高温钎焊用薄钎焊板翅片部件以及使用其的热交换器的制造方法

专利名称：高温钎焊用薄钎焊板翅片部件以及使用其的热交换器的制造方法
技术领域：
本发明涉及用于铝合金热交换器的钎焊板翅片部件以及使用其的热交换器的 制造方法。更具体地说，作为被实施了波纹加工的翅片部件，涉及适于在超过610°c且为 625°C以下的高温达到温度下进行钎焊而使用的翅片部件，并涉及使用其的热交换器的制 造方法。
背景技术：
铝合金热交换器，由于其原料铝合金较轻且具有良好的热传导性，此外，通过使用 预先包覆有焊料(3々材)的铝钎焊板的炉内钎焊而进行接合的方式还适于批量生产，因 此一直被广为利用，特别是广泛应用于汽车用散热器、空调蒸发器、电容器等。近年来，汽车用热交换器有进一步轻量化的趋势，为此，迫切需要钎焊板翅片部件 等各结构材料减薄。钎焊板翅片部件主要用于与多孔挤压管部件等表面不具有焊料的部件 相接合的情况，一般使用芯材由Al-Mn系合金形成、在芯材的两面接合有Al-Si系合金形成 的焊料的3层包覆材料。以往，这样的焊板翅片部件主要为板厚100 μ m以上的材料，但最近也开始使用更 薄的翅片部件。在此，将板厚为85 μ m以下的翅片部件称为薄翅片部件，然而实际上，这样 的薄翅片部件在钎焊时焊料对芯材的腐蚀以及抗高温变形等各种特性方面，与现有的厚翅 片部件(例如板厚100 μ m以上的翅片)相比处于不利状态。此外，在材料减薄的同时，提高热交换器的生产效率也同样是重要的课题，如果能 够以短时间的加热结束钎焊工序，可以直接提高批量生产的效率。此外，如果能够在进行翅 片部件与管部件等的钎焊的同时也对现有技术中在钎焊之后利用其他工序安装的附属部 件进行接合，则可以进一步提高生产效率。作为这样的提高生产效率的具体方法之一，可以考虑通过使钎焊炉内的温度高于 材料温度，即通过附加(设定)所谓的温差(温度 7 K )，从而使钎焊加热的时间缩短。 利用这样的方法，对于热交换器的结构部件中热容量大的集水箱(header tank)等部件，也 可以在短时间内升温，对于热容量大的安装部件等附属部件，也可以同时进行钎焊接合。在上述附加了温差的钎焊加热的情况下，由于在被钎焊的热交换器的结构部件 中，热容量最大的部件的升温速度最慢，因此需要升温至足以使这样的大热容量部件的接 合部被充分钎焊的温度(例如600°C)。然而翅片部件是热交换器结构部件中最薄且热容 量最小的部件，将会达到高于其他部件的温度(例如超过610°C的温度)。因此，在使用这 样附加温差的钎焊加热方法的情况下，需要在比通常温度高的温度下可以被正常钎焊的翅 片部件，然而现实是，至今还没有利用薄钎焊板实现这种翅片部件的技术。
作为有关薄钎焊钣翅片部件的技术，已提出了如专利文献1、专利文献2所示的技 术，然而认为，这些提出的技术所提供的钎焊板翅片部件均不能承受超过610°C的高温钎焊 条件。
S卩，专利文献1所示的技术涉及板厚40 μ m以上、不足100 μ m的钎焊板翅片部件， 其要点为针对由特定成分的Al-Mn系合金芯材与Al-Si系焊料构成的翅片部件，进一步以 特定的不等式限定了焊料以及芯材的Si含量和焊料的包覆率。满足该不等式，则意味着由 焊料以及芯材的Si含量和焊料包覆率算出的总Si量超过由板厚确定的某一值，通过形成 钎焊时产生的熔融焊料的量多于某一量的状态，可以防止发生焊料不接合，并可以得到良 好的耐高温屈曲性(耐下垂性(耐寸”性))。然而，在该专利文献1的权利要求中，限定了 在600°C的温度下加热3分钟时的接合情况，正文的记载也仅仅提及了热交换器的钎焊通 常在600°C的温度下进行，因此该文献全然未认识到在高于此温度的温度下实施钎焊时所 存在的问题，当然针对在超过610°C的高温下进行钎焊时的问题的解决方法不能给出任何 启示。专利文献2所示的技术涉及板厚60 μ m以下的钎焊板翅片部件，主要通过将焊料 中的Si颗粒的平均圆直径(平均円相当径)调整为3μπ 以下，可以获良好的耐晶界腐蚀 性、耐高温屈曲性等。在该专利文献2中，针对钎焊条件也记载了通常升温至约600°C，实施 例也为同样条件，因此很明显，专利文献2的技术也未考虑薄翅片部件在超过610°C的高温 下被实施钎焊的情况。(专利文献1)日本特许第3170202号公报(专利文献2)日本特开2008-6480号公报为了实现上述利用附加了温差的加热进行的钎焊，需要一种即使材料钎焊时的最 高达到温度超过610°C，也能保持正常的波纹加工形状而进行接合的钎焊板翅片部件，且强 烈希望以85 μ m以下的薄翅片部件实现该目的。然而，为了实现这一目的，需要克服现有技 术中一般在大约600°C的钎焊温度下进行钎焊时、或利用较厚的翅片部件时所不会产生的 技术问题。即本发明者等发现，在超过610°C的高温下，在85 μ m以下的薄翅片部件被实施了 波纹加工的状态下进行的钎焊过程中，与通常的翅片的高温屈曲不同，会出现波纹翅片的 端部产生倾倒变形这一独特问题。参照图1、图2具体说明这一问题。图1、图2表示为了制作热交换器芯体而组合 预先被实施了波纹加工的钎焊板翅片部件1、多孔挤压管部件等管部件2以及集水箱3，加 热至超过610°C的高温钎焊温度，从而将这些热交换器芯体部件高温钎焊接合的状况，在这 种情况下，被实施了波纹加工的钎焊板翅片部件1的端部IA (例如集水箱3侧的端部)大 多作为上挺(或下垂)的自由端而存在。