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特開2022-29775アルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法
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  • 特開-アルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022029775
(43)【公開日】2022-02-18
(54)【発明の名称】アルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法
(51)【国際特許分類】
   C22C 1/02 20060101AFI20220210BHJP
   C22C 21/00 20060101ALI20220210BHJP
   B22D 21/04 20060101ALI20220210BHJP
   B22D 27/06 20060101ALI20220210BHJP
   B23K 35/28 20060101ALI20220210BHJP
【FI】
C22C1/02 503J
C22C21/00 D
B22D21/04 A
B22D27/06 Z
B23K35/28 310B
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020133269
(22)【出願日】2020-08-05
(71)【出願人】
【識別番号】000176707
【氏名又は名称】三菱アルミニウム株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100142424
【弁理士】
【氏名又は名称】細川 文広
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】渡邊 政宗
(72)【発明者】
【氏名】三宅 秀幸
(72)【発明者】
【氏名】吉野 路英
(72)【発明者】
【氏名】宮崎 圭司
(72)【発明者】
【氏名】松下 彬
(72)【発明者】
【氏名】谷口 兼一
(57)【要約】
【課題】本発明は、アルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、質量%でSiを1.5~14.0%、Srを0.005~0.1%、不可避不純物としてPを0.005%以下含有するアルミニウム合金ろう材の製造において、少なくともSiとSrを含むアルミニウム合金溶湯を作製した後、溶解炉または保持炉にて650℃以下に降温し、5分以上温度保持した後、再び680~780℃まで昇温して鋳造を行うことを特徴とする。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量%でSiを1.5~14.0%、Srを0.005~0.1%、不可避不純物としてPを0.005%以下含有し、残部がアルミニウムからなるアルミニウム合金製のアルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法において、
少なくともSiとSrを含むアルミニウム合金溶湯を作製した後、溶解炉または保持炉にて650℃以下に降温し、5分以上温度保持した後、再び680~780℃まで昇温して鋳造を行うことを特徴とするアルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法。
【請求項2】
前記ろう材において、アルミニウム合金鋳塊の厚み方向中心部の観察において、
長辺の長さ50μm以上の粗大Si晶出物が、1mmあたり10個以下であることを特徴とする請求項1に記載のアルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法。
【請求項3】
前記アルミニウムブレージングシート用ろう材において、その他元素として2.5%以下のMg、0.5%以下のBi、1.0%以下のFe、0.3%以下のTi、0.3%以下のZr、6.0%以下のZn、0.5%以下のCu、1.0%以下のNi、0.5%以下のIn、0.5%以下のSnのうちいずれか1種類または2種類以上を含有し、かつMg、Bi、Fe、Ti、Zrの総量が2.5%以下、Zn、Cu、Ni、In、Snの総量が6.5%以下であることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のアルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ラジエータなどのアルミニウム製自動車用熱交換器にあっては、小型軽量化とともにアルミニウム材料の薄肉高強度化が進められている。アルミニウム製熱交換器の製造では、継手を接合するろう付けが行われる。
【0003】
アルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法の先行例として、Al-Si系ろう材にNaやSr、Sbを含有させることで粗大Si晶出物の生成を抑制する方法が知られている(特許文献1参照)。
アルミニウムブレージングシート用ろう材において、粗大Si晶出物は、ろう付け時にAl中に拡散し、Si濃度を上昇させるので、Alの融点を低下させ、ろう付け時に局所的に溶融するエロージョンが発生する原因となる。そのため、アルミニウムブレージングシート用ろう材においては粗大Si晶出物が生成しないようにすることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第4636520号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
そこで本発明者らがAl-Si系ろう材における粗大Si晶出物について研究したところ、Al-Si系で亜共晶組成であっても、あたかも初晶Siのような粗大なSiが晶出する場合があり、この粗大Si晶出物はAlPを核として生成することを知見した。Pは不可避不純物として、アルミニウム合金溶湯中に微量ながら含まれていると思量される。
そこで本発明者らが、アルミニウム合金溶湯中に含まれているPの影響を除外するために、粗大Si晶出物抑制元素として知られるSrの効果的な添加方法について調査し、本願発明に到達した。
【0006】
本願発明は、以上説明の背景に鑑みなされたもので、ろう付けにおいて良好な接合性が得られるアルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
(1)本形態に係る製造方法は、質量%でSiを1.5~14.0%、Srを0.005~0.1%、不可避不純物としてPを0.005%以下含有し、残部がアルミニウムからなるアルミニウム合金製のアルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法において、少なくともSiとSrを含むアルミニウム合金溶湯を作製した後、溶解炉または保持炉にて650℃以下に降温し、5分以上温度保持した後、再び680~780℃まで昇温して鋳造を行うことが好ましい。
【0008】
(2)本形態に係るアルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法では、前記アルミニウムブレージングシート用ろう材において、アルミニウム合金鋳塊の厚み方向中心部の観察において、長辺の長さ50μm以上の粗大Si晶出物が、1mmあたり10個以下であることが好ましい。
【0009】
(3)本形態に係るアルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法において、前記ろう材において、その他元素として2.5%以下のMg、0.5%以下のBi、1.0%以下のFe、0.3%以下のTi、0.3%以下のZr、6.0%以下のZn、0.5%以下のCu、1.0%以下のNi、0.5%以下のIn、0.5%以下のSnのうちいずれか1種類または2種類以上を含有し、かつMg、Bi、Fe、Ti、Zrの総量が2.5%以下、Zn、Cu、Ni、In、Snの総量が6.5%以下であることが好ましい。
本発明において、(1)に記載の元素に対し、前記(3)に記載の元素を添加しても良い。また、それら元素の添加タイミングは前記温度保持の前後どちらでも良い。なお、保持温度以下で添加元素由来の化合物を生じるような場合は、前記再昇温の後に添加することが好ましい。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、ブレージングシートに用いた際に、エロージョンの原因となる粗大Si晶出物の数が少なく、良好で安定したろう付け接合を行うことが可能になるアルミニウムブレージングシート用ろう材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明に係るアルミニウムブレージングシート用ろう材を用いたブレージングシートの一例を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
第1実施形態のアルミニウムブレージングシート用ろう材は、少なくとも二層以上の複層構造を有するアルミニウムブレージングシートにおいて、心材と、心材の片面または両面にクラッドされて最表面に位置するろう材として使用できる。
あるいは、心材の片面にろう材をクラッドし、心材の他面に犠牲材をクラッドした三層構造のブレージングシートに用いても良い。あるいは、心材に中間材などを積層して積層材としたものの片面あるいは両面に上述のろう材をクラッドしたアルミニウムブレージングシートに用いても良い。
【0013】
前記アルミニウムブレージングシート用ろう材は、一例として、質量%でSiを1.5~14.0%、Srを0.005~0.1%、不可避不純物としてPを0.005%以下含有し、残部がAlからなるAl-Si系ろう材を用いることができる。また所望により上記以外の添加元素を加えることができる。
