(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Fe 1.2〜1.8％、
Si 0.7〜0.95％、
Zn 0.3〜2.0％
Mn 0.3〜0.5％、
その他の元素 合計で0.15%未満  Cuは存在する場合には0.05%未満、Mgは存在する場合には0.10%未満、および
残部 Al
から成る合金から、アルミニウム合金フィン素材を製造する方法であって、
上記合金を、10℃/秒を超える冷却速度で連続ストリップキャストし、均質化前処理せず、ストリップを中間厚みに冷間圧延し、得られた板を温度340〜450℃で1〜6時間アニーリングし、最終厚みに冷間圧延して、127 MPaを超える鑞付け後の極限引張強度及び49.0％IACSを超える鑞付け後の伝導率を有するフィン素材を得ることを特徴とする方法。
【請求項２】
Zn含有量は、0.3〜1.5％である請求項1記載の方法。
【請求項３】
さらに、合金は、Ti 0.005〜0.02％を含む請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
冷却速度は、250℃/秒未満である請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
冷間圧延に先立ち、キャストストリップを、均質化前処理せずに、再圧延ストリップに熱間圧延する請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
さらに、合金は、Zn 0.3〜1.2％を含み、冷却速度は、200℃/秒未満であって、
冷間圧延に先立ち、キャストストリップを、均質化前処理せずに、再圧延ストリップに熱間圧延する請求項1記載の方法。
【請求項７】
スラブを、30 mm以下の厚みでキャストする請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
スラブを、6〜30 mmの厚みでキャストする請求項7記載の方法。
【請求項９】
キャストしたままのスラブを、均質化前処理を行わずに、熱間圧延して、厚み1〜5 mmの板を形成する請求項8記載の方法。
【請求項１０】
アニーリングした板を、厚み0.10 mm未満の最終ストリップに冷間圧延する請求項1〜9のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
アニーリングした板を、厚み減少率60％未満の最終ストリップに冷間圧延する請求項1〜9のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
ストリップキャスト処理を、ベルトまたはブロックキャスターを用いて行う請求項1〜11のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
得られたストリップ生成物の蝋付け温度は、595℃を超える温度である請求項12記載の方法。
【請求項１４】
組成成分として、
Fe 1.20〜1.80％、
Si 0.7〜0.95％、
Zn 0.3〜2.0％
Mn 0.30〜0.50％、
その他の元素 合計で0.15%未満  Cuは存在する場合には0.05%未満、Mgは存在する場合には0.10%未満、および
残部 Al
から成るアルミニウム合金フィン素材であって、
ストリップは、127 MPaを超える鑞付け後の極限引張強度及び49.0％IACSを超える鑞付け後の伝導率を有する素材。
【請求項１５】
49.8％IACSを超える鑞付け後の伝導率を有する請求項14記載の素材。
【請求項１６】
0.3〜1.5％のZnを含む請求項14記載の素材。
【請求項１７】
0.005〜0.02％のTiを含む請求項14〜16のいずれかに記載の素材。
【請求項１８】
0.3〜1.2％のZnを含み、49.8％IACSを超える鑞付け後の伝導率を有する請求項14記載の素材。
【請求項１９】