在这种情况下，若钎焊板翅片部件1的厚度较薄， 为85 μ m以下，则在用于进行钎焊的、超过610°C的高温下加热时，会产生如下现象，S卩如上 所述的钎焊板翅片部件1的自由端，即端部IA会如图1、图2的箭头P所示的那样变形，从 而向管侧倾倒。如果象这样在翅片端部IA产生倾倒变形，不仅会由于与设计形状不同而导 致产品外观欠佳，最坏的情况，还存在该变形了的翅片端部IA与集水箱(通常由钎焊 片形 成)接触导致集水箱侧的熔融焊料使翅片熔融的危险性。本发明者等通过实验确认，即使在实施了波纹加工的翅片的波峰部的形状未被破 坏或未产生翅片的屈曲的情况下，在超过610°C的高温钎焊中，在厚度大约为85 μ m以下的 薄翅片部件中，也会产生这样的端部异常变形。而且即使是在以往的通常大约600°C的温度 下的钎焊加热中高温抗屈曲性应该很好的钎焊板翅片部件，也会产生该端部异常变形。
在此，虽然也考虑上述翅片端部IA的异常的倾倒变形是由于作为自由端的端部 IA所受的重力的影响，然而本发明者等进一步不断探讨发现，即使在将芯体的各部件设置 为重力不作用在翅片端部IA的前端侧倾倒的方向上的情况下，也会产生端部异常变形，即 其并不仅仅是重力造成的。因此认为仅通过芯体的组装而改变钎焊时的配置方向不能解决 问题。本发明正是以上述情况为背景而作出的，目的在于提供一种钎焊板翅片部件，通 过对85 μ m以下的薄钎焊板翅片部件实施波纹加工，并组装热交换器芯体，从而在例如超 过610°C的高温下进行钎焊加热时，可以可靠且有效地防止发生上述翅片端部的倾倒变形。为了解决上述问题，对利用实施了波纹加工的薄钎焊板翅片部件组装热交换器芯 体，在超过610°C的高温下进行钎焊时所产生的端部的倾倒变形反复进行了各种调查、探 讨，发现，钎焊加热时翅片表面过剩的熔融焊料产生的表面张力影响该倾倒变形。即，即使 在设计上是将被实施了波纹加工的翅片部件在波峰部的顶点截断，但当其与管部件等组装 时，翅片部件会变为以某种程度浮起的状态(与管部件不接触的状态)，在这种情况下，由 于钎焊加热时靠近波峰部附近的填角(fillet，图2的F部分)处的熔融焊料的表面张力， 会如图2的箭头Q所示，将翅片部件向管侧拉拽。而特别是在超过610°C的高温钎焊中，与 以往的通常大约600°C的温度下的钎焊加热相比，熔融焊料的量急剧增加，来自于附近的填 角F侧的熔融焊料的表面张力所产生的拉伸力Q变大，再加上高温下材料强度也有所下降， 因此在厚度为85 μ m左右以下的较薄的翅片中，翅片端部IA如箭头P所示向管侧倾倒。而在以往通常在大约600°C的温度下的钎焊中、或使用大约100 μ m以上的较厚的 翅片部件的情况下，几乎不出现这样的现象，所以一直以来对此全然没有认识。

发明内容
于是，本发明者等认为，由于上述的翅片端部的倾倒变形起因于过剩的熔融焊料 的表面张力，如果通过适当的控制，使得即使在超过610°C的高温钎焊中熔融焊料也不会过 剩，则一定可以防止翅片端部的倾倒变形。基于这样的观点，经过再次探讨钎焊板翅片部件 的焊料中Si含量以及芯材中的Si含量与焊料包覆率发现，通过基于这些参数的相互关系 而适宜调整这些参数可以解决上述问题，从而完成了本发明。具体而言，第一方面的发明所涉及的高温钎焊用薄钎焊板翅片部件由在芯材的两 面接合有焊料的板厚为40 85 μ m的包覆部件形成，为被实施了波纹加工且在高温下被实 施了钎焊的薄钎焊板翅片部件，其特征在于，芯材由Al-Mn系合金形成，其中所述Al-Mn系 合金含有 0. 7 1. 5mass%&Mn、0. 05 0. 28mass%^ Si、0. 05 0. 75mass%^ Fe、其余 部分由Al与不可避免的杂质元素形成；焊料由含有6. 0 8. Smass%的Si的Al-Si系合 金形成，且焊料的单面平均包覆率为6. 5 12. 0%，且根据芯材中的Si含量Sic (mass% )、 焊料中的Si含量Sif(maSS%)以及焊料的单面平均包覆率CR(%)，使得下式(1)所确定 的X值为95以下。X = CRX (Sif-Sic+0. 6)+50 X Sic......(1)
第二方面的发明的特征在于，如第一方面发明所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片 部件，所述芯材由Al-Mn系合金形成，其中所述Al-Mn系合金除上述各元素之外，还含有 0. 05 0. 25mass%& Cu、0. 3 3.Zn 这两者之一或双方。
第三方面的发明的特征在于，如第一方面发明所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片 部件，所述芯材由Al-Mn系合金形成，其中Al-Mn系合金除上述各元素之外，还含有选自 0. 05 0. 25mass % 的 Ti、0. 05 0. 25mass % 的 Zr、0. 05 0. 25mass % 的 Cr、0. 05 0. 25mass%& V中的一种或两种以上元素。第四方面的发明的特征在于，如第一方面发明所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片部 件，所述芯材由Al-Mn系合金形成，其中所述Al-Mn系合金中除上述各元素之外，还含有 选自0. 05 0. 