JP2005296970A - ろう付加工用複合材のろう付方法及びろう付加工用複合材並びにろう付製品 - Google Patents

Abstract

【課題】 ろう付性能を向上させ、かつ所望の耐熱性、耐食性を有するろう付製品が得られるろう付加工用複合材のろう付方法を提供する。
【解決手段】 母材とろう材とが複合一体化したろう付加工用複合材同士をろう付接合する際、合金化することによって母材１０よりも合金の融点が低下する組合せである第１ろう材１と第２ろう材２とが、それぞれ母材１０と複合一体化した第１複合材１１と第２複合材２１とを用いて、第１ろう材１と第２ろう材２とを接触させ、第１複合材１１と第２複合材２１とをろう付接合する方法である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ろう付性能を向上させ、かつ耐熱性と耐食性を向上させるろう付加工用複合材のろう付方法及びろう付加工用複合材並びにろう付製品に関するものである。

自動車用オイルクーラの接合材として、ステンレス基クラッドろう材が使用されている。ステンレス基クラッドろう材は、ステンレス板の片面、あるいは両面にろう材としての機能を有するＣｕがクラッドされたものである。また、ステンレス鋼やＮｉ基およびＣｏ合金などの部品のろう付材として、接合部の耐食性に優れる各種Ｎｉろうに、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ合金の中から選ばれた金属粉末を４〜２５ｗｔ．％添加して構成されるＮｉろう材が提案されている。

また、自己ろう付性複合材として、Ｎｉ−Ｔｉ複合材がある（例えば、特許文献１参照）。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平７−２９９５９２号公報 特開２０００−１０７８８３号公報 特開２００３−１１７６８５号公報

自動車用オイルクーラにステンレス基クラッドろう材を使用した場合、ろう材としてのＣｕは使用上の耐熱性および耐食性に全く問題はない。

しかしながら、ステンレス基クラッドろう材を燃料電池用熱交換器、あるいはＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排ガス再循環装置）クーラ接合用など、耐食・耐熱環境下でろう材として使用した場合、耐熱性および耐食性に著しい問題が生じる。すなわち、燃料電池用熱交換器やＥＧＲクーラ内には、高温かつ腐食性の高い溶液あるいは排気ガスが循環されるため、従来のＣｕろう材においては、耐熱性および耐食性が十分でなく使用ができない。

特許文献２に記載されているＮｉろう材、およびＪＩＳに記載のＮｉろう材は、粉末状であるため、接合部毎に粉末ろう材を塗布する作業が必要になる。よって、多大な労力を費やし、製品の生産性が著しく低く、高コストな製品とならざるを得ない。また、同じく、ＪＩＳに記載のアモルファスＮｉろう材は非常に脆いため、加工およびろう付組立て時の取り扱いが難しく、加工コストが高い。

特許文献１に記載されているようなＮｉ−Ｔｉ複合材は、母材表面全体がろう材として機能するため、部材の形状によってろうが集まりやすい場所と、集まりにくい場所の差異が大きく不均一にフィレットが形成される。よって、集まったろう材が少ない部分は接合強度の低下を招き、逆に集まったろう材が多い部分は母材のろう材への溶け込み（食われ）が大きく、母材の薄肉化が生じる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、特にフィレットの均一形成などのろう付性能を向上させ、かつ所望の耐熱性、耐食性を有するろう付製品が得られるろう付加工用複合材のろう付方法及びろう付加工用複合材並びにろう付製品を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、母材とろう材とが複合一体化したろう付加工用複合材同士をろう付接合する際、合金化することによって合金の融点が上記母材よりも低下する組合せである第１ろう材と第２ろう材とが、それぞれ上記母材と複合一体化した第１複合材と第２複合材とを用いて、上記第１ろう材と上記第２ろう材とを接触させ、上記第１複合材と上記第２複合材とをろう付接合するろう付加工用複合材のろう付方法である。

請求項２の発明は、上記第１ろう材としてＮｉあるいはＮｉ合金を用い、上記第２ろう材としてＴｉあるいはＴｉ合金を用いる請求項１記載のろう付加工用複合材のろう付方法である。

請求項３の発明は、上記第１ろう材としてＮｉを用い、上記第２ろう材としてＴｉを用い、上記第１ろう材の厚さｔＡと、上記第２ろう材の厚さｔＢとの比ｔＢ／ｔＡを０．９〜１．５にする請求項１記載のろう付加工用複合材のろう付方法である。

