JP2002363707A - ろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品 - Google Patents
ろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品Info
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Abstract
う付け時における基材の被侵食の割合が低く、かつ、ろ
う付け作業性が良好なろう付け用複合材、及び接合部の
信頼性が良好で、製造コストが安価なろう付け製品を提
供するものである。 【解決手段】 本発明に係るろう付け用複合材の第1の
形態は、基材11の表面に、Fe又はFe合金層12、
Ti又はTi合金層13、及びNi又はNi合金層14
を積層して設けてなるろう付け層を有するものである。
また、本発明に係るろう付け用複合材の第2の形態は、
基材11の表面に、Fe合金層12とTi又はTi合金
層13を少なくとも一層づつ積層して設けてなるろう付
け層を有するものである。
Description
及びそれを用いたろう付け製品に係り、特に、熱交換
器、及び燃料電池部材のろう付けに用いられる複合材及
びそれを用いたろう付け製品に関するものである。
テンレス基クラッド材が使用されている。これは、基材
であるステンレス鋼板の片面又は両面に、ろう材として
の機能を有するCu材がクラッドされている。
合金などからなる部材のろう付け材として、接合部の耐
酸化性や耐食性に優れる各種Niろう材が、JIS規格
により規定されている。
ろう材として、粉末状のNiろう材に、Ni、Cr、又
はNi−Cr合金の中から選択される金属粉末を4〜2
2重量%添加してなる粉末Niろう材が提案されている
(特開2000−107883号公報参照)。
i及びTiからなるろう付け層を有する、即ちNi/T
i/ステンレス鋼というろう付け層構造を有する自己ろ
う付け性複合材がある(特開平7−299592号公報
参照)。
ろう材又はろう付け用複合材を、高温・高腐食性のガス
又は液体に晒される熱交換器(排ガス再循環装置(以
下、EGR(Exhaust GasRecirculation)と示す)用ク
ーラ)の接合用ろう材として使用する場合、以下に示す
ような問題があった。
動車用オイルクーラの接合材として使用する場合、耐熱
性、耐酸化性、及び耐食性について問題が全くないが、
このステンレス基クラッド材をEGR用クーラの接合材
として使用する場合、EGR用クーラ内は高温で、か
つ、腐食性の高い排気ガスが循環されることから、ステ
ンレス基クラッド材のろう材(Cu材)では、耐熱性、
耐酸化性、及び耐食性が十分でないという問題があっ
た。
ることから、各接合部に粉末Niろう材をそれぞれ塗布
するという作業が必要になる。つまり、ろう付け作業に
多大な労力を要するため、ろう付け製品の生産性が著し
く低く、その結果、製造コストの上昇を招くという問題
があった。
熱性及び耐食性については十分な効果を発揮するもの
の、ろう付けする際に、基材のステンレス鋼が溶融ろう
付け層により激しく侵食され、ろう付け後の製品の性能
(強度、疲労特性)が大きく低下するという問題があっ
た。具体的には、Ni層及びTi層はろう付けする際の
熱処理によって溶融するが、Tiの反応性が著しく高い
ことから、Tiと基材であるステンレス鋼の反応が過大
となる。これは、基材であるステンレス鋼のFe成分と
Tiが反応し、Feリッチな固溶体相及びFe2Ti、
FeTiなどの金属間化合物が生じやすいためである。
その結果、基材のFe成分がろう付け層中へ溶出(溶融
・分散)することから、基材において著しい侵食が生
じ、ろう付け前の基材の厚さ・体積を確保することがで
きず、接合部の接合強度の低下、即ちろう付け製品の信
頼性の低下が生じる。
一の目的は、耐熱性、耐酸化性、及び耐食性が良好で、
ろう付け時における基材の被侵食の割合が低く、かつ、
ろう付け作業性が良好なろう付け用複合材を提供するこ
とにある。
性が良好で、製造コストが安価なろう付け製品を提供す
ることにある。
発明に係るろう付け用複合材の第1の実施の形態は、基
