(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ：２．０乃至３．０質量％及びＳｉ：０．５乃至１．５質量％を含有し、Ｔｉ含有量が０．０５質量％以下に規制され、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、母相に対する第２相粒子が存在し、粒径が５μｍ以下の第２相粒子の密度が５×１０６個／ｍｍ２以上であることを特徴とする高強度高熱伝導アルミニウム合金材。
【請求項２】
更にＣｕ：０．７質量％以下及びＭｎ：０．５質量％以下からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度高熱伝導アルミニウム合金材。
【請求項３】
更にＮｉ：１．０質量％以下を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高強度高熱伝導アルミニウム合金材。
【請求項４】
更にＺｒ：０．２質量％以下を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高強度高熱伝導アルミニウム合金材。
【請求項５】
更にＺｎ：３質量％以下を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高強度高熱伝導アルミニウム合金材。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高強度高熱伝導アルミニウム合金材により成形されたものであることを特徴とする熱交換器用フィン材。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の組成を有する高強度高熱伝導アルミニウム合金材の溶湯を１℃／秒以上の冷却速度で鋳造することを特徴とする高強度高熱伝導アルミニウム合金材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばろう付けにより製造される自動車用の熱交換器であるラジエータ、ヒータ、コンデンサ及びエバポレータ等のフィン材として使用するのに好適の高強度高熱伝導アルミニウム合金材、熱交換器用フィン材及びアルミニウム合金材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の熱交換器、例えばラジエータは、アルミニウム合金製の偏平チューブとコルゲート成形されたフィン材とを交互に重ね合わせ、これらを一体的にろう付けすることにより製造される。また、近時、地球環境保護の観点から、熱交換器も軽量化、高性能化及び小型化が要求される方向にあり、熱交換器に使用される材料についても薄肉化が推進されている。また、フィン材には、高強度高熱伝導性が要求されている。
【０００３】
従来、高強度アルミニウム合金製フィン材としては、Ａｌ−Ｍｎ系合金材及びＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系合金材が提案されている。しかし、これらのアルミニウム合金材におけるＭｎの固溶度が高く、Ｍｎは導電率を大きく低下させるので、アルミニウム合金材の熱伝導性が低くなる。このため、断面積を大きくして導電性を確保する必要があり、薄肉化には限界がある。そこで、熱伝導性を向上させるため、Ｍｎを含まないＡｌ−Ｆｅ系合金材及びＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金材が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のＡｌ−Ｆｅ系合金材及びＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金材の強度は低く、これらの合金材を使用しながら要求される強度を得るためには所定の板厚が必要であり、薄肉化には限界があるという問題点がある。このように、強度及び熱伝導性について要求する性能を満足するフィン材においては、その作製が困難であるという問題点がある。