25mass %的Cu、0. 3 3. Omass %的Zn这两者之一或双方、以及0. 05 0. 25mass%& Ti、0. 05 0. 25mass%& Zr、0. 05 0. 25mass%& Cr、0. 05 0. 25mass% 的V中的一种或两种以上元素。第五方面的发明的特征在于，如第一 第四方面发明中的任一项所述的高温钎焊 用薄钎焊板翅片部件，在焊料层中，厚度方向的颗粒尺寸超过八成单面平均焊料厚度的Si 颗粒，在与焊料厚度方向平行且与翅片部件长度方向平行的截面中，在翅片部件长度方向 上的分布密度不超过0. 2个/mm。第六、七方面的发明的特征在于，分别如第一 第四方面发明中任一项以及第五 方面发明所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片部件，该钎焊板翅片部件在材料的达到温度在超 过610°C且在625°C以下的范围内被实施了钎焊。第八、九方面的发明的特征在于，分别对第一 第四方面的发明中任一项以及第 五方面发明所述的翅片部件实施波纹加工，且将该被实施了波纹加工的钎焊板翅片部件至 少作为结构要素的一部分而组装热交换器芯体，以使翅片的最高达到温度在超过610°C且 在625°C以下的范围内的方式，在非氧化气氛中进行炉内助焊剂钎焊。利用本发明的钎焊板翅片部件，尽管其壁厚薄至85 μ m以下，即使在被实施了波 纹加工而作为热交换器芯体进行组装，并在超过610°C的高温下进行钎焊时，也能可靠并有 效地防止翅片端部产生倾倒变形，为此，可以有效防止上述的由于端部的倾倒变形而导致 的作为热交换器芯体的商品价值的降低，并且不会存在端部倾倒变形引起端部的前端与集 水箱接触从而集水箱侧的熔融焊料造成翅片熔融的可能性。因此，利用本发明的翅片部件，使用如上所述的85μπι以下的薄翅片部件在超过 610°C的高温下进行钎焊，一般不会产生问题而可以实用，因此，在有助于翅片部件减薄以 及汽车轻量化的同时，通过钎焊温度的高温化可以切实且有效地提高热交换器产品的生产 效率。


图1是为了说明本发明中作为技术问题的翅片端部的倾倒变形现象而示意性表 示被实施了波纹加工的钎焊板翅片部件与管部件、集水箱组合从而构成热交换器芯体的状 态的概略图。图2是扩大表示图1的主要部分、特 别是翅片端部附近的状况的概略图。附图标记说明1 钎焊板翅片部件IA 翅片端部2 管
3 集水箱
具体实施例方式在本发明中，为了有助于热交换器的轻量化，以板厚为40 85 μ m的钎焊板翅片 部件为对象。在板厚小于该范围的情况下，难以制造完整的钎焊板，而在板厚大于该范围的 情况下，虽然利于防止钎焊时翅片的变形而无需如本发明所述的周到细致的对策，然而无 助于减薄乃至热交换器的轻量化。本发明的薄钎焊板翅片部件的特征在于，在最高达到温度处于超过610°C且在 625°C以下的范围内的高温钎焊中，抵御波纹翅片的端部变形的性能较好。为了实现这一特 征而对材料构成的限定极为重要。在此，当然也需要兼顾作为热交换器用翅片部件所应有 的其他特性，例如通常的耐屈曲性、钎焊后的翅片强度、牺牲阳极特性、翅片自身的耐腐蚀性等。在本发明的薄钎焊板翅片部件中，针对芯材的Si含量、焊料的Si含量以及焊料的 单面平均包覆率，不仅分别将其限定在各自的范围内，而且还综合限定它们的相互关系，由 此，进行控制以使高温钎焊时的熔融焊料不会过量。即，如本发明所限定的，在芯材中的Si 含量较少且焊料中的Si含量较多时，在用于钎焊的加热的升温时，Si从焊料向芯材扩散， 为此，利用直至达到熔融温度为止实质上焊料的Si含量或者包覆率的降低，使熔融焊料量 降低，由此可以防止过量的熔融焊料所导致的翅片端部的倾倒变形。于是，通过采用这样的 方法，不必利用极端降低焊料的Si含量或极端减小焊料包覆率的方法而可以使熔融焊料 的量减少，从而防止端部的倾倒变形。以下详细说明本发明。如上所述，作为本发明的对象的钎焊板翅片部件的板厚为40 85 μ m，为了进行 波纹加工并用于热交换器芯体，其包覆结构为芯材的两面接合有焊料层。在此，芯材使用Si 含量被限定在较小的特定范围内的Al-Mn系合金、焊料使用Si含量被限定在较高水平的特 定范围内的Al-Si系合金、且基于它们的相互关系而限定这些芯材以及焊料中的Si含量与 焊料包覆率对于本发明而言极为重要。在此，首先针对本发明的钎焊板翅片部件中芯材的Si含量、焊料的Si含量以及焊 料的包覆率说明其限定理由。将芯材的Si含量(Sic)限定在0. 05 0. 28maSS%的范围内。通过使Si含量在 这一范围内，且如下所述使Si含量基于与焊料中Si含量(Sif)以及焊料单面平均包覆率 (CR)的关系而满足式(1)，可以在高温钎焊的升温过程中使Si充分从焊料向芯材扩散，由 此可以抑制生成过量的熔融焊料，从而防止翅片端部的倾倒变形。在此，使芯材的Si含量 低于0. 05maSS%需要价格高昂的高纯度铝原料金属，不仅导致成本升高，而且无助于性能 的改善，因此不优选。而若采用超过0. 28maSS%的芯材Si含量，会产生在 用于高温钎焊的 升温过程中直至达到熔融温度为止Si从焊料向芯材的扩散不充分的情况，为此，得不到稳 定的基于Si从焊料向芯材的扩散的效果，且Si含量高导致芯材的固相线温度下降，从而在 高温钎焊时产生芯材的整体变形或焊料的腐蚀等，因此不优选。将焊料的Si含量(Sif)限定在6. 