【0014】
前記アルミニウムブレージングシート用ろう材のアルミニウム合金鋳塊は、厚み方向中心部の観察において、長辺の長さ50μm以上の粗大Si晶出物が、1mmあたり10個以下であることが好ましい。
粗大Si晶出物のサイズと数は、アルミニウム合金鋳塊を厚み方向に対して半分に切断後、厚み方向中心部から組織観察用サンプルを採取し、厚み方向に対して垂直な面を研磨後に光学顕微鏡で撮影し、画像解析ソフト(例えば、ImageJ,Wayne Rasband開発)を用いた粒子解析で測定できる。光学顕微鏡の撮影倍率は、例えば100倍とすることができる。
【0015】
以下に、本実施形態のアルミニウムブレージングシート用ろう材において規定される組成等について説明する。なお、含有量の記載はいずれも質量比で示され、質量比の範囲について「~」を用いて表記する場合、特に指定しない限り、下限と上限を含む表記とする。よって、一例として1.5~14.0%は、1.5質量%以上14.0質量%以下の含有量を意味する。
<Si:1.5~14.0% >
Siは、ろう付け時に溶融ろうを形成し、接合部のフィレットを形成する。但し、Si含有量が過小であると、フィレットを形成するための溶融ろうが不足する。一方、Siを過剰に含有すると、効果が飽和するだけでなく、粗大Si晶出物が生成して、ろう付け時にエロージョンが発生する原因となったり、材料が硬く脆くなったりするため、素材製造が困難になる。このため、本実施形態のろう材において、Siの含有量を前記範囲に定める。
なお、同様の理由でSi含有量を3.0~12.0%とするのが望ましい。
【0016】
<Sr:0.005~0.1%>
Srの添加は粗大Si晶出物の生成抑制に寄与する。Sr含有量を0.005%未満とすると前記生成抑制効果が不足となり、粗大Si晶出物が生成するので好ましくない。Sr含有量を0.1%超えにするとSr系化合物が粗大化し、鋳造性や圧延性を悪化させる。
【0017】
<P:0.005%以下>
Pは不可避不純物として、再生塊や二次地金あるいはSi添加用の母合金や金属Siといったアルミニウム合金溶湯の原料に含まれている元素である。AlとPがアルミニウム合金溶湯中で反応して生成するAlPは、核として働くことで粗大Si晶出物の生成を促進させる。したがってP含有量は0.005%以下に抑えることが望ましい。
【0018】
上記以外の元素として、主にろう付け性向上の観点から、2.5%以下のMg、0.5%以下のBi、1.0%以下のFe、0.3%以下のTi、0.3%以下のZrを添加することができる。また主に耐食性向上の観点から、6.0%以下のZn、0.5%以下のCu、1.0%以下のNi、0.5%以下のIn、0.5%以下のSnを添加することができる。
なお、Mg、Bi、Fe、Ti、Zrの総量が2.5%以下、Zn、Cu、Ni、In、Snの総量が6.5%以下であることが望ましい。
【0019】
「アルミニウムブレージングシート用ろう材の製造方法」
アルミニウムブレージングシート用ろう材の合金鋳塊を製造する場合、製造目的とするろう材の組成に調製してアルミニウム合金を溶製する。この溶製は例えば、半連続鋳造法によって行うことができる。
まず、溶解炉もしくは保持炉を用い、アルミニウム合金溶湯を最初に作製する。
この場合、アルミニウム合金溶湯温度は700~780℃に調整し、少なくともSiとSrを添加し溶解させる。
【0020】
次に、溶解炉もしくは保持炉にてアルミニウム合金溶湯の温度を650℃以下に降温した後、5分程度以上温度保持する。アルミニウム合金溶湯を降温した温度に保持することにより、AlSiSrが晶出して内部にPを取り込むことで、アルミニウム合金溶湯中の液相中におけるP濃度が低減し、粗大Si晶出物の核となるAlPの生成を抑制することができると考えられる。
【0021】
なお、前記温度保持を経ずに鋳造を行った場合でもAlSiSrの晶出とそれに伴うAlPの生成抑制は起こり得るが、その場合、前記アルミニウム合金溶湯が通常の半連続鋳造等における冷却速度でAlSiSrの晶出可能温度域を通過することになるため、製造条件によってはAlSiSrの晶出に充分な時間を確保することが困難と考えられる。
前記温度保持を行ったままの状態で保持炉から出湯してしまうと、半連続鋳造装置に設けられている樋や分配器を通過中にアルミニウム合金溶湯が温度低下し、途中で凝固してしまうため、鋳造可能な最低限の溶湯温度まで再昇温する必要がある。再昇温でAlSiSrは緩やかに再溶融するが、過剰に温度を高くしなければ、再溶融の量は抑えられる。再昇温温度は具体的には680~780℃、より好ましくは700~740℃とすることができる。
【0022】
