(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）コア表面およびコア裏面をもち、９９重量％未満のアルミニウム及び１重量％を超えるＣｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ及びＺｎからなる群から選択される１種以上の金属元素をもつ、ＡＡ３０００シリーズ、ＡＡ６０００シリーズ及びＡＡ８０００シリーズのアルミニウム合金のうちの一つである第１のアルミニウム合金材料から形成されるコア層であって、１種以上の金属元素が溶体中または溶体外にあり、第１のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａを超える引っ張り強さをもつように第１のアルミニウム合金材料の強度を増強し、そして５０％ＩＡＣＳ未満の電気伝導率をもつもの、及び
ｂ）表面および裏面からなる２つの表面をもつ少なくとも１枚のクラッドであって、２つの表面の片方が、コア表面またはコア裏面の片面に隣接し、他方の面の少なくとも一部がもう１種のアルミニウム部品との溶融のために露出され、少なくとも１枚のクラッド層が、第２のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａ未満の引っ張り強さをもつように、１重量％未満の、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｔｉ、ＶおよびＺｒからなる群から選択される１種以上の金属元素をもち、溶体中にあり、第２のアルミニウム合金材料の腐食電位がコア層の第１のアルミニウム合金材料の腐食電位より少なくとも２０ｍＶ負圧であるように腐食電位負圧度を増加する、２．５重量％までの、Ｇａ、ＩｎおよびＺｎからなる群から選択される他の金属元素の金属添加物を含み、そして５０％ＩＡＣＳを超える電気伝導率をもつ、ＡＡ１０００シリーズ及びＡＡ７０００シリーズのアルミニウム合金のうちの一つである第２のアルミニウム合金材料から形成されるもの、を含んで成るアルミニウム合金複合体。
【請求項２】
少なくとも１枚のクラッド層が２枚のクラッド層を含んで成り、そこで、各クラッド層がコア層のコア表面およびコア裏面のそれぞれの面に隣接しており、クラッド層の他方の面がそれぞれ、ろう付けのために露出されている、請求項１に記載の複合体。
【請求項３】
コア材料及びクラッド層がシート材料である、請求項１または２に記載の複合体。
【請求項４】
コア材料が第１の厚さをもち、そして、少なくとも１枚のクラッド層が第２の厚さをもち、そこで、第１及び第２の合わせた厚さに対する第２の厚さの比率が約５％と４０％との間にある、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合体。
【請求項５】
コア材料が第１の厚さをもち、そして、２枚のクラッド層がそれぞれ第２の厚さをもち、そこで、第１及び第２の合わせた厚さに対する第２の厚さの比率それぞれが約２．５％と２０％の間にある、請求項２に記載の複合体。
【請求項６】
コア層がＡＡ３０００シリーズのアルミニウム合金であり、少なくとも１枚のクラッド層がＡＡ１０００シリーズのアルミニウム合金である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合体。
【請求項７】
ａ）ｉ）コア表面およびコア裏面をもち、９９重量％未満のアルミニウム及び１重量％を超えるＣｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ及びＺｎからなる群から選択される１種以上の金属元素をもつ、ＡＡ３０００シリーズ、ＡＡ６０００シリーズ及びＡＡ８０００シリーズのアルミニウム合金のうちの一つである第１のアルミニウム合金材料から形成されるコア層であって、１種以上の金属元素が溶体内またはその外にあり、第１のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａを超える引っ張り強さをもつように第１のアルミニウム合金材料の強度を増加し、そして５０％ＩＡＣＳ未満の電気伝導率をもつもの、及び
ii）表面および裏面からなる２つの表面をもつ少なくとも１枚のクラッド層であって、２つの表面の片方がコア表面またはコア裏面の片方に隣接し、他方の面の少なくとも一部がもう１種のアルミニウムの部品との溶融のために露出されており、少なくとも１枚のクラッド層が、第２のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａ未満の引っ張り強さをもつような１重量％未満の、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｔｉ、ＶおよびＺｒからなる群から選択される１種以上の金属元素をもち、溶体中にあり、そして、第２のアルミニウム合金材料の腐食電位がコア層の第１のアルミニウム合金材料の腐食電位より少なくとも２０ｍＶ負圧であるように腐食電位負圧度を増加する、２．５重量％までの、Ｇａ、ＩｎおよびＺｎからなる群から選択される他の金属元素の金属添加物を含み、そして５０％ＩＡＣＳを超える電気伝導率をもつ、ＡＡ１０００シリーズ及びＡＡ７０００シリーズのアルミニウム合金のうちの一つである第２のアルミニウム合金材料で形成されているもの、を含む、アルミニウム合金複合体を提供すること、