鑞付け後の極限引張強度は、127 MPaを超える値であって、鑞付け温度は、595℃を超える温度である請求項14〜18のいずれかに記載の素材。
【請求項２０】
0.10 mm未満の厚みを有する請求項19記載の素材。
【請求項２１】
合金を、10℃/秒を超える冷却速度であって200℃/秒未満の冷却速度で、連続ストリップキャストし、ストリップを、均質化処理せずに、再圧延板に熱間圧延し、再圧延板を、中間厚みに冷間圧延し、得られた板をアニーリングし、最終厚みに冷間圧延することによって得られる請求項20記載の素材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、熱交換器用のフィンの製造に使用される改善されたアルミニウム合金生成物、特に高い強度および高い熱伝導性を有するフィン素材に関する。
【０００２】
（従来の技術）
従来から、アルミニウム合金は、自動車のラジエーターや凝縮器や蒸発器などの熱交換器に使用されるフィンを製造する際に、その素材として採用されている。従来技術では、ラジエーター用のフィン合金は、鑞付け後の高い強度、良好な鑞付け適性、鑞付け処理の間の良好な垂れ抵抗性などが得られるように、設計されている。この種の合金として、アルミニウム合金AA 3003が例示される。このアルミニウム合金は、良好な鑞付け適性を示す一方、熱伝導性が比較的低い。熱伝導性が低いことは、従来技術では、重大な問題とはならなかった。なぜなら、自動車用熱交換器の性能に関し、主要な伝熱障害は、フィンに対する空気熱伝導に起因していたからである。近年、ラジエーターは、熱伝導性の効率改善が要請されている。このような新世代ラジエーターは、高い強度と高い熱伝導性を有する新規なフィン材料の開発が必要である。
【０００３】
自動車用熱交換器産業に関し、新規フィン材料に要求される特性として、鑞付け後の高い極限強度（UTS）、高い鑞付け温度、高い熱伝導率、約0.1 mm以下の厚みが挙げられる。
【０００４】
Morrisらの米国特許第3,989,548号は、鉄、ケイ素、マンガンおよび亜鉛を含むアルミニウム合金を開示する。このアルミニウム合金は、好適には高いマンガン含有量を有し、これにより、充分な強度が得られる一方、その熱伝導率は、低い。またこの合金は、フィン素材として有用であると、開示されていない。
【０００５】
Morrisらの英国特許第1,524,355号は、分散強化型のAl-Fe系アルミニウム合金生成物を開示し、この生成物は、代表的には鉄、ケイ素、マンガンおよび銅を含む。銅は、約0.3％までの量で存在するが、熱伝導性に悪影響を及ぼし、点食を引き起こしており、これらの作用は、非常に薄いフィンの特性に有害となる。
【０００６】
熱交換器用のフィン素材として有用であると称している合金は、Morrisらの米国特許第4,126,487号に開示されている。このアルミニウム合金は、鉄、ケイ素、マンガンおよび亜鉛を含み、好適には、強度増加のため、少量の銅およびマグネシウムを含む。前記した英国特許第1,524,355号と同様に、約0.3％までの量で存在する銅は、非常に薄いフィンの性能にとって有害となる。
【０００７】
（発明が解決しようとする課題）
本発明が解決しようとする課題は、高い強度と高い熱伝導性を有する新規アルミニウム合金フィン素材を製造する方法を提供することである。
【０００８】
（発明の開示）
本発明は、従来技術で可能であったものよりも、より薄いフィンを用いて鑞付けした熱交換器を製造するのに適した、新規なフィン素材を提供する。これにより、フィンは、充分な強度と充分な熱伝導性を保持しつつ、その熱交換器への使用が可能となる。
【０００９】
本発明によれば、驚くべきことに、以上の特性の組み合わせは、やや相反する３つの素材特性である、鑞付け後の極限強度（UTS）と、鑞付け後の導電性／熱伝導性と、鑞付け温度（鑞付け処理におけるフィン素材の融点）との間でバランスを図ることによって、達成できることが、判明した。
【００１０】
