JP2004188482A - 複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法及びろう付け製品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数種類の金属層3,4を有した複合ろう材5を被ろう付け材2にろう付け処理するろう付け方法において、上記被ろう付け材2に設けられた上記複合ろう材5をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して上記各金属層3,4同士の固相拡散反応を生じさせた後に、上記複合ろう材5をその融点より高い温度で加熱して溶融させて上記被ろう付け材にろう付け処理を施す。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数種類の金属層を有した複合ろう材を被ろう付け材にろう付け処理するろう付け方法及びろう付け製品に係り、特に、熱交換機や燃料電池用部材に適用され、ろう付け性能を向上させると共に、耐熱性と耐食性能を向上させるように改良された複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法及びろう付け製品に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動車用オイルクーラ等の熱交換器に用いられるろう付け接合材としては、従来より、ステンレス基クラッドろう材が使用されている。このステンレス基クラッドろう材は、ステンレス板の片面或いは両面にろう材としての機能を有する銅がクラッドされている。
【0003】
また、ステンレス鋼、ニッケル基合金またはコバルト基合金などからなる部品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ニッケルろうがJIS規格により規定されている。
【0004】
さらに、熱交換器接合用ニッケルろう材として、粉末状ニッケルろうに、Ni,Cr,Ni−Cr合金のうちから選択される金属粉末を4重量%〜22重量%添加して構成されるニッケルろう材があった(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
一方、従来より一般的に行われているろう付け方法は、常温から、ろう材の融点よりも50℃〜100℃高い温度まで直線的に昇温させて、その温度で所定時間等温保持して加熱した後に、冷却するようになっていた。
【0006】
また、自己ろう付け性を有するろう材としては、特開平7−299592号公報に記載された自己ろう付け性複合材がある。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−107833号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のろう付け方法は、単層のろう材に適用されるものであって、被ろう付け材表面に複数種類の金属層を有する複合ろう材に適用すると以下のような問題があった。
【0009】
上述のろう付け方法における常温からろう付け温度までの昇温過程は、直線的且つ急激であるため、ろう材を構成する各金属層間の拡散が均一に進行せず、ろう材の溶融状態がろう付け場所によって異なり、ろう材の流れを悪化させる。これによって、ろう材部分と被ろう付け材との間に形成されるフィレットの大きさと形状にバラツキが生じ、良好なろう付けができないでいた。
【0010】
そこで、本発明は上記問題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、複数種類の金属層を有した複合ろう材であっても、複合ろう材と被ろう付け材とを良好にろう付けすることができる複数種類の金属層を有した複合材のろう付け方法及びろう付け製品を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決すべく、請求項1の発明は、複数種類の金属層を有した複合ろう材を被ろう付け材にろう付け処理するろう付け方法において、上記被ろう付け材に設けられた上記複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して上記各金属層同士の固相拡散反応を生じさせた後に、上記複合ろう材をその融点より高い温度で加熱して溶融させて上記被ろう付け材にろう付け処理を施す複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法である。
【0012】
上記方法によれば、複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して各金属層同士の固相拡散反応を生じさせた後に、複合ろう材をその融点より高い温度で加熱して溶融させて被ろう付け材にろう付け処理を施すようにしたので、ろう材を構成する各金属層間の拡散が均一に進行し、ろう材の溶融が一様に且つ迅速に行われ、ろう材部分と被ろう付け材との間に形成されるフィレットの大きさと形状が一定になるので、良好なろう付けができる。
【0013】
請求項2の発明は、上記複合ろう材を、銅または銅合金層、チタンまたはチタン合金層及びニッケルまたはニッケル合金層の積層体、或いは銅または銅合金層及びチタンまたはチタン合金層の積層体で構成した複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法である。
【0014】
請求項3の発明は、上記被ろう付け材がステンレス鋼にて構成された複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法である。