ｂ）少なくとも１種のろう付けクラッドのアルミニウム合金の部品を提供すること、並びに
ｃ）少なくとも１種のアルミニウム合金の部品をアルミニウム合金複合体の露出された面の部分にろう付けして、ろう付け製品を形成すること、を一緒に含んで成る、少なくとも２種のアルミニウム合金の部品をろう付けすることによりろう付け製品を形成する方法。
【請求項８】
ろう付け段階が更に、ろう付けフラックス及び制御された雰囲気を使用することを含んで成る、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
アルミニウム合金複合体が熱交換機への使用のための裸のフィン素材の材料であり、ろう付けクラッドアルミニウム合金の部品がろう付けクラッド管材料である、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
一対のクラッド層がコア層のコア表面およびコア裏面の各面に隣接して提供され、アルミニウム合金の部品がクラッド層の露出された面それぞれにろう付けされる、請求項７〜９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
ａ）コア表面およびコア裏面をもち、９９重量％未満のアルミニウム及び１重量％を超えるＣｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ及びＺｎからなる群から選択される１種以上の金属元素を含む、ＡＡ３０００シリーズ、ＡＡ６０００シリーズ及びＡＡ８０００シリーズのアルミニウム合金のうちの一つである第１のアルミニウム合金材料から形成されるコア層を提供すること、ここで１種以上の金属元素が溶体中または溶体外にあり、第１のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａを超える引っ張り強さをもつように第１のアルミニウム合金材料の強度を増強し、そして５０％ＩＡＣＳ未満の電気伝導率をもつ、
ｂ）第２のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａ未満の引っ張り強さをもつように１重量％未満の、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｔｉ、ＶおよびＺｒからなる群から選択される１種以上の金属元素をもち、溶体中にあり、第２のアルミニウム合金材料の腐食電位がコア層の第１のアルミニウム合金材料の腐食電位より少なくとも２０ｍＶ負圧であるように腐食電位負圧度を増加する、２．５重量％までの、Ｇａ、ＩｎおよびＺｎからなる群から選択される他の金属元素の金属添加物を含み、そして５０％ＩＡＣＳを超える電気伝導率をもつ、ＡＡ１０００シリーズ及びＡＡ７０００シリーズのアルミニウム合金のうちの一つである第２のアルミニウム合金材料で形成されている、少なくとも１枚のクラッド層を提供すること、並びに
ｃ）コア材料及び少なくとも１枚のクラッド材料を層状にして、コア材料の層に隣接する少なくとも１枚のクラッド材料の層、層状化段階後にろう付けのために露出されたクラッド層の少なくとも一部分、をもつアルミニウム合金複合体を形成すること、を含んで成るアルミニウム合金複合材料の製法。
【請求項１２】
コア材料が第１のシートを含んで成り、少なくとも１種のクラッド材料が第２のシートを含んで成り、そこで、層状化段階が第１及び第２のシートを一緒に合わせてロール接着して、アルミニウム合金複合材料を形成することを含んで成る、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
クラッド材料が固体または溶融金属形態にあり、そこで、層状化段階がコア材料上にクラッド材料を付着させて、アルミニウム合金複合材料を形成することを含んで成る、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
付着段階が吹き付けを含んで成る、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ａ）コア表面およびコア裏面をもち、９９重量％未満のアルミニウム及び１重量％を超えるＣｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ及びＺｎからなる群から選択される１種以上の金属元素を含む、ＡＡ３０００シリーズ、ＡＡ６０００シリーズ及びＡＡ８０００シリーズのアルミニウム合金のうちの一つである第１のアルミニウム合金材料から形成されているコア層であって、１種以上の金属元素が溶体中または溶体外にあり、第１のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａを超える引っ張り強さをもつように第１のアルミニウム合金材料の強度を増強し、そして５０％ＩＡＣＳ未満の電気伝導率をもつもの、及び
