JPH0841573A - 熱交換器用高強度アルミニウム合金フィン材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 Ｍｎ1.5 ％を越え2.2 ％以下、Ｓｉ0.5 〜1.
2 ％、Ｆｅ0.1 〜0.6 ％、Ｍｇ0.05〜1.0 ％、Ｚｎ1.0
〜3.0 ％、Ｃｕ0.3 ％を越え1.0 ％以下を含有し、残部
アルミニウムおよび不可避的不純物からなる。 【効果】 ろう付け性に優れ、ろう付け後の強度および
熱伝導度が高く、犠牲陽極効果が優れた熱交換器用アル
ミニウム合金フィン材が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱交換器用高強度アル
ミニウム合金フィン材、詳しくは、ラジエータやカーエ
アコンなどのようにフィンと作動流体通路構成材料とが
ろう付けにより接合される熱交換器に用いられるアルミ
ニウム合金フィン材、とくにフッ化物系フラックスろう
付けにおけるろう付け性に優れ、ろう付け後の熱伝導度
と強度が高く、且つ犠牲陽極効果に優れた熱交換器用高
強度アルミニウム合金フィン材に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のラジエータ、エアコン、インタ
ークーラー、オイルクーラーなどの熱交換器は、Ａｌ−
Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金、Ａｌ−Ｍｎ−Ｃｕ系合
金などからなる作動流体構成材料と、Ａｌ−Ｍｎ系合金
フィンとをろう付けすることにより組立てられている。
フィン材には、作動流体構成材料を防食するために犠牲
陽極効果が要求されるとともに、ろう付け時の高温加熱
により変形したり、ろうが浸透したりしないように優れ
た耐高温座屈性が要求される。

【０００３】フィン材としてJIS 3003、JIS 3203などの
Ａｌ−Ｍｎ系アルミニウム合金が使用されるのは、Ｍｎ
がろう付け時の変形やろうの浸食を防ぐために有効に作
用するためである。Ａｌ−Ｍｎ系合金フィン材に犠牲陽
極効果を付与するためには、この合金にＺｎ、Ｓｎ、Ｉ
ｎなどを添加して電気化学的に卑にする方法（特開昭62
-120455 号公報など) があり、耐高温座屈性( 耐高温サ
グ性) をさらに向上させるためには、Ａｌ−Ｍｎ系合金
にＣｒ、Ｔｉ、Ｚｒなどを含有させる方法（特開昭50-1
18919 号公報) がある。

【０００４】しかし、最近では、熱交換器の軽量化、コ
スト低減がますます強く要求され、作動流体通路材料、
フィン材などの熱交換器構成材料をさらに薄肉化するこ
とが必要となってきているが、例えばフィンを薄肉化す
ると伝熱断面積が小さくなるために熱交換性能が低下
し、製品としての熱交換器の強度、耐久性にも問題が生
じるところから、伝熱性能とろう付け後の強度の一層の
改善が望まれている。

【０００５】従来のＡｌ−Ｍｎ系合金では、ろう付け時
の加熱によりＭｎが固溶するため、熱伝導度が低下する
という問題点がある。この難点を解決するフィン材とし
て、Ｍｎ0.1 〜0.8 ％、Ｚｒ0.02〜0.2 ％およびＳｉ0.
1 〜0.8 ％を含むアルミニウム合金が提案されている。
（特開昭63-23260号公報) この合金は改善された熱伝導
度を有するが、Ｍｎが少ないためろう付け後の強度が十
分でなく、熱交換器として使用中にフィン倒れや変形が
生じ易く、また電位が十分に卑でないために犠牲陽極効
果が小さいという欠点がある。

【０００６】Ｓｉ0.03〜0.3 ％、Ｆｅ0.05〜0.6 ％を含
み、さらにＭｎ0.01〜0.3 ％、Ｚｒ0.01〜0.4 ％の１種
または２種を含有するフィン用アルミニウム合金も提案
されている（特開昭63-45352号公報) が、この合金も電
位が十分卑でないために犠牲陽極効果が小さい。また、
熱伝導度が高い純アルミニウム(JIS 1050,1070など)に
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎを含有させて犠牲陽極効果を付与させ
たり、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒなどを添加して耐高温座屈性を
改善する試みも行われているが、これらの合金も伝熱性
能は優れているもののろう付け後の強度が必ずしも十分
でない。

