JP2005205466A - アルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 低温ろう付け温度でアルミニウム鋳物のろう付けを容易にし、製造サイクルタイムの短縮及び生産性の向上が図れると共に、製品へのエネルギコストの低廉化を図れるようにすること。
【解決手段】 アルミニウム合金製の鞘と、該鞘の中に金属体とフラックスからなる混合物が充填されているアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤであって、鞘にアルミニウム珪素（Ａｌ−Ｓｉ系）合金を使用し、混合物に、酸化膜の少ない銅粉末と、フッ化セシウム系非腐食性フラックスを混合した粉末を使用して、鞘と金属体の共融時の温度を５３０℃以下にする。

Description

この発明は、アルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤに関するもので、更に詳細には、アルミニウム合金製の鞘の中にフラックスを充填したアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤに関するものである。

一般に、アルミニウム珪素合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金）は鋳物等に用いられている。このＡｌ−Ｓｉ系合金は、純アルミニウムに比べ融点が低く鋳型によって複雑な形状の部品製作が可能なため、例えばピストン，シリンダーヘッド等の用途に用いられる他、グレイの発色を活かした建築パネル等の用途等にも使用されている。これらアルミニウム鋳物部品の接合には種々の方法があるが、接合面が複雑な形状であったり、気密性を要する場合は、ろう付けが用いられている。

広く知られるアルミニウム材ろう付け方法としては、フッ化カリウム系非腐食性フラックス｛「ノコロック」（商標名）｝とアルミニウム−珪素系ろう材によるろう付け方法が知られている。

しかし、この「ノコロック」ろう付け方法は、フラックスがＫＦとＡｌＦ３との共晶点の組成であり、この共晶点における融点は５６０℃ないし５７０℃であり、ろう材に使用するＡｌ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ Ａ４０４５やＡ４０４７）の融点が５７７℃であることから、これらろう材の融点より約３０℃高い６００℃程度の温度で加熱する。加熱により融解したフッ化カリウム系フラックスによってアルミニウム材表面の酸化皮膜が溶解除去されると共に、ろう材との濡れ性が極めてよくなり、ろう材の融解と流動拡散により接合部同士の接する部分に、ろう材がすみ肉（フィレット）を形成して接合する。

ところが、アルミニウム鋳物合金部品の場合は、接合の対象部材がろう材と同じ系統のＡｌ−Ｓｉ系合金であるため、フッ化カリウム系フラックスとのろう付け温度６００℃では部品そのものが融解して製品の形状が保てない等の問題が生じる。このろう付け温度の問題は、ろう付け接合温度をアルミニウム鋳物合金の融点より低くすることで解決できるため、従来から対策が講じられており、フッ化カリウム系フラックスに比べ融点の低いフラックスとしてフッ化セシウム系非腐食性フラックスが開発されている。

一方、低融点ろう材としては融点が４８０℃前後のＡｌ−Ｚｎ系合金が古く知られているが、Ａｌ−Ｓｉ系合金に比べてろうの流動性が悪く、フィレットの耐食性も劣ることから、近年では融点５２０℃〜５５０℃のＡｌ−Ｃｕ系合金ろう材の開発が報告されている。また、ろう付け接合部位へのフラックスとろう材の供給方式として、作業効率改善のためにフラックスを含有したろう材ワイヤが提案されている。

すなわち、
（１）ろう付け用アルミニウム合金材（ＪＩＳ Ａ４０４７）を鞘にして、その芯にノコロックフラックスあるいはフッ化セシウム系非腐食性フラックスを充填したコアードワイヤが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

（２）アルミニウム材及びその合金（ＪＩＳ Ａ１０００系）を鞘にして、ノコロックフラックスあるいはフッ化セシウム系非腐食性フラックスに銅、珪素、亜鉛などの金属粉末を特定の比率で混合し鞘の芯に充填したろう材ワイヤが知られている（例えば、特許文献１参照）。

（３）Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系合金組成の粉末とフッ化セシウム系非腐食性フラックス粉末をアルミニウム缶内に封入し真空下で４００℃で加熱プレスした後、固形物を取り出して加熱押出してろう材ワイヤを形成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
「工業材料」日刊工業新聞社出版２００３年６月号（Ｖｏｌ．５１ Ｎｏ．６）第９０頁，第９１頁 米国特許第５，４１８，０７２号（請求項１、第４欄第６２行〜第５欄第２７行、第６欄第８行〜第１４行） 特開平８−１６４４９２号公報（段落番号００１３、００１９）

