(57)【要約】【課題】これまでのフィン材よりもさらに高強度であり、同時に高熱伝導性、耐食性を維持または改善したフィン材を提供する。【解決手段】Ｍｎを１．２ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｚｎを０．４ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｆｅを０．５ｍａｓｓ％未満、Ｓｉを０．２ｍａｓｓ％未満含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金よりなる芯材の片面、または両面にＡｌ−Ｓｉ合金よりなる皮材がクラッドされてなる板厚０．１ｍｍ未満のアルミニウム合金フィン材であって、前記皮材の板厚ｔ（μｍ）と前記皮材におけるＳｉ含有量ｘ（ｍａｓｓ％）とが  ｔ×ｘ≦９０（ｍａｓｓ％・μｍ）  （式１）の関係式を満たすアルミニウム合金フィン材。【選択図】図１
2007146264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎを１．２ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｚｎを０．４ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｓｉを０．２ｍａｓｓ％未満、Ｆｅを０．５ｍａｓｓ％未満含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金よりなる芯材の片面または両面にＡｌ−Ｓｉ合金よりなる皮材がクラッドされてなる板厚０．１ｍｍ未満のアルミニウム合金フィン材であって、前記皮材の板厚ｔ（μｍ）と前記皮材におけるＳｉ含有量ｘ（ｍａｓｓ％）とが
ｔ×ｘ≦９０（ｍａｓｓ％・μｍ）  （式１）
の関係式を満たすことを特徴とするアルミニウム合金フィン材。
【請求項２】
Ｍｎを１．２ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｚｎを０．４ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｓｉを０．２ｍａｓｓ％未満、Ｆｅを０．５ｍａｓｓ％未満含有し、さらに、０．２５ｍａｓｓ％以下のＣｕ、０．２ｍａｓｓ％以下のＴｉ、０．２ｍａｓｓ％以下のＺｒ、および０．２ｍａｓｓ％以下のＣｒからなる群から選ばれた少なくとも１種を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金よりなる芯材の片面または両面にＡｌ−Ｓｉ合金よりなる皮材がクラッドされてなる板厚０．１ｍｍ未満のアルミニウム合金フィン材であって、前記皮材の板厚ｔ（μｍ）と前記皮材におけるＳｉ含有量ｘ（ｍａｓｓ％）とが
ｔ×ｘ≦９０（ｍａｓｓ％・μｍ）  （式１）
の関係式を満たすことを特徴とするアルミニウム合金フィン材。
【請求項３】
ろう材層を有する部材とろう付けして用いられることを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム合金フィン材。
【請求項４】
熱交換器用であることあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のアルミニウム合金フィン材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は強度と熱伝導性に優れ、薄肉化が可能で、熱交換器用として好適なアルミニウム合金フィン材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブレージングによってラジエータなどの自動車用熱交換器に使用されるアルミニウム合金フィン材は、一般的にろう付工法によって作製される。熱交換器の軽量化、コスト低減の要求はますます高まり、フィン材はじめ主要部材の薄肉化がさらに進行している。フィン材を薄くする際、熱交換器の特性を維持、向上するためにフィン材の高強度化が必須である。また、高強度化の際にフィン材の熱伝導性が下がるとラジエータ等の熱効率が低下し、結局小型化に適さないという結果になるため、高熱伝導性の維持も重要である。この点で、アルミニウム合金の最も一般的な強化法である、固溶硬化のみによってフィン材の強度を向上することはできない。
【０００３】
このため、近年のフィン材は添加する元素を選択したり、工程を検討することによって、高熱伝導性を維持しつつ、高強度化を実現している。例えば添加元素を変更したＡｌ−Ｆｅ−Ｎｉ系合金フィン材（例えば、特許文献１、２など）が提案されている。また、連続鋳造圧延での冷却速度を規定して強度および熱伝導性を高めたＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系合金フィン材（特許文献３）が提案されている。また、特許文献４ではろう付後強度、熱伝導性、自己耐食性に優れたフィン材、さらに特許文献５で高強度・高熱伝導性を有するフィン材が提案されている。