請求項４の発明は、上記母材としてステンレス鋼を用いる請求項１〜３いずれかに記載のろう付加工用複合材のろう付方法である。

請求項５の発明は、請求項１〜４いずれかに記載された方法に用いるろう付加工用複合材である。

請求項６の発明は、請求項１〜４いずれかに記載された方法を用いて組み立てたろう付製品である。

本発明によれば、特にフィレットの均一形成などのろう付性能を向上させ、かつ所望の耐熱性、耐食性を有するろう付製品が得られるという優れた効果を発揮する。

本発明者らは、ろう付加工用複合材のろう付方法、ろう付加工用複合材の構成、ろう付製品について鋭意研究の上、種々検討した結果、以下に説明する本発明を完成するに至った。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１（ａ）は、本発明の好適実施の形態であるろう付方法に用いる第１複合材の断面図、図１（ｂ）は第２複合材の断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る一方のろう付加工用複合材としての第１複合材１１は、母材１０の両面に第１ろう材（層）１を張り合わせ（クラッドし）、母材１０とその両面の第１ろう材１とが複合一体化して構成される板状の積層体である。

また、図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る他方のろう付加工用複合材としての第２複合材２１は、母材１０の両面に第２ろう材（層）２を張り合わせ、母材１０とその両面の第２ろう材２とが複合一体化して構成される板状の積層体である。

母材１０としては、例えば、ステンレス鋼を用いる。第１ろう材１と第２ろう材２としては、第１複合材１１と第２複合材２１とをろう付接合する際、合金化することによって合金の融点が母材１０よりも低下する組合せである金属を用いる。本実施の形態では、第１ろう材１としてＮｉあるいはＮｉ合金を用い、第２ろう材２としてＴｉあるいはＴｉ合金を用いた。

母材１０に張り合わせる第１ろう材１と第２ろう材２の板厚は、ろう付接合後の組成や特性に大きく影響する。そのため、第１ろう材１としてＮｉを用い、第２ろう材２としてＴｉを用いる場合、第１ろう材１の板厚ｔＡと、第２ろう材２の板厚ｔＢとの板厚比ｔＢ／ｔＡを０．９〜１．５にするとよい。

これは、板厚比ｔＢ／ｔＡが０．９未満であると、合金の融点が十分に低下しないため、第１ろう材１と第２ろう材２の溶融、混合が十分に行われず、接合強度の低下が生じるためである。また、板厚比ｔＢ／ｔＡが１．５を超えると、同じく合金の融点が十分に低下せず、上述と同様の不具合が生じたり、脆い金属間化合物を生成しやすく、接合強度の低下につながるためである。

さて、本実施の形態に係るろう付加工用複合材のろう付方法は、上述した第１複合材１１と第２複合材２１とを用いて、第１ろう材１と第２ろう材２とを接触させ、第１複合材１１と第２複合材２１とをろう付接合する方法である。

より詳細には、図２に示すように、第１複合材１１を所定形状（例えば、断面視が台形状の凸部２２と凹部２３とが交互に繰り返される波板形状）に加工した後、加工後の第１複合材１１の両面に、第１ろう材１の凸部２２および凹部２３と第２ろう材２とが接触するように第２複合材２１を積層し、第１複合材１１と第２複合材２１とをろう付接合する。これにより、ろう付製品２０が組み立てられる。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係るろう付方法は、第１ろう材１としてＮｉあるいはＮｉ合金を用い、第２ろう材２としてＴｉあるいはＴｉ合金を用い、これら第１ろう材１の厚さｔＡと第２ろう材２の厚さｔＢとの板厚比ｔＢ／ｔＡを所定値に設定する点に特徴がある。従来、Ｎｉ金属単体は融点が約１４５５℃と高いため、そのままではＳＵＳ接合用のろう材としての使用が難しかった。

第１複合材１１と第２複合材２１とをろう付接合する際、接合させようとする箇所では、各々の母材１０であるステンレス鋼同士の間に、これら第１ろう材１と第２ろう材２とが所定の割合で配合（例えば、第１ろう材１としてＮｉを用い、第２ろう材２としてＴｉを用いる場合、ｔＢ／ｔＡは０．９〜１．５）されて接触しているため、合金（ろう層）の融点が約１２００℃とステンレス鋼よりも低下し、第１ろう材１と第２ろう材２とが約１２００℃と低い温度でろう付可能なろう材として機能することができる。しかも、ろう付接合部に形成されるフィレット形状の均一性が良好となり、ろう付性能を向上できる。

