(57)【要約】  本発明は、熱交換器における使用のために、アルミニウム合金フィン素材合金材料に、より高い強度及び改良された耐たわみ性を提供する。このアルミニウム合金フィン素材合金材料は、直接チル（ＤＣ）鋳造によって作製した。【特許請求の範囲】
【請求項１】
約０．８〜１．４重量％Ｓｉ、０．４〜０．８重量％Ｆｅ、０．０５〜０．４重量％Ｃｕ、１．２〜１．７重量％Ｍｎ、及び１．２０〜２．３重量％Ｚｎを残りのＡｌと共に含む、アルミニウム合金。
【請求項２】
約０．９〜１．３重量％Ｓｉ、０．４５〜０．７５重量％Ｆｅ、０．１０〜０．３重量％Ｃｕ、１．３〜１．７重量％Ｍｎ、及び１．３０〜２．２重量％Ｚｎを残りのＡｌと共に含む、請求項１に記載の前記アルミニウム合金。
【請求項３】
約０．９〜１．２重量％Ｓｉ、０．５〜０．７５重量％Ｆｅ、０．１５〜０．３重量％Ｃｕ、１．４〜１．６重量％Ｍｎ、及び１．４〜２．１重量％Ｚｎを残りのＡｌと共に含む、請求項１に記載の前記アルミニウム合金。
【請求項４】
ＣｒもしくはＺｒのうちの１つまたは両方を最大０．２重量％更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の前記アルミニウム合金。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の前記アルミニウム合金をインゴットに直接チル鋳造することと、
前記インゴットを４５０〜５６０℃まで２〜１６時間予熱することと、
前記予熱されたインゴットを熱間圧延することと、
前記インゴットを冷間圧延することと、
３００〜４５０℃の温度で中間アニーリングすることと、
中間アニーリング後、最終冷間圧延ステップを行い、２５〜３５％の冷間加工％（ＣＷ％）を達成することと、
を含む方法によって、前記アルミニウム合金から生産されたアルミニウム合金フィン素材。
【請求項６】
前記インゴットが、４８０℃で２〜１２時間予熱される、請求項５に記載の前記アルミニウム合金フィン素材。
【請求項７】
前記中間アニーリング温度が、３００〜４００℃である、請求項５または６に記載の前記アルミニウム合金フィン素材。
【請求項８】
ろう付け後に測定された約１３０ＭＰａの最小極限引張強度を有する、請求項５〜７のいずれか一項に記載の前記アルミニウム合金フィン素材。
【請求項９】
ろう付け後に測定された−７００ｍＶ以下の腐食電位を有する、請求項５〜７のいずれか一項に記載の前記アルミニウム合金フィン素材。
【請求項１０】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の前記アルミニウム合金または請求項５〜９のいずれか一項に記載の前記アルミニウム合金フィン素材を含む、熱交換器。
【請求項１１】
前記熱交換器が、自動車用熱交換器である、請求項１０に記載の前記熱交換器。
【請求項１２】
前記熱交換器が、放熱器、凝縮器、または蒸発器である、請求項１０に記載の前記熱交換器。
【請求項１３】
熱交換器フィンの製造のための請求項１〜４のいずれか一項に記載の前記アルミニウム合金または請求項５〜９のいずれか一項に記載の前記アルミニウム合金フィン素材の使用。
【請求項１４】
アルミニウム合金フィン素材を作製するための方法であって、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の前記アルミニウム合金をインゴットに直接チル鋳造することと、
前記インゴットを４５０〜５６０℃まで２〜１６時間予熱することと、
前記予熱されたインゴットを熱間圧延することと、
前記インゴットを冷間圧延することと、
３００〜４５０℃の温度で中間アニーリングすることと、
中間アニーリング後、最終冷間圧延ステップを行い、２５〜３５％の冷間加工％（ＣＷ％）を達成することと、を含む、前記方法。
【請求項１５】
前記インゴットが、４８０℃で２〜１２時間予熱される、請求項１４に記載の前記方法。
【請求項１６】