0 8. 8maSS%的范围内。若焊料的Si含量低 于6. 0maSS%，则存在熔融焊料的流动性降低从而形成不均勻的接合状态的危险性。而若焊料的Si含量超过8. 8mass%，则即使在钎焊加热的升温过程中Si从焊料向芯材扩散，也存 在形成熔融焊料局部过量的状态的危险性，此外，在Si含量超过8. Smass%的焊料中，铸造 时会形成粗大的Si颗粒，若这些Si颗粒的分布密度达到某种程度以上，则会导致高温钎焊 时产生波纹翅片端部的倾倒变形。此外，将焊料单面平均包覆率(CR)限定在6.5 12.0%的范围内。若焊料单面平 均包覆率不足6. 5%，则存在翅片与管的局部接合不充分的危险性；而若超过12. 0%，则高 温下钎焊时容易产生熔融焊料局部过量的部分。此外，不仅将上述芯材的Si含量(Sic)、焊料的Si含量(Sif)以及焊料的单面平 均包覆率(CR)分别限定在各自的范围内，而且需要使其满足下述不等式(1)。该式(1)是 本发明者等通过详细的实验以及探讨而得到的，其含义为，该式(1)左边的X值越大，则高 温钎焊时的熔融焊料的量增加，越容易产生处于被实施了波纹加工状态下的翅片端部的倾 倒变形，通过将X值控制在95以下，可以将熔融焊料控制为适当的量，从而可以防止翅片端 部的倾倒变形。X = CRX (Sif-Sic+0. 6)+50 X Sic 彡 95......(1)S卩，焊料的包覆率(CR)或焊料的Si含量(Sif)越大X值也变大，则熔融焊料的量 增加，反之，芯材的Si含量(Sic)越小X值也变小，从而熔融焊料的量减少。在此，说明导出式(1)的一些背景。若设用于钎焊加热的升温过程中焊料即将熔融时焊料的Si含量为Sif'，则即将 熔融时焊料的Si含量Sif'越大，或焊料单面平均包覆率CR越大，则钎焊加热的焊料熔融 时的熔融焊料量越大，因此认为熔融焊料量和即将熔融时焊料的Si含量Sif ‘与包覆率CR 的积有关。因此，为了防止熔融焊料过多而导致的高温钎焊时的翅片端部的倾倒变形，利用 下面的式(2)进行控制即可。SirXCR ^ A........(2)在此，A为与不产生翅片端部倾倒变形的熔融焊料量的上限相关的常数。如本发明所限定的那样，在芯材Si含量(Sic)较少且焊料Si含量Sif较多，从而 在用于高温钎焊的升温过程中Si从焊料向芯材产生扩散的情况下，焊料即将熔融时的焊 料Si含量Sif'小于原有的焊料的Si含量Sif。而本发明者等经过实验发现，钎焊结束后芯材的Si含量与原有的芯材Si含量 Sic略有不同，平均约为0. 7 0. 8maSS%。此外，从本发明者等的实验可以确认，在用于钎 焊加热的升温过程中，到焊料即将熔融为止，芯材的Si含量增加至上述值的八成左右(约 0.6maSS%左右)，因此，若据此求出即将熔融时的焊料Si含量Sif'，则得到下式(3)。Sif ‘ = Sif-(50-CR) X (0. 6-Sic)/CR = Sif+0. 6-Sic+50Sic/CR-30/ CR......(3)将该式(3)代入式(1)，则得到Sif' XCR = CR(Sif-Sic+0. 6)+50Sic-30 ^ A ........(4)将该式(4)的常数部分集中使用其他常数B来整 理式(4)，则得到下式(5)。CR(Sif-Sic+0. 6)+50Sic 彡 B .......(5)即可以认为，若式(5)的左边(在上述式⑴中其为X)小于某一常数B，则可以防 止翅片端部发生倾倒变形。
于是，本发明者等反复进行了大量实验，发现在芯材Si含量(Sic)、单面平均包覆 率(CR)各自的量或比例分别在本发明所限定的范围内的情况下，若B值为95以下，即式 (5)左边(=X)的值在95以下，即使是超过610°C的高温钎焊，也可以适宜地控制熔融焊 料量，可靠地抑制翅片端部倾倒变形的发生，从而确定了式(1)。如上所述，作为芯材的Al-Mn系合金的Si含量(Sic)被限定在0. 05 0. 28mass% 的范围内，以下说明针对该芯材Al-Mn系合金中Si以外的元素成分进行限定的理由。Mn Mn为有助于提高强度和高温下抗变形性的合金元素，使其含量在0.7
1.5maSS%的范围内。当芯材中Mn含量不足0. 7111￡1%%时，得不到足够的钎焊加热后的强度 或抵御高温变形的能力，因而不优选。而当芯材中Mn的添加量超过1. 5maSS%时，在铸造时 会形成粗大的结晶化合物从而导致组织不均勻，因此不优选。其中，在重视钎焊加热后的强 度的情况下，优选Mn的含量在在1. 25 1. 5maSS%的范围内。Fe Fe为通常的铝合金中不可避免的杂质之一，在如本发明的Al-Mn系合金(AA3000 系列合金)中，大多数情况下不设下限而仅将上限限定为0.右，然而考虑到其有 助于提高强度以及结晶组织的稳定性，可以根据情况不同而主动添加一些Fe，使Fe的含量 在0. 05 0. 75maSS%的范围内。当Fe含量不足0. 05maSS%时，需要昂贵的高纯度原料金 属，不仅导致高成本，而且无助于性能的改善，因此不优选。而当Fe添加量超过0. 75mass% 时，在铸造时会形成粗大的结晶化合物从而导致组织不均勻，因此不优选。此外，如第二方面的发明中所限定，可以在芯材合金中选择性地添加Cu、Zn这两 者之一或双方。然而如果将其过量添加，芯材的固相线温度会下降，使得高温下的强度不 足，从而存在热交换器芯体在钎焊时翅片产生整体变形的情况，因此不优选。