(57)【要約】【課題】高温強度および耐食性に優れたクラッド材およびその製造方法を提供する。【解決手段】  合金鋼材(3)の少なくとも一面側にアルミニウム合金層(4)を有するクラッド材(1)であって、前記アルミニウム合金層(4)が、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうちの少なくとも１種を含み、残部がＡｌおよび不純物からなるアルミニウム合金で構成され、前記合金鋼材(3)とアルミニウム合金層(4)との境界部に金属間化合物層(5)を含むことを特徴とする。【選択図】    図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金鋼材の少なくとも一面側にアルミニウム合金層を有するクラッド材であって、
前記アルミニウム合金層が、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうちの少なくとも１種を含み、残部がＡｌおよび不純物からなるアルミニウム合金で構成され、前記合金鋼材とアルミニウム合金層との境界部に金属間化合物層を含むことを特徴とするクラッド材。
【請求項２】
前記アルミニウム合金中のＳｉ濃度が６〜１５質量％である請求項１に記載のクラッド材。
【請求項３】
前記アルミニウム合金中のＣｕ濃度が０．０５〜２質量％である請求項１または２に記載のクラッド材。
【請求項４】
前記アルミニウム合金中のＭｎ濃度が０．０２〜２質量％である請求項１〜３のいずれか１項に記載のクラッド材。
【請求項５】
前記アルミニウム合金層がろう材である請求項１〜４のいずれか１項に記載のクラッド材。
【請求項６】
前記アルミニウム合金層の厚さが５〜３００μｍである請求項１〜５のいずれか１項に記載のクラッド材。
【請求項７】
前記金属間化合物層の厚さが５〜２００μｍである請求項１〜６のいずれか１項に記載のクラッド材。
【請求項８】
前記合金鋼がステンレス鋼である請求項１〜７のいずれか１項に記載のクラッド材。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載されたクラッド材からなり、アルミニウム合金層が外側となされていることを特徴とする管体。
【請求項１０】
請求項９の記載の管体を備えた、熱交換器のヘッダーチューブ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のヘッダーチューブを備えた熱交換器。
【請求項１２】
合金鋼材の少なくとも一面側に、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうちの少なくとも１種を含み、残部がＡｌおよび不純物からなるアルミニウム合金層を備えたクラッド材を製作し、このクラッド材を熱処理をすることにより、合金鋼材とアルミニウム合金層との間に金属間化合物層を形成することを特徴とするクラッド材の製造方法。
【請求項１３】
前記熱処理は、５００〜６１５℃の温度で１ｍｉｎ〜１０ｈの加熱である請求項１２に記載のクラッド材の製造方法。
【請求項１４】
前記熱処理を、クラッド材を所要形状に成形した後に行う請求項１２または１３に記載のクラッド材の製造方法。
【請求項１５】
前記熱処理はろう付時の加熱であり、５５０〜６１５℃の温度で１ｍｉｎ〜１ｈの加熱を行う請求項１３または１４に記載のクラッド材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高温強度および耐食性に優れたクラッド材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から自動車用熱交換器であるコンデンサにおいては、強度を有する材料として３０００系アルミニウム合金も用いたチューブ、もしくはヘッダーを採用している。特にＣＯ2冷媒を用いたコンデンサ（ガスクーラー）では高温高圧が加わるために、高温でのチューブ強度が必要であり、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｖなどの元素を添加したアルミニウム合金を用いることで高温強度の向上を図っている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
