| 【発明の名称】 |
高強度高熱伝導アルミニウム合金材及びその製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】鶴野 招弘
【氏名】竹添 修
|
| 【要約】 |
【課題】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及びその製造方法を提供する。
【解決手段】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、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。更にＮｉ：０．５乃至１．０質量％、Ｃｕ：０．３質量％未満及びＺｒ：０．２質量％未満を含有することができる。 |
【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、残部がＡｌ及び不可避的不純物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Ｎｉ：０．５乃至１．０質量％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Ｃｕ：０．３質量％未満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４】 更にＺｒ：０．２質量％未満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】 母相に対する第２相粒子が存在し、前記第２相粒子の密度が５×１０6個／ｍｍ2であ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の鋳造時の冷却速度が１℃／分を超え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、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される高強度高熱伝導アルミニウム合金材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車用の熱交換器である、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、一体ろう付けにより製造される。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は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、断面積を多くとっ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、上述のＡｌ−Ｆｅ系合金材及びＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金材は強度が低く、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は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及びそ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、残部がＡｌ及び不可避的不純物であることを特徴とする。
【０００７】この場合、更にＮｉ：０．５乃至１．０質量％を含有することが好ましい。
【０００８】また、更にＣｕ：０．３質量％未満を含有することが好ましい。更にＺｒ：０．２質量％未満を含有することが好ましい。更に、母相に対する第２相粒子が存在し、前記第２相粒子の密度が５×１０6個／ｍｍ2であることが好ましい。
【０００９】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、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の鋳造時の冷却速度が１℃／分を超えることを特徴とする。
【００１０】
【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−Ｎｉ系合金の組成、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ことにより、強度及び熱伝導性が共に優れることを見出した。
【００１１】また、本発明のアルミニウム合金材を製造する場合、鋳造時の冷却速度が１℃／秒以上とすることにより、第２相粒子の粒径を小さく、かつその量を多くできることを知見した。
【００１２】本発明のアルミニウム合金材は、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。
【００１３】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。
【００１４】Ｓｉ：０．５乃至１．５質量％Ｓｉはその添加により、固溶強化し強度を向上させる。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り、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。
【００１５】Ｆｅ：２．０乃至３．０質量％Ｆｅはその添加により、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分散強化に寄与する。このとき、Ｎｉが母相に含有されていると、Ｆｅ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。
【００１６】Ｎｉ：０．５乃至１．０質量％ＮｉはＦｅと同様に添加により、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。Ｎｉの含有量が０．５質量％未満では、十分な強度を得ることができない。一方、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０．５乃至１．０質量％とすることが好ましい。
【００１７】Ｃｕ：０．３質量％未満ＣｕはＳｉと同様にその添加により固溶強化し強度を向上させる。一方、Ｃｕの添加量が増加すると共に、熱伝導性が低下する。また、電位も貴となり、素材の犠牲陽極効果が低下する。従って、Ｃｕの含有量は０．３質量％未満とすることが好ましい。
【００１８】Ｚｒ：０．２質量％未満Ｚｒはその添加により、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、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０．０５質量％以上であれば十分である。一方、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％未満とすることが好ましい。更に好ましくは、Ｚｒの含有量は０．０５乃至０．２質量％である。
【００１９】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、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。
【００２０】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℃／秒未満では、第２相粒子は、分散強化に寄与しない５μｍ以上のものが多くなりやすい。一方、鋳造時の冷却速度が１℃／秒以上であると、第２相粒子の粒径は大半が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。
【００２１】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、ブレージングシートフィン材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フィン材の心材として使用する場合、ろう材は従来より使用されている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％未満では真空ろう付け中に、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。
【００２２】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、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。
【００２３】
【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。
