換熱器用鋁合金擠壓材料及其制造方法

專利名稱：換熱器用鋁合金擠壓材料及其制造方法
技術區域本發明涉及換熱器用鋁合金擠壓材料及其制造方法。
背景技術：
在蒸發器、電容器等汽車用鋁合金換熱器中，作為工作流體通道材料，使用具有被多個隔片分割的多個中空部的鋁合金擠壓扁平多孔管。
近年來，從地球環境問題出發，為了汽車的輕量化，不斷開展裝載于汽車上的換熱器的輕量化，并且要求進一步薄壁化換熱器用鋁合金材料。對于作為工作流體通道材料的鋁合金扁平多孔管來說，通過薄壁化可以減少截面面積，在其制造上可將擠壓比(擠壓容器的截面面積/擠壓材料的截面面積)增加至數百至數千，因此，急需進一步提高擠壓性的材料。
而且，在以往技術中，上述換熱器使用氟類化合物(氟隆氣，flon)作為冷凍劑，但是作為地球溫室化的對策，目前正研究著以碳酸氣體作為代替冷凍劑使用的方案。當以碳酸氣體作為冷凍劑使用的情況下，與以往的氟隆氣冷凍劑相比，其工作壓力升高，因此要求換熱器的各構件的高強度化，對于工作流體通道管來說，在換熱器釬焊組裝后，也謀求具有高強度的材料。
為了獲得高強度鋁合金材料，較有效的方法是添加Si、Fe、Cu、Mn、Mg等合金元素，但是就Mg來說，在目前的鋁合金制換熱器的組裝中，采用成為釬焊法的主流的氟化物類焊劑進行惰性氣體環境釬焊時，氟化物類焊劑與材料中的Mg反應而降低焊劑的活性，從而其釬焊性也隨之下降；就Cu來說，因為碳酸氣體冷凍劑循環是在工作溫度達到150℃左右的高溫，因此，若材料中含有Cu，則存在晶間腐蝕敏感性變高的問題。
由此，也有人嘗試著通過在純Al類材料中添加Si、Fe、Mn來提高強度，但是如果添加高濃度的Mn、Si，則固溶于鋁基體中的Mn、Si使變形抗力提高，與純Al類材料相比，如上述擠壓扁平多孔管那樣的擠壓比達數百～數千的物質的擠壓性極其差。擠壓性是以擠壓所需的沖壓壓力，或者在不對扁平多孔管的中空部的隔片產生任何損壞的情況下擠壓而得的最大擠壓速度(臨界擠壓速度)作為指標進行評價，但是當添加高濃度的Mn、Si的情況下，與純Al類材料相比，沖壓壓力上升，容易產生沖模的破損或者磨損，同時臨界擠壓速度也降低，因此生產性較差。
在復印機等感光滾筒用Al-Mn類合金中，提出通過進行兩個階段的均質化處理對Mn的分布進行均質化的同時，粗略析出Mn而減少Mn的固溶量，從而降低變形抗力、提高擠壓性的方案(請參照專利文獻1)，但是就算上述材料適于用作汽車用換熱器的流體通道材料，為了粗略析出Mn而被析出的Mn很難再固溶，無法期待通過釬焊組裝后的Mn的再固溶來提高流體通道材料的強度。
通過Al-Mn類合金的多孔性(porthole)擠壓法制造汽車用冷卻器等汽車換熱器的管道用鋁合金管時，在1個鋼坯的擠壓中，末端部的含Mn化合物的析出量多于鋼坯頭部。上一個鋼坯接著下一個鋼坯，連續地進行連續擠壓，則在連續擠壓部分中，析出較多的含Mn化合物的前面的鋼坯的末端形成熔敷部，析出較少的含Mn化合物的下一個鋼坯的頭部形成熔敷部之外的部分，因此熔敷部和熔敷部之外的部分之間產生含Mn化合物的析出狀態的差異，并且在腐蝕環境下，電位低的熔敷部首先被腐蝕。作為其對策，提出了通過對特定組成的Al-Mn類合金進行兩個階段的均質化處理，從鑄塊基體中粗略析出含Mn化合物，從而減少擠壓鋼坯的頭部與末端側之間的Mn固溶量之差，消除熔敷部與熔敷部之外的部分之間的含Mn化合物的析出狀態之差異，從而防止熔敷部的優先腐蝕的方法(請參照專利文獻2)，但是就此方法來說，也是為了粗略析出Mn而被析出的Mn很難再固溶，無法期待在釬焊組裝之后通過Mn的再固溶來提高流體通道材料的強度。
另外，作為制造汽車換熱器用鋁合金擠壓材料的方法，還提出了使用含有Mn0.3～1.2％及Si0.1～1.1％，Mn含量與Si含量的比(Mn％/Si％)為1.1～4.5，選擇性地含有Cu0.1～0.6％，并由剩余部Al及不可避免的雜質構成的鋁合金，為了提高其擠壓性，經在530～600度條件下加熱3～15小時，又在450～550度條件下加熱0.1～2小時的兩個階段來進行鑄塊的均質化處理的方案(請參考專利文獻3)。通過此方法，可以提高一定程度的擠壓性，但是擠壓加工例如圖1所示的薄壁的多孔扁平管時，也有擠壓性不是很充分的情況，為了可靠地得到高臨界擠壓速度，有待進一步加以改善。