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、強度及び熱伝導性が共に優れた高強度高熱伝導アルミニウム合金材、熱交換器用フィン材及びアルミニウム合金材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高強度高熱伝導アルミニウム合金材は、Ｆｅ：２．０乃至３．０質量％及びＳｉ：０．５乃至１．５質量％を含有し、Ｔｉ含有量が０．０５質量％以下に規制され、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、母相に対する第２相粒子が存在し、粒径が５μｍ以下の第２相粒子の密度が５×１０６個／ｍｍ２以上であることを特徴とする。
【０００７】
本発明においては、アルミニウム合金材の強度向上に寄与するＦｅ及びＳｉの含有量を適正な値に規定しているので、熱伝導性を阻害することなく高い強度を得ることが可能である。また、Ｔｉの含有量を適正に規制しているので、熱伝導性の低下を効果的に抑制することが可能である。
【０００８】
本発明においては、更にＣｕ：０．７質量％以下及びＭｎ：０．５質量％以下からなる群から選択された少なくとも１種の元素を含有することが好ましい。また、Ｎｉ：１．０質量％以下を含有することが好ましい。更に、Ｚｒ：０．２質量％以下を含有することが好ましい。更にまた、Ｚｎ：３質量％以下を含有することが好ましい。
【０００９】
本発明に係る熱交換器用フィン材は、前述のいずれかの高強度高熱伝導アルミニウム合金材により成形されたものであることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る高強度高熱伝導アルミニウム合金材の製造方法は、前述のいずれかの組成を有する高強度高熱伝導度アルミニウム合金材の溶湯を１℃／秒以上の冷却速度で鋳造することを特徴とする。
【００１１】
このような冷却速度で鋳造することにより、第２相粒子の粒径を小さくし、かつその量を多く、例えば５×１０６個／ｍｍ２以上にできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本願発明者等がＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金材の組成、組織及び製造方法について鋭意実験・研究した結果、Ｓｉ及びＦｅの含有量を適切に規定すると共に、Ｔｉの含有量を規制することにより、高強度及び高熱伝導性の両立を図ることができることを見出した。また、本願発明者等は、更にＺｒの含有量を規制し、Ｍｎ及びＣｕの含有量を適切に規定することにより、より一層高い強度及び熱伝導性を得ることができることを見出した。
【００１３】
更に、本発明に係るアルミニウム合金材を製造する場合、鋳造時の冷却速度を１℃／秒以上とすることにより、第２相粒子の粒径を小さくし、かつその量を多く、例えば５×１０６個／ｍｍ２以上にできることを知見した。
【００１４】
本発明のアルミニウム合金材は、例えば自動車熱交換器用フィン材に適用することができる。これにより、強度及び熱伝導性が優れた自動車熱交換器を得ることができる。
【００１５】
以下、本発明の高強度高熱伝導アルミニウム合金材の組成及びその製造方法の数値限定理由について説明する。
【００１６】
Ｓｉ：０．５乃至１．５質量％
Ｓｉはアルミニウム合金材を固溶強化しその強度を向上させる。Ｓｉの含有量が０．５質量％未満では、十分な強度が得られない。一方、Ｓｉの含有量が１．５質量％を超えると、ろう付け加熱時にろう材による浸食が大きくなってろう付け性が低下する。また、Ｓｉの添加により導電性が低下するので、強度と熱伝導性との釣り合いをとってＳｉの添加量を抑える必要がある。従って、Ｓｉの含有量は０．５乃至１．５質量％とする。
【００１７】
Ｆｅ：２．０乃至３．０質量％