考虑到这种情 况，Cu、Zn的添加量如下设定。Cu Cu为有助于强度提高的合金元素，使其含量在0. 05 0. 25maSS%的范围内选择 性地添加。当Cu含量不足0.05maSS%时，不能充分得到钎焊加热后的强度提高效果。而当 Cu的添加量超过0. 25!11狀8%时，存在容易产生翅片变形的问题，因此不优选。此外，在芯材 中添加Cu的情况下，优选钎焊时材料的达到温度在超过610°C且在625°C以下的范围内。在 此，特别是在进行较高温度(具体为翅片的材料达到温度超过622°C且在625°C以下)下的 钎焊时，虽然钎焊后强度有少许降低，还是优选将芯材的Cu含量限定为不足0. 05maSS%。Zn 使Zn的含量在0. 03 3. 0maSS%的范围内选择性地添加，其目的在于，使钎焊板 翅片部件具有作为牺牲阳极的性质，提高管的耐腐蚀性。Zn具体的添加量可以根据与管 的组合而适宜选择，然而当芯材的Zn含量不足0. 3maSS%时，不能充分得到牺牲阳极的作 用。而当Zn的添加量超过3. 0maSS%时，不仅存在固相线温度降低而导致的翅片变形的问 题，而且会降低翅片自身的耐腐蚀性，因此不优选。此外，特别优选芯材中Zn含量的上限为
2.9maSS%。此外，在Zn的添加量超过1. 6maSS%的情况 下，优选钎焊时材料达到温度超过 610°C且在622°C以下。此外，如第三方面的发明所限定，作为芯材的AL-Mn系合金，可以含有选自0.05 0. 25mass%& Ti、0. 05 0. 25mass%& Zr、0. 05 0. 25mass%& Cr、0. 05 0. 25mass% 的V之中的一种或两种以上元素。这些Ti、Zr、Cr、V均为旨在提高强度以及耐高温屈曲性而选择性地添加的 元素。如果添加量均不足0. 05mass %，则不能得到特别的效果，而如果添加量均超过 0. 25maSS%，则在铸造时会形成粗大的结晶物，因此不优选。此外，在通常的铝合金的铸造中，为了使铸造组织微细化，大多添加含有Ti的细 化剂，具体而言，多数情况下添加由AL-Ti系、Al-Ti-B系或Al-Ti-C系的母合金形成的细化 齐U。包含在这些材料中的Ti作为Al3Ti、TiB、TiC等化合物颗粒而参与凝固核的形成，并有 效地使铸块结晶微细化，这些颗粒对强度的提高并没有直接的效果。在此，除上述的以提高 强度为目的的选择元素Ti之外，在本发明中也可以作为细化剂的原料成分而添加0. 005 不足0. 05mass%的Ti，因此，与此相组合，添加0. 0005 0. Olmass%的B或添加0. 0003 0. C 均可。对于焊料，如上所述，已将其Si含量(Sif)限定在6.0 8.8maSS%的范围内，以 下对Si以外的焊料成分元素进行说明作为焊料的成分元素，基本上在上述的Si之外含有Al以及不可避免的杂质即可， 然而在后述的本发明的钎焊板翅片中，希望焊料中粗大的Si颗粒尽量少，因此为了在铸造 时实现Si颗粒的微细化，优选进行添加微量的Na或Sr的改良处理。优选该旨在使Si颗 粒微细化的Na、Sr的添加量分别在0. 002 0. 05maSS%的范围内。若其分别未达到下限， 则不具有使Si颗粒微细化的效果，而即使超过上限，只不过是增加成本而已，使Si颗粒微 细化的效果已经饱和。。在本发明的钎焊板翅片部件的焊料中，作为其他不可避免的元素通常还含有Fe， 焊料中的Fe含量优选为0.6maSS%以下。另外，在通常的焊料中，为了调整钎焊后的电位 提高热交换器的整体抗蚀性，有时添加Cu、Zn，但在本发明中，如果由于添加这些元素造 成焊料的熔点下降，会出现助长翅片的倾倒变形的问题，因此各种元素的添加量优选限制 在0. 2maSS%以下。另外，作为提高焊料中熔融焊料的流动性的元素，可以添加0. 001 0. Imass^以下的Bi。Bi的添加量如果少于下限，则失去提高焊剂流动性的效果，如果超过 上限只不过是增加成本而已，使焊剂的流动性提高的效果已经饱和。此外，在本发明的钎焊板翅片部件中，针对焊料中所存在的Si颗粒，如第四方面 的发明所限定的那样，优选在焊料中，厚度方向的颗粒尺寸超过八成单面平均焊料厚度的 Si颗粒，在与焊料厚度方向平行且与翅片长度方向(在被波纹加工的状态下，波峰与波谷 交错存在的方向，即一般为沿着压延方向的方向)平行的截面中，被限定为在翅片长度方 向上的分布密度不超过0. 2个/mm。
在此，在焊料中，如果存在尺寸超过八成平均焊料厚度的粗大Si颗粒，则该部分 焊料的厚度局部性地变大而芯材的实质厚度局部性地变小。在焊料中存在有许多这样的 粗大Si颗粒的区域中，其附近成为钎焊时熔融焊料部分地变多的部位。其结果，在该部分 的附近，容易产生高温钎焊时波纹翅片端部的倾倒变形。而根据本发明者等的实验、探讨， 发现如果将厚度方向的颗粒 尺寸超过八成平均焊料厚度的Si颗粒控制为在翅片长度方向 的焊料层中不超过0. 2个/mm，则可以防止上述问题的发生，并将此限定于第四方面的发明 中。可以在翅片部件长度方向的截面(即在被实施了波纹加工的状态下波峰与波谷排列的方向平行且与厚度方向平行的截面)中观察长度为IOOmm以上的翅片部件观察区域，将每 Imm翅片部件长度上的颗粒个数作为上述的Si颗粒的分布密度。