しかしながら、これらの先行技術においては、（１）のろう材ワイヤはろう材の融点が５７７℃と高いためろう付け温度が６００℃程度であり、融点が６００℃よりも低い鋳物では使えない。（２）のろう材ワイヤは鞘の中に充填する金属粉末として銅を選べば融点が５５０℃前後となり、５７０℃程度の温度でのろう付けが可能になるが、融点が５７０℃よりも低い鋳物では使えない。より広範囲の鋳物合金に適用するためには、銅と珪素等の複数金属の混合粉末を充填して融点がより低くなるろう材とする必要があるが、複数の金属間の粒度分布や比重の違いにより均質な混合が困難であるばかりでなく、製造原価の増大を招く。また、請求範囲に規定されているアルミに対する銅の比率（４０〜７０部）では銅の割合が大きいため、ろう材が生成する際に、ろう材組成に不足するアルミニウムアルミニウム分を接合すべき下地アルミニウム鋳物から賄うこととなり、下地アルミニウム鋳物を溶解してしまうという問題点がある。また、（３）のろう材ワイヤは、ろう材合金の融点は５３０℃前後と低く５５０℃前後の温度でのろう付けが可能であるが、上記した製造工程に難があるとともに、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元共晶組成のろう材合金ワイヤは成形性が悪く、リング状等、鋳物の接合部位に沿った形状への曲げ加工は、特開平８−１６４４９２号公報に記載の実施例からも判るように４００℃という高温で行う必要があり、製造原価の高いものとなる。

上記のように、従来のろう材ワイヤにおいては、アルミニウム−珪素系合金鋳物のろう付け接合をするには、結果としてろう材の組成が融点の低いＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系合金を形成する元素配合組成にできたとしても、生産性の向上が図れない上、製造原価の高いものとなることが避けられないという問題があった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低温ろう付け温度でアルミニウム鋳物のろう付けを容易にし、製造サイクルタイムの短縮及び生産性の向上が図れると共に、製品へのエネルギコストの低廉化を図れるようにしたアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、この発明は、アルミニウム合金製の鞘と、該鞘の中に充填される金属体とフラックスの混合物とからなるアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤであって、 上記鞘にアルミニウム珪素（Ａｌ−Ｓｉ系）合金を使用し、上記混合物に、酸化膜の少ない銅粉末と、フッ化セシウム系非腐食性フラックスを混合した粉末を使用して、上記鞘と金属体の共融時の温度を５３０℃以下にする、ことを特徴とする（請求項１）。

この発明において、 上記鞘中のアルミニウムに対して上記銅の比率を、２５〜３９部／１００部（重量比）とする方が好ましい（請求項２）。

また、上記鞘と銅粉末に対するフッ化セシウム系非腐食性フラックスの比率を、１１〜４６部／１００部（重量比）とする方が好ましい（請求項３）。

また、この発明に係る低温ろう付用ろう材ワイヤの製造原価を下げるには、高価なフッ化セシウム系非腐食性フラックスの配合比率を少なくすることが肝要である。この観点から、表面積の総計が大きい銅粉末は酸化皮膜の少ないものがよく、酸素濃度として０．１重量％以下であることが好ましい（請求項４）。

銅粉末は粒子形状が球形であることが表面積の低減から好ましく、平均粒子径は３μｍ〜５０μｍ、好ましくは５μｍ〜２０μｍであるのがよい（請求項４）。

銅粉末の酸化膜すなわち酸化皮膜の量はろう付けの良否に影響し、酸素濃度が０．１重量％より多くなると、高価なフッ化セシウム系非腐食性フラックスの利用量を増やす必要があり、使用料を増やして酸化物を除去できたとしても、多量のフラックス残渣および除去した酸化物が接合部表面に残って見た目に好ましくない外観を呈する。

上記条件を満足する酸化皮膜の少ない銅粉末は、アトマイズによって製造された銅粉末が好ましく、とくに酸化皮膜を少なくできる方法で製造されたものであれば、その製造方法に制約されないが、不活性ガスなどの反応性が無いガス中でアトマイズされた銅粉末や、真空にして酸素を極めて少なくし溶融された銅が酸化されないようにして製造した銅粉末が好ましい。

このような条件のもとにアトマイズによって製造した銅粉末は、形状が球状を呈し、粒子径に分布をもつが、平均粒子径を中心とした比較的揃った細かい粒子が得られるため、フラックスと混合して極めて均一性の高い銅粉末−非腐食性フラックス混合粉が得られる。この場合、銅粉末は黄銅、青銅等の銅合金粉末を用いてもよい。

上記のように構成することにより、融点が４４０〜５１０℃のフッ化セシウム系非腐食性フラックスを用い、これと融点が１０８３℃の酸化皮膜の少ない銅粉末との混合物を、融点５７７℃のＡｌ−Ｓｉ系ろう材の鞘の中で加熱すると、まず、融点の低いフッ化セシウム系非腐食性フラックスが溶解して銅粉末及びＡｌ−Ｓｉ系鞘材の酸化皮膜を除去し、次いで、活性となった銅粉末とＡｌ−Ｓｉ系鞘材が反応して融点５２５℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元共晶合金ろうを生成する。

