Ａｌ合金クラッド鋳塊及びその製造方法、並びにそれを用いた熱交換器用Ａｌ合金クラッド材及びその製造方法
【課題】クラッド鋳塊製造方法において、複雑な製造工程および装置を必要とせず、且つ、クラッド鋳塊に求められる特徴を有するクラッド鋳塊の製造方法、および、クラッド鋳塊製造方法で得られたクラッド鋳塊を押し出し加工して得られる、芯材と皮材の界面においてポロシティが少ないクラッド材を提供する。
【解決手段】クラッド鋳塊製造方法は皮材を溶融状態で芯材表面に接させるため、芯材と皮材の接合界面が従来のクラッド材製造方法に比べ密となる。これによって、押し出し加工の際に皮材が変形し押し出し機内で詰まることや、圧延または押し出しが成功しても、芯材と皮材の界面にポロシティが残存し、熱交換器用クラッド材に求められるろう付け性、耐食性、強度の低下による不良品発生による歩留まり悪化を改善する。
【解決手段】クラッド鋳塊製造方法は皮材を溶融状態で芯材表面に接させるため、芯材と皮材の接合界面が従来のクラッド材製造方法に比べ密となる。これによって、押し出し加工の際に皮材が変形し押し出し機内で詰まることや、圧延または押し出しが成功しても、芯材と皮材の界面にポロシティが残存し、熱交換器用クラッド材に求められるろう付け性、耐食性、強度の低下による不良品発生による歩留まり悪化を改善する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属のクラッド鋳塊製造方法に関する発明である
【背景技術】
【０００２】
金属のクラッド材、特にAl合金のクラッド材とは、2種以上の成分比の異なるAl合金で構成された多層材であり、Al合金のクラッド材は、ろう付け性、耐食性、強度に優れ、熱交換器を始めとして様々な分野で利用されている。
【０００３】
従来のAl合金のクラッド材の製造方法としては、成分比の異なるAl合金鋳塊をそれぞれ鋳造し、被覆材（以後「皮材」という。）となるAl合金鋳塊は熱間圧延によって板状に成型し、芯材鋳塊は均質化処理、面削をした後、芯材と皮材を重ね合わせて加熱、熱間合わせ圧延を経ることで、それぞれのAl合金が固相拡散接合によってクラッド材となる。しかし、上述のクラッド材製造方法は、皮材鋳塊、芯材鋳塊をそれぞれ用意する必要性があり、皮材を一度熱間圧延した後に芯材とあわせる必要性があり、芯材と皮材の合わせ圧延における熟練度を要し、操業上の効率、歩留まりを大幅に悪化させる。とくに、クラッドビレット製造においては、芯材鋳塊と筒状皮材の合わせ工程において、芯材鋳塊と皮材のクリアランスが広い場合、押し出し加工の際に皮材が変形し押し出し機内で詰まる。さらに、圧延または押し出しが成功しても、芯材と皮材の界面にポロシティが残存し、熱交換器用クラッド材に求められるろう付け性、耐食性、強度の低下により不良品となるなど、歩留まりを大幅に悪化させる。
【０００４】
そこで以前より、クラッド材を製造するにあたり、その製造工程を簡略化するクラッド材製造方法が研究されてきた。
特許出願公告昭44-27001号は予め製造した芯材を皮材溶湯内に連続的に挿入し異種金属接合を達成する鋳込み法を提案している。特許出願公告昭52-31814号は多段鋳型を用いて、上段の鋳型で芯材を鋳造した後、芯材鋳塊が冶金的結合を生ずるのに充分な高温状態にある間に、第二の鋳型内に降下し、直ちに第二の鋳型内で皮材を芯材鋳塊周囲に連続的に注入、凝固させる方法を提案している。また、特開H2-147149号は、多段鋳型を用いる際、上段の鋳型内で芯材を鋳造した直後に冷却水を除去する方法を提案している。これらの方法は芯材鋳塊の復熱によって皮材溶湯と芯材表面が冶金的結合するに必要な温度の確保を目的としたものであり、芯材表面の温度を高温に維持する必要がある。また、これらの方法は芯材と皮材の接合後に冷却鋳型を用いて冷却するので、設備が複雑で高価になる。特開昭62-104652は芯材と皮材の冶金的接合を同一鋳型内で達成する方法を提案している。上記従来のクラッド鋳塊製造方法は芯材および皮材の温度制御が難しく、また、装置が複雑で高価であり現実的使用が非常に困難である。
【特許文献１】特公昭４４−２７００１号公報
【特許文献２】特公昭５２−３１８１４号公報
【特許文献３】特開平２−１４７１４９号公報
【特許文献３】特開昭２−１４７１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明において解決しようとする課題は、クラッド鋳塊製造方法において、複雑な製造工程および装置を必要とせず、且つ、クラッド鋳塊に求められる特徴を有するクラッド鋳塊の製造方法を提供すること、および、クラッド鋳塊製造方法で得られたクラッド鋳塊を押し出し加工して得られる、芯材と皮材の界面においてポロシティが少ないクラッド材を提供することである。また、これを応用して熱交換機材を高効率、且つ、安価に製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一は、芯材鋳塊を皮材溶湯に接しさせ、芯材鋳塊を皮材溶湯の冷却媒体として用いることで芯材表面に皮材を固相として成長させるクラッド鋳塊の製造方法において、皮材溶湯に接する直前の芯材固体の表面温度を120℃以下に制御し、且つ、皮材の液相線温度TL℃、固相線温度TS℃としたとき、皮材溶湯温度を（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲に制御することを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。すなわち、芯材となる鋳塊をあらかじめ鋳造し、皮材を溶湯の状態で芯材鋳塊に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を固相成長させることで芯材と皮材を接合する。このため、皮材溶湯の冷却は芯材鋳塊を冷却媒体とするため、芯材鋳塊の表面温度は120℃以下に制御し、皮材を芯材鋳塊表面で成長させるために、皮材溶湯温度は液相線温度TL℃、固相線温度TS℃として（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲に制御する。