ｂ）表面および裏面からなる２つの表面をもつ少なくとも１枚のクラッドであって、２つの表面の片方がコア表面またはコア裏面の片面に隣接し、他方の面の少なくとも一部がもう１種のアルミニウム部品と溶融するために露出され、少なくとも１枚のクラッド層が、第２のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａ未満の引っ張り強さをもつように１重量％未満の、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｔｉ、ＶおよびＺｒからなる群から選択される１種以上の金属元素をもち、溶体中にあり、第２のアルミニウム合金材料の腐食電位がコア層の第１のアルミニウム合金材料の腐食電位より少なくとも２０ｍＶ負圧であるように腐食電位負圧度を増加する、２．５重量％までの、Ｇａ、ＩｎおよびＺｎからなる群から選択される他の金属元素の金属添加物を含み、そして５０％ＩＡＣＳを超える電気伝導率をもつ、ＡＡ１０００シリーズ及びＡＡ７０００シリーズのアルミニウム合金のうちの一つである第２のアルミニウム合金材料で形成されているもの、を含んで成る裸の熱交換機のフィン素材の材料。
【請求項１６】
少なくとも１枚のクラッド層が２枚のクラッド層を含んで成り、そこで、各クラッド層がコア層のコア表面およびコア裏面のそれぞれの面に隣接しており、クラッド層の他方の面がそれぞれ、ろう付けのために露出されている、請求項１５に記載の裸の熱交換機のフィン素材の材料。
【請求項１７】
コア材料が第１の厚さをもち、そして、少なくとも１枚のクラッド層が第２の厚さをもち、そこで、第１及び第２の合わせた厚さに対する第２の厚さの比率が約５％と４０％との間にある、請求項１５または１６に記載の裸のフィン素材。
【請求項１８】
コア材料が第１の厚さをもち、そして、少なくとも１枚のクラッド層が第２の厚さをもち、第１及び第２の合わせた厚さに対する第２の厚さの比率が約５％と４０％との間にある、請求項１６または１７に記載の裸のフィン素材。
【請求項１９】
隣接するろう付けクラッド管材料の間にろう付けされたアルミニウム合金フィン素材の材料を含む、複数のろう付けクラッドアルミニウム合金管材料を含んで成る熱交換機における、請求項１５〜１８のいずれか１項記載の裸の熱交換のフィン素材の材料である、アルミニウム合金のフィン素材の材料を含んで成る改良物。
【請求項２０】
請求項７に記載の方法により製造されたろう付け製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は改善された電気伝導率、腐食抵抗及び高い強度をもつアルミニウム合金複合材料、並びに製法及び使用法そしてとりわけ、熱交換機の応用における改善された性能のために、高い強度をもつコア材料及び、コア材料より大きい電気伝導率をもつ１枚以上のクラッド層を合わせ持つ複合材料に関する。
【０００２】
（発明の背景）
先行技術において、アルミニウム合金は熱交換機の適用のための選択すべき合金である。これらの合金は強度、軽い重量、良好な熱及び電気伝導率、ろう付け適性、腐食抵抗、及び二次成形適性のそれらの望ましい組み合わせのために選択される。
【０００３】
具体的な適用は自動車のヒーターのコア、放熱器、蒸発機、コンデンサー、帯電空気冷却器（charge air coolers）及びトランスミッション／エンジン油冷却器、を含む。特性の有効な組み合わせを必要とする一つの具体的な適用は放熱器のフィン素材である。これらの適用においては、フィン素材は放熱器の冷却媒質を運搬する重ねた管材料の間に配列される。管材料は管材料層の間の冷却媒質の流れを再誘導し、更に放熱器の流入口及び出口を含むこともできるヘッダーの間に配置される。具体的には、管はろう付け材料を含むクラッドであり、アセンブリー全体が、ろう付けフラックスを使用して制御雰囲気ろう付け［Controlled Atmosphere Braze(CAB)］法において一緒にろう付けされる。
【０００４】
熱交換機産業における傾向は、引き続いて構成部品のサイズを小型化することである。この小型化は特性及び性能に関して熱交換機の材料に新規な要求を課する。これらの要求は米国特許第５，２１７，５４７号(Ｉｓｈｉｋａｗａ等）明細書に認められる。この特許は熱交換機のためのより高い性能及び増加した小型性の要求を満たすための、より薄いゲージのフィン素材を製造する希望を明らかにしている。より薄いゲージは、より軽量の熱交換機をもたらすことができるが、特に、熱交換機が６００℃までの温度に遭遇することができる、ろう付け過程の結果として、より低い強度をもたらすことができる。これらの高温は、ろう付け期間の垂れ下がり、フィンの保全性の喪失、及び許容できないろう付け製品をもたらすことができる。
【０００５】
Ｉｓｈｉｋａｗａ等は、フィン素材の適用に具体的に使用されたアルミニウム合金の珍しい合金、すなわちＡＡ３００３により、本問題を克服することを試みている。高温変形及び垂れ下がり抵抗を与えるために、Ｉｓｈｉｋａｗａ等は具体的なレベルの鉄、ケイ素、ジルコニウム、亜鉛、錫及びインジウムとのフィン素材のためのアルミニウム合金を教示している。これらの解決策の欠点は、これらの珍しい合金の製造が困難で、それにより、フィン素材の材料の価格を著しく高価なものにすることが多いことである。
【０００６】
フィン素材の材料の厚さを減少させる、この問題に対するもう一つの明らかな解決策は、より強度なアルミニウム合金材料を使用することである。より強度な材料を使用することは増加した、垂れ下がり及び高温変形抵抗に関しては利点を提供することができるが、これらのより強度な材料は、熱交換機製造のろう付けの結果において問題がある。
【０００７】