Ｆｅが添加されると、その一部は固溶強化に寄与し、残部は金属間化合物として存在して分散強化に寄与する。つまり、Ｓｉ及び／又はＮｉが母相に含有されていると、ＦｅはＳｉ及び／又はＮｉと共に金属間化合物を形成し、この金属間化合物が母相に対する第２相粒子として存在して分散強化に寄与する。このようにして、Ｆｅを添加することにより強度を向上させることができる。Ｆｅの含有量が２．０質量％未満では、十分な強度を得ることができない。一方、Ｆｅの含有量が３．０質量％を超えると、鋳造性及び素材の加工性が低下する。また、Ｆｅの添加により熱伝導性が低下するので、強度と熱伝導性との釣り合いをとってＦｅの含有量を抑える必要がある。従って、Ｆｅの含有量は２．０乃至３．０質量％とする。
【００１８】
Ｔｉ：０．０５質量％以下に規制
Ｔｉは不純物元素としてアルミニウム合金材中に存在する。また、鋳造性を向上させるために鋳造時に微量のＴｉをすることもあり、アルミニウム合金材の耐食性を向上させるために微量のＴｉを添加することもある。しかし、Ｔｉはアルミニウム合金材の熱伝導性を著しく低下させ、Ｔｉの含有量が０．０５質量％を超えると顕著に熱伝導性が低下させることが分かった。従って、Ｔｉの含有量は０．０５質量％以下に規制し、０．０１質量％以下に規制されていることが好ましい。
【００１９】
Ｃｕ：０．７質量％以下
ＣｕはＳｉと同様にアルミニウム合金中に固溶強化してその強度を向上させる。一方、Ｃｕの添加量が増加するのに伴って導電率が低下する。また、電位も貴となり、素材の犠牲陽極効果が低下する。Ｃｕの含有量が０．７質量％を超えると、顕著に導電率及び犠牲陽極効果が低下する。従って、Ｃｕの含有量は０．７質量％未満とすることが好ましい。
【００２０】
Ｍｎ：０．５質量％以下
ＣｕはＳｉ及びＣｕと同様にアルミニウム合金中に固溶強化してその強度を向上させる。一方、Ｃｕの添加量が増加するのに伴って導電率が低下する。また、電位も貴となり、素材の犠牲陽極効果が低下する。Ｍｎの含有量が０．５質量％を超えると、顕著に導電率及び犠牲陽極効果が低下する。従って、Ｍｎの含有量は０．５質量％未満とすることが好ましい。
【００２１】
Ｎｉ：１．０質量％以下
Ｎｉが添加されると、Ｆｅと同様に、その一部は固溶強化に寄与し、残部はＦｅと共に金属間化合物を形成し、この金属間化合物が母相に対する第２相粒子として存在して分散強化に寄与する。このようにして、Ｎｉを添加することにより強度を向上させることができる。しかし、Ｎｉの含有量が１．０質量％を超えると、強度を向上させる効果が飽和するので、それ以上のＮｉの添加はコストが嵩み不経済である。また、Ｎｉの添加により熱伝導性が低下するので、強度と熱伝導性との釣り合いをとってＮｉの含有量を抑える必要がある。従って、Ｎｉの含有量は１．０質量％以下とすることが好ましい。
【００２２】
Ｚｒ：０．２質量％以下
Ｚｒは、ろう付け時の再結晶粒を粗大化させる効果を有し、フィン材のろう材による浸食を抑制してろう付け性を向上させる。ろう付け性を向上させる効果は、Ｚｒの添加量が微量であっても発揮され、Ｚｒの含有量が０．２質量％を超えると、ろう付け性を向上させる効果が飽和する。また、Ｚｒの添加により熱伝導性が低下するため、ろう付け性と熱伝導性との釣り合いをとってＺｒの添加量を抑える必要がある。従って、Ｚｒの含有量は０．２質量％以下とすることが好ましい。
【００２３】
第２相粒子の密度：５×１０６個／ｍｍ２以上
主に、Ａｌ−Ｆｅ系合金からなる第２相粒子のうちで分散強化の効果を奏するものは、第２相粒子の粒径が比較的小さいものだけである。本発明においては、粒径が５μｍ以下のものが分散強化に寄与する。第２相粒子の密度が５×１０６個／ｍｍ２未満であると、分散強化の効果が小さい。従って、第２相粒子の密度は５×１０６個／ｍｍ２以上であることが好ましい。
【００２４】
鋳造時の冷却速度：１℃／秒以上
本発明のアルミニウム合金材においては、鋳造時の冷却速度が速ければ速いほど第２相粒子の粒径を小さくすることができ、かつ第２相粒子の密度を高くすることができる。鋳造時の冷却速度が１℃／秒未満の場合、分散強化に寄与しない５μｍ以上の第２相粒子が多くなりやすい。一方、鋳造時の冷却速度が１℃／秒以上であると、第２相粒子の粒径の大半が５μｍ以下となり、かつ粒径が５μｍ以下の第２相粒子の密度が５×１０６個／ｍｍ２以上となる。従って、鋳造時の冷却速度は１℃／秒以上とする。
【００２５】