【０００４】
これらのフィン材は、高強度、高熱伝導性を得るために、晶出相による分散硬化を利用している。また、Ｎｉの添加はＡｌ−Ｆｅ−Ｎｉ系化合物の晶出を促進することが目的であり、鋳造法や鋳造条件の規定は、鋳造時の冷却速度を大きくして晶出相の微細化することを目的としている。このようにアルミニウム合金フィン材の高強度化、高熱伝導性の維持のために晶出相の分散硬化が用いられるのは、既に述べたとおりアルミニウム合金製熱交換器がろう付工法によって作製されることに大きく関係がある。つまり、ろう付加熱中にも化合物がマトリックス相に再固溶しないことが必要であり、そのためにはこれらの化合物は、ろう付加熱前においてある程度の大きさを持つことが必要なのである。このため、晶出相の分散硬化を用いてフィン材のろう付加熱後の強度と熱伝導性を向上させたフィン材の研究が数多くなされている。
【０００５】
しかしながら晶出相による分散硬化では、高強度化に限界があり、さらに薄肉化が進む近年のフィン材に適用するのが困難となってきている。図６に、双ロール鋳造圧延法によって鋳造し、６０μｍの板厚まで冷間圧延し、ろう付を行った従来のフィン材の１例のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真を示す。図６において、母相３中に晶出した化合物粒子４が分散しているのがわかる。化合物の粒子間距離は５００ｎｍ程度であるが、これ以上、これらの化合物（晶出相）の分散密度を向上することは困難である。また、晶出相の分散密度を増加するために添加するＮｉやＦｅは、化合物の構成元素となった際に、化合物の電位を貴にし、結果フィン材の耐食性が劣化するという問題もある。
【特許文献１】特開平７−２１６４８５号公報
【特許文献２】特開平８−１０４９３４号公報
【特許文献３】ＷＯ００／０５４２６号パンフレット
【特許文献４】特開２００２−２５６４０２号公報
【特許文献５】特開２００２−２４１９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、これまでのフィン材よりもさらに高強度であり、同時に高熱伝導性、耐食性を維持または改善したフィン材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】
【０００７】
本発明者らは鋭意検討した結果、ケイ素Ｓｉをほとんど含まないＡｌ−Ｍｎ−Ｚｎ系合金芯材と、通常ろう材として用いられるＡｌ−Ｓｉ合金よりも低濃度のＳｉを含む皮材とをクラッドすることにより、晶出相の分散硬化に加え、晶出相より微細な析出相による分散硬化を同時に得ることができることを見出し、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、
（１）Ｍｎを１．２ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｚｎを０．４ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｓｉを０．２ｍａｓｓ％未満、Ｆｅを０．５ｍａｓｓ％未満含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金よりなる芯材の片面または両面にＡｌ−Ｓｉ合金よりなる皮材がクラッドされてなる板厚０．１ｍｍ未満のアルミニウム合金フィン材であって、前記皮材の板厚ｔ（μｍ）と前記皮材におけるＳｉ含有量ｘ（ｍａｓｓ％）とが
ｔ×ｘ≦９０（ｍａｓｓ％・μｍ）  （式１）
の関係式を満たすことを特徴とするアルミニウム合金フィン材、
（２）Ｍｎを１．２ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｚｎを０．４ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満、Ｓｉを０．２ｍａｓｓ％未満、Ｆｅを０．５ｍａｓｓ％未満含有し、さらに、０．２５ｍａｓｓ％以下のＣｕ、０．２ｍａｓｓ％以下のＴｉ、０．２ｍａｓｓ％以下のＺｒ、および０．２ｍａｓｓ％以下のＣｒからなる群から選ばれた少なくとも１種を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金よりなる芯材の片面または両面にＡｌ−Ｓｉ合金よりなる皮材がクラッドされてなる板厚０．１ｍｍ未満のアルミニウム合金フィン材であって、前記皮材の板厚ｔ（μｍ）と前記皮材におけるＳｉ含有量ｘ（ｍａｓｓ％）とが
ｔ×ｘ≦９０（ｍａｓｓ％・μｍ）  （式１）
