(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材の両面にＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材をクラッドしてなるアルミニウム合金クラッドフィン材において、ろう材が、Ｓｉ:5〜15％（重量％、以下同じ）を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成され、芯材は、Ｓｉ:0.01 〜1.6 ％、Ｍｎ:0.4〜1.5 ％、Ｆｅ:0.06 〜0.8 ％を含み、Ｚｎ:0.3〜5.0 ％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成され、クラッドフィン材の厚さｔが0.04mm以上0.1mm 未満、クラッドフィン材中の平均Ｓｉ濃度ＴSi（％）とｔ（mm) との関係が、７．３×ＴSi−０．７×ｔ-1−１．０＞０（但し、ＴSi:1.1〜2.7)を満たし、ろう材のクラッド率が片面で平均3 〜30％であることを特徴とするアルミニウム合金クラッドフィン材。
【請求項２】
アルミニウム合金からなる流体通路構成部材に、請求項１記載のアルミニウム合金クラッドフィン材を組付け、ろう付け一体としてなることを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アルミニウム合金クラッドフィン材、詳しくは、ろう付けにより製造されるカーエアコンのコンデンサ、エバポレータ、ラジエータ、ヒーターコア、オイルクーラ、インタークーラなどの自動車用アルミニウム合金製熱交換器のフィン材として好適に使用されるアルミニウム合金クラッドフィン材、および当該クラッドフィン材を使用したアルミニウム合金製熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用アルミニウム製熱交換器は、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合金により構成される押出偏平多孔管などの作動流体通路構成部材にアルミニウム合金のフィン材を組合わせ、塩化物系フラックスを使用するフラックスろう付け、フッ化物系のフラックスを使用する不活性ガス雰囲気ろう付け、あるいは真空ろう付けにより組立てられている。
【０００３】
この場合、ろう材を作動流体通路構成部材に配置する場合もあるが、一般には、フィン材として、アルミニウム合金の芯材の両面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材をクラッドしたクラッドフィン材が使用されている。アルミニウム合金製熱交換器用のフィン材には、作動流体通路構成材料を防食するために犠牲陽極効果が要求され、溶融ろうの侵食もなく、ろう付け加熱時に変形しない耐高温座屈性（耐高温サグ性）も要求される。
【０００４】
ろう付け時の変形や溶融ろうの侵食を防止するためには、Ｍｎの添加が有効であることが知られており、クラッドフィン材の芯材用アルミニウム合金として、3003合金、3203合金などＡｌ−Ｍｎ系合金が用いられている。犠牲陽極効果を与えるには、Ａｌ−Ｍｎ系合金にＺｎ、Ｓｎ、Ｉｎなどの元素を添加して電気化学的に卑にする方法が提案され（特公昭56-12395号公報他) 、耐サグ性をさらに向上させるために、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒなどを添加する方法が提案されている。（特公昭57-13787号公報他)
【０００５】
近年、自動車の軽量化の観点から、自動車用熱交換器の軽量化が要求され、この要求に対応するためにフィン材、作動流体通路構成材料など、熱交換器構成材料の薄肉化が要請されている。ろう材をクラッドしてなるフィン材を薄肉化した場合、ろう付け接合部に流動してくるろうが少なくなり、未接合部が生じ易い。未接合部の形成を防止するために、フィン材のろう材クラッド率を増加する方法、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材のＳｉ濃度を高くしてろうの流動量を増加する方法があるが、これらの方法では、溶融ろうが多くなり過ぎて、芯材が溶融ろうにより溶解、侵食され座屈が生じることが少なくない。また、ろう付けは、通常、約 600℃の高温で行われるため、フィンが変形し易く、ろう付け加熱後の強度が低くなるため、フィン倒れが生じるという問題もある。