專利文獻1特開平10-72651號公報專利文獻2特開平11-172388號公報專利文獻3特開平11-335764號公報發明內容上述方法是通過進行高溫均質化處理及低溫均質化處理，減少母相中的溶質元素的固溶量、降低變形抗力，發明人為了基于上述方法進一步改善其擠壓性，進行試驗、研究的結果，發現尤其是在低溫下進行長時間的均質化處理，就可以加快溶質元素的析出而降低固溶度，將固溶度的下降臨界視為鑄塊的導電率，對具有特定值以上的導電率的鑄塊進行擠壓加工，則確實能夠獲得改善了的臨界擠壓速度。
本發明是基于上述內容，為了改善擠壓性的同時，獲得作為汽車用換熱器的工作流體通道材料，具有充分的強度、耐晶間腐蝕性、釬焊性的鋁合金擠壓材料，對合金組成與鑄塊的均質化處理條件的關系，進行進一步的試驗及研究的結果而成，其目的在于，提供一種擠壓性優越，以高速臨界擠壓速度擠壓出薄壁化的扁平多孔管，并在高溫下的耐晶間腐蝕性優越的高強度換熱器用鋁合金擠壓材料及其制造方法。
為了達到上述目的的技術方案1是，提供一種換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，由具有如下組成的鋁合金制成，該鋁合金含有Mn0.2～1.8％(重量％，以下相同)、Si0.1～1.2％，Mn含量及Si含量比(Mn％/Si％)為0.7～2.5，并且作為雜質含有將含量控制在0.05％以下的Cu，且剩余部分由Al及雜質構成，所述鋁合金擠壓材料的導電率為50％IACS以上，析出于基體中的金屬間化合物的平均粒徑為1μm以下。
根據技術方案2所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，技術方案1中所述的鋁合金進一步含有0.4％以下的Mg(不含0％，以下相同)。
根據技術方案3所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，技術方案1或2所述的鋁合金進一步含有1.2％以下的Fe。
根據技術方案4所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，技術方案1至3中任一項所述的上述鋁合金進一步含有0.06～0.30％的Ti。
根據技術方案5所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，技術方案1至4中的任一項所述的上述鋁合金的Si含量為0.4～1.2％，Mn與Si的總含量為1.2％以上。
根據技術方案6所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，如技術方案1至5中的任一項所述，在600℃溫度加熱3分鐘，以平均降溫速度150℃/分鐘進行冷卻后的拉伸強度為ll0MPa以上。
根據技術方案7所述的鋁合金擠壓材料的制造方法，是制造如技術方案1至6中的任一項所述的鋁合金擠壓材料的方法，進行在550～650℃溫度下將具有上述組成的鋁合金鑄塊加熱兩小時以上的第1段均質化處理，之后進行在400～500℃溫度下加熱3小時的第2段均質化處理，使得鑄塊的導電率達到50％IACS以上，析出于基體中的金屬間化合物的平均粒徑為1μm以下，然后進行熱擠壓加工。
本發明提供了可以高臨界擠壓速度擠壓出擠壓性優越、薄壁化的扁平多孔管，在高溫下的耐晶間腐蝕性優越的高強度換熱器用鋁合金擠壓材料及其制造方法。


圖1為本發明所述擠壓材料的一實施例的鋁合金擠壓扁平多孔管的截面圖。
具體實施例方式
若對本發明的鋁合金中的合金成分的意義及限定理由進行說明，則Mn的功能是，在換熱器組裝工藝中的釬焊加熱過程中，固溶于母相中，并提高強度。其較佳含量為0.2～1.8％的范圍，若低于0.2％，則其效果微弱，若高于1.8％，則其擠壓性的下降比強度增加效果更加明顯。Mn的最佳含量范圍為0.8％～1.8％。