の関係式を満たすことを特徴とするアルミニウム合金フィン材。
（３）ろう材層を有する部材とろう付けして用いられることを特徴とする（１）または（２）項記載のアルミニウム合金フィン材、および、
（４）熱交換器用であることあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のアルミニウム合金フィン材
を提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のアルミニウム合金フィン材は、高強度かつ良好な熱伝導性を持ち、かつ、耐食性に優れ、薄肉化できるので、これを用いた熱交換器は、従来のものに比べ軽量化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明においては、フィン材をクラッド材とすることで、芯材中のマンガン（Ｍｎ）と皮材中のケイ素（Ｓｉ）を分離しておくことにより、高濃度のＭｎを芯材に添加しても粗大晶出相が生成しない。粗大な晶出相は強度向上に寄与しないばかりでなく、圧延時の破断の起点となるため望ましくない。本発明において、含有されたＭｎは、一部がアルミニウム（Ａｌ）−鉄（Ｆｅ）−Ｍｎ系化合物として晶出する他は、母相に過飽和固溶する。そして、芯材にＳｉをほとんど含まないため、中間焼鈍中にこれらの固溶Ｍｎは析出することなくフィン材まで製造される。一方、ろう付工程における昇温中に皮材のＳｉが芯材に拡散する。このとき芯材中の固溶Ｍｎはエロージョンを防止するのと同時に、ろう付後の冷却過程にＳｉと結合してＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の化合物として析出する。このようにして、高濃度の固溶Ｍｎによる強度向上と、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系析出相による熱伝導性と強度の同時改善効果が得られ、所望の特性をもつフィン材を得ることができるのである。
【００１０】
図１は、本発明のクラッドフィン材１のろう付加熱前の断面ミクロ組織の１例の顕微鏡写真である。図２は、図１で示したろう付加熱前のクラッドフィン材のＥＰＭＡによる線分析の結果を示すグラフである。図２のグラフの横軸はフィン材板厚方向距離を示し、目盛りの単位は２μｍである。図２のグラフの縦軸は元素濃度を示す。また、グラフ中、矢印で示した範囲は芯材の範囲を示し、芯材の両側に皮材が存在している。また、実線はＭｎの濃度、点線はＦｅの濃度、一点鎖線はＳｉの濃度を表す。図３は、本発明のクラッドフィン材１のろう付加熱後の断面ミクロ組織の１例の顕微鏡写真である。図４は、図３で示したろう付加熱前のクラッドフィン材の図２で示した線分析と同様の結果を示すグラフである。グラフの横軸、横軸も図２と同様である。図２で皮材に高濃度で含有されたＳｉは、図４に示すようにエロージョンを起こすことなくろう付工程中に芯材に拡散していることが分かる。
【００１１】
本発明のフィン材は、ろう材層を有する部材、例えば、それに限定されるものではないが、通常のチューブ材、サイドプレート材、インサート材などと組み合わせて用いられる。
【００１２】
つぎに芯材の成分組成について説明する。
芯材のＦｅの含有量は０．５ｍａｓｓ％未満である。Ｆｅの含有量が多すぎるとＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系の晶出相が粗大化する。Ｆｅの含有量は、好ましくは０．４ｍａｓｓ％未満である。
【００１３】
芯材のＳｉの含有量は０．２ｍａｓｓ％未満である。Ｓｉの含有量が０．２ｍａｓｓ％以上であると、中間焼鈍中にＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の析出相が生じる。中間焼鈍で析出した化合物は、ろう付加熱中に母相に再固溶するので熱交換器の特性向上には寄与しない。また、芯材のＳｉ量が多すぎると、ろう付加熱中に皮材から拡散するＳｉとの総量が多くなり、エロージョンを生じる。Ｓｉの含有量は、好ましくは０．１５ｍａｓｓ％未満である。
【００１４】
芯材のＭｎの含有量は、１．２ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満である。Ｍｎの含有量が１．２ｍａｓｓ％以下であると晶析出した残りの固溶量が少なくなり、十分な強度が得られない。また、含有量が３．０ｍａｓｓ％以上であると熱伝導性が低下する。Ｍｎの含有量は、好ましくは１．４ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％未満である。
【００１５】