なお、本発明のアルミニウム合金材は単体の素材として使用することができ、また、フィン材をブレージングシートにより成形した場合は、そのブレージングシートの心材として使用することもできる。ブレージングシートの心材として使用する場合、ろう材としては、例えば従来使用されているＡｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ（Ｂｉ）系のろう材をそのまま使用することができる。更に、ろう付け方法として真空ろう付けを適用する場合、上述の元素の他に、Ｍｇを添加することができる。Ｍｇの添加は強度を向上させることに有効である。この場合、Ｍｇの添加量は０．５乃至２．０質量％であることが好ましい。Ｍｇの含有量が０．５質量％未満の場合、真空ろう付け中にＭｇがフィン材から蒸発し、強度を向上させる効果が小さくなる。一方、Ｍｇの含有量が１．５質量％を超えると、真空ろう付け中にＭｇの蒸発量が多くなるので、真空炉のメンテナンス回数が多くなりコストが嵩む。
【００２６】
また、Ｍｇ以外の元素として、フィン材の犠牲陽極効果を向上させるため、フィン材の電位を卑にするＺｎ等の元素を添加してもよい。この場合、Ｚｎの添加量は３質量％以下であることが好ましい。Ｚｎの添加量が３質量％を超えると、フィン材の自己腐食性が大きくなり、その消耗速度が速くなる。また、フィン材の加工性が低下するので好ましくない。更に、フィン材の電位を卑にする元素としてＳｎ及び／又はＩｎ等を通常使用されている範囲内で添加してもよい。
【００２７】
【実施例】
以下、アルミニウム合金材を使用してフィン材を製造し、本発明の範囲に入る実施例について、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【００２８】
第１試験例
下記表１に示す組成の高強度高熱伝導アルミニウム合金を使用して、通常の方法により、鋳造、均質化熱処理及び圧延を施し、フィン材を製造した。なお、このフィン材は板厚が０．０７ｍｍであり、Ｈ１４に調質されている。
【００２９】
次に、このフィン材を窒素雰囲気（酸素濃度：１００質量ｐｐｍ以下）中に温度を６００℃として２分間保持することにより、ろう付け加熱を行なった。その後、強度、熱伝導性及びろう付け性を評価した。
【００３０】
強度の評価では、各フィン材からＪＩＳ−５号試験片を採取し、引張試験して引張強度を測定し、これを評価した。
【００３１】
熱伝導性の評価では、各フィン材の電気抵抗を４端子法で測定した後、これを導電率に換算し、これを評価した。なお、導電率は標準軟銅（ＩＡＣＳ：International Annealed Copper Standard（比抵抗：１．７２４１μΩ・cm、２０℃））の導電率を１００としたときの値である。
【００３２】
図１は熱交換器のコアを示す模式的斜視図である。コアはフィン材１が１対のプレート２に挟まれて接合されてなるものである。なお、フィン材１の板厚は０．０７ｍｍであり、フィン高さは９ｍｍ、山数は１０、フィンピッチは３ｍｍ、フィンの幅は２０ｍｍである。プレート材２は、ＪＩＳ  ３００３Ａｌ合金材を心材とし接合面となる面にＪＩＳ  ４０４５ろう材を１０％クラッドした板材である。その板厚は０．３ｍｍであり、幅は３０ｍｍ、長さは４０ｍｍである。
【００３３】
ろう付け性の評価は、次の手順で行った。先ず、各フィン材１について、フィン材１及びプレート材２に市販のＫＦ−ＡｌＦ系フラックスを３ｇ／ｍ２塗布した後、これを乾燥させた。次に、フィン材１を１対のプレート材２で挟み、窒素雰囲気（酸素濃度：１００質量ｐｐｍ以下）中に６００℃の温度で２分間保持してろう付け加熱を行い、図１に示すコアを作製した。そして、フィン材１とプレート材２との接合部におけるフィン材１へのろうの浸食状態及び座屈状況を観察し、これらを評価した。ろう付け性の評価では、浸食及び座屈がないものを◎、浸食が一部あり座屈がないものを○、浸食及び座屈が発生したものを×とした。これらの結果を表２に示す。
【００３４】
【表１】
0003850672.tif 000002
【００３５】
【表２】
0003850672.tif 000003
【００３６】