【0015】
請求項4の発明は、上記固相拡散反応を、上記各金属層全体に渡って均一に生じさせるように予備加熱が行われる複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法である。
【0016】
請求項5の発明は、上記請求項1乃至4いずれかに記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法によってろう付けして組み立てられたろう付け製品である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【0018】
図1は複合ろう材に本発明に係るろう付け方法によるろう付け熱処理を施した状態を示した断面図、図2は複合ろう材の予備加熱前の状態を示した断面図、図3は本発明に係る複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法の熱処理温度プロファイルの一例を示したグラフである。
【0019】
本発明は、複数種類の金属層を有した複合ろう材を被ろう付け材にろう付け処理するろう付け方法において、上記被ろう付け材に形成された上記複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して上記各金属層同士の固相拡散反応を生じさせた後に、上記複合ろう材をその融点より高い温度で加熱して溶融させて上記被ろう付け材にろう付け処理を施すことを特徴とする。
【0020】
すなわち、本発明は、ステンレス鋼1等からなる基材(被ろう付け材)2の表面に2種類以上且つ2層以上の金属層(例えば銅層3、チタン層4、銅層3からなる3層)を設けた複合ろう材(図2参照)5と他の被ろう付け材(図示せず)とのろう付け熱処理時に、図3に示すように複合ろう材5の溶融が開始されない温度(具体的には、複合ろう材5を構成するCuとTiの2元系合金のうち、最も低い融点から50℃〜100℃低い温度)にて一定時間保持、加熱し、複合ろう材5部分の各金属層3,4同士の固相拡散反応を十分に促進させる。このときの溶融開始温度は、隣り合った金属層3,4それぞれの2つの元素で構成される全ての組成の合金の中で、最も低い温度であり、ろう層全体が合金化した場合の融点より低い温度である。従って、ろう層全体が溶融するには到らない。
【0021】
さらに、複合ろう材5部分の融点より高い温度(具体的には、拡散が終了して合金化した複合ろう材5(合金層6)の融点より50℃〜100℃高い温度)であるろう付け温度にて昇温保持、加熱を行うことによって、均一且つ迅速に複合ろう材5を溶融させてろう付けを行うようになっている。
【0022】
この方法によれば、被ろう付け材2の表面に2種類以上且つ2層以上の金属層3,4を設けた複合ろう材5を、その複合ろう材5の溶融が開始されない温度にて一定時間保持、加熱したことによって、各金属層3,4同士の固相拡散反応が十分に促進され、ろう層全体が均一な合金層6となる(図1参照)。
【0023】
これによって、その後の合金層6の融点より高い温度であるろう付け温度による昇温保持、加熱を行うことにより、複合ろう材5全体が同時に且つ瞬時に溶融するので、均一且つ迅速にろう材を溶融させて、良好なろう付けを行うことができる。
【0024】
なお、上述した固相拡散反応は、ろう層全体が均一な合金層(固相拡散層)6となるように行っているが、これに限られるものではなく、各金属層3,4の厚さ方向に若干、固相拡散反応が生じていない部分が残る程度に行ってもよい。
【0025】
次に、本発明に係るろう付け方法を適用した実施例と、予備加熱の温度を変えた比較例と、従来のろう付け方法を適用した従来例とでろう付け状態を比較した実験について説明する。
【0026】
実施例1では、板厚1.0mmのコイル状銅(または銅合金)板、板厚2.0mmのコイル状純チタン(またはチタン合金)板、板厚1.0mmのコイル状銅(または銅合金)板を重ね合わせ、銅層3、チタン層4、銅層3からなる合計3層の構造にし、熱間圧延を行い、板厚1.4mmのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚1.0mmのクラッド板(複合ろう材5)に仕上げた。
【0027】
そして、この複合ろう材5を被ろう付け材(厚さ2.0mmのSUS304条)2に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ0.5mmの複合基材を作製した(図2参照)。
【0028】
この複合基材を真空下(10-2Pa以下)で、図3のグラフに示す本発明のろう付け方法による熱処理を行った。このとき、CuとTiの2元系合金で最も低い融点は880℃であるので、これより60℃低い820℃を予備加熱温度である拡散処理温度として、常温から820℃まで10℃/minの割合で昇温を行い、820℃到達後は、その温度で20分間等温保持、加熱した。その後、さらに10℃/minの割合でろう付け温度である1000℃まで昇温を行い、10分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【0029】
実施例2では、板厚1.0mmのコイル状銅(または銅合金)板、板厚2.0mmのコイル状純チタン(またはチタン合金)板、板厚1.0mmのコイル状ニッケル板(またはニッケル合金)を重ね合わせ、合計3層の構造にし、熱間圧延を行い、板厚1.4mmのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚1.0mmのクラッド板(複合ろう材)に仕上げた。
【0030】