前記中間アニーリング温度が、３００〜４００℃である、請求項１４または１５に記載の前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料科学、材料化学、冶金学、アルミニウム合金、アルミニウム製造の分野、ならびに関連分野に関するものである。本発明は、熱交換器フィンの生産における使用のための新規アルミニウム合金を提供し、それらは、次いで、様々な熱交換器デバイス、例えば、自動車の放熱器、凝縮器、蒸発器及び関連デバイスにおいて利用される。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の放熱器を含む様々な熱交換器用途における使用のために、高い強度及び改良された耐たわみ性の高い強度を備えたアルミニウム合金フィン素材の必要性がある。高性能熱交換器用途のために、強いろう付け前の機械的特性、ろう付けの間の良好な挙動、すなわち、ろう付けされた材料の耐たわみ性の強化、及びフィン腐食の削減、ならびにろう付け後の良好な強度及び伝導率特性を備えたアルミニウム合金フィン素材を取得する必要性がある。
【発明の概要】
【０００３】
本発明は、熱交換器における使用のために、アルミニウム合金フィン素材合金材料に、より高い強度と改良された耐たわみ性を提供する。このアルミニウム合金フィン素材合金材料は、直接チル（ＤＣ）鋳造によって作製した。
【０００４】
所望のろう付け前の（Ｈ１４テンパー）及びろう付け後の機械的特性、耐たわみ性、耐腐食性、及び伝導率を有するＤＣフィン素材が開発された。本アルミニウム合金フィン素材合金は、ろう付け前により大きな粒子及び改良された強度を示す。
【０００５】
本アルミニウム合金フィン素材合金は様々な用途、例えば、熱交換器において使用され得る。本フィン素材は、高性能軽量自動車用熱交換器に特に有用であるが、ＨＶＡＣを含むがこれに限定されない、他のろう付けされた用途のために使用され得る。一実施形態では、アルミニウム合金フィン素材合金が、自動車用熱交換器、例えば放熱器、凝縮器及び蒸発器などにおいて使用され得る。発明の他の目的及び利点は、発明の実施形態の以下の発明を実施するための形態から明らかになる。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明は、熱交換器、例えば自動車用熱交換器などにおける使用のために、アルミニウム合金フィン素材合金材料に、より高い強度、改良された耐腐食性、及び改良された耐たわみ性を提供する。このアルミニウム合金フィン素材合金材料は、直接チル鋳造によって作製した。
【０００７】
このＤＣフィン素材は、所望のろう付け前の（Ｈ１４テンパー）及びろう付け後の機械的特性、耐たわみ性、耐腐食性、及び伝導率を呈する。アルミニウム合金フィン素材合金は、ろう付け前により大きな粒子及び改良された強度を示す。
【０００８】
アルミニウム合金フィン素材合金は様々な用途、例えば、熱交換器において使用され得る。一実施形態では、アルミニウム合金フィン素材合金が、自動車用熱交換器、例えば放熱器、凝縮器及び蒸発器などにおいて使用され得る。
【０００９】
一実施形態では、ＤＣフィン素材は、約０．８〜１．４％Ｓｉ、０．４〜０．８％Ｆｅ、０．０５〜０．４％Ｃｕ、１．２〜１．７％Ｍｎ、及び１．２〜２．３％Ｚｎ、残りのアルミニウムを含む。全ての％値は、重量（ｗｔ）％である。
【００１０】
別の実施形態では、ＤＣフィン素材は、約０．９〜１．３％Ｓｉ、０．４５〜０．７５％Ｆｅ、０．１０〜０．３０％Ｃｕ、１．３〜１．７％Ｍｎ、及び１．３０〜２．２％Ｚｎ、残りのアルミニウムを含む。
【００１１】
更に別の実施形態では、ＤＣフィン素材は、約０．９〜１．２％Ｓｉ、０．５０〜０．７５％Ｆｅ、０．１５〜０．３０％Ｃｕ、１．４〜１．６％Ｍｎ、及び１．４〜２．１％Ｚｎ、残りのアルミニウムを含む。
【００１２】