ここで、“共融時の温度”とは、ろう材として形成されるＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元合金の組成を温度で代替するものである。この発明のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の三元共晶組成は、Ａｌ−２６．７Ｃｕ−５．３Ｓｉ（いずれも重量％）であり、厳密にこの組成を示す“共融時の温度（共晶点）”は５２５℃である。しかし、実用上は共融して生じたろうの組成に多少の幅があるため、また鞘材合金中のＦｅ等の不純物元素によって共晶温度に若干の変動があるため、この発明では余裕をもたせた５３０℃を共融時の温度の上限と設定した。

しかしながら、共融時の温度そのものでは満足なろう付けができない。これは、共融して生じたろうの流動性がその温度では低く、接合箇所全体にまわらないこと、更に実際のろう付では、複数箇所を同時にろう付けする場合、及び複雑な形状の被ろう付体の部位による熱容量の違いやろう付炉内温度のばらつきにより、被ろう付体の部位によって温度差が生じ、全体が共融時の温度にならないことによる。ろうの流動性は温度が高いほど良好になることはよく知られている。共融して生じたろうに十分な流動性を付与するため、また、被ろう付体全体を共融時の温度以上にするため、この発明では共融時の温度（５３０℃）より約２０℃高い温度（５５０℃）をろう付温度としている。

この発明によれば、５５０℃程度でのアルミニウム鋳物のろう付け接合が可能となるため、低温ろう付け温度でアルミニウム鋳物特にＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物のろう付けを比較的容易かつ安価に行うことができる。また、ろう付け温度を低くできるため、製造サイクルタイムが短くなり、生産性の向上が図れると共に、製品へのエネルギコストの低廉化が図れる。

以下に、この発明に係るアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤの具体的実施例について詳細に説明する。

＜実施例Ａ＞
この発明の実施例Ａでは、銅／鞘材中のアルミニウムの比率を種々変えて行った試験結果について説明する。

（銅粉末とフラックスの混合）
酸素濃度０．０３重量％、平均粒径８μｍの真空アトマイズ銅粉末１０ｇと、フッ化セシウム（ＣｓＦ）を３０モル％含有した平均粒径５μｍのフッ化セシウム系非腐食性フラックス粉末１０ｇを蓋付きのポリエチレン製容器に計り取り、容器を密栓してから約５分間振動させて均一に混合し、ろう材ワイヤの芯となる銅粉末とフラックスの混合粉末を作製した。

（ろう材ワイヤの調整）
厚さ０．１５ｍｍ、幅２０ｍｍのＪＩＳ Ａ４０４５アルミニウム合金条（Ａｌ−１０％Ｓｉ）を表１に示した種々の長さで切断し、重量測定後、外径１ｍｍの鋼製丸棒に巻きつけて、ろう材ワイヤの鞘材となるチューブを作製した。該チューブの一端をペンチで閉じておき、これに予め均一混合しておいた上記真空アトマイズ銅粉末とフッ化セシウム系非腐食性フラックス混合粉末を充填した後、他端を閉じてろう材ワイヤとした。

（銅と鞘材中のアルミニウムの比率）
上記ろう材ワイヤの重量を測定し、鞘材重量との差から算出した銅粉末重量、フラックス重量、鞘材中のアルミニウムに対する銅の比率、及びろう材に対するフラックスの比率を表１に示す。ここで、ろう材ワイヤＮｏ．２〜５が本発明範囲内の銅と鞘材中のアルミニウムの比率になっており、Ｎｏ．１は銅の比率が本発明範囲上限よりも多い比較例、Ｎｏ．６は銅の比率が本発明範囲下限よりも少ない比較例である。

（ろう付試験）
厚さ１ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ５５ｍｍのＪＩＳ Ａ１０５０アルミニウム合金材を下板とし、厚さ１ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍのＪＩＳ Ａ１０５０アルミニウム合金材を縦板とした逆Ｔ字型ろう付試験片を組付け、下板と縦板の片方の交線に上記ろう付ワイヤをセットして、窒素ガス雰囲気炉中で５５０℃まで昇温速度５０℃／分で加熱し、５５０℃で３分間保持後、約１００℃／分で冷却した。ろう付性は、逆Ｔ字型試験片外観の肉眼及び実体顕微鏡観察と、接合箇所中央部断面の光学顕微鏡観察により下地の侵食状態を評価したところ、表２に示すようなろう付性評価結果が得られた。