作为实现满足如上所述的Si颗粒条件的具体手段，可以列举以下方法，例如使形 成焊料的Al-Si合金的Si含量在限定范围内处于较低水平、提高铸造时的冷却速度、为实 现铸造时Si颗粒的微细化而微量添加上述的Na、Sr而进行改良处理等。对用于制造如上所述的本发明的薄钎焊板翅片部件的具体方法并没有特别的限 定，可以与通常的三层包覆钎焊板的制造同样进行，以下说明代表性的优选例。首先，利用半连续铸造法(DC铸造法)制造成为钎焊板翅片部件的结构要素的芯 材以及焊料的合金铸块。此后，利用表面切割或预热轧等调整厚度，以规定的包覆率在芯 材的两面配置焊料并组合，以在400 540°C的温度下保温0. 5 15小时的条件进行热轧 的预加热，通过此后的热轧而进行包覆接合。在热轧之后进行压下率为85 98%的冷轧， 以在320 500°C的温度下保温0. 5 10小时的条件进行中间退火，进一步通过压下率为 10 60%的冷轧得到规定板厚的Hln部件即可。这样制造出的钎焊板翅片部件，以规定的宽度加工狭缝，此后对其进行波纹加工 并截断，与管部件、集水箱、侧板等组装在一起，从而成为构成热交换器芯体的部件。使用本发明的钎焊板翅片部件而制造热交换器芯体的具体条件如第六方面的发 明所述，对如上所述的钎焊板翅片进行波纹加工，且将被该进行了波纹加工的钎焊板翅片 部件至少作为结构要素的一部分而组装热交换器芯体，以使翅片的最高达到温度处于超过 610°C且为625°C以下的范围内的方式，在非氧化气氛中进行炉内助焊剂钎焊。在此，详细说明这样的热交换器的制造方法的条件。钎焊板翅片部件的波纹加工，可以使用现有的常规方法，无需特别限定。适当截断 波纹加工之后的钎焊板翅片部件使之成为所需尺寸，与管部件、集水箱等其他热交换器芯 体的结构要素一同组装，在非氧化性气氛中进行炉内助焊剂钎焊。作为非氧化性气氛中的 炉内助焊剂钎焊的方法，具体而言，可以使用作为Nocolok钎焊法而被熟知的一般的钎焊 方法。其中，由于在真空钎焊法中焊料的流动行为与Nocolok钎焊法不同，不能保证利用本 发明限定的条件解决问题，因此优选不使用真空钎焊。在钎焊加热时，优选使翅片部件的材料达到温度在超过610°C且在622°C以下的 范围内。若达到温度在610°C以下，则得不到高温钎焊所带来的优点，即可以使钎焊工序的 时间充分缩短且使高热容量部件同时结合。此外，当达到温度为610°C以下时，可以使用现 有的一般的钎焊板翅片部件，因此使用本发明的翅片部件所带来的优越性较小。而进行翅 片部件的达到温度为超过625°C的极高温度下的高温钎焊，存在产生翅片部件的整体高温 屈曲或者产生波纹翅片端部变形的危险性，因此不实用。此外，作为本发明的一种实施方式，在使用如上所述的在芯材中添加有0. 05 0. 25mass%&cu、l. 6 3. Omass%的Zn这两者之一或双方的钎焊板翅片部件的情况下，优 选钎焊时材料达到温度为622°C以下。 此外，在如上所述的高温钎焊时的升温过程中，优选 将470 570°C的范围内的平 均升温速度控制为10 100°C /min。若该平均升温速度超过100°C /min，则在达到熔融温 度(通常在577°C前后)之前的过程中Si从焊料向芯材的扩散不充分，从而产生过量的熔 融焊料，存在不能解决波纹翅片端部变形的危险性。而若该平均升温速度不足10°C /min,实质上升温需要很长时间，不符合利用高温钎焊实现钎焊工序短时间化的目的。在此，在以短时间钎焊为目的的情况下，优选使翅片部件处于470°C以上的温度区 域的时间在12分钟之内，进一步优选在8分钟之内。此外，优选以50°C /分以上的速度进 行达到最高温度之后的冷却。(实施例)以下，同时展示本发明的实施例与比较例。其中，以下的实施例用于展示本发明的 效果，并不是对本发明的技术范围的限定。首先，利用常规的方法对具有表1所示成分的芯材以及表2所示的焊料分别进行 DC铸造，并进行了均质处理。在此，在焊料的铸造中，进行了以规定条件添加Na、Sr的Si颗 粒微细化处理。热轧焊料使其板厚为规定值，将其叠合在经过表面切割的芯材铸块的表面 和背面，进一步实施热轧从而进行包覆接合。此后，实施冷轧、中间退火以及最终冷轧，制作 了规定板厚的包覆部件(钎焊板翅片部件)。表3、表4表示作为包覆部件的钎焊板翅片部 件的材料构成。利用光学显微镜观察沿着翅片长度方向的厚度方向截面，测定了钎焊板翅片部件 的焊料单面平均包覆率(CR)以及焊料中Si颗粒(焊料厚度方向的颗粒尺寸超过八成焊料 平均厚度的粗大Si颗粒)的分布密度。针对Si颗粒，清点了在翅片长度方向上IOOmm的 观察长度中尺寸大于上述规定值的颗粒的个数，作为每Imm的个数评价了分布密度。此外，对如上所述的各钎焊板翅片部件进行了以下的翅片端部变形以及接合性的 评价。S卩，对宽度16mm的钎焊板翅片部件实施波纹成型(高7mm，翅片波峰间隔为2mm)， 将其长度统一为80mm。将其与由表面喷涂有Zn的纯Al系合金形成的多孔挤压管部件组 合，组装成模拟热交换器的五级翅片的微型芯体样品，在表面涂覆氟化物助焊剂并使其干 燥后，进行在氮气氛炉中加热的高温钎焊实验。在该钎焊时，以重力不作用于翅片端部倾倒 的方向上的方式配置了微型芯体样品。此外，该高温钎焊实验在作为本发明的对象的钎焊 时材料达到温度范围内，选择了三个温度水平(614°C、621°C、624°C)而实施。