任意選択的に、Ｃｒ及び／もしくはＺｒまたは他の粒子サイズ制御要素が、それぞれ最大０．２％、最大０．１５％％、最大０．１％、最大０．０５％、または最大０．０３％これらの合金組成中に存在してもよい。全ての％値は、重量（ｗｔ）％である。
【００１３】
本明細書に記載された合金組成が、意図しない要素とも呼ばれることがある他の微量要素を０．０５％未満含有してもよいことを理解されたい。
【００１４】
インゴットの作製方法
本明細書に記載されたインゴットは、直接チル（ＤＣ）方法によって作製され、これは、アルミニウムシート産業全体にわたって一般的に使用され、それによって、大きなインゴット約１．５ｍ×０．６ｍ×４ｍが、冷却水が供給される浅い鋳型または複数鋳型に金属を供給する大型保持炉から鋳造される。凝固インゴットは、冷却水の直接衝突によって連続的に冷却され、十分なインゴットまたは複数のインゴットが完成されるまで鋳型の基部からゆっくりと引き抜かれる。鋳造プロセスから一旦冷却されると、インゴット圧延表面が機械加工されて、表面分離及び不規則性が取り除かれる。機械加工されたインゴットは、熱間圧延のために予熱される。予熱温度及び持続期間は、低いレベルに制御され、仕上がったフィン素材がろう付けされた後に大きな粒子サイズ及び高い強度を保つ。インゴットが熱間圧延されコイルを形成し、そのコイルは、次いで冷間圧延される。冷間圧延プロセスは、いくつかのステップにおいて行われ、約３００〜４５０℃の範囲の中間アニーリングが適用され、最終冷間圧延ステップの前に材料を再結晶化する。次に、材料は、所望の最終ゲージを得るために冷間圧延され、放熱器及び他の自動車用熱交換器の製造に適した細長い片に切り込まれる。熱間圧延の前のインゴットの予熱は、達成される最終金属温度が約４８０℃であるような方法で行われ、平均約４時間（典型的には、最低約２時間〜最大約１２時間）そこで保持される。いくつかのインゴット（約８〜３０）が炉に入れられ、ガスまたは電気で圧延温度まで予熱される。アルミニウム合金は、典型的には、約４５０℃〜約５６０℃の範囲内で圧延される。温度が冷た過ぎる場合、圧延負荷が高すぎて温度が熱過ぎる場合には、金属が柔らかくなりすぎ得、ミルにおいて壊れ得る。予熱温度が他のアルミニウム製品と比較して低く、保持時間が比較的短い場合、分散質の成長を制限することが、最終のろう付け後の粒子の大きさを減少させ得る。実践では、多くの異なるインゴット及び合金を圧延するためにホットミルが予定され、常にインゴットを最短ソーク時間で圧延できるわけではない。一実施形態では、約４８０℃での最短ソーク時間は、約２時間である。生産中、適用される中間アニーリング温度は、平均約３時間で約４００℃であり、続いて、最終ゲージに対して約２９％の冷間加工（ＣＷ）％を適用することが続いた。ＣＷ％は、最終的に必要とされる強度範囲の材料を得るために適用される冷間圧延の度合いである。冷間加工％は、（初期ゲージ−最終ゲージ）×１００／初期ゲージと定義される。冷間加工が増加するにつれて、Ｈ１４強度は増加するが、最終的なろう付け後の粒子の大きさ及び耐たわみ性は減少する。ほとんどのアルミニウム圧延用途に対して、２９％は、比較的低い。
【００１５】
一実施形態では、最終ゲージのために、約３００〜４００℃中間アニーリング温度及び約２５〜３５％のＣＷ％とともに約４８０℃で平均４時間の予熱実践が利用される。
【００１６】
仕上がった冷間圧延されたコイルは、次いで、仕上がった熱交換器への形成、組み立て、及びろう付けのために熱交換器製造業者によって必要とされる幅の多くの細長い片に切り込まれる。
【００１７】
以下の実施例は、同時に、しかしながら、それらの何の限定も構成せずに、本発明を更に例示するのに役立つことになる。その反対に、再分類をそれらの様々な実施形態、修正及び等価物にする必要があり得、それらは、本明細書における記載を読んだ後に、発明の趣旨から逸脱することなく、当業者にそれら自体を提案し得ることが明確に理解されることになる。
【実施例】
【００１８】