【０００６】
発明者らは、上記の問題点を解決して、アルミニウム合金クラッドフィン材の薄肉化を達成するために、薄肉化されたアルミニウム合金クラッドフィン材おいて、芯材およびろう材の成分組成の組合わせ、厚さ、クラッド率などと、ろう付け中の溶融ろうの芯材への侵食、フィン材の座屈、耐食性、加工性との関連について多角的な実験、検討を行った結果、特定組成の芯材を組合わせ、厚さに応じて材料中の平均Ｓｉ濃度を適正範囲にし、クラッド率を調整することによって、溶融ろうの侵食が防止されるとともに、高温座屈が防止でき、加工性、耐食性が保持され、犠牲陽極効果が向上することを見出した。
【０００７】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、厚さ0.1mm 未満に薄肉化されたフィン材において、ろうの流動不足および溶融ろうの侵食による座屈が確実に防止でき、ろう付け加熱後の強度および犠牲陽極効果に優れた熱交換器用アルミニウム合金クラッドフィン材を提供することにある。また、当該アルミニウム合金クラッドフィン材を使用したアルミニウム合金製熱交換器を提供することを本発明の他の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明によるアルミニウム合金クラッドフィン材は、芯材の両面にＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材をクラッドしてなるアルミニウム合金クラッドフィン材において、ろう材が、Ｓｉ:5〜15％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成され、芯材が、Ｓｉ:0.01 〜1.6 ％、Ｍｎ:0.4〜1.5 ％、Ｆｅ:0.06 〜0.8 ％、Ｚｎ:0.3〜5.0 ％を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金で構成され、クラッドフィン材の厚さｔが0.04mm以上0.1mm 未満、クラッドフィン材中の平均Ｓｉ濃度ＴSi( ％）とｔ(mm)との関係が、７．３×ＴSi−０．７×ｔ-1−１．０＞０（但し、ＴSi:1.1〜2.7)を満たし、ろう材のクラッド率が片面で平均3 〜30％であることを構成上の特徴とする。
【０００９】
また、本発明によるアルミニウム合金製熱交換器は、上記のアルミニウム合金クラッドフィン材と、アルミニウム合金からなる押出偏平多孔管などの流体通路構成部材を組合わせ、ろう付け一体としてなることを特徴とする。
【００１０】
本発明における合金成分の意義およびその限定理由について説明すると、ろう材中のＳｉは、ろう材の融点を低下させ、溶融ろうの流動性を高める効果を有する。好ましい含有量は5 〜15％の範囲であり、5 ％未満ではその効果が小さく、15％を越えると融点が急激に高くなり、製造時の加工性も低下する。Ｓｉのさらに好ましい含有範囲は7.0 〜13％である。
【００１１】
ろう材中には、0.3 ％以下のＣｕ、ＣｒおよびＭｎ、0.1 ％以下のＰｂ、ＬｉおよびＣａが含まれていても、本発明の効果を損なうことはない。また、鋳造組織の微細化のために0.3 ％以下のＴｉ、0.01％以下のＢ、ろう材中のＳｉ粒子の微細化のために0.1 ％以下のＳｒ、Ｎａ、電位を低くして犠牲陽極効果を与えるために0.1 ％以下のＩｎ、ＳｎおよびＧａ、表面酸化皮膜の成長を抑制するために0.1 ％以下のＢｅが添加されてもよい。但し、Ｆｅは、多量に含まれると自己腐食性が増加するため0.8 ％以下に制限することが好ましい。また、Ｍｇについては、真空ろう付けの場合、0.3 〜2.0 ％含有させてもよいが、フッ化物系のフラックスを使用してろう付けを行う場合には、ろう付け性を阻害しないよう0.5 ％以下に制限することが好ましい。