其中，在钎焊 加热的升温过程中，在材料温度为470 570°C间的升温速度均为80°C /min、从470°C至达 到温度的时间约为7 9min。这样的短时间升温可以使炉内温度比材料的目标达到温度高 10 15°C。此外，在这种情况下，使从470°C至达到温度的时间为llmin。进而使钎焊加热 后冷却至100°C为止的冷却速度平均为120°C /min。为了进行比较，也在接近以往常规钎焊达到温度的602 V的条件下进行了实验。在 这种情况下，使从470°C至达到温度的时间为Ilmin在如上所述进行钎焊并冷却后的微型芯体的样品翅片端部的共计10处中，清点 从规定位置出现30°以上变形的部位的数目，进行了翅片端部倾倒变形的评价。此外，作为翅片接合部的健全性评价，机械性地剥离翅片从而观察其表面，确认了 在翅片与管的各接合部是否形成有足够的填角。于是，全部接合部均形成有足够的填角的 样品被判断为良好。此外，单独利用没有被实施波纹加工的翅片部件，在达到温度 为614°C的条件下， 与上述的微型芯体样品同样地加热后，在长度方向上进行拉伸实验，求出了钎焊后翅片的 拉伸强度。
这些特性评价结果示于表5、表6。表 1 (注)符号* 另外添加相当于0.Ti、0. 002mass%& B的量的Al-Ti-B系铸
造细化剂符号#另外添加相当于 0.Ti、0. 0008mass%& C 的量的 Al-Ti-C 系铸造细化剂表2 表3 表4 表 5 表6 从表5、表6所示的特性评价结果可以确认，在本发明的实施例Gl G14中，在达 到温度超过610°C的高温钎焊中，没有产生翅片端部变形，翅片与管的接合也良好。此外确认，在本发明的实施例中，在芯材中未添加Cu的实施例Gl、G2均可以承受 达到温度为624°C的钎焊，没有出现端部变形或整体变形。在此，未添加Cu使钎焊后的强度 有降低的倾向，然而在实施例G2中，由于Ti、Cr的添加而对强度的降低有所弥补。此外，在本发明实施例中，添加了 Cu的实施例G3 Gll中，至材料达到温度为 621 °C为止未产生端部变形，翅片与管的接合也良好。其中，在芯材Mn含量高的实施例G8 G10、或含有Ti、Cr、V或&的实施例G5、G6、G10中，高温钎焊后的强度变大，在这一点上性 能优异。在未添加Cu的实施例G12、未添加Zn的实施例G13、未添加Cu以及Zn的实施例 G14中，至材料达到温度为621°C为止也未产生端部变形，翅片与管的接合也良好。此外，虽然在作为比较而实施的在接近通常钎焊温度的602°C下加热的情况中，G6 的翅片与管的接合不充分，然而在钎焊温度高的情况下可以进行良好的接合，因此可以断 言，本发明作为限定为高温钎焊的材料具有良好的性能。以下讨论比较例NGl NG21。比较例NGl NG4、NG20，芯材的Si含量或焊料的Si含量高，式(1)的X值大于 规定值，在达到温度为614°C的钎焊中产生了端部变形。然而，在这些比较例NGl NG4中， 在达到温度为602°C的钎焊中未产生端部变形。这表明，即使是在通常的钎焊温度中具有良 好特性的现有技术中的包覆翅片部件，在超过610°C的更高温度下的钎焊中，也会出现翅片 端部变形的问题。NG5为芯材的Mn含量低的例子，在这种情况下，钎焊后的强度降低。NG6.NG7为芯材的Mn含量、Fe含量高于规定量的例子，在这种情况下，铸造时产生 粗大结晶物，出现了组织均勻性的问题，因此未进行各测试。NG8、NG9为芯材的Cu含量、Zn含量高的例子，在这种情况下，虽然式(1)的X值在 规定范围内，然而产生了翅片端部变形。此外在这些例子中，在621 °C的钎焊中，在翅片端部 以外也产生了波浪形的歪斜。NGlO NG12为Ti、Cr、Zr、V中的任意一种元素的添加量过量的例子，这些元素的 过量添加导致产生粗大结晶物，出现了组织均勻性的问题，因此未进行各测试。NG13为焊料的Si含量低的例子，在这种情况下，翅片与管的接合不良。在NG14中，焊料的Si含量过量，式(1)的X值大于规定值，产生了翅片端部变形。NG15、NG16为X值在规定范围之外且焊料中厚度方向上尺寸大的Si颗粒多的例 子，在这些情况下，产生了明显的翅片端部变形。NG17为焊料的包覆率低、翅片与管的接合不良的例子。NG18为焊料的包覆率高、X值在规定范围之外的例子，在这种情况下，产生了翅片 端部变形。NG19为芯材的Mn含量高于规定值的例子，这种情况下在铸造时产生粗大结晶物， 出现了组织均勻性的问题，因此未进行各测试。NG21为焊料的Si含量低的例子，在这种情 况下，翅片与管的接合不良。要制作芯材中Si或Fe的添加量低于本发明的限定值，即不足0. 05maSS%的比较 样品，必须使用至少99. 9mass %或99. 99mass %这样等级的昂贵的铝原料金属，也未见得 具有特别的效果，因此没有制作。而针对芯材中Fe的添加量超过0. 75maSS%的情况，在表 1的C3、C8中仅将Fe含量变为0. 95mass%,0. 98maSS%而铸造了的合金并进行确认，观察 到尺寸与目标板厚相同或大于目标板厚的粗大结晶物，在确认最终特性之前，先确认了在 组织的均勻性方面产生了问题。此外，虽然在表中没有记载，对于与NG2、NG3的包覆率构成相同、仅板厚变为 95 μ m的翅片部件，在达到温度为621°C的高温钎焊中，未产生翅片端部变形。因此，利用 厚度大于对象范围的翅片，即使不实施如本发明的控制，也不会产生翅片端部变形。即可以确认，本发明所解决的问题为减薄了的翅片所特有的问题。 此外，虽然尝试制作了与Gl、G2具有相同的包覆率、板厚为30 μ m的钎焊板翅片部件，然而发现平坦度与厚度的偏差变大，不能均勻地进行波纹加工。由此可知，板厚不足 40 μ m的翅片部件不是本发明的对象。