Si的功能是，在換熱器組裝工藝中的釬焊加熱過程中，固溶于母相中，并提高強度。較佳含量為0.1～1.2％的范圍，如果低于0.1％，則其效果微弱，如果高于1.2％，則其擠壓性的下降明顯于強度增加效果。Si更理想的含量范圍是0.4～1.2％，通過將Si的含量控制在0.4～1.2％，將Mn與Si的總含量控制在1.2％以上，可獲得優越的擠壓性及強度。
對于上述Mn及Si的含量范圍，將Mn含量與Si含量之比(Mn％/Si％)調為0.7～2.5％，能進一步改善其擠壓性。
Cu通過釬焊固溶而提高強度，但是為了能夠抑制作為汽車用換熱器在惡劣環境下使用時的晶間腐蝕，也為了避免降低擠壓性，將Cu的含量控制在0.05％以下。如果Cu含量超過0.05％，特別是用于碳酸氣體冷凍劑循環時，工作溫度達到150℃左右的高溫，因此晶粒邊界中的Al-Mn類化合物等的析出明顯，易于發生晶間腐蝕。并且，還降低擠壓性。
Mg通過將其含量控制在0.4％，在使用氟化物類塑料的惰性氣體環境釬焊過程中，無其他問題地貢獻于強度的提高。如果Mg含量超過0.4％，則對氟化物類塑料進行釬焊時，與以氟鋁酸鉀為基礎的氟化物類塑料進行反應而生成MgF2、KMgF5等化合物，塑料的活性度下降，并使釬焊性惡化。
Fe的功能是提高強度。較佳的含量范圍是1.2％以下，如果高于1.2％，則在鑄造時生成大量Al-Fe類化合物、Al-Fe-Si類化合物而阻礙其擠壓性。并且，在作為汽車用換熱器使用的過程中，上述Al-Fe、Al-Fe-Si類化合物成為負極，降低自身的耐腐蝕性。
Ti在合金中形成高濃度區域及低濃度區域，這些區域在材料的壁厚方向上交叉地層狀分布，Ti為低濃度的區域相比于高濃度的區域優先被腐蝕，因此腐蝕形狀呈現層狀，也因如此，壁厚方向上的腐蝕受到阻撓，耐腐蝕性及耐晶間腐蝕性提高。較理想的Ti含量范圍為0.06～0.30％，如果低于0.06％，則其效果不充分，如果高于0.30％，則在鑄造時生成粗大的化合物有損于擠壓性，因此很難獲得完整的擠壓制品。更理想的Ti含量范圍是0.10～0.25％。并且，本發明的鋁合金擠壓材料中含有含量低于0.06％的Ti、0.1％以下的B也不會影響本發明的效果，可允許含有總含量在0.25％以下范圍的Cr、Zn、Zr等雜質。
本發明的鋁合金擠壓材料是通過將上述組成的鋁合金溶解，通過半連續鑄造等進行鑄造，將獲得的鑄塊(擠壓用鋼坯)在550～650℃溫度下加熱兩個小時以上而進行第1段均質化處理，之后以400～500℃溫度加熱3個小時以上而進行第2段均質化處理，使鑄塊的導電率成為50％IACS以上之后，進行熱擠壓加工而獲得。
在第1段均質化處理中，使鑄造凝固時形成的粗大的結晶物質分解、粒子化或再固溶。如果溫度低于550℃，則其效果不充分，溫度越高其效果也更明顯，但是超過了650℃，則有融解的可能性。更理想的第1段均質化處理溫度是580～620℃。處理時間越長反應更充分，因此最好將處理時間設定為10個小時以上。如果處理時間超過24個小時則其效果飽和，就算處理時間超過24小時也無法期待更好的效果，其經濟性也不理想。更理想的處理時間是10～24小時。
如上所述，在第1段均質化處理中，分解、粒子化或再固溶在鑄造凝固時形成的粗大的結晶物質。同時，也促進作為溶質元素的Mn、Si向母相中的固溶，但是如果溶質元素向母相中的固溶度高，則母相中轉移的運動速度降低而使變形抗力提高。因此，在只進行第1段高溫均質化處理的情況下實施熱擠壓加工，則其擠壓性會降低。
進行第1段高溫均質化處理后，再進行第2段低溫均質化處理，則固溶于母相中的Mn、Si析出，能夠降低Mn、Si的固溶度，之后降低熱擠壓加中的變形抗力，從而可提高擠壓性。如果處理溫度低于400℃，則其效果不充分，如果高于500℃，則很難實現析出，其效果也不充分。處理時間越長反應得越充分，因此最少也需要3小時以上，較理想的處理時間為5小時以上。如果處理時間超過24小時，則效果飽和，即使處理時間超過24小時也無法期待更好的效果，并且其經濟性也不理想。更理想的處理時間為5～15小時。
