後冷間圧延、少なくとも１回の中間焼鈍及び仕上圧延を行うことによりフィン材を製造することが記載されている。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に記載の発明は自動車用等の小型熱交換器用のフィン材に関するものであり、これを大型熱交換器フィン材にそのまま適用することはできず、仮に適用したとすると、上記ろう付時のエロージョンやフィンの加工性の問題を生じると考えられる。
【特許文献１】特開２００４−８４０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、上記のような大型熱交換器のろう付条件に適した、３００３合金のフィン材であって、ろう付時の耐エロージョン性に優れたフィン材、及びそのようなフィン材を得るための連続鋳造法による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】
【００１２】
本発明の熱交換器用フィン材の製造方法は、Ｃｕ０．０５〜０．１５重量％、Ｓｉ０．０５〜０．１５重量％、Ｆｅ０．１４〜０．２０重量％、Ｍｎ１．００〜１．３０重量％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるＡｌ合金を溶湯より連続鋳造する工程と、この連続鋳造されたＡｌ合金を冷間圧延する工程と、この冷間圧延されたＡｌ合金を中間焼鈍する工程と、この中間焼鈍を経たＡｌ合金を仕上圧延する工程とを含み、前記中間焼鈍を４３０〜４７０℃で８〜１２時間、１回のみ行うものとする。
【００１４】
連続鋳造により厚さ４〜１０ｍｍの板状体を製造し、かつ前記仕上圧延における加工率が２０〜６０％であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、上記のように特定のＡｌ合金組成及び連続鋳造法を採用し、かつ中間焼鈍を１回のみ行うことにより、ろう付時におけるろうの拡散によるエロージョンの問題が解決された３００３合金のフィン材が容易に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
ろうはフィン材の結晶粒界に沿って拡散しやすいため、ろう材に直接接触するフィン面の結晶粒界を少なくすれば、ろうの拡散を抑制することができると考えられる。すなわち、ろうの拡散によるエロージョンを抑制するには、その拡散経路となり得る結晶粒界を減らすことが効果的であり、ろうの溶融が始まるまでに、ろう付加熱によって亜結晶粒の残存のない完全な再結晶組織や再結晶粒の粗大化が得られることが必要であると考えられる。
【００１８】
そのため、本発明のフィン材を得るためのＡｌ合金は、上記の通り、Ｃｕ：０．０５〜０．１５％（重量％、以下同様。）、Ｓｉ：０．０５〜０．１５％、Ｆｅ：０．１４〜０．２０％、Ｍｎ：１．００〜１．３０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるものとする。
【００１９】
Ｃｕは、アルミニウムに固溶して強度を向上させるが、多様なフィンの加工性を得るためには、含有量は３００３合金に規定された範囲における下限値側であることが好ましい。
【００２０】
Ｓｉは材料強度を向上させるが、フィン材の融点低下により、ろう付時に溶融する可能性がある。またＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の微細な析出物を生じ、再結晶粒を粗大化させる。しかし、含有量が多いと再結晶挙動が阻害されるため、再結晶の駆動力となる歪量が多くなる。この場合、フィンの加工性が低下するので、完全に再結晶するために必要な歪を加えた上で多様なフィンの加工性を得るためには、０．１５％以下が望ましい。
【００２１】
Ｆｅの含有量は、技術的効果の面では０．１４％以上に限定されないが、入手可能な原材料（新塊、再生塊）に制限があるため、工業的に量産可能とするという観点からは０．１４％以上が好ましい。しかし、多すぎるとＭｎの固溶度を減少させ、Ｍｎ、Ｓｉ等と再結晶の核となる粗大な晶出物を作りやすい。そのため、ろう付時の再結晶粒が微細となり、耐エロージョン性を低下させるので、０．２％以下とすることが望ましい。
【００２２】
Ｍｎの含有量は、多いほど強度が向上するが、本発明では上限は３００３合金に規定された範囲内とする。
【００２３】
上記の通り、本発明では、Ａｌ合金の組成、特にＳｉとＦｅの含有量を上記のように規定したことにより、亜結晶粒の残存抑制及び再結晶粒の粗大化が図れる。
【００２４】
本発明のフィン材は、連続鋳造法を含む製造方法により得られる。好ましくは、Ａｌ合金の溶湯から連続鋳造を行い、冷間圧延を行い、中間焼鈍を１回のみ行い、最後に仕上圧延を行う。
【００２５】
連続鋳造は、特にこれに限定されるわけではないが、例えば水冷された双水平ロール鋳造機を用いて行うことができる。鋳造条件としては、板厚４．０〜１０．０ｍｍ、鋳造速度０．８〜２．０ｍｍ／ｓｅｃが好ましい。所定の条件下で連続鋳造を行うことにより、凝固速度が速くなり、異種金属が過飽和に固溶して、晶出物が微細になる。板幅は特に限定されないが、通常は３００〜１０００ｍｍ程度である。
【００２６】
続く冷間圧延は常温（３０〜６０℃）で行い、加工率は８０〜９５％が好ましい。
【００２７】
中間焼鈍の条件としては、４３０〜４７０℃で８〜１２時間程度行うのが好ましい。この温度未満では鋳造組織が一次再結晶を完全に完了せず、一方、この温度を超えると部分的に２次再結晶へ移行してしまうと考えられる。
【００２８】