一方、耐熱性を得るためにステンレスなどの合金鋼の伝熱管の表面に表面処理層を介してアルミニウム合金ろう材を被覆したパイプを用いることも提案されている。また、熱交換器以外の各種機械部品材料としても、ステンレス鋼板とアルミニウム合金板のクラッド材が用いられている（例えば、特許文献２、３）。
【特許文献１】特開２００５−６８５５７号公報
【特許文献２】特開平１１−１０３２４号公報
【特許文献３】特開２００５−２１８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されたアルミニウム合金では、Ｓｃ、Ｖ等の添加元素が高価であるため、低コストで熱交換器を製造することが困難であった。また、これらの元素を添加しても、材料強度を大幅に向上させることは困難である。
【０００５】
また、特許文献２のクラッド材においては、表面処理層を形成するためにコストがかかるという問題があった。
【０００６】
また、腐食環境下で長期間使用される熱交換器は高温強度とともに耐食性が要求される。しかし、特許文献３に記載されたクラッド材は優れた耐摩耗性を有するものであるが、熱交換器材料としての耐食性を具備するものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上述した技術背景に鑑み、高温強度および耐食性に優れたクラッド材およびその製造方法の提供を目的とする。
【０００８】
即ち、本発明のクラッド材は下記〔１〕〜〔８〕に記載の構成を有する。
〔１〕合金鋼材の少なくとも一面側にアルミニウム合金層を有するクラッド材であって、前記アルミニウム合金層が、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうちの少なくとも１種を含み、残部がＡｌおよび不純物からなるアルミニウム合金で構成され、前記合金鋼材とアルミニウム合金層との境界部に金属間化合物層を含むことを特徴とするクラッド材。
〔２〕前記アルミニウム合金中のＳｉ濃度が６〜１５質量％である前項１に記載のクラッド材。
〔３〕前記アルミニウム合金中のＣｕ濃度が０．０５〜２質量％である前項１または２に記載のクラッド材。
〔４〕前記アルミニウム合金中のＭｎ濃度が０．０２〜２質量％である前項１〜３のいずれか１項に記載のクラッド材。
〔５〕前記アルミニウム合金層がろう材である前項１〜４のいずれかに記載のクラッド材。
〔６〕前記アルミニウム合金層の厚さが５〜３００μｍである前項１〜５のいずれか１項に記載のクラッド材。
〔７〕前記金属間化合物層の厚さが５〜２００μｍである前項１〜６のいずれか１項に記載のクラッド材。
〔８〕前記合金鋼がステンレス鋼である前項１〜７のいずれか１項に記載のクラッド材。
【０００９】
本発明の管体は下記〔９〕に記載の構成を有する。
〔９〕前項１〜８のいずれか１項に記載されたクラッド材からなり、アルミニウム合金層が外側となされていることを特徴とする管体。
【００１０】
本発明の熱交換器のヘッダーチューブは下記〔１０〕に記載の構成を有する。
〔１０〕前項９の記載の管体を備えた、熱交換器のヘッダーチューブ。
【００１１】
本発明の熱交換器は下記〔１１〕に記載の構成を有する。
〔１１〕前項１０に記載のヘッダーチューブを備えた熱交換器。
【００１２】
本発明のクラッド材の製造方法は、下記〔１２〕〜〔１５〕に記載の構成を有する。
〔１２〕合金鋼材の少なくとも一面側に、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうちの少なくとも１種を含み、残部がＡｌおよび不純物からなるアルミニウム合金層を備えたクラッド材を製作し、このクラッド材を熱処理をすることにより、合金鋼材とアルミニウム合金層との間に金属間化合物層を形成することを特徴とするクラッド材の製造方法。
〔１３〕前記熱処理は、５００〜６１５℃の温度で１ｍｉｎ〜１０ｈの加熱である前項１２に記載のクラッド材の製造方法。
〔１４〕前記熱処理を、クラッド材を所要形状に成形した後に行う前項１２または１３に記載のクラッド材の製造方法。