また、ろう材としてＣｕを用いた従来のろう付方法に比べて、耐熱性、耐食性を向上でき、所望の耐熱性、耐食性を有するろう付製品２０が得られる。

さらに、第１複合材１１は予め母材１０と第１ろう材１とが複合一体化され、第２複合材２１は予め母材１０と第２ろう材２とが複合一体化されているため、取り扱い性に優れ、ろう付製品２０の組立てコストを大幅に低減することができる。

上記実施の形態では、板状の第１複合材１１、板状の第２複合材２１の例で説明したが、第１複合材としては、図３（ａ）に示すように、棒状、ワイヤ状の母材１０の外周に第１ろう材１を形成した第１複合材３１でもよく、第２複合材としては、図３（ｂ）に示すように、棒状、ワイヤ状の母材１０の外周に第２ろう材２を形成した第２複合材４１でもよい。さらに、第１複合材や第２複合材としては、母材１０の片面のみに第１ろう材１や第２ろう材２をクラッドしたものでもよい。

また、上記実施の形態では、第１ろう材１としてＮｉあるいはＮｉ合金を用い、第２ろう材２としてＴｉあるいはＴｉ合金を用いる例で説明したが、第１ろう材１や第２ろう材２としては、合金化することによって合金の融点が母材１０よりも低下する組合せであればよい。

（実施例１）
ＳＵＳ３０４条（厚さ１．５ｍｍ）の両面に、Ｎｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）を圧延法によりクラッドし、第１複合材（複合材Ａ）１１を作製した。さらに圧延を繰り返し、Ｎｉ（片面）の厚さを２６μｍとした。

また、一方で、ＳＵＳ３０４条（厚さ１．５ｍｍ）の両面に、Ｔｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）を圧延法によりクラッドし、第２複合材（複合材Ｂ）２１を作製した。さらに圧延を繰り返し、Ｔｉ（片面）の厚さを２４μｍとした。Ｔｉ／Ｎｉ板厚比であるｔＢ／ｔＡは０．９２である。

次に、第１複合材１１をプレス加工機により図２に示すような波板形状に加工した。この波板形状の第１複合材１１と、第２複合材２１とを図２に示すように交互に積層し、真空加熱炉で１２００℃、１０分間熱処理を行い、ろう付製品２０を作製した。

（実施例２）
第１複合材１１におけるＮｉ（片面）の厚さを２５μｍとし、第２複合材２１におけるＴｉ（片面）の厚さを２５μｍとした（ｔＢ／ｔＡ：１．０）以外は、実施例１と同様にしてろう付製品２０を作製した。

（実施例３）
第１複合材１１におけるＮｉ（片面）の厚さを２１μｍとし、第２複合材２１におけるＴｉ（片面）の厚さを２９μｍとした（ｔＢ／ｔＡ：１．４）以外は、実施例１と同様にしてろう付製品２０を作製した。

（比較例１）
ＳＵＳ３０４条（厚さ０．８ｍｍ）の両面に、Ｔｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）を圧延法によりクラッドし、Ｔｉ／ＳＵＳ／Ｔｉ複合材を作製した。さらに圧延を繰り返し、Ｔｉ（片面）の厚さを５０μｍとした。

次に、Ｔｉ／ＳＵＳ／Ｔｉ複合材をプレス加工機により図２に示すような波板形状に加工した。この波板形状のＴｉ／ＳＵＳ／Ｔｉ複合材と、ＳＵＳ３０４とを図２に示すように交互に積層し、真空加熱炉で１２００℃、１０分間熱処理を行い、ろう付製品を作製した。

（比較例２）
ＳＵＳ３０４条（厚さ０．８ｍｍ）の両面に、Ｎｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）を圧延法によりクラッドし、Ｎｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ複合材を作製した。さらに圧延を繰り返し、Ｎｉ（片面）の厚さを５０μｍとした。

次に、Ｎｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ複合材をプレス加工機により図２に示すような波板形状に加工した。この波板形状のＮｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ複合材と、ＳＵＳ３０４とを図２に示すように交互に積層し、真空加熱炉で１２００℃、１０分間熱処理を行い、ろう付製品を作製した。

（比較例３）
ＳＵＳ３０４条（厚さ３．０ｍｍ）の両面に、Ｎｉ条（厚さ０．０７ｍｍ）を圧延法によりクラッドし、Ｎｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ複合材を作製した。さらに圧延を繰り返し、Ｎｉ（片面）の厚さを１９μｍとした。