上記表２に示すように、本発明範囲内にある実施例Ｎｏ．１乃至１７においては、強度及び導電率が高く、ろう付け性が良好であった。引張強度が高いものは導電率が若干低く、導電率が高いものは若干低い傾向にあるが、引張強度の最低値は１１３ＭＰａ、導電率の最低値は５２％ＩＡＣＳで強度及び導電率の双方が満足できるものであった。また、Ｚｒが添加された実施例Ｎｏ．１６及び１７においては、実施例Ｎｏ．１乃至１７の中でもろう付け性が特に良好であった。
【００３７】
一方、比較例Ｎｏ．３０では、Ｓｉの含有量が本発明範囲の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例Ｎｏ．３１では、Ｓｉの含有量が本発明範囲の上限値を超えているため、ろう付け後にフィン材が溶損し座屈してしまい、良好な形状のコアを製作することができなかった。比較例Ｎｏ．３２では、Ｆｅの含有量が本発明範囲の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例Ｎｏ．３３では、Ｆｅの含有量が本発明範囲の上限値を超えているため、鋳造不良により、正常なフィン材を製作することができなかった。比較例Ｎｏ．３４乃至３６では、夫々Ｔｉ、Ｃｕ、Ｍｎの含有量が本発明範囲の上限値を超えているため、導電率が低かった。
【００３８】
第２試験例
上記表１に示すアルミニウム合金のうち、合金Ｎｏ．１、１１、１４及び１７について、鋳造速度及び冷却水量等を変化させて、第２相粒子の存在状態が異なるフィン材を作製した。そして、前述の第１試験例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これらを評価した。この結果を表３に示す。なお、表３に示す第２相粒子の密度は、走査電子顕微鏡で撮影した写真から粒子径が５μｍ以下の粒子を画像処理装置を使用して抽出し、その密度を求めたものである
【００３９】
【表３】
0003850672.tif 000004
【００４０】
上記表３に示すように、請求項５に規定する範囲内にある実施例Ｎｏ．１８乃至２１と請求項５に規定する範囲から外れる実施例Ｎｏ．２２乃至２５とを比較すると、同じ合金材を使用したものでは、実施例Ｎｏ．１８乃至２１の方が、引張強度及び導電率に関して優れていた。例えば、同じ合金Ｎｏ．１を使用した実施例１８と実施例２２とを比較すると、実施例１８の引張強度及び導電率が実施例２２のそれよりも高いものとなった。
【００４１】
第３試験例
アルミニウム合金材の製造方法の発明について、上記表１に示すアルミニウム合金のうち、合金Ｎｏ．１、１１、１４及び１７を製造する際に、鋳造時の冷却速度を種々の条件で変化させてフィン材を作製した。そして、第１試験例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これらを評価した。この結果を表４に示す。
【００４２】
【表４】
0003850672.tif 000005
【００４３】
上記表４に示すように、冷却速度が本願請求項７に規定する範囲内にある実施例Ｎｏ．２６乃至２９と冷却速度が本発明範囲の下限値未満である実施例Ｎｏ．３７乃至４０とを比較すると、前者は第２相粒子の密度が５．０×１０６個／ｍｍ２以上、後者は第２相粒子の密度が５．０×１０６個／ｍｍ２未満であり、同じ合金材を使用したものでは、実施例Ｎｏ．２６乃至２９の方が、引張強度及び導電率に関して優れていた。特に、実施例Ｎｏ．２８、２９では、引張強度が特に高く、実施例Ｎｏ．２６では、導電率が特に高かった。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、アルミニウム合金材の組成、組織及び製造方法を適切に規定しているので、強度が高く熱伝導性が優れ、かつろう付け性が良好なアルミニウム合金材を得ることができる。また、このアルミニウム合金材を自動車熱交換器用のフィン材に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱交換器のコアを示す模式的斜視図である。
【符号の説明】
１；フィン材
２；プレート材
【図１】
0003850672.tif 000006