前記保持温度について、AlSiSrの晶出温度はSi濃度やその他添加元素の量によって変動し得るが、目安として650℃を用いることができる。また、低温度ほどAlSiSr晶出量の増加が期待できるが、温度を下げすぎると再昇温時により多くのエネルギーが必要になり、また温度保持中にアルミニウム合金溶湯が完全に凝固してしまい、鋳造設備を壊してしまう危険性があるため、580~650℃の範囲を保持温度とすることが好ましい。また、温度保持時間は、製造に適する範囲内で長くしても良いが、前記温度範囲で10分程度温度保持すればAlSiSrの晶出はほぼ完了すると考えられる。
【0023】
この結果として、アルミニウム合金溶湯中のAlP生成が抑えられた状態での鋳造が可能となるため、AlPを核とする粗大Si晶出物の生成が抑制されたアルミニウム合金鋳塊を得ることができる。
アルミニウム合金鋳塊として、例えば、その厚み方向中心部の観察において、長辺の長さ50μm以上の粗大Si晶出物が、観察視野1mmあたり10個以下であるようなアルミニウム合金鋳塊を作製できる。
【0024】
このアルミニウム合金鋳塊に対し、熱間圧延と冷間圧延を行うことで板状のろう材を得ることができる。さらに、この板状のろう材を板状の心材などと組み付けてクラッド圧延することで、図1に示すように、アルミニウム合金からなる心材1の両面にアルミニウム合金からなるろう材2がクラッドされた熱交換器用のアルミニウムブレージングシートAが得られる。なお、図1では、心材1の両面にろう材2がクラッドされているアルミニウムブレージングシートAが記載されているが、心材の片面にろう材がクラッドされているアルミニウムブレージングシートであってもよい。また、心材の他の面に犠牲材などがクラッドされていたり、心材に中間材などを積層して積層材としたものの片面あるいは両面に上述のろう材をクラッドされていたりするアルミニウムブレージングシートであってもよい。
【0025】
以上説明したろう材2を備えたアルミニウムブレージングシートAであれば、熱交換器を構成する部品として、あるいは、ろう付け用部材として用い、ろう付けを行って熱交換器を製造した場合に、エロージョンの原因となる粗大Si晶出物の数が少なく、良好で安定したろう付け接合を行うことが可能になる。
【実施例0026】
表1、表2に示す組成(残部:Alと、P以外の不可避不純物)の各種アルミニウム合金鋳塊を下記工程にしたがって作製した。まず、原料を770℃に加熱溶解し、SiとSrを含むアルミニウム合金溶湯を作製した。
SiはAl-20%Si母合金、SrはAl-10%母合金を用いて添加したが、添加用原料はこれに限らず使用することができる。この後、アルミニウム合金溶湯を一度降温し、表1、表2に示す保持温度範囲かつ保持時間だけ温度保持し、その後、再昇温温度まで昇温した後、最終目的組成に調整し、鋳造を開始した。
【0027】
作製した各アルミニウム合金鋳塊の厚み方向中心部について、画像観察と粒子解析から、表1、表2に示すように円相当径で50μm以上の粗大Si晶出物の1mm視野あたりの個数を求めた。
【0028】
【表1】
【0029】
【表2】
【0030】
表1に示す実施例1は、Si:1.5~14.0%、Sr:0.005~0.1%、P:0.005%以下を含有し、実施例2~28は、さらにその他元素としてMg、Bi、Fe、Ti、Zr、Zn、Cu、Ni、In、Snのうちいずれか1種類または2種類以上を添加した組成のろう材である。またこれらの製造方法は表1に示すとおり、保持温度範囲650℃以下、保持時間5分以上、再昇温温度680~780℃をいずれも満たしており、その結果として粗大Si晶出物が1mmあたり10個以下であった。
このため、実施例1~28の条件で製造したろう材を用いたアルミニウムブレージングシートをろう付け処理した場合、粗大Si晶出物が少ないので、エロージョンを生じる可能性の低いろう付け接合ができる。
【0031】
表2に示す比較例29のようにSi含有量が多い場合、比較例30のようにSr含有量が少ない場合、比較例31のようにP含有量が多い場合、比較例32のように保持温度範囲が高い場合、比較例33のように保持時間が短い場合、比較例34のように再昇温温度が高い場合は、いずれも粗大Si晶出物が多く生成するため、耐エロージョン性に問題を生じた。
表2に示す比較例35のようにSi含有量が少ない場合、溶融ろうが不足してしまい、ろう付け性に問題を生じた。
表2に示す比較例36のようにSr含有量が多すぎる場合、粗大なSr化合物が生成し鋳造性、圧延性に問題を生じた。
表2に示す比較例37のように保持温度範囲が低い場合、温度保持中にアルミニウム合金溶湯の凝固が進行しすぎてしまい鋳造設備を破壊する恐れがあり、比較例38のように再昇温温度が低い場合、保持炉から鋳造機の途中でアルミニウム合金溶湯が完全に凝固してしまう恐れがあるため、いずれも鋳造不可と判断した。
【産業上の利用可能性】
【0032】
本発明の方法により製造されたろう材は、空調設備の室内機、室外機などの熱交換器あるいは自動車用熱交換器などのブレージングシートに広く用いることができる。
【符号の説明】
【0033】
A…アルミニウムブレージングシート、1…心材、2…ろう材、
図1