熱交換機製造にしばしば使用されるろう付け工程は、Ｎｏｃｏｌｏｋ(R)（商品名）のフラックスを使用するＣＡＢ法である。このフラックスはカリウム及びフルオロ−アルミネートの混合物で製造された非腐食性フラックスである。フラックスはろう付け温度において、酸化物フィルムを融解、展延及び溶解することにより機能する。より強度なアルミニウム合金中に認められることが多いある合金元素、例えば、マグネシウムは、ろう付け期間に使用されるフラックスとの都合の悪い相互作用を含んで、ろう付け工程に有害であることができる。その結果、より強度なアルミニウム合金を使用することはろう付け期間の垂れ下がりの問題を解決することができるが、合金自体とろう付け工程との間の非相容性により、他の問題が起こる可能性がある。
【０００８】
先行技術におけるもう一つの問題は、熱交換機材料、例えば、フィン素材が顧客の規格に合わせるために、あるレベルの、ろう付け後引っ張り強さ及び電気伝導率をもつことが必要である。高いレベルの強度及び電気伝導率の双方を合わせもつ規格を、納得できる価格で現在入手できる材料により満たすことは困難である。高い強度をもつアルミニウム合金は低い電気伝導率をもち、これらの規格を満たすことができない。同様に、高い電気伝導率をもつアルミニウム合金はこれらの規格を満たすのには不十分な強度をもつであろう。珍しい合金は、このジレンマに一定の解決を与えることができるが、このような合金を製造するための価格が多数の製造業者にこの解決策を望ましくないものにさせる。
【０００９】
従って、前記の先行技術の解決策に対する欠点を克服する熱交換機の用途のための改良された材料を提供する必要が生じた。本発明は、高い電気伝導率のクラッド層及び低い電気伝導率のコアで製造されたアルミニウム合金複合材料を提供することによりこの必要を解決する。複合材料は高いろう付け後強度、改良されたろう付け後電気／熱伝導率、優れた腐食抵抗性、及び、ＣＡＢのようなろう付け工程におけるろう付け適性を示す。材料は熱交換機の適用のためにろう付けクラッド管材料にろう付けすることができる裸フィン素材として理想的である。
【００１０】
アルミニウムで製造された複合材料の使用はケーブルシールドへの適用を見いだした。米国特許第４，０１０，３１５号明細書（Ｍｉｌｄｎｅｒ）はアルミニウム合金の第２層に接着された実質的に純粋なアルミニウムの第１層をもつ、ケーブルシールドテープを開示している。Ｍｉｌｄｎｅｒは複合材料を開示しているが、この特許は先行技術により遭遇されたろう付けの問題には関せず、またこの特許はそれらの問題に対するどんなタイプの解決策をも暗示していない。米国特許第４，１４６，１６４号明細書（Ａｎｄｅｒｓｏｎ）及び同第５，０１１，５４７号明細書（Ｆｕｊｉｍｏｔｏ等）におけるような他の複合材料が提唱された。しかし、これらの特許は主として、ろう付けクラッド材料に関し、本発明におけるような裸フィン素材材料等には関しない。
【００１１】
（発明の要約）
熱交換機の適用への使用に理想的に適したアルミニウム合金複合体を提供することが本発明の目的である。
【００１２】
本発明のもう一つの目的は、熱交換機の適用への使用のためのアルミニウム合金複合体の製法である。
【００１３】
本発明のまた更なる目的は、アルミニウム合金材料を使用している複合材料を使用する、改良されたろう付け法である。
【００１４】
本発明の一つの他の目的は、改良された電気／熱伝導率、垂れ下がり抵抗、高い強度、優れた腐食抵抗性、及び良好なろう付け適性をもつ熱交換機材料を提供するアルミニウム合金複合体である。
【００１５】
本発明の更にもう一つの目的は、アルミニウム合金複合体としての裸フィン素材、熱交換機の一部としてのろう付けクラッド管材料上にろう付けすることができる裸フィン素材、及び本発明の複合体を使用するこのような熱交換機を製造する方法である。
【００１６】
前記の目的及び利点を満足するために、本発明はアルミニウム合金複合材料、その製法及びろう付けにおけるその使用法を提供する。複合体材料は更に、向かい合うコア表面をもつコア層を含んで成る。コア層は９９重量％未満のアルミニウム及び１重量％を超える１種以上の金属元素を含む第１のアルミニウム合金材料から形成される。１種以上の金属元素は溶体中またはその外にあってよく、第１のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａ（＝１５ｋｓｉ）を超える引っ張り強さをもつように第１のアルミニウム合金材料の強さを増加することができる。コア材料はまた、５０％ＩＡＣＳ未満の電気伝導率をもつ。
【００１７】
複合体はまた、向かい合う表面をもつ少なくとも１枚のクラッド層を含んで成り、そこで、向かい合う表面の片方が向かい合うコア表面の片方に隣接し、他方の表面の少なくとも一部が、もう1種のアルミニウム部品（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）と溶融、例えば、ろう付けのために露出されている。少なくとも１枚のクラッド層は、第２のアルミニウム合金材料が１０３．４ＭＰａ未満の引っ張り強さをもつように、１重量％未満の１種以上の金属元素を含む第２のアルミニウム合金材料で形成される。クラッド材料はまた、溶体中にあり、第２のアルミニウム合金材料の腐食電位がコア層の第１のアルミニウム合金材料の腐食電位より少なくとも２０ｍＶだけ負圧であるように腐食電位負圧度を増加する、０〜２．５重量％までの他の金属元素をもつ。クラッド層は５０％ＩＡＣＳを超える電気伝導率をもつ。
【００１８】