材表面にろう付け層を有するろう付け用複合材におい
て、上記基材の表面に、Fe又はFe合金層、Ti又は
Ti合金層、及びNi又はNi合金層を積層して設けた
ものである。また、本発明に係るろう付け用複合材の第
2の実施の形態は、基材表面にろう付け層を有するろう
付け用複合材において、上記基材の表面に、Fe合金層
とTi又はTi合金層を少なくとも一層づつ積層して設
けたものである。
e、Ti又はFe、Ti、Niを含むろう材で構成され
るろう付け層を設けているため、従来のろう付け用複合
材と比較して、同等又は同等以上の耐熱性、耐酸化性、
及び耐食性を有し、かつ、ろう付け時における基材の被
侵食の割合が低いろう付け用複合材が得られる。
いたろう付け製品は、上述したろう付け用複合材を用い
て接合したものである。
ろう付け(接合)を行うことで、ろう付け製品の接合部
の信頼性が良好となる。
を添付図面に基いて説明する。
材(Ni−Ti系ろう材)と同等の耐熱性及び耐食性を
有し、かつ、ろう付け時に、基材であるステンレス鋼の
Tiによる侵食(ろう付け層中へ溶融・分散)が少な
く、かつ、ろう付け加工が容易なろう付け用複合材の構
成について種々検討した結果、ろう付け層をFe、T
i、及びNiを含むろう材で構成することで、上記の特
性を満足するろう付け用複合材を得ることができた。
態の断面図を図1に、図1の第1変形例を示す断面図を
図2に、本発明に係るろう付け用複合材の第2の形態の
断面図を図3に示す。尚、図2及び図3において、図1
と同様の部材には同じ符号を付している。
う付け用複合材10は、ステンレス鋼の板材からなる基
材11の片面(図1中では上面)に、ろう付け層(基材
11側から順に、Fe又はFe合金層12、Ti又はT
i合金層13、及びNi又はNi合金層14)を設けて
なるクラッド材である。ここで、ろう付け層は、基材1
1の片面のみではなく、両面(図1中では上・下面)に
設けてもよい。
はFe合金としては、Ti又はTi合金層13のTiと
反応してTiCが生成するのを極力防ぐべく、C含有量
の低いものが好ましい。また、Fe合金としては、Fe
−Ni系合金、Fe−Cr系合金(フェライト系ステン
レス鋼)、又はFe−Cr−Ni系合金(オーステナイ
ト系ステンレス鋼)が好ましい。これは、NiやCr
は、ろう付け部(接合部)の耐食性や耐酸化性を向上さ
せる効果があるからである。
Ni合金としては、Ni−P系合金や、Ni−Cr−F
e系耐食耐熱超合金(例えば、インコネル(登録商標)
等)が好ましい。これは、これらの合金は、ろう付け時
の湯流れ性や濡れ性の改善、及びステンレス鋼中のFe
成分の溶解度の低減を図ることができるためである。
けてなるクラッド材の形成方法は、特に限定するもので
はなく、クラッド材形成のための慣用の方法が全て適用
可能であり、例えば、板材を積層した後、圧延により一
体化する方法が挙げられる。
に、基材11側から順に、Fe又はFe合金層12,1
2、Ti又はTi合金層13,13、及びNi又はNi
合金層14,14を設けた場合について説明を行った
が、各層12,13,14の形成順序はこれに限定する
ものではない。例えば、図2に示すように、基材11の
表面に、基材11側から順に、Ni合金層14,14、
Ti又はTi合金層13,13、及びFe又はFe合金
層12,12を設けた複合材20であっても良い。ま
た、図3に示すように、基材11の表面に、基材11側
から順に、Fe合金層12,12、Ti又はTi合金層
13,13、及びFe合金層12,12を設けた複合材
30であっても良い。ここで、Fe合金層12としてF
e−Cr系合金層を用いることが好ましく、このFe−
Cr系合金層を基材11とTi又はTi合金層13の間
に配置し、ステンレス鋼中のFe成分とTiが反応する
のを防ぐバリア層とすることが特に好ましい。
Ni又はNi合金層14、図2,図3中ではFe又はF
e合金層12)を構成する金属又は合金に、B又はSi
の少なくとも一種を添加してもよい。これによって、ろ
う材の融点、濡れ性、靭性、及び接合強度を調整するこ
とができる。
全体におけるFe、Ti、及びNiの最適な割合につい
て説明する。
重量に占めるTiの割合(Tiの重量/(Ti+Niの
重量))は、20〜60wt%が好ましく、特に30〜