【０００７】ろう付け後の強度を改善したフィン材とし
て、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｆｅ系合金にＩｎ、Ｚｎ
を添加したアルミニウム合金やＧａ、Ｓｎなどを添加し
たアルミニウム合金も開発されており（特開平4-128337
号公報、特開平3-20436 号公報) 、ある程度の薄肉化は
可能であるが、フィン材に対する最近の薄肉化の要求を
十分満足させるまでには至っていない。また、近年、無
公害、低コストの観点から注目され、普及しつつあるフ
ッ化物系フラックスを用いるろう付けを適用する場合、
Ｍｇを含有する合金材はろう付け性が劣るため、フィン
接合率が低下し、熱交換器としての伝熱特性に問題が生
じるという難点もある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱交換器用
フィン材に対する薄肉化の要求を満足させるアルミニウ
ム合金フィン材を開発するために、強度特性、伝熱性
能、犠牲陽極効果およびろう付け性に対する合金成分の
影響、合金成分の組合せの効果について多角的に検討し
た結果としてなされたものであり、その目的は、ろう付
け後において高い強度と熱伝導度を有し、犠牲陽極効果
に優れ、ろう付け性とくにフッ化物系フラックスを用い
るろう付けにおけるろう付け性が良好な熱交換器用高強
度アルミニウム合金フィン材を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の熱交換器用高強度アルミニウム合金フィン
材は、Ｍｎ1.5 ％（質量％、以下同じ）を越え2.2 ％以
下、Ｓｉ0.5 〜1.2 ％、Ｆｅ0.1 〜0.6 ％、Ｍｇ0.05〜
1.0 ％、Ｚｎ1.0 〜3.0 ％、Ｃｕ0.3 ％を越え1.0 ％以
下を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなることを
発明構成上の基本的特徴とし、これにさらにＺｒ0.25％
以下、Ｃｒ0.25％以下の１種または２種を含むことを発
明構成上の第２の特徴とする。

【００１０】本発明の熱交換器用高強度アルミニウム合
金フィン材における合金成分の意義および限定理由につ
いて説明すると、Ｍｎは、Ｓｉと共存させることにより
Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系の化合物を生成して、ろう付け前お
よびろう付け後の合金材の強度を向上し、耐高温座屈性
および成形加工性を改良する。Ｍｎが1.6 ％以下では効
果が十分でなく、1.8 ％を越えると合金の鋳造時に粗大
な晶出物が生成して板材の製造が困難となり、Ｍｎの固
溶量が増加して熱伝導度が低下する。従って、好ましい
含有範囲は1.6 ％を越え1.8 ％以下とする。

【００１１】Ｓｉは、Ｍｎと共存してＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ
系の化合物を生成し、強度を向上させるとともに、Ｍｎ
の固溶量を減少させて熱伝導度を向上させる。Ｓｉの含
有量が0.5 ％未満では効果が十分でなく、0.9 ％を越え
るとろう付け時にフィン材の溶融が生じるおそれがあ
る。従って、好ましい含有範囲は0.5 〜0.9 ％とする。
Ｆｅは、Ｍｎの固溶量を減少させて熱伝導度を向上させ
る。含有量が0.1 ％未満ではその効果が小さく、0.3 ％
を越えると鋳造時にＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系の粗大な晶出物
が生成し、板材の加工が困難となる。従って、好ましい
含有範囲は0.1 〜0.3 ％とする。

【００１２】Ｍｇは、フィン材の強度を向上させる。と
くにＳｉと共存して時効硬化を生じ、熱伝導度をほとん
ど低下させることなく強度を増大させる。好ましい含有
範囲は0.05〜0.2 ％であり、0.05％未満ではその効果が
小さい。一方、Ｍｇはろう付け性に影響し、含有量が0.
2 ％を越えるとろう付け性を害するおそれがある。とく
にフッ化物系フラックスろう付けの場合、フラックスの
成分であるフッ素（Ｆ）と合金中のＭｇとが反応し易く
なり、ＭｇＦ₂ などの化合物が生成することに起因して
ろう付け時に有効に作用するフラックスの絶対量が不足
し、ろう付け不良が生じ易くなる。真空ろう付けの場合
には、Ｍｇの蒸発量が多くなってろう付け炉の清掃回数
が多くなる。