前記の定義に基づくと、コア層はＡＡ２０００シリーズ、ＡＡ３０００シリーズ、ＡＡ５０００シリーズ、ＡＡ６０００シリーズ、ＡＡ７０００シリーズ、及びＡＡ８０００シリーズのアルミニウム合金から成る群から選択される第１のアルミニウム合金材料から形成することができる。少なくとも１枚のクラッド層はＡＡ１０００シリーズ、ＡＡ７０００シリーズ及びＡＡ８０００シリーズのアルミニウム合金から成る群から選択される第２のアルミニウム合金材料で形成することができる。前記のように、クラッド層は１０３．４ＭＰａ未満の引っ張り強さ及び高まった腐食抵抗性のためにコア層より少なくとも約２０ｍＶ負圧の腐食電位をもたなければならない。
【００１９】
好ましい態様においては、コア層はＡＡ３０００シリーズ、ＡＡ６０００シリーズ及びＡＡ８０００シリーズのアルミニウム合金のうちの１種で形成され、クラッド層はＡＡ１０００シリーズ及びＡＡ７０００シリーズのアルミニウム合金のうちの１種で形成される。その少なくとも１枚のクラッド層は２枚のクラッド層を含んで成ることができ、そこで、各クラッド層がコア層のそれぞれの向かい合う表面に隣接する。より好ましくは、コア層はＡＡ３０００タイプのアルミニウム合金であり、クラッド層はＡＡ１０００タイプのアルミニウム合金である。好ましくは、コア層の引っ張り強さは１３８ＭＰａより大きい。クラッド層の腐食電位は好ましくは、コア層より少なくとも５０ｍＶ負圧である。
【００２０】
複合体材料は、フィン素材のためのシート、管材料、等を含むどんな形状をも採ることができる。好ましくは、各クラッド層の厚さは、１枚のクラッド層を使用する時は、複合体の厚さ全体の約５％と４０％の間にあり、一対のクラッド層を使用する場合は厚さ全体の約２．５％と２０％の間にある。
【００２１】
本発明はまた、本発明の複合材料を使用するろう付け法を含む。この態様においては、複合材料の１枚または複数のクラッド層が１種以上のアルミニウム合金の部品に接合されて、熱交換機のようなろう付け製品を形成する。ろう付け法は制御雰囲気及び特別のフラックスを利用するもの、真空ろう付け、等を含むあらゆる通常のタイプであることができる。
【００２２】
本発明はまた、２種の材料を一緒に付着（ａｄｈｅｒｉｎｇ）、層状化、接着（ｂｏｎｄｉｎｇ）または接合（ｊｏｉｎｉｎｇ）することによる、複合材料を製造する方法を含む。複合材料は、連続的鋳造のみ、連続的鋳造及び加工、並びにインゴット鋳造及び加工、のいずれかにより形成された、ロール接着シートまたはストリップ材料により形成することができ、そこで、これらの処理がまた、必要な熱処理／アニール段階を含む。１層をもう1層に付着または適用する、他の製法もまた、使用することができる。これらの方法の例は、溶融物または固体材料をコア材料等の基材上に噴霧することを含む。
【００２３】
本発明はまた、ろう付け法の結果として製品のもう一つの部品の一部に接合される、より高い電気伝導率のクラッド層をもつそれらの部品として、複合材料をもつ、ろう付け製品を包含する。
【００２４】
好ましい態様において、本発明の複合材料はろう付けクラッド管材料にろう付けされるようになっている熱交換機の裸フィン素材である。本発明の複合体の特性は、極めて軽量のゲージのフィン素材及び管材料を必要とする熱交換機の適用のための厳格な規格に合わせるために腐食提供性、強度、及び電気伝導率を合わせもつ。
【００２５】
次に、本発明の図を参照する。
【００２６】
（好ましい態様の説明）
本発明は、改良されたろう付け適性、熱伝導率、優れた腐食抵抗性、及び高い全体の電気伝導率のための複合材料として、高い電気伝導率及び比較的低い強度のアルミニウム合金を、より低い電気伝導率及びより高い強度のアルミニウム合金と一緒に組み合わせることによる、アルミニウム合金のろう付けの分野に著しい進歩をもたらす。高い電気伝導率をもつ材料は、より低い電気伝導率のコア材料層の少なくとも片表面を覆うかまたはそれに隣接するクラッド層である。クラッド材料の電気伝導率は５０％ＩＡＣＳより大きく、より高い強度をもつコア層材料の電気伝導率は５０％ＩＡＣＳより小さい。クラッド層とコア層を合わせることにより、高温変形及び垂れ下がりに対する改良された抵抗性のためのより高い強度をもつ材料の特質を利用する複合材料が形成される。同時に、ろう付け法はろう付け工程の変数と高い強度のコアのアルミニウム合金材料の合金含量との間の不相容性により、妥協されない。クラッド材料として、より好ましいレベルの電気伝導率は約５５％ＩＡＣＳより大きい。
【００２７】
高い強度をもつ低い電気伝導率のコア層は、純粋なアルミニウムに対して添加された金属添加物に関して定義することができる。これらの高い強度のコア材料は、それらに限定はされないが、有意な量の、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、及びＺｎのような金属元素添加物を含むものと定義することができる。これらの添加物は個別にでもまたは組み合わせても、合金の純度レベルが９９重量％未満のアルミニウムであるように、溶体中そして溶体外にある時に、合金の強さを増加する。言い換えると、コア材料は、１重量％を超えるこれらの１種以上の金属元素を含んで、引っ張り強さが１０３．４ＭＰａを超えるような強度の増加に寄与する。
【００２８】