そして、この複合ろう材を被ろう付け材(厚さ2.0mmのSUS304条)に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ0.5mmの複合基材を作製した。
【0031】
この複合基材を真空下(10-2Pa以下)で、図3のグラフに示すように、本発明のろう付け方法による熱処理を行った。このとき、NiとTiの2元系合金で最も低い融点は942℃であり、CuとTiの2元系合金で最も低い融点は880℃であるので、820℃を予備加熱温度である拡散処理温度として、常温から820℃(予備加熱温度である拡散処理温度)まで10℃/minの割合で昇温を行い、820℃到達後は、その温度で20分間等温保持、加熱した。その後、さらに10℃/minの割合でろう付け温度である980℃まで昇温を行い、10分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【0032】
比較例1では、板厚1.0mmのコイル状銅板、板厚2.0mmのコイル状純チタン板、板厚1.0mmのコイル状銅板を重ね合わせ、合計3層の構造にし、熱間圧延を行い、板厚1.4mmのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚1.0mmのクラッド板(複合ろう材)に仕上げた。
【0033】
そして、この複合ろう材を被ろう付け材(厚さ2.5mmのSUS304条)に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ0.5mmの複合基材を作製した。
【0034】
この複合基材を真空下(10-2Pa以下)で、以下に説明する熱処理を行った。700℃を予備加熱温度として、常温から700℃まで10℃/minの割合で昇温を行い、700℃到達後は、その温度で20分間等温保持、加熱した。その後、さらに10℃/minの割合でろう付け温度である1000℃まで昇温を行い、10分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【0035】
比較例2では、板厚1.0mmのコイル状銅板、板厚2.0mmのコイル状純チタン板、板厚1.0mmのコイル状ニッケル板を重ね合わせ、合計3層の構造にし、熱間圧延を行い、板厚1.4mmのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚1.0mmのクラッド板(複合ろう材)に仕上げた。
【0036】
そして、この複合ろう材を被ろう付け材(厚さ2.5mmのSUS304条)に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ0.5mmの複合基材を作製した。
【0037】
この複合基材を真空下(10-2Pa以下)で、以下に説明する熱処理を行った。860℃を予備加熱温度として、常温から860℃まで10℃/minの割合で昇温を行い、860℃到達後は、その温度で20分間等温保持、加熱した。その後、さらに10℃/minの割合でろう付け温度である980℃まで昇温を行い、10分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【0038】
従来例1では、図4に示すように、板厚2.0mmのコイル状純チタン板、板厚0.5mmのコイル状銅板を、それぞれ1層おきに銅、チタン、銅の順で一枚ずつ重ね、銅層12、チタン層11、銅層12からなる合計3層の構造にした後、熱間圧延を行い、板厚1.4mmのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚1.0mmのクラッド板(複合ろう材14)に仕上げた。
【0039】
そして、この複合ろう材14を被ろう付け材(厚さ2.5mmのSUS304条)15に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ0.5mmの複合基材を作製した。
【0040】
この複合基材を真空下(10-2Pa以下)で、以下に説明する熱処理を行った。図5に示すように、常温から1000℃まで10℃/minの割合で直線的に昇温を行い、10分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【0041】
従来例2では、板厚0.7mmのコイル状純ニッケル板、板厚2.0mmのコイル状純チタン板、板厚1.0mmのコイル状銅板を、それぞれニッケル、チタン、銅の順で一枚ずつ重ね合計3層の構造にした後、熱間圧延を行い、板厚1.4mmのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚1.0mmのクラッド板(複合ろう材)に仕上げた。
【0042】
そして、この複合ろう材を被ろう付け材(厚さ2.5mmのSUS304条)にニッケル層が外側になるように配置し、圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ0.5mmの複合基材を作製した。
【0043】
この複合基材を真空下(10-2Pa以下)で、以下に説明する熱処理を行った。常温から980℃まで10℃/minの割合で直線的に昇温を行い、10分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【0044】
以上の条件において形成された複合ろう材とSUS304からなる被ろう付け材とのろう付け性能を調査した。
【0045】
表1は、実施例1,2及び比較例1,2及び従来例1,2の複合ろう材の構成、熱処理条件及びろう付け状態を示したものである。ろう付け状態(湯流れ性)については、各々製作した複合材の表面にSUS304をのせてろう付けした際のろう付け部のフィレット形状及び量を調査して評価した。