【００１３】Ｚｎは、フィン材の電位を卑にし、犠牲陽
極効果を与える。好ましい含有量は1.0 〜2.0 ％であ
り、含有量が1.0 ％未満ではその効果が十分でなく、2.
0 ％を越えると材料の自己腐食性が劣化し、真空ろう付
けの場合にはろう付け中にＺｎの蒸発量が多くなり、ろ
う付け炉の清掃回数を増加させるため好ましくない。ま
たＺｎが2.0 ％を越えて含有されていると、ろう付け時
にフィン材の局部溶融が生じるおそれがある。Ｚｎとと
もにＣｕが添加されている場合は、ＣｕによってＺｎの
犠牲陽極効果が減少するため、フィン材の電位を卑にす
るためには、Ｚｎ量をＣｕ量の３倍以上にすることが必
要である。

【００１４】Ｃｕは、フィン材の強度を向上させるのに
役立つ。好ましい含有量は0.3 ％を越え0.5 ％以下の範
囲であり、0.3 ％以下ではその効果が小さく、含有量が
0.5％を越えるとフィン材の電位を貴にして犠牲陽極効
果を損ね、またろう付け時に局部溶融を生じるおそれも
ある。Ｚｒ およびＣｒは、合金材の耐座屈性の向上に
有効に作用するが、いずれも0.25％を越えるとろう付け
後の熱伝導度が低下する。従って、いずれも0.25％を上
限として添加する。

【００１５】本発明のアルミニウム合金フィン材は、通
常の溶解、鋳造方式に従って鋳塊とし、均質化処理後、
熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍および仕上げ冷間圧延を
経て製造され、通常厚さ0.1mm 以下の板材とする。この
板材は、所定幅にスリッティングした後コルゲート加工
して、ろう材を被覆した3003合金などからなる作動流体
通路用偏平管と交互に積層し、ろう付け接合することに
より熱交換器ユニットとする。

【００１６】

【作用】本発明の構成によれば、ＭｎとＳｉを共存させ
ることによりＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物を生成させ、さ
らにＦｅ、Ｍｇ、Ｃｕを添加してこれらの元素の相互作
用によりろう付け後の強度、熱伝導度を高め、Ｃｕ量の
３倍以上の量のＺｎを含有させることにより、材料の電
位を卑にして犠牲陽極効果を優れたものとし、伝熱性
能、耐久性の優れた熱交換器を得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 実施例１ 表１に示す組成のアルミニウム合金鋳塊を常法に従って
均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍、仕上げ冷
間圧延し、0.07mm厚さのフィン材とした。なお、中間焼
鈍温度は300 ℃とした。得られたフィン材について、フ
ッ化物系フラックス( 濃度1 ％）を塗布した後、ろう付
け条件と同様、窒素ガス雰囲気中で600℃で3 分間の加
熱を行い、加熱後の試験材について引張試験を行った。

【００１８】また、加熱後の試験材について、25℃で電
気伝導度を測定することにより熱伝導度を評価した。本
発明のフィン材においては、一般の金属材と同様、熱伝
導度と電気伝導度との間には比例関係があり、電気伝導
度を測定することにより熱伝導度を評価できることがわ
かっている。さらに、犠牲陽極効果を評価するために、
pH 3に調整した3 ％ＮａＣｌ水溶液中に8 時間浸漬した
後、自然電極電位を測定した。

【００１９】つぎに、フィン材にコルゲート加工を施
し、3003合金を心材とし4045合金を皮材( ろう材) とす
る厚さ0.6mm のプレート材の上に載置して、フッ化物系
フラックスろう付けを行い、コルゲートフィン材とプレ
ート材がろう付け接合している割合を調べ、フィン接合
率からろう付け性を評価し、フィンとプレートの接合部
について、CASS試験を、JIS D0201 に基づいて１か月間
実施し、プレートの最大腐食深さの測定と、フィンの腐
食状況の観察を行った。また、ろう付け前後におけるフ
ィン山高さの変化率を測定し、フィンの耐高温座屈性を
評価した。試験、測定、評価結果を表２に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】 《表注》耐高温座屈性評価：ろう付け前後のフィン山高さ変化率が2.5 ％ 以下は◎、2.5 〜5 ％は○