通過對鑄塊實施上述第1段及第2段的均質化處理，可降低溶質元素固溶在母相中的固溶度，提高擠壓性，但是導電率成為溶質元素的固溶度的指標，如果固溶度提高導電率則下降，若進行析出而降低固溶度則導電率提高。獲得更良好的擠壓性所需的固溶度的理想臨界是將鑄塊的導電率控制在50％IACS以上，調整第1段高溫均質化處理的條件和第2段低溫均質化處理條件的組合，特別是通過組合長時間的低溫均質化處理，能夠可靠地獲得50％IACS以上的導電率，從而可靠地提高擠壓性。
第1段均質化處理及第2段均質化處理通常是連續實施，但是并不是必須連續實施，例如，進行第1段均質化處理后，將鑄塊(擠壓用鑄坯)冷卻到常溫，然后再進行第2段均質化處理也可以。
將鑄塊的導電率設在50％IACS以上的情況下，在熱軋擠壓加工過程中溶質元素的再固溶幾乎沒有，因此在熱擠壓加工后也可以保持50％IACS以上的導電率。并且，通過熱擠壓加工所獲得的鋁合金擠壓材料通過釬焊裝配在換熱器上，從而被釬焊接合，但此時，通過上述第2段均質化處理析出的Mn、Si再固溶于母相中，因此釬焊后的導電率不足50％IACS。
當在汽車用換熱器中，使用碳酸氣體冷凍劑循環時，工作溫度為150℃左右的高溫，因此構件需要蠕變強度。在本發明中，通過上述第2段均質化處理析出的Mn、Si經釬焊加熱后，再固溶于母相中，因此，阻撓母相中的轉移運動并提高耐蠕變性。在本發明中，為了促進再固溶，最好是將析出于熱擠壓材料的基體中的Al-Mn類、Al-Mn-Si類等金屬間化合物的微粒子的平均粒徑控制在1μm以下。
如上所述，當鑄塊的導電率在50％IACS以上的情況下，熱擠壓加工中的溶質元素的再固溶幾乎沒有，因此，為了將析出于熱擠壓材料的基體中的化合物的微粒子的平均粒徑控制在1μm以下，應將通過第2段均質化處理析出的化合物的平均粒徑控制在1μm以下，這種細微的金屬間化合物的析出，可以通過組合第1段均質化處理的條件與第2段均質化處理的條件、調整進行均質化處理后的冷卻速度來獲得。
通過以上方法制造的鋁合金擠壓材料中，在600℃溫度加熱3小時以上，以150℃/分鐘的平均降溫速度進行冷卻，進行相當于釬焊加熱的處理后的張力強度達到110Mpa以上的高強度。
以下，將本發明的實施例與對比例比較而進行說明。而此實施例為本發明的一具體實施例，本發明并不受該實施例的限制。
將具有表1的組成的鋁合金造塊擠壓用鑄坯，對所得到的鑄坯，在表2所示的條件下進行第1段均質化處理及第2段均質化處理，熱擠壓加工成具有圖1所示截面形狀的扁平多孔管，將所獲得的擠壓材料作為試驗材料，通過以下方法，對臨界擠壓速度、拉伸強度、釬焊性、耐晶間腐蝕敏感性進行評價。均質化處理后的導電率、擠壓后的導電率、釬焊后的導電率、均質化處理后的金屬間化合物的平均粒徑、擠壓后的金屬間化合物的平均粒徑(相當于圓平均粒徑將金屬間化合物的端面積換算成圓的端面積，求出其平均直徑)表示于表3中，釬焊性、臨界擠壓速度、拉伸強度、耐晶間腐蝕敏感性的評價結果表示于表4中。但是，在表1～3中，脫離本發明條件的部分用下劃線示出。
臨界擠壓速度以在純鋁中添加少量Mn、Cu的以往合金(試驗材料No.15，合金L)的臨界擠壓速度(165m/分鐘)為準，以相對于此的比例進行評價(假設以往合金的臨界擠壓速度為1.0)，將臨界擠壓速度為0.9～1.0的用◎表示，0.8以上且不足0.9的用○表示，0.7以上且不足0.8的用△表示，不足0.7的用×表示。
拉伸強度在模擬釬焊的氮氣介質中，600℃條件下對試驗材料加熱處理3分鐘，并以150℃/分鐘的平均降溫速度進行冷卻，采用拉伸試驗片進行拉伸試驗。
釬焊性在試驗材料的表面上涂布10g/m2的以氟鋁酸鉀為底料的氟化物類焊劑，與硬釬焊針組合在600℃條件下加熱3分鐘，以肉眼觀察其接合性，如果角焊縫完整且接合理想則視為良好(○)，角焊縫不完整的視為不良(×)。
晶間腐蝕敏感性為了釬焊性試驗，進行釬焊加熱后，為了模擬在150℃條件下的使用，在150℃下熱處理120個小時，在30g/l的NaCl水溶液中添加10ml/l的HCl的溶液中浸泡24小時，之后通過觀察截面來調查晶間腐蝕的有無情況，不產生晶間腐蝕的用○表示，產生晶間腐蝕的用×表示。