〔１５〕前記熱処理はろう付時の加熱であり、５５０〜６１５℃の温度で１ｍｉｎ〜１ｈの加熱を行う前項１３または１４に記載のクラッド材の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
〔１〕の発明のクラッド材は、合金鋼材が高温強度を確保し、アルミニウム合金層が犠牲腐食として機能するとともに、金属間化合物層が合金鋼材への腐食の進行を食い止めるブロック層として機能するため、優れた耐食性が得られる。
【００１４】
〔２〕〔３〕〔４〕の各発明のクラッド材は、特に優れた耐食性を有する。
【００１５】
〔５〕の発明のクラッド材は、特に優れた耐食性を有するとともに、アルミニウム合金層をろう材として用いることができる。
【００１６】
〔６〕〔７〕の各発明のクラッド材は、特に優れた耐食性を有する。
【００１７】
〔８〕の発明のクラッド材は、特に優れた高温強度および耐食性を有する。
【００１８】
〔９〕の発明の管体は、優れた高温強度および耐食性を有する。
【００１９】
〔１０〕の発明の熱交換器のヘッダーチューブは、優れた高温強度および耐食性を有する。
【００２０】
〔１１〕の発明の熱交換器は、優れた高温強度および耐食性を有する。
【００２１】
〔１２〕の発明のクラッド材の製造方法によれば、〔１〕に記載された優れた高温強度および耐食性を有するクラッド材を製造することができる。
【００２２】
〔１３〕の発明のクラッド材の製造方法によれば、耐食性を得るに十分な厚さの金属間化合物層を生成させることができる。
【００２３】
〔１４〕の発明のクラッド材の製造方法によれば、管体等の所要形状のクラッド材を製造できる。
【００２４】
〔１５〕の発明のクラッド材の製造方法によれば、ろう付と金属間化合物層の生成とが同時に行われるため、効率良く熱交換器を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１Ａおよび図１Ｂに、本発明のクラッド材の模式的断面図を示す。
【００２６】
本発明のクラッド材(1)(2)は、合金鋼材(3)によって強度を確保し、特定組成のアルミニウム合金層(4)をクラッドすることにより合金鋼材(3)との電位差を小さくするとともに、境界部にブロック層となる金属間化合物層(5)を形成し、長期的な耐食性を得たものである。
【００２７】
クラッド材(1)(2)において、アルミニウム合金層(4)として、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうちの少なくとも１種を含むアルミニウム合金を用いる。これらの元素はアルミニウム合金の電位を貴として合金鋼材(3)との電位差を小さくする効果があり、アルミニウム合金層(4)が犠牲腐食層として機能することにより、長期的な耐食性を得ることができる。
【００２８】
本発明のクラッド材は、合金鋼材(3)の少なくとも一面側に犠牲腐食層となるアルミニウム合金層(4)を有し、合金鋼材(3)とアルミニウム合金層(4)との境界部に金属間化合物層(5)が形成されているものであり、他面側の状態は限定されない。例えば、(a)他面側には何もクラッドされていない、(b)一面側と同一組成のアルミニウム合金層がクラッドされている、(c)異なる組成のアルミニウム層またはアルミニウム合金層がクラッドされている、(d)アルミニウム以外の層がクラッドされているといった場合があり、クラッド材の用途に応じて任意に選定することができる。また、他面側にアルミニウム合金層を有する場合にも金属間化合物層の有無は問わない。図１Ａに示したクラッド材(1)は合金鋼材(3)の一面側にアルミニウム合金層(4)および金属間化合物層(5)を有し、他面側には何もクラッドされていないものである。また、図１Ｂに示したクラッド材(2)は合金鋼材(3)の両面にアルミニウム合金層(4)および金属間化合物層(5)を有するものである。
【００２９】
前記アルミニウム合金層(4)において、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎの添加意義および好ましい濃度は以下のとおりである。
【００３０】