本発明の第二は、本発明の第一に記載のクラッド鋳塊製造方法において、芯材鋳塊表面に接した皮材溶湯の温度がTS℃以上にある間に、スクレーパーで皮材厚みを断面方向および長手方向に均一に成形することを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。
本発明の第三は、本発明の第一および第二のいずれかに記載のクラッド鋳塊製造方法において、円柱状または円筒上の芯材鋳塊の中心軸を回転軸とし、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。
本発明の第四は、本発明の第一および第二のいずれかに記載のクラッド鋳塊製造方法において、皮材溶湯溜り内に芯材鋳塊を挿入し、芯材表面に皮材を固相として成長させた後、芯材鋳塊を引き上げることを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。
本発明の第五は、本発明の第一および第二のいずれかに記載のクラッド鋳塊製造方法において、芯材鋳塊を固定し皮材溶湯供給機を芯材鋳塊長手方向に移動、または、皮材溶湯供給機を固定し芯材鋳塊を芯材鋳塊長手方向に移動させながら、皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。
本発明の第六は、本発明の第一〜第五のいずれかに記載のクラッド鋳塊製造方法で製造されたクラッド鋳塊である。
本発明の第七は、本発明の第六に記載のクラッド鋳塊を圧延加工または押し出し加工して熱交換機用クラッド材を製造する熱交換機用クラッド材の製造方法である。
本発明の第八は、本発明の第七に記載の方法で製造されて得られた熱交換機用クラッド押出材である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、従来のクラッド材製造方法における皮材圧延板と芯材鋳塊の合わせ工程が省略可能である。さらに、従来のクラッド製造法では皮材鋳塊を板状にするために面削、圧延の工程を踏んでいるが、この際の面削、圧延板両端部の切断除去が歩留まり悪化の原因となっている。本発明のクラッド鋳塊製造方法では、皮材溶湯を必要量のみ芯材鋳塊表面に接合すれば良く、従来のクラッド材製造方法に比べ歩留まり改善が可能である。
また、従来のクラッド鋳塊製造法では、非常に複雑な装置および制御が必要とされているが、本発明は皮材溶湯の冷却媒体を芯材鋳塊とするため、皮材溶湯を凝固させるための鋳型を必要とせず、また、芯材温度を高温で制御する必要がない。
さらには、本発明のクラッド鋳塊製造方法は皮材を溶融状態で芯材表面に接させるため、芯材と皮材の接合界面が従来のクラッド材製造方法に比べ密となる。これによって、押し出し加工の際に皮材が変形し押し出し機内で詰まることや、圧延または押し出しが成功しても、芯材と皮材の界面にポロシティが残存し、熱交換器用クラッド材に求められるろう付け性、耐食性、強度の低下による不良品発生による歩留まり悪化を改善することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明を詳細に説明する。
図１は上に述べた本発明の第三を実施する方法を説明する図である。図１において、円柱状または円筒状芯材鋳塊1の表面温度を120℃以下とし、皮材溶湯2の温度を皮材の液相線温度TL℃、皮材の固相線温度TS℃として（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲とする。芯材鋳塊の中心軸を回転軸とし、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせることで芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするクラッドビレット鋳塊を製造する方法である。
図1において、皮材の厚みを断面方向および長手方向に均一にするために、皮材溶湯と芯材鋳塊表面が接した直後にスクレーパー3を設置しても良い。これにより、芯材表面に皮材が接合した直後に、スクレーパーによって固液共存状態の余剰皮材が削げ落ち、皮材を所望の厚みに形成できる。よって、スクレーパーと芯材表面の距離は、所望の皮材厚みとなるよう設置する必要がある。
図２は上に述べた本発明の第三を実施する別の方法を説明する図である。図二において皮材溶湯補給スパウト5を芯材鋳塊の直上に設置し、芯材鋳塊の中心軸を回転軸とし、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせることで芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするクラッド鋳塊を製造する方法である。図２において、所望の皮材厚みにするためにスクレーパー3を設置しても良い。これにより、芯材表面に皮材が接合した直後に、スクレーパーによって固液共存状態の余剰皮材が削げ落ち、皮材を所望の厚みに形成できる。よって、スクレーパーと芯材表面の距離は、所望の皮材厚みとなるよう設置する必要がある。
図３は上に述べた本発明の第四を実施する方法を説明する図である。図３において、芯材鋳塊1の表面温度を120℃以下とし、皮材溶湯2の温度を皮材の液相線温度TL℃、皮材の固相線温度TS℃として（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲とする。皮材溶湯溜り内に芯材鋳塊を挿入し、芯材表面に皮材を固相として成長させた後、芯材鋳塊を引き上げることで芯材と皮材を接合することを特徴とするクラッド鋳塊を製造する方法である。
所望の皮材厚みにするためにスクレーパー3を設置しても良い。皮材溶湯溜りの浴表面直上に環状のスクレーパー3を設置し、芯材鋳塊を皮材溶湯より引き上げる際に、環状スクレーパー内を芯材鋳塊が通過する様に引き上げを行う。これにより、芯材を皮材溶湯から引き上げる際、環状スクレーパーによって固液共存状態の余剰皮材が削げ落ち、所望の皮材厚みの接合を可能とする。よって、該環状スクレーパーと芯材表面の距離は、所望の皮材厚みとなるよう設置する必要がある。