仕上圧延は常温（３０〜６０℃）で行い、その際の最終焼鈍である中間焼鈍後から最終板厚に至るまでの冷間加工率は耐エロージョン性の点から２０％以上が好ましい。２０％未満の領域では耐エロージョン性が低下するが、これは再結晶の駆動力となる歪み量が少ないためにろう付時の再結晶が遅れ、ろうの溶融までに完全に再結晶せず、ろうの拡散経路となる亜結晶粒が残存するためであると考えられる。これに対し、２０％以上の領域では、再結晶粒は粗大であり、長時間のろう付においても良好な耐エロージョン性を示す。一方、上限は、加工率が大きくなるほどフィン材の加工性が低下する点を考慮すると６０％以下が好ましい。
【００２９】
半連続鋳造法により製造されたフィン材のろう付時における再結晶粒は、最終の中間焼鈍後からの冷間加工率が大きくなるにつれて細粒化の傾向が見られ、３０％を超えたあたいりから微細となる。また、析出処理を含めた中間焼鈍を２回以上行う連続鋳造法により製造されたフィン材についても、同様の細粒化の傾向が見られ、微細となる。従って、冷間加工率が大きくなるとろう付時の耐エロージョン性が低下する。
【００３０】
しかし、本発明のフィン材では、析出処理を行わずに中間焼鈍を１回のみ行うことにより、冷間加工率が大きくなっても粗大な再結晶粒が保たれ、優れた耐エロージョン性が得られる。
【００３１】
本発明によるフィン材は、連続鋳造法の急速凝固（冷却）により晶出物が微細化されており、また、析出処理を行わないために粗大な析出物が生じておらず、再結晶の核になり得る比較的大きな金属間化合物が生成しにくい。従って、ろう付時の再結晶粒が粗大化すると考えられる。
【００３２】
以上の通り、本発明によればＡｌ組成と製造方法を限定したことにより、ろうの拡散によるエロージョンが抑制された、３００３合金のフィン材が得られる。
【００３３】
また、フィン材はフィンに加工される際に塑性変形加工を加えられ、従来材ではこの加工率が大きくなるに従い、ろう付時の再結晶粒に細粒化の傾向が顕著に見られるが、本発明のものは加工率が大きくなっても再結晶粒径はほとんど影響を受けない。
【００３４】
上記により得られたフィン材は、所定の形状に加工し、通常はコルゲート加工を施してフィンとする。フィンは真空ろう付によってブレージングシートに接合され、各種工業用に用いられる熱交換器が得られる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
【００３６】
１．フィン材の製造及び結晶粒径の測定
表１に示す組成を有するＡｌ合金から同表に示した製造方法・条件によりフィン材を製造した。
【００３７】
すなわち、実施例及び比較例１，２では、板厚７ｍｍ、板幅９００ｍｍ、速度１．０ｍｍ／ｓｅｃの条件で連続鋳造を行った後、常温で冷間圧延（加工率９０％）を行い、次いで４５０℃で１０時間の中間焼鈍を行い、常温で仕上圧延（加工率１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％）を行って、厚さ０．２ｍｍのフィン材を得た。
【００３８】
比較例３は従来技術のＡｌ組成及び製造方法によるものであり、板厚７ｍｍ、板幅９００ｍｍ、速度１．０ｍｍ／ｓｅｃの条件で連続鋳造を行った後、常温で冷間圧延を行い板厚５ｍｍとし、５６０℃で１０時間の中間焼鈍（析出処理）を行い、次に常温で冷間圧延（加工率９０％）を行い、さらに４５０℃で１０時間の中間焼鈍（最終焼鈍）を行い、常温で仕上圧延（加工率同上）を行って、厚さ０．２ｍｍのフィン材を得た。
【００３９】
同様に従来技術に係る比較例４では、まず大きさ２５０ｍｍ×６００ｍｍ×２０００ｍｍのスラブを鋳造した後、５６０℃での均質化処理後４６０℃で予備加熱を行い、熱間圧延にて板厚７．５ｍｍの板を製造し、４５０℃で１０時間の中間焼鈍（最終焼鈍）を行い、常温で仕上圧延（加工率同上）を行って、厚さ０．２ｍｍのフィン材を得た。
【００４０】
得られた各フィン材につき、ろうの溶融温度より少し低い温度で熱処理を行い、結晶粒径の測定を行った。結果を表１に示す。
【００４１】
２．ろう付試験
（１）ろう付試験１
上記１で加工率を１０％〜６０％として得たフィン材でブレージングシートを挟み、真空加熱炉にて、ろう付温度（約６００℃）での保持時間を５時間とした長時間の真空ろう付を行い、エロージョンの発生の有無を調べた。結果を表１に示す。
【００４２】
（２）ろう付試験２
コルゲート加工したフィンをブレージングシートで挟み、その上から荷重（４．５ｐｓｉ）を与え、真空加熱炉にて、ろう付温度（約６００℃）での保持時間を３時間、５時間、７時間とした長時間の真空ろう付を行い、エロージョンの発生の有無と座屈（フィンの形状変化）の発生の有無を調べた。結果を表１に示す。上段がエロージョンの発生の有無、下段が座屈の発生の有無である。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
表１に示された結果から、本願発明の実施例では加工率が大きくなっても優れた耐エロージョン性が維持され、ろう付試験２における保持時間７時間という過酷な条件にも耐えることが確認された。これに対し、従来技術に係る比較例３及び４では、加工率が約２０〜３０％より大きくなると結晶粒径が急激に小さくなり、耐エロージョン性が低下するのが認められた。また、比較例１（Ｓｉ含有量が過剰）及び比較例２（Ｓｉ及びＦｅの含有量が過剰）では、比較例３，４のように加工率の増大と共に耐エロージョン性が低下する傾向は見られなかったが、ろう付試験２の結果から分かるように、より過酷な条件下では実施例に比較して耐エロージョン性が劣っていた。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明のフィン材は各種工業用熱交換器に用いられ、特に化学プラント等の大型の熱交換器に好適に用いられる。