Ｓｉは、アルミニウム合金の電位を貴にするとともに融点を下げてろう材として機能させる元素である。このような観点で、Ｓｉ濃度は６〜１５質量％が好ましい。６質量％未満ではろう材として機能させることが困難であり、１５質量％を超えると加工性が低下するため、クラッド材を所要形状に加工することが困難となる。特に好ましいＳｉ濃度は７〜１２質量％である。但し、Ｓｉ濃度が６質量％未満でもアルミニウム合金の電位を貴にする効果を有するため、クラッド材に別途ろう材を供給してろう付すれば熱交換器用材料として用いることができる。防食のみを目的とするならば、Ｓｉ濃度は０．５質量％以上が好ましい。また、Ｓｉ濃度が１５質量％を超えても、目的形状に成形できる場合は熱交換器用材料として用いることができる。
【００３１】
Ｃｕ濃度は０．０５〜２質量％が好ましい。Ｃｕ濃度が０．０５質量％未満ではアルミニウム合金の電位を貴にする効果が乏しく、２質量％を超えると加工性が低下するため、クラッド材を所要形状に加工することが困難となる。特に好ましいＣｕ濃度は０．１〜１質量％である。但し、Ｃｕ濃度が２質量％を超えても、加工度が小さく目的形状に成形できる場合は熱交換器用材料として用いることができる。
【００３２】
Ｍｎ濃度は０．０２〜２質量％が好ましい。Ｍｎ濃度が０．０２質量％未満ではアルミニウム合金の電位を貴にする効果が乏しく、２質量％を超えると加工性が低下するため、クラッド材を所要形状に加工することが困難となる。特に好ましいＭｎ濃度は０．０５〜１．５質量％である。但し、Ｍｎ濃度が２質量％を超えても、加工度が小さく目的形状に成形できる場合は熱交換器用材料として用いることができる。
【００３３】
アルミニウム合金において、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうちの少なくとも１種が含まれていれば合金鋼材との電位差を小さくし、犠牲腐食層を形成して防食することが可能である。Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎは、電位を貴にするとともに、アルミニウム合金層としての自己耐食性についても極端に悪くすることはない。むしろ、Ｍｎについては自己耐食性を良好とするため、特に好ましい。また、任意の２元素、または３元素を含むアルミニウム合金であっても良い。
【００３４】
また、防食効果を得るための好ましい電位差は３０〜７００ｍＶであり、特に好ましい電位差は５０〜５００ｍＶである。
【００３５】
前記アルミニウム合金層(4)の厚さは５〜３００μｍが好ましい。５μｍ未満では犠牲腐食層が薄すぎるために防食層としての効果が十分に得られない。一方、３００μｍを超えて厚くすることは不経済である。特に好ましいアルミニウム合金層(4)の厚さは１５〜２００μｍである。
【００３６】
また、金属間化合物層(5)はアルミニウム合金層(4)の表面側から進行する腐食を合金鋼材(3)に達するまでに食い止めるためのブロック層である。金属間化合物層(5)の厚さは１〜２００μｍが好ましい。１μｍ未満では腐食のブロック層としての機能が乏しい。一方、金属間化合物が脆いために、２００μｍを超えるとクラッド材(1)の強度が低下するおそれがあるためである。特に好ましい金属間化合物層(5)の厚さは５〜１００μｍである。
【００３７】
前記金属間化合物層(5)は、合金鋼材(3)とアルミニウム合金層(4)とを圧着させたクラッド材を熱処理を施すことにより形成される。具体的には、合金鋼材(3)とアルミニウム合金層(4)をクラッド圧延し、さらにクラッド材に熱処理を施す。生成する金属間化合物層(5)の厚さは熱処理の温度と時間によって変化するものであり、５００〜６１５℃の温度で１ｍｉｎ〜１０ｈ保持することによって上記厚さに生成させることができる。前記熱処理は、クラッド圧延後であればいつでも行うことでき、冷間圧延中の中間焼鈍として行っても良いし、所要厚さに冷間圧延した後、あるいはさらに管体等の所要形状に成形した後に行っても良い。また、前記熱処理条件はろう付時の加熱条件と共通するため、所要形状に成形したクラッド材に対し、ろう付加熱によってろう付接合と同時に金属間化合物層(5)を形成させることもできる。従って、前記熱処理とろう付とを同時に行うことにより、１回の熱処理で効率良く熱交換器を製作することができる。特に、アルミニウム合金層(4)としてＳｉ含有合金を用いる場合はアルミニウム合金層(4)がろう材としても機能するため、別途ろう材を供給する必要もなく効率良く熱交換器を製作することができる。熱処理条件は、中間焼鈍として行う場合は５００〜５５０℃の温度で１〜１０ｈ加熱することが好ましく、ろう付時に行う場合は５５０〜６１５℃の温度で１ｍｉｎ〜１ｈ加熱することが好ましい。また、前記熱処理は１回に限定されるものではなく、２回以上行っても良い。例えば、中間焼鈍とろう付時に行っても良い。