図４は上に述べた本発明の第五を実施する方法を説明する図である。図4において、芯材鋳塊1の表面温度を120℃以下とし、皮材溶湯2の温度を皮材の液相線温度TL、皮材の固相線温度TS℃として（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲とする。環状皮材溶湯補給機7を芯材鋳塊の長手方向に移動させながら、環状皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に連続的に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材４を固相成長させることで芯材と皮材を接合することを特徴とするクラッド鋳塊を製造する方法である。また、環状皮材溶湯補給機7を固定し、芯材鋳塊を長手方向に移動させながら、環状皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に連続的に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材４を固相成長させることで芯材と皮材を接合させても良い。
図4において、環状皮材溶湯供給機より芯材鋳塊表面へ供給する皮材溶湯量を調整するため、調整弁6を環状皮材溶湯供給機内に設ける。これにより、皮材溶湯供給機内の皮材溶湯量に関わらず、安定した量の皮材溶湯を芯材鋳塊表面に供給することが可能となる。
図４において、皮材の厚みを断面方向および長手方向に均一にするために、皮材溶湯と芯材鋳塊表面が接した直後にスクレーパー3を設置しても良い。これにより、芯材表面に皮材が接合した直後に、スクレーパーによって固液共存状態の余剰皮材が削げ落ち、皮材を所望の厚みに形成できる。よって、スクレーパーと芯材表面の距離は、所望の皮材厚みとなるよう設置する必要がある。
上記のいずれの方法においても、皮材溶湯の温度の制御が重要である。皮材溶湯の温度が高すぎる場合には芯材鋳塊が皮材溶湯の冷却媒体として充分に機能せず、芯材鋳塊表面が溶解してしまい、皮材が接合しないことが確認された。このため、皮材溶湯の温度は(TL+８５)℃以下に制御することが必要である。皮材溶湯に接する直前の芯材鋳塊の表面温度が100〜120℃というふうに比較的高い場合であっても、皮材溶湯の温度を(TL+50)℃以下，特に(TL+20)℃以下に制御することにより良好な結果が得られた。
一方、皮材溶湯の温度はTS以下にしなければ本発明方法を実施することは出来ない。皮材溶湯温度は(TS+10)℃，好ましくは(TS+20)℃以上に制御すると良い。
また、上記のいずれの方法においても、芯材鋳塊表面に水分が存在すると水蒸気爆発的な現象が発生してたいへん危険である。そこで、芯材鋳塊を皮材溶湯に接しさせるに際しては、予め芯材鋳塊表面の水分を除去するために除湿装置を利用するか100℃以上に加熱するなどの工夫が必要である。除湿装置利用による水分の除去は装置が大掛かりになり工程が複雑になるので100℃以上の加熱が好ましいが、しかし、皮材溶湯に接する直前の芯材鋳塊の表面温度が高過ぎると皮材溶湯が芯材鋳塊表面で固体として成長し難いので、皮材溶湯に接する直前の芯材鋳塊の表面温度は120℃以下に制御することが好ましい。また、除湿装置利用による水分の除去を実施するときなどは皮材溶湯に接する直前の芯材鋳塊の表面温度を、好ましくは70℃以下，さらに好ましくは50℃以下にすることが好ましい。
【実施例１】
【０００９】
図３に示すクラッド鋳塊製造方法を実施例により、さらに詳細に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。芯材鋳塊としてφ30mm, 長さ85mmの円筒状3003Al合金、皮材溶湯として4045Al合金（液相線温度TL：630℃、固相線温度TS：575℃）を用いて、芯材鋳塊を皮材溶湯溜り内に挿入し、所定時間後引き上げた際の、芯材鋳塊表面温度、皮材溶湯温度と芯材鋳塊の皮材溶湯への浸漬時間が芯材に接合する皮材の厚みに及ぼす影響について検討した、
【００１０】
その結果を表1に示す。
【００１１】
【表１】
【００１２】
比較例a,bの結果より、皮材溶湯温度が(TL+85)℃を超えた場合には芯材鋳塊表面にて皮材は成長せず、この場合は芯材表面が溶解していた。また、比較例c〜eの結果より、芯材温度が120℃以上では皮材溶湯温度によらず芯材鋳塊表面にて皮材は成長しなかった。この場合は芯材表面が溶解していた。一方で、実施例ａ〜ｅに見られるように、芯材固体の表面温度を120℃以下に制御し、且つ、皮材溶湯温度を(TL+85)℃以下TS℃以上の範囲に制御した場合は、芯材鋳塊表面にて皮材が固相成長する。さらに、浸漬時間の影響を検討した結果、実施例c〜eの結果より、芯材鋳塊表面温度および皮材溶湯温度が同じ場合、浸漬時間に伴って皮材厚みが増した。これより、芯材鋳塊の皮材溶湯への浸漬時間の制御によって芯材鋳塊に接合する皮材厚みの制御が可能である。
【００１３】
さらに、表1中の実施例eを押し出し加工して作製したクラッド押出材（実施例）と、従来のクラッドビレット製造方法で製造したクラッドビレットを押し出すことで得られたクラッド押出材（比較例）につき、芯材と皮材界面における接合不良について検討した。芯材、皮材として用いた各合金は実施例、比較例とも同一であり、クラッド率は37.5%である。これらのクラッドビレット鋳塊400℃に加熱し、試験押し出し機によって押出速度5m/minでφ5mmの線材に押し出し、押し出しの定常域において10cmのクラッド押出材について調査した。
【００１４】
芯材と皮材界面における未接合欠陥数の調査結果を表2に示す。
【００１５】
【表２】