【００２２】表２に示されるように、本発明に従う試験
材No.1〜No.10 は、ろう付け後に相当する引張強度（以
下、単に引張強度）がいずれも130MPa以上の優れた強度
を示し、従来のJIS 3004フィン材の電気伝導度が39％IA
CSであるのに対していずれも電気伝導度が41％IACS以上
であり、熱伝導度が良好なことを示した。また、フィン
接合率も90％以上でろう付け性が優れていることを示し
た。自然電極電位も−760 〜−780mV vs SCEの範囲で、
電気化学的に十分卑であり、CASS試験後の最大腐食深さ
は0.15〜0.18mmでほとんど腐食を生じておらず、フィン
にも腐食の発生は認められなかった。

【００２３】比較例 表３に示す組成のアルミニウム合金鋳塊を、実施例１と
同一の条件で、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、中間
焼鈍および仕上げ冷間圧延し、0.07mm厚さのフィン材を
得た。得られたフィン材について、実施例１と同様、引
張強度、電気伝導度、自然電極電位を測定し、フィン材
の耐高温座屈性、ろう付け性を評価し、フィンとプレー
トの接合部についてCASS試験後の最大腐食深さを測定
し、フィンの腐食状況を観察した。結果を表４に示す。
なお、表３において、本発明の条件を外れた項目につい
て下線を付した。

【００２４】

【表３】

【００２５】

【表４】 《表注》フィン材の耐高温座屈性：ろう付け前後のフィン山高さの変化 率が2.5 ％以下は◎、2.5 〜5 ％は○とし、5 ％以下を合格とした

【００２６】表４に示されるように、本発明の条件を満
たさないアルミニウム合金フィン材は、いずれも熱交換
器用フィン材として十分な性能を有しない。試験材No.1
は、Ｍｎ含有量が少ないため強度が低い。No.2は、Ｍｎ
の含有量が多いため、板材の製造が困難で健全なフィン
材が得られなかった。No.3はＳｉ量が少ないため、強度
が低く電気伝導度も小さい。No.4はＳｉ量が多過ぎるた
め、ろう付け時に局部溶融が生じた。No.5はＦｅの含有
量が少ないために電気伝導度が低く、No.6は、Ｆｅ量が
多過ぎるため、板材の製造が困難となり健全なフィン材
を得ることができなかった。

【００２７】試験材No.7は、Ｍｇの含有量が少ないた
め、引張強度が低く、No.8はＭｇの含有量が多過ぎるた
め、フラックスとＭｇの反応により接合不良が生じた。
No.9は、Ｚｎ量が少なく、No.10 はＺｎ量に対してＣｕ
量が多く、Ｃｕ量の３倍以上のＺｎが含まれていないた
め、自然電極電位が貴となって犠牲陽極効果に劣り、プ
レートの最大腐食深さが大きくなる。No.11 はＺｎ量お
よびＣｕ量が多いために、ろう付け時に局部溶融が生じ
た。No.12 、No.13 は、それぞれＺｒ量およびＣｒ量が
多いため、電気伝導度が低い。

【００２８】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、ろう付
け性に優れ、ろう付け後の強度、熱伝導度および犠牲陽
極効果に優れたアルミニウム合金フィン材が提供され、
フィン材の薄肉化が可能となり、熱交換器の軽量化、長
寿命化が達成される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 健志 東京都港区新橋５丁目11番３号 住友軽金 属工業株式会社内 (72)発明者 鈴木 祐治 東京都港区新橋５丁目11番３号 住友軽金 属工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｍｎ1.5 ％（質量％、以下同じ）を越え
   2.2 ％以下、Ｓｉ0.5 〜1.2 ％、Ｆｅ0.1 〜0.6 ％、Ｍ
   ｇ0.05〜1.0 ％、Ｚｎ1.0 〜3.0 ％、Ｃｕ0.3 ％を越え
   1.0 ％以下を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からな
   ることを特徴とする熱交換器用高強度アルミニウム合金
   フィン材。
2. 【請求項２】 Ｍｎ1.5 ％を越え2.2 ％以下、Ｓｉ0.5
   〜1.2 ％、Ｆｅ0.1〜0.6 ％、Ｍｇ0.05〜1.0 ％、Ｚｎ
   0.5 〜3.0 ％、Ｃｕ0.3 ％を越え1.0 ％以下を含有し、
   さらにＺｒ0.25％以下、Ｃｒ0.25％以下の１種または２
   種を含み、残部Ａｌと不可避的不純物からなることを特
   徴とする熱交換器用高強度アルミニウム合金フィン材。