このタイプの合金を開発する際、１つの問題は、伝導性の要件を充足することである。すなわち、伝導性を、伝統的な合金組成の改良、例えばAA 3003合金のマンガン含有量の減少によって改善しようとすれば、合金の強度は、過度に低下する。本発明によれば、所望の特性バランスの達成は、所定量の粒子ベース強化材が存在する材料であって、伝導性に悪影響を及ぼさないような材料を、出発材料として採用することによって、なされることが判明した。固溶体強化に貢献するような元素は、母材が使用不能とならない程度には、伝導性または溶融温度を低下させることなく強度を増加させるように、慎重に選択して、添加することができる。粒子硬化と固溶体強化との最適な組み合わせが得られるような、微小構造は、均一に分布した金属間微粒子を高い容積分率で導入することによって、形成することができる。所定の組成において、粒子の作用および固溶体強化を最大にして所望の特性を達成するには、ストリップキャスト法を高速の冷却速度で実施する必要がある一方、この冷却速度は、最終の（即ちキャスト、圧延および鑞付け後の）フィン元素として、固溶体中に伝導性破壊元素が過剰に保持されるほどには、高速とすべきではない。
【００１１】
本発明のアルミニウム合金は、以下の組成を有する（全て、重量％）。
Fe＝約1.20〜1.80％
Si＝約0.70〜0.95％
Mn＝約0.30〜0.50％
所望成分Zn＝約0.30〜2.00％
所望成分Ti＝約0.005〜0.020％
他の成分＝各成分約0.05％未満、全量で約0.15％未満
および残部Al
【００１２】
Znは、存在する場合、好適には少なくとも約1.5重量％、より好適には少なくとも約1.2重量％である。
【００１３】
本発明の方法に従い、以上の合金から成形されたストリップ生成物は、その鑞付け後の極限引張強度が約127 MPaを超える値（好適には約130 MPaを超える値）であり、その鑞付け後の伝導率が49.0％IACSを超える値（好適には49.8％IACSを超える値、より好適には50.0％IACSを超える値）であり、鑞付け温度は、595℃を超える温度（好適には、600℃を超える温度）である。
【００１４】
ストリップの特性は、鑞付け処理を模した条件下に、次のように測定した。
【００１５】
極限強度（UTS）
鑞付け後の極限強度（UTS）は、鑞付け条件を模した、次のような方法で測定した。圧延済み厚み（例えば厚み0.06 mmに圧延した後）の最終工程で処理したフィン素材を、570℃に予熱した炉内に入れ、次いで約600℃×約12分間加熱し、約600℃×3分間保持（均熱）し、400℃に速度50℃/分で冷却し、次いで室温に空冷する。この材料に対し、引張試験を行った。
【００１６】
鑞付け後の伝導率
鑞付け後の伝導率は、鑞付け条件を模した極限強度試験用に処理した試料に対し、JIS-H0505記載の導電率試験法を用い、導電率として測定した。
【００１７】
図面の説明
添付の図1は、フィン素材鑞付け温度を測定するための試験態様を示す立面図である。
【００１８】
鑞付け温度は、図1に示した試験態様で測定した。図1において、波形フィン1は、加工済みフィン素材（高さ2.3 mm×幅21 mm）から、ピッチ3.4 mmで作成した。試料は、管材料2のストリップに配置した。この管材料2は、AA 3003合金片4に積層したAA 4045合金の層3からなり、ここで、ストリップ2は、0.25 mm厚で、AA 4045合金層3は、総厚みの8％に相当する。フラックス（Nocolok：登録商標）を、試験用アッセンブリーに対し、5〜7 g/m2の割合でスプレイした。さらに、３つの「ダミー」からなる一組のアッセンブリー5を、試験用アッセンブリーの頂部に配置し、最終板（シート）を配置し、その頂部に98 gの重り6を乗せた。試験用アッセンブリーを、選択した最終試験温度（例えば、595℃、600℃または605℃）に、速度50℃/分で加熱し、次いでこの温度で3分間保持した。いずれの波形試験フィンが、試験法の間、最終最高保持温度「x」で溶融しない場合、この材料は、鑞付け温度「x」を有するものとする。例えば、いずれの波形試験フィンが、最終の保持温度約600℃で溶融しないが、いくつかまたは全ての試験フィンが最終の保持温度約605℃で溶融した場合、鑞付け温度は、600℃として扱う。