ＤＣケース合金組成が作製された。その合金の組成範囲は、以下の仕様、すなわち、１．１±０．１％Ｓｉ、０．６±０．１％Ｆｅ、０．２±０．０５％Ｃｕ、１．４±０．１％Ｍｎ、及び１．５０±０．１％Ｚｎと、残りのアルミニウムとを含むものの範囲内であった。合金材料は、約１３０ＭＰａの最小極限引張強度を有した。合金材料は、約４３ＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｎｎｅａｌｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｓｔａｎｄａｒｄ（すなわち、純粋な銅は１００％の伝導率である））のろう付け後の平均伝導率及び（標準カロメル電極（ＳＣＥ）に対する）−７４１ｍＶの開路電位腐食値を有した。生産された合金材料は、最終ゲージが４９μｍであった２８ｍｍ〜最終ゲージが８３μｍであった４３ｍｍの間のたわみ値を呈し、それらは、それらのゲージにおいて必要とされる使用の範囲内であった。これらの値は、シミュレーションしたろう付け周期を適用した後に測定した。それによって、サンプルを６０５℃の温度まで加熱して、約２０分間室温まで冷却して、商業用ろう付けプロセスの温度時間プロファイルをシミュレーションした。合金材料は、４９〜８３μｍの間のゲージにおいて変動させて生産した。
【００１９】
上記した全ての特許、特許出願、公報、及び要約は、それらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる。発明の様々な実施形態が、発明の様々な目的の履行において記載された。これらの実施形態が本発明の原理の単なる例示的なものであることを認識されたい。それらの多数の修正及び適合は、以下の特許請求の範囲に定義されるような発明の趣旨及び範囲から逸脱すること無く、当業者に容易に明らかになる。
【手続補正書】
【提出日】平成28年2月8日(2016.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年８月８日に出願された米国仮特許出願第６１／８６３，５６８号の利益を主張し、これは、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、材料科学、材料化学、冶金学、アルミニウム合金、アルミニウム製造の分野、ならびに関連分野に関するものである。本発明は、熱交換器フィンの生産における使用のための新規アルミニウム合金を提供し、それらは、次いで、様々な熱交換器デバイス、例えば、自動車の放熱器、凝縮器、蒸発器及び関連デバイスにおいて利用される。
【背景技術】
【０００３】
自動車用の放熱器を含む様々な熱交換器用途における使用のために、高い強度及び改良された耐たわみ性の高い強度を備えたアルミニウム合金フィン素材の必要性がある。高性能熱交換器用途のために、強いろう付け前の機械的特性、ろう付けの間の良好な挙動、すなわち、ろう付けされた材料の耐たわみ性の強化、及びフィン腐食の削減、ならびにろう付け後の良好な強度及び伝導率特性を備えたアルミニウム合金フィン素材を取得する必要性がある。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、熱交換器における使用のために、アルミニウム合金フィン素材合金材料に、より高い強度と改良された耐たわみ性を提供する。このアルミニウム合金フィン素材合金材料は、直接チル（ＤＣ）鋳造によって作製した。
【０００５】
所望のろう付け前の（Ｈ１４テンパー）及びろう付け後の機械的特性、耐たわみ性、耐腐食性、及び伝導率を有するＤＣフィン素材が開発された。本アルミニウム合金フィン素材合金は、ろう付け前により大きな粒子及び改良された強度を示す。
【０００６】