本說明書中的“以上”為“大于等于”；“以下”為“小于等于”。
表1

注合金M為現有合金表2

表3

表4

如表4所示，符合本發明條件的試驗材料No.1～7皆臨界擠壓速度高、釬焊加熱后的拉伸強度也是110MPa以上的優良強度，釬焊性良好，并且耐晶間腐蝕性也優越。
與此相反，試驗材料No.8含有大量Si及Mn，因此擠壓性下降，試驗材料No.9含有少量Si及Mn，因此其強度較差。試驗材料No.10含有Cu，因此耐晶間腐蝕性較差，試驗材料No.11含有大量Mg，因此其釬焊性較差。試驗材料No.12含有大量Fe，因此擠壓性下降，耐晶間腐蝕性也較差。
試驗材料No.13因其第1段均質化處理的溫度低，試驗材料No.14因其第2段均質化處理的溫度高，而試驗材料No.15因其第2段均質化處理的時間較短，擠壓性都較差。試驗材料No.16是含Cu的現有合金，耐晶間腐蝕性差。
權利要求
1.一種換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，由具有以下組成的鋁合金制成，所述鋁合金含有Mn0.2～1.8重量％、Si0.1～1.2重量％，Mn重量百分含量和Si重量百分含量比為0.7～2.5，并且作為雜質含有含量控制在0.05重量％或其以下的Cu，剩余部由Al及雜質構成，所述鋁合金擠壓材料的導電率為50％IACS或其以上，析出于基體中的金屬間化合物的平均粒徑為1μm或其以下。
2.根據權利要求1所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，所述鋁合金進一步含有0.4重量％或其以下的Mg，但不含0％。
3.根據權利要求1或2所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，所述鋁合金進一步含有1.2重量％或其以下的Fe，但不含0％。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，所述鋁合金進一步含有0.06重量％～0.30重量％的Ti。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，所述鋁合金的Si含量為0.4重量％～1.2重量％，Mn與Si的總含量為1.2重量％或其以上。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的換熱器用鋁合金擠壓材料，其特征在于，在600℃溫度加熱3分鐘，以平均降溫速度150℃/分鐘進行冷卻后的拉伸強度為110MPa或其以上。
7.一種權利要求1至6中任一項所述的鋁合金擠壓材料的制造方法，其特征在于，進行在550～650℃溫度下將具有上述組成的鋁合金鑄塊加熱兩小時或其以上的第1段均質化處理，之后進行在400～500℃溫度下加熱3小時或其以上的第2段均質化處理，使得鑄塊的導電率達到50％IACS或其以上，析出于基體中的金屬間化合物的平均粒徑為1μm或其以下，然后進行熱擠壓加工。
全文摘要
本發明提供一種擠壓性優越，能夠以高速臨界擠壓速度擠壓出薄壁化的扁平多孔管，并在高溫下的耐晶間腐蝕性優越的高強度換熱器用鋁合金擠壓材料及其制造方法。其特征在于，由具有以下組成的鋁合金制成，該鋁合金含有Mn0.2～1.8％(重量％，以下相同)、Si0.1～1.2％，Mn含量及Si含量比(Mn％/Si％)為0.7～2.5，并且作為雜質含有含量控制在0.05％以下的Cu，剩余部分由Al及雜質構成，其導電率為50％IACS以上，析出于基體中的金屬間化合物的平均粒徑為 1μm以下。
文檔編號C22F1/04GK1654693SQ20051000821
公開日2005年8月17日 申請日期2005年2月7日 優先權日2004年2月13日
發明者長谷川義治, 中村友彥, 川久保昌章, 山下尚希, 伊藤泰永, 疋田達也 申請人:株式會社電裝, 住友輕金屬工業株式會社