(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ：４.５〜５.０％（重量％、以下同じ）、  Ｍｇ：０.２５〜０.３５％、
Ｍｎ：０.９〜１.１％、                      Ｓｉ：０.３〜０.４％、
Ｃｕ：０.１５〜０.２５％、                  Ｆｅ：０.２〜０.４％、
Ｇａ：０.００５〜０.０３％、                Ｃｒ：０.０５％以下
を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする高強度かつ切削加工性に優れたアルミニウム熱交換器用継手。
【請求項２】
Ｚｎ：４.５〜５.０％（重量％、以下同じ）、  Ｍｇ：０.２５〜０.３５％、
Ｍｎ：０.９〜１.１％、                      Ｓｉ：０.３〜０.４％、
Ｃｕ：０.１５〜０.２５％、                  Ｆｅ：０.２〜０.４％、
Ｇａ：０.００５〜０.０３％、                Ｃｒ：０.０５％以下
を含有し、更に、
Ｔｉ：０.０１〜０.１％、                    Ｚｒ：０.０１〜０.１５％
のうち、１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする高強度かつ切削加工性に優れたアルミニウム熱交換器用継手。
【請求項３】
前記アルミニウム合金に、更に、Ｃｅ、Ｌａ、Ｎｄの希土類金属の内、１種または２種以上が含有され、それらの総量が０.００５〜０.２％の範囲となる組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度かつ切削加工性に優れたアルミニウム熱交換器用継手。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の組成を有するアルミニウム合金を４００〜６００℃の高温で押出した後、２００℃の温度まで１０〜５００℃／秒の冷却速度で冷却した後、更に室温で４８時間以上時効することを特徴とする高強度かつ切削加工性に優れたアルミニウム熱交換器用継手の製造方法。
【請求項５】
請求項１、２または３に記載の組成を有するアルミニウム合金を４００〜６００℃の高温で押出した後、２００℃の温度まで１０〜５００℃／秒の冷却速度で冷却した後、更に８０〜２００℃の温度で３〜５０時間時効することを特徴とする高強度かつ切削加工性に優れたアルミニウム熱交換器用継手の製造方法。
【請求項６】
請求項１、２または３に記載の組成を有するアルミニウム合金を４００〜６００℃の高温で押出した後、２００℃の温度まで１０〜５００℃／秒の冷却速度で冷却した後、室温で４８時間以上時効し、更に８０〜２００℃の温度で３〜５０時間時効することを特徴とする高強度かつ切削加工性に優れたアルミニウム熱交換器用継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度を有し、薄肉化および小型化を可能とするアルミニウム熱交換器用の継手およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、アルミニウム製の熱交換器は、いずれもＡｌまたはＡｌ合金で構成されたフィン材、ヘッダープレート材、管材、および管継手などの構造部材を所定形状に組み立て、ろう付けして一体化することにより製造されている。特にこれら構造部材のうちの管継手としては、構造的に高強度が要求されることから、例えば特開昭６３−１１８０４６号公報に記載される通りの、重量％（以下特に記載が無い場合に％は重量％を示す。）で、
Ｚｎ：３〜４.５％、Ｍｇ：０.５〜１.５％、Ｚｒ：０.０５〜０.２％、Ｍｎ：０.２〜０.７％、Ｓｉ：０.２〜０.７％を含有し、さらに必要に応じて、