本アルミニウム合金フィン素材合金は様々な用途、例えば、熱交換器において使用され得る。本フィン素材は、高性能軽量自動車用熱交換器に特に有用であるが、ＨＶＡＣを含むがこれに限定されない、他のろう付けされた用途のために使用され得る。一実施形態では、アルミニウム合金フィン素材合金が、自動車用熱交換器、例えば放熱器、凝縮器及び蒸発器などにおいて使用され得る。発明の他の目的及び利点は、発明の実施形態の以下の発明を実施するための形態から明らかになる。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明は、熱交換器、例えば自動車用熱交換器などにおける使用のために、アルミニウム合金フィン素材合金材料に、より高い強度、改良された耐腐食性、及び改良された耐たわみ性を提供する。このアルミニウム合金フィン素材合金材料は、直接チル鋳造によって作製した。
【０００８】
このＤＣフィン素材は、所望のろう付け前の（Ｈ１４テンパー）及びろう付け後の機械的特性、耐たわみ性、耐腐食性、及び伝導率を呈する。アルミニウム合金フィン素材合金は、ろう付け前により大きな粒子及び改良された強度を示す。
【０００９】
アルミニウム合金フィン素材合金は様々な用途、例えば、熱交換器において使用され得る。一実施形態では、アルミニウム合金フィン素材合金が、自動車用熱交換器、例えば放熱器、凝縮器及び蒸発器などにおいて使用され得る。
【００１０】
一実施形態では、ＤＣフィン素材は、約０．８〜１．４％Ｓｉ、０．４〜０．８％Ｆｅ、０．０５〜０．４％Ｃｕ、１．２〜１．７％Ｍｎ、及び１．２〜２．３％Ｚｎ、残りのアルミニウムを含む。全ての％値は、重量（ｗｔ）％である。
【００１１】
別の実施形態では、ＤＣフィン素材は、約０．９〜１．３％Ｓｉ、０．４５〜０．７５％Ｆｅ、０．１０〜０．３０％Ｃｕ、１．３〜１．７％Ｍｎ、及び１．３０〜２．２％Ｚｎ、残りのアルミニウムを含む。
【００１２】
更に別の実施形態では、ＤＣフィン素材は、約０．９〜１．２％Ｓｉ、０．５０〜０．７５％Ｆｅ、０．１５〜０．３０％Ｃｕ、１．４〜１．６％Ｍｎ、及び１．４〜２．１％Ｚｎ、残りのアルミニウムを含む。
【００１３】
任意選択的に、Ｃｒ及び／もしくはＺｒまたは他の粒子サイズ制御要素が、それぞれ最大０．２％、最大０．１５％％、最大０．１％、最大０．０５％、または最大０．０３％これらの合金組成中に存在してもよい。全ての％値は、重量（ｗｔ）％である。
【００１４】
本明細書に記載された合金組成が、意図しない要素とも呼ばれることがある他の微量要素を０．０５％未満含有してもよいことを理解されたい。
【００１５】
インゴットの作製方法
本明細書に記載されたインゴットは、直接チル（ＤＣ）方法によって作製され、これは、アルミニウムシート産業全体にわたって一般的に使用され、それによって、大きなインゴット約１．５ｍ×０．６ｍ×４ｍが、冷却水が供給される浅い鋳型または複数鋳型に金属を供給する大型保持炉から鋳造される。凝固インゴットは、冷却水の直接衝突によって連続的に冷却され、十分なインゴットまたは複数のインゴットが完成されるまで鋳型の基部からゆっくりと引き抜かれる。鋳造プロセスから一旦冷却されると、インゴット圧延表面が機械加工されて、表面分離及び不規則性が取り除かれる。機械加工されたインゴットは、熱間圧延のために予熱される。予熱温度及び持続期間は、低いレベルに制御され、仕上がったフィン素材がろう付けされた後に大きな粒子サイズ及び高い強度を保つ。インゴットが熱間圧延されコイルを形成し、そのコイルは、次いで冷間圧延される。冷間圧延プロセスは、いくつかのステップにおいて行われ、約３００〜４５０℃の範囲の中間アニーリングが適用され、最終冷間圧延ステップの前に材料を再結晶化する。次に、材料は、所望の最終ゲージを得るために冷間圧延され、放熱器及び他の自動車用熱交換器の製造に適した細長い片に切り込まれる。熱間圧延の前のインゴットの予熱は、達成される最終金属温度が約４８０℃であるような方法で行われ、平均約４時間（典型的には、最低約２時間〜最大約１２時間）そこで保持される。いくつかのインゴット（約８〜３０）が炉に入れられ、ガスまたは電気で圧延温度まで予熱される。アルミニウム合金は、典型的には、約４５０℃〜約５６０℃の範囲内で圧延される。