50wt%が好ましい。これは、Tiの割合が20wt
%未満では、ろう付け層全体の溶融温度を低下させる効
果が十分に得られず、ろう付け時にろう付け層が溶融し
なくなるためである。また、Tiの割合が60wt%を
越えると、NiとTiの反応により金属間化合物が多く
生成してろう付け層が著しく脆化してしまい、ろう付け
製品の信頼性が期待できなくなるためである。
割合(Feの重量/ろう付け層全体の重量)は、10〜
50wt%が好ましく、特に20〜40wt%が好まし
い。これは、Feの割合が10wt%未満では、ステン
レス鋼のFe成分の溶出を抑制することができないため
である。また、Feの割合が50wt%を越えると、湯
流れ性が著しく低下し、正常なろう付けが困難となるた
めである。
のTiの反応を極力抑制するためには、ステンレス鋼中
のFe成分がろう付け層に溶出するのを制限することが
必要である。
0〜30においては、基材11とTi又はTi合金層1
3の間に別の層(図1,図3中ではFe又はFe合金層
12、図2中ではNi合金層(例えば、Ni−Cr−F
e系合金)14)を配置し、基材11とTi又はTi合
金層13を直接接触させないようにしている。これによ
って、基材11のFe成分とTi又はTi合金層13の
Tiが反応するのを極力抑制することができ、延いては
基材11とTi又はTi合金層13の間に、金属間化合
物が生成するのを防ぐことができる。
30においては、ろう付け層の内、基材11と直接接触
する層をFeを含むろう材(図1,図3中ではFe又は
Fe合金層12、図2中ではNi合金層(例えば、Ni
−Cr−Fe系合金)14)で構成している。これによ
って、ろう付け時における溶融ろう層のFeの溶解度が
低下し、その結果、基材11のFe成分が溶融ろう層中
に溶出するのを制限することができる。
0〜30によれば、ステンレス鋼からなる基材11の表
面に、Fe、Ti、及びNiを含むろう材で構成される
ろう付け層を設けることで、従来の自己ろう付け性複合
材(Ni−Ti系ろう材)と同等の耐熱性及び耐食性を
有し、かつ、ろう付け時における基材11とろう材中の
Tiの反応を抑制することができる(即ち、ろう付け時
における基材11の被侵食の割合が低くなる)。
クラッド材であるため、接合を行うろう付け部材の内の
一方の部材を基材として複合材10〜30を形成(又は
接合を行うろう付け部材の接合部間に複合材10〜30
を配置)し、この複合材10〜30を用いてろう付け部
材同士を接合し、ろう付け製品を製造することで、従来
の各種Niろう材のように、各接合部に粉末Niろう材
をそれぞれ塗布するという作業を必要とせず、ろう付け
作業に多大な労力を要することはない(ろう付け作業性
が良好となる)。その結果、ろう付け製品の歩留まり・
生産性が良好となり、延いては製造コストの低減を図る
ことができる。
のろう付け層を構成するろう材は、ろう付け時において
基材11を殆ど侵食しないことから、ろう付け後におい
ても、基材11の厚さ・体積はろう付け前と殆ど変わる
ことがない。その結果、ろう付け部材同士の接合部の接
合強度の低下が生じることはなく、延いてはろう付け製
品の接合部の信頼性が高まる。
0は、EGR用クーラなどの高温・高腐食性のガス又は
液体に晒される熱交換器のみに、その用途を限定するも
のではなく、その他にも、例えば、燃料電池の改質器用
クーラや、燃料電池部材などの各種用途にも適用可能で
ある。
に基いて説明する。
の断面図を図4、図4の第1変形例を示す断面図を図5
に、本発明に係るろう付け用複合材の第4の形態の断面
図を図6に示す。尚、図5及び図6において、図4と同
様の部材には同じ符号を付している。
板材からなる基材11の表面にろう付け層を設けてなる
クラッド材であった。
の形態に係るろう付け用複合材40は、棒状又はワイヤ
状の基材41の外周に、ろう付け層(基材41側から順
に、Fe又はFe合金層42、Ti又はTi合金層4
3、及びNi又はNi合金層44)を設けてなるもので
ある。
管法などによって行う。
に、基材41側から順に、Fe又はFe合金層42、T
i又はTi合金層43、及びNi又はNi合金層44を
設けた場合について説明を行ったが、各層42,43,