この結果、実施例のろう材ワイヤＮｏ．２〜５は良好にろう付されており、下地の侵食も中程度以下であったのに対し、銅の比率が多い比較例Ｎｏ．１ワイヤによるろう付試験片には下地材の侵食が激しく生じていた。これは、鞘材中のアルミニウムに対する銅の比率が、４０部以上では接合部の銅粉が余剰となり、接合すべき下地アルミニウム合金材とＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ共晶を生成していき、結果として侵食（エロージョン）を生じるものと推測される。また、銅の比率が少ない比較例Ｎｏ．６ワイヤによるろう付試験片は鞘材が多く残存し、反対側に流動したろうも少ないものであった。これにより、鞘材中のアルミニウムに対する銅の比率が、２５部未満ではろう材として機能を発揮しないことが判る。

したがって、鞘材中のアルミニウムに対する銅の比率を、２５〜３９部／１００部（重量比）とすることにより、ろう付けが良好となることが判った。

＜実施例Ｂ＞
この発明の実施例Ｂでは、銅／鞘材中のアルミニウムの比率をほぼ一定になるようにして、フラックス／ろう材の比率を種々変えて行った試験結果について説明する。

（銅粉末とフラックスの混合）
実施例Ａで用いた真空アトマイズ銅粉末とフッ化セシウム系非腐食性フラックス粉末を、それぞれ表３に示した比率で計２０ｇを蓋付きのポリエチレン製容器に計り取り、容器を密栓してから約５分間振動させて均一に混合し、ろう材ワイヤの芯となる銅粉末とフラックスの混合粉末を作製した。

（ろう材ワイヤの調整）
厚さ０．１５ｍｍ、幅２０ｍｍ、のＪＩＳ Ａ４０４５アルミニウム合金条（Ａｌ−１０％Ｓｉ）を長さ４〜１３ｍｍで切断し、重量測定後、外径１ｍｍの鋼製丸棒に巻きつけて、ろう材ワイヤの鞘材となるチューブを作製した。該チューブの一端をペンチで閉じておき、これに予め均一混合しておいた上記真空アトマイズ銅粉末とフッ化セシウム系非腐食性フラックス混合粉末を充填した後、他端を閉じてろう材ワイヤとした。

（フラックスとろう材の比率）
上記ろう材ワイヤの重量を測定し、鞘材重量との差から算出した鞘材中のアルミニウムに対する銅の比率とろう材に対するフラックスの比率を表３に示す。ここで、ろう材ワイヤＮｏ．７〜１０が本発明範囲内のフラックスとろう材の比率になっており、Ｎｏ．１１はフラックスの比率が本発明範囲下限よりも少ない比較例である。

（ろう付試験）
厚さ１ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ５５ｍｍのＪＩＳ Ａ１０５０アルミニウム合金材を下板とし、厚さ１ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ２５ｍｍのＪＩＳ Ａ１０５０アルミニウム合金材を縦板とした逆Ｔ字型ろう付試験片を組付け、下板と縦板の片方の交線に上記ろう付ワイヤをセットして、窒素ガス雰囲気炉中で５５０℃まで昇温速度５０℃／分で加熱し、５５０℃で３分間保持後、約１００℃／分で冷却した。ろう付性は、逆Ｔ字型試験片外観の肉眼及び実体顕微鏡観察と、接合箇所中央部断面の光学顕微鏡観察により下地の侵食状態を評価したところ、表４に示すようなろう付性評価結果が得られた。

この結果、実施例のろう材ワイヤＮｏ．７〜１０は良好にろう付されており、下地の侵食も中程度であった。これに対し、フラックスの比率が少ない比較例Ｎｏ．１１ワイヤによるろう付試験片は、溶融したフラックスのしみだしは見られたものの、ろう材ワイヤがそのままの形状で残存し、ろうは生成していなかった。

したがって、鞘材と銅粉末に対するフッ化セシウム系非腐食性フラックスの比率を、１１〜４６部／１００部（重量比）とすることにより、ろう付けが良好となることが判った。

Claims (4)

1. アルミニウム合金製の鞘と、該鞘の中に充填される金属体とフラックスの混合物とからなるアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤであって、
   上記鞘にアルミニウム珪素（Ａｌ−Ｓｉ系）合金を使用し、上記混合物に、酸化膜の少ない銅粉末と、フッ化セシウム系非腐食性フラックスを混合した粉末を使用して、上記鞘と金属体の共融時の温度を５３０℃以下にする、ことを特徴とするアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。
2. 請求項１記載のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤにおいて、
   上記鞘中のアルミニウムに対して上記銅の比率を、２５〜３９部／１００部（重量比）とする、ことを特徴とするアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。
3. 請求項１又は２記載のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤにおいて、
   上記鞘と銅粉末に対するフッ化セシウム系非腐食性フラックスの比率を、１１〜４６部／１００部（重量比）とする、ことを特徴とするアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤにおいて、
   上記銅粉末の酸素濃度が、０．１重量％以下であり、銅粉末の平均粒径が、３〜５０μｍ、好ましくは５〜２０μｍである、ことを特徴とするアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。