また、一方で、ＳＵＳ３０４条（厚さ０．８ｍｍ）の両面に、Ｔｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）を圧延法によりクラッドし、Ｔｉ／ＳＵＳ／Ｔｉ複合材を作製した。さらに圧延を繰り返し、Ｔｉ（片面）の厚さを３１μｍとした（ｔＢ／ｔＡ：１．６）。

次に、Ｎｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ複合材をプレス加工機により図２に示すような波板形状に加工した。この波板形状のＮｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ複合材と、Ｔｉ／ＳＵＳ／Ｔｉ複合材とを図２に示すように交互に積層し、真空加熱炉で１２００℃、１０分間熱処理を行い、ろう付製品を作製した。

（比較例４）
ＳＵＳ３０４条（厚さ１．５ｍｍ）の両面に、Ｎｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）を圧延法によりクラッドし、Ｎｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ複合材を作製した。さらに圧延を繰り返し、Ｎｉ（片面）の厚さを２７μｍとした。

また、一方で、ＳＵＳ３０４条（厚さ１．５ｍｍ）の両面に、Ｔｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）を圧延法によりクラッドし、Ｔｉ／ＳＵＳ／Ｔｉ複合材を作製した。さらに圧延を繰り返し、Ｔｉ（片面）の厚さを２３μｍとした（ｔＢ／ｔＡ：０．８５）。

次に、Ｎｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ複合材をプレス加工機により図２に示すような波板形状に加工した。この波板形状のＮｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ複合材と、Ｔｉ／ＳＵＳ／Ｔｉ複合材とを図２に示すように交互に積層し、真空加熱炉で１２００℃、１０分間熱処理を行い、ろう付製品を作製した。

（比較例５）
ＳＵＳ３０４条（厚さ３．０ｍｍ）の表面および裏面から順に、Ｎｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）、Ｔｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）、Ｎｉ条（厚さ０．１０ｍｍ）を圧延法によりクラッドし、Ｎｉ／Ｔｉ／Ｎｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｎｉ複合材を作製した。さらに圧延を繰り返し、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎｉ（片面）の合計の厚さを５０μｍとした。

次に、ＳＵＳ３０４をプレス加工機により図２に示すような波板形状に加工した。この波板形状のＳＵＳ３０４と、Ｎｉ／Ｔｉ／Ｎｉ／ＳＵＳ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｎｉ複合材とを図２に示すように交互に積層し、真空加熱炉で１２００℃、１０分間熱処理を行い、ろう付製品を作製した。

（従来例１）
複合材の材料としてＳＵＳ３０４条、Ｃｕ条を用い、圧延法によりＣｕ／ＳＵＳ／Ｃｕの３層構造のクラッドろう材を作製した。また、Ｃｕ（片面）の厚さは５０μｍになるように圧延加工を行った。

次に、ＳＵＳ３０４をプレス加工機により図２に示すような波板形状に加工した。この波板形状のＳＵＳ３０４と、Ｃｕ／ＳＵＳ／Ｃｕ複合材を図２に示すように交互に積層し、真空加熱炉で１２００℃、１０分間熱処理を行い、ろう付製品を作製した。

（従来例２）
ＳＵＳ３０４の片面に市販の粉末Ｎｉろう材を合成樹脂バインダで溶いたものを塗布し、粉末ろう材／ＳＵＳ複合材を作製した。

次に、ＳＵＳ３０４をプレス加工機により図２に示すような波板形状に加工した。この波板形状のＳＵＳ３０４と、粉末ろう材／ＳＵＳ複合材を図２に示すように交互に積層し、真空加熱炉で１２００℃、１０分間熱処理を行い、ろう付製品を作製した。

表１は、実施例１〜３、比較例１〜５、従来例１，２の各複合材の構成、各ろう付製品に対して腐食発生の有無、ろう付生産性、フィレット形状の均一性、接合強度を比較し、その総合評価を示したものである。

腐食試験は、塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオンを含んだ腐食性溶液中に試料を１０００ｈ浸漬し、取り出した後のろう付部について詳細な観察を行い、腐食の発生の有無を調査した。また、合わせて、試験後の溶液を分析し、浸漬試験によるろう材からの溶出物の定量比較を行い腐食の程度を判断した。

フィレット形状の均一性については、フィン材（波板材）と板材との接触部に形成されたフィレット１０ヶ所について断面観察を行い、フィレットの平均断面積に対する各々のフィレットの差異を比率に換算し、ばらつきとして評価した。