これより、未接合欠陥数は、従来のクラッド押し出し材製造法に比べ、本発明のクラッドビレット製造法によるクラッド押出材の方が少なく、本発明のクラッド鋳塊製造方法において製造されたクラッドビレットを押し出し加工して得られる熱交換機用クラッド押出材が、従来のクラッド押出材と比較して、ろう付け性、耐食性、強度の強化のみならず、歩留まりを改善させることを見出した。
【実施例２】
【００１６】
図１に示すクラッド鋳塊製造方法を実施例により、さらに詳細に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。芯材鋳塊としてφ150mm, 長さ300mmの円筒状3003Al合金、皮材溶湯として4045Al合金（液相線温度TL：630℃、固相線温度TS：575℃）を用いて、芯材鋳塊表面温度、皮材溶湯温度と芯材鋳塊の回転速度が芯材に接合する皮材の厚みに及ぼす影響について検討した。なお、本実施例において、芯材鋳塊を皮材溶湯内に液深10mmまで挿入し、芯材鋳塊表面を皮材溶湯に接しさせた。
【００１７】
その結果を表3に示す。
【００１８】
【表３】
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比較例a，ｂの結果より、皮材溶湯温度が(TL+85)℃を超えた場合には芯材鋳塊表面にて皮材は成長せず、この場合は芯材表面が溶解していた。また、比較例c〜eの結果より、芯材温度が120℃以上では皮材溶湯温度によらず芯材鋳塊表面にて皮材は成長しなかった。この場合は芯材表面が溶解していた。一方で、実施例ａ〜ｅに見られるように、芯材固体の表面温度を120℃以下に制御し、且つ、皮材溶湯温度を(TL+85)℃以下TS℃以上の範囲に制御した場合は、芯材鋳塊表面にて皮材が固相成長する。さらに、芯材鋳塊の回転速度の影響を検討した結果、実施例c〜eの結果より、芯材鋳塊表面温度および皮材溶湯温度が同じ場合、回転速度の減少に伴って皮材厚みが増した。これより、芯材鋳塊の回転速度の制御によって芯材鋳塊に接合する皮材厚みの制御が可能である。
【００１９】
さらに、表3中の実施例eを押し出し加工して作製したクラッド押出材（実施例）と、従来のクラッドビレット製造方法で製造したクラッドビレットを押し出すことで得られたクラッド押出材（比較例）につき、芯材と皮材界面における接合不良について検討した。
芯材、皮材として用いた各合金は実施例、比較例とも同一であり、クラッド率は37.5%である。これらのクラッドビレット鋳塊400℃に加熱し、試験押し出し機によって押出速度5m/minでφ5mmの線材に押し出し、押し出しの定常域において85mmのクラッド押出材について調査した。
【００２０】
芯材と皮材界面における未接合欠陥数の調査結果を表4に示す。
【００２１】
【表４】
これより、未接合欠陥数は、従来のクラッド押し出し材製造法に比べ、本発明のクラッドビレット製造法によるクラッド押出材の方が少なく、本発明のクラッド鋳塊製造方法において製造されたクラッドビレットを押し出し加工して得られる熱交換機用クラッド押出材が、従来のクラッド押出材と比較して、ろう付け性、耐食性、強度の強化のみならず、歩留まりを改善させることを見出した。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせ、皮材を連続的に形成することを示したクラッドビレット鋳塊の製造方法である。
【図２】皮材溶湯補給スパウト5を芯材鋳塊の直上に設置し、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせ、皮材を連続的に形成することを示したクラッドビレット鋳塊の製造方法である。
【図３】皮材溶湯溜り内に芯材鋳塊を挿入し、芯材表面に皮材を固相として成長させた後、芯材鋳塊を引き上げることで芯材と皮材を接合することを示したクラッド鋳塊の製造方法である。
【図４】環状皮材溶湯補給機3を芯材鋳塊の長手方向に移動させながら、環状皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に連続的に接しさせ、芯材と皮材を接合することを示したクラッド鋳塊の製造方法である。
【符号の説明】
【００２３】
１ 芯材鋳塊
２ 皮材溶湯
３ スクレーパー
４ 皮材
５ 皮材溶湯補給スパウト
６ 調整弁
７ 環状皮材容湯供給機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属のクラッド鋳塊製造方法に関する発明である
【背景技術】
【０００２】
金属のクラッド材、特にAl合金のクラッド材とは、2種以上の成分比の異なるAl合金で構成された多層材であり、Al合金のクラッド材は、ろう付け性、耐食性、強度に優れ、熱交換器を始めとして様々な分野で利用されている。
【０００３】
従来のAl合金のクラッド材の製造方法としては、成分比の異なるAl合金鋳塊をそれぞれ鋳造し、被覆材（以後「皮材」という。）となるAl合金鋳塊は熱間圧延によって板状に成型し、芯材鋳塊は均質化処理、面削をした後、芯材と皮材を重ね合わせて加熱、熱間合わせ圧延を経ることで、それぞれのAl合金が固相拡散接合によってクラッド材となる。しかし、上述のクラッド材製造方法は、皮材鋳塊、芯材鋳塊をそれぞれ用意する必要性があり、皮材を一度熱間圧延した後に芯材とあわせる必要性があり、芯材と皮材の合わせ圧延における熟練度を要し、操業上の効率、歩留まりを大幅に悪化させる。とくに、クラッドビレット製造においては、芯材鋳塊と筒状皮材の合わせ工程において、芯材鋳塊と皮材のクリアランスが広い場合、押し出し加工の際に皮材が変形し押し出し機内で詰まる。さらに、圧延または押し出しが成功しても、芯材と皮材の界面にポロシティが残存し、熱交換器用クラッド材に求められるろう付け性、耐食性、強度の低下により不良品となるなど、歩留まりを大幅に悪化させる。
【０００４】
そこで以前より、クラッド材を製造するにあたり、その製造工程を簡略化するクラッド材製造方法が研究されてきた。