Ｃｒ：０.０５〜０.３％、Ｔｉ：０.０５〜０.２％、Ｖ：０.０５〜０.２％、Ｃｕ：０.０５〜０.３％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するＡｌ合金などが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年のアルミニウム熱交換器の小型化、高性能化、および汎用化に伴い、上記の構造部材にも、薄肉化、小型化が要求される傾向にあり、特にこれらの管継手に対する強度の要求は厳しく、上記従来のＡｌ合金製管継手ではこれらの要求に十分には対応できないのが現状である。また、従来の合金組成では、強度不足が原因となり、今後の一層の薄肉化が困難となりつつある。
次に、これらの合金には、高強度と併せて優れた切削加工性や耐孔食性も要求されており、今後の薄肉化を考慮すると従来の合金材では特性が不十分であるために、全ての特性を従来材よりも優れたものとする必要がある。
【０００４】
本発明は前記の背景に基づき、従来のこの種合金の材料特性を更に向上させるべくなされたもので、アルミニウム製の熱交換器の更なる小型化、薄肉化、高性能化に対応することができる高強度を有し、その上に優れた切削加工性と耐孔食性を兼ね備えたアルミニウム熱交換器用継手の提供、並びに、そのような優れた特長を有するアルミニウム熱交換器用継手の製造方法の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような問題を解決するべく、従来材より高強度でより一層の薄肉化が可能なアルミニウム製熱交換器用管継手の研究を行った結果、前記継手材をＺｎ：４.５〜５.０％（重量％、以下同じ）、Ｍｇ：０.２５〜０.３５％、Ｍｎ：０.９〜１.１％、Ｓｉ：０.３〜０.４％、Ｃｕ：０.１５〜０.２５％、Ｆｅ：０.２〜０.４％、Ｇａ：０.００５〜０.０３％、Ｃｒ：０.０５％以下を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金で構成すると、このアルミニウム合金は使用する継手の強度低下を招く事なく薄肉化が可能となり、更に切削加工時の生産性が向上するとともに、実用に際しても深い孔食の発生を低減することができ、長期にわたって優れた性能を発揮するという結果を得た。
また、本発明者らは、この種のアルミニウム合金で管継手を製造する場合、押し出し直後の高温のアルミニウム合金を従来のこの種の合金を押し出す場合よりも急冷し、更にその後時効を行うことで、管継手の切削性および機械的性質を更に向上させることができることを知見して本発明に到達した。
【０００６】
本発明は前記課題を解決するために、Ｚｎ：４.５〜５.０％（重量％、以下同じ）、Ｍｇ：０.２５〜０.３５％、Ｍｎ：０.９〜１.１％、Ｓｉ：０.３〜０.４％、Ｃｕ：０.１５〜０.２５％、Ｆｅ：０.２〜０.４％、Ｇａ：０.００５〜０.０３％、Ｃｒ：０.０５％以下を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする。
前述のアルミニウム合金の組成において、Ｇａの微量添加により切削加工性が著しく向上する。
【０００７】
本発明は前記課題を解決するために、Ｚｎ：４.５〜５.０％、Ｍｇ：０.２５〜０.３５％、Ｍｎ：０.９〜１.１％、Ｓｉ：０.３〜０.４％、Ｃｕ：０.１５〜０.２５％、Ｆｅ：０.２〜０.４％、Ｇａ：０.００５〜０.０３％、Ｃｒ：０.０５％以下を含有し、更に、Ｔｉ：０.０１〜０.１％、Ｚｒ：０.０１〜０.１５％のうち、１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明において前記組成のアルミニウム合金として、更に、Ｃｅ、Ｌａ、Ｎｄの希土類金属のうち、１種または２種以上が含有され、それらの総量が０.００５〜０.２％の範囲とされてなるアルミニウム合金を用いることもできる。