温度が冷た過ぎる場合、圧延負荷が高すぎて温度が熱過ぎる場合には、金属が柔らかくなりすぎ得、ミルにおいて壊れ得る。予熱温度が他のアルミニウム製品と比較して低く、保持時間が比較的短い場合、分散質の成長を制限することが、最終のろう付け後の粒子の大きさを減少させ得る。実践では、多くの異なるインゴット及び合金を圧延するためにホットミルが予定され、常にインゴットを最短ソーク時間で圧延できるわけではない。一実施形態では、約４８０℃での最短ソーク時間は、約２時間である。生産中、適用される中間アニーリング温度は、平均約３時間で約４００℃であり、続いて、最終ゲージに対して約２９％の冷間加工（ＣＷ）％を適用することが続いた。ＣＷ％は、最終的に必要とされる強度範囲の材料を得るために適用される冷間圧延の度合いである。冷間加工％は、（初期ゲージ−最終ゲージ）×１００／初期ゲージと定義される。冷間加工が増加するにつれて、Ｈ１４強度は増加するが、最終的なろう付け後の粒子の大きさ及び耐たわみ性は減少する。ほとんどのアルミニウム圧延用途に対して、２９％は、比較的低い。
【００１６】
一実施形態では、最終ゲージのために、約３００〜４００℃中間アニーリング温度及び約２５〜３５％のＣＷ％とともに約４８０℃で平均４時間の予熱実践が利用される。
【００１７】
仕上がった冷間圧延されたコイルは、次いで、仕上がった熱交換器への形成、組み立て、及びろう付けのために熱交換器製造業者によって必要とされる幅の多くの細長い片に切り込まれる。
【００１８】
以下の実施例は、同時に、しかしながら、それらの何の限定も構成せずに、本発明を更に例示するのに役立つことになる。その反対に、再分類をそれらの様々な実施形態、修正及び等価物にする必要があり得、それらは、本明細書における記載を読んだ後に、発明の趣旨から逸脱することなく、当業者にそれら自体を提案し得ることが明確に理解されることになる。
【実施例】
【００１９】
ＤＣケース合金組成が作製された。その合金の組成範囲は、以下の仕様、すなわち、１．１±０．１％Ｓｉ、０．６±０．１％Ｆｅ、０．２±０．０５％Ｃｕ、１．４±０．１％Ｍｎ、及び１．５０±０．１％Ｚｎと、残りのアルミニウムとを含むものの範囲内であった。合金材料は、約１３０ＭＰａの最小極限引張強度を有した。合金材料は、約４３ＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｎｎｅａｌｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｓｔａｎｄａｒｄ（すなわち、純粋な銅は１００％の伝導率である））のろう付け後の平均伝導率及び（標準カロメル電極（ＳＣＥ）に対する）−７４１ｍＶの開路電位腐食値を有した。生産された合金材料は、最終ゲージが４９μｍであった２８ｍｍ〜最終ゲージが８３μｍであった４３ｍｍの間のたわみ値を呈し、それらは、それらのゲージにおいて必要とされる使用の範囲内であった。これらの値は、シミュレーションしたろう付け周期を適用した後に測定した。それによって、サンプルを６０５℃の温度まで加熱して、約２０分間室温まで冷却して、商業用ろう付けプロセスの温度時間プロファイルをシミュレーションした。合金材料は、４９〜８３μｍの間のゲージにおいて変動させて生産した。
【００２０】
上記した全ての特許、特許出願、公報、及び要約は、それらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる。発明の様々な実施形態が、発明の様々な目的の履行において記載された。これらの実施形態が本発明の原理の単なる例示的なものであることを認識されたい。それらの多数の修正及び適合は、以下の特許請求の範囲に定義されるような発明の趣旨及び範囲から逸脱すること無く、当業者に容易に明らかになる。
【国際調査報告】
2016534223.tif 000002
2016534223.tif 000003
2016534223.tif 000004