特許出願公告昭44-27001号は予め製造した芯材を皮材溶湯内に連続的に挿入し異種金属接合を達成する鋳込み法を提案している。特許出願公告昭52-31814号は多段鋳型を用いて、上段の鋳型で芯材を鋳造した後、芯材鋳塊が冶金的結合を生ずるのに充分な高温状態にある間に、第二の鋳型内に降下し、直ちに第二の鋳型内で皮材を芯材鋳塊周囲に連続的に注入、凝固させる方法を提案している。また、特開H2-147149号は、多段鋳型を用いる際、上段の鋳型内で芯材を鋳造した直後に冷却水を除去する方法を提案している。これらの方法は芯材鋳塊の復熱によって皮材溶湯と芯材表面が冶金的結合するに必要な温度の確保を目的としたものであり、芯材表面の温度を高温に維持する必要がある。また、これらの方法は芯材と皮材の接合後に冷却鋳型を用いて冷却するので、設備が複雑で高価になる。特開昭62-104652は芯材と皮材の冶金的接合を同一鋳型内で達成する方法を提案している。上記従来のクラッド鋳塊製造方法は芯材および皮材の温度制御が難しく、また、装置が複雑で高価であり現実的使用が非常に困難である。
【特許文献１】特公昭４４−２７００１号公報
【特許文献２】特公昭５２−３１８１４号公報
【特許文献３】特開平２−１４７１４９号公報
【特許文献３】特開昭２−１４７１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明において解決しようとする課題は、クラッド鋳塊製造方法において、複雑な製造工程および装置を必要とせず、且つ、クラッド鋳塊に求められる特徴を有するクラッド鋳塊の製造方法を提供すること、および、クラッド鋳塊製造方法で得られたクラッド鋳塊を押し出し加工して得られる、芯材と皮材の界面においてポロシティが少ないクラッド材を提供することである。また、これを応用して熱交換機材を高効率、且つ、安価に製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一は、芯材鋳塊を皮材溶湯に接しさせ、芯材鋳塊を皮材溶湯の冷却媒体として用いることで芯材表面に皮材を固相として成長させるクラッド鋳塊の製造方法において、皮材溶湯に接する直前の芯材固体の表面温度を120℃以下に制御し、且つ、皮材の液相線温度TL℃、固相線温度TS℃としたとき、皮材溶湯温度を（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲に制御することを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。すなわち、芯材となる鋳塊をあらかじめ鋳造し、皮材を溶湯の状態で芯材鋳塊に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を固相成長させることで芯材と皮材を接合する。このため、皮材溶湯の冷却は芯材鋳塊を冷却媒体とするため、芯材鋳塊の表面温度は120℃以下に制御し、皮材を芯材鋳塊表面で成長させるために、皮材溶湯温度は液相線温度TL℃、固相線温度TS℃として（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲に制御する。
本発明の第二は、本発明の第一に記載のクラッド鋳塊製造方法において、芯材鋳塊表面に接した皮材溶湯の温度がTS℃以上にある間に、スクレーパーで皮材厚みを断面方向および長手方向に均一に成形することを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。
本発明の第三は、本発明の第一および第二のいずれかに記載のクラッド鋳塊製造方法において、円柱状または円筒上の芯材鋳塊の中心軸を回転軸とし、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。
本発明の第四は、本発明の第一および第二のいずれかに記載のクラッド鋳塊製造方法において、皮材溶湯溜り内に芯材鋳塊を挿入し、芯材表面に皮材を固相として成長させた後、芯材鋳塊を引き上げることを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。
本発明の第五は、本発明の第一および第二のいずれかに記載のクラッド鋳塊製造方法において、芯材鋳塊を固定し皮材溶湯供給機を芯材鋳塊長手方向に移動、または、皮材溶湯供給機を固定し芯材鋳塊を芯材鋳塊長手方向に移動させながら、皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするクラッド鋳塊製造方法である。
本発明の第六は、本発明の第一〜第五のいずれかに記載のクラッド鋳塊製造方法で製造されたクラッド鋳塊である。
本発明の第七は、本発明の第六に記載のクラッド鋳塊を圧延加工または押し出し加工して熱交換機用クラッド材を製造する熱交換機用クラッド材の製造方法である。
本発明の第八は、本発明の第七に記載の方法で製造されて得られた熱交換機用クラッド押出材である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、従来のクラッド材製造方法における皮材圧延板と芯材鋳塊の合わせ工程が省略可能である。さらに、従来のクラッド製造法では皮材鋳塊を板状にするために面削、圧延の工程を踏んでいるが、この際の面削、圧延板両端部の切断除去が歩留まり悪化の原因となっている。本発明のクラッド鋳塊製造方法では、皮材溶湯を必要量のみ芯材鋳塊表面に接合すれば良く、従来のクラッド材製造方法に比べ歩留まり改善が可能である。
また、従来のクラッド鋳塊製造法では、非常に複雑な装置および制御が必要とされているが、本発明は皮材溶湯の冷却媒体を芯材鋳塊とするため、皮材溶湯を凝固させるための鋳型を必要とせず、また、芯材温度を高温で制御する必要がない。
さらには、本発明のクラッド鋳塊製造方法は皮材を溶融状態で芯材表面に接させるため、芯材と皮材の接合界面が従来のクラッド材製造方法に比べ密となる。これによって、押し出し加工の際に皮材が変形し押し出し機内で詰まることや、圧延または押し出しが成功しても、芯材と皮材の界面にポロシティが残存し、熱交換器用クラッド材に求められるろう付け性、耐食性、強度の低下による不良品発生による歩留まり悪化を改善することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明を詳細に説明する。