Ｃｅ、Ｌａ、Ｎｄなどの希土類金属を用いると、これらの希土類金属は、希土類金属をＸとした場合にＡｌＸ系、ＡｌＦｅＸ系の晶析出物を形成し、一層強度および切削加工性を向上させる。
【０００９】
本発明の製造方法において前記いずれかの組成のアルミニウム合金を用い、４００〜６００℃の高温で押出した後、２００℃の温度まで１０〜５００℃／秒の冷却速度で冷却した後、更に室温で４８時間以上時効することを特徴とすることができる。
本発明の製造方法において前記いずれかの組成を有するアルミニウム合金を４００〜６００℃の高温で押出した後、２００℃の温度まで１０〜５００℃／秒の冷却速度で冷却した後、更に８０〜２００℃の温度で３〜５０時間時効することを特徴とすることができる。
本発明の製造方法において前記いずれかの組成を有するアルミニウム合金を４００〜６００℃の高温で押出した後、２００℃の温度まで１０〜５００℃／秒の冷却速度で冷却した後、室温で４８時間以上時効し、更に８０〜２００℃の温度で３〜５０時間時効することを特徴とすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本発明に係る継手は、例えば、自動車のラジエーター、エアコン用のコンデンサー、インタークーラー等に代表される各種のアルミニウム製の熱交換器の配管用継手として用いられて、主に配管を接続するために使用されるものである。また、管継手を配管と接合した後、接合部分をろう付けして固着することがなされる。
【００１１】
本実施形態の管継手は、Ｚｎ：４.５〜５.０％（重量％、以下同じ）、Ｍｇ：０.２５〜０.３５％、Ｍｎ：０.９〜１.１％、Ｓｉ：０.３〜０.４％、Ｃｕ：０.１５〜０.２５％、Ｆｅ：０.２〜０.４％、Ｇａ：０.００５〜０.０３％、Ｃｒ：０.０５％以下を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなる。
【００１２】
また、本発明の管継手において、Ｚｎ：４.５〜５.０％（重量％、以下同じ）、  Ｍｇ：０.２５〜０.３５％、Ｍｎ：０.９〜１.１％、Ｓｉ：０.３〜０.４％、Ｃｕ：０.１５〜０.２５％、Ｆｅ：０.２〜０.４％、Ｇａ：０.００５〜０.０３％、Ｃｒ：０.０５％以下を含有し、更に、Ｔｉ：０.０１〜０.１％、Ｚｒ：０.０１〜０.１５％のうち、１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなるものでも良い。
【００１３】
本発明において、前記アルミニウム合金に、更に、Ｃｅ、Ｌａ、Ｎｄの希土類金属のうち、１種または２種以上が含有され、それらの総量が０.００５〜０.２％の範囲とされてなるアルミニウム合金からなるものでも良い。
【００１４】
「成分限定理由」
[ＺｎおよびＭｇ]
これらの成分は管継手のろう付け後に常温でＭｇＺｎ2として時効析出し、管継手としての強度を向上させる作用がある。また、Ｍｇについては、単独の添加でも強度を非常に向上させる効果がある。また、Ｚｎの添加は腐食形態を面状として耐孔食性を向上させる効果がある。
これらの観点から、ＺｎとＭｇにおいて、いずれかの含有量がＺｎにおいては４.５％未満、Ｍｇにおいては０.２５％未満となると、所望の強度向上効果が得られず、Ｚｎにおいては添加量が５％を超えると腐食速度が速くなり過ぎるために腐食量が大きくなり、Ｍｇにあっては０.３５％を超える量の添加でろう付け性を極端に低下させるという問題がある。以上のことからＺｎ含有量については４.５〜５.０％の範囲、Ｍｇの含有量については０.２５〜０.３５％の範囲が好ましいとした。なお、以下に示す各元素の含有量範囲において、〜を用いて範囲の下限値と上限値を規定する場合、特に説明が無い場合は下限値と上限値を含むものとする。よって、４.５〜５.０％の範囲と記載した場合に特に説明が無い限り４.５％以上、５.０％以下を示すものとする。