44の形成順序はこれに限定するものではない。例え
ば、図5に示すように、基材41の外周に、基材41側
から順に、Ni合金層44、Ti又はTi合金層43、
及びFe又はFe合金層42を設けた複合材50であっ
ても良い。また、図6に示すように、基材41の表面
に、基材41側から順に、Fe合金層42、Ti又はT
i合金層43、及びFe合金層42を設けた複合材60
であっても良い。ここで、Fe合金層42としてFe−
Cr系合金層を用いることが好ましく、このFe−Cr
系合金層を基材41とTi又はTi合金層43の間に配
置し、ステンレス鋼中のFe成分とTiが反応するのを
防ぐバリア層とすることが特に好ましい。
〜60においても、前実施の形態に係る複合材10〜3
0と同様の作用効果が得られることは言うまでもない。
0は、EGR用クーラや、燃料電池の改質器用クーラ等
の熱交換器、燃料電池部材などの他にも、オイルクー
ラ、ラジエータ、二次電池部材などにも適用可能であ
る。
らなり、厚さ2.5mm、幅150mmのステンレス鋼
条材の表面に、ステンレス鋼条材側から順に厚さ0.1
2mmのFe条材、厚さ0.2mmのTi条材、及び厚
さ0.15mmのNi条材を積層すると共に圧延を行
い、ろう付け層全体に占めるFeの割合が30wt%の
クラッド材を形成した。その後、クラッド材に対して圧
延を繰り返し行い、ろう付け層全体の厚さが70μmの
ろう付け用複合材を作製した。
0.12mmのFe−42wt%Ni合金条材を用い、
クラッド材のろう付け層全体に占めるFeの割合が14
wt%である以外は、実施例1と同様にしてろう付け用
複合材を作製した。
0.12mmのFe−25wt%Cr合金条材を用い、
クラッド材のろう付け層全体に占めるFeの割合が2
2.5wt%である以外は、実施例1と同様にしてろう
付け用複合材を作製した。
8wt%P合金を用い、クラッド材のろう付け層全体に
占めるFeの割合が30wt%である以外は、実施例1
と同様にしてろう付け用複合材を作製した。
に占めるFeの割合が5wt%である以外は、実施例1
と同様にしてろう付け用複合材を作製した。
に占めるFeの割合が55wt%である以外は、実施例
1と同様にしてろう付け用複合材を作製した。
条材の表面に、ステンレス鋼条材側から順に、厚さ0.
2mmのTi条材及び厚さ0.15mmのNi条材を積
層すると共に圧延を行い、クラッド材を形成した。その
後、クラッド材に対して圧延を繰り返し行い、ろう付け
層全体の厚さが50μmのろう付け用複合材を作製し
た。
条材の表面に、ステンレス鋼条材側から順に、厚さ0.
08mmのNi条材、厚さ0.2mmのTi条材、及び
厚さ0.08mmのNi条材を積層すると共に圧延を行
い、クラッド材を形成した。その後、クラッド材に対し
て圧延を繰り返し行い、ろう付け層全体の厚さが50μ
mのろう付け用複合材を作製した。
条材の表面に、厚さ0.5mmのCu条材を積層すると
共に圧延を行い、クラッド材を形成した。その後、クラ
ッド材に対して圧延を繰り返し行い、Cu層の厚さが5
0μmのろう付け用複合材を作製した。
条材の表面に、市販の粉末Niろう材(平均粒径35μ
m)を合成樹脂(ポリマー系樹脂)のバインダで溶いた
混練物を塗布し、ろう付け用複合材を作製した。
1,2の各ろう付け用複合材の諸元を表1に示す。
ンレス鋼条材の被侵食の割合(侵食された割合)、耐腐
食性、ろう材の濡れ性、及びろう付け生産性(作業性)
について評価を行った。各種の評価結果を表2に示す。
を真空炉中で最高で1150℃に加熱して、ろう付け層
を溶融させた後、各複合材の断面を観察し、基材である
ステンレス鋼条材の板厚残存率(熱処理後の板厚×10
0/熱処理前の板厚(%))を測定することによって行
った。耐腐食性の評価は、塩素イオン、硝酸イオン、及
び硫酸イオンを含んだ腐食性溶液中に、各複合材を10
00時間浸漬して腐食試験を行い、その後、各複合材を
溶液中から取出してろう付け部の組織観察を行い、腐食
発生の有無を調べることによって行った。濡れ性の評価
は、各複合材のろう付け層の表面にSUS304からな
るステンレス鋼パイプを乗せ、真空炉中で最高で115
0℃に加熱してろう付けを行った後の、ろう付け部のフ