表１に示すように、実施例１〜３は、本来高融点のＮｉはＴｉと接触した界面から反応が進行し、合金の融点が低下することによって、１２００℃でのろう付が可能となった。特に、実施例１〜３は、板厚比ｔＢ／ｔＡが０．９２〜１．４であり、０．９〜１．５の範囲内なので、接合部に形成されるフィレット形状のばらつきが少なく、フィレット形状の均一性が良好であり、接合強度も良好である。

また、実施例１〜３は、Ｃｕを用いた従来例１とは異なり、腐食の発生もなく、十分かつ良好な耐食性を示した。さらに、実施例１〜３は複合材であるため、粉末Ｎｉろう材を用いた従来例２に比べ、ろう付生産性が著しく向上し、ろう付生産性が良好である。したがって、実施例１〜３は総合評価がいずれも良好であった。

これに対し、Ｔｉのみをろう材とした比較例１は、ろう材としてのＴｉがＳＵＳ３０４の成分であるＮｉやＦｅと反応し低融点化することで、フィレットが形成された。しかし、フィレットの量が十分でないこと、また、合金中に脆い金属間化合物層を形成することから、十分な接合強度を得ることができなかった。Ｎｉのみをろう材とした比較例２は、Ｎｉが低融点化しないために、接合が不可能であった。

比較例３，４は、板厚比ｔＢ／ｔＡが１．６、０．８５と０．９〜１．５の範囲外なので、部分的に不均一なフィレットが形成された。これは、板厚比ｔＢ／ｔＡが１．６、０．８５では、ＮｉとＴｉが十分に低融点化されない組成であるため、ＮｉとＴｉが反応して十分に混ざり合う途中で凝固してしまったためであると考えられる。そして、その結果、接合強度は低下した。

ＮｉとＴｉおよび母材であるＳＵＳを予め一体化した比較例５は、ろう付生産性、耐食性には優れた特性を示したが、ろう付接合部のフィレットにおいて局部的にろうが多くたまってしまう箇所があり、その部分では、母材であるＳＵＳがろう材中へ多量に溶け込むことで母材の薄肉化が生じ、接合強度の低下につながった。

ＣｕのみをＳＵＳとクラッドした従来例１では、耐食性が十分ではなく、浸漬試験後のフィレットの一部は溶解し、また、残存したフィレット部に腐食生成物を多量に形成していた。

従来例２では、耐食性やフィレット形状の均一性は良好であるが、粉末ろう材を用いること、さらに有機物系のバインダを用いることなどから、ろう付生産性が著しく低下してしまう。

本実施に形態に係るろう付方法、第１複合材、第２複合材、ろう付製品は、特に熱交換器（排ガス再循環装置（ＥＧＲ）用クーラや燃料電池改質器用クーラーなど）および燃料電池用部材に用いると有用である。

図１（ａ）は本発明の好適実施の形態であるろう付方法に用いる第１複合材の断面図、図１（ｂ）は第２複合材の断面図である。 本発明の好適実施の形態であるろう付方法を用いて組み立てたろう付製品の断面図である。 図３（ａ）は第１複合材の変形例を示す横断面図、図３（ｂ）は第２複合材の変形例を示す横断面図である。

符号の説明

１ 第１ろう材
２ 第２ろう材
１０ 母材
１１ 第１複合材（ろう付加工用複合材）
２１ 第２複合材（ろう付加工用複合材）
２０ ろう付製品

Claims (6)

1. 母材とろう材とが複合一体化したろう付加工用複合材同士をろう付接合する際、合金化することによって合金の融点が上記母材よりも低下する組合せである第１ろう材と第２ろう材とが、それぞれ上記母材と複合一体化した第１複合材と第２複合材とを用いて、上記第１ろう材と上記第２ろう材とを接触させ、上記第１複合材と上記第２複合材とをろう付接合することを特徴とするろう付加工用複合材のろう付方法。
2. 上記第１ろう材としてＮｉあるいはＮｉ合金を用い、上記第２ろう材としてＴｉあるいはＴｉ合金を用いる請求項１記載のろう付加工用複合材のろう付方法。
3. 上記第１ろう材としてＮｉを用い、上記第２ろう材としてＴｉを用い、上記第１ろう材の厚さｔＡと、上記第２ろう材の厚さｔＢとの比ｔＢ／ｔＡを０．９〜１．５にする請求項１記載のろう付加工用複合材のろう付方法。
4. 上記母材としてステンレス鋼を用いる請求項１〜３いずれかに記載のろう付加工用複合材のろう付方法。
5. 請求項１〜４いずれかに記載された方法に用いることを特徴とするろう付加工用複合材。
6. 請求項１〜４いずれかに記載された方法を用いて組み立てたことを特徴とするろう付製品。
   

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