【００１５】
[Ｍｎ及びＳｉ]
これらの成分は単独の添加でも強度を向上させ得るが、両方を添加することでろう付け時にＡｌ-Ｍｎ-Ｓｉ系化合物としてアルミニウム素地中に微細均一に分散析出してさらに強度を向上させる効果がある。
ＭｎおよびＳｉのいずれかの添加量がＭｎにおいて０.９０％未満、Ｓｉにおいて０.３％未満では、所望の強度向上効果が得られない。Ｍｎ含有量において１.１％を超えると押出加工性が低下し、Ｓｉ含有量において０.４％を超えるとろう付け時に局部溶解の発生を促進する。従って、その含有量をそれぞれＭｎにおいては０.９〜１.１％の範囲、Ｓｉにおいては０.３〜０.４％に定めた。
【００１６】
[Ｃｕ]
Ｃｕはアルミニウムの素地に均一に固溶し、強度を向上させる効果がある。Ｃｕの含有量が０.１５％未満では所望の強度向上が得られず、一方、０.２５％を超えると腐食速度が速くなり、切削加工性も低下する。従って、Ｃｕの含有量を０.１５〜０.２５％に定めた。
[Ｆｅ]
Ｆｅは、ＡｌおよびＭｎ、Ｓｉと結合し、素地に微細均一に分散析出するＡｌ-Ｆｅ系やＡｌ-Ｓｉ-Ｆｅ系、あるいはＡｌ-Ｍｎ-Ｓｉ-Ｆｅ系化合物を形成して強度を一段と向上させる効果があるほか、ＭｇＺｎ2の析出を促進させる効果がある。Ｆｅの含有量が０.２％未満では所望の強度向上効果が得られず、０.４％を超えると押出加工性を低下させる。従って、その含有量を０.２〜０.４％に定めた。
【００１７】
[Ｇａ]
ＧａはＡｌ合金中に微量添加することでＡｌ合金の切削加工性を著しく向上させる。Ｇａの含有量が０.００５％未満では所望の効果が得られず、０.０３％を超えると低融点の化合物を生成し始め、ろう付け時に局部溶解が問題となり、さらに腐食速度が速くなるために、耐孔食性が低下する。従って、Ｇａの含有量を０.００５〜０.０３％と規定した。
[ＴｉおよびＺｒ]
これらの成分はいずれも鋳造組織を微細化し、押し出し時の熱間加工性を一段と向上させる効果があるため、薄肉の管継手材を歩留まり良く成形することが可能となる。また、これらの元素は、Ａｌ-Ｍｎ系化合物を微細化する作用があり、押出温度での変形抵抗を小さくし、押出性を向上させる。更に、ろう付け後に微細な金属間化合物として素地中に分散し、強度および切削加工性を向上させる。  その含有量が、それぞれ０.０１％未満では前記作用の所望の効果が得られず、その含有量がそれぞれ、Ｔｉにおいては０.１％を超えると、Ｚｒにおいては０.１５％を超えると熱間加工性が急激に低下することから、それらの含有量をそれぞれＴｉにおいては０.０１〜０.１％の範囲、Ｚｒにおいては０.０１〜０.１５％の範囲に定めた。
【００１８】
[Ｃｒ]
Ｃｒにおいてはその含有量が０.０５％を超えると押出加工性や切削加工性、耐孔食性を低下させるので、０.０５％以下に制御することが好ましい。
[Ｃｅ、Ｌａ及びＮｄ]
これらの希土類元素は、Ａｌ-Ｘ系、Ａｌ-Ｆｅ-Ｘ系（ＸはＣｅ、Ｌａ、Ｎｄのうちの１種又は２種以上）の晶析出物を微細均一に分布することで一層強度および切削加工性を向上させる。
これら希土類元素の総量（Ｃｅ＋Ｌａ＋Ｎｄ）が０.００５％未満では、所望の効果が望めず、総量が０.２０％を超えると押出加工性と切削加工性が低下する。ところでこれらの希土類元素は、それぞれの純金属の形で添加して合金化しても良いが、これら希土類元素の混合物として一般的に得られているミッシュメタル（混合希土類金属）の形で添加しても良い。
【００１９】