权利要求
一种高温钎焊用薄钎焊板翅片部件，由在芯材的两面接合有焊料的板厚为40～85μm的包覆部件形成，为被实施波纹加工且在高温下实施钎焊的薄钎焊板翅片部件，其特征在于，芯材由Al-Mn系合金形成，其中所述Al-Mn系合金含有0.7～1.5mass％的Mn、0.05～0.28mass％的Si、0.05～0.75mass％的Fe、其余部分由Al与不可避免的杂质元素形成；焊料由含有6.0～8.8mass％的Si的Al-Si系合金形成，且焊料的单面平均包覆率为6.5～12.0％，且根据芯材中的Si含量Sic、焊料中的Si含量Sif以及焊料的单面平均包覆率CR由下式(1)所确定的X值为95以下，X＝CR×(Sif-Sic+0.6)+50×Sic ……(1)其中，芯材中的Si含量Sic、焊料中的Si含量Sif的单位为mass％，焊料的单面平均包覆率CR的单位为％。
2.如权利要求1所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片部件，其特征在于，所述芯材由Al-Mn系合金形成，其中所述Al-Mn系合金除上述各元素之外，还含有 0. 05 0. 25mass%& Cu、0. 3 3.Zn 这两者之一或双方。
3.如权利要求1所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片部件，其特征在于，所述芯材由Al-Mn系合金形成，其中所述Al-Mn系合金除上述各元素之外，还含有选 自 0. 05 0. 25mass%& Ti、0. 05 0. 25mass%& Zr、0. 05 0. 25mass%& Cr、0. 05 0. 25mass%& V中的一种或两种以上元素。
4.如权利要求1所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片部件，其特征在于，所述芯材由Al-Mn系合金形成，其中所述Al-Mn系合金中除上述各元素之外，还含有 选自0. 05 0. 25mass %的Cu、0. 3 3. Omass %的Zn这两者之一或双方、以及0. 05 0. 25mass%& Ti、0. 05 0. 25mass%& Zr、0. 05 0. 25mass%& Cr、0. 05 0. 25mass% 的V中的一种或两种以上元素。
5.如权利要求1 权利要求4中任一项所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片部件，其特征 在于，在焊料层中，厚度方向的颗粒尺寸超过八成单面平均焊料厚度的Si颗粒，在与焊料厚 度方向平行且与翅片部件长度方向平行的截面中，在翅片部件长度方向上的分布密度不超 过 0. 2 个 /mm。
6.如权利要求1 权利要求4中任一项所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片部件，其特征 在于，该钎焊板翅片部件在材料的达到温度在超过610°C且为625°C以下的温度范围内被实 施钎焊。
7.如权利要求5所述的高温钎焊用薄钎焊板翅片部件，其特征在于，该钎焊板翅片部件在材料的达到温度在超过610°C且为625°C以下的温度范围内被实 施钎焊。
8.—种铝合金热交换器的制造方法，其特征在于，对权利要求1 权利要求4中任一项所述的翅片部件实施波纹加工，且将该被实施了 波纹加工的钎焊板翅片部件至少作为结构要素的一部分而组装热交换器芯体，以使翅片的 最高达到温度在超过610°C且为625°C以下的范围内的方式，在非氧化气氛中进行炉内助焊剂钎焊。
9. 一种铝合金热交换器的制造方法，其特征在于，对权利要求5所述的翅片部件实施波纹加工，且将该被实施了波纹加工的钎焊板翅 片部件至少作为结构要素的一部分而组装热交换器芯体，以使翅片的最高达到温度在超过 610°C且为625°C以下的范围内的方式，在非氧化气氛中进行炉内助焊剂钎焊。
全文摘要
本发明提供一种高温钎焊用薄钎焊板翅片部件以及使用其的热交换器的制造方法。根据本发明，使用板厚为85μm以下的薄钎焊板翅片部件，实施波纹加工并组装热交换器芯体，即使在超过610℃的高温下进行钎焊，也不会产生翅片端部的倾倒变形。钎焊板翅片部件由在Al-Mn系合金形成的芯材的两面接合Al-Si系合金形成的焊料而形成，其中限定芯材的Si含量(Sic)在0.05～0.28的范围内、焊料的Si含量(Sif)在6.0～8.8mass％的范围内，焊料的单面平均包覆率(CR)在6.5～12.0％的范围内，并且将这些参数限定在满足下式的范围内X＝CR×(Sif-Sic+0.6)+50×Sic≤95。
文档编号C22C21/00GK101839666SQ20101013651
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年3月13日
发明者大原伸昭, 铃木义和, 鹿野浩 申请人:古河Sky株式会社