図１は上に述べた本発明の第三を実施する方法を説明する図である。図１において、円柱状または円筒状芯材鋳塊1の表面温度を120℃以下とし、皮材溶湯2の温度を皮材の液相線温度TL℃、皮材の固相線温度TS℃として（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲とする。芯材鋳塊の中心軸を回転軸とし、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせることで芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするクラッドビレット鋳塊を製造する方法である。
図1において、皮材の厚みを断面方向および長手方向に均一にするために、皮材溶湯と芯材鋳塊表面が接した直後にスクレーパー3を設置しても良い。これにより、芯材表面に皮材が接合した直後に、スクレーパーによって固液共存状態の余剰皮材が削げ落ち、皮材を所望の厚みに形成できる。よって、スクレーパーと芯材表面の距離は、所望の皮材厚みとなるよう設置する必要がある。
図２は上に述べた本発明の第三を実施する別の方法を説明する図である。図二において皮材溶湯補給スパウト5を芯材鋳塊の直上に設置し、芯材鋳塊の中心軸を回転軸とし、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせることで芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするクラッド鋳塊を製造する方法である。図２において、所望の皮材厚みにするためにスクレーパー3を設置しても良い。これにより、芯材表面に皮材が接合した直後に、スクレーパーによって固液共存状態の余剰皮材が削げ落ち、皮材を所望の厚みに形成できる。よって、スクレーパーと芯材表面の距離は、所望の皮材厚みとなるよう設置する必要がある。
図３は上に述べた本発明の第四を実施する方法を説明する図である。図３において、芯材鋳塊1の表面温度を120℃以下とし、皮材溶湯2の温度を皮材の液相線温度TL℃、皮材の固相線温度TS℃として（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲とする。皮材溶湯溜り内に芯材鋳塊を挿入し、芯材表面に皮材を固相として成長させた後、芯材鋳塊を引き上げることで芯材と皮材を接合することを特徴とするクラッド鋳塊を製造する方法である。
所望の皮材厚みにするためにスクレーパー3を設置しても良い。皮材溶湯溜りの浴表面直上に環状のスクレーパー3を設置し、芯材鋳塊を皮材溶湯より引き上げる際に、環状スクレーパー内を芯材鋳塊が通過する様に引き上げを行う。これにより、芯材を皮材溶湯から引き上げる際、環状スクレーパーによって固液共存状態の余剰皮材が削げ落ち、所望の皮材厚みの接合を可能とする。よって、該環状スクレーパーと芯材表面の距離は、所望の皮材厚みとなるよう設置する必要がある。
図４は上に述べた本発明の第五を実施する方法を説明する図である。図4において、芯材鋳塊1の表面温度を120℃以下とし、皮材溶湯2の温度を皮材の液相線温度TL、皮材の固相線温度TS℃として（TL+85）℃以下TS℃以上の範囲とする。環状皮材溶湯補給機7を芯材鋳塊の長手方向に移動させながら、環状皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に連続的に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材４を固相成長させることで芯材と皮材を接合することを特徴とするクラッド鋳塊を製造する方法である。また、環状皮材溶湯補給機7を固定し、芯材鋳塊を長手方向に移動させながら、環状皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に連続的に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材４を固相成長させることで芯材と皮材を接合させても良い。
図4において、環状皮材溶湯供給機より芯材鋳塊表面へ供給する皮材溶湯量を調整するため、調整弁6を環状皮材溶湯供給機内に設ける。これにより、皮材溶湯供給機内の皮材溶湯量に関わらず、安定した量の皮材溶湯を芯材鋳塊表面に供給することが可能となる。
図４において、皮材の厚みを断面方向および長手方向に均一にするために、皮材溶湯と芯材鋳塊表面が接した直後にスクレーパー3を設置しても良い。これにより、芯材表面に皮材が接合した直後に、スクレーパーによって固液共存状態の余剰皮材が削げ落ち、皮材を所望の厚みに形成できる。よって、スクレーパーと芯材表面の距離は、所望の皮材厚みとなるよう設置する必要がある。
上記のいずれの方法においても、皮材溶湯の温度の制御が重要である。皮材溶湯の温度が高すぎる場合には芯材鋳塊が皮材溶湯の冷却媒体として充分に機能せず、芯材鋳塊表面が溶解してしまい、皮材が接合しないことが確認された。このため、皮材溶湯の温度は(TL+８５)℃以下に制御することが必要である。皮材溶湯に接する直前の芯材鋳塊の表面温度が100〜120℃というふうに比較的高い場合であっても、皮材溶湯の温度を(TL+50)℃以下，特に(TL+20)℃以下に制御することにより良好な結果が得られた。
一方、皮材溶湯の温度はTS以下にしなければ本発明方法を実施することは出来ない。皮材溶湯温度は(TS+10)℃，好ましくは(TS+20)℃以上に制御すると良い。