このミッシュメタルには、通常、Ｃｅ、Ｌａ、Ｎｄの外に、数％程度のＰｒや極微量のＰｂやＰ、Ｓなどが含まれることがあるが、それらが含まれていても本発明の効果に大きな影響は無い。従って実用的にはミッシュメタル添加量を制御することで簡単にその総量を調整することができる。通常一般のミッシュメタルでは、Ｃｅ：約５０％、Ｌａ：約２５％、Ｎｄ：約１０％の割合でこれらの元素が含有されている。しかしながらこれらに例示した希土類元素の他に、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕで示される他の希土類元素が若干含まれたものを用いても差し支えないので、これらの希土類元素が本願発明で用いるアルミニウム合金に微量含有されていても差し支えない。
【００２０】
前述の組成のアルミニウム合金からなる熱交換器用継手を製造するには、一般的には、前記組成となるように調製したアルミニウム合金溶湯から鋳造法により適切な大きさのビレットを製造し、このビレットに均質化処理などを施した後、所定の温度範囲、例えば４００〜６００℃に加熱して熱間押出加工することにより円環状あるいは角型状などの環状の継手を得ることができる。ここで形成する継手の形状は目的に応じて種々の形状が考えられるので、特に規定するものではない。
この製造法において４００〜６００℃での熱間押出後、高温の状態、例えば、２００℃の温度になるまで押出材料に水などの冷却媒体を噴霧する、あるいは、噴射することで通常の空冷よりも冷却速度を速くし（好ましくは、冷却速度１００〜２００℃／秒）、その後の室温時効、あるいは、８０〜２００℃の人口時効時にＭｇＺｎ2の時効析出を促進し、ＭｇＺｎ2を材料中に微細均一に析出させることで、押出後に行う機械加工での切削加工性を向上させ、優れた寸法精度を得られるようにすることができる。
【００２１】
この熱間押出後の冷却速度が１０℃／秒より遅いようであると、前述の所望の効果が得られない。
そこで本発明に係る組成のアルミニウム合金から継手を製造する場合の押出後の好ましい冷却速度範囲は、実際の製造条件を考慮し、１０〜２００℃／秒の範囲に定めた。
【００２２】
以上説明の如く得られたアルミニウム合金製の継手であるならば、抗折力が高く、機械的強度に優れるとともに、耐孔食性に優れ、更に押出後の切削加工性にも優れた継手を提供することができる。
【００２３】
【実施例】
以下に本発明のアルミニウム合金製継手を実施例により具体的に説明するが、本発明が以下の実施例により限定されるものではない。
通常の溶解法によりそれぞれ後に記載する第１表に示される成分組成を有するアルミニウム合金溶湯を調製し、この溶湯から鋳造して直径２００ｍｍのビレットを複数作成した。これらのビレットに５３０℃で８時間保持する条件で均質化処理を施した後、表２に示す４８０〜５３０℃の温度で熱間押出加工を施し、表２に示す冷却速度（℃／秒）で冷却し、更に表２に示す条件で時効することにより、断面が１辺長さ１５ｍｍの六角筒形状を有する本発明に係るアルミニウム合金（合金番号Ａ〜Ｊ）からなる管継手素材（本発明材種別１〜１４）および比較材のアルミニウム合金（合金番号ａ〜ｍ）からなる管継手比較材（比較材種別１〜１２）をそれぞれ製造した。
なお、比較材の管継手素材１〜１２のアルミニウム合金成分組成のうち、本発明範囲から外れた成分含有量については表１に＊印で示し、製造方法において本発明範囲から外れた製造条件については表２に＊印で示した。
【００２４】
次いで、上記の各種管継手素材から、強度を評価する目的で断面５ｍｍ×５ｍｍ、長さ５０ｍｍの寸法の抗折力測定用試験片並びに耐孔食性を評価する目的で断面１５ｍｍ×３０ｍｍ、長さ５０ｍｍの腐食試験片を切り出し、これらの試験片にろう付けと同じ条件、即ち、Ｎ2ガス雰囲気で温度６００℃に５分間保持の条件で熱処理を施し、以後室温に５日間保持する時効硬化処理を施した状態でそれぞれの試験に使用した。