【0046】
【表1】
【0047】
上記表1に示すように、実施例1,2については、ろう付け状態が良好であり、比較例1,2及び従来例1,2については、ろう付け状態にバラツキがあるという結果が得られた。
【0048】
これは、以下に説明する作用に依るためであると考えられる。
【0049】
実施例1,2においては、熱処理の第一段階(予備加熱)で、複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度(複合ろう材5の溶融開始温度より50℃〜100℃低い温度)で一定時間加熱することによって、金属層3,4同士の固相拡散が進行し、図1に示すように、ろう層全体が十分に均一な相(合金層6)になる。その後、拡散が終了して合金化したろう層(合金層6)の融点より50℃〜100℃高い温度で、ろう層全体を溶融させることによりろう付け処理を行う。このとき、複合ろう材5全体が均一な相となっているので、同時に且つ瞬時に溶融し、良好なろう付けを行うことができる。
【0050】
比較例2のように予備加熱時の温度が低い場合には、金属層3,4同士の固相拡散が十分に進行しないために、表1に示すように、ろう付け状態にバラツキが発生してしまう。
【0051】
一方、比較例1のように予備加熱時の温度が高い場合には、ろう付け部表面内の温度バラツキが大きくなり、溶融している部分が存在してしまうために、表1に示すように、ろう付け状態にバラツキが発生してしまう。
【0052】
従来例1,2においては、ろう付け熱処理が、図5に示すように、ろう付け温度まで直線的に昇温するものであるため、昇温過程において、ろう層の内、隣り合った金属層の界面近傍で拡散が進行し、溶融が開始される。このときの溶融開始温度は、隣り合った金属層それぞれの2つの元素で構成される全ての組成の合金の中で、最も低い温度であり、ろう層全体が合金化した場合の融点より低い温度である。従って、ろう層全体が溶融するには到らない。そのため、かかる複合ろう材では、図4に示すように、被ろう付け材15と接触するろう層14表面は、この時点では溶融していないが、内部は溶融しているため、ろう層14は被ろう付け材15に押されて変形し、溶融の進行が場所によって異なってくる。そして、完全に溶融が終了した部分と、それ以上溶融が進まない部分が混在し、ろう付けが不均一になる。
【0053】
本発明に係る複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法によれば、耐熱性と耐食性能に優れたろう付け製品を製造することができ、排ガス再循環装置(EGR)用クーラや燃料電池用改質器用クーラ等の熱交換器及び燃料電池用部材に適用することができる。
【0054】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、複数種類の金属層を有した複合ろう材であっても、複合ろう材と被ろう付け材とを良好にろう付けすることができるといった優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】複合ろう材に本発明に係るろう付け方法によるろう付け熱処理を施した状態を示した断面図である。
【図2】複合ろう材の予備加熱前の状態を示した断面図である。
【図3】本発明に係る複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法の熱処理温度プロファイルの一例を示したグラフである。
【図4】複合ろう材に従来のう付け熱処理を施した状態を示した断面図である。
【図5】従来の熱処理温度プロファイルを示したグラフである。
【符号の説明】
2 基材(被ろう付け材)
3 銅層(金属層)
4 チタン層(金属層)
5 複合ろう材
6 合金層
Claims (5)
- 複数種類の金属層を有した複合ろう材を被ろう付け材にろう付け処理するろう付け方法において、上記被ろう付け材に設けられた上記複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して上記各金属層同士の固相拡散反応を生じさせた後に、上記複合ろう材をその融点より高い温度で加熱して溶融させて上記被ろう付け材にろう付け処理を施すことを特徴とする複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法。
- 上記複合ろう材を、銅または銅合金層、チタンまたはチタン合金層及びニッケルまたはニッケル合金層の積層体、或いは銅または銅合金層及びチタンまたはチタン合金層の積層体で構成した請求項1記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法。
- 上記被ろう付け材がステンレス鋼にて構成された請求項1または2いずれかに記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法。
- 上記固相拡散反応を、上記各金属層全体に渡って均一に生じさせるように予備加熱が行われる請求項1乃至3いずれかに記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法。
- 上記請求項1乃至4いずれかに記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法によってろう付けして組み立てられたことを特徴とするろう付け製品。
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