また、上記のいずれの方法においても、芯材鋳塊表面に水分が存在すると水蒸気爆発的な現象が発生してたいへん危険である。そこで、芯材鋳塊を皮材溶湯に接しさせるに際しては、予め芯材鋳塊表面の水分を除去するために除湿装置を利用するか100℃以上に加熱するなどの工夫が必要である。除湿装置利用による水分の除去は装置が大掛かりになり工程が複雑になるので100℃以上の加熱が好ましいが、しかし、皮材溶湯に接する直前の芯材鋳塊の表面温度が高過ぎると皮材溶湯が芯材鋳塊表面で固体として成長し難いので、皮材溶湯に接する直前の芯材鋳塊の表面温度は120℃以下に制御することが好ましい。また、除湿装置利用による水分の除去を実施するときなどは皮材溶湯に接する直前の芯材鋳塊の表面温度を、好ましくは70℃以下，さらに好ましくは50℃以下にすることが好ましい。
【実施例１】
【０００９】
図３に示すクラッド鋳塊製造方法を実施例により、さらに詳細に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。芯材鋳塊としてφ30mm, 長さ85mmの円筒状3003Al合金、皮材溶湯として4045Al合金（液相線温度TL：630℃、固相線温度TS：575℃）を用いて、芯材鋳塊を皮材溶湯溜り内に挿入し、所定時間後引き上げた際の、芯材鋳塊表面温度、皮材溶湯温度と芯材鋳塊の皮材溶湯への浸漬時間が芯材に接合する皮材の厚みに及ぼす影響について検討した、
【００１０】
その結果を表1に示す。
【００１１】
【表１】
【００１２】
比較例a,bの結果より、皮材溶湯温度が(TL+85)℃を超えた場合には芯材鋳塊表面にて皮材は成長せず、この場合は芯材表面が溶解していた。また、比較例c〜eの結果より、芯材温度が120℃以上では皮材溶湯温度によらず芯材鋳塊表面にて皮材は成長しなかった。この場合は芯材表面が溶解していた。一方で、実施例ａ〜ｅに見られるように、芯材固体の表面温度を120℃以下に制御し、且つ、皮材溶湯温度を(TL+85)℃以下TS℃以上の範囲に制御した場合は、芯材鋳塊表面にて皮材が固相成長する。さらに、浸漬時間の影響を検討した結果、実施例c〜eの結果より、芯材鋳塊表面温度および皮材溶湯温度が同じ場合、浸漬時間に伴って皮材厚みが増した。これより、芯材鋳塊の皮材溶湯への浸漬時間の制御によって芯材鋳塊に接合する皮材厚みの制御が可能である。
【００１３】
さらに、表1中の実施例eを押し出し加工して作製したクラッド押出材（実施例）と、従来のクラッドビレット製造方法で製造したクラッドビレットを押し出すことで得られたクラッド押出材（比較例）につき、芯材と皮材界面における接合不良について検討した。芯材、皮材として用いた各合金は実施例、比較例とも同一であり、クラッド率は37.5%である。これらのクラッドビレット鋳塊400℃に加熱し、試験押し出し機によって押出速度5m/minでφ5mmの線材に押し出し、押し出しの定常域において10cmのクラッド押出材について調査した。
【００１４】
芯材と皮材界面における未接合欠陥数の調査結果を表2に示す。
【００１５】
【表２】
これより、未接合欠陥数は、従来のクラッド押し出し材製造法に比べ、本発明のクラッドビレット製造法によるクラッド押出材の方が少なく、本発明のクラッド鋳塊製造方法において製造されたクラッドビレットを押し出し加工して得られる熱交換機用クラッド押出材が、従来のクラッド押出材と比較して、ろう付け性、耐食性、強度の強化のみならず、歩留まりを改善させることを見出した。
【実施例２】
【００１６】
図１に示すクラッド鋳塊製造方法を実施例により、さらに詳細に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。芯材鋳塊としてφ150mm, 長さ300mmの円筒状3003Al合金、皮材溶湯として4045Al合金（液相線温度TL：630℃、固相線温度TS：575℃）を用いて、芯材鋳塊表面温度、皮材溶湯温度と芯材鋳塊の回転速度が芯材に接合する皮材の厚みに及ぼす影響について検討した。なお、本実施例において、芯材鋳塊を皮材溶湯内に液深10mmまで挿入し、芯材鋳塊表面を皮材溶湯に接しさせた。
【００１７】
その結果を表3に示す。
【００１８】
【表３】
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比較例a，ｂの結果より、皮材溶湯温度が(TL+85)℃を超えた場合には芯材鋳塊表面にて皮材は成長せず、この場合は芯材表面が溶解していた。また、比較例c〜eの結果より、芯材温度が120℃以上では皮材溶湯温度によらず芯材鋳塊表面にて皮材は成長しなかった。この場合は芯材表面が溶解していた。一方で、実施例ａ〜ｅに見られるように、芯材固体の表面温度を120℃以下に制御し、且つ、皮材溶湯温度を(TL+85)℃以下TS℃以上の範囲に制御した場合は、芯材鋳塊表面にて皮材が固相成長する。さらに、芯材鋳塊の回転速度の影響を検討した結果、実施例c〜eの結果より、芯材鋳塊表面温度および皮材溶湯温度が同じ場合、回転速度の減少に伴って皮材厚みが増した。これより、芯材鋳塊の回転速度の制御によって芯材鋳塊に接合する皮材厚みの制御が可能である。
【００１９】
さらに、表3中の実施例eを押し出し加工して作製したクラッド押出材（実施例）と、従来のクラッドビレット製造方法で製造したクラッドビレットを押し出すことで得られたクラッド押出材（比較例）につき、芯材と皮材界面における接合不良について検討した。
芯材、皮材として用いた各合金は実施例、比較例とも同一であり、クラッド率は37.5%である。これらのクラッドビレット鋳塊400℃に加熱し、試験押し出し機によって押出速度5m/minでφ5mmの線材に押し出し、押し出しの定常域において85mmのクラッド押出材について調査した。
【００２０】
芯材と皮材界面における未接合欠陥数の調査結果を表4に示す。
【００２１】
【表４】
これより、未接合欠陥数は、従来のクラッド押し出し材製造法に比べ、本発明のクラッドビレット製造法によるクラッド押出材の方が少なく、本発明のクラッド鋳塊製造方法において製造されたクラッドビレットを押し出し加工して得られる熱交換機用クラッド押出材が、従来のクラッド押出材と比較して、ろう付け性、耐食性、強度の強化のみならず、歩留まりを改善させることを見出した。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせ、皮材を連続的に形成することを示したクラッドビレット鋳塊の製造方法である。