【００１２】
厚さが0.1mm 未満の薄肉フィン材の場合、ろう付け後の芯材のＳｉ濃度は、ろう付け加熱時にろう材から芯材へＳｉが拡散するため、ろう付け前の芯材のＳｉ濃度にかかわらず、ほぼ同程度の均一な濃度となる。芯材にＳｉを添加すると、ろう付け加熱時、ろう材から芯材へのＳｉの拡散量が減少し、ろう付け加熱過程におけるろう材中のＳｉ濃度の減少が少なくなって、ろうの流動性が向上する。芯材中のＳｉの好ましい含有量は0.01〜1.6 ％の範囲であり、0.01％未満の場合には所期の効果を得ることは可能であるが、高純度のアルミニウム地金を使用しなければならないために製造コストが増加する。1.6 ％を越えると芯材の結晶粒径が細かくなって、ろうが芯材中に侵食し易くなり、耐高温座屈性が低下し、自己腐食性も増加する。芯材中のＳｉのさらに好ましい含有量は0.1 〜1.0 ％の範囲である。
【００１３】
芯材中のＭｎは、芯材の強度を向上させ、耐高温座屈性を改善するよう機能する。好ましい含有範囲は0.4 〜1.5 ％であり、0.3 ％未満ではその効果が小さく、1.5 ％を越えて含有すると、鋳造時に粗大な化合物が生成し、圧延加工性が害される結果、健全な板材が得難い。Ｍｎのさらに好ましい含有量は0.8 〜1.2 ％の範囲である。
【００１４】
Ｆｅは、Ｍｎと共存して芯材の強度をさらに向上させる。Ｆｅの好ましい含有量は0.06〜0.8 ％の範囲であり、0.06％未満ではその効果が小さく、0.8 ％を越えると、結晶粒が細かくなって、溶融ろうが芯材中に侵食し易くなり、耐高温座屈性が低下し、自己腐食性も増加する。Ｆｅのさらに好ましい含有範囲は0.1 〜〜0.6 ％である。
【００１５】
Ｚｎは、芯材の自然電位を卑にして犠牲陽極効果を高める効果を有する。好ましい含有量を0.3 〜5.0 ％であり、0.3 ％以下ではその効果が十分でなく、5.0 ％を越えると自己腐食性が増加する。Ｚｎのさらに好ましい含有量は1.0 〜4.0 ％の範囲である。
【００１６】
芯材中には、0.1 ％以下のＰｂ、Ｌｉ、Ｓｒ、ＣａおよびＮａが含有されていても本発明の効果が損なわれることはない。また強度を向上させるために0.3 ％以下のＶ、Ｍｏ、Ｎｉ、鋳造組織の微細化のために0.3 ％以下のＴｉ、0.01％以下のＢ、酸化防止のために0.1 ％以下のＢｅを添加することもできる。
【００１７】
本発明においては、ろう付け部において十分なフィレットを形成するために、クラッドフィン材中のろう材のＳｉ濃度と芯材のＳｉ濃度を混合した平均Ｓｉ濃度ＴSi（％）とクラッドフィン材の全体厚さｔ（mm) との関係が、７．３×ＴSi−０．７×ｔ-1−１．０＞０（但し、ＴSi:1.1〜2.7 ％、ｔ：0.04mm以上0.1mm 未満) を満たしていなければならない。平均Ｓｉ濃度ＴSiが増加するとフィレットの面積が増加し、フィン材厚さｔが減少するとフィレット面積は急激に減少する。上記の関係式が満たされない場合には、厚さが0.10mm未満のクラッドフィン材において、フィンとチューブ( 流体通路構成部材) との接合部に十分なフィレットが形成されず接合不良が生じる。
【００１８】
ＴSiは、芯材とろう材からなるフィン材中の全Ｓｉ成分の平均濃度であり、ＴSi＝｛Ｓｂ×２Ｃ＋Ｓｃ×（１００−２Ｃ）｝／１００（但し、Ｓｂはろう材のＳｉ濃度（重量％）で、Ｓｂ：5 〜15％、Ｓｃは芯材のＳｉ濃度（重量％）で、Ｓｃ：0.01〜1.6 ％、Ｃは片面クラッド率で、Ｃ：3 〜30％）の式により求められる。
【００１９】
厚さが0.1mm 未満のフィン材において、平均Ｓｉ濃度ＴSiの好ましい値は1.1 〜2.7 ％の範囲であり、1.1 ％未満では、溶融ろうが不足して上記の関係式が満たされず、フィレットが十分に形成されない。2.7 ％を越えると、溶融ろうが過多となって、厚さ0.1mm 未満のフィン材において芯材の溶解、侵食が生じ易くなる。ＴSiのさらに好ましい範囲は1.3 〜2.5 ％である。
【００２０】