【００３８】
本発明のクラッド材(1)(2)において、合金鋼材(3)の材質は限定されないが、高温強度および耐食性を考慮すると、ステンレス鋼、特にＪＩＳで規定されるＳＵＳ３０４を推奨できる。また、合金鋼材(3)の厚さは、０．１〜３ｍｍが好ましい。
【００３９】
本発明のクラッド材は、例えばヘッダーチューブのような熱交換器用管体の材料として好適に用いられる。特に、高温高圧となるために高温強度が要求されるＣＯ2冷媒を用いた熱交換器の管体材料として好適である。
【００４０】
本発明のクラッド材の製造方法について、図２に示した熱交換器(10)を製作する場合を例に挙げて以下に説明する。前記熱交換器(10)は、複数の熱交換チューブ(11)が相互間にフィン(12)を介在させた状態で積層されるとともに、熱交換チューブ(11)の両端がヘッダーチューブ(20)に連通接続され、熱交換チューブ(11)、フィン(12)、ヘッダーチューブ(20)がろう付けにより接合一体化されたコア部を有するものである。図中、(13)はサイドプレートである。
【００４１】
まず、図３に参照されるように、合金鋼材(3)とアルミニウム合金層(4)とをクラッド圧延して所要厚さのクラッド材(6)を製作する。次に、このクラッド材(6)をアルミニウム合金層(4)が外側となるようにロール成形し、継ぎ目(21)を溶接して管体（ヘッダーチューブ）(20)とする。さらに、管体(20)の周面に熱交換チューブ(11)を差込むための扁平孔(22)を穿設する。なお、図３においては合金鋼材(3)の片面にアルミニウム合金層(4)をクラッドしたものを例示している。そして、熱交換チューブ(11)とフィン(12)と交互に積み重ねるとともに、熱交換チューブ(11)の両端をヘッダーチューブ(20)の差込み孔(22)に差し込んで仮組みする。この仮組物を炉内で加熱すると、ヘッダーチューブ(20)と熱交換チューブ(11)、熱交換チューブ(11)とフィン(12)がろう付接合されるとともに、ヘッダーチューブ(20)の合金鋼材(3)とアルミニウム合金層(4)との境界部に金属間化合物層(5)が形成される（図１Ａおよび図１Ｂ参照）。
【実施例】
【００４２】
熱交換器用ヘッダーチューブの材料として、後掲の表１に示す種々のクラッド材を製作した。
〔実施例１〜９、比較例３〕
クラッド材材料として、ＳＵＳ３０４からなり厚さ１．５ｍｍのステンレス鋼材および表１に示す組成のアルミニウム合金層を用いた。ステンレス鋼材とアルミニウム合金層との電位差は表１に示すとおりである。
【００４３】
クラッド材の製作に際し、ステンレス鋼材およびアルミニウム合金層のそれぞれの接合面をワイヤーブラッシングにより粗面化した上で、ステンレス鋼材の両面にアルミニウム合金層を重ね合わせ、圧下率４０％で冷間圧延することにより、シート状のクラッド材を製作した。また、実施例３、５、８、比較例３においては、冷間圧延中のパス間で表１に示す条件で中間焼鈍を行った。
〔比較例１〕
ＪＩＳ  Ａ３００３の鋳造材にＪＩＳ  Ａ７０７２材をクラッドし、所定厚さとした。製造方法は、材料表面を粗面化した後に熱間圧延してクラッド材とした。
〔比較例２〕
ＪＩＳ  Ａ１１００からなる厚さ１．５ｍｍのベア材をヘッダーチューブの材料とした。
【００４４】
次に、製作した各クラッド材またはベア材をロール成形するとともに継ぎ目を溶接して管体とし、ヘッダーチューブ(20)とした（図３参照）。さらに、ヘッダーチューブ(20)の周面に、熱交換チューブ(11)を差込むための扁平孔(22)を穿設した。
【００４５】