同様にして、低い強度の、高い電気伝導率のクラッド材料は概括的に９９重量％を超えるアルミニウムの純度レベルをもつ、合金と定義される。しかし、クラッド層は、合金の腐食電位をより高貴でない（否定的）ものにさせ、電気伝導率を有意には減少しないように溶体中に維持される元素０〜２．５重量％の金属添加物を含むことができる。これらの元素の例はＧａ、Ｉｎ、及びＺｎを含む。すなわち、クラッド層はコア層中に認められた強化元素を１重量％未満を含むが、通常、溶体中に存在し、クラッド層の腐食電位をより負圧に、好ましくは、コア層より２０ｍＶだけ更に負圧にさせる金属元素を２．５重量％まで含むことができる。コア層中に認められた増強金属元素を伴わない場合には、クラッド層の引っ張り強さは１０３．４ＭＰａ未満である。
【００２９】
本発明の複合合金はコアの電気伝導率より少なくとも２％ＩＡＣＳ大きい、ろう付け後電気伝導率を提供する。複合体のろう付け後の強度の減少はコア合金のろう付け後強度の２０％未満である。複合体は以下に関して定義することができる。
【００３０】
Ａ＝コアのろう付け後の引っ張り強さ、
Ｂ＝コアの電気伝導率、
Ｃ＝複合体のろう付け後引っ張り強さ、
Ｄ＝複合体の電気伝導率、ここで、
Ｄ−Ｂ＞２％ＩＡＣＳ、そしてＡ−Ｃ／Ｃ×１００＜２０％。
【００３１】
前記の定義に基づいて、高い電気伝導率のクラッド材料はアルミニウム会合アルミニウム合金シリーズＡＡ１０００、ＡＡ７０００、及びＡＡ８０００の群から選択することができる。高い強さの、低い電気伝導率のコア材料は、もちろん、選択された各合金が明記された電気伝導率をもつと仮定して、ＡＡ２０００、ＡＡ３０００、ＡＡ５０００、ＡＡ６０００、ＡＡ７０００、及びＡＡ８０００シリーズのアルミニウム合金の群から選択することができる。より好ましい合金はクラッド材料に対してはＡＡ１０００及びＡＡ７０００シリーズの合金を含み、コア材料に対してはＡＡ３０００、ＡＡ６０００、及びＡＡ８０００シリーズのアルミニウム合金を含む。更にもっと好ましい合金はクラッド材料に対してはＡＡ１０００であり、コア材料に対してはＡＡ３０００またはＡＡ６０００シリーズいずれかの合金である。コア層の具体的な例はＡＡ３００３及びＡＡ６０６１を含む。
【００３２】
コア及びクラッド層材料を区別するために前記の電気伝導率と関連して機械的特性を使用することもできる。コア層は１０３．４ＭＰａを超える引っ張り強さをもたなければならず、クラッド層は１０３．４ＭＰａ未満の引っ張り強さをもたなければならない。ある適用に対しては、最少の強度値、例えば、約１３８ＭＰａを超える引っ張り強さをもつ合金は、少なくとも１０３．４ＭＰａの引っ張り強さをもつものよりコア層としての使用により好ましい。
【００３３】
増加した腐食抵抗性のためには、クラッド層の腐食電位はコア層より少なくとも２０ｍＶだけより負圧、好ましくは、コア層より５０ｍＶだけより負圧でなければならない。以下に示されるように、この腐食電位差を調節することは複合材料の腐食抵抗性を著しく改善し、それによりそれを熱交換機における使用に理想的にさせる。
【００３４】
アルミニウム会合の様々なシリーズにおける合金の選択は、前記のような複合体のコア及びクラッド層の引っ張り強さ、所望の電気伝導率、及び腐食電位を反映することを理解しなければならない。本発明に適した合金はある種の合金に対して、与えられた規格の範疇に入るであろう組成物、例えば、コアに対してＡＡ３００３を含むことができるか、または、強度、腐食電位及び強度の指針が満たされると仮定して、２種以上の合金の組成物混成物、例えば、ＡＡ３０００、ＡＡ７０００、及びＡＡ８０００シリーズの合金の特徴をもつことができる組成物、であることができる。
【００３５】
一つの使用においては、本発明の複合体は熱交換機のろう付けクラッド管材料との使用のための裸の熱交換機フィン素材として理想的に適している。裸フィン素材は、ろう付け後の電気伝導率、腐食抵抗性、及び強度の優れた組み合わせをまだ示しながら、ろう付けクラッド管材料にろう付けすることができる。この組み合わせにより、先行技術のフィン素材の材料がゲージ小型化の結果として直面することができるフィンの保全性及び／または管の強度の喪失が排除または減少される。従って、フィン素材は、熱交換機が自動車または他の機械に使用されている時に遭遇する、一定の熱及び圧力の循環による、故障する傾向が少ない。他の先行技術のフィン素材はこれらのタイプの適用に対する強度の要求を満たすことができるが、これらの先行技術の材料は熱交換のために必要な電気伝導率が欠けており、本発明の複合体のように熱交換機としての使用には適さない。
【００３６】
図１は参照番号１０により表した本発明の複合体の一態様を示す。複合体は向かい合う表面３及び５をもつコア層１を含む。１枚のクラッド層７はコア層１の表面５に隣接するその片方の表面９とともに示されている。クラッド層の表面９がコアと隣接しているので、向かい合う層１１はろう付け操作による、もう１種の部品への取り付けのために裸であるかまたは露出されている。図１の態様においては、クラッド層の厚さは複合体全体の厚さ、すなわちコアとクラッド層（厚さまたはクラッド比）の合わせた厚さの５〜４０％であることができる。全体の厚さは複合材料の具体的な適用に応じて変動することができる。例えば、フィン素材に対して、シートの厚さは０．０５ｍｍ（０．００２インチ）と０．０１５ｍｍ（０．００６インチ）の間を変動することができる。管材料のような他の部品の形状は他の厚さの範囲をもつことができる。例えば、管材料のシートの厚さは０．０２０３ｍｍ（０．００８インチ）であることができる。
【００３７】