【００１９】
以上の特性を充足するには、合金を、非常に特異的な条件下にキャストし、形成する必要がある。
【００２０】
まず、合金を、10℃/秒を超える平均冷却速度で連続ストリップキャストする必要がある。平均冷却速度は、好適には250℃/秒未満、より好適には200℃/秒未満である。キャスト処理は、好適には、形成したスラブを凝固の間に変形させないような、キャストキャビティによって行う。このスラブは、好適には厚み30 mm未満を有する。キャストスラブを、中間厚みに冷間圧延し、アニーリング（焼鈍）し、次いで最終厚みに冷間圧延する。アニーリング後の最終厚みへの冷間圧延は、好適には60％未満、より好適には50％未満の減少率で行う。スラブは、要すれば再圧延厚み（約1〜5 mmの厚み）に熱間圧延し、この熱間圧延は、均質化前処理を行わずに実施する必要がある。
【００２１】
平均冷却速度は、キャストしたそのままのスラブの厚みを介して平均した冷却速度である。平均冷却速度は、キャストしたそのままのスラブの厚みを横断する、平均樹脂状結晶間セル空間から測定する〔例えば、次の文献を参照されたし。R.E.et al.; Transaction of America Foundrymen's Society, Proceedings of Sixty-Seventh Annual Meeting, 1963, Vol. 71; American Foundrymen's Society, Des Plaines, Illinois, USA, p. 209 - 215〕。好適な平均冷却速度に対応する平均樹脂状結晶間セル寸法は、7〜15μmである。
【００２２】
本発明の最良の実施形態
本発明によれば、合金中の各成分量は、非常に慎重に制御する必要がある。合金中の鉄成分は、キャスト処理の間に、共晶組成の金属間粒子を形成する。金属間粒子は、比較的小さく、粒子強化に寄与する。鉄は、その含有量が約1.2％未満である場合、所望の数量の強化粒子を形成するには不十分である一方、鉄含有量が約1.8％を超える場合、多量の一次金属間相粒子が形成され、これにより、所望の非常に薄いフィン素材厚みに圧延することが、妨げられる。
【００２３】
合金中、約0.7〜0.95％のケイ素は、粒子および固溶体の両方の強化に寄与する。ケイ素含有量が0.7％未満であれば、強化目的に不十分である一方、ケイ素含有量が0.95％を超えれば、伝導率は、低下する。特に、高いケイ素含有量では、素材の鑞付け処理が不可能となるような温度に、溶融温度が低下する。最適な強化を得るには、約0.8％を超えるケイ素含有量が、特に好適である。
【００２４】
マンガンは、0.3〜0.5％で存在すれば、固溶体強化に著しく貢献すると共に、ある程度、材料の粒子強化に貢献する。0.3％未満のマンガン含有量では、この目的に不十分である。固溶体中、0.5％を超えるマンガン含有量では、伝導性に対し、非常に悪影響を及ぼす。
【００２５】
鉄、ケイ素およびマンガンのバランスは、最終材料において、所望の強度、鑞付け性能および伝導率の達成に寄与する。
【００２６】
亜鉛含有量は、0.3〜2.0％、好適には1.5％未満、より好適には1.2％未満であって、この亜鉛含有量によって、合金の腐食電位を低下し、フィンを防食することによって熱交換器の腐食保護を達成することができる。亜鉛は、強度および伝導性に対し、実質的に、プラスまたはマイナスの作用を示さない。0.3％未満の亜鉛含有量では、防食に関し不十分である一方、2.0％を超える亜鉛含有量では有効な防食作用の増加が得られない。
【００２７】
チタンは、TiB2として合金中に存在する場合、キャスト処理の間、粒子のリファイナー（refiner）として作用する。0.02％を超えるチタン含有量の場合、伝導性に対しマイナスの作用を与える傾向を示す。