ろう材のクラッド率が増加すると、ろうの流動量が増加する。本発明においては、フィン材の全体厚さを0.04mm以上0.1mm 未満に規定し、クラッド率を片面で平均3 〜30％とする。厚さが0.04mm未満では、フィン材自体の強度が不足し、ろう付け加熱時の変形が大きくなり座屈が生じる。片面の平均クラッド率が3 ％未満では、芯材に対するろう材の量が少な過ぎて、均一なクラッド率を得ることが難しく、クラッドフィン材の製造が困難となる。30％を越える平均クラッド率では、ろうの溶融量が多過ぎて、芯材が溶解、侵食され易くなる。平均クラッド率のさらに好ましい範囲は5 〜20％である。本発明における平均Ｓｉ濃度などに関する前記の限定は、厚さが0.04mm以上0.1mm 未満のクラッドフィン材に所期の性能を与えるためになされるものであり、クラッドフィン材の厚さが0.1mm 以上の場合には、ＴSiを適正範囲に制御しなくともろう付けが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミニウム合金クラッドフィン材は、芯材およびろう材を構成するアルミニウム合金をそれぞれ溶解、鋳造し、各鋳塊を均質化処理したのち、ろう材を構成するアルミニウム合金鋳塊を熱間圧延して、芯材の鋳塊の両面にクラッドしたクラッド鋳塊とし、あるいは芯材の鋳塊の両面にろう材を構成するアルミニウム合金材をクラッドしたクラッド鋳塊を均質化処理し、クラッド鋳塊を熱間圧延、冷間圧延し、中間焼鈍を施し、最終冷間圧延を行うことにより製造され、Ｈ１４調質材として供給される。
【００２２】
上記の製造工程により得られた本発明のアルミニウム合金クラッドフィン材を、自動車用のラジエータ、ヒータコア、オイルクーラ、インタークーラ、カーエアコンのコンデンサ、エバポレータなどのアルミニウム合金製熱交換器の組立てに使用する場合には、当該クラッドフィンを流体通路構成部材となるアルミニウム合金の押出偏平多孔管などと組合わせ、ろう付け炉中において、通常のフラックスろう付け、フッ化物系フラックスを用いる不活性ガス雰囲気ろう付け、あるいは真空ろう付けを行うことにより、ろう付け接合する。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例により、本発明を比較例と対比して説明する。
実施例１
芯材およびろう材用アルミニウム合金を、溶解、鋳造し、常法に従って均質化処理を行ったのち、ろう材鋳塊を熱間圧延し、得られたろう材板を芯材の鋳塊の両面にクラッド溶接した。このクラッド鋳塊について、熱間圧延、中間冷間圧延を行い、中間焼鈍を施したのち、最終冷間圧延を行い、最終厚さ0.038 〜0.098mm のクラッドフィン材（Ｈ１４調質材）とした。芯材およびろう材の組成を表１に、得られたクラッドフィン材の板厚、片側平均クラッド率、平均Ｓｉ濃度ＴSi、関係式Ａ（７．３×ＴSi−０．７×ｔ-1−１．０）の値を表２に示す。
【００２４】
【表１】
0003859781.tif 000002
《表注》No.14 は従来材
【００２５】
【表２】
0003859781.tif 000003
《表注》No.14 は従来材
【００２６】
得られたクラッドフィン材にコルゲート加工を施し、JIS A1050 の押出偏平多穴管の表層部にＺｎ溶射被覆層を形成した流体通路構成部材、4045合金を皮材とし3003合金を内側材とし、押出偏平多穴管を挿入するための穴をプレス成形した押出２重管からなるタンクを組合わせて熱交換器形状に組付け、フッ化物系フラックス( 水で濃度3 ％に希釈したもの）を吹き付けて乾燥させたのち、窒素ガス雰囲気炉内で600 ℃の温度に3 分間加熱し、ろう付け接合を行った。
【００２７】
ろう付け後、得られた熱交換器モデルの熱効率をJIS D 1618( 自動車用冷房機試験方法）に従って測定し、その値を単位重量当たりの熱効率に換算して、従来材No.14 の熱効率を標準(100％）とした場合の熱効率の向上度を求めた。ついで、熱交換器モデルの断面を観察し、フィン・チューブ間の接合部のフィレット形成の有無、芯材の溶融、侵食による座屈の有無を調査して、ろう付け性を評価した。また、接合部の一部を取り出して、２週間のCASS試験(JIS D 0201)を行い、フィンおよび管の腐食状況を調査した。