図２は、コアの表面３及び５がそれぞれクラッド層７に隣接している代替的態様２０を示す。この態様においては、各クラッド層の厚さ比率は複合体２０の全体の厚さの約２．５％と２０％の間の好ましい範囲にある。
【００３８】
図１及び２において、コア層１は、一枚または複数のクラッド層7に隣接しているように描かれている。隣接は、描かれた複合体構造物を形成するための、コア層／材料にクラッド層／材料を接着、層状化または接合するすべての既知の方法を包含することが意図される。層状化の用語はコア材料及びクラッド材料から複合材料を形成するために必要な段階を包含することが意図される。このような層状化の例は、既存の層を一緒に取り付けるためにローリング力を利用するロール接着を含む。層状化の他の形態は、複合体構造物を形成するために各層が鋳造または鋳造して加工される連続的鋳造を含むことができる。例えば、熱噴霧、アーク噴霧、粉末噴霧のような、液体及び／または固体の金属付着技術に利用可能な一層が形成され、もう一層がその上に形成される方法も使用することができる。一層から出発する時に、その一層は通常のインゴットまたは連続鋳造法並びに通常の熱及び／または冷ローリング法を使用して形成することができる。その時クラッド材料をその上に適用して複合体を形成する。
【００３９】
図３はもう１種のアルミニウム合金部品１５にろう付けされた図１の複合体１０を示す。部品は所望の場合はろう付けクラッドであることができる。この図において、ろう付け部分は参照数字１７により表される。ろう付け法はＣＡＢ及び真空ろう付けを含むあらゆる通常のろう付け法であることができる。好ましい方法は、ろう付けが非大気条件下、例えば、乾燥窒素雰囲気下で、実施される制御雰囲気ろう付け法である。これらのＣＡＢ法はアルミニウム材料を接合するために一般に使用され、有効なろう付け接合体を形成するために高温、例えば、６００℃を使用する。これらのタイプのろう付け法の期間中、ろう付け法を容易にするためにフラックスを使用する。一つのこのようなフラックスはろう付けされる材料と否定的に相互作用することができるＮｏｃｏｌｏｋ(R)フラックスである。本発明の複合材料を使用することにより、高い強度のアルミニウム合金に典型的に認められる合金元素がフラックスから分離される。その結果、ろう付け工程に否定的に影響を与えずに、高い強度のアルミニウム合金をろう付け製品の部品として使用することができる。より具体的には、図３のクラッド層７は、それを伴わない場合は、フラックスとの相互作用によりろう付け工程を劣化するであろうコアの合金元素に対する拡散バリヤーとして働く。
【００４０】
クラッド層７はまた、それを伴わない場合は、コア層１に浸透するであろう溶融ろう付け材料１３に対する拡散バリヤーとして働く。コア相互中へのろう付け材料１３の浸透の深度及び／または量を減少することは、ろう付け製品の高温垂れ下がり及び溶融物の特性を改善する。従って、クラッド層は、それがコア層を包含するかまたはその片表面上にのみ適用されるかにかかわらず、二重の拡散バリヤーの機能の役目を果たす。
【００４１】
図１〜３の解釈はシートまたはストリップ形態の様々な層を示す。しかし、複合材料はあらゆる形態、腐食フィン素材、管材料、ヘッダー、またはろう付けのために採用されるであろうすべての他の形態にすることができる。
【００４２】
図４において、複合材料は腐食された裸のフィン素材シート４０として形成され、そこで、フィン素材がコア層１及び、露出され、ろう付けの準備ができたクラッド層７を含む。露出されたクラッド層７は、ＣＡＢのようなろう付け法を使用して、コア３５上にろう付けクラッド層３３をもつ、ろう付けクラッド管３１にろう付けされる。ろう付け部分４１及び４３はフィン素材４０のクラッド層７とろう付けクラッド３３を融合させる。
【００４３】
図示されていないが、管材料３１及びフィン素材３０は当該技術分野で知られている熱交換機の一部であり、例えば、引用により本明細書中に取り込まれている米国特許第５，１４８，８６２号を参照されたい。この構成物は周知であるので、本発明の理解のために更なる説明は必要と思われない。
【００４４】
図４は裸のフィン素材として本発明の図２の態様を示すが、そこで、唯一のクラッド層７をもつ腐食した裸のフィン素材も同様に、ろう付けクラッド材料にろう付けすることができるであろう。
【００４５】
本発明の複合体と関連した予期されなかった改善を示すために、高い強度の材料及び本発明に従う様々な材料の比較を実施した。一つの試験において、高い強度の材料はＡＡ３０００シリーズのアルミニウム合金材料に類似しており、本発明の複合体はこの高い強度の材料をコア層、Ｘ３として、そしてＡＡ１１００材料をクラッド層として使用している。もう一つのシリーズの試験においては、高い強度の材料はＡＡ３０００及びＡＡ７０００シリーズの合金並びに前記のコア及びクラッド材料の定義に合う組成物を含んだ。材料の化学組成は表１に示す。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
他のシリーズの試験において、４種の材料を研究に使用し、一つは非クラッドのコアＡであった。他の３種の材料は以下のクラッド材料であった、
１）両表面にＡＡ１１００をもつコアＡクラッド、クラッド比率は１０％であった（クラッド比率はクラッドの厚さ割る、複合体全体の厚さである）、
２）１５％のクラッド比率で両表面にＡＡ１１００をもつコアＡクラッド、及び
３）３０％のクラッド比率で片表面にＡＡ１１００をもつコアＡ層のクラッド。