【００２８】
合金中、所望による付随的な元素は、いずれも、各々、0.05％未満とすべきで、総計では0.15％未満とすべきである。特に、マグネシウムは、0.10％未満、好適には0.05％未満とすべきで、これにより、Nocolok法による鑞付け適性を確保することができる。銅は、0.05％未満に維持すべきである。なぜなら、銅は、伝導性に対しマグネシウムと同様な作用示し、また点食を引き起こすからである。
【００２９】
キャスト処理において、平均冷却速度を10℃/秒未満にすると、キャスト処理の間に形成された金属間粒子は、過剰に大きくなって、圧延処理が問題となる。低い冷却速度では、一般にDCキャストおよび均質化処理が伴い、このような状況下では、過飽和マトリックス合金から元素が析出し、固溶体強化メカニズムが損なわれ、その結果、材料の強度が不十分となる。これは、連続ストリップキャスト処理の使用が必須であることを意味する。連続ストリップキャスト法は、種々の方法が存在し、例えば圧延キャスト法、ベルトキャスト法およびブロックキャスト法が例示される。圧延キャスト法に関し、平均冷却速度は、約1,500℃/秒を超えるべきではない。ベルトおよびブロックキャスト法は、共に、250℃/秒未満、好適には200℃/秒未満の、最大速度がより小さい平均冷却速度で実施する。
【００３０】
連続キャスト法は、より多数の金属間粒子（粒径1μm未満）を形成するため、本発明の方法によって製造されるストリップは、最終キャストおよび圧延済みストリップにおいて、粒径1μmまたはそれ以上の金属間粒子を3×10４粒子/m3の割合で有する。
【００３１】
好適には、合金は、素材の変形を回避する一方、素材が「やわらかな（musy）」状態のままであるように、ストリップキャストすることができる。凝固の間に、変形が生じれば、中心線で過剰の偏析が起こり、これは、近代的用途に必要な非常に薄いフィン素材を、圧延によって形成する際に問題となる。好適には、キャストキャビティは、長尺とする。なぜなら、合金中に高含量で存在するケイ素は、大きい凝固範囲を有し、好適には、適切に凝固するには長いキャストキャビティが必要だからである。このため、冷却速度が好適には250℃/秒未満、より好適には200℃/秒未満である場合、ストリップキャスト法は、ベルトまたはブロックキャスターによって行うのが好適である。
【００３２】
本発明の好適な一具体例によれば、フィン素材は、次のようにして製造される。まず合金を連続ストリップキャストして、スラブ（6〜30 mmの厚み）を冷却速度10℃/秒またはそれ以上であってかつ200℃/秒未満で形成し、次いで、キャストしたままのスラブを、1〜5 mm厚みの板（シート）に熱間圧延し、0.08〜0.20 mm厚みの板に冷間圧延し、340〜450℃×1〜6時間アニーリングし、最終厚み（0.05〜0.10 mm）に冷間圧延する。好適には、キャストしたままのスラブを熱間圧延工程に、温度約400〜550℃で付す。熱間圧延工程は、この熱-機械的処理において、マグネシウムの、固溶体からの析出に寄与し、この析出は、最終生成物において所望の伝導性の達成に寄与する。特に好適には、キャストスラブは、11 mmまたはそれ以上の厚みである。最終の冷間圧延は、好適には60％未満、より好適には50％未満の厚み減少率で実施すべきである。最終の圧延工程において冷間圧延の程度は、鑞付け後に最適な粒径（すなわち、粒径30〜80μm、好適には40〜80μm）が得られるように調整する。冷間圧延の厚み減少率が過度に大きいと、鑞付け後のUTSが高くなる一方、粒径が過度に小さいと、鑞付け温度は、低くなる。他方、冷間圧延の減少率が過度に小さいと、鑞付け温度は、高くなる一方、鑞付け後のUTSは、低くなる。好適な連続ストリップキャスト法は、ベルトキャスト法である。
【００３３】
実施例1