芯材における亜鉛（Ｚｎ）の含有量は組み合わせるチューブ材等に対する防食設計から、必要電位差が得られるように定めれば良い。本発明においては、芯材のＺｎ含有量は、０．４ｍａｓｓ％を超え３．０ｍａｓｓ％未満である。Ｚｎの含有量が０．４ｍａｓｓ％以下であると十分な犠牲防食効果が得られず、また、３．０ｍａｓｓ％以上であるとフィン材の自己耐食性が劣化する。Ｚｎの含有量は、好ましくは０．５ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％未満である。
【００１６】
また、本発明のフィン材を構成するＡｌ合金には、前記の必須元素に加え強度向上に有効な銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）を加えても良い。これらの強化元素を多量に加えると、Ｃｕ，Ｔｉの場合にはろう付後のフィン材の熱伝導性や、耐食性、犠牲陽極効果が、Ｚｒの場合には圧延性、疲労特性が低下するので、これらの元素を加える場合の含有量の上限はそれぞれ、Ｃｕ；０．２５ｍａｓｓ％、Ｔｉ；０．２ｍａｓｓ％、Ｚｒ；０．２ｍａｓｓ％、Ｃｒ；０．２ｍａｓｓ％であり、より好ましい含有量の上限はＣｕ；０．２ｍａｓｓ％、Ｔｉ；０．１５ｍａｓｓ％、Ｚｒ；０．１５ｍａｓｓ％、Ｃｒ；０．１５ｍａｓｓ％である。
【００１７】
本発明における皮材は下記条件を満たさなければならない。すなわち、皮材の板厚ｔ（μｍ）と皮材におけるＳｉ含有量ｘ（ｍａｓｓ％）とが
ｔ×ｘ≦９０（ｍａｓｓ％・μｍ）  （式１）
の関係式を満たすことである。
上記の式１を満たすことで、本発明のフィン材は、従来のクラッドフィンと異なり、皮材のＳｉがろう材として働き、他部材（接合される相手材）との接合箇所に流動することを避けることができる。例えば、板厚７０μｍ、片側１０％両面クラッド、１０ｍａｓｓ％Ｓｉであると、上記のｔ×ｘの値は１４０となる。このような一般的なクラッドフィンよりも、クラッド率（ｔ）と皮材のＳｉ濃度（ｘ）を上記式１のように規制することによって、皮材のＳｉは芯材のみに拡散し、所望の特性を持つ（ベア）フィン材が得られるのである。上記の式１を満たす皮材板厚と皮材中のＳｉ濃度、さらに芯材の合金組成を全て満たせば、皮材は他部位に流動することなく、芯材をエロージョンすることなく、芯材中に析出してフィン材の特性を向上することができる。なお、皮材のＳｉ組成は鋳造時に発光分析、あるいは化学分析などの通常の方法によって成分値を求めればよい。クラッド率については図１のようにフィン材の断面を光学顕微鏡等で観察して測定することができる。コイルで製造する場合、コイルの先頭と最後尾付近、また幅中央部と端近傍で測定することが好ましい。本発明において皮材の板厚μｍは３〜１２μｍが好ましく、５〜１０μｍがさらに好ましい。また皮材のＳｉ濃度は３〜１１ｍａｓｓ％が好ましく、４〜１０ｍａｓｓ％がさらに好ましい。また、皮材板厚（μｍ）に皮材のＳｉ濃度（ｍａｓｓ％）を乗じた値（ｍａｓｓ％・μｍ）は３０〜９０が好ましく、３５〜８５がさらに好ましい。
【００１８】
本発明のフィン材を用いてコアを組み、ろう付加熱を行った場合、皮材の溶融による板厚減少は図３に示すようにほとんど見られない。よって、本発明のフィン材は、ろう付け後、以下の（１）〜（４）を満足するものとすることが出来る。
（１）ろう材層を有するチューブ材等とろう付されていること。
（２）フィン材に残存皮材層が観察されること。
（３）フィン材にエロージョンが生じていないこと。
（４）フィン材板厚（μｍ）にフィン材中の平均Ｓｉ濃度（ｍａｓｓ％）を乗じた値（ｍａｓｓ％・μｍ）が９０以下であること。
ろう付後のフィンを分析して、フィン材板厚（μｍ）にフィン材中の平均Ｓｉ濃度（％）を乗じた値で表されるＳｉ量（ｍａｓｓ％・μｍ）を得ることができる。本発明のフィン材は、ろう付前後においてＳｉ量が保存されるので、ろう付後のフィン材板厚（μｍ）にフィン材中の平均Ｓｉ濃度（ｍａｓｓ％）を乗じた値（ｍａｓｓ％・μｍ）が９０以下であれば、上記の式１で示す関係式を満たすことになる。
例えば、図３に示すフィン材１は、板厚（６０μｍ）に平均Ｓｉ濃度１．２５ｍａｓｓ％乗じた値は７５ｍａｓｓ％・μｍであり、エロージョンは無く、またフィン材には残存皮材層が観察される。
【００１９】
本発明のフィン材の板厚は、０．１ｍｍ未満であり、０．０４〜０．０７ｍｍがさらに好ましい。フィン材の板厚が厚すぎると本発明の薄肉化の目的を達成できない。
【００２０】
本発明のフィン材は、前述した所定の組成を持つ芯材用アルミニウム合金および皮材用アルミニウム合金を、例えば通常の半連続鋳造法により鋳塊とし面削を行う。さらに皮材については所定の構成となるように常法により熱間圧延を行う。芯材に常法により均質化処理を行い／或いは均質化処理は行わず、熱間圧延を行った皮材とクラッドして、常法により熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍、仕上圧延を行うことで製造することができる。