【図２】皮材溶湯補給スパウト5を芯材鋳塊の直上に設置し、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせ、皮材を連続的に形成することを示したクラッドビレット鋳塊の製造方法である。
【図３】皮材溶湯溜り内に芯材鋳塊を挿入し、芯材表面に皮材を固相として成長させた後、芯材鋳塊を引き上げることで芯材と皮材を接合することを示したクラッド鋳塊の製造方法である。
【図４】環状皮材溶湯補給機3を芯材鋳塊の長手方向に移動させながら、環状皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に連続的に接しさせ、芯材と皮材を接合することを示したクラッド鋳塊の製造方法である。
【符号の説明】
【００２３】
１ 芯材鋳塊
２ 皮材溶湯
３ スクレーパー
４ 皮材
５ 皮材溶湯補給スパウト
６ 調整弁
７ 環状皮材容湯供給機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材鋳塊を皮材溶湯に接しさせ、芯材鋳塊を皮材溶湯の冷却媒体として用いることで芯材表面に皮材を固相として成長させるAl合金クラッド鋳塊の製造方法において、皮材溶湯に接する直前の芯材固体の表面温度を120℃以下に制御し、且つ、皮材の液相線温度TL℃、固相線温度TS℃としたとき、皮材溶湯温度を（TL+85）℃以下，TS℃以上の範囲に制御することを特徴とするAlクラッド鋳塊製造方法
【請求項２】
請求項1に記載のAl合金クラッド鋳塊製造方法において、芯材鋳塊表面に接した皮材溶湯の温度がTS以上にある間に、スクレーパーで皮材厚みを断面方向および長手方向に均一に成形することを特徴とするAl合金クラッド鋳塊製造方法
【請求項３】
請求項1および請求項2のいずれかに記載のAl合金クラッド鋳塊製造方法において、円柱状または円筒上の芯材鋳塊の中心軸を回転軸とし、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするAl合金クラッド鋳塊製造方法
【請求項４】
請求項1および請求項2のいずれかに記載のAl合金クラッド鋳塊製造方法において、皮材溶湯溜り内に芯材鋳塊を挿入し、芯材表面に皮材を固相として成長させた後、芯材鋳塊を引き上げることを特徴とするAl合金クラッド鋳塊製造方法
【請求項５】
請求項1および請求項2のいずれかに記載のAl合金クラッド鋳塊製造方法において、芯材鋳塊を固定し皮材溶湯供給機を芯材鋳塊長手方向に移動、または、皮材溶湯供給機を固定し芯材鋳塊を芯材鋳塊長手方向に移動させながら、皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするAl合金クラッド鋳塊製造方法
【請求項６】
請求項６に記載のAl合金クラッド鋳塊を圧延加工または押し出し加工して熱交換機用クラッド材を製造する熱交換機用Al合金クラッド材の製造方法
【請求項７】
請求項７に記載の方法で製造されて得られた熱交換機用Al合金クラッド押出材
【請求項１】
芯材鋳塊を皮材溶湯に接しさせ、芯材鋳塊を皮材溶湯の冷却媒体として用いることで芯材表面に皮材を固相として成長させるAl合金クラッド鋳塊の製造方法において、皮材溶湯に接する直前の芯材固体の表面温度を120℃以下に制御し、且つ、皮材の液相線温度TL℃、固相線温度TS℃としたとき、皮材溶湯温度を（TL+85）℃以下，TS℃以上の範囲に制御することを特徴とするAlクラッド鋳塊製造方法
【請求項２】
請求項1に記載のAl合金クラッド鋳塊製造方法において、芯材鋳塊表面に接した皮材溶湯の温度がTS以上にある間に、スクレーパーで皮材厚みを断面方向および長手方向に均一に成形することを特徴とするAl合金クラッド鋳塊製造方法
【請求項３】
請求項1および請求項2のいずれかに記載のAl合金クラッド鋳塊製造方法において、円柱状または円筒上の芯材鋳塊の中心軸を回転軸とし、芯材鋳塊を周方向に回転させながら、芯材鋳塊表面と皮材溶湯を連続的に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするAl合金クラッド鋳塊製造方法
【請求項４】
請求項1および請求項2のいずれかに記載のAl合金クラッド鋳塊製造方法において、皮材溶湯溜り内に芯材鋳塊を挿入し、芯材表面に皮材を固相として成長させた後、芯材鋳塊を引き上げることを特徴とするAl合金クラッド鋳塊製造方法
【請求項５】
請求項1および請求項2のいずれかに記載のAl合金クラッド鋳塊製造方法において、芯材鋳塊を固定し皮材溶湯供給機を芯材鋳塊長手方向に移動、または、皮材溶湯供給機を固定し芯材鋳塊を芯材鋳塊長手方向に移動させながら、皮材溶湯供給機より供給された皮材溶湯を芯材鋳塊表面に接しさせ、芯材鋳塊表面に皮材を連続的に形成することを特徴とするAl合金クラッド鋳塊製造方法
【請求項６】
請求項６に記載のAl合金クラッド鋳塊を圧延加工または押し出し加工して熱交換機用クラッド材を製造する熱交換機用Al合金クラッド材の製造方法
【請求項７】
請求項７に記載の方法で製造されて得られた熱交換機用Al合金クラッド押出材
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１４２８１１（Ｐ２０１０−１４２８１１Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１９０３８（Ｐ２００８−３１９０３８）
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００１０７５３８）古河スカイ株式会社 (572)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（０００１０７５３８）古河スカイ株式会社 (572)
【Ｆターム（参考）】
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