２つの合金AおよびB（組成は表１、参照）を、ベルトキャスターによって、平均冷却速度40℃で、厚み16 mmにキャストし、次いで厚み1 mmに熱間圧延し、コイル巻取り処理し、放冷した。再圧延アルミニウム板を、次いで、厚み0.10 mm（A）または0.109 mm（B）のいずれかに冷間圧延し、バッチ式焼鈍炉により390×1時間アニーリングし、次いで、厚み0.060 mmに最終冷間圧延した（最終の冷間圧延厚み減少率＝40％（A）および45％（B））。UTS、伝導率および鑞付け温度は、前記した方法で測定し、その結果を、表２に示す。連続ストリップキャスト法によって処理した両合金は、最終アルミニウム板の規格に適合した。
【００３４】
合金（A）および（B）に関し、金属間粒子の密度は、冷間圧延アルミニウム板の12セクション（長手および横断セクション、0.060 mm）のSEM画像を画像分析して粒径1μm未満の粒子の数を計数することによって、決定した。粒径1μm未満の粒子の数は、5.3×10４/mm2であることが、わかった。
【００３５】
比較例2
合金C（組成は、表１参照）を、DCキャストして、インゴット（508 mm×1080 mm×2300 mm）を形成し、480℃で均質化して、再圧延アルミニウム板（厚み6 mm）を形成し、次いでコイル巻取り処理し、放冷した。次いで、アルミニウム板を、0.100 mmに冷間圧延し、390℃でアニーリングし、次いで最終厚み0.060 mm（最終冷間圧延について40％の減少率）に冷間圧延した。このアルミニウム板の特性は、表２に示す。この比較例の組成および圧延は、本発明の要件に入るものの、UTSは、必要な数値よりも小さく、鑞付け温度は、595℃よりも低い温度であった。これら両者は、DCキャスト法における低い冷却速度並びに熱間圧延前の均質化処理（拡散加熱処理）に起因するものである。金属間粒子の密度は、合金AおよびBと同様な方法で決定し、わずか2.7×10４/mm2であることがわかった。
【００３６】
比較例3
合金DおよびE（組成は、表１）を、実施例1と同様な方法で処理した。ただし、初期冷間圧延済みの厚みは、0.1 mmであって、最終冷間圧延による厚み減少率は、40％である。UTS値（表２）からわかるように、合金中の低いMnおよびSi含有量は、不十分な強度の素材しか得られない。
【００３７】
比較例4
合金F（組成は、表１を参照。鉄およびケイ素は、好適な組成の中央値付近であり、マンガンは、好適な組成範囲よりもわずかに大きい）を、実施例1と同様な方法で処理した。ただし、最終の冷間圧延減少率は、50％であって、最終厚みは、0.06 mmである。伝導率（表２）は、好適な値49.8％IACSよりも小さく、このように、ごくわずかに多いマンガン含有量でも、素材特性に対しマイナスの作用を示す。
【００３８】
比較例5
合金G（組成は、表１）を、実施例1と同様な方法で測定した。ただし、最終冷間圧延減少率は、40％で、最終厚みは、0.06 mmである。鑞付け温度（表２）は、ケイ素含有量が多すぎるため、許容されない温度である。
【００３９】
実施例6
合金A（組成は、表１）を実施例1と同様な方法で処理した。ただし、合金をベルトキャスターによって、平均冷却速度100℃/秒でキャストした。UTS、伝導率および鑞付け温度は、全て許容される範囲内であって、さらに、より高い平均冷却速度（本発明の範囲内）によって、わずかに高い強度および伝導率が得られる傾向を示す。
【００４０】
【表１】
：合金組成
0004408567.tif 000002
合金組成の残部＝アルミニウムおよび不可避的不純物
【００４１】
【表２】
：フィン素材生成物の特性
0004408567.tif 000003
UTSおよび伝導率は、前記方法で処理した試料によって測定
【図面の簡単な説明】
【図１】：フィン素材鑞付け温度を測定するための試験態様を示す立面図。
【符号の説明】
1：波形フィン1
2：管材料
3：層
4：合金片
5：アッセンブリー5
6：重り
【図１】
0004408567.tif 000004