【実施例】
【００２１】
以下に本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００２２】
（実施例および比較例）
表１に示す組成の芯材用アルミニウム合金を小型半連続鋳造機により作製した。均質化処理の有無、条件も表１に合わせて示す。また、皮材として表１に示す合金を同じく小型半連続鋳造機により作製し、熱間圧延を行った。これらの材料を５２０℃に加熱し、表２に示すクラッド率にて熱間クラッド圧延し３．５ｍｍの熱延板とした。続けて冷間圧延により０．１〜０．０５５ｍｍにした。その板厚で中間焼鈍を施したのち、再び冷間圧延によりフィン材を作製した。このときの中間焼鈍の条件、最終板厚についても表２に示した。
【００２３】
【表１】
2007146264.tif 000003
【００２４】
【表２】
2007146264.tif 000004
【００２５】
（試験例）
実施例および比較例のフィン材について、長さ３００ｍｍ、巾２０ｍｍの短冊の形状で、ろう付相当条件（６００℃×４分）で加熱を行った。加熱後、フィン材下部にろう溜まりが生成されたか否かを観察し、ろう溜まりが生成されたものについては、以降の評価は行わなかった。ろう溜まりの生成は、クラッド率、或いは皮材Ｓｉ濃度が高く、皮材の一部がろう材として他部材との接合箇所に流動したことを意味するし、このようにろう溜まりが生成されるフィン材は、既に説明したように、他のクラッド材と組み合わせた場合に、過剰なろうによりエロージョンが生じる可能性が高いためである。一方、ろう溜まりが生成されなかったフィン材についてろう付相当加熱後の引張強さ、および導電率を測定した。引張強さはＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準じ、導電率はＪＩＳ  Ｈ  ０５０５に準じてそれぞれ評価した。また、自己耐食性の評価として、ＪＩＳ  Ｈ  ８５０２に準じた７日間のＣＡＳＳ試験を行ったのち重量減少率を調べた。これらの評価結果について表３にまとめて示す。
【００２６】
また、実施例１については、常法によりＴＥＭ観察を行った。結果を図５に示す。図５で明らかなように本発明のフィン材はＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系析出相２が密に分散している。同様に観察した、図６に示した従来材における晶出相の分散硬化よりも強度向上が大きく、かつ導電率（熱伝導性）を維持することができる。
【００２７】
【表３】
2007146264.tif 000005
【００２８】
表３に示されるように、実施例１〜５は高強度、高導電率をもち、なおかつ耐食性に優れるフィン材であることが分かる。
一方、比較例６はＦｅ量が多く、添加Ｍｎのうち固溶硬化に寄与しているＭｎが少なかったため強度の向上が得られていない。比較例７はＭｎ量が多く、導電率が低下した。比較例８はＭｎ量が少なく、強度が不足した。比較例９はＺｎ量が多く、耐食性に劣った。比較例１０〜１２は、芯材Ｓｉが多く、または本発明のクラッド構成を満たさなかったため、いずれも皮材が流動し、いわゆるベアフィンとして使用できない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のフィン材のろう付加熱前の断面の光学顕微鏡写真である。
【図２】本発明のフィン材のろう付加熱前の元素濃度プロファイルを示すグラフである。
【図３】本発明のフィン材のろう付加熱後の断面の光学顕微鏡写真である。
【図４】本発明のフィン材のろう付加熱後の元素濃度プロファイルを示すグラフである。
【図５】本発明のフィン材（芯材）のろう付加熱後のＴＥＭ写真である。
【図６】従来のフィン材のＴＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００３０】
１  フィン材
２  Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系析出相
３  母相
４  化合物微粒子
【図２】
2007146264.tif 000006
【図４】
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【図１】
2007146264.tif 000008
【図３】
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【図５】
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【図６】
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