次に、熱交換チューブ(11)としてＪＩＳ  １０００系アルミニウム合金チューブにＺｎ溶射したチューブを用い、フィン(12)としてＪＩＳ  ３０００系アルミニウム合金にＺｎを添加したフィンを用い、以下の工程で図２に示す熱交換器(10)を製作した。
【００４６】
前記熱交換チューブ(11)とフィン(12)と交互に積み重ねるとともに、熱交換チューブ(11)の両端をヘッダーチューブ(20)の差込み孔(22)に差し込み、さらに最外側のフィンにサイドプレート(13)(13)を重ねて仮組みした。そして、この仮組物を表１に示す条件で加熱し、ろう付接合した。なお、ヘッダーチューブに(20)にろう材のないもの（実施例２、３、９、比較例１〜３）については、粉末ろう材を塗布してろう付した。
【００４７】
前記ろう付加熱により、ヘッダーチューブ(20)と熱交換チューブ(11)、熱交換チューブ(11)とフィン(12)とがろう付接合された。また、実施例１〜９、比較例３では、ヘッダーチューブ(20)のステンレス鋼材(3)とアルミニウム合金層(4)との境界部に金属間化合物層(5)が形成された（図１Ｂ参照）。表１に、ろう付後のアルミニウム合金層(4)の厚さと金属間化合物層(5)の厚さを示す。なお、圧下率４０％により、実施例１〜９、比較例３のクラッド材におけるステンレス鋼材(3)の厚さは０．９ｍｍであり、比較例１のクラッド材におけるＡ３００３材の厚さは１．５ｍｍである。
〔耐食性試験〕
製作した各熱交換器に対し、ＡＳＴＭ−Ｇ８５−Ａ３に規定されたＳＷＡＡＴ試験を実施し、腐食深さによって耐食性を評価した。腐食試験条件は、ＡＳＴＭ  Ｄ１１４１による人工海水に酢酸を添加してｐＨ３に調製した腐食試験液を用い、腐食試験液を０．５時間噴霧−湿潤１．５時間を１サイクルとし、このサイクルを３００時間実施するものとした。
【００４８】
腐食深さの評価は、腐食がアルミニウム合金層で止まっているものを「○」、初期はアルミニウム合金層で腐食は止まるが、金属間化合物層が消失しているものを「△」、アルミニウム合金層が早期に腐食するものおよびステンレス鋼材まで腐食が進行するものを「×」とした。
〔高温強度〕
ろう付前のクラッド材およびベア材に対し、板材の状態で上記ろう付と同一条件で加熱処理を行い、１８０℃における強度を測定した。強度の評価は、ＪＩＳ  Ａ３００３との強度比較によって行うものとし、３倍以上の強度のあるものを「○」、１倍以上３倍未満を「△」、１倍未満を「×」とした。
【００４９】
耐食性および高温強度の評価結果を表１に合わせて示す。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
表１の結果より、各実施例のクラッド材は、優れた耐食性および高温強度を有することを確認した。また、ＪＩＳ  Ａ３００３との強度比較において３倍の強度があれば、比強度でアルミニウムに勝ることとなり、アルミニウムをステンレス鋼材に置換することを考えた場合に軽量化を期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のクラッド材は高温強度と耐食性に優れたものであるから、各種熱交換器の構成材料として利用することができる。特に、高温強度が要求されるＣＯ2冷媒を用いた熱交換器のヘッダーチューブとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１Ａ】本発明のクラッド材の模式的断面図である。
【図１Ｂ】本発明の他のクラッド材の模式的断面図である。
【図２】熱交換器の斜視図である。
【図３】図２の熱交換器に用いるヘッダーチューブの斜視図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、２…クラッド材
３…ステンレス鋼材（合金鋼材）
４…アルミニウム合金層
５…金属間化合物層
10…熱交換器
11…熱交換チューブ
20…ヘッダーチューブ（管体）
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2007023311.tif 000005
【図２】
2007023311.tif 000006
【図３】
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