ィレット(面取り)形状によって評価を行った。
用複合材である実施例1〜4の複合材は、ろう付け層
を、Fe、Ti、及びNiを含むろう材で形成し、か
つ、ろう付け層全体に占めるFeの割合が規定範囲(1
0〜50wt%)内であるため、基材の板厚残存率がそ
れぞれ97,93,96,97(%)といずれも高かっ
た。また、耐腐食性、濡れ性、及びろう付け生産性につ
いても、いずれも良好であった。
食性、濡れ性、及びろう付け生産性はいずれも良好であ
ったものの、ろう付け層全体に占めるFeの割合が規定
範囲外の5wt%であるため、基材の板厚残存率は80
%であり、被侵食の割合がやや高かった。
98%と高く、かつ、耐食性及びろう付け生産性はいず
れも良好であったものの、ろう付け層全体に占めるFe
の割合が規定範囲外の55wt%と高く、即ちNi及び
Tiの割合が低いため、濡れ性が不良であった。
性、及びろう付け生産性はいずれも良好であった。しか
し、比較例4の複合材は、ろう付け層がNi及びTiろ
う材で形成され、Feろう材を含んでいないため、基材
の板厚残存率は78%であり、被侵食の割合が高かっ
た。また、比較例3の複合材は、ろう付け層がNi及び
Tiろう材で形成され、即ちFeろう材を含んでいない
と共に、ステンレス鋼条材とTi条材が直接接触するろ
う付け層構造であるため、基材の板厚残存率は65%で
あり、被侵食の割合が非常に高かった。
96%と高く、かつ、濡れ性及びろう付け生産性はいず
れも良好であったものの、ろう付け層がCuろう材のみ
で形成されるため、耐腐食性が良好でなく、ろう付け部
に腐食が観察された。
95%と高く、かつ、耐腐食性及び濡れ性はいずれも良
好であったものの、ろう付け層のろう材が粉末Niろう
材であるため、ろう付け生産性が良好でなかった。
施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のもの
が想定されることは言うまでもない。
な優れた効果を発揮する。 (1) 基材の表面に、Fe、Ti、及びNiを含むろ
う材で構成されるろう付け層を設けることで、従来のろ
う付け用複合材と比較して、同等又は同等以上の耐熱
性、耐酸化性、及び耐食性を有し、かつ、ろう付け時に
おける基材の被侵食の割合が低いろう付け用複合材が得
られる。 (2) (1)のろう付け用複合材を用いてろう付けを
行うことで、ろう付け製品の接合部の信頼性が良好とな
る。
断面図である。
断面図である。
断面図である。
断面図である。
材 11,41 基材 12,42 Fe又はFe合金層 13,43 Ti又はTi合金層 14,44 Ni又はNi合金層
Claims (8)
- 【請求項1】 基材表面にろう付け層を有するろう付け
用複合材において、上記基材の表面に、Fe又はFe合
金層、Ti又はTi合金層、及びNi又はNi合金層を
積層して設けたことを特徴とするろう付け用複合材。 - 【請求項2】 上記基材の表面に積層した各層の層構造
が、Ti又はTi合金層の、一方の面にFe又はFe合
金層を、他方の面にNi又はNi合金層を配置した請求
項1記載のろう付け用複合材。 - 【請求項3】 上記Ni又はNi合金層を、Ni−P系
合金、Ni−Cr−Fe系合金で形成した請求項1又は
2記載のろう付け用複合材。 - 【請求項4】 基材表面にろう付け層を有するろう付け
用複合材において、上記基材の表面に、Fe合金層とT
i又はTi合金層を少なくとも一層づつ積層して設けた
ことを特徴とするろう付け用複合材。 - 【請求項5】 上記基材の表面に積層した各層の層構造
が、Ti又はTi合金層の両面に、Fe合金層を配置し
た請求項4記載のろう付け用複合材。 - 【請求項6】 上記基材を、ステンレス鋼で形成した請
求項1から5いずれかに記載のろう付け用複合材。 - 【請求項7】 上記Fe又はFe合金層を、Fe−Ni
系合金、Fe−Cr系合金、又はFe−Cr−Ni系合
金で形成した請求項1から6いずれかに記載のろう付け
用複合材。 - 【請求項8】 請求項1から7いずれかに記載のろう付
け用複合材を用いて接合したことを特徴とするろう付け
製品。
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