【００４８】
材料はコア層に対しては実験室で鋳造されたＤＣインゴット材料そして、クラッド層に対しては生産鋳造のＤＣインゴットを使用して製造された。コア材料及びクラッド用インゴットは適した接着ゲージに熱間圧延され、複合体はステンレス鋼のワイヤを使用して集成された。複合体は４８２℃に再加熱し、熱間圧延して、クラッド材料をコア材料に接着させた。複合体のホットラインの出口のゲージは８．８９ｍｍであった。複合体は０．２５４ｍｍの中間アニールゲージに冷間圧延され、３９９℃で２時間バッチアニールされた。次に複合体を０．１７８ｍｍのゲージに３０％の最終冷却収縮させて、−Ｈ１Ｘ焼き戻しフィン材料を製造した。複合体及び同様な−Ｈ１Ｘ焼き戻し実施に従って加工された非クラッドＸ３合金のフィン素材のサンプルは５９３℃でシミュレートろう付けサイクルを与えられ、機械的特性及び電気伝導率評価に提出された。これらの評価の結果は表２に示される。この表から明らかなように、本発明の複合体はより高い強度及び非クラッド材料に比して著しく改善された電気伝導率を示し、従って、ろう付け可能な熱交換機の材料としてそれを理想的な候補物にさせる。４１．０％のＩＡＣＳから４３．０及び４４．０％ＩＡＣＳの一方へのろう付け後の電気伝導率の増加は、電気伝導率のこのような増加は熱伝導率が改善され、それにより熱交換率を高めることを示すので、重要なものである。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
もう一つの試験のシリーズを表１からの他の材料を使用して、コアＡ及びＡＡ１１００について前記の実験法に従い実施した。表３はＡＡ１１００、クラッドＸ及びＢ、及びコアＢ〜Ｅのろう付け後の引っ張り及び伝導率の値並びに、様々な材料が前記のようなコア及びクラッド層の定義といかに関連するかを示す。表３はクラッド材料が１０３．４ＭＰａ未満の引っ張り強さ及び、５０％ＩＡＣＳを超える電気伝導率をもち、他方コア合金はすべて１０３．４ＭＰａの引っ張り強さを超え、５０％ＩＡＣＳ未満の伝導率をもつことを示す。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
表４は本発明の複合体に形成された時のクラッド及びコア層の引っ張り及び伝導率を示す。この表から明らかなように、ろう付け後の複合体は優れた電気伝導率を強度と組合わせ、それにより、それを、良好な伝導率と強度の要求が必要な用途、例えば、熱交換機への使用のための裸のフィン素材に非常に望ましいものにする。
【００５３】
前記のように、腐食抵抗性は熱交換機の材料の必要な特性である。表５は試験された材料の腐食電位を示し、図５はＳＷＡＡＴ試験における腐食動態をグラフで表す。ＡＳＴＭ  Ｇ８５に従うこのタイプの試験は周知であるので、実際の試験の詳細の更なる説明は試験結果の理解のために必要とは考えられない。
【００５４】
【表４】
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【００５５】
【表５】
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【００５６】
表５は材料ＡＡ１１００、クラッドＸ及びクラッドＹがすべて、コアＢ〜Ｅの１種より少なくとも２０ｍＶだけ負圧であるであろう電位をもつことを示す。コアＡの高い腐食電位はその高い亜鉛含量に起因することができ、コアＡ上のＡＡ１１００クラッドの腐食性はコアＡ自体よりいくらか良いことは期待されないであろう。
【００５７】
しかし、コア材料よりも少なくとも２０ｍＶだけより負圧であるようにクラッド層の電位を制御することにより、有意な腐食抵抗性を達成することができる。図５においては、ＳＷＡＡＴ腐食抵抗時間を裸のコア材料及び、幾つかは本発明に従う複合材料を含む、様々な材料に対してプロットされている。クラッドを伴わない裸のコア材料ＡＡ３００３、ＡＡ７０１３、及びコアＢ〜Ｅは著しい腐食抵抗性は示さなかった。コアＣ上の複合材料のクラッドＹ並びにコアＤ上のクラッドＸ及びＹはすべて非クラッドのコアＤまたはＥに比較して著しい腐食抵抗性を示す。本発明に従う複合材料はまた、先行技術の合金ＡＡ３００３及びＡＡ７０１３に比較して極めて改善された腐食抵抗性を示す。
【００５８】
複合材料はまた、改善されたろう付け製品を生産するために、珍しいまたは特別な合金元素及び方法を必要としない点で有利である。実際、複合体製造のためのコア材料及びクラッド材料の双方として標準の合金を電気伝導率の特性に基づいて使用することができる。従って、合金をより経済的に製造することができ、このような節約がまた、ろう付け製品の低下された価格を反映する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の態様を示す。
【図２】  本発明の第２の態様を示す。
【図３】  ろう付け製品を形成するためにもう一つの部品に接着された図１の態様を示す。
【図４】  熱交換機への適用のためのろう付けクラッド管にろう付けされたフィン素材としての図２の本発明の複合体を示す。
【図５】  様々な材料に対するＳＷＡＡＴ腐食試験の結果を比較するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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