【００２８】
その結果、本発明に従う試験材No.1〜13はいずれも、フィンと管との接触部に十分にろうが流動してフィレットが形成され、芯材の溶融、侵食による座屈もなく、製造時の加工性も良好で圧延割れなどを生じることがなかった。また、腐食試験においても貫通孔を生じることがなく良好な耐食性を示した。熱交換器コアの熱効率を表３に示す。表３にみられるように、試験材においては、従来材に比べて5 ％以上の向上が認められた。
【００２９】
【表３】
0003859781.tif 000004
【００３０】
比較例１
実施例１と同様の工程でクラッドフィン材を製造した。芯材およびろう材の組成を表４に、クラッドフィン材の厚さ、片面平均クラッド率、平均Ｓｉ濃度ＴSi、Ａの値を表５に示す。得られたクラッドフィン材を使用して、実施例１と同様に熱交換器モデルを作製し、熱効率の向上度を求めるとともに、熱交換器モデルの断面を観察して、ろう付け性を評価し、腐食試験を行った。これらの評価、試験の結果を表６に示す。なお、表４、表５において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【００３１】
【表４】
0003859781.tif 000005
【００３２】
【表５】
0003859781.tif 000006
《表注》* は目標値
【００３３】
【表６】
0003859781.tif 000007
《表注》腐食試験  ○：フィン材の犠牲陽極効果が良好で管に貫通孔無し
×フィン：フィンの腐食・消耗大  ×管：管に貫通孔発生
製造時の加工性  ○：製造が容易  ×：製造が困難
【００３４】
表６に示すように、試験材No.15 はフィン材の厚さが0.04mm未満であるため、フィレット形成がなくフィンが座屈した。試験材No.16 は、フィンの厚さが小さく平均Ｓｉ濃度ＴSiが大きいため、フィンの座屈が生じた。試験材No.17 はクラッド率が高くＴSiが大きいため、フィンに座屈が生じた。試験材No.18 はクラッド率が低過ぎるため、圧延工程で割れが生じ、フィン材の製造が困難であった。試験材No.19 は、ろう材のＳｉ量が少なく、ろう付け時に流動するろうが少ないため、フィレットが形成されなかった。試験材No.20 は、ろう材のＳｉ量が多く硬度が高いため、熱間圧延工程において、ろう材と芯材とがクラッドされず、フィン材の製造が困難であった。
【００３５】
試験材No.21 は芯材のＳｉ量が多いため、フィン材の溶融、溶融ろうによる芯材の侵食が激しく、フィンに座屈が生じた。試験材No.22 はＴSiが低いため、フィレットが形成されなかった。試験材No.23 はＴSiが高いためフィンに座屈が生じた。試験材No.24 は関係式Ａの値が-1.1となるため、フィレットが形成されなかった。試験材No.25 は芯材のＭｎ量が高いため、圧延時に割れが生じ、フィン材の製造が困難となった、試験材No.26 は芯材のＭｎ量が少ないため、強度が不足し、フィンが座屈した。
【００３６】
試験材No.27 は芯材のＦｅ量が少ないため、強度が十分出なく、フィンに座屈が生じた。試験材No.28 は芯材のＦｅ量が多いため、芯材の結晶粒が微細となり、溶融ろうの侵食によりフィンに座屈が生じた。試験材No.29 は芯材のＺｎ量が少ないため、フィン材の電位が高く十分な犠牲陽極効果が得られず、腐食試験において管に貫通孔が生じた。試験材No.30 は芯材のＺｎ量が多いため、フィンの自己腐食が激しく、腐食試験におけるフィンの腐食・消耗が著しかった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、フィン材を0.1mm 未満の厚さに薄肉化した場合にも、ろうの流動性、溶融ろうの侵食によるフィンの座屈が防止され、ろう付け後の強度、犠牲陽極効果に優れ、とくに、ラジエータ、ヒータコア、オイルクーラ、インタークーラ、カーエアコンのコンデンサ、エバポレータなど自動車用熱交換器のフィン材として好適に使用できるアルミニウム合金クラッドフィン材、および該クラッドフィン材を使用したアルミニウム合金製熱交換器が提供される。