【００２４】第１実施例下記表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。
【００２５】次に、このフィン材を窒素雰囲気（酸素濃度が１００質量ｐｐｍ以下）中で、温度が６００℃で２分間保持して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。
【００２６】強度は、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。
【００２７】熱伝導性は、各フィン材の導電率を４端子法で電気抵抗を測定し、導電率に換算して求め、これを評価した。なお、導電率は標準軟銅（ＩＡＣＳ：International Annealed Copper Standard、比抵抗が１．７２４１μΩ・cm・２０℃）の導電率を１００としたときの値である。
【００２８】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は板厚が０．０７ｍｍ、フィン高さが９ｍｍ、山数が１０、フィンピッチが３ｍｍ、フィンの幅が２０ｍｍである。プレート材２は４０４５合金材、３００３合金材及び７０７２合金材の積層材であり、板厚が０．３ｍｍ、幅が３０ｍｍ、長さが４０ｍｍである。なお、このプレート材２のクラッド率は１０％である。
【００２９】ろう付け性については、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塗布し乾燥させた。そして、フィン材１をプレート材２で挟み窒素雰囲気（酸素濃度が１００質量ｐｐｍ以下）中で、６００℃の温度に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との接合部のフィン材１へのろうの浸食状態及び座屈状況を観察し、これを評価した。ろう付け性の評価は、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。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】上記表２に示すように、本発明の請求項１を満足する実施例No.１乃至１２は強度及び導電率が高く、ろう付け性が良好であった。また、Ｚｒが添加された実施例No.９乃至１２はろう付け性が更に良好であった。
【００３３】一方、比較例No.４２はＳｉの含有量が本発明の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例No.４３はＳｉの含有量が本発明の上限値を超えているため、ろう付け後、フィン材が溶損し座屈してしまい、良好な形状のコアを作製することができなかった。比較例No.４４はＦｅの含有量が本発明の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例No.４５はＦｅの含有量が本発明の上限値を超えているため、鋳造不良により、正常なフィン材を作製することができなかった。
【００３４】第２実施例上記表１に示すアルミニウム合金のうち、合金No.１、４、６及び１０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、第１実施例と同様に強度、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相粒子の密度は粒子径が５μｍ以下のものの密度である。
【００３５】なお、第２相粒子の存在状態は、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により計測して求めた。
【００３６】
【表３】
【００３７】上記表３に示すように、本願請求項５を満足する実施例No.１３乃至１６はより一層強度が高く、導電率が高く、そしてろう付け性が良好であった。また、Ｚｒが添加されている実施例No.１６はろう付け性が更に良好であった。一方、請求項４から外れる比較例No.４６乃至４９は実施例と比較して強度が低かった。
【００３８】第３実施例上記表１に示すアルミニウム合金のうち、合金No.１、４、６及び１０について、製造するときに、鋳造時の冷却速度を種々の条件で変えて、フィン材を作製した。そして、第１実施例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これを評価した。この結果を表４に示す。
【００３９】
【表４】
【００４０】上記表４に示すように、実施例No.１７乃至２０は強度及び導電率が高く、ろう付け性が良好であった。また、Ｚｒが添加されている実施例No.２０はろう付け性が更に良好であった。
【００４１】一方、比較例No.５０乃至５３は鋳造時の冷却速度が本発明の下限値未満であるので、強度が低かった。
【００４２】第４実施例下記表５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、第１実施例と同様の方法によりフィン材を製造した。そして、第１実施例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これを評価した。この結果を表６に示す。
【００４３】
【表５】
【００４４】
【表６】
【００４５】上記表６に示すように、実施例No.２１乃至３１は強度及び導電率が高く、ろう付け性も良好であった。実施例No.２６、２７、３０及び３１はＺｒが添加されているので、ろう付け性がより一層良好であった。
【００４６】一方、比較例No.５４はＳｉの含有量が本発明の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例No.５５はＳｉの含有量が本発明の上限値を超えているため、ろう付け後、フィン材が溶損し座屈してしまい、良好な形状のコアを作製することができなかった。比較例No.５６はＦｅの含有量が本発明の下限値未満であるため、強度が低かった。比較例No.５７はＦｅの含有量が本発明の上限値を超えているため、鋳造不良により、正常なフィン材を作製することができなかった。
【００４７】第５実施例上記表５に示すアルミニウム合金のうち、合金No.１６、１９、２１、２４及び２５について、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、第１実施例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これを評価した。この結果を表７に示す。なお、表７に示す第２相粒子の密度は粒子径が５μｍ以下のものの密度である。
【００４８】
【表７】
【００４９】上記表７に示すように、本願請求項５を満足する実施例No.３２乃至３６はより一層強度が高く、導電率が高く、そしてろう付け性が良好であった。また、Ｚｒが添加されている実施例No.３４及び３６はろう付け性が更に良好であった。一方、請求項４から外れる比較例No.５８乃至６２は実施例と比較して強度が低かった。
【００５０】第６実施例上記表６に示すアルミニウム合金のうち、合金No.１６、１９、２１、２４及び２５について、製造するときに、鋳造時の冷却速度を種々の条件で変えて、フィン材を作製した。そして、第１実施例と同様に強度、導電性及びろう付け性の試験を行い、これを評価した。この結果を表８に示す。
【００５１】
【表８】
【００５２】上記表８示すように、実施例No.３７至４１は強度及び導電率が高く、ろう付け性が良好であった。また、Ｚｒが添加されている実施例No.３９及び４１はろう付け性が更に良好であった。
【００５３】一方、比較例No.６３乃至６７は鋳造時の冷却速度が本発明の下限値未満であるので、強度が低かった。
【００５４】
【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。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１１９９
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
|
| 【出願日】 |
平成１２年３月３１日（２０００．３．３１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９０１５８
【弁理士】
【氏名又は名称】藤巻 正憲
|
| 【公開番号】 |
特開２００１−２８８５２２（Ｐ２００１−２８８５２２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１０月１９日（２００１．１０．１９） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−９８９２８（Ｐ２０００−９８９２８） |
|