なお、腐食試験として、自動車用熱交換器の冷却水を想定し、以下の（ａ）に記載の水道水浸漬試験と（ｂ）に記載の腐食液浸漬試験の２種類を実施した。
（ａ）０.１ｐｐｍのＣｕ2+イオンを添加した４０℃の水道水浸漬試験。
（ｂ）１００ｐｐｍのＣｌ-、１００ｐｐｍのＨＣＯ3-、及び、０.１ｐｐｍのＣｕ2+の各イオンを添加した４０℃の水溶液中に３０日間浸漬する腐食液浸漬試験。
そして、これらの各試験の後に、最大孔食深さ（ｍｍ）を測定した結果を以下の表２に示す。
【００２５】
次に切削加工性の評価として、同一の切削機械で連続して２０００個切削加工を行った後の不良品発生個数を調査した。管継手の寸法、および、溝加工の精度が製品に要求された範囲以外のもの、あるいは、バリなどの発生により製品としての機能を満足しないものを不良品としてカウントした。また、切削加工性が悪い場合は不良品の発生や切削機械のバイト（刃）にアルミニウム合金が付着することで機械の切削速度が低下するため生産性が低下する。切削加工性の判定としては、不良率０〜０.０５％の範囲のものを〇印で示し、不良率０.１％程度のものを△、不良率０.２５％以上のものを×で示した。
【００２６】
【表１】
0004611564.tif 000002
【００２７】
【表２】
0004611564.tif 000003
【００２８】
表２に示された試験結果から、本発明に係る組成のアルミニウム合金の熱交換器用管継手であるならば、比較材に比べて非常に高い抗折力を有していることが明らかである。また、切削加工性と耐孔食性についても本発明に係る組成のアルミニウム合金製の管継手であるならば、比較材よりも良好な特性を有することが明らかであり、従来材の管継手は、強度、耐孔食性、切削加工性のいずれかが本発明に係るアルミニウム合金製の管継手よりも劣ることが明らかである。
【００２９】
表２において抗折力は２６ｋｇ／ｍｍ2以上は必要であると考えられるが、比較材の多くのものは抗折力２６ｋｇ／ｍｍ2を下回った。また、Ｇａ添加量が少なく、希土類を含有していない試料で、かつ、製造方法において時効処理時間が室温で２４時間の比較材試料Ｎｏ.１、２は抗折力が低く、不良率も高くなり、切削加工性が低下し、Ｇａ含有量が多い比較材試料Ｎｏ.３は耐食性に劣り、Ｇａ含有量と希土類含有量が多い比較材試料Ｎｏ.４は耐食性が劣る結果となった。希土類含有量が多い比較材試料Ｎｏ.５は切削加工性が低下した。比較材Ｎｏ.６は希土類含有量が０.２５％の試料であるが不良率が０.２５％と高くなり、切削加工性の判断が×となった。Ｚｎ含有量が少ない比較材試料Ｎｏ.７は抗折力が低下し、人工時効時間が短く、Ｚｎ含有量が多い比較材試料Ｎｏ.８は耐食性に劣る結果となった。次に、Ｍｇ含有量が少ない比較材試料Ｎｏ.９は著しい抗折力低下（強度低下）を引き起こし、Ｍｎが少ない比較材試料Ｎｏ.１０、Ｓｉが少ない比較材試料Ｎｏ.１１、Ｃｕ含有量が少ない比較材試料Ｎｏ.１２はいずれも強度低下を引き起こし、不良率も悪化した。
以上のことから、本発明に係るアルミニウム熱交換器用継手は、高強度で、優れた切削加工性と耐孔食性を有するので、従来材を用いるよりも更に薄肉化、小型化に対応することができる特徴を有する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、従来材で形成されたアルミニウム合金製継手に比べて強度が高く、耐孔食性に優れ、切削加工性にも優れているという３つの特性のバランスのとれた熱交換器用継手を提供することができる。
以上のことから、本発明に係るアルミニウム熱交換器用継手であるならば、従来材を